TWI488406B - 探求充電電池組內堆疊充電電池芯的充滿電量之方法及使用該方法之電池管理系統 - Google Patents

Description

探求充電電池組內堆疊充電電池芯的充滿電量之方法及使用該方法之電池管理系統

本發明係關於一種探求充滿電量之方法與電池管理系統。特別是關於一種在操作中(放電)探求充電電池組內堆疊充電電池芯的充滿電量之方法及電池管理系統。

充電電池廣泛地應用於許多產品中，諸如筆記型電腦、平板電腦、行動電話，甚至是大型電動車與機器人。因為這些產品的持久性依賴於充電電池，在這些產品的使用時限內，使用合適的充電電池及小心地維護它們是非常重要的。

近來，在所有的充電電池中，鎳鎘電池、鎳氫電池、鎳鋅電池與鋰電池變得越來越受歡迎，原因是它們具有穩定的物性與適於堆疊的小體積。它們也能被充放電而沒有 或具較小的記憶效應。此外，這些充電電池具有非常小的自放電率與高能量密度。然而，因為它們常使用彼此串並聯的子電池組(或電池芯)，在充電或放電時，子電池組間的電量不平衡可能會拖累整體電池的性能。為了避免電池不平衡及能利用這些充電電池的最佳性能，電池管理系統常會執行對充電電池電量的監測。充滿電量是一種電量的指標。一充電電池的充滿電量在該充電電池於工廠產出時，被設定為某一定值。然而，隨著充電電池反覆的進行充放電，充滿電量逐漸減少。因而，每個充電電池的充滿電量需要常常更新，以便檢查電量狀態。

一種確認充電電池充滿電量的前案揭露於美國專利申請案第20130057290號中。請參閱第1圖，該圖為前述申請案的流程圖。一電池依照一電池保護電路的控制，執行充電與放電作業(S1)。當一充電器電連接於一電池組時，充電作業開始執行。當一電設備連接至該電池組時，放電作業開始執行。一監測單元在電池充放電作業進行時，監視每一串聯的電池芯，以至少量測其電壓、電流與溫度其中一項(S2)。一控制單元接收來自監測單元的監測結果，並決定是否該監測結果滿足電池充滿電量更新條件(S3)。與例而言，該控制單元決定是否該電池的電壓、電流與溫度量測值符合於一預設表中的相對應值。如果確定了於作業中，更新條件不被滿足(S3)，作業流程回到步驟S1。此外，電池反覆地充 電與放電，該監測單元實質上繼續地執行監測。另一方面，如果確定了於作業中，更新條件被滿足了(S3)，在電池的電壓上升期期間，決定是否包含了該條件滿足的時間點(S4)。例如，決定是否電池的放電作業發生了不連續的情形。當在S4中決定了電池的電壓是上升時，作業流程回到步驟S1。反之，當在S4中決定了電池的電壓是不是上升時，電池的充滿電量被更新且該更新的充滿電量儲存於一紀錄單元中(S5)。

雖然該前案並未指出一個特定的方法可用來計算充滿電量，但它標明了更新條件，使得電池中每一電池芯的計算充滿電量在該條件下可以被接受。同時，因為有許多充電電池芯串聯組裝於該電池中，電池的充滿電量是設定為所有充電電池芯中最小的充滿電量。當在量測中有些微的不平衡現象發生於充電電池芯間時，充滿電量應能反映真實的狀況，以便人們能知道是否該電池需要維修。又在維修後，某些充電電池芯被替換，前述更新條件就需要再被檢視一遍。操作上實在很麻煩。

因此，在充電電池作業中，用來探求堆疊充電電池芯充滿電量的一種更簡便與有效的方法，仍待努力研發。

已知之確認充電電池充滿電量的方法，無法不去監測電池中的每一個電池芯，且不能隨著電池的物理特性調整更新條件。

因此，需要研發能探求堆疊充電電池芯充滿電量的一種更簡便與有效的方法，該法能應用於各種由許多堆疊充電電池芯所組成的充電電池(組)。

依照本發明的一種態樣，一種探求在一充電電池組內堆疊充電電池芯之充滿電量的方法，包含步驟：預定義一終止放電條件，該終止放電條件為一開路電壓變化對電量狀態變化的比值；提供一充滿電量於一充電電池組，該充電電池組由複數個以串聯及/或並聯連接的堆疊充電電池芯所組成；對該充電電池組充電直到充飽為止；對該充電電池組放電；定期量測該充電電池組的電流值與開路電壓；進行庫倫計數基於該量測的電流值；於放電期間定期估算該充電電池組的電量狀態；在一時間範圍內計算一運行比值，該運行比值為該量測的開路電壓變化對該估算的電量狀態變化；及當該運行比值等同或大於該終止放電條件時，以一庫倫計數的總和更新該充滿電量。

依照本發明的構想，該時間範圍等同或大於二連續電流值或開路電壓量測間的一時間間隔。

依照本發明的構想，該時間範圍為該二連續電流值或開路電壓量測間的時間間隔之整數倍。

依照本發明的構想，更新該充滿電量在該估算的電量狀態高於一預設程度時，不會被執行。

依照本發明的另一種態樣，一種能探求在一充電 電池組內堆疊充電電池芯之充滿電量的電池管理系統，包含：一電壓偵測單元，電連接於一充電電池組，該充電電池組由複數個以串聯及/或並聯連接的堆疊充電電池芯所組成，用以定期量測該充電電池組的開路電壓；一電流量測單元，電連接於該充電電池組，用以經由該充電電池組定期量測電流值，並基於該量測的電流值進行庫倫計數；一記憶單元，用以儲存與更新該充電電池組的充滿電量；一開關單元，用以開關控制該充電電池組充電與放電的一電路；及一控制單元，連接至該電壓偵測單元、電流量測單元、記憶單元與開關單元，用以於該充電電池組放電時定期估算該充電電池組的電量狀態、於一時間範圍內計算該量測的開路電壓變化對該估算的電量狀態變化的一運行比值、當該運行比值等同或大於一終止放電條件時以一庫倫計數總和更新該記憶單元中的充滿電量，及控制該開關單元以進行充電或放電。該終止放電條件為為一開路電壓變化對電量狀態變化的比值。在該充電電池組開始充電前，一預設充滿電量已被儲存於該記憶單元中。該開關單元切換開關使該該充電電池組進行充電直到充飽為止並接著使該充電電池組進行放電。

依照本發明的構想，該時間範圍等同或大於二連續電流值或開路電壓量測間的一時間間隔。

依照本發明的構想，該時間範圍為該二連續電流值或開路電壓量測間的時間間隔之整數倍。

依照本發明的構想，該控制單元在該估算的電量狀態高於一預設程度時，不會更新該充滿電量。

本發明的方法，可在充電電池組正常運作下，藉由量測的開路電壓與估算的電量狀態，得到充電電池組的充滿電量。藉由更新充滿電量，提供電池管理系統其他評估效能用途。本發明所提供的充滿電量，能隨著充電電池芯物性衰減的程度而修正，不需要提供校正或對照參數，操作上非常簡便。

10‧‧‧電池管理系統

101‧‧‧電壓偵測單元

102‧‧‧電流量測單元

103‧‧‧記憶單元

104‧‧‧控制單元

105‧‧‧控制單元

20‧‧‧充電電池組

201‧‧‧充電電池芯

第1圖為決定確認電池充滿電量方法之前案的一流程圖。

第2圖為依照本發明之電池管理系統的一方塊示意圖。

第3圖為依照本發明的探求充電電池組之充滿電量的一流程圖。

第4圖顯示開路當該充電電池組放電時，電壓與電量狀態間關係。

本發明將藉由參照下列的實施例而更具體地描述。

請參閱第2圖至第4圖。第2圖為依照本發明之電池管理系統的方塊示意圖。第3圖為依照本發明的探求充電電 池組之充滿電量的流程圖。第4圖顯示開路當該充電電池組放電時，電壓與電量狀態間關係。

本發明所提供的方法可藉由一裝設於充電電池中的電池管理系統而實現，該法也能應用於獨立的裝置，以決定由堆疊充電電池芯串聯及/或並聯的充電電池組之充滿電量。為了使得本發明的描述更易於理解，實施例僅聚焦於描述一電池管理系統，不特別針對該應用本發明方法的獨立裝置進行說明。

依照本發明的一電池管理系統1(0(由虛線圍繞者)顯示於第2圖中。該電池管理系統10與一充電電池組20電連接，並能探求該充電電池組20內堆疊充電電池芯201的充滿電量。它是由一電壓偵測單元101、一電流量測單元102、一記憶單元103與一控制單元104所組成。以下將先描述每一元件的功能，之後再說明其運作步驟。

電壓偵測單元101以並聯方式電連接於該充電電池組20的兩端上。該充電電池組20由4個串聯的充電電池芯201所組成。依照本發明，充電電池芯201的數量不限於4個，可以為大於1的任何數字。充電電池芯201連接的方式不限於串聯，可以是並聯，或串聯與並聯的組合。該電壓偵測單元101被用來定期量測該充電電池組20的開路電壓。此處，二連續開路電壓量測間的時間間隔，依照使用該充電電池組20之充電電池的需求，可以是任何的時間。舉例來說，它可以是20 微秒或大於1秒。

電流量測單元102電連接於該充電電池組20。它定期地量測該充電電池組20的電流值。同樣地，二連續電流值量測間的時間間隔可以是任何的時間。該時間間隔可與二連續開路電壓量測間的時間間隔相同或不同。在本實施例中，上述二時間間隔接設定為0.1秒且同步匯集。電流量測單元102能基於該量測的電流值，進一步進行庫倫計數。電流量測單元102如同一個庫倫計數器，它將每一量測的電流值乘上連續量測間的時間間隔，並持續累加其相乘的結果。

記憶單元103能儲存該充電電池組的充滿電量數值，當接收到一更新的充滿電量時，它也能更新儲存的充滿電量。該儲存的充滿電量可被提供作充電電池操作的參考，比如，計算剩餘電量。開關單元104能開關一電路，充電電池組20連接至該電路而進行作業，以便控制充電電池組20的充電與放電。

控制單元105連接至電壓偵測單元101、電流量測單元102、記憶單元103與開關單元104。它在當充電電池組20放電時，定期地估算電量狀態。它亦能在一時間範圍中，計算一運行比值，該運行比值為量測的開路電壓變化對估算的電量狀態變化，並當該運行比值等同或大於一終止放電條件時，以一庫倫計數總和更新記憶單元103中的充滿電量。此外，控制單元105也能控制開關單元104以進行該充電電池組20 的充電或放電。

請參閱第3圖。電池管理系統10的運作方式，藉由參照第3圖中流程圖的相應步驟而描述之。首先，一終止放電條件預定義為一開路電壓變化電量狀態變化的比值於記憶單元103中(S01)。為了對該終止放電條件能有更好地理解，請見第4圖。當每個堆疊充電電池芯201都完全充飽電時，跨越充電電池組20兩端的開路電壓會達到最大值。但通常不是每個堆疊充電電池芯201在一預設的充滿電量到達時，都需要被充滿電。

由第4圖，很明顯地，於放電期間，因為每一堆疊充電電池芯201的開路電壓下降，量測的開路電壓下降。雖然每一充電電池芯201電壓下降的情形會有程度上的不同，充電電池組20之量測的開路電壓表現為每一充電電池芯201開路電壓的總和。開路電壓與電量狀態關係圖中的曲線在充電電池組20開始放電後明顯地下降。經過一段時間的放電，該曲線的斜率變得較平緩。當充電電池組20其大部分的電量時，該曲線又開始明顯下降。曲線中較陡的斜率意味著多數充電電池芯201在此時即將用罄其儲存的電量。依照第4圖，終止放電條件由一個三角形來描述，在該三角形中臨著直角的角度表示該終止放電條件的曲線斜率。一旦一開路電壓對電量狀態變化的比值變得跟該斜率一樣或更大，即意味著終止放電條件的到來。

接著，提供一充滿電量給該充電電池組20(S02)。該充滿電量可以是在充電電池組20產出後所給定的額定值，它也能是基於經驗的估算值。充滿電量在其更新前，可被用於任何電池管理的目的。應當注意的是充滿電量不必是所有充電電池芯201由充飽至耗盡的電量。若如此，某些充電電池芯201可能會因過放電狀況而受損。先不論電池不平衡狀況，當充電電池芯201其中之一不能輸出電力時，該充電電池組20就應停止放電。

接著，對充電電池組20進行充電直到充飽為止(S03)。然後，對該充電電池組20放電(S04)。定期量測電流值與開路電壓(S05)。如上所述，時間間隔為0.1秒。

在充電電池組20開始放電後，電流量測單元102基於量測的電流值，進行庫倫計數(S06)。庫倫計數的演算法相當簡單，將量測的電流值乘上0.1秒並累加其結果即可。當放電停止時，最終的累加結果即能為該充滿電量。

接著，控制單元105於放電期間定期估算電量狀態(S07)。要強調的是有許多的估算電量狀態方法，只要某種方法適用於充電電池組20的設計即可被使用。接著，控制單元105在一時間範圍內，計算一運行比值，其為量測的開路電壓變化對該估算的電量狀態變化的比值(S08)。最後，當運行比值等同或大於終止放電條件時，控制單元105以庫倫計數總和，更新該充滿電量(S09)。

請見第4圖。有一個點，A點，滿足停止放電與決定更新之充滿電量的規範要求。放電終止於B點。然而，充電電池芯201過放電且會因而受創，進而減少該充電電池組20的性能。要強調的是該終止放電條件必須被選擇以阻止充電電池組20進一步放電，決定終止放電條件始點是非常重要的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何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，當可作些許之更動與潤飾，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。

S01~S09‧‧‧步驟

Claims (2)

1. 一種探求在一充電電池組內堆疊充電電池芯之充滿電量的方法，包含步驟：預定義一終止放電條件，該終止放電條件為一開路電壓變化對電量狀態變化的比值；提供一充滿電量於一充電電池組，該充電電池組由複數個以串聯及/或並聯連接的堆疊充電電池芯所組成；對該充電電池組充電直到充飽為止；對該充電電池組放電；定期量測該充電電池組的電流值與開路電壓；進行庫倫計數基於該量測的電流值；於放電期間定期估算該充電電池組的電量狀態；在一時間範圍內計算一運行比值，該運行比值為該量測的開路電壓變化對該估算的電量狀態變化；及當該運行比值等同或大於該終止放電條件時，以一庫倫計數的總和更新該充滿電量。
2. 一種能探求在一充電電池組內堆疊充電電池芯之充滿電量的電池管理系統，包含：一電壓偵測單元，電連接於一充電電池組，該充電電池組由複數個以串聯及/或並聯連接的堆疊充電電池芯所組成，用以定期量測該充電電池組的開路電壓； 一電流量測單元，電連接於該充電電池組，用以經由該充電電池組定期量測電流值，並基於該量測的電流值進行庫倫計數；一記憶單元，用以儲存與更新該充電電池組的充滿電量；一開關單元，用以開關控制該充電電池組充電與放電的一電路；及一控制單元，連接至該電壓偵測單元、電流量測單元、記憶單元與開關單元，用以於該充電電池組放電時定期估算該充電電池組的電量狀態、於一時間範圍內計算該量測的開路電壓變化對該估算的電量狀態變化的一運行比值、當該運行比值等同或大於一終止放電條件時以一庫倫計數總和更新該記憶單元中的充滿電量，及控制該開關單元以進行充電或放電；其中該終止放電條件為為一開路電壓變化對電量狀態變化的比值，在該充電電池組開始充電前，一預設充滿電量已被儲存於該記憶單元中，及該開關單元切換開關使該該充電電池組進行充電直到充飽為止並接著使該充電電池組進行放電。