TWI478418B - 放電曲線的校正系統與電池的放電曲線的校正方法 - Google Patents

放電曲線的校正系統與電池的放電曲線的校正方法 Download PDF

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Description

放電曲線的校正系統與電池的放電曲線的校正方法
本發明為一種電池的電量估算方法以及放電曲線的校正系統，特別是可針對電池老化進行校正的電量估算方法以及校正系統。
由於科技的進步，電子產品也趨向於輕、薄、短、小的特性發展。而在許多電子產品中，經常會利用電池來提供該電子產品所需之電能，尤其是在移動式電子產品(如手機或是電動車)中，更是只能依賴電池來供應電力。
一般的電子產品係利用一電量估測方法，估測電池的電力，並將結果顯示在電子產品的螢幕上，好讓使用者能即時得知電池容量。電池是化學能的產品，其會隨著使用狀況(例如充放電次數)而老化，若是電量估測方法並無考量到電池老化的話，則可能發生不準確的情況。
本發明的一實施例提供一種電池的放電曲線的校正方法。該方法包括取得一電池的一初始放電曲線；於一第一時間點以及一第二時間點分別測量該電池的一第一開路電壓以及一第二開路電壓；取得該初始放電曲線中分別對應於該第一開路電壓以及該第二開路電壓放電量的一第一放電量以及一第二放電量；根據該第一放電量與該第二放電量計算一理想放電量；量測該電池於該第一時間點與該第二時間點間的一實際放電量；以及根據該理想放電量與該實際放電量的一總放電量差值校正量校正該初 始放電曲線以得到該電池的一目前放電曲線。
本發明的另一實施例提供一種放電曲線的校正系統，用以校正一電池的一初始放電曲線，該校正系統包括一放電量測量單元以及一控制器。該放電量測量單元，耦接該電池，用以測量該電池的放電量。該控制器根據該初始放電曲線、該電池於一第一時間點的一第一開路電壓以及於一第二時間點的一第二開路電壓計算一理想放電量，以及控制該放電量測量單元量測於該第一時間點與該第二時間點間的一實際放電量。該控制器根據該理想放電量與該實際放電量的一總放電量差值校正該初始放電曲線以得到該電池的一目前放電曲線。
31‧‧‧控制器
32‧‧‧電池
33‧‧‧放電量測量單元
34‧‧‧初始放電曲線
第1圖為一電池放電曲線示意圖。
第2圖為電池在老化狀態與初始狀態的一電池容量差以及一近似曲線示意圖。
第3圖為根據本發明之一放電曲線的校正系統的一實施例的示意圖。
第4圖為一電池放電曲線的校正方法的一實施例的流程圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
第1圖為一電池放電曲線示意圖。第1圖的縱軸是電池的開路電壓(open circuit voltage，OCV)，而橫軸是電池的放電容量。電池在經過反覆放電後，電池會因為老化使得電池在相同的開路電壓下，電池的放電容量會降低。因此會造成電池的初始放電容量曲線11與目前放電容量曲線12有誤差。電池的初始放電容量曲線11可能由電池製造商所提供，或是當電子裝置初次使用該電池時所求得。而目前放電容量曲線12則為電池經過一段時間使用(例如經多次充放電)之後開路電壓相對於真實放電容 量的曲線。要注意的是，前述的開路電壓指的是電池放電後靜置一段時間的端點電壓。在實施應用上，通常需要利用充放電機(recharge and discharge machine)來量測開路電壓和放電容量。由於開路電壓須電池放電後靜置一段時間才能測量，因此使用者在實際應用上不易逐點量測電池的開路電壓。
在第1圖中，初始放電容量曲線11具有複數個取樣點，每個取樣點分別對應一放電量以及一開路電壓，且除了第一個放電間隔與最後一個放電間隔之外，任兩取樣點之間的一放電間隔為一定值。在一實施例中，以此定值為0.3333Ah為例，即是說，將電池充飽，並開始放電，並在每放電0.3333Ah時記錄一取樣點。當電池放電到放電截止電壓時，有可能最後的放電量會不到0.3333Ah。相反地，若電池完全放電，再開始充電，每充電0.3333Ah記錄一取樣點以得到電池的一充電容量曲線。當電池充電到充電截止電壓時，有可能最後的充電量會不到0.3333Ah。因此第一個放電間隔與最後一個放電間隔可與其餘放電間隔具有不同的電量。
電池的初始放電容量曲線11上的每兩點之間的放電容量都是固定的。當電池放電一固定量的電荷時，該電池的開路電壓被量測且記錄。因此，在另一種實施方式中，電池的初始放電容量曲線11可以被以電池容量與電池開路電壓的對照表的形式表示。同樣地，電池的目前放電容量曲線12也是針對電池每放電一固定量的電荷後，量測該電池的開路電壓所得到。在一實施例中，一庫侖計量器(coulomb counter)被用來量測電池的放電量，且一電壓量測電路被用來量測電池的開路電壓。
如第1圖所示，隨著開路電壓的降低，電池的初始放電容量曲線11以及目前放電容量曲線12差異逐漸增大。也就是說，理想放電容量與實際放電容量的差異是逐漸增加。因此本發明提出一個電池的放電曲線的校正方法，可根據電池在兩個開路電壓間理想放電量與實際放電量的放電量差值來校正初始放電容量曲線11，以得到目前放電容量曲線12。使用該電池的電子裝置便可以藉由電池老化曲線更正確地得到電池目前的容量以進行後續的控制。
請一併參考第1圖與第2圖。第2圖為電池在老化狀態(即經過多次充放電後的狀態)與初始狀態(即電池出廠時的狀態)的一電池容量差以及一近似曲線示意圖。第2圖中的電池容量差曲線21是根據第1圖的 初始放電容量曲線11與目前放電容量曲線12所得到。電池容量差曲線21的縱軸為相同的開路電壓下，初始放電容量曲線11與目前放電容量曲線12的放電量差值。電池容量差曲線21的橫軸為初始放電容量曲線11的電池放電容量除以電池的初始總容量--殘電容量值(state of charge，SOC)。而近似曲線22則是根據第1圖的取樣點13a、13b、14a以及14b所得到。
取樣點13a表示在一第一開路電壓時，對應該初始放電容量曲線11，該電池的一第一放電容量。
取樣點14a表示在一第二開路電壓時，對應該初始放電容量曲線11，該電池的一第二放電容量。
取樣點13b表示在該第一開路電壓時，該電池實際放電的一第三放電容量。
取樣點14b表示在該第二開路電壓時，該電池實際放電的一第四放電容量。
在第2圖中，第一取樣點23的縱軸和橫軸分別表示第1圖中取樣點13a與13b的放電容量差值以及對應的殘電容量值。第二取樣點24的縱軸和橫軸分別表示第1圖中測量點14a與14b的放電容量差值以及對應的殘電容量值。根據第一取樣點23與第二取樣點24便可得到近似曲線22。
如前所述，本發明可根據電池在兩個開路電壓間理想放電量與實際放電量的總放電量差值來校正初始放電容量曲線11，以得到目前放電容量曲線12。
本段落說明如何得知上述理想放電量。以第1圖為例，當電池靜置一段時間後，於一第一時間點量測電池的開路電壓為3.3164V。對應到初始放電容量曲線11可得知此時放電容量應為2.0204(Ah)，也就如第1圖中取樣點13a所示。當電池被使用一段時間或持續放電一段時間後，於一第二時間點量測電池的開路電壓為3.1571V，對應到初始放電容量曲線11可得知此時放電容量應為9.4386(Ah)，如第1圖中測量點14a所示。也就是說，可由初始放電容量曲線11中得知第一時間點與第二時間點之間的理想放電量為9.4386-2.0204=7.4182(Ah)。
以下接著說明如何得知上述實際放電量。可透過一放電量測 量單元(例如為庫侖計量器)量測此電池於第一時間點與第二時間點間的實際放電量。目前實際的放電容量，如第1圖中取樣點13b所示。對應取樣點13b的第三放電容量的一種求得方式可藉由下列方式得到：首先將電池充飽電後，同時將庫侖計量器歸零。接著由該庫侖計量器量測電池的放電量，並且於第一時間點由一控制器讀取該庫侖計量器以得到該第三放電容量。
當電池被使用一段時間或持續放電一段時間後，於一第二時間點量測電池的開路電壓為3.1571V，對應到初始放電容量曲線11可得知此時放電容量應為9.4386(Ah)，也就如第1圖中取樣點14a所示。此時可以透過庫侖計量器量測電池目前實際的放電容量，如第1圖中測量點14b所示。
根據初始放電容量曲線11可得到測量點13a與14a的一理想放電量為7.4182(Ah)。而透過庫侖計量器可得知測量點13b與14b的一實際放電量為6.8476(Ah)。由於本發明是根據理想放電量與實際放電量的總放電量差值來校正初始放電容量曲線11。庫侖計量器只需要得知電池實際的放電量，因此在另一實施例中，可在第一時間點時將庫侖計量器歸零，接著在第二時間點由控制器讀取該庫侖計量器以得到該實際放電量差值即可。
根據該理想放電量與該實際放電量可得到第2圖所示之第一取樣測量點23與第二取樣測量點24之間一總放電量差值為0.5705(Ah)。
在第1圖中，初始放電容量曲線11上的每兩個相鄰取樣點之間的放電容量差值為0.3333(Ah)。換言之，每一個放電間隔對應的放電容量差值為0.3333(Ah)。根據初始放電容量曲線11，取樣點13a與取樣點14a的理想放電量為7.4182(Ah)，因此由取樣點13a與取樣點14a的放電間隔的數量可由下列式子所得：7.4182/0.3333=22.2545
將總放電量差值平均修正到這些放電間隔，平均每個放電間隔所得到的一平均放電量差值可由下列式子所得：0.5705/22.2545=0.0256(Ah)
接著，將初始放電容量曲線11轉換對應每個取樣點的放電 容量值，便可得到下列每個放電間隔的放電容量：
每兩個相臨取樣點相減可得到每個放電間隔的放電容量差值如下(基準點的放電容量為0)：
將前述每個放電間隔的放電容量差值0.3333(Ah)扣除平均放電量差值0.0256(Ah)可得到新的放電容量差值為0.3077。而第一個放電間隔的放電容量差值由下列式子可得：(0.3111/0.3333)×0.3077=0.2872
最後一個放電間隔的放電容量差值由下列式子可得：(0.1953/0.3333)×0.3077=0.1802
校正後每個放電間隔的放電容量差值如下(基準點的放電容量為0)：
根據上述的放電間隔的放電容量差值還原對應初始放電容量曲線11每一點的放電容量值，列示如下：
根據上述的放電容量值以及對應的開路電壓，便可描繪出電池的目前放電曲線12。透過電池的目前放電曲線12，電子裝置內的控制器便可更精確地估算目前電池的殘電容量，並根據該殘電容量對電子裝置進行對應的控制。
雖然第1圖與第2圖是以電池放電的情況說明，但根據本發明前述之精神，也可將本發明提出之方法應用在電池充電的情形，以得到更接近電池目前狀態的充電曲線。
藉由修正後的電池目前放電曲線，使用電池的電子裝置可以更正確的估計電池的殘電容量，並根據電池的殘電容量做適應性的控制。
值得一提的是，在習知技藝中，儲存目前放電曲線12時通常需要將每個取樣點以及各取樣點對應的開路電壓全部儲存於記憶體中。但本發明採用了與習知技藝不同的儲存方法。在前述實施例中，主要在於校正初始放電容量曲線11的放電間隔，以得到目前放電曲線12。目前放電曲線12與初始放電容量曲線11中對應取樣點的開路電壓均相同。且除了第一個與最後一個放電間隔之外，中間放電間隔的放電容量差值也相同。因此本發明儲存校正後的目前放電曲線12時，僅需要儲存各取樣點對應的開路電壓、中間放電間隔的放電容量差值、第一個間隔與中間放電間隔的比例以及最後一個放電間隔與中間放電間隔的比例。以第1圖為例，儲存目前放電曲線12僅需要32個記憶體容量儲存開路電壓，1個記憶體容量儲 存初始放電容量曲線11的中間放電間隔的放電容量差值，以及2個記憶體容量儲存第一個與最後一個放電間隔與中間放電間隔的比例。也就是說僅需要35個記憶體容量即可儲存目前放電曲線12的完整資訊。相較於習知技藝所需的32+32個記憶體容量，本發明可省下近半的記憶體容量。特別是，校正具有相同初始放電容量曲線11的多個電池(例如一電池組中的多個電池)時，更可省下大量的記憶體容量。以儲存16個電池的目前放電曲線12為例。由於每個電池的目前放電曲線12均由相同的初始放電容量曲線11校正所得。因此每個電池的目前放電曲線12對應的開路電壓可共用，且第一個與最後一個放電間隔與中間放電間隔的比例也相同。僅有初始放電容量曲線11的中間放電間隔的放電容量差值不同。因此僅需要32個記憶體容量儲存開路電壓，2個記憶體容量儲存第一個與最後一個放電間隔與中間放電間隔的比例，以及1×16個記憶體容量儲存初始放電容量曲線11的中間放電間隔的放電容量差值。也就是說僅需要50個記憶體容量即可儲存目前放電曲線12的完整資訊。相較於習知技藝所需的(32+32)×16個記憶體容量，本發明可省下大量的記憶體容量。
第3圖為根據本發明之一放電曲線的校正系統的一實施例的示意圖。放電曲線的校正系統可用以校正一電池32的一初始電容放電曲線34，此放電曲線的校正系統包括一控制器31以及一放電量測量單元33。放電量測量單元33耦接在電池32與一負載電路(圖中未示)之間，用以量測由電池32傳送給負載電路的電荷量。初始電容放電曲線34可能由電池的製造商所提供或是當電池32初次被使用在電子系統時，由控制器31與放電量測量單元33量測所得。此放電量測量單元33較佳為一庫侖計數器。
當電池32經過反覆的充電與放電過程後，會使得電池32老化，造成電池32的電壓與對應的放電容量(或是殘電容量)無法符合初始電池放電曲線34，因此控制器31需根據電池32的目前狀態來校正初始電池放電曲線34，以產生符合電池32現狀的電池放電曲線。
控制器31可根據初始放電曲線34、電池32於一第一時間點的一第一開路電壓以及一第二開路電壓計算一理想放電量。並且控制放電量測量單元33量測電池32在該第一時間點與該第二時間點間的一實際放電量。根據該理想放電量與該實際放電量的一總放電量差值，控制器31 可校正初始放電曲線34以得到此電池32的一目前放電曲線。
在一實施例中，控制器31可在第一時間點先量測電池32的第一開路電壓，接著根據該第一開路電壓查詢初始電池放電曲線34以得到第一放電量。控制器31將放電量測量單元33歸零後，放電量測量單元33開始量測由電池32輸出的電荷量。在第二時間點時，控制器31量測電池32的第二開路電壓，並根據該第二開路電壓查詢初始電池放電曲線34以得到第二放電量。控制器31接著自放電量測量單元33測量電池32於第一時間點和第二時間點之間的一實際放電量。
控制器31根據第一放電量與第二放電量計算一理想放電量。接著根據理想放電量與實際放電量計算一總放電量差值。
初始電池放電曲線34具有複數個取樣點，各取樣點分別對應一放電量以及一開路電壓。每兩相臨取樣點之間為一放電間隔。在一實施例中，除第一個與最後一個放電間隔外，每一中間放電間隔之放電容量為一定值。在一實施例中，將電池32充飽，並開始放電。電池32每放電0.3333Ah時記錄一取樣點並記錄電池32的開路電壓。控制器31先根據該理想放電量與每一放電間隔的放電量計算該第一時間點至該第二時間點經過多少個放電間隔。假設自第一時間點至該第二時間點總過經過了N個放電間隔，該總放電量差值為X(Ah)，則每一個放電間隔的一平均放電量差值為X/N(Ah)。接著根據該平均放電量差值對該初始電池放電曲線34進行校正以得到目前電池的一放電曲線。關於平均放電量差值的詳細說明請參考第1與第2圖之說明。
第4圖為一電池放電曲線的校正方法的一實施例的流程圖。在步驟S41中，一控制器先取得一電池的初始OCV曲線。該初始OCV曲線包含複數個取樣點，，該初始OCV曲線的橫軸表示電池的電容量，縱軸表示電池的開路電壓。初始OCV曲線可能是電池的初始充電曲線或初始放電曲線。在本實施例中，初始OCV曲線是以電池的初始放電曲線為例說明。在另一實施方式中，該初始OCV曲線的橫軸表示電池的放電容量或充電容電，縱軸表示電池的開路電壓。
在步驟S42中，控制器於第一時間點量得電池的一第一開路電壓，以及於一第二時間點量得電池的一第二開路電壓。在步驟S43中， 控制器取得初始OCV曲線中分別對應於該第一開路電壓以及該第二開路電壓的一第一放電量以及一第二放電量。
在步驟S44中，控制器根據該第一放電量與該第二放電量計算一理想放電量。
在步驟S45中，量測該電池於該第一時間點與該第二時間點間的一實際放電量。接著在步驟S46中，根據該理想放電量以及該實際放電量的一總放電量差值校正該初始OCV曲線以得到該電池的一目前OCV曲線。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
31‧‧‧控制器
32‧‧‧電池
33‧‧‧放電量測量單元
34‧‧‧初始放電曲線

Claims (13)

  1. 一種電池的放電曲線的校正方法，包括：取得一電池的一初始放電曲線；於一第一時間點以及一第二時間點分別測量該電池的一第一開路電壓以及一第二開路電壓；取得該初始放電曲線中分別對應於該第一開路電壓以及該第二開路電壓的一第一放電量以及一第二放電量；根據該第一放電量與該第二放電量計算一理想放電量；量測該電池於該第一時間點與該第二時間點間的一實際放電量；以及根據該理想放電量與該實際放電量的一總放電量差值校正該初始放電曲線以得到該電池的一目前放電曲線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池的放電曲線的校正方法，其中在量測該電池於該第一時間點與該第二時間點間的一實際放電量的步驟更包括：透過一庫侖計量器量測該實際放電量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池的放電曲線的校正方法，其中該庫侖計量器於該第一時間點歸零。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池的放電曲線的校正方法更包括：根據該理想放電量計算該第一時間點至該第二時間點間的一放電間隔的數量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電池的放電曲線的校正方法更包括： 根據該放電間隔的數量與該總放電量差值計算該放電間隔的一平均放電量差值；以及根據該平均放電量差值以及該放電間隔校正該初始放電曲線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電池的放電曲線的校正方法，其中該初始放電曲線包括複數個取樣點，各該取樣點分別對應一放電量以及一開路電壓，在根據該理想放電量與該實際放電量的一總放電量差值校正該初始放電曲線以得到該電池的一目前放電曲線的步驟更包括：根據該總放電量差值校正任兩相鄰取樣點之間的一放電間隔以得到該電池的該目前放電曲線。
  7. 一種放電曲線的校正系統，用以校正一電池的一初始放電曲線，該校正系統包括：一放電量測量單元，耦接該電池，該放電量測量單元用以測量該電池的放電量；以及一控制器，根據該初始放電曲線、該電池於一第一時間點的一第一開路電壓以及於一第二時間點的一第二開路電壓計算一理想放電量，以及控制該放電量測量單元量測於該第一時間點與該第二時間點間的一實際放電量；其中，該控制器根據該理想放電量與該實際放電量的一總放電量差值校正該初始放電曲線以得到該電池的一目前放電曲線。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之放電曲線的校正系統，其中該放電量測量單元為一庫侖計量器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之放電曲線的校正系統，其中該控制器於該第一時間點將該庫侖計量器歸零以量測該實際放電量。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之放電曲線的校正系統，其中該控制器更根據該第一開路電壓以及該第二開路電壓取得該初始放電曲線中分別對應於該第一開路電壓以及該第二開路電壓的一第一放電量以及一第二放電量，以計算該理想放電量。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之放電曲線的校正系統，其中該控制器根據該理想放電量計算該第一時間點至該第二時間點間的一放電間隔的數量。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之放電曲線的校正系統，其中該控制器根據該放電間隔的數量與該總放電量差值計算該放電間隔的一平均放電量差值，並根據該平均放電量差值以及該放電間隔校正該初始放電曲線。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之放電曲線的校正系統，其中該初始放電曲線包括複數個取樣點，各該取樣點分別對應一放電量以及一開路電壓，且該控制器根據該總放電量差值校正任兩相鄰取樣點之間的一放電間隔以得到該電池的該目前放電曲線。
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