TWI512647B

TWI512647B - 電池充電方法

Info

Publication number: TWI512647B
Application number: TW103131116A
Authority: TW
Inventors: Cneng Hung Cheng; Yi Hua Liu
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2015-12-11
Also published as: US20160072318A1; TW201610868A; US9620822B2

Description

電池充電方法

本發明係有關一種電池充電方法，尤指一種運用模糊控制之電池充電方法。

環保意識的抬頭以及節能需求，使得目前二次電池充電技術之研究順勢而起，以追求更有效率的充電方法。目前二次電池已研發出多種充電方法，如定電壓充電法、定電流充電法、定電流(Constant Current,CC)切換定電壓(Constant Voltage,CV)之二階段(CC-CV)充電法、脈衝式充電法等等。

上述習知的充電方法中各具不同特色及優缺點，例如定電壓充電法在充電末期，必須花費原先充滿80%電力所需時間的2~3倍才能充飽未滿的20%容量；定電流充電法則容易出現電池虛飽或是過充，而造成電池不可逆的永久損害；二階段充電法仍必須視其設定的電壓及電流來決定其充電時間及效率，一般仍必須花費較長的時間；脈衝式充電法則會因為不同電池而有不同的脈衝電流之振幅、頻率與靜止時間等參數，難以找出一定規則。

然而，上述的充電方法都面臨到溫度上升的問題，而直接影響到電池壽命，且無法在短時間內對電池完成充電。是以，如何提供一種能隨著電池狀態調整電池充電電流，以改善電池溫度上升過高之問題，減短充電時間，進而提高充電效率，為目前亟待解決的課題之一。

本發明係提供一種電池充電方法，其步驟包括：在電池充電期間，測量該電池之複數個電池參數，其中，該複數個電池參數包括電池表面溫差和電池剩餘容量；模糊化該複數個電池參數，以對應至一模糊規則庫中；以及依據該模糊化的複數個電池參數及該模糊規則庫進行解模糊化之演算，以取得數值化的充電電流。

S01~S04‧‧‧步驟

第1圖係為本發明電池充電方法之步驟流程圖；第2圖係為本發明電池充電方法之電池表面溫差輸入歸屬函數之分佈範圍示意圖；第3圖係為本發明電池充電方法之電池剩餘容量輸入歸屬函數之分佈範圍示意圖；以及第4圖係為本發明電池充電方法之充電電流輸出歸屬函數之範圍示意圖。

以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

本發明之電池充電方法主要係針對鋰離子電池的充電技術提出改良，以隨著電池狀態調整充電電流，改善電池充電期間溫度上升過高之問題，並縮短充電時間，進而具備提高充電效率的功效。

請參閱第2圖所揭示本發明電池充電方法之步驟流程圖。於步驟S01中，係先轉換一外部電源成為充電電流，並對一充電電池進行充電。而在電池充電期間，以感測器測量電池之複數個電池參數，而該複數個電池參數包括電池表面溫差和電池剩餘容量(State of Charge,SOC)。所謂的電池表面溫差，可為鋰離子電池之表面溫度間隔一秒的溫度差異。

在取得電池表面溫差及電池剩餘容量此二電池參數後，本發明之電池充電方法即以此二電池參數經模糊控制來適應性改變電池之充電電流。而在進行模糊控制之前，必須先建立好模糊規則庫。該模糊規則庫的資料來源為歷史資料或實驗數據所得的電池表面溫差、電池剩餘容量及對應之充電電流，而該模糊規則庫具體為一模糊關聯性矩陣，係由電池表面溫差之複數個模糊子集、電池剩餘容量之複數個模糊子集及充電電流之複數個模糊子集所建立。

於一實施例中，如第2圖所示，電池表面溫差之複數個模糊子集為5個，可分別為溫差負大(Temperature-Negative-Large,TNL)、溫差負小(Temperature-Negative-Small,TNS)、溫差零(Temperature-Zero,TZ)、溫差正小 (Temperature-Positive-Small,TPS)、溫差正大(Temperature-Positive-Large,TPL)，且各該模糊子集的各代表中值分別為-2℃、-1℃、0℃、1℃、2℃，以控制電池的溫度變化於攝氏-2度至攝氏2度之間。

如第3圖所示，電池剩餘容量之複數個模糊子集亦可為5個，分別為電池剩餘容量小(SOC-Small,SS)、電池剩餘容量中小(SOC-Medium-Small,SMS)、電池剩餘容量中(SOC-Medium,SM)、電池剩餘容量中大(SOC-Medium-Large,SML)、電池剩餘容量大(SOC-Large,SL)，且各該模糊子集的各代表中值分別為50%、60%、70%、85%、95%，以控制電池之電池剩餘容量在50%至95%之間進行較大幅度的電流調整。

再如第4圖所示，充電電流之複數個模糊子集可為5個，分別為充電電流輸出小(Lout-Small,LS)、充電電流輸出中小(Lout-Medium-Small,LMS)、充電電流輸出中(Lout-Medium,LM)、充電電流輸出中大(Lout-Medium-Large,LML)、充電電流輸出大(Lout-Large,LL)，且各該模糊子集的各代表中值為0.6、1.0、1.4、1.8、2.2安培。

上述之電池表面溫差和電池剩餘容量的輸入歸屬函數係為三角形，但本發明並不以此為限，其輸入歸屬函數亦可為梯形、高斯、鐘型歸屬函數。且本發明並不限制模糊子集之個數及所對應之代表中值，本發明可視需求予以調整。

因此，可藉由上述電池表面溫差、電池剩餘容量及充電電流之複數個模糊子集來建立模糊關聯性矩陣，如下表1所示：

上述模糊關聯性矩陣係依據鋰離子電池的使用經驗規劃所得。由於鋰離子電池充電屬於放熱反應，當電池表面溫差為零或呈現負改變(如TNL、TNS、TZ等情況)，根據化學平衡反應概念，此通常表示電池具有足夠的化學反應物，平衡常數較高，而有機會達成完全反應，故可接受較大的充電電流。另當電池表面溫差呈現正改變(如 TPS、TPL等情況)，通常表示電池不具有足夠的化學反應物，平衡常數較低，較不易達成反應。

另外，電池剩餘容量的狀態會隨著電池充飽的程度而上升，當電池剩餘容量越高，表示電池容量趨近於飽和，較難進行反應，通常也暗示著化學反應不平衡，而有造成生成物不均勻或生成非預期的生成物，進而有壓力、形變、爆炸的可能。因此，電池剩餘容量在達到界限值時，必須減緩反應速率，以確保化學反應及生成平衡。故電池剩餘容量越大時，充電電流必須減小，TPL與SL所對應之充電電流IS為最小，TNL與SS所對應之充電電流IL為最大。

接著於步驟S02中，對量測所得電池之複數個電池參數進行模糊化，並將之對應至上述的模糊規則庫中，以映射出一模糊輸出，而此為推論引擎之步驟。即將電池表面溫差及電池剩餘容量作為非模糊輸入(Non-Fuzzy Input)，並進行模糊化(Fuzzification)及對應至模糊規則庫中以推論引擎進行映射。於一實施例中，該推論引擎為最小推論、最大推論、最大乘積推論或最大邊界推論，但本發明並不以此為限。

於一實施例中，以最小推論映射該模糊輸出時，係取該電池表面溫差之複數個模糊子集和該電池剩餘容量之複數個模糊子集的交集範圍。例如經量測及模糊化後的電池表面溫差為TNS、電池剩餘容量為SM之情況時，從第2圖可知道TNS為兩端係-2及0的三角型輸入歸屬函數，從第3圖可知SM為兩端係60%及85%的三角形輸入歸屬函數，取出此二模糊子集，即可以最小推論引擎取得該二模糊子集的交集範圍，即比對上表1的模糊規則庫後，可得到充電電流為IM Rule 12此一模糊輸出。

於步驟S04中，即可將該模糊輸出進行解模糊化之演算，以取得數值化的充電電流。該解模糊化之演算為中心平均法、最大平均法、面積重心法或總和重心法，但本發明並不以此為限。以面積重心法為例，取得充電電流為IM Rule 12此一模糊輸出所對應的三角形輸出歸屬函數，如第4圖中IM為兩端1及1.8安培的三角形輸出歸屬函數，來作為輸出模糊子集的權重。接著以重心法進行解模糊，其公式如下所示：

其中，μ_i 、X_i 及s分別為離散型輸出模糊子集之權重、元素及幾何重心，最後即可解得重心位置並取得其所對應充電電流之數值，作為非模糊輸出(Non-Fuzzy Output)。

綜上所述，本發明之電池充電方法能夠隨著電池狀態即時調整電池的充電電流，在同一廠牌同一型號之電池的情況下，能可依據其特性給予不同的充電電流，達到客製化的充電控制，能夠有效改善溫度上升過高的問題，提高充電效果、降低充電時間，進而可提高電池壽命。而本發明之電池充電方法相較於習知技術之充電方法，於下表2、3的實際應用例中，即可得知確實具備上述之功效。

上述實施形態僅為例式性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

S01~S04‧‧‧步驟

Claims

一種電池充電方法，其步驟包括：在電池充電期間，測量該電池之複數個電池參數，其中，該複數個電池參數包括電池表面溫差和電池剩餘容量；模糊化該複數個電池參數，以對應至一模糊規則庫中，其中，該模糊規則庫係為該電池表面溫差之複數個模糊子集、該電池剩餘容量之複數個模糊子集及充電電流之複數個模糊子集所建立的模糊關聯性矩陣；以及依據該模糊化的複數個電池參數及該模糊規則庫進行解模糊化之演算，以取得數值化的充電電流。
如申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中，該電池表面溫差之複數個模糊子集為5個，且該電池表面溫差之複數個模糊子集的各代表中值分別為-2℃、-1℃、0℃、1℃、2℃。
如申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中，該電池剩餘容量之複數個模糊子集為5個，且該電池剩餘容量之複數個模糊子集的各代表中值分別為50%、60%、70%、85%、95%。
如申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中，該充電電流之複數個模糊子集為5個，且該充電電流之複數個模糊子集的各代表中值為0.6、1.0、1.4、1.8、2.2安培。
如申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中，在進行解模糊化運算前，更包括一推論引擎之步驟，係依據該模糊化的複數個電池參數及該模糊規則庫映射出一模糊輸出，之後將該模糊輸出進行解模糊化之演算。
如申請專利範圍第5項所述之電池充電方法，其中，該推論引擎為最小推論、最大推論、最大乘積推論或最大邊界推論。
如申請專利範圍第6項所述之電池充電方法，其中，以最小推論映射該模糊輸出時，係取該電池表面溫差之複數個模糊子集和該電池剩餘容量之複數個模糊子集的交集範圍。
如申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中，該解模糊化之演算為中心平均法、最大平均法、面積重心法或總和重心法。
如申請專利範圍第1項所述之電池充電方法，其中，該電池表面溫差係為電池表面的每秒溫差。