TWI541525B - 電池電量估測裝置及其估測方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種估測裝置，且特別是有關於一種電池電量狀態及健康狀態之即時估測裝置及其估測方法。
電池具有廣泛的應用範圍，可應用在電子裝置，例如手機、筆記型電腦等等，此外也可以應用在油電複合車、電動車、電動巴士或電動機車等電動載具。對於電池的應用，能否提供準確的電池電量給使用者或技術人員是很重要的。電池的電量代表有多少能量尚留在電池裡(電池殘存電量)，或是多少電量已放電消耗(電池放電電量)，亦或是最大儲電量已衰減多少(電池老化程度)。電量的計算方式可藉由最大電量減去電池放電電量而得到電池殘存電量，只要得到電池最大電量與電池放電電量就可估測出電池殘存電量，其中電池最大電量的計算是將電池在出廠時的標稱電量扣除電池老化電量。
電池電量可以利用電量狀態(State Of Charge,SOC)來表示，此處所使用的SOC是以百分比為單位，範圍從0%(完全放電
狀態)至100%(完全充電狀態)。SOC的百分比可以代表目前狀況下殘存電量相對於電池全滿電量之比例。在電池為新品時，全滿電量可以等同於電池標稱電量(或額定電量)，當電池經過循環使用發生老化後，電池的全滿電量將低於電池標稱電量。亦即，一樣的SOC值實際上可能代表不同的電池電量，如此將使得使用者在無法正確掌握電池實際上的可用電量，而造成使用上的困擾。目前各種電池電量的估測方式皆需要有電量起始值、電池充放電的歷史資料，且須耗費十分長的估測時間，在實際應用上並不理想，因此如何正確且迅速地估測電池的目前電量與全滿電量為十分重要的課題。
本發明提供一種電池電量估測裝置及其電池電量估測方法，可即時並正確地估測出電池的目前電量狀態(State of Charge,SOC)以及健康狀態(State of Health,SOH)，且不需電池的電量起始值或充放電的歷史資料。
本發明的電池電量估測裝置，包括偵測單元以及估測單元。其中偵測單元偵測電池的電壓與電流。估測單元耦接偵測單元，依據偵測單元的偵測結果計算電池的動態阻抗以及電池的電量變化量，並依據動態阻抗與電量變化量計算電池的電量狀態以及健康狀態。
在本發明的一實施例中，上述電池的電量與動態阻抗的
對應關係可近似為拋物曲線，估測單元將此曲線微分後即可取得電池的電量對動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量的一對一函數關係。
在本發明的一實施例中，上述估測單元更依據動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量所得之值來計算電池的目前電量。
在本發明的一實施例中，上述估測單元更計算直線之斜率，並依據直線之斜率計算電池的健康狀態。
在本發明的一實施例中，上述電池的電量變化量等於，其中Q為該電池的額定電量、I1與I2分別為偵測該電池的相鄰兩取樣點所得到之電流，△t則為該兩取樣點之時間變化量。
本發明的電池電量估測方法包括下列步驟。偵測電池的電壓與電流。依據偵測結果計算電池的動態阻抗以及電量變化量。再依據動態阻抗與電量變化量計算電池的電量狀態以及健康狀態。
在本發明的一實施例中，上述的電池的電量與動態阻抗的對應關係可近似為拋物曲線，將此曲線微分後即可取得電池的電量與動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量的一對一函數關係。
在本發明的一實施例中，上述依據動態阻抗與電量變化
量計算電池的電量狀態的步驟包括，依據動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量所得之值來計算電池的電量狀態。
在本發明的一實施例中，上述依據動態阻抗與電量變化量計算電池的健康狀態的步驟包括，依據直線之斜率計算電池的健康狀態。
基於上述，本發明的實施例依據電池的動態阻抗與電池的電量變化量計算電池的電量狀態以及健康狀態，可在不需電池的電量起始值或充放電歷史資料的情形下即可即時並正確地估測出電池的電量狀態以及健康狀態。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
102‧‧‧偵測單元
104‧‧‧控制單元
B1‧‧‧電池
△t‧‧‧時間變化量
I1、I2‧‧‧電流
A、B‧‧‧特性曲線
SOC‧‧‧電池電量狀態
△V‧‧‧電壓變化量
△I‧‧‧電流變化量
△SOC‧‧‧電量變化量
S602~S608‧‧‧電池電量估測方法的流程步驟
圖1繪示為本發明一實施例之電池電量估測裝置的示意圖。
圖2~圖3繪示本發明實施例之電池特性曲線的示意圖。
圖4繪示本發明實施例之電池的電流變化量與電量變化量的示意圖。
圖5繪示本發明另一實施例之電池特性曲線的示意圖。
圖6繪示本發明一實施例之電池電量估測方法的流程示意圖。
圖1繪示為本發明一實施例之電池電量估測裝置的示意圖，請參照圖1。電池電量估測裝置包括偵測單元102以及估測單元104，其中偵測單元102耦接估測單元104以及電池B1。偵測單元102可對電池B1進行抽載並量測電池B1的電壓與電流。估測單元104則可依據偵測單元102的偵測結果計算電池B1之目前電量所對應的目前動態阻抗以及電量變化量，並依據動態阻抗與電量變化量計算電池B1的電量狀態以及健康狀態(亦即電池B1目前可儲存的最大電量)，其中動態阻抗可藉由將電池B1的電壓變化量除以電流變化量來得到。
舉例來說，圖2與圖3繪示本發明實施例之電池特性曲線的示意圖，請參照圖2與圖3。在本實施例中，電池B1為鋰電池，其電池B1的電量狀態(SOC)與動態阻抗(△V/△I)的對應關係在座標平面上可近似為一拋物曲線，將此曲線微分後即可取得電池B1的電量對動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量的一對一函數關係，其在座標平面上可近似為一直線。估測單元104可依據動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量所得到之值來計算電池B1的電量狀態。此外，估測單元還可計算圖3之直線的斜率，並依據直線之斜率計算電池B1的健康狀態。
詳細來說，鋰電池的動態阻抗(△V/△I)，亦即圖2之拋物曲線可如下列式子趨近：
其中a、b、c為係數，其為實數，SOC為電池B1的電量狀態，當電池B1的電量較充足或較少時動態阻抗較大，此外老化程度較嚴重的電池動態阻抗亦會比老化程度較輕微的電池大，且老化程度較嚴重的電池將會對應到較大的a值。若將式(1)對SOC進行微分則可得到圖3所示之直線，可用下列式子趨近：
而由式(2)可得知電池B1的電量狀態，其可用下列式子趨近：
由此可知只要計算出△(△V/△I)/△SOC，即可求出所對應的電池B1的電量狀態，其中a值與b值之計算方式容後再述。電池B1的電量變化量(△SOC)可例如用庫倫積分法來計算，電池的電流變化量與電量變化量的示意圖可如圖4所示，而電池B1的電量變化量(△SOC)可如下列式子所示：
其中Q為電池B1的額定電量、I1與I2分別為相鄰兩取樣點所偵測之電流，△t則為兩取樣點之時間變化量，故可由式(4)計算其電量變化量。
另外，式(3)中的a值可藉由將式(2)對SOC再次進行微分
即可求得，a值可如下式子所示：
圖5繪示本發明另一實施例之電池特性曲線的示意圖，請參照圖5。在圖5中線段A為電池B1在全新時的特性曲線，而線段B則為電池B1目前狀態的特性曲線，在本實施例中假設電池B1已出現老化狀態，因此線段B之斜率大於線段A。其中線段A可以下列式子表示：
其中a'、b'為係數，其為實數，由於線段A為電池B1在全新狀態時的特性曲線，因此a'、b'為已知的係數。如此一來，在a、a'、b'之值皆為已知的情形下，b值便可由式(2)與式(6)解聯立方程式而得到，b值可如下式子所示：
此外，由圖5可知，由於線段A與線段B的長度相同，因此電池B1目前的健康狀態(SOH)與電池B1在全新時的健康狀態(SOH')的關係可如下列式子所示：
其中2a'與2a分別為線段A與線段B之斜率，若定義電池B1在全新時之健康狀態(SOH')為100%，則電池B1的健康狀態SOH可如下式子所示：
如上所述，藉由依據電池的動態阻抗與電量變化量計算該電池的電量狀態以及健康狀態，即可在不需電池的電量起始值或充放電的歷史資料的情形下，即時並正確地估測出電池的電量狀態以及健康狀態。值得注意的是，上述實施例雖皆以電池B1鋰電池為例進行說明，然並不以此為限，電池B1亦可為其他類型的電池，例如各種可充電電池(二次電池)。
圖6繪示本發明一實施例之電池電量估測方法的流程示意圖，請參照圖6。由上述實施例可知，電池電量估測裝置的電池電量估測方法可包括下列步驟。首先，偵測電池的電壓與電流(步驟S602)。接著，依據偵測結果計算電池的動態阻抗以及電量變化量(步驟S604)，其中電池的電量與動態阻抗的對應關係為一拋物曲線，而電池的電量與動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量的對應關係可近似為一直線。其次，計算係數a、b，以利SOC與SOH之計算(步驟S606)，其計算方式如上述實施例所述，在此不再贅述。然後，再依據動態阻抗與電量變化量與係數a、b計算電池的電量狀態以及健康狀態(步驟S608)，例如可依據動態阻抗的變化量除以電池的電量變化量所得到之值來計算電池的電量狀態，並依據直線之斜率計算電池的健康狀態，其中電池的電量變化量可例如以式(4)的方式來計算。
綜上所述，本發明的實施例藉由依據電池的動態阻抗與
電池的電量變化量計算該電池的電量狀態以及健康狀態，即可在不需電池的電量起始值或充放電的歷史資料的情形下即時並正確地估測出電池的電量狀態以及健康狀態，讓使用者得以即時並正確地掌握電池實際上的可用電量。此外，上述實施例的電池電量估測裝置更具有體積小、成本低的優點。電池電量估測裝置可以設置於大型的充電站或電池交換站，在快速估測電量的同時，也能協助廠商及消費者檢測出故障或老化的電池。又例如，可應用於電動載具之電池檢測，如此便可在保養或維修時同步快速地檢測出老化後儲電量下降的電池。此外，儲電量下降的電池可汰換至儲能系統繼續使用，亦即本發明亦可應用於電池回收供應鏈，讓電池可以回收再利用。
S602~S608‧‧‧電池電量估測方法的流程步驟
Claims (8)
- 一種電池電量估測裝置，包括：一偵測單元，偵測一電池的電壓與電流；以及一估測單元，耦接該偵測單元，依據該偵測單元的偵測結果計算該電池的動態阻抗以及該電池的電量變化量，並依據該動態阻抗與該電量變化量計算該電池的電量狀態以及健康狀態，其中該電池的電量狀態，該電池在全新時的特性曲線方程式為，其中△V為該電池的電壓變化量，△I為該電池的電流變化量，△V/△I為該電池的動態阻抗，△SOC為該電池的電量變化量，係數a'、b'為已知實數，係數a與b由用下式計算所得
- 如申請專利範圍第1項所述的電池電量估測裝置，其中該電池的電量與該動態阻抗的對應關係為一拋物曲線，該估測單元將此曲線微分後，取得該電池的電量對該動態阻抗的變化量除以該電池的電量變化量的一對一函數關係，其為一直線。
- 如申請專利範圍第2項所述的電池電量估測裝置，其中該估測單元更計算該直線之斜率，並依據該直線之斜率計算該電池的健康狀態。
- 如申請專利範圍第1項所述的電池電量估測裝置，其中該電池的電量變化量等於，其中Q為該電池的額定電量、I1與I2分別為偵測該電池的相鄰兩取樣點所得到之電流，△t則為該兩取樣點之時間變化量。
- 一種電池電量估測方法，包括：偵測一電池的電壓與電流；依據偵測結果計算該電池的動態阻抗以及該電池的電量變化量；以及依據該動態阻抗與該電量變化量計算該電池的電量狀態以及健康狀態，其中該電池的電量狀態，該電池在全新時的特性曲線方程式為，其中△V為該電池的電壓變化量，△I為該電池的電流變化量，△V/△I為該電池的動態阻抗，△SOC為該電池的電量變化量，係數a'、b'為已知實數，係數a與b由用下式計算所得
- 如申請專利範圍第5項所述的電池電量估測方法，其中該電池的電量與該動態阻抗的對應關係為一拋物曲線，將此曲線微分後，即可取得該電池的電量與該動態阻抗的變化量除以該電池的電量變化量的一對一函數關係，其為一直線。
- 如申請專利範圍第5項所述的電池電量估測方法，其中依據該動態阻抗與該電量變化量計算該電池的健康狀態的步驟包括：依據該直線之斜率計算該電池的健康狀態，該電池的健康狀態。
- 如申請專利範圍第5項所述的電池電量估測方法，其中該電池的電量變化量等於，其中Q為該電池的額定電量、I1與I2分別為偵測該電池的相鄰兩取樣點所得到之電流，△t則為該兩取樣點之時間變化量。
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