TWI541523B

TWI541523B - 電池狀態檢測方法與裝置

Info

Publication number: TWI541523B
Application number: TW103133144A
Authority: TW
Inventors: 劉志鵬; 蕭瑋岷; 方富民; 任國光; 黃敏亮; 溫書賢
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-07-11
Also published as: TW201612539A

Description

電池狀態檢測方法與裝置

本發明係與電池檢測技術有關，特別係指一種用於電動載具汰換電池再生應用之電池狀態檢測方法與裝置。

隨著石化能源的逐漸耗竭與動力電池技術的提升，面對地球的環境與氣候的變遷，人們愈來愈重視節能減碳、綠色能源與環保等議題，而電動載具如電動機車與電動巴士在各國政府的支持下亦逐漸嶄露頭角，預期未來幾年電動車市場將會日趨成熟與普及。

動力電池是提供電動載具運動的主要能量來源，然而這些動力電池會隨著使用時間的長短與行駛里程的遠近而逐漸老化，電池老化有許多因素與徵兆，其中兩個主要指標就是電池容量的減少與電池內阻的增加。

根據研究顯示，電動載具使用之動力電池容量低於電池出廠標稱容量70~80%以下時，即可判定不適用於電動載具之應用需求，因此電動載具之相關從業者需要一種電池狀態檢測方法，以有效評估電池老化程度與性能現況，提供最佳的汰役時機與分級篩選的參考依據。再透過有效的電池分級與重組，可將汰役電池應用於儲能系統，達到延長電池生命週期、豐富全壽期應用、提高使用效益與降低購置成本之效益。

美國專利公開第20070252600號「Diagnosis method for state-of-health of batteries」用來診斷電池的健康狀態(SOH)，係以定電流長時間對電池進行放電，利用量測電池電壓與電壓變化率來評估電池的健康狀態，需要數小時才能完成電池檢測工作，無法滿足快速診斷電池健康狀態的即時需求。

美國專利公開第20090128097號「Method and system for tracking battery state of health」則是透過對電池的充電與充電時間，計算電池充入的電容量，再與電池的預置電容量進行比對與分析，決定電池的健康狀態，該方法檢測時間長，無法達到快速檢測的目的。

美國專利第6281683號「Rapid determination of present and potential battery capacity」使用一複數個放電電流脈衝與一複數個靜置期間，分別量測脈衝電流期間的電池電壓與靜置期間的電池開路電壓(Voc)，計算各脈衝的電壓差值，透過查表或數學方程式等手段，計算出電池剩餘容量與最大充電容量，此方法雖然可以快速計算出電池容量，但沒有考慮到電池測試時的電池狀態，同時，靜置時間短，無法準確獲得真正的電池開路電壓，易造成估算誤差。

歐洲專利第06075610.3號「Method and device for determining characteristics of an known battery」係一種電池容量的估測方法，透過至少兩個放電電流脈衝，量取第二脈衝電流期間的電池電壓與第二靜置期間的電池開路電壓(OCV)，計算其電壓差值，利用查表或數學方程式等，由電壓差值估算出電池充放電率(C rate)，再利用電池充放電率計算出電池容量的方法，此方法可以快速計算出電池容量，但因靜置時間短，無法準確獲得真正的電池開路電壓，易造成估算誤差。

日本專利特開第2007-178333號公報中，利用電池充電時機，充電電流從定電流轉定電壓充電時，先將電池靜止放置一段時間並量測電池的電壓變化率，藉以評估電池老化程度，上述方法需中斷電池充電行為，且僅使用於充電電流從定電流轉定電壓充電的時間點，使用上相當受到侷限。

中華民國專利申請案號第098127249號「以直流內阻估算鋰電池容量之方法」於電池模組內建立額外的一個放電迴路，利用此一放電迴路調節電池負載放電，使電池總放電電流值固定，進而量測電池內阻，由預置的電池的內阻與容量的關係，查表估算出電池容量。此方法僅考慮到電池放電的電池狀態，同時，每次放電前的電池狀態未知，易造成放電電壓量測的不確定性；且由於真正的電池開路電壓並非短時間可以量測得到，也會造成計算電池的內阻值的誤差。

如前揭所述，目前現有的電池狀態的檢測方法與裝置均有應用上之侷限性與缺點，包括：(1)利用電池完整充放電程序，可有效獲得電池容量，但檢測時間過長，無法快速獲得電池狀態；(2)使用放電脈衝方式估測電池容量，需要使用電池開路電壓進行估測，但真正電化學反應往往需要數小時才能完成，真正的開路電壓無法快速的獲得，會造成估測誤差；(3)針對某一特別測試條件，如充電時定電流轉定電壓的時間點，電池狀態檢測時會被侷限於某一電池狀態才能進行檢測，使用上有其侷限性；(4)大部分的測試方法，僅能針對某一電池參數進行估測，如電池容量或內阻其中之一，無法全盤了解電池狀態。

鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種電池狀態檢測方法與裝置，係將測試用之充/放電電流脈衝對通入待測電池中，擷取該電池受該充/放電電流脈衝對響應之電池電壓、電流與溫度等參數來估算電池狀態，電池狀態包含開路電壓、內阻、容量、與電荷狀態、健康狀態等資訊，透過該些電池狀態資訊，快速完成電池檢測與分級的應用。

本發明係提供一種電池狀態檢測方法，其步驟包括：設定充/放電電流脈衝對測試之控制參數；對電池執行充/放電電流脈衝對測試；量測該電池之脈衝響應參數；計算平均電壓參數；計算充/放電脈衝平均電壓差值與電量狀態；計算充/放電電池內阻值；計算充/放電電池內阻健康狀態指標；計算實際充/放電電池容量；計算充/放電電池容量健康狀態指標；求得整體電池健康狀態指標。

本發明係提供一種電池狀態檢測裝置，係包括：脈衝測試模組，係電性連接該電池，該脈衝測試模組係具有一電池充放電控制單元、一電池充電單元與一電池放電單元，該脈衝測試模組係產生充/放電電流脈衝對，並將該充/放電電流脈衝對提供給該電池，對該電池進行充/放電電流脈衝測試；量測模組，係電性連接該電池，該量測模組係用於量測該電池之脈衝響應參數，該脈衝響應參數包括充電電流脈衝最大電壓值、放電電流脈衝最小電壓值、充電電流脈衝開路電壓值、放電電流脈衝開路電壓值與溫度；以及電池狀態估測模組，係電性連接該脈衝測試模組與該量測模組，該電池狀態估測模組係提供該充/放電電流脈衝對之設定參數給該脈衝測試模組，並接收該量測模組量測之脈衝響應參數，計算出該電池之性能指標，該性能指標包括開路電壓、充/放電脈衝平均電壓差值、充/放電電池內阻值、電容量、電荷狀態、健康狀態或整體電池健康狀態指標其中一種或數種。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

S01~S10‧‧‧本發明之電池狀態檢測方法步驟

2‧‧‧電池狀態檢測裝置

21‧‧‧脈衝測試模組

211‧‧‧電池充放電控制單元

212‧‧‧電池充電單元

213‧‧‧電池放電單元

22‧‧‧量測模組

23‧‧‧電池狀態估測模組

B‧‧‧電池

圖1係為本發明之電池狀態檢測方法步驟示意圖。

圖2係為本發明之該充/放電電流脈衝對脈衝波形與該些脈衝響應參數之對照示意圖。

圖3係為本發明之預先定義之電池電量狀態圖。

圖4係為本發明之電池狀態檢測裝置架構圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝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與功效。

圖1係為本發明之電池狀態檢測方法步驟示意圖，如圖所示，本發明之電池狀態檢測方法係用於求得一整體電池健康狀態指標，其步驟包括：

(a)設定充/放電電流脈衝對測試之控制參數S01，該控制參數包括充電電流脈衝電流值(I _C)、放電電流脈衝電流值(I _D)、充電電流脈衝時間寬度(t _C)、放電電流脈衝時間寬度(t _D)、開路時間寬度(t ₀)與充/放電電流脈衝對之數量(N)，以提供電池測試時所需要的充/放電脈衝波形，並產生N個充/放電電流脈衝對，以對電池進行電池狀態檢測與分析；其中該充電電流脈衝電流值(I _C)與放電電流脈衝電流值(I _D)之範圍係為0.2C到1C，C為電池充放電速率(C rate)，其數值定義為充放之電流值除以電池之安培小時容量；檢測控制時序(t _C，t _D，t ₀)的時間寬度範圍為3秒到30秒；N的範圍為1到10；為確保每次充入的電容量與釋放的電容量相同，該充電電流脈衝電流值(I _C)、放電電流脈衝電流值(I _D)、充電電流脈衝時間寬度(t _C)、放電電流脈衝時間寬度(t _D)之數值需滿足一關係式：I _C×t _C-I _D×t _D=0

(b)對電池執行充/放電電流脈衝對測試S02，根據預先設定之充電電流脈衝電流值(I _C)、放電電流脈衝電流值(I _D)、充電電流脈衝時間寬度(t _C)、放電電流脈衝時間寬度(t _D)、開路時間寬度(t ₀)與充/放電電流脈衝對的數量(N)，對該電池通入N組充/放電電流脈衝對以執行測試。

(c)量測該電池之脈衝響應參數S03，該脈衝響應參數包括充電電流脈衝最大電壓值(V _Ci)、放電電流脈衝最小電壓值(V _Di)、充電電流脈衝開路電壓值(V _OCi)、放電電流脈衝開路電壓值(V _ODi)與溫度(T)；其中i代表第i個充/放電電流脈衝對，充電電流脈衝最大電壓值(V _Ci)、放電電流脈衝最小電壓值(V _Di)、充電電流脈衝開路電壓值(V _OCi)、放電電流脈衝開路電壓值(V _ODi)即代表量測第i個充/放電電流脈衝對得知之數值，該充/放電電流脈衝對脈衝波形與該些脈衝響應參數之對照示意圖如圖2所示。

(d)計算平均電壓參數S04，為提高電池狀態估測精度與避免電池先前歷史狀態未知造成估測的偏差，利用統計理論的平均數概念，降低量測參數的誤差與變動，本發明係根據充/放電電流脈衝對測試後量測得知之電壓資料，計算出之平均電壓參數包括：電池脈衝充電最大電壓平均值()、電池脈衝放電最小電壓平均值()與開路電壓平均值()，其計算公式分別為：

其中M、N均為正整數，M表示第M個充/放電電流脈衝對，可以是1、 2或其他數，但必須小於N，因此上述方程式代表從第M個充/放電電流脈衝對到第N個充/放電電流脈衝對的量測電壓值的平均值，從第M個充/放電電流脈衝對開始平均的目的是因為測試前電池的狀態是未知的，為提高電池狀態檢測精度，可依實際狀況捨棄前面充/放電電流脈衝對的量測數值。

(e)計算充/放電脈衝平均電壓差值與電量狀態S05，為了解電池受電流脈衝對影響的響應，需計算出充/放電脈衝平均電壓差值，充電電流脈衝平均電壓差值，放電電流脈衝平均電壓差值；電量狀態(SOC,State of Charge)之計算方法係將該開路電壓平均值()代入一預先定義之電池電量狀態圖(如圖3所示)，或使用查表方式，以計算出相對應之電量狀態(SOC)值。

(f)計算充/放電電池內阻值S06，充電電池內阻值R _C=/I _C，放電電池內阻值R _D=/I _D。

(g)計算充/放電電池內阻健康狀態指標S07，充電電池內阻健康狀態指標SOH _RC與放電電池內阻健康狀態指標SOH _RD之計算公式分別為：

其中γ為電池回收時電池內阻增加的倍數，即使用過後之電池內阻值與全新電池內阻值之比(R _END/R _NEW=γ)，γ的範圍為0到3之間，因應不同的應用情境與電池種類而有所不同；如動力鋰電池在電動車上使用建議為1.2~1.4之間，在儲能系統應用建議為2.5~3之間。

(h)計算實際充/放電電池容量S08，在電池處於全新狀態時，將該電池充滿電後以定電流-定電壓模式執行放電與充電測試，以建立該電池之充/放電數據資料庫，再將量測得知之充/放電脈衝平均電壓差值與電量狀態代入該充/放電數據資料庫，以求得該電池之實際充電電池容量AHC _C=f(SOC，T， )與實際放電電池容量AHC _D=g(SOC，T， )，其中f、g分別為預先定義之充電電池容量函式與放電電池容量函式。

(i)計算充/放電電池容量健康狀態指標S09，充電電池容量健康狀態指標SOH _AHC與放電電池容量健康狀態指標SOH _AHD之計算公式為：SOH _AHC=(AHC _C-μ×AHC _NEW)/(AHC _NEW-μ×AHC _NEW)×100%

SOH _AHD=(AHC _D-μ×AHC _NEW)/(AHC _NEW-μ×AHC _NEW)×100%

其中AHC _NEW為電池的標稱容量；一般電池於實際應用時，當電池容量小於某一特定容量時，即可判定為不堪使用，例如當鋰離子電池的容量小於新電池的40%以下時，即應該回收不再使用，因此本發明定義一電池回收倍數μ，即該電池需回收時的容量為新電池容量的μ倍，μ的範圍為0到1之間，可因應不同的應用與電池種類而改變定義數值，例如在電動車上使用建議為0.7~0.8之間，在儲能系統應用建議為0.4~0.5之間。

(j)求得整體電池健康狀態指標S10，將前述步驟求得之充電電池內阻健康狀態指標SOH _RC、放電電池內阻健康狀態指標SOH _RD、充電電池容量健康狀態指標SOH _AHC與放電電池容量健康狀態指標SOH _AHD作比對，以最小值者作為該電池之整體電池健康狀態指標(SOH,Status of Health)，即SOH=min(SOH _RC，SOH _AHC，SOH _RD，SOH _AHD)

圖4係為本發明之電池狀態檢測裝置架構圖，如圖所示，該電池狀態檢測裝置2係用於檢測電池B之狀態參數與性能指標，該電池狀態檢測裝置係包括：脈衝測試模組21，係電性連接該電池B，該脈衝測試模組21係具有一電池充放電控制單元211、一電池充電單元212與一電池放電單元213，該脈衝測試模組21係產生充/放電電流脈衝對，並將該充/放電電流脈衝對提供給該電池B，對該電池B進行充/放電電流脈衝測試；量測模組22，係電性連接該電池B，該量測模組22係用於量測該電池B之脈衝響應參數，該脈衝響應參數包括充電電流脈衝最大電壓值、放電電流脈衝最小電壓值、充電電流脈衝開路電壓值、放電電流脈衝開路電壓值與溫度；以及電池狀態估測模組23，係電性連接該脈衝測試模組21與該量測模組22，該電池狀態估測模組23係提供該充/放電電流脈衝對之設定參數給該脈衝測試模組21，並接收該量測模組22量測之脈衝響應參數，計算出該電池B之性能指標，該性能指標包括開路電壓、充/放電脈衝平均電壓差值、充/放電電池內阻值、電容量、電荷狀態、健康狀態或整體電池健康狀態指標其中一種或數種。

本發明之電池狀態檢測裝置之運作步驟係為：(a)該電池狀態估測模組設定充/放電電流脈衝對測試之控制參數，將該控制參數傳送至該脈衝測試模組之該電池充放電控制單元；(b)該電池充放電控制單元根據該控制參數，控制該電池充電單元與該電池放電單元分別產生充電電流脈衝對與放電電流脈衝對，將該充電電流脈衝對與放電電流脈衝對傳輸至該電池，進行充/放電電流脈衝對測試；(c)該量測單元量測該電池B之脈衝響應參數，將該脈衝響應參數傳送至該電池狀態估測模組；(d)該電池狀態估測模組根據該脈衝響應參數，計算該電池B之性能指標。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S01~S10‧‧‧本發明之電池狀態檢測方法步驟

Claims

一種電池狀態檢測方法，其步驟包括：設定充/放電電流脈衝對測試之控制參數，該控制參數包括充電電流脈衝電流值、放電電流脈衝電流值、充電電流脈衝時間寬度、放電電流脈衝時間寬度、開路時間寬度與充/放電電流脈衝對之數量；對電池執行充/放電電流脈衝對測試；量測該電池之脈衝響應參數，該脈衝響應參數包括充電電流脈衝最大電壓值、放電電流脈衝最小電壓值、充電電流脈衝開路電壓值、放電電流脈衝開路電壓值與溫度；計算平均電壓參數，該平均電壓參數包括：電池脈衝充電最大電壓平均值、電池脈衝放電最小電壓平均值與開路電壓平均值；計算充/放電脈衝平均電壓差值與電量狀態；計算充/放電電池內阻值；計算充電電池內阻健康狀態指標與放電電池內阻健康狀態指標；計算實際充/放電電池容量，在電池處於全新狀態時，將該電池充滿電後以定電流-定電壓模式執行放電與充電測試，以建立該電池之充/放電數據資料庫，再將量測得知之充/放電脈衝平均電壓差值與電量狀態代入該充/放電數據資料庫，求得該電池之實際充電電池容量與實際放電電池容量；計算充電電池容量健康狀態指標與放電電池容量健康狀態指標；求得整體電池健康狀態指標，該整體電池健康狀態指標係為該充電電池內阻健康狀態指標、放電電池內阻健康狀態指標、充電電池容量健康狀態指標與放電電池容量健康狀態指標四項指標中數值最小者。
如申請專利範圍第1項所述之電池狀態檢測方法，其中該充電電流脈衝電流值、放電電流脈衝電流值、充電電流脈衝時間寬度、放電電流脈衝時間寬度之數值需滿足一關係式：I _C×t _C-I _D×t _D=0其中I _C係為充電電流脈衝電流值，I _D係為放電電流脈衝電流值，t _C係為充電電流脈衝時間寬度，t _D係為放電電流脈衝時間寬度。
如申請專利範圍第2項所述之電池狀態檢測方法，其中該電池脈衝充電最大電壓平均值、電池脈衝放電最小電壓平均值與開路電壓平均值之計算公式為：其中係為電池脈衝充電最大電壓平均值，係為電池脈衝放電最小電壓平均值，係為開路電壓平均值，V _Ci係為充電電流脈衝最大電壓值，V _Di係為放電電流脈衝最小電壓值，V _OCi係為充電電流脈衝開路電壓值，V _ODi係為放電電流脈衝開路電壓值，M、N均為正整數，M必須小於N。
如申請專利範圍第3項所述之電池狀態檢測方法，其中該充電脈衝平均電壓差值與該放電脈衝平均電壓差值之計算公式分別為：其中係為該充電脈衝平均電壓差值，係為該放電脈衝平均電壓差值。
如申請專利範圍第4項所述之電池狀態檢測方法，其中該充電電池內阻健康狀態指標SOH _RC與放電電池內阻健康狀態指標SOH _RD之計算公式為：其中SOH _RC係為充電電池內阻健康狀態指標，SOH _RD係為放電電池內阻健康狀態指標，R _C係為充電電池內阻值，R _D係為放電電池內阻值，R _NEW係為全新電池內阻值，γ為電池回收時電池內阻增加的倍數，γ的範圍為0到3之間。
如申請專利範圍第5項所述之電池狀態檢測方法，其中該充電電池容量健康狀態指標SOH _AHC與放電電池容量健康狀態指標SOH _AHD之計算公式為：SOH _AHC=(AHC _C-μ×AHC _NEW)/(AHC _NEW-μ×AHC _NEW)×100% SOH _AHD=(AHC _D-μ×AHC _NEW)/(AHC _NEW-μ×AHC _NEW)×100%其中SOH _AHC係為充電電池容量健康狀態指標，SOH _AHD係為放電電池容量健康狀態指標，AHC _C係為實際充電電池容量，AHC _D係為實際放電電池容量，AHC _NEW係為標稱容量，μ係為電池回收倍數，μ的範圍為0到1之間。
一種電池狀態檢測裝置，係包括：脈衝測試模組，係電性連接該電池，該脈衝測試模組係具有一電池充放電控制單元、一電池充電單元與一電池放電單元，該脈衝測試模組係產生充/放電電流脈衝對，並將該充/放電電流脈衝對提供給該電池，對該電池進行充/放電電流脈衝測試；量測模組，係電性連接該電池，該量測模組係用於量測該電池之脈衝響應參數；以及電池狀態估測模組，係電性連接該脈衝測試模組與該量測模組，該電池狀態估測模組係提供該充/放電電流脈衝對之設定參數給該脈衝測試模組，並接收該量測模組量測之脈衝響應參數，計算出該電池之性能指標；其中該脈衝響應參數包括充電電流脈衝最大電壓值、放電電流脈衝最小電壓值、充電電流脈衝開路電壓值、放電電流脈衝開路電壓值與溫度。
如申請專利範圍第7項所述之電池狀態檢測裝置，其中該性能指標包括開路電壓、充/放電脈衝平均電壓差值、充/放電電池內阻值、電容量、電荷狀態、健康狀態或整體電池健康狀態指標其中一種或數種。
如申請專利範圍第7項所述之電池狀態檢測裝置，其中該電池狀態檢測裝置之運作步驟係為：該電池狀態估測模組設定充/放電電流脈衝對測試之控制參數，將該控制參數傳送至該脈衝測試模組之該電池充放電控制單元；該電池充放電控制單元根據該控制參數，控制該電池充電單元與該電池放電單元分別產生充電電流脈衝對與放電電流脈衝對，將該充電電流脈衝對與放電電流脈衝對傳輸至該電池，進行充/放電電流脈衝對測試；該量測單元量測該電池之脈衝響應參數，將該脈衝響應參數傳送至該電池狀態估測模組；該電池狀態估測模組根據該脈衝響應參數，計算該電池之性能指標。