TWI507705B - Battery structure and its power measurement method - Google Patents

Description

電池結構及其電量測量方法

本發明係有關於一種電池結構及電量測量方法，特別是有關於一種結合三元素單元電池的電池結構及其藉由量測三元素單元電池電量以取得整體電池結構電量的電量測量方法。

電池發展主要以鋰離子電池為發展主力，鋰離子電池無論是在能量密度、能量效率、循環壽命、充電時間與安全性皆是首選。為發揮電池最大效能與延長電池使用壽命，故須設一電池管理系統進行偵測，電池管理系統最主要的目的是取得電池狀態資訊、性能調校與電池外部保護，其中與使用者最相關的為電池剩餘電量的估測。電池剩餘電量稱之為殘電量(State Of Charge,SOC)，電動車中之電池相當於汽油車之油箱，則殘電量就相當於油量，故對於顧客評估剩餘電量尤其重要。習知殘電量估測方法有： (1)車輛行進時，採用電流量測積分-使用庫倫計量測電流進行積分求出累積耗電量。(2)車輛靜止時，或是單獨測量電池結構時，採用開路電壓法(Open circuit voltage,OCV)-量測電壓源透過開路電壓曲線進行分析。

但上述的開路電壓法應用於鋰鐵單元電池時，將有下列的問題所在：(1)鋰鐵單元電池的開路電壓曲線較為平緩，若直接量測電壓值則可能造成判讀錯誤。(2)鋰鐵單元電池經過充放電截止電壓後，其電壓會繼續漂動，故無法直接量測電池端電壓作為殘電量之判斷。

因此，如何提供一個較為準確的電池電量的測量模式，為廠量應思量的問題。

本發明欲解決的問題係提供一種結合三元素單元電池的電池結構及其電量測量方法。

為解決上述方法問題，本發明揭露一種電池的電量測量方法，應用於量測一電池結構之殘電量，電池結構包括一三元素單元電池及至少一鋰鐵單元電池，其特徵在於， 方法包括：測量三元素單元電池之電壓或電流，以計算出該三元素單元電池之殘電量；以及依據三元素單元電池之殘電量取得電池結構之一目前殘電量。

其一實施態樣為解決上述電池結構問題，電池結構所包括的三元素單元電池及至少一鋰鐵單元電池為串聯形式，並藉由三元素單元電池之目前電壓值與一已知最低電壓值進行比較，以計算該三元素單元電池之殘電量。

本發明之特點係在於本發明的電池結構包括三元素單元電池與鋰鐵單元電池，其中，三元素單元電池的開路電壓曲線斜度較大，曲線變化比鋰鐵單元電池更為明確，而且電流輸出亦更為穩定，因此不論充電、放電皆能作為電量變化的判斷依據。另外，三元素單元電池經過充放電截止電壓後，其輸出電壓或輸出電流並不會過度漂動，因此能直接作為殘電量之判斷。

茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。

首先請參照圖1A、圖1B、圖1C、圖1D及圖1E繪示本發明實施例之電池結構之電池串聯配置示意圖。

電池結構包括一個三元素單元電池11及一個以上的鋰鐵單元電池12，從圖1A至圖1E得知，不論鋰鐵單元電池12的數量多寡，三元素單元電池11與所有鋰鐵單元電池12形成串聯形式，而且三元素單元電池11的配置順序並未有所限定。

如電池結構10a與電池結構10b各具有一個三元素單元電池11及一個鋰鐵單元電池12，兩者的順序並不限定，可先配置三元素單元電池11，後串接鋰鐵單元電池12，或是先配置鋰鐵單元電池12後串接三元素單元電池11。

又如電池結構10c、電池結構10d與電池結構10e各具有一個三元素單元電池11及二個以上的鋰鐵單元電池12，三元素單元電池11與鋰鐵單元電池12為串接。三元素單元電池11串接於所有鋰鐵單元電池12之前端、任二個鋰鐵單元電池12之間或是所有鋰鐵單元電池12的後端。

其中，三元素單元電池11的殘電量與總電量的比例及各鋰鐵單元電池12的殘電量與總電量的比例(以下簡稱殘電量比例)需為相等、或是十分近似，以避免各電池的殘電量比例相差過大，導致部分電池的供電負擔過大，從而縮短電池壽命，或是造成電池損壞的情形。其次，三元素單元電池11包含之化學成份係選自由鎳、鈷、錳以及鋰所組成之群組，更進一步者，可為鎳、鈷、錳以及鋰之化合物，例如鈷酸鋰(LiCoO₂ )、錳酸鋰(LiMn2O₄ )或磷酸鐵鋰(LiFePO₄ )。

請參閱圖2繪示本發明實施例之另一電池結構串接示意圖。此電池結構10a更包括一電量測量單元13、一顯示單元14與一充電單元15。此實施例得以施行於圖1A至圖1E中任一種電池排列的電池結構，以下各實施例暫以電池結構10a說明，但不以此為限。

電量測量單元13係電性連接三元素單元電池11，用以測量三元素單元電池11之殘電量。其中，三元素單元電池11的殘電量比例係相等或大於其它鋰鐵單元電池12的殘電量比例，且亦相等或大於整個電池結構10a的殘電量比例，故使用者可將三元素單元電池11的電量比例視為電池結構10a的殘電量比例。

顯示單元14電性連接至電量測量單元13，用以顯示三元素單元電池11的殘電量。其中，顯示單元14可為一般顯示器、液晶顯示器、二極體結構式顯示器或是其它可用以呈現電量資訊的顯示元件。

充電單元15係電性連接至整個電池結構10a的電極，用以對串聯的三元素單元電池11及鋰鐵單元電池12進行充電。充電單元15及其相關技術為本發明技術領域者，具通常知識者所熟知，在此即不贅述。

請參閱圖3繪示本發明實施例的電量測量方法流程圖，請同時參閱圖2以利於了解。此方法應用於量測一電池結構10a的電量，電池結構10a包括一三元素單元電池11及一個以上的鋰鐵單元電池12。此方法說明如下：測量三元素單元電池之電壓或電流，以計算出三元素單元電池的殘電量(步驟S110)。如前述，電量測量單元13電性連接三元素單元電池11，藉以測量三元素單元電池11的殘電量。電池的殘電量估測主要有兩種方式，一是開路電壓量測法、一是庫倫積分法。開路電壓量測法是利用三元素單元電池11的電壓為基礎，利用三元素單元電池11之目前電壓值與一已知最低電壓值進行比較，以計算三元素單元電池11的剩餘容量，庫倫積分法是藉由直接量測三元素單元電池11的電荷電流，並隨著時間將其積分來估測三元素單元電池11的一預估殘電量，並將此預估殘電量值透過一環境溫度數值補償計算，以取得三元素單元電池11的殘電量，以此視為得到電池結構10a之殘電量。

依據三元素單元電池的電量取得電池結構之一目前電量(步驟S120)。如前述，三元素單元電池11的電量比例因相等或大於其它鋰鐵單元電池12、亦或整個電池結構10a的殘電量，故可將三元素單元電池11的電量比例視為電池結構10a的殘電量比例。

請參閱圖4繪示本發明實施例之電池故障判定方法流程圖，請同時參閱圖2、圖5繪示本發明實施例之串接結構的電池故障判定方法細部流程圖以利於了解。此方法說明如下：判斷是否存在一損壞單元電池(步驟S210)。係利用相關的偵測工具以對電池結構10a中的各電池進行檢查，偵測工具會依據各單元電池的反應以判斷整個電池結構10a中，三元素單元電池11或是任一鋰鐵單元電池12是否損壞。判斷損壞的單元電池方法如下：就圖2而言，由於電池結構10a的電池為串聯形式，所以當電池結構10a進行充電與放電時須注意各單元電池(包括三元素單元電池11或任一鋰鐵單元電池12)的電壓高低，因每個單元電池皆有其使用之電壓範圍。

於此，先取得每一單元電池的輸出電壓值(步驟S211)。當電池結構10a放電時，在相同的放電電流下，損壞單元電池的輸出電壓會比其它正常的單元電池的輸出電壓還低。因此，使用者或設計人員可設計一例但不以此為限，如：單元電池之電壓下限值為正常的單元電池的輸出電壓低10%以上，一旦損壞單元電池的輸出電壓值低於此電壓下限值時，即判斷此單元電池有故障之疑慮；經多次充放電測試後，兩者的單元電池的輸出電壓的差異越大時，一旦輸出電壓值差大於30%以上，即判斷此單元電池故障(步驟S212)。

亦或，當電池結構10a經長時間充放電後，可利用相關的偵測工具以對電池結構10a中的各電池進行檢查，與原始存放在電量測量單元13的電池參數進行比對，透過偵測工具會依據電池的反應以判斷整個電池結構10a中，三元素單元電池11或是任一鋰鐵單元電池12是否損壞。

當有損壞單元電池存在時，需先對一替換單元電池進行充電或放電行為，以使得替換單元電池的殘電量之比例等同於電池結構10a中未損壞單元電池的殘電量之比例(步驟S220)。

之後，再將替換電池取代損壞單元電池(步驟S230)，避免各電池的電量比例相差過大，導致部分電池的供電負擔過大，從而縮短電池壽命，或是造成電池損壞的情形。

請參閱圖6繪示本發明三元素單元電池及鋰鐵單元電池的開路電壓曲線示意圖，請同時參閱圖2以利於了解。其中，第一時段T1為電池放電時段，第二時段T2為放電截止時段，第三時段T3為電池充電時段，第四時段T4為充電截止時段。

第一時段T1期間，鋰鐵單元電池12放電時，其初始放電的開路電壓(請參考圖6繪示的鋰鐵單元電池電壓)曲線變化相當的緩慢，然而，到達電量即將耗盡時，開路電壓曲線斜度變化增大而急遽下降。就電量測量作業而言，很難取得很正確的電池殘電量的變化。

三元素單元電池11放電時，不但開路電壓(請參考圖6繪示的三元素單元電池電壓)曲線斜度較大且明顯，自始自終皆未有開路電壓曲線斜度大幅度變化的情形發生，而且電壓下降的比例相當的穩定，就電量測量作業而言，很容易取得很正確的電池殘電量的變化。

第二時段T2期間，鋰鐵單元電池12的放電截止電壓會過度漂動，更甚者，會反向提升至放電前的常態電壓數值。就電量測量作業而言，很難判斷此鋰鐵單元電池12為電量耗盡或是具足夠電池電量的狀態。

然而，三元素單元電池11的放電截止電壓並不會漂動，而是持續保持在放電後的電壓值狀態。就電池電量測量作業而言，很容易判斷此三元素單元電池11為電池電量耗盡或是具足夠電池電量的狀態。

第三時段T3期間，鋰鐵單元電池12充電時，其初始充電的開路電壓曲線變化升到一定的電壓值(約3.3~3.4V)後，其開路電壓變化相當的緩慢，然而，鋰鐵單元電池12的殘電量臨界值時，開路電壓曲線斜度變化增大而急遽上升，本鋰鐵單元電池12的臨界值是以單元電池端電壓來判斷，此臨界值之端電壓為正常單元電池端電壓之6%以上。就電池電量測量作業而言，很難取得很正確的電池殘電量變化。

三元素單元電池11充電時，不但開路電壓曲線斜度較大且明顯，自始自終皆未有開路電壓曲線斜度大幅度變化的情形發生，而且電壓上升的比例相當的穩定，就電量測量作業而言，很容易取得很正確的電池殘電量。

第四時段T4期間，鋰鐵單元電池12的充電截止電壓會過度漂動，更甚者，會反向下降至充電前的常態電壓數值。就電池電量測量作業而言，很難判斷此鋰鐵單元電池12的電池殘電量。

然而，三元素單元電池11的充電截止電壓並不會漂動，而是持續保持在充電後的電壓值狀態。就電量測量作業而言，很容易判斷此三元素單元電池11的電池殘電量。

以此例，三元素單元電池11與鋰鐵單元電池12串聯時放電。當鋰鐵單元電池12達2.5V時停止放電。串聯且充電時先以定電流模式充電，再以定電壓模式對三元素單元11與鋰鐵單元電池12充電，充電電流為10A，當鋰鐵單元電池12開路電壓為3.6V或充電電流小於等於1A時停止充電，測試時充放電保護以開路電壓範圍較低者為主，觀察開路電壓範圍較高者之電池電壓變化，因此充放電保護以鋰鐵單元電池12電壓為主，觀察三元素單元電池11電壓變化，且測試前需先將鋰鐵單元電池12充電至3.6V，將三元素單元電池11充電至4V，確保單元電池的殘電量為最高的情況下。

請參閱圖7繪示本發明三元素單元電池及鋰鐵單元電池的放電曲線示意圖，請同時參閱圖2以利於了解。

就鋰鐵單元電池12而言，其放電的開路電壓(請參考圖7繪示的鋰鐵電池組的平均電壓)曲線變化相當的緩慢。但鋰鐵單元電池12停止放電時，放電截止電壓會漂動，且電壓值會逐漸回升，相當不利於對電池殘電量的測量作業。

然本實施例中，是將三元素單元電池(或電池組合)的總電量容量大於鋰鐵單元電池(或電池組合)的總電量容量為前提條件進行說明。三元素單元電池11放電時，不但開路電壓(請參考圖7繪示的三元素單元電池電壓)曲線斜度較大且明顯，電壓下降的比例相當的穩定。而且，三元素單元電池11的放電截止電壓並不會漂動，而是持續保持在放電後的電壓值狀態。

請參閱圖8繪示本發明整體電池結構及鋰鐵單元電池的放電曲線示意圖，請同時參閱圖2以利於了解。

其中，整體電池結構10a殘電量是由電量測量單元13所量測整個電池結構所得到。當整體電池殘電量(State of Charge,SOC)逐漸下降時，鋰鐵單元電池12與整體電池結構10a放電的開路電壓(即單元電池無放電時，所量測到之單元電池端電壓)曲線會持續下降，但變化皆相當的緩慢。而且，鋰鐵單元電池12與整體電池結構10a停止放電時，放電截止電壓皆會漂動，且電壓值會逐漸回升，相當不利於對電池殘電量的測量作業。

因此，就圖6、圖7及圖8得知，三元素單元電池11不論充電或放電，開路電壓曲線斜度皆較大且明顯，自始自終皆未有開路電壓曲線斜度大幅度變化的情形發生，而且電壓上升、下降的比例皆相當穩定。而且充電、放電停止期間，並不會有電壓漂動的情形發生。就電量測量作業而言，很容易取得很正確的電量變化。因此，三元素單元電池11可用以精確輔助測量鋰鐵單元電池12、亦或是整體電池結構10a的殘電量。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10a,10b,10c,10d,10e．．．電池結構

11．．．三元素單元電池

12．．．鋰鐵單元電池

13．．．電量測量單元

14．．．顯示單元

15．．．充電單元

T1．．．第一時段

T2．．．第二時段

T3．．．第三時段

T4．．．第四時段

S110-120．．．步驟

S210-230．．．步驟

圖1A、圖1B、圖1C、圖1D及圖1E繪示本發明實施例之電池結構之電池串接配置示意圖；

圖2繪示本發明實施例之另一電池串接結構示意圖；

圖3繪示本發明實施例之電量測量方法流程圖；

圖4繪示本發明實施例之電池故障判定方法流程圖；

圖5繪示本發明實施例之串接結構的電池故障判定方法細部流程圖；

圖6繪示本發明三元素單元電池及鋰鐵單元電池的開路電壓曲線示意圖；

圖7繪示本發明三元素單元電池及鋰鐵單元電池的放電曲線示意圖；以及

圖8繪示本發明整體電池結構及鋰鐵單元電池的放電曲線示意圖。

S110-S120．．．步驟

Claims (8)

1. 一種電池的電量測量方法，應用於量測一電池結構之殘電量，該電池結構包括一三元素單元電池及至少一鋰鐵單元電池，其中該方法包括：測量該三元素單元電池之電壓或電流，以計算出該三元素單元電池之殘電量，其中係測量該三元素單元電池的一預估殘電量值，且透過一環境溫度數值補償計算，以取得該三元素單元電池的殘電量，其中該三元素單元電池置入該電池結構時的殘電量與總電量的比例需為相等或相近及各該鋰鐵單元電池的殘電量與總電量的比例；以及將該三元素單元電池之殘電量視為該電池結構之一目前殘電量。
2. 如申請專利範圍第1項所述電池的電量測量方法，其中，該三元素單元電池包含之化學成份係選自由鎳、鈷、錳以及鋰所組成之群組。
3. 如申請專利範圍第1項所述電池的電量測量方法，其中，測量該三元素單元電池之殘電量之該步驟中，係利用該三元素單元電池之目前電壓值與一已知最低電壓值進行比較，以計算該三元素單元電池之殘電量。
4. 如申請專利範圍第1項所述電池的電量測量方法，其中，該電池結構包括的該三元素單元電池及該至少一鋰鐵單元電池係為串聯。
5. 如申請專利範圍第4項所述電池的電量測量方法，其中，更包括一電池故障判定步驟，其包括：取得一三元素單元電池的輸出電壓值；以及當被量測之該三元素單元電池的該輸出電壓值低於對應該三元素單元電池之一電壓下限值，判斷該三元素單元電池為一損壞單元電池。
6. 如申請專利範圍第5項所述電池的電量測量方法，其中，該三元素單元電池之電壓下限值比該三元素單元電池之一正常電壓值低10%~30%。
7. 一種電池結構，係包括至少一鋰鐵單元電池，其中該電池結構包括一電量測量單元、一顯示單元、一充電單元 與一三元素單元電池，該電量測量單元係電性連接該三元素單元電池，用以測量三元素單元電池之殘電量，其中該三元素單元電池置入該電池結構時的殘電量與總電量的比例需為相等或相近及各該鋰鐵單元電池的殘電量與總電量的比例，該顯示單元電性連接至該電量測量單元，用以顯示該三元素單元電池的殘電量，該充電單元電性連接至該電池結構的電極，用以對串聯的該三元素單元電池及該鋰鐵單元電池進行充電，該三元素單元電池包含之化學成份係選自由鎳、鈷、錳以及鋰所組成之群組。
8. 如申請專利範圍第7項所述電池結構，其中該電池結構包括一損壞單元電池時，一替換單元電池係替換該損壞單元電池，其中該替換單元電池之殘電量與總電量的比例等同於該電池結構之未損壞單元電池之殘電量與總電量的比例，其中係利用一偵測工具取得每一單元電池的輸出電壓值，並判斷各該單元電池的輸出電壓值，是否低於同類型之單元電池的一電壓下限值時，該三元素單元電池或是任一該鋰鐵單元電池為該損壞單元電池。