TWI577110B - Battery internal resistance detection device with electric energy recharge and its application method - Google Patents

Description

具電能回充之電池內阻偵測裝置及其應用方法

本發明係一種電池內阻偵測裝置及其應用方法，尤指係一種具電能回充而可恢復至原電量的電池內阻偵測裝置及其應用方法。

請參閱第1圖所示，其係一般電池的等效電路1，該等效電路1包含有一電池端電壓10、一電池內電勢11及一電性連接在該電池端電壓10與該電池內電勢11之間的電池內阻12。該電池內阻12一般分為直流內阻及交流內阻，直流內阻為直流電流流過電池內部所受到的阻力，交流內阻為交流電流流過電池內部所受到的阻力。該電池內阻12是由歐姆電阻13、極化電阻14及電雙層電容(Double Layer Capacitance)15所組合而成

歐姆電阻13主要是由電極電阻、電解質電阻、隔板電阻及連接線電阻組成。而極化電阻14是指電池在進行電化學反應時極化所引起的內阻，包括電荷轉移電阻（Charge Transfer Resistance）及質傳阻抗（Mass Transfer Impedance）。

請參閱第2圖所示，係傳統直流內阻量測法的直流量測電路2，該直流量測電路2包含有一電池20、一電性連接在該電池20正端的電流表21、一電性連接在該電流表21與該電池20負端之間的電壓表22、一電性連接在該電流表21與該電壓表22之間連接端的開關23、以及一電性連接該開關23另一端且電性連接該電壓表22與該電池20負端之間連接端的負載電阻24。該電池20具有一開路電壓200及一位在內部且串聯該開路電壓200的直流內阻201。

當該開關23未投入(又稱為未導通)時，該電壓表22所量測到的電壓為該開路電壓200。當該開關23投入(又稱為導通)時，該電壓表22所量測到的電壓為該負載電阻24兩端的電壓。而該電流表21所量測到的電流為該電池20的輸出電流，因此該直流內阻201可由下列方程式得到， (1) ；其中， 代表為該直流內阻201， 代表為該開路電壓200， 代表為該負載電阻24兩端的電壓， 代表為該電流表21量測到的電流。

倘若該負載電阻24為已知，即可將式子(1)替換為下列方程式， (2) ；其中， 代表為該負載電阻24。

透過放電測試的時間長短來量測歐姆電阻13及極化電阻14，當測試時間小於一預設值，所量測到的內阻為歐姆電阻13，而當時間大於該預設值，所量測到的內阻為歐姆電阻13及極化電阻14。但由於傳統的直流內阻量測法是對電阻放電，因此每當量測電池內阻時，將會使電池耗損掉一些電量，尤其對串聯電池組而言，當個別電池電量之降低，將引起串聯電池組電容量平衡的問題，甚至縮短電池組壽命。

請參閱第3圖所示，係傳統交流內阻量測法的交流量測電路3，該交流量測電路3包含有一電池30、一電性連接且並聯該電池30的交流電流源31、以及一電性連接且並聯該電池30的電壓表32。該電池30具有一開路電壓300及一位在內部且串聯該開路電壓300的交流內阻301。

承上，習知交流內阻量測法是對該電池30注入交流電流，並量測該電池30注入交流電流後的交流電壓變化值，根據電壓及電流的變化值計算出該交流內阻301。當該交流電流源31為正半週時，該交流電流源31是對該電池30充電，而當該交流電流源31為負半週時，則是該電池30放電。但因該電池30的充放電效率並不相同，故該交流內阻301量測時，仍然會消耗該電池30些微的電量。

如上所言，透過該直流量測電路2或該交流量測電路3來分別量測直流內阻或交流內阻時，皆會使該電池20、30消耗一些的電量。故習知量測內阻的裝置有加以改良之必要。

本發明的目的在於提出一種具有電能回充以解決習知量測時會消耗電量缺失的具電能回充之電池內阻偵測裝置及其應用方法。

根據前述目的，本發明提出一種具電能回充之電池內阻偵測裝置，其包含有一電池單元、一電容、一雙向轉換單元、一第一電壓偵測單元、一電流偵測單元、以及一控制單元。該電池單元包含有一電性連接該電容的電池；該雙向轉換單元電性連接在該電池與該電容之間；該第一電壓偵測單元並聯該電池；該電流偵測單元電性連接在該雙向轉換單元與該電池一端之間，該電流偵測單元串聯該電池；該控制單元電性連接該雙向轉換單元、該第一電壓偵測單元及該電流偵測單元，該控制單元包含有一直流電阻偵測模組、一交流阻抗偵測模組、以及一電能回充模組；其中，該電能回充模組係供控制回充至該電池的電能。

進一步地，該電能回充模組控制回充至該電池的電能回充方程式為下列方程式： ；其中， 為該電池回充的電量， 為該電池之充電電流， 為該電池充電效率。

進一步地，更包含有一並聯該電容的第二電壓偵測單元，該控制單元電性連接該第二電壓偵測單元。

進一步地，更包含有一電性連接該電容與該控制單元的AC/DC轉換單元、以及一電性連接該AC/DC轉換單元的外部交流電源；其中，該電容電性連接在該AC/DC轉換單元與該雙向轉換單元之間，該AC/DC轉換單元電性連接在該外部交流電源與該電容之間。

進一步地，該控制單元設為晶片或微處理器。

再者，本發明另外提出一種以偵測裝置為應用的應用方法，其包含有以下步驟：

步驟一：使該電池瞬間經由該雙向轉換單元的切換使其對該電容大電流放電，並將放電能量儲存於該電容；

步驟二：透過該第一電壓偵測單元量測該電池放電的直流電壓瞬間變化量，透過該電流偵測單元量測該電池放電的直流電流瞬間變化量；

步驟三：透過該直流電阻偵測模組擷取直流電壓瞬間變化量與直流電流瞬間變化量，以計算該電池的直流內阻；

步驟四：該電能回充模組經由該雙向轉換單元的切換使其控制回充至該電池的直流電能；

步驟五：對該電池注入一交流測試訊號；

步驟六：透過該第一電壓偵測單元量測該電池的交流電壓，透過該電流偵測單元量測該電池的交流電流；以及

步驟七：透過該交流阻抗偵測模組擷取交流電壓與交流電流，以計算該電池的交流內阻。

進一步地，於步驟七之後更包含有一步驟：該電能回充模組經由該雙向轉換單元的切換使其控制回充至該電池的電能。

進一步地，於步驟一至步驟七之間更包含有一步驟：透過一第二電壓偵測單元偵測該電容的能量是否有損耗。

進一步地，該電能回充模組控制回充至該電池的電能回充方程式為下列方程式： ；其中， 為該電池回充的電量， 為該電池之充電電流， 為該電池充電效率。

進一步地更包含有一電性連接該電容與該控制單元的AC/DC轉換單元、以及一電性連接該AC/DC轉換單元的外部交流電源；該外部交流電源經由該AC/DC轉換單元的切換使其對該電容補充能量。

本發明的特點在於：

1.本案是透過該電容的設置使該電池在放電時能儲存電量，此後對該電池充電時能藉由該電容上的能量補回該電池中，使該電池在進行內阻的量測時不會消耗電量。

2.因為電能由該電容補回該電池時需要考量充電電流及充電電壓的限制值，因此本案回充之電量採用定電壓及定電流的充電方式並配合該電能回充方程式，以避免過電壓充電而損害該電池的壽命。

3.本案於進行該電池的直流內阻量測時是透過對該電容大電流放電，大電流放電能增加該電池內阻量測的準確度。

4.本案更進一步地透過該AC/DC轉換單元、該外部交流電源與該雙向轉換單元的配合使其能近似百分之百的電能補回至該電池。

以下配合所附的圖示，詳加說明本發明的結構如何組合、使用，應當更容易瞭解本發明的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。

請參閱第4圖，係本發明提出的一種具電能回充之電池內阻偵測裝置，該偵測裝置4包含有一電池單元40、一電容41、一雙向轉換單元42、一第一電壓偵測單元43、一電流偵測單元44、以及一控制單元45。其中，

該電池單元40包含有一電性連接該電容41的電池400。該雙向轉換單元42電性連接在該電池400與該電容41之間，該雙向轉換單元42其中一轉換側的兩端分別電性連接在該電池400的正端與負端，而該雙向轉換單元42相對該電池400的另一轉換側之兩端分別電性連接在該電容41的兩端。

該第一電壓偵測單元43並聯該電池400，藉此量測該電池400兩端的電壓。該電流偵測單元44電性連接在該雙向轉換單元42與該電池400一端之間，該電流偵測單元44串聯該電池400，藉此量測該電池400的電流。其中，該電流偵測單元44具有一串聯該電池400的電流量測用電阻(圖未示出)，以及一並聯該電流量測用電阻的電流偵測器(圖未示出)。

該控制單元45電性連接該雙向轉換單元42、該第一電壓偵測單元43及該電流偵測單元44，該控制單元45包含有一直流電阻偵測模組450、一交流阻抗偵測模組451、以及一電能回充模組452。該直流電阻偵測模組450電性連接該第一電壓偵測單元43與該電流偵測單元44。該交流阻抗偵測模組451電性連接該第一電壓偵測單元43與該電流偵測單元44。該電能回充模組452係供控制回充至該電池400的電能。

接續請搭配第6圖所示，係本案應用該偵測裝置4的應用方法5，其包含有以下步驟：

步驟一：使該電池400瞬間經由該雙向轉換單元42的切換使其對該電容41大電流放電，並將放電能量儲存於該電容41；詳言之，該控制單元45控制該雙向轉換單元42之導通方向使該電池400瞬間經該雙向轉換單元42對該電容41放電，該電容41儲存該電池400放電的能量；

步驟二：透過該第一電壓偵測單元43量測該電池400放電的直流電壓瞬間變化量，透過該電流偵測單元44量測該電池400放電的直流電流瞬間變化量；

步驟三：透過該直流電阻偵測模組450擷取直流電壓瞬間變化量與直流電流瞬間變化量，以計算該電池400的直流內阻；詳言之，該直流電阻偵測模組450電性連接該第一電壓偵測單元43與該電流偵測單元44以分別擷取該電壓瞬間變化量與該電流瞬間變化量，此後將該電壓瞬間變化量除以該電流瞬間變化量，藉此得到該電池400的直流內阻；

步驟四：該電能回充模組452經由該雙向轉換單元42的切換使其控制回充至該電池400的直流電能；換句話說，測得該電池400的直流內阻後，切換該雙向轉換單元42的導通方向使該電容41上的電能可對該電池400進行充電，以補回該電池400放電時消耗的能量；

步驟五：對該電池400注入一為低頻訊號的交流測試訊號；其係透過該控制單元45控制該雙向轉換單元42之導通方向使其對該電池400注入該交流測試訊號；於較佳地實施例中，該交流測試訊號之頻率選用低於1赫茲(Hz)之訊號；

步驟六：透過該第一電壓偵測單元43量測該電池400的交流電壓，透過該電流偵測單元44量測該電池400的交流電流；以及

步驟七：透過該交流阻抗偵測模組451擷取交流電壓與交流電流，以計算該電池400的交流內阻；換言之，該交流阻抗偵測模組451電性連接該第一電壓偵測單元43與該電流偵測單元44以分別擷取交流電壓與交流電流，此後將交流電壓除以交流電流，藉此得到該電池400的交流內阻。

更具體說明直流內阻的量測步驟，量測時該控制單元45會控制該雙向轉換單元42之導通方向使該電池400瞬間經該雙向轉換單元42對該電容41放電，該電容41儲存該電池400放電的能量。此後將該第一電壓偵測單元43所測得的電壓瞬間變化量 及該電流偵測單元44所測得的電流瞬間變化量 傳至該直流電阻偵測模組450，利用該直流電阻偵測模組450內嵌的程式來計算該電壓瞬間變化量與該電流瞬間變化量之間的比值，藉此得到該電池400的直流內阻，即 。

一般電池的內阻相當小，通常僅有數十個毫歐姆，尤其大容量的內阻更為低，因此將不易被檢測出。因此為了提昇內阻量測的準確度，本案於進行該電池400的直流內阻量測時是透過對該電容41大電流放電，大電流放電能增加該電池400內阻量測的準確度。另外，當測試之放電電流愈接近正常使用時之負載電流，所得到的內阻值愈準確，則越能代表該電池400真正的內阻值。

更具體說明交流內阻的量測步驟，量測時該控制單元45會控制該雙向轉換單元42之導通方向使該電容41上的直流電壓經轉換成交流電壓來對該電池400注入為低頻訊號的該交流測試訊號，此後該第一電壓偵測單元43所測得的交流電壓 及該電流偵測單元44所測得的交流電流 傳至該交流阻抗偵測模組451，利用該交流阻抗偵測模組451內嵌的程式來將該交流電壓除以該交流電流，藉此得到該電池400的交流內阻，即 。

承上，由於本案進行該電池400的內阻量測時，是透過該電容41的設置使該電池400在放電時能儲存電量，此後得到內阻後對該電池400充電時能藉由該電容41上的能量補回該電池400中，使該電池400在進行內阻的量測時不會消耗電量，有效改善習知量測時會消耗電量的缺失。

進一步地，本案該電能回充模組452控制回充至該電池400的電能回充方程式為下列方程式： (3) ；其中， 為該電池400回充的電量， 為該電池400之充電電流， 為該電池400充電效率。因為電能由該電容41補回該電池400時需要考量充電電流及充電電壓的限制值，因此本案於步驟四中回充至該電池400之直流電量採用定電壓及定電流的充電方式並配合該電能回充方程式(如式子(3))，以避免過電壓充電而損害該電池400的壽命。

再者，雖然該交流測試訊號在正半週時是對該電池400充電，於負半週時是對該電池400放電，但因電池的充放電效率並不相同，故交流內阻量測時仍然會消耗該電池400些微的電量，為了解決該缺失，於步驟七之後更包含有一步驟：該電能回充模組452經由該雙向轉換單元42的切換使其控制回充至該電池400的電能。換句話說，測得該電池400的交流內阻後透過該電能回充模組452補充該電池400消耗的些微電量。

進一步地，請參閱第4圖及第5圖所示，該偵測裝置4更包含有一並聯該電容41的第二電壓偵測單元46、一電性連接該電容41與該控制單元45的AC/DC轉換單元47、以及一電性連接該AC/DC轉換單元47的外部交流電源48。該控制單元45電性連接該第二電壓偵測單元46。該電容41電性連接在該AC/DC轉換單元47與該雙向轉換單元42之間，該AC/DC轉換單元47電性連接在該外部交流電源48與該電容41之間。該外部交流電源48經由該AC/DC轉換單元47的切換使其對該電容41補充能量，藉此使該電池400的電量能恢復至近似百分之百的電能。

更具體說明，於步驟一至步驟七之間更包含有一步驟：透過該第二電壓偵測單元46偵測該電容41的能量是否有損耗。一旦該第二電壓偵測單元46測得該電容41上的能量有損耗時，該控制單元45收到該第二電壓偵測單元46之訊息可立即控制該AC/DC轉換單元47導通，讓該外部交流電源48對該電容41充電，使該電容41上損耗的能量可以補齊，藉此該電容41之電量回充至該電池400時能使該電池400的電量幾乎沒有損失。本案透過該AC/DC轉換單元47、該外部交流電源48與該雙向轉換單元42的配合使其能近似百分之百的電能補回至該電池400。

換句話說，當進行該電池400之直流內阻量測時，一旦該第二電壓偵測單元46測得該電容41上的能量有損耗時，該控制單元45收到該第二電壓偵測單元46之訊息可立即控制該AC/DC轉換單元47導通，讓該外部交流電源48對該電容41充電，使該電容41上損耗的能量可以補齊。相同地，當進行該電池400之交流內阻量測時，一旦該第二電壓偵測單元46測得該電容41上的能量有損耗時，該控制單元45收到該第二電壓偵測單元46之訊息可立即控制該AC/DC轉換單元47導通，讓該外部交流電源48對該電容41充電，使該電容41上損耗的能量可以補齊。

本案是以該AC/DC轉換單元47與該外部交流電源48之間的配合對該電容41充電的實施例作舉例說明，於另一實施例，該電容41上損耗的能量亦可以透過該雙向轉換單元42之導通方向來選擇用內部電源對該電容41充電。

另外，偵測該電容41的能量是否有損耗、電性連接該外部交流電源48、以及透過該外部交流電源48補充該電容41上的能量損耗等作動只要在測得該直流內阻或交流內阻之前將該電容41上的損耗補齊即可，因此在實際應用上，能在每一步驟中或每一步驟之間。舉例說明，當量測該直流內阻時，在步驟二中補齊或在步驟二與步驟三之間補齊；若量測該交流內阻時，則可在步驟六中補齊或在步驟六與步驟七之間補齊，以此類推。

此外，於本案實施例是先量測該電池400的直流電阻，此後再量測該電池400的交流電阻等步驟作舉例說明，而於實際應用上，亦能先量測該電池400的交流電阻，此後再量測該電池400的直流電阻，其先後順序可彈性調整。

於本案實施例中，該控制單元45設為晶片或微處理器，而該直流電組偵測模組450、該交流阻抗偵測模組451、該電能回充模組452則內嵌在該控制單元45內。該控制單元45如何控制該雙向轉換單元42之導通方向的程式，或是內嵌用來計算直流內阻或交流內阻的程式皆是現今已非常純熟的技術，並非為本案之主要方向，故不再加以贅述。

綜上所述，本案可得到以下特點：

1.本案是透過該電容41的設置使該電池400在放電時能儲存電量，此後得到內阻後對該電池400充電時能藉由該電容41上的能量補回該電池400中，使該電池400在進行內阻的量測時不會消耗電量，有效改善習知量測時會消耗電量的缺失。

2.因為電能由該電容41補回該電池400時需要考量充電電流及充電電壓的限制值，因此本案回充之電量採用定電壓及定電流的充電方式並配合該電能回充方程式(如式子(3))，以避免過電壓充電而損害該電池400的壽命。

3.本案於進行該電池400的直流內阻量測時是透過對該電容41大電流放電，大電流放電能增加該電池400內阻量測的準確度。

4.本案透過該AC/DC轉換單元47、該外部交流電源48與該雙向轉換單元42的配合使其能近似百分之百的電能補回至該電池400。

惟前述者僅為本發明的較佳實施例，其目的在使熟習該項技藝者能夠瞭解本發明的內容而據以實施，並非用來限定本發明實施的範圍。故舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造及特徵所為的均等變化或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

﹝ 習知﹞

1‧‧‧等效電路

10‧‧‧電池端電壓10

11‧‧‧電池內電勢

12‧‧‧電池內阻

13‧‧‧歐姆電阻

14‧‧‧極化電阻

15‧‧‧電雙層電容

2‧‧‧直流量測電路

20‧‧‧電池

200‧‧‧開路電壓

201‧‧‧直流內阻

21‧‧‧電流表

22‧‧‧電壓表

23‧‧‧開關

24‧‧‧負載電阻

3‧‧‧交流量測電路

30‧‧‧電池

300‧‧‧開路電壓

301‧‧‧交流內阻

31‧‧‧交流電流源

32‧‧‧電壓表

﹝ 本發明﹞

4‧‧‧偵測裝置

40‧‧‧電池單元

400‧‧‧電池

41‧‧‧電容

42‧‧‧雙向轉換單元

43‧‧‧第一電壓偵測單元

44‧‧‧電流偵測單元

45‧‧‧控制單元

450‧‧‧直流電阻偵測模組

451‧‧‧交流阻抗偵測模組

452‧‧‧電能回充模組

46‧‧‧第二電壓偵測單元

47‧‧‧AC/DC轉換單元

48‧‧‧外部交流電源

5‧‧‧應用方法

第1圖：為習知電池等效電路的電路圖。 第2圖：為習知直流量測電路的電路圖。 第3圖：為習知交流量測電路的電路圖。 第4圖：為本發明偵測裝置第一實施例的電路圖。 第5圖：為本發明偵測裝置第二實施例的電路圖。 第6圖：為本發明應用方法的流程圖。

4‧‧‧偵測裝置

40‧‧‧電池單元

400‧‧‧電池

41‧‧‧電容

42‧‧‧雙向轉換單元

43‧‧‧第一電壓偵測單元

44‧‧‧電流偵測單元

45‧‧‧控制單元

450‧‧‧直流電阻偵測模組

451‧‧‧交流阻抗偵測模組

452‧‧‧電能回充模組

46‧‧‧第二電壓偵測單元

Claims (9)

1. 一種應用方法，其係用於量測一電池的內阻，其包含有以下步驟：步驟一：使該電池瞬間經由一雙向轉換單元的切換使其對一電容大電流放電，並將放電能量儲存於該電容；步驟二：透過一第一電壓偵測單元量測該電池放電的直流電壓瞬間變化量，透過一電流偵測單元量測該電池放電的直流電流瞬間變化量；步驟三：透過一直流電阻偵測模組擷取直流電壓瞬間變化量與直流電流瞬間變化量，以計算該電池的直流內阻；步驟四：經由該雙向轉換單元的切換使一電能回充模組控制回充至該電池的直流電能；步驟五：對該電池注入一交流測試訊號；步驟六：透過該第一電壓偵測單元量測該電池的交流電壓，透過該電流偵測單元量測該電池的交流電流；以及步驟七：透過一交流阻抗偵測模組擷取交流電壓與交流電流，以計算該電池的交流內阻。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用方法，其中，於步驟七之後更包含有一步驟：該電能回充模組經由該雙向轉換單元的切換使其控制回充至該電池的電能。
3. 如申請專利範圍第1項所述之應用方法，其中，於步驟一至步驟七之間更包含有一步驟：透過一第二電壓偵測單元偵測該電容的能量是否有損耗。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項或第3項所述之應用方法，其中，該電能回充模組控制回充至該電池的電能回充方程式為下列方程式：Q _charge =ʃI _charge (t)×η ₁ dt；其中，Q _charge 為該電池回充的電量，I _charge 為該電池之充電電流，η ₁ 為該電池充電效率。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項或第3項所述之應用方法，更包含有一電性連接該電容與一控制單元的AC/DC轉換單元、以及一電性連接該AC/DC轉換單元的外部交流電源；該外部交流電源經由該AC/DC轉換單元的切換使其對該電容補充能量。
6. 一種配合如申請專利範圍第1項所述之應用方法的具電能回充之電池內阻偵測裝置，其中，該具電能回充之電池內阻偵測裝置包含有：一電池單元，該電池單元包含有一電池；一電容，該電容電性連接該電池；一雙向轉換單元，該雙向轉換單元電性連接在該電池與該電容之間；一第一電壓偵測單元，該第一電壓偵測單元並聯該電池；一電流偵測單元，該電流偵測單元電性連接在該雙向轉換單元與該電池一端之間，該電流偵測單元串聯該電池；以及一控制單元，該控制單元電性連接該雙向轉換單元、該第一電壓偵測單元及該電流偵測單元，該控制單元包含有一直流電阻偵測模組、一交流阻抗偵測模組、以及一電能回充模組；其中，該電能回充模組係供控制回充至該電池的電能，其回充方程式為下列方程式： Q _charge =ʃI _charge (t)×η ₁ dt；其中，Q _charge 為該電池回充的電量，I _charge 為該電池之充電電流，η ₁ 為該電池充電效率。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具電能回充之電池內阻偵測裝置，更包含有一並聯該電容的第二電壓偵測單元，該控制單元電性連接該第二電壓偵測單元。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之具電能回充之電池內阻偵測裝置，更包含有一電性連接該電容與該控制單元的AC/DC轉換單元、以及一電性連接該AC/DC轉換單元的外部交流電源；其中，該電容電性連接在該AC/DC轉換單元與該雙向轉換單元之間，該AC/DC轉換單元電性連接在該外部交流電源與該電容之間。
9. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之具電能回充之電池內阻偵測裝置，其中，該控制單元設為晶片或微處理器。