TWI464935B - 電池模組 - Google Patents

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TWI464935B TW102124020A TW102124020A TWI464935B TW I464935 B TWI464935 B TW I464935B TW 102124020 A TW102124020 A TW 102124020A TW 102124020 A TW102124020 A TW 102124020A TW I464935 B TWI464935 B TW I464935B
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Description

電池模組
本發明是有關於一種電池模組，且特別是有關於一種充放電電池模組。
一般而言，電池容量計算常有計算上的暇疵，不是很不準確就是容量亂跳動。電池容量顯示幾乎降低到0%時，使用者插上電源連接器後，電池容量就突然跳到30%以上。或者，電池容量顯示50%，但運作一個簡單程式之後就突然顯示電池容量降低到0%。
偵測電池容量的晶片可以採用終止放電電壓(End of Discharge Voltage,EDV)或阻抗追蹤(Impedance Tracking,IT)。然而，這些方法並未對電池本體與外部環境特性進行計算，而造成電池容量計算上的不準確。
本發明係有關於一種電池模組，其針對電池本體與 外部環境特性進行計算，以提高電池模組之量測的準確性。
根據本發明之第一方面，提出一種電池模組。電池模組包括一電池組、一電壓量測單元、一溫度量測單元、一矩陣計算單元及一混合演算單元。電池組係被進行放電。電壓量測單元用以量測電池組之一電壓值矩陣。溫度量測單元用以量測電池組之一溫度。矩陣計算單元用以計算電壓值矩陣之一範數(norm)。若範數之變化大於一預定數值且溫度上升一預定溫差以上達一持續時間以上，則混合演算單元降低電池模組之一目前電量(remain capacity,RC)一第一預定比例。若範數之變化大於預定數值且溫度未上升預定溫差以上，則混合演算單元降低電池模組之目前電量一第二預定比例。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧電池組
200‧‧‧電池管理單元
310‧‧‧負載量測單元
311‧‧‧電流量測單元
312‧‧‧時間記錄單元
313‧‧‧庫倫計算單元
320‧‧‧電壓量測單元
330‧‧‧溫度量測單元
340‧‧‧內阻量測單元
410‧‧‧動態調整單元
420‧‧‧矩陣計算單元
430‧‧‧充放電循環次數記錄單元
500‧‧‧混合演算單元
600‧‧‧輸出單元
1000‧‧‧電池模組
S101~S110、S201~S205、S301~S305‧‧‧流程步驟
第1圖繪示不同負載之電池的電壓與容量曲線圖。
第2圖繪示不同溫度之電池的電壓與容量曲線圖。
第3圖繪示電池之溫度與容量之曲線圖。
第4圖繪示不同負載之電池隨時間之電壓變化曲線與溫度變化曲線。
第5圖繪示電池之電壓與溫度曲線圖。
第6圖繪示本實施例之電池模組之示意圖。
第7圖繪示電池模組之準確性校正方法的目前電量(remain capacity,RC)校正流程圖。
第8圖繪示電池模組之準確性校正方法的滿充容量值(full charge capacity,FCC)校正流程圖。
第9圖繪示電池模組之準確性校正方法的充電截止電流(tapper current)校正流程圖。
請參照第1圖，其繪示不同負載之電池的電壓與容量曲線圖。五條曲線分別表示負載於2C、1.5C、1C、0.5C、0.2C的電池。在不同負載下，電池的電壓與容量曲線並不一致。負載越高，容量越低。當負載移除時，電池會突然由低容量跳至高容量，導致電池容量計算的不準確。並且，電池之電壓與容量曲線並不是線性曲線，而無法輕易推算與預測，由圖可知最好與最差約有百分之15的損失容量。
請參照第2圖，其繪示不同溫度之電池的電壓與容量曲線圖。五條曲線分別表示位於-20℃、-10℃、0℃、23℃、45℃、60℃之電池。在不同溫度下，電池的電壓與容量曲線並不是一致的。溫度越高，容量越高。當溫度改變時，電池容量就會有不同的結果，導致電池容量計算的不準確。並且，電池之電壓與容量曲線並不是線性曲線，而無法輕易推算與預測。
請參照第3圖，其繪示電池之溫度與容量之曲線圖。從第3圖可以更明顯觀察到溫度在-20度至0度之間對於容量有相當明顯的變化。這樣的變化將導致電池容量計算的不準確。並且，電池之溫度與電壓曲線並不是線性曲線，而無法輕易推算與預測。
請參照第4圖，其繪示不同負載之電池隨時間之電壓變化曲線與溫度變化曲線。在不同負載下，電池隨時間之電壓變化曲線並不是一致的。負載越高，電壓降低的速度越快。這樣的情況導致電池容量計算的不準確。電池之隨時間之電壓變化曲線並不是線性曲線，而無法輕易推算與預測。在另一方面，在不同負載下，電池隨時間之溫度變化曲線並不是一致的。負載越高，溫度上升的速度越快。這樣的情況導致電池容量計算的不準確。電池之隨時間之電壓變化曲線並不是線性曲線，而無法輕易推算與預測。
請參照第5圖，其繪示電池之電壓與溫度曲線圖。從電壓與溫度之關係來看，電壓與溫度曲線並不是線性曲線，而無法輕易推算與預測。
此外，請參照表一，其為電池放電之記錄表。承載充電(shipping charge)係為3.84伏特(V)，滿充電(full charge)係為4.2伏特。舉例來說，在溫度25℃的情況下，在承載充電(3.84伏特)存放1個月之後，電池的電壓由3.84伏特降至3.833伏特(即3.84伏特減去0.007伏特)。
此外，由於內部化學特性的不一致，電池的內阻也不一樣。當電池的內阻很小，且電池外接的負載輕，那麽分配在這個電池的電壓就小；反之如果外接很重的負載，那麽分配在這個電池的電壓就比較大，而會有一部分功率被消耗在這個內阻上(可能轉化為發熱，或者是一些復雜的逆向電化學反應)。一般而言，電池出廠時的內阻是比較小的，但經過長期使用後，由於電池內部電解液的枯竭，以及電池內部化學物質活性的降低，這個內阻會逐漸增加，直到內阻大到電池內部的電量無法正常釋放出來，此時電池也就「壽終正寢」了。
總上所述，電池容量受到電壓、溫度、負載、內阻及其他因素等錯綜複雜的交互影響，而導致電池容量計算的不準確。本實施例致力於各種實驗以瞭解這些影響因素之後，提出一種電池模組及其準確性校正方法，以提升電池容量計算的準確性。
請參照第6圖，其繪示本實施例之電池模組100之 示意圖。電池模組1000包括一電池組100、一電池管理單元200、一負載量測單元310、一電壓量測單元320、一溫度量測單元330、一內阻量測單元340、一動態調整單元410、一矩陣計算單元420、一充放電循環次數記錄單元430、一混合演算單元500及一輸出單元600。
電池組100例如是一充電電池。電池組100可以進行多次充電與放電程序，例如是一鎳鎘(Ni-Cd)電池、一鎳氫(Ni-MH)電池、一鋰(Lithium-Ion)電池、一磷酸鋰鐵(LiFePO4 )電池或一蓄電池。
電池管理單元200用以管理與控制電池的充電與放電程序，例如是一控制晶片、一韌體電路、一控制電路板或儲存數組程式碼之一電腦可讀取記錄媒體。
負載量測單元310、電壓量測單元320、溫度量測單元330及內阻量測單元340分別用以量測電池組100之負載、電壓、溫度與內阻。負載量測單元310、電壓量測單元320、溫度量測單元330及內阻量測單元340分別例如是一晶片組、一韌體電路、一控制電路或一被動元件。
矩陣計算單元420及混合演算單元500用以接收特定資料後進行計算與演算，以輸出一計算結果。矩陣計算單元420及混合演算單元500例如是一控制晶片、一韌體電路、一控制電路板或儲存數組程式碼之一電腦可讀取記錄媒體。
充放電循環次數記錄單元430用以記錄並提供充放 電循環次數。充放電循環次數記錄單元430例如是一暫存器(register)、一記憶體或一硬碟。
輸出單元600用以輸出演算結果。輸出單元600例如是一訊號連接線路、一顯示器、一印表機或一擴音器。
電壓量測單元320、溫度量測單元330、矩陣計算單元420與混合演算單元500用以根據電壓及溫度來對電池組100作精準度校正。內阻量測單元340、充放電循環次數記錄單元430與混合演算單元500則是根據內阻來對電池組100作精準度校正。負載量測單元310及動態調整單元410則是根據負載來對電池組100作精準度調整。以上三種精準度校正程序分別以流程圖說明如下。
請參照第7圖，其繪示電池模組1000之準確性校正方法的目前電量(remain capacity,RC)校正流程圖。從上述實驗分析可以瞭解到，電壓與溫度將影響電池之準確性。以下流程圖係透過電壓與溫度來校正目前電量(RC)。
首先，在步驟S101中，對電池組100進行充電。
接著，在步驟S102中，電壓量測單元320量測電池組100之一電壓值矩陣。舉例來說，電池組100例如是三串聯一並聯(3S1P)之電池結構，每隔一間隔時間分別量測三串電池之電壓，而得到三筆電壓值。連續累計三個間隔時間之後，則可得到九筆電壓值。這九筆電壓值可以組成電壓值矩陣。間隔時間例如是一分鐘。第一串電池之三筆電壓值排列於第一行，第二串電 池之三筆電壓值排列於第二行，第三串電池之電壓值排列於第三行。某一時間之三串電池之三筆電壓值排列於第一列，下一間隔時間之三串電池之三筆電壓值排列於第二列，再下一間隔時間之三串電池之三筆電壓值排列於第三列。下式(1)為電壓值矩陣之一個例子。
第一個~第三個間隔時間之電壓量測可以得到一個3×3電壓值矩陣，第二~第四個間隔時間之電壓量測可以得到另一個3×3電壓值矩陣，第三個~第五個間隔時間之電壓量測可以得到另一個3×3電壓值矩陣，依此類推。
同樣地，若電池組100為三串聯二並聯(3S2P)之電池結構或三串聯三並聯(3S3P)之電池結構，也是以每一串聯之電池為一個單位來量測電壓值，而得到3×3電壓值矩陣。
若電池組100為四串聯一並聯(4S1P)之電池結構，也是以每一串聯之電池為一個單位來量測電壓值，而得到4×4電壓值矩陣。
依此類推，若電池組100為N串聯M並聯(NSMP)之電池結構(N與M為自然數)，也是以每一串聯之電池為一個單位來量測電壓值，而得到N×N電壓值矩陣。
接著，在步驟S103中，矩陣計算單元420計算電壓值矩陣之一範數(norm)。
然後，在步驟S104中，溫度量測單元330量測電池組100之一溫度。
接著，在步驟S105中，混合演算單元500判斷範數之變化是否大於一預定數值。預定數值例如是0.5。若範數之變化大於預定數值，則進入步驟S106；若範數之變化不大於預定數值，則進入步驟S109。
在步驟S106中，混合演算單元500判斷溫度是否上升一預定溫差以上達一持續時間以上。預定溫差例如是3℃，持續時間例如是3分鐘。若溫度上升預定溫差以上達持續時間以上，則進入步驟S108；若溫度是沒有上升預定溫差以上達持續時間以上，則進入步驟S109。
在步驟S109中，混合演算單元500判斷溫度是否有上升。若溫度有上升，則進入步驟S107；若溫度未上升，則進入步驟S110。
經過步驟S105、步驟S106及步驟S109之判斷之後，進入步驟S108、步驟S110或步驟S107。
在步驟S108中，混合演算單元500降低電池組100之目前電量(RC)一第一預定比例。第一預定比例例如是5%。
在步驟S110中，混合演算單元500降低電池組100之目前電量(RC)一第二預定比例。第二預定比例例如是1%。
在步驟S107中，混合演算單元500維持電池組100之目前電量(RC)。
也就是說，若範數之變化大於0.5且溫度上升3℃以上達3分鐘以上，則混合演算單元500降低電池模組1000之目前電量(RC)5%；若範數之變化大於0.5且沒以溫度上升3℃以上，則混合演算單元500降低電池模組1000之目前電量1%；若範數之變化不大於0.5，則混合演算單元500維持電池模組1000之目前電量。
請參照第8圖，其繪示電池模組1000之準確性校正方法的滿充容量值(full charge capacity,FCC)校正流程圖。從上述實驗分析可以瞭解到，內阻將影響電池之準確性。以下流程圖係透過內阻來校正滿充容量值(FCC)。
首先，在步驟S201中，對電池組100進行放電。
接著，在步驟S202中，內阻量測單元340量測電池組100之一內阻(impedance)。
然後，在步驟S203中，混合演算單元500判斷電池組100之一充放電循環次數是否增加一預定次數且內阻是否上升。預定次數例如是10。若電池組100之充放電循環次數增加預定次數且內阻上升，則進入步驟S204；若電池組100之充放電循環次數沒有增加預定次數或內阻沒有上升，則進入步驟S205。
在步驟S204中，混合演算單元500降低電池組100之滿充容量值(FCC)一第三預定比例。第三預定比例例如是0.83%。
在步驟S205中，混合演算單元500維持電池組100 之滿充容量值(FCC)。
也就是說，若電池組100之充放電循環次數增加10次且內阻上升，則混合演算單元500降低電池組100之滿充容量值(FCC)0.83%；若電池組100之充放電循環次數尚未增加10次或內阻沒有上升，則混合演算單元500維持電池組100之滿充容量值(FCC)。
請參照第9圖，其繪示電池模組1000之準確性校正方法的充電截止電流(tapper current)校正流程圖。從上述實驗分析可以瞭解到，負載將影響電池之準確性。以下流程圖係透過負載來校正充電截止電流。
首先，在步驟S301中，對電池組100進行充電。
接著，在步驟S302中，負載量測單元310量測電池組100之一負載(load)。負載量測單元310包括一電流量測單元311、一時間記錄單元312及一庫倫計算單元313。電流量測單元311用以量測電池組100之電流，時間記錄單元312用以記錄時間。庫倫計算單元133係依據電流及時間計算庫倫數。透過電流量測單元311、時間記錄單元312及庫倫計算單元313可以量測出電池組100的負載。
然後，在步驟S303中，動態調整單元410判斷負載是否大於一預定負載量。預定負載量係為3安培(A)。若負載大於預定負載量，則進入步驟S304；若負載不大於預定負載量，則進入步驟S305。
在步驟S304中，動態調整單元410調整電池組100之充電截止電流(tapper current)為一第一預定電流值。第一預定電流值例如是300毫安培(mA)。
在步驟S305中，動態調整單元410調整電池組100之充電截止電流為一第二預定電流值。第二預定電流值例如是100毫安培(mA)。
也就是說，若負載大於3安培(A)，則動態調整單元410調整電池組100之充電截止電流(tapper current)為300毫安培(mA)；若負載不大於3安培(A)，則動態調整單元410調整電池模組1000之充電截止電流為100毫安培(mA)。
經過以上各種校正程序以後，混合演算單元500可以根據校正後的目前電量(RC)及滿充容量值(FCC)來獲得校正後的電池剩餘容量(relative State of Charge,RSOC)。再根據校正後的充電截止電流(tapper current)來進行比較後，來確定電池的狀況。這些資料彙整至電池管理單元200後，即可針對電池模組1000作相當精準的控制與管理。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電池組
200‧‧‧電池管理單元
310‧‧‧負載量測單元
311‧‧‧電流量測單元
312‧‧‧時間記錄單元
313‧‧‧庫倫計算單元
320‧‧‧電壓量測單元
330‧‧‧溫度量測單元
340‧‧‧內阻量測單元
410‧‧‧動態調整單元
420‧‧‧矩陣計算單元
430‧‧‧充放電循環次數記錄單元
500‧‧‧混合演算單元
600‧‧‧輸出單元
1000‧‧‧電池模組

Claims (10)

  1. 一種電池模組，包括：一電池組，係被進行放電；一電壓量測單元，用以量測該電池組之一電壓值矩陣；一溫度量測單元，用以量測該電池組之一溫度；一矩陣計算單元，用以計算該電壓值矩陣之一範數(norm)；以及一混合演算單元，若該範數之變化大於一預定數值且該溫度上升一預定溫差以上達一持續時間以上，則該混合演算單元降低該電池模組之一目前電量(remain capacity,RC)一第一預定比例；若該範數之變化大於該預定數值且該溫度未上升該預定溫差以上，則該混合演算單元降低該電池模組之該目前電量一第二預定比例。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該電池組包括N串電池，該電壓量測單元每隔一間隔時間對各串電池量測一電壓值，以組成N×N之該電壓值矩陣。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池模組，其中該間隔時間係為1分鐘。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該預定數值係為0.5。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該預定溫差係為3℃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該持續時間係為3分鐘。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該第一預定比例係為5%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該第二預定比例係為1%。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，更包括：一內阻量測單元，用以量測該電池模組之一內阻(impedance)；以及一充放電循環次數記錄單元，用以記錄該電池組之一充放電循環次數；其中若該電池組之一充放電循環次數增加一預定次數且該內阻上升，則該混合演算單元降低該電池組之一滿充容量值(full charge capacity,FCC)一第三預定比例。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該電池組係被進行充電，該電池模組更包括：一負載量測單元，用以量測該電池模組之一負載(load)；以及一動態調整單元，若該負載大於一預定負載量，則該動態調整單元調整該電池組之一充電截止電流(tapper current)為一第一預定電流值；若該負載不大於該預定負載量，則該動態調整單元調整該電池模組之該充電截止電流為一第二預定電流值。
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