TWI472784B

TWI472784B - 用於計算電池荷電狀態的系統及方法

Info

Publication number: TWI472784B
Application number: TW102124127A
Authority: TW
Inventors: Kyung Jik Kim; Ho Sang Kwon; Jae Chan Lee
Original assignee: Lg Chemical Ltd
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-02-11
Also published as: TW201502551A

Description

用於計算電池荷電狀態的系統及方法

本發明係關於一種方法與系統用於估計一電池的一荷電狀態(SOC)，尤指一種方法用於估計一個二次電池的一荷電狀態(SOC)，其係使用該電池的一滿充電容量(FCC)，該方法包括測量該電池的電壓與電流，使用該電池經過一特定時間後之一電壓改變與一電流積分來計算該FFC，使用該被計算的FFC和該被測量的電壓與電流來估計該電池至完全放電之一剩餘時間來計算一自我放電比率，計算該電池每一充電週期的一容量劣化率，以及使用該被計算的自我放電比率和該容量劣化率來修正該FFC以估計該電池的SOC。

近來，可充電放電的二次電池被廣泛使用作為無線行動裝置、輔助電源裝置或類似裝置的能量來源。二次電池作為電源用於電力交通工具(EV)、油電混合車(HEV)、插電型油電混合車(plug-in HEV)或類似物已被開發用以解決例如現存的石油或柴油車使用石化材料所造成的空氣汙染的載具上，也受到廣泛的注目。

當二次電池被使用於各種行動或可攜帶裝置，且其可使用的時間係有所限制的，決定該二次電池的正確SOC資訊係非常重要的。該SOC為非常重要的資訊，因為該SOC係作為該二次電池還可以使用多久的一度量。典型地配置有二次電池的手提電腦、行動電話或交通工具等裝置，估計該電池的SOC，從該估計的SOC決定例如該二次電池的可使用時間或容量等資訊，並提供該決定之資訊給使用者。

一個二次電池的SOC通常被表示為該二次電池的剩餘容量相較於滿充電容量(FCC)之百分比。各種方法可用於估計該二次電池的SOC，一種典型的估計SOC方法係使用電流積分。在該電流積分方法下，一個二次電池的輸入/輸出電流被積分，該電池的SOC藉由從該初始容量減去該積分值而被決定。

儘管在初始的週期裡該電流積分方法可取得一較準確的SOC值，當該二次電流的充電週期次數增加時，該電流積分方法的準確性可能會降低，其係由於一種SOC下降現象的發生，該SOC急速地下降至近似完全放電。因此，該二次電池被使用的越久，該SOC越快速地下降至完全沒電。假如該電流積分方法被直接地使用在該等情況下，其不可能正確地估計該由於SOC下降現象而近似沒電的SOC。結果導致，減少了該二次電時可使用的時間，儘管該SOC將比預期更快地減少，使用者卻可能未察覺該被減少的使用時間且未正確得知該二次電池滿充電容量。其造成使用者極大的不便。

因此，極需一方法和系統用於估計一個二次電池的剩餘容量(SOC)，且可根本地解決該等問題。

因此，本發明被使用於解決上述或其他尚須被解決的技術問題。

歷經各種研究與實驗，本發明已開發出一電池SOC估計方法和系統，使一個二次電池的剩餘容量(SOC)被更新，其係藉由額外地計算該電池的一容量劣化率用於更精準地量測該電池的SOC，該部分將在後續描述。本發明在此開發上已完成。

因此，本發明的一目的是提供一電池SOC估計方法與系統，其中一電池的SOC可藉增加一容量劣化率而被修正，甚至當該SOC已急速下降至近似該二次電池完全放電時，該電池的SOC依然可以精準估計，藉此提供一個正確的SOC資訊給使用者。

根據本發明，上述或其它目標可藉由提供一種使用該電池的一滿充電容量(FCC)來估計一個二次電池的一荷電狀態(SOC)的方法而達成，該方法包括(S1)量測該電池的電壓和電流，(S2)使用該電池於一段特定時間的一電壓改變和一電流積分來計算該FFC，(S3)使用該計算的FFC和量測的電池和電流來計算一自我放電比率並用以估計該電池至完全放電前的剩餘時間，(S4)計算該電池每次充電週期的一容量劣化率，以及(S5)使用該計算的自我放電率以及容量劣化率來修正該FFC用以估計該電池的SOC。

根據本發明，於一特定時間(即於一個充電後的電池的放電期間裡)，該自我放電率被修正以及該容量劣化率被更新用以估計該電池的一FCC，藉此計算該電池正確的SOC。

在一較佳範例裡，步驟S2至S5係經由一電池管理系統(BMS)而被執行。

更佳地，步驟S5包括根據下列描述來修正該FCC：FCC(新)=(計算的FCC)*(電池胞自我放電率)*(週期容量退化比率)其中電池自我放電率和週期容量劣化率各自代表該自我放電率和該容量劣化率。

該自我放電率可根據下列描述而被計算：自我放電率=1-(Y1*t_y1+Y2*t_y2+Y3*t_y3+Y4*t_y4)*(並聯電池胞的數量/設計容量)。

在此描述裡，Y1、Y2、Y3及Y4分別意指四狀態區域的自我放電率之值，該等電池的狀態係根據一特定電壓和一特定溫度來區別，t_y1、t_y2、t_y3及t_y4分別意指四狀態區域(也視為“Y1、Y2、Y3及Y4狀態區域”)的放電時間。此處，該自我放電率值Y1、Y2、Y3及Y4可參考該特定電壓和溫度而被設定。舉例來說，該特定電壓和該特定溫度各自可被決定在3.8V至4.5V以及攝氏30度至50度的範圍內。在一舉例裡，該特定電壓和溫度被設定為4.1V和攝氏40度，如圖1所示。

該容量劣化率(週期容量劣化率)可根據下述描述而被計算：容量劣化率=1-(C1*週期1+C2*週期2+C3*週期3+C4*週期4)*(並聯電池胞的數量/設計的容量)。

在此描述下，C1、C2、C3及C4各自意指四個狀態區域的容量劣化率值，該等電池的狀態係根據一特定期間和一特定溫度來區別，以及週期1，週期2，週期3及週期4意指該四個狀態區域(也視為“C1、C2、C3及C4之狀態區域”)各自的充電週期的數量。此處，該容量劣化率值C1、C2、C3及C4可參考該特定期間和該特定溫度而被設定。舉例來說，該特定期間和該特定溫度可以被決定在50至150天和30度至50度範圍裡。在一舉例裡，該特定期間和溫度被設定為90天和攝氏40度，如圖2所示。

更佳地，該容量劣化率的計算包括設定每一容量劣化率值C1、C2、C3及C4於決定C1至C4狀態區域之其中一個電池被呈現的狀態區域之後，該決定係當該電池已經被充電至85%或更高時。特別地，該容量劣化率的計算可包括決定C1至C4之其中一個電池被呈現的狀態區域於該電池已被充電至85%或更高時，決定一容量劣化率值對應於該被決定的區域，以及依照該被決定區域的充電週期數量來倍增該容量劣化率值。

該FCC可以被更新於該電池被充滿電後，以及當該電池係初始使用時或當該電池已到達一最低修正點時，該FFC可以被立即地重置於該電池被充滿電後。

本發明也提供一種二次電池SOC估計系統，包括該電池SOC估計方法以及提供一個包括該SOC估計系統的二次電池。

該二次電池可以係為一包括單一個電池胞(battery cell)之單元電池(unit battery)、或可以係二或更多個電池胞之組合。藉此，該二次電池並不限於特定形式。該二次電池的種類也沒有特別限制。較佳地，該二次電池係一鋰電池。

此處所提包括鋰電池的該等二次電池的構造、結構以及製造可以被該領域具通常知識者所知。

該二次電池可被使用為一小尺寸裝置的一驅動源或一電力源，例如一行動電話或一手提電腦。該二次電池也可被使用為一大尺寸裝置的一驅動源或一電力源，例如一電力車(EV)、一油電車(HEV)、一插電型油電混合車(PHEV)或一電量儲存裝置。

該等裝置係為熟悉該項技術者所已知，其詳細描述在此予以省略。

在根據本發明之電池SOC估計方法和系統下，即使一個二次電池的SOC已急速地下降至接近該二次電池的完全放電時，該SOC藉由計算一容量劣化率而被修正。據此，其可以精準地估計該SOC，藉此提供精準的SOC資訊給使用者。

除此之外，該二次電池的容量被精確地決定，藉此改善該電池的壽命。

t_y1、t_y2、t_y3及t_y4‧‧‧放電時間

Y1、Y2、Y3及Y4‧‧‧自我放電率值

C1、C2、C3及C4‧‧‧容量劣化率值

1、2、3、4‧‧‧週期

本發明之上述目的和其它目的將藉由更詳細的說明並配合圖式而更清楚地被了解，該等圖式為：圖1顯示本發明一實施例之一電池胞自我放電特性示意圖；圖2顯示本發明一實施例之每一週期的一電池胞的容量退化示意圖；圖3顯示本發明一實施例之FCC的時間被重置示意圖。

圖4顯示本發明一實施例之數個儲存的電荷(或電能)被儲存在一電池胞裡之示意圖；以及圖5顯示本發明一實施例之一電池胞裡之一估計的數個儲存電荷(或能量)之示意圖。

在此，本發明的實施例將與圖式結合以進行更詳細的說明。然而，該等實施例只是用來更加了解本發明，而非本發明的限制。

圖1係本發明一實施例之一架構圖，其顯示一電池胞(battery cell)的自我放電特性，以及圖2係本發明一實施例之一架構圖，其顯示每一週期的一電池胞的容量退化。

參照圖1和2，根據本發明之一電池SOC估計方法和系統，當開始被充電時，一個電池(或多個電池)的一全部滿充電容量(FCC)被計算。為了修正充電及放電處理的 FCC，一自我放電率和一容量劣化率被計算，以及基於該計算的自我放電率和容量退化而計算一修正的FCC。該電池的一剩餘電量(SOC)基於該修正的FCC而被估計。

一電池胞的自我放電率被區分為四種狀態區域(之後以“Y1至Y4狀態區域”表示)之各自的自我放電率之值Y1至Y4，該電池的狀態係藉由該電池胞的一攝氏40度(X軸)之退化溫度和一4.1V(Y軸)之充電電壓而被區分至其中。一自我放電率中映射該Y1至Y4狀態區域的自我放電率之值係基於式1而被計算。

式1自我放電率=1-(Y1*t_y1+Y2*t_y2+Y3*t_y3+Y4*t_y4)*(並聯電池胞的數量/設計容量)

在式1裡，t意指放電時間(特別地，t_y1、t_y2、t_y3及t_y4各自意指Y1、Y2、Y3及Y4狀態區域裡的放電時間)，以及Y1、Y2、Y3及Y4意指該Y1、Y2、Y3及Y4狀態區域各自的自我放電率值。經過一放電處理的放電時間t，Y1至Y4狀態區域中的其中一個該電池被呈現的狀態區域藉由參考該攝氏40度之退化溫度和該4.1V之充電電壓而被決定。一相對該決定區域的自我放電率之值係藉由與該電池的初始設計容量有關的該所有電池胞(即全部的電壓)而被倍增，並用以計算該電池的自我放電率。

一電池胞的容量劣化率被區分為四個狀態區域(之後稱為“C1至C4狀態區域”)之各自的容量劣化率之值C1至C4，該電池的狀態，亦即為該電池經過充電/放電週期處理之狀態，係根據一90天之持續時間(Y軸)以及一攝氏40度之溫度(X軸)而被區分。該等C1至C4狀態區域的容量劣化率值被映射之一容量劣化率係根據式2而被計算。

式2容量劣化率=1-(C1*週期1+C2*週期2+C3*週期3+C4*週期4)*(並聯電池胞的數量/設計容量)

在式2裡，C1、C2、C3及C4意指該等C1、C2、C3及C4狀態區域之各自的容量劣化率值，以及週期1、週期2、週期3及週期4意指該等C1、C2、C3及C4狀態區域之各自的充電週期的數目。經過該電池的放電，該等C1至C4狀態區域之其中一個該電池被呈現的區域係參考該攝氏40度的退化溫度以及該90天的使用期間而被決定。相對於該決定區域的一容量劣化率之值係藉由所有與該電池初始設計容量有關的電池胞的數量(即全部電壓)而被倍增，其用以計算該電池的容量劣化率。容量劣化率值各自被計算用於C1至C4狀態區域，並被呈現在表格1裡。

由表格1可知，當該電池的使用期間短且該溫度高時，該電池胞的單一週期容量係高的。其係因為當該電池的使用期間增加時，該電池胞的熱量產生亦增加，因此該電池的容量劣化率也增加。

圖3係本發明一實施例之顯示FCC重置時間之架構圖。

如圖3所示，在本發明的SOC估計方法與系統中，該電池的FCC被更新於該電池充滿電而該電池的剩餘SOC(remaining SOC，RSOC)已達到100%之後，以及其被重置於該電池係初次使用或當該電池已達到最低修正點(Correction Point Low)。因此其可取得該電池之剩餘容量(SOC)的修正估計值。

特別地，該電池的滿充電容量(FCC)被立即更新於該電池初次被充滿電之後。在充電被終止後，該電池的FCC被初始地重置於該電池被重新使用時。接著，在該電池被重新充電後，當該電池係完全充滿電使得該電池的剩餘SOC(RSOC)已達到100%時或當該電池已達到該最低放電等級使得該RSOC為6%時，該電池的FCC被再次重置。藉此，該電池的SOC被即時計算。

圖4係本發明一實施例之一電池胞裡儲存的電荷(或能量)的總數之架構圖以及圖5係本發明一實施例之一電池胞裡儲存電荷(或能量)的總數之估計值。

和一實際量測電池容量相比，使用該自我放電率和該容量劣化率所修正的該(新)FFC值代表一更加精準的電池SOC。其允許使用者獲得一更精準的SOC俾以即時正確地決定該電池的有效容量。

由先前描述可清楚地知道，本發明之電池SOC估計方法和系統具有各種好處。即使當一個二次電池的SOC已急速地下降至接近沒電，該SOC藉由計算一容量劣化率而被修正。由此，其可精準地估計該SOC，並藉此提供精準的SOC資訊給使用者。

除此之外，該二次電池的容量被更精準地決定，藉此改善該電池的使用壽命。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Y1、Y2、Y3及Y4‧‧‧自我放電率值

Claims

一種用於估計一個二次電池的荷電狀態(SOC)之方法，其係使用該電池的一滿充電容量(FCC)，該方法包括：(S1)測量該電池的電壓與電流；(S2)使用該電池於一充電後的放電期間裡之一電壓改變與一電流積分來計算該FFC；(S3)使用該被計算的FFC和該被測量的電壓和電流來估計該電池至完全放電的一剩餘時間，據以計算一自我放電比率，其中該自我放電率係根據下式來計算：自我放電率=1-(Y1*t_y1+Y2*t_y2+Y3*t_y3+Y4*t_y4)*(並聯電池胞的數量/設計容量)，當中，Y1、Y2、Y3及Y4分別意指四狀態區域的自我放電率之值，該等電池的狀態係根據一特定電壓和一特定溫度來區別，t_y1、t_y2、t_y3及t_y4分別意指四狀態區域的放電時間，並且Y1、Y2、Y3及Y4係參考該特定電壓和溫度而被設定；(S4)計算該電池每一充電週期的一容量劣化率，其中該容量劣化率係根據下式而被計算：容量劣化率=1-(C1*週期1+C2*週期2+C3*週期3+C4*週期)*(並聯電池胞的數量/設計容量)，當中，C1、C2、C3及C4意指四種狀態區域各自的容量劣化率，該電池的該等狀態係根據50至150天的一特定期間和30度至50度的一特定溫度來區分，週期1、週期2、週期3及週期4意指該等四種狀態區域裡各自的充電週期的數量，以及C1、C2、C3及C4係參考該特定期間和該特定溫度而被設定；以及(S5)使用該被計算的自我放電比率和該容量劣化率來修正該FFC，據以預估該電池的SOC，其中該FFC根據下式來修正：FFC(新)=(被計算的FFC)*(電池胞自我放電比率)*(週期容量劣化率)，當中，電池胞自我放電比率和週期容量劣化率各自代表該自我放電率和該容量劣化率。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該步驟S2至S5係經由一電池管理系統(BMS)來執行。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該容量劣化率的計算包括，在該四狀態區域之其中一個該電池被呈現的區域被決定於該電池已被充電至85%或更高時之後，設定該四狀態區域的每一容量劣化率之值。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該FFC在該電池被充滿電後被更新，以及當該電池係初始使用時或該電池係已到達一最低修正點時，該FFC在電池被充滿電後被重置。
一種二次電池SOC估計系統，包含申請專利範圍第1項所述之方法。
一種二次電池，包含申請專利範圍第8項所述之SOC估計系統。
一種裝置，包括申請專利範圍第6項所述之二次電池，並將該二次電池作為一驅動來源或一電量來源。