TWI613455B

TWI613455B - 一種可擴充模組化電池容量估測系統

Info

Publication number: TWI613455B
Application number: TW105133699A
Authority: TW
Inventors: Shun-Zhong Wang; Yi-Hua Liu
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-02-01
Also published as: TW201816415A

Description

一種可擴充模組化電池容量估測系統

本發明係有關於一種可擴充模組化電池容量估測系統，特別是關於一種適用於串聯鋰離子電池組之可擴充模組化電池容量估測系統。

隨著科技的發展，可攜式與穿戴式等數位產品漸漸普及，智慧家電、電動車等電子設備也越來越多，而這些智慧電子設備都必須依賴電池供電。大部分可攜式產品中的電源供應端都可以見到二次電池的蹤影，而二次電池除了在可攜式電子產品中被廣泛運用，也同樣使用在航空、車輛以及再生能源的電能儲存系統上。若依照電池的化學成分來區分，目前二次電池主要可分為鉛酸電池(Lead-acid)、鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳氫電池(Ni-MH)及鋰離子電池(Lithium-ion)等四種，其中鋰離子電池為目前二次電池之主流，其具有能量密度高、體積輕巧、平均工作電壓高以及無記憶效應等優點。然而鋰離子電池之性能受本身容量影響，過充及過放都可能引發爆炸等安全問題，因此電池的電量及相關資訊就顯得非常重要。使用者若能得知電池容量百分比，便可有效利用電池並決定充、放電時間，從而避免上述情形發生。

欲設計一完善電池容量估測系統，必須包含以下功能：電池狀態監控：監控各電池單元電壓、電池組電流及電池組溫度等以防止電池損壞等情況發生。

電池容量百分比及當前負載可使用時間：估測電池容量百分比及當前負載可使用時間以利使用者了解電池當前能力。

模組化：由於單顆電池並沒有能力支援大系統的運作，因此模組化可使多組電池統一由單一系統監控。

高精確度：電池資訊取樣之精確度越高，越能精準監控電池使用狀況。

通訊介面：由於多組電池的管理及保護皆同時由單一系統控制，因此通訊介面對於電池容量估測系統就顯得相當重要。

另外，針對鋰離子電池的容量估測，過去文獻常見之估測方法有開路電壓法、庫倫積分法、內阻法、卡爾曼濾波器(Kalman Filter)、阻抗追蹤等。其中有文獻提出以溫度為基準的數學模型，結合三維表(開路電壓-容量百分比-溫度)與無跡卡爾曼濾波器(Unscented Kalman Filter,UKF)達到容量估測。另有文獻提出以阻抗為基準的數學模型，使用等效阻抗模型二階電路元件配合分數卡爾曼濾波器(Fraction Kalman Filter,FKF)以估測容量；也有研究者提出基於電壓滯留曲線之容量估測方法，並利用延伸卡爾曼濾波器修正其演算法等效模型；另外德州儀器公司提出基於阻抗追蹤技術之電池容量估測專利，並介紹其基本原理及各項數據更新時間，利用更新數據以及所建立之資料庫因應不同種類電池的使用情形。也有文獻基於延伸卡爾曼濾波器以及電化學模型提出一適應性調整之容量估測方法，其利用高階參數調整系統以達降低誤差的效果；另有研究者提出以庫倫積分法估測電池容量，同時利用電壓對庫倫量的變化趨勢線上校正容量估測的精準度；另外，適應性之非線性校正演算法以補償電池實際運用上的非線性情形，增加電池容量估測上的精準度也是先前被提出來的技術。

雖然習知已有如上述之多種電池容量估測方案，但其效能仍有改進的空間。

本發明之一目的在於提供一種適用於串聯鋰離子電池組之模組化電池容量估測系統，其功能包含監控各電池單元之電壓、電池組之溫度及電池組之電流，估測電池容量百分比與剩餘容量以及避免電池發生過充、過放、過壓、欠壓、過流或過溫等狀況。

為達到上述目的，一種可擴充模組化電池容量估測系統乃被提出，其具有：一母板，具有一第一數位控制器；至少一子板，各具有至少一差動放大器、一電流感測器、一溫度感測器、一第二數位控制器以及一第三數位控制器，所述至少一差動放大器係用以擷取一串聯鋰離子電池模組之各電池單元的單元輸出電壓，該電流感測器係用以感測流經該串聯鋰離子電池模組之串聯電流，該溫度感測器係用以感測該串聯鋰離子電池模組之操作溫度，該第三數位控制器係藉由一通用非同步收發傳輸介面與該第二數位控制器互相通信，及藉由一控制器區域網路匯流排介面與該第一數位控制器互相通信，以將該第二數位控制器所讀取的各所述單元輸出電壓、該串聯電流及該操作溫度的資訊傳送至該第一數位控制器；以及一人機介面，係藉由一RS232介面由該第一數位控制器獲得各所述單元輸出電壓、該串聯電流及該操作溫度以進行一監控程序及一電池容量估測程序，其中，該電池容量估測程序包括在一充電/放電模式中使用一庫倫積分法累積充/放電電量，以及在一休息模式中以一所述電池單元之開路電壓代入所述開路電壓和一電池容量百分比之一關係式中以估測出一電池容量。

在一實施例中，該休息模式進一步包括利用該串聯電流與一內阻之乘積修正該開路電壓之步驟。

在一實施例中，該人機介面具有發出過壓警告、欠壓警告、過流警告及過溫警告之功能。

為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

100‧‧‧母板

101‧‧‧第一數位控制器

110‧‧‧子板

120‧‧‧人機介面

111‧‧‧差動放大器

112‧‧‧電流感測器

113‧‧‧溫度感測器

114‧‧‧第二數位控制器

115‧‧‧第三數位控制器

200‧‧‧串聯鋰離子電池模組

圖1為本發明之可擴充模組化電池容量估測系統之一實施例示意圖。

圖2為本發明所採之一電池電流取樣電路示意圖。

圖3為本發明所採之一電壓取樣電路示意圖。

圖4為本發明所採之一電池溫度取樣電路示意圖。

圖5為RS-232電壓準位轉換示意圖。

圖6.為CAN Bus之差動訊號示意圖。

圖7.為CAN Bus之硬體電路示意圖。

圖8.為本發明所採之一取樣板系統程式流程圖。

圖9為本發明所採之一CAN Bus通訊子板系統程式流程圖。

圖10為本發明所採之一CAN Bus通訊母板系統程式流程圖。

圖11繪示本發明所採之一BioLogic公司所生產之VSP恆電位/恆電流儀器並利用EC-Lab軟體進行實驗之整體運作架構。

圖12為電池之開路電壓對容量百分比之一關係圖。

圖13為20%至100%電池容量與開路電壓之一擬合關係圖。

圖14為0%至20%電池容量與開路電壓之一擬合關係圖。

圖15為本發明所採之一電池容量估測程式流程圖。

圖16為本發明所採之一電池剩餘容量估測流程圖。

圖17為本發明所採之一更新電池內阻值程式流程圖。

圖18為本發明所採之一休息模式副程式流程圖。

圖19為本發明之人機介面所提供之驗證-電池組資訊。

圖20為本發明之人機介面所提供之驗證-各電池單元資訊。

圖21為本發明之人機介面所提供之內阻及開路電壓表。

圖22為本發明之一充電實驗波形圖。

圖23為本發明之一充電實驗之容量百分比估測結果圖。

圖24為本發明之一充電實驗之容量百分比估測誤差圖。

圖25為本發明之一放電實驗波形圖。

圖26為本發明之一放電實驗之容量百分比估測結果圖。

圖27為本發明之一放電實驗之容量百分比估測誤差圖。

請參照圖1，其為本發明之可擴充模組化電池容量估測系統之一實施例示意圖。如圖1所示，該可擴充模組化電池容量估測系統具有一母板100、至少一子板110以及一人機介面120。

母板100具有一第一數位控制器101，該第一數位控制器101可由一微處理器實現。

至少一子板110，各具有至少一差動放大器111、一電流感測器112、一溫度感測器113、一第二數位控制器114以及一第三數位控制器115。所述至少一差動放大器111係用以擷取一串聯鋰離子電池模組200之各電池單元的單元輸出電壓(V₁,V₂,V₃,V₄…)，該電流感測器112係用以感測流經該串聯鋰離子電池模組200之串聯電流，該溫度感測器113係用以感測該串聯鋰離子電池模組200之操作溫度，該第三數位控制器115係藉由一UART(通用非同步收發傳輸)介面與該第二數位控制器114互相通信，及藉由一CAN Bus(控制器區域網路匯流排)介面與該第一數位控制器101互相通信，以將該第二數位控制器114所讀取的各所述單元輸出電壓、該串聯電流及該操作溫度的資訊傳送至該第一數位控制器101。另外，該第二數位控制器114與該第三數位控制器115皆可由一微處理器實現或整合在同一微處理器中。

人機介面120係藉由一RS232介面由該第一數位控制器101獲得各所述單元輸出電壓、該串聯電流及該操作溫度以進行一監控程序及一電池容量估測程序，其中，該電池容量估測程序包括在一充電/放電模式中使用一庫倫積分法累積充/放電電量，以及在一休息模式中以一所述電池單元之開路電壓代入所述開路電壓和一電池容量百分比之一關係式中以估測出一電池容量。另外，該休息模式可進一步包括利用該串聯電流與一電池內阻之乘積修正該開路電壓之步驟以提高估測精準度，且該人機介面可進一步具有發出過壓警告、欠壓警告、過流警告及過溫警告之功能。

以下將說明本發明的原理：

容量估測系統之硬體架構：

本發明之可擴充式電池容量估測系統係分別將電池電壓、溫度、電流進行取樣後，透過通訊介面傳送至電腦端經由人機介面顯示並計算出電池容量，並同時監控電池過充、過放、過流、過溫等情況，如有異常即發出警告訊號。

設計規格與取樣電路：

取樣電路包含電池電壓、電池組電流以及電池組溫度取樣，本發明設計之取樣電路參數規格如下：測試電池規格：本發明選用的測試電池為PANASONIC公司所推出的NCR18650B鋰離子電池，PANASONIC公司所提供之電池規格表如表1所示。

表1.NCR18650B規格

各項數據量測範圍：

電池數量：以4串電池為一模組

可量測電池電壓範圍：0V~5V

可量測電池電流範圍：0A~10A

可量測電池溫度範圍：0℃~55℃

保護機制：

過充電壓保護：4.25V

過放電壓保護：2.8V

過充電流保護：3.4A

過放電流保護：6.8A

過溫保護：55℃

電流取樣電路：

圖2所示為本發明所採之一電池電流取樣電路示意圖。本發明使用LEM公司所生產之HX-10P霍爾元件量測電流。LEM公司推出之HX-XXP電流感測器可將流過的雙向額定電流轉換成正負4伏特的電壓訊號，以本發明使用之HX-10P為例，假設流過電流為正向4安培，經過霍爾元件轉換出來的電壓值即為1.6伏特。由於電池會有充電及放電兩種可能性，因此霍爾元件轉換出來的數值也會有正有負，因此，必須將霍爾元件轉換之電壓值先以加法器加上4伏特之後，電壓訊號範圍變成0至8伏特，接著再將電壓訊號的最大值縮小至類比/數位轉換器的滿額值，如此一來便不需要視充、放電情形調整電路，也不會有負電壓出現。

電壓取樣電路：

本發明所採之一電壓取樣電路如圖3所示。各電池單元之電壓進入差動放大器轉換成電壓訊號(V₁~V₄)後，再進入MCU內部之類比/數位轉換器進行轉換。本發明之電池組是以串聯的方式結合，如果單純連接各電池單元進入類比/數位轉換器，會因為各電池單元的負端共地的關係造成電池間短路，電池會損壞並有爆炸的可能性，因此本發明於類比/數位轉換器與電池組之間設計差動放大器以避免上述危險發生。

溫度取樣電路：

本發明選用Analog Devices推出之AD590溫度傳感器進行溫度取樣，其溫度感測範圍為-55℃至150℃，輸出電流與溫度呈線性關係，每上升1°K便增加1μA電流。圖4為本發明所採之一電池溫度取樣電路示意圖。如圖4所示，AD590本身為一電流源，因此將AD590負端接一電阻便可使其電流轉換成對應的電壓訊號，又為了避免進入類比/數位轉換器時產生負載效應，因此在AD590輸出端加上一級電壓隨耦器，如此一來即可避免AD590因為負載效應所產生的錯誤電壓訊號。

通訊介面電路：

電池容量估測系統需要處理大量數據的更新與傳送，因此通訊介面的選擇顯得相當重要，由系統架構圖可知，本發明根據不同應用所採用的通訊方式有CAN Bus以及RS-232(UART)，選擇原因如下：電池容量估測系統在不同狀況下會因為電池數量不同而必須增、減通訊子板的數量，且資料也須持續更新，因此必須選擇匯流排型式以及可即時通訊的介面，而CAN Bus為匯流排型式，其節點可擴充且通訊距離遠，通用及安全性高，因此本發明使用CAN Bus作為母板及子板之間的通訊介面。

在取樣板及CAN Bus通訊子板之間，由於為點對點傳輸，通訊距離短，因此本發明選擇以簡單UART(通用非同步收發傳輸)介面作為取樣板及子板之間的通訊介面。

使用者電腦一般具有串列通訊接頭(COM PORT)，因此本發明選用RS-232作為電腦人機介面與CAN Bus通訊母板之間的通訊介面。

RS-232通訊協定使用全雙工的工作模式，在線路配置上傳送與接收都是由獨立的線路來負責，加上參考地線，至少需要3條線進行傳輸。圖5為RS-232電壓準位轉換示意圖，圖中MCU(微控制器)之UART邏輯0與邏輯1電壓準位分別為0V以及3.3V；而RS-232端的邏輯電壓準位為±3V~15V之間，又RS-232採用負邏輯定義，資料進入到電腦端之前，內部會先經過一級反向電路，因此MCU之UART傳送資料進電腦端之前，必須先經過轉換電壓準位之晶片使資料符合RS-232規格。

控制器區域網路匯流排(CAN Bus)之傳送位元只有0(隱性，Recessive)與1(顯性，Dominate)的狀態，主要依靠兩條線路：CAN_H(高電位訊號)以及CAN_L(低電位訊號)。在ISO 11898標準中，當CAN_H與CAN_L都等於2.5V時，位元值設定為1；當CAN_H上升至3.5V而CAN_L下降至1.5V，位元值設定為0，如圖6所示。CAN Bus的電路設計上，具體規範在其網路起始點與結束點，都必須在CAN_H及CAN_L之間加上120Ω之終端電阻，其功用為偵錯，若兩端測得60Ω為正常值，若兩端測得120Ω，則表示主線上的某一端開路。而在通訊上，各節點發送CAN資料封包須透過CAN收發器送至CAN匯流排中，本發明選用Microchip公司所生產之MCP2551 CAN收發器，其符合ISO 11898規範，信號使用差動電壓傳送。本發明CAN Bus硬體電路如圖7所示，其中MCU之C1TX及C1RX接至CAN收發器的TXD及RXD端，經過轉換後再將其接至匯流排CAN_H及CAN_L上，因此基本上CAN Bus通訊只需要兩條銅絞線作為匯流排的主線，其他節點只要搭在主線上即可正常通訊。

電池容量估測系統之韌體架構：

本發明根據不同通訊介面而選用不同微控制器，在CAN Bus通訊板部分，選用Microchip公司所生產之dsPIC33FJ64GP802微控制器作為核心控制器，其主要扮演資料溝通的角色；而取樣板則選用dsPIC33FJ16GS502微控制器，其主要負責與CAN Bus通訊MCU之間的溝通以及取樣資料運算等功能。

系統程式流程：

依照控制情況不同可分為子板之取樣、CAN Bus通訊程式以及母板之CAN Bus通訊三種系統程式。

取樣系統程式：取樣電路使用dsPIC33FJ16GS502作為主控制器，其類比/數位轉換器為10位元解析度，取樣頻率設定為200kHz。Timer2設定為每25毫秒中斷一次，其作為類比/數位轉換器之轉換觸發源，而通道0至通道5分別為溫度、電流及電池1至電池4電壓，取樣轉換後經過64次平均，再利用UART送至dsPIC33FJ64GP802，程式流程圖如圖8所示。

CAN Bus通訊子板系統程式：CAN Bus通訊子板使用dsPIC33FJ64GP802作為主控制器，圖9為CAN Bus通訊子板系統程式流程圖，MCU透過UART接收取樣控制器傳送的電池資訊後，將其存放至DMA RAM當中等待CAN Bus母板傳送的RTR訊號，一旦接收到RTR訊號，控制器會在判斷CAN Bus的遮罩及濾波器後，再配對ID以檢查此RTR訊號是否為本子板所匹配之遠端遙控訊號，如為真便將電池資訊透過DMA RAM傳送至CAN Bus通訊母板端。

CAN Bus通訊母板系統程式：CAN Bus通訊母板亦使用dsPIC33FJ64GP802作為主控制器，圖10為CAN Bus通訊母板系統程式流程圖，Timer1設定0.4秒中斷一次，累積2秒後依據不同子板的ID，傳送相對應的RTR訊號，子板接收到RTR訊號後會回傳對應的電池資訊，此時母板再透過DMA接收至暫存器內。確定子板全數的電池資訊都接收完成後，母板會利用RS-232通訊傳送電池資訊至電腦端以LabVIEW人機介面顯示。

容量估測方法：

本發明容量估測方法使用修正型之開路電壓法搭配庫倫積分法(Coulomb Counting Method)，實現上選擇使用LabVIEW內之Mathscript模組，首先針對容量估測法的建表條件及程式流程進行說明。

開路電壓及電池內阻與容量百分比之關係：

本發明電池充、放電實驗皆使用BioLogic公司所生產之VSP恆電位/恆電流儀器並利用EC-Lab軟體進行實驗，整體運作架構如圖11所示。EC-Lab可進行定電流充/放電、定電壓充電、恆電位交流阻抗量測等測試。本發明電池測試部分包含開路電壓對容量百分比的關係以及電池直流內阻對容量百分比的關係，開路電壓對容量百分比的關係用於容量估測法之休息狀態，本方法定義充放電電流低於0.05C以下即為休息狀態，而在休息狀態時可直接利用測得之電壓對應找出容量百分比。直流內阻對容量百分比關係用於兩個部分：第一部分用於休息狀態時，由於本方法設定之休息狀態可能還存在著一小電流(<0.05C)，因此內阻在此即為修正因子，會將測得電壓修正至近似開路電壓再利用其對應出容量百分比；第二部分則是用在剩餘容量估測，本方法以當前負載電流作為依據進行電壓模擬直到電池電壓達到截止電壓，而內阻即用以修正實際電壓。

開路電壓對容量百分比的關係：以0.5C定電流充電至4.2V，再以4.2V定電壓充電至充電電流小於20mA(充飽電池)，之後以每1%容量，0.5C放電電流為單位放電後，再休息1.5小時取其開路電壓，所獲得之關係曲線如圖12所示。

電池直流內阻對容量百分比的關係：直流阻抗部分使用HIOKI公司所生產之HIOKI 3561電池內阻測試機，直流阻抗表如表2所示。

容量估測：

本發明容量估測法為修正型開路電壓法，一開始將測得之端點電壓經過修正後得到一近似開路電壓後，送入曲線擬合函數而得出初始容量百分比，電池容量0%至20%之擬合使用sin加總函數模型，而電池容量20%至100%則使用多項式函數擬合，公式(1)與公式(2)分別為電池容量20%至100%與0%至20%應用之數學模型，其中V_OC為開路電壓，SOC為電池容量百分比；表3與表4為擬合係數，擬合結果如圖13及圖14所示。由圖中可看出使用曲線擬合逼近其與真實容量百分比還是存在誤差，因此先使用曲線擬合在0%至100%內找出相近之容量百分比後，再利用內插法修正誤差。

SOC(V _OC)=a×V _OC ²+b×V _OC+c (1)

SOC(V _OC)=a1×sin(b1×V _OC+c1)+a2×sin(b2×V _OC+c2)+a3×sin(b3×V _OC+c3) (2)

本發明容量估測設定為兩秒執行一次，流程圖如圖15所示，程式一開始會先判斷是否為第一次進入演算法，如為真則進行建表、初始化參數及計算初始容量，而後會以電流大小為模式判斷基準，如為充電模式或放電模式則進行庫倫積分。剩餘容量估測是利用當前負載電流為依據，判斷使用者如以此放電電流放電至截止電壓時，尚可提供多少容量，其影響因素有放電電流、電池內阻以及設定之截止電壓。圖16為剩餘容量估測之程式流程圖，程式一開始會將當前容量百分比作為初始容量百分比，而後每2%作為一個階段模擬，每一階段皆會判斷是否達到截止電壓，如為否則進行至下一階段，如為是則將此刻模擬之容量百分比視為結束容量百分比，再利用初始及結束容量百分比之差乘以總電量，即得出當前剩餘容量。

更新內阻主要為校正電池因老化或其他因素影響而使得內阻上升的情況，也可以避免初始化建表與實際使用上的誤差，其動作時機為放電末端。圖17為更新內阻之程式流程圖。本估測法內阻表建立條件為容量百分比20%至100%間以每5%為一階段，0%至20%間以每2%為一階段，因此更新內阻的時機點扣除0%及100%總共會有25點，更新內阻程式一開始會判斷電池目前是否在這25點上，如為真，則利用當前測得電壓扣除當前容量百分比所對應之開路電壓之值除以當前電流，即得到修正後之內阻，將其寫入內阻對容量百分比表即完成更新內阻程式。

如負載電流小於±0.05C則進入休息模式副程式，流程圖如圖18所示。程式一開始會先判斷是否從放電模式進入休息模式，如為真便計算剩餘容量及容量百分比，並估測電池以目前使用狀況尚可使用之時間。由於電池不論是從充電或放電轉態為休息狀態時，都必須等待電池化學反應使測得之電壓趨近於開路電壓，因此本發明設計進入休息模式30分鐘後再以每100秒為單位利用電壓換算出本階段之初始容量，而換算初始容量是利用測得之電壓代入擬合函數後找出近似之初始容量後，再以內插法校正而得出真正初始容量。

監控介面：

本發明使用National Instruments公司所推出之LabVIEW圖形化系統設計軟體來編寫監控介面以顯示電池參數及波形，並同時輸出成Excel檔記錄電壓、電流、溫度、容量百分比等參數的變化。人機介面顯示部分分為三個分頁，分別為電池組狀態、各電池單元狀態以及各電池單元內阻與開路電壓對容量百分比關係表。電池組狀態包括1組電池組電壓、1 組電池組溫度、1組電池組電流之數值及波形、電池組容量百分比與剩餘容量以及當前負載尚可使用時間等資訊。各電池單元狀態顯示資訊包括4組電池單元電壓之數值及波形、各電池單元運算後之開路電壓及剩餘容量。各電池單元內阻與開路電壓對容量百分比關係表記錄在最後一個分頁，容量估測方法會透過不同狀況來更改電池內阻，因此本系統將內阻與容量百分比關係表顯示於人機介面上以供使用者觀察電池內阻變化情形。統設定為每2秒存取電池及容量估測法資訊，電池資訊包括即時日期與時間、4組電池單元電壓、1組電池組電壓、1組電池組電流以及1組電池組溫度，而演算法資訊則記錄即時日期與時間、4組電池單元容量百分比與剩餘容量以及1組電池組容量百分比與剩餘容量，兩者儲存路徑可從電池組狀態分頁中選擇。

圖19為電池組資訊頁面，其顯示電池組資訊包括總電壓及電流數值與波形、電池溫度、累積充放電容量、總容量百分比、剩餘容量與當前負載可使用時間以及電池狀態，左下角為RS-232輸入埠設定，右半面從上到下分別為電池與容量演算法資訊儲存路徑選擇、警告號誌顯示以及各參數校正，本發明儲存檔案以Excel之逗點分隔檔為主；警告號誌分為五種，各電池單元過壓及欠壓警告、電池組過溫警告、電池組放電過流警告以及電池組充電過流警告；參數校正功能則是為了調整及適應不同電池使用狀況。

圖20為各電池單元資訊頁面，其顯示之各電池單元資訊包括各電池單元電壓數值及波形、各電池單元容量百分比及剩餘容量以及各電池單元修正後開路電壓。圖21為內阻及開路電壓表頁面，其顯示資訊包括各電池單元0%至20%與20%至100%之內阻表以及0%至20%與20% 至100%之開路電壓表，而在演算法執行過程中會根據電池使用及老化狀況更新內阻，更新後數值會立即顯示於此頁面。

實驗結果與驗證：

鋰離子電池參數估測精確度驗證：

本估測系統之取樣數據分別為電池組溫度、電池組電流以及各電池單元電壓，本發明使用之類比/數位轉換器皆為dsPIC33FJ16GS502內部之類比/數位轉換器，其解析度為10位元。對照組使用固緯公司所生產之GDM-8342數位電錶以及Fluke公司所生產之熱影像儀Ti 105作為量測電流、電壓及溫度之儀器。GDM-8342之電壓精確度為0.002%，電流精確度為0.002%；Ti 105之溫度精確度為2%。表5為電壓與溫度量測結果，表6為電池組電流量測結果，其中充、放電電流由0.1C至1C取不同間隔測量，由表可知電壓精確度可達99.94%，電流部分除了小電流範圍誤差較大之外(2.4%~4.8%)，精確度可達99.78%以下，溫度精確度則可達96.99%。

表6. 電流測量結果

鋰離子電池容量估測精確度驗證：

本發明設計不同充、放電波形(包含休息模式)以驗證不同充、放電情況下容量估測系統之精確度。圖22為充電實驗波形，表7及表8為充電實驗之容量百分比與累積容量測試結果及誤差表，其中誤差值為實測值減去理論值，圖23與圖24為充電實驗之容量百分比估測與誤差圖。

由充電實驗之實驗圖表中可知，一開始待測電池的容量百分比應在15%，但實測結果落在16.3%至16.8%之間，其原因可能為待測電池在放電至15%後經過了一天的靜置時間因而產生誤差；而就庫倫積分法而言，在電流持續變動的部分誤差較大達-83.92C(-0.69%)，但在定電流充電部分誤差可控制小於-26C(-0.21%)以下。

圖25為放電實驗波形，表9及表10為放電實驗之容量百分比與累積容量測試結果及誤差表，圖26與圖27為放電實驗容量百分比估測結果及誤差圖。由放電實驗之實驗圖表中可知，誤差較大的部分出現在休息模式，在放電末端誤差最大來到2.42%，而庫倫積分法部分誤差則落在8.8C(0.07%)至-16.3C(-0.13%)之間。

鋰離子電池剩餘容量估測精確度驗證：

本發明容量估測法除了估測電池之容量百分比外，還會以當前負載電流為基準，計算電池之剩餘容量。本發明設計將電池充飽後，以0.5C及0.6C之放電電流作測試，而容量估測法在進入放電模式後會計算出剩餘容量與使用時間，之後將電池以此放電電流持續放電，直到電池組當中有電池低於截止電壓(本發明設定為2.8V)，計算整個放電過程與容量估測法之計算結果比較以驗證剩餘容量估測精確度。表11與表12為以0.5C及0.6C作為負載電流之剩餘容量驗證結果，由於容量估測法具有更新內阻之功能，因此本驗證實驗將比對使用原內阻與使用更新後內阻之估測結果。由表可知，兩組實驗在使用原內阻之結果與實際使用情形相差較大，估測使用時間與實際放電時間相差8分鐘左右，而使用更新後內阻之估測使用時間與實際放電時間可將誤差縮小至2分鐘以內。

結論：

本發明鋰離子電池容量估測系統利用MCU內部之10位元類比/數位轉換器搭配周邊電路進行電池參數取樣，本發明系統於電壓取樣精確度方面可達到99.94%，而電流取樣除小電流外，精確度可達99.78%，溫度取樣精確度可達96.99%。容量估測方面，雖然開路電壓法在初始容量估測方面會有2%~3%之誤差，但在下一個休息階段，開路電壓法造成的誤差則縮小在1.5%之內；而庫倫積分法造成的誤差則落在0.13%~0.96%之間。而以剩餘容量估測之使用時間經由更新後內阻修正後，與實際使用時間之誤差小於兩分鐘以內。人機介面規劃上使用分頁顯示使其具人性化及易讀的優點，而本發明之人機介面也可自動偵測電池異常現象並發出警告，並且以Excel檔記錄電池以及容量估測資訊以利使用者檢查及存檔。

本發明所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本發明之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本發明之專利權範疇。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。