TWI636272B - Battery monitoring system - Google Patents

Abstract

本發明一種蓄電池監控系統，其包含一放電控制電路、一擷取電路與一處理器，放電控制電路於一第一放電階段依據一第一放電電流控制電池放電，而電池具有一第一放電電壓，且於一第二放電階段依據一第二放電電流控制電池放電，而電池具有一第二放電電壓；擷取電路分別擷取電池的第一放電電壓與第二放電電壓；處理器依據第一放電電流、第二放電電流、第一放電電壓與第二放電電壓運算出電池內部的一等效化學反應電壓或/及一等效阻抗。本發明對電池進行實載放電監測，以依據放電電流與電池之放電電壓運算出電池內部的等效化學反應電壓或/及等效阻抗。

Description

蓄電池監控系統

本發明係有關於一種監控系統，尤指一種蓄電池監控系統。

按，電池在現今時代中扮演著一個非常重要的角色，無論是對於一般民眾而言或者是現代工業而言，對於現代高科技工業而言尤為重要。現代高科技工業為了維持提供穩定電源至儀器或者設備，其會使用靜態式不斷電系統（Static Uninterruptible Power System, S-UPS）克服電力擾動問題。靜態式不斷電系統必須使用電池，所以電池之狀態對於靜態式不斷電系統而言相當重要。

電池之放電能力主要取決於電池之內部的化學反應電壓與阻抗，電池經長時間使用後，電池之內部的化學反應電壓與阻抗大都會有所變化而影響電池之放電能力。基於上述管理電池之需求，陸續發展出監控系統而監控電池之狀態，習知監控系統利用交流微小訊號對電池實施交流電抗（交流阻抗）量測，而檢測電池之內部的阻抗。然而，習知監控系統之量測方法所採用之測試訊號微小，其極易受設備負載變動所干擾，且因電池之內部的正、負極板構成的等效電容在高頻下具有的導通效應，如此極易造成習知監控系統無法準確量測電池之內部的阻抗。此外，習知監控系統並無法檢測電池之內部的化學反應電壓，所以習知監控系統無法檢測出具異常化學反應電壓之電池。另外，電池組之電池與電池間之串聯，容易因鎖固不良或者連接點氧化等問題，而造成串聯路徑之阻抗過大，甚至於電池放電時，電池間之連接點產生電弧而造成高溫的危險，習知監控系統並無法量測串聯路徑之阻抗，因而無法防範串聯路徑之阻抗過大所造成之問題。

本發明之目的之一，在於提供一種蓄電池監控系統，其對電池進行實載放電監測，而依據放電電流與電池之放電電壓運算出電池之內部的等效化學反應電壓或/及等效阻抗。

本發明之目的之一，在於提供一種蓄電池監控系統，其利用實載放電監測之放電迴路等化電池之電壓。

本發明之目的之一，在於提供一種蓄電池監控系統，其可量測電池與電池間之連接路徑的阻抗。

本發明之目的之一，在於提供一種蓄電池監控系統，其於不同監測時間檢測電池並記錄電池之放電電壓、電池之內部的等效化學反應電壓或/及等效阻抗，進而產生電池狀態推移圖，以可有效管理電池之狀態。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合詳細之說明，說明如後：

本發明之蓄電池監控系統可用於監測單一電池之狀態或者電池組之狀態，電池組包含複數電池，電池組之該些電池係互相串聯。下述之說明係以本發明之蓄電池監控系統監測電池組為例，但此並非限制本發明之蓄電池監控系統僅能用於監測電池組。請參閱第一圖，其為本發明之蓄電池監控系統之一實施例的方塊圖。如圖所示，電池組包含複數電池B1、B2至Bn，每一電池B1 ~ Bn分別具有一第一端（高電位端）TH1 ~ THn與一第二端（低電位端）TL1 ~ TLn，電池B1之第二端TL1與相鄰之電池B2之第一端TH2之間具有一連接路徑P1，電池B1、B2藉由連接路徑P1而串聯。於本發明之一實施例中，連接路徑P1為導線。同理，電池B2之第二端TL2與相鄰之電池B3（圖未示）之第一端之間具有一連接路徑P2，電池B2、B3藉由連接路徑P2而串聯。由上述可知，該些電池B1 ~ Bn-1（圖未示）之第二端TL1 ~ TLn-1（圖未示）與其相鄰電池B2 ~ Bn之第一端TH2 ~ THn之間分別具有連接路徑P1 ~ Pn-1，而串聯該些電池B1 ~ Bn。

復參閱第一圖，本發明之蓄電池監控系統包含一處理器10、一放電控制電路20、一切換電路30與一擷取電路40。切換電路30耦接放電控制電路20與該些電池B1 ~ Bn之第一端TH1 ~ THn、第二端TL1 ~ TLn，如此放電控制電路20即可經由切換電路30耦接該些電池B1 ~ Bn之其中之一電池，而進行實載放電監測，如此處理器10可以進而運算出電池B1 ~ Bn之內部的等效化學反應電壓或/及等效阻抗，實載放電監測將於後詳細說明。處理器10耦接切換電路30而控制切換電路30，以選擇該些電池B1 ~ Bn之一電池而耦接放電控制電路20。處理器10亦耦接放電控制電路20，而控制放電控制電路20對處理器10所選擇之電池進行放電。擷取電路40耦接該些電池B1 ~ Bn而擷取該些電池B1 ~ Bn的放電電壓。於本發明之一實施例中，擷取電路40可為一處理電路，例如類比數位轉換電路，以處理擷取之放電電壓為數位訊號。處理器10亦耦接擷取電路40，而接收擷取電路40輸出之訊號，以獲知該些電池B1 ~ Bn之放電電壓。以下說明本發明之實載放電監測。

電池之放電能力主要決定於電池之內部的化學反應電壓與阻抗。電池進行短時間放電結束之前，電池之放電電壓的數值為電池之內部的化學反應電壓扣除放電電流流經電池之內部的阻抗所產生之電壓降的數值，因此電池之內部的化學反應電壓與阻抗的狀態都會反應在電池進行短時間放電之放電電壓的數值。本發明之實載放電監測係對電池進行兩階段放電，本發明之蓄電池監控系統利用兩種不同放電電流依序對電池進行放電，並擷取電池於此兩放電階段之放電電壓，以依據此兩放電階段之放電電流與放電電壓運算出電池之內部的等效化學反應電壓及等效阻抗。

請一併參閱第二圖，其為本發明之蓄電池監控系統對電池進行放電監測之放電電流與電池對應之放電電壓的曲線圖。如圖所示，於第一時間t1（第一放電階段）放電控制電路20依據一第一放電電流Ia控制電池放電持續一短暫時間，放電控制電路20在第二時間t2（第二放電階段）瞬間改以依據一第二放電電流Ib控制電池放電池續一短暫時間，而於第三時間t3結束電池放電，電池在第一放電階段結束前（第二時間t2前）之放電電壓為第一放電電壓Va，電池在第二放電階段由於放電控制電路20瞬間由第一放電電流Ia改以第二放電電流Ib控制電池進行放電，因此電池於第二放電階段之放電電壓會改變，而為第二放電電壓Vb，如第二圖所示，電池之放電電壓曲線有明顯轉折。於本實施例中，由於第二放電電流Ib小於第一放電電流Ia，所以於第二放電階段時，電池之放電電壓會反彈升高，即第二放電電壓Vb大於第一放電電壓Va。於本發明之另一實施例中，第二放電電流Ib大於第一放電電流Ia，於第二放電階段時，電池之放電電壓會降低，即第二放電電壓Vb小於第一放電電壓Va。上述之第一放電電流Ia與第二放電電流Ib皆為固定電流。上述之第一放電電壓Va與第二放電電壓Vb可表示如下方程式： ……………………………（1） ……………………………（2） 其中，E表示電池之內部的化學反應電壓；R表示電池之內部的阻抗。

將上述方程式（1）乘以第二放電電流Ib而減去方程式（2）乘以第一放電電流Ia，並經整理後可得下列方程式： ……………………（3） 如此，將量測到之第一放電電流Ia、第二放電電流Ib、第一放電電壓Va與第二放電電壓Vb帶入方程式（3）即可運算出電池之內部的等效化學反應電壓E。

將上述方程式（1）減去方程式（2），並經整理後可得下列方程式： ……………………………（4） 如此，將量測到之第一放電電流Ia、第二放電電流Ib、第一放電電壓Va與第二放電電壓Vb帶入方程式（4）即可運算出電池之內部的等效阻抗R。

基於上述說明，本發明之蓄電池監控系統之處理器10控制切換電路30，而選擇該些電池B1 ~ Bn之其中之一電池而與放電控制電路20相耦接，於此實施例中，處理器10先選擇電池B1與放電控制電路20相耦接，以對電池B1進行二階段之實載放電監測，如此處理器10即可運算出電池B1之內部的等效化學反應電壓與等效阻抗。處理器10傳送一控制訊號SC至放電控制電路20，以控制放電控制電路20依序依據第一放電電流Ia與第二放電電流Ib控制電池B1進行放電，放電控制電路20起初於第一放電階段依據第一放電電流Ia控制電池B1進行放電，電池B1於此第一放電階段即具有第一放電電壓Va。擷取電路40耦接電池B1的第一端TH1與第二端TL1，而擷取電池B1之第一端TH1的端電壓BV(1+)與第二端TL1的端電壓BV(1-)，端電壓BV(1+)與端電壓BV(1-)之間的電壓差即為電池B1的放電電壓，如此擷取電路40即擷取到電池B1於第一放電階段之第一放電電壓Va。放電控制電路20依據第一放電電流Ia控制電池B1進行放電短暫時間後，瞬間改以依據第二放電電流Ib控制電池B1持續放電，電池B1於此第二放電階段即具有第二放電電壓Vb。擷取電路40同樣擷取電池B1之第一端TH1的端電壓BV(1+)與第二端TL1的端電壓BV(1-)，以擷取到電池B1於第二放電階段之第二放電電壓Vb。

承接上述，擷取電路40處理擷取之放電電壓，並產生對應之訊號至處理器10，處理器10即可得知電池B1之第一放電電壓Va與第二放電電壓Vb。如此處理器10依據上述方程式（3）與（4）即可運算出電池B1之內部的等效化學反應電壓及等效阻抗。同理，處理器10控制切換電路30依序選擇電池B2 ~ Bn而與放電控制電路20相耦接，放電控制電路20依序對該些電池B2 ~ Bn進行二階段之實載放電監測，而擷取電路40擷取該些電池B2 ~ Bn之第一放電電壓Va與第二放電電壓Vb，如此處理器10即可依據第一放電電流Ia、第二放電電流Ib、第一放電電壓Va與第二放電電壓Vb而運算出該些電池B2 ~ Bn之內部的等效化學反應電壓及等效阻抗。處理器10更耦接一主機60與一顯示單元70，處理器10控制顯示單元70，而顯示該些電池B1 ~ Bn之第一放電電壓Va之數值、第二放電電壓Vb之數值、內部等效化學反應電壓之數值及內部等效阻抗之數值，以供監控人員監控。此外，處理器10傳送該些資訊至主機60，以儲存該些電池B1 ~ Bn之該些資訊，以供長時間監控該些電池B1 ~ Bn之狀態。

復參閱第一圖，放電控制電路20包含一電流偵測器21、一放電元件22與一控制單元23。電流偵測器21具有一第一端與一第二端，第一端作為放電控制電路20之一輸入端IN，並耦接切換電路30以耦接電池B1 ~ Bn之第一端TH1 ~ THn。於本發明之一實施例中，電流偵測器21可為一阻抗元件，例如電阻。放電元件22具有一第一端D、一第二端S及一控制端G，放電元件22之第一端D耦接電流偵測器21之第二端，放電元件22之第二端S作為放電控制電路20之一輸出端OUT，並耦接切換電路30以耦接電池B1 ~ Bn之第­二端TL1 ~ TLn。此外，一二極體221耦接於放電元件22之第一端D與第二端S之間，二極體可為一本體二極體。於本發明之一實施例中，放電元件22可為一放電開關，例如電晶體，放電元件22之第一端D、第二端S與控制端G分別為一汲極端、一源極端與一閘極端，二極體221可為電晶體的本體二極體。

控制單元23受控於處理器10，並耦接放電元件22之控制端G，以導通或者截止放電元件22，控制單元23可控制放電元件22之控制端G之電壓，而控制放電元件22之導通程度，以控制流過放電元件22之放電電流，即控制電池B1 ~ Bn進行放電監測之放電電流。處理器10發送控制訊號SC至控制單元23，控制單元23依據處理器10之控制訊號SC控制放電元件22之導通程度，以控制電池B1 ~ Bn進行放電監測之放電電流。電流偵測器21串聯於放電元件22，因此電流偵測器21可分擔放電元件22之散熱功率，藉此提高放電控制電路20之放電散熱能力。由於，放電電流會流過電流偵測器21，所以電流偵測器21之第一端與第二端之端電壓即正比於流過電流偵測器21之放電電流，因此偵測電流偵測器21之第一端與第二端之端電壓即可偵測電池B1 ~ Bn之放電電流的大小。

基於上述，控制單元23耦接電流偵測器21之第一端與第二端，而偵測電流偵測器21之第一端與第二端之端電壓，以偵測電池B1 ~ Bn之放電電流，如此放電控制電路20控制電池B1 ~ Bn進行放電時，控制單元23可以得知電池B1 ~ Bn之放電電流是否相等於預計之第一放電電流或者第二放電電流，若電池B1 ~ Bn之放電電流不相等於預計之第一放電電流或者第二放電電流時，控制單元23即可調整放電元件22之控制端G的電壓，以調整電池B1 ~ Bn之放電電流。由此可知，控制單元23會依據流過電流偵測器21之放電電流控制放電元件22。此外，擷取電路40亦耦接電流偵測器21之第一端與第二端，而擷取電流偵測器21之第一端與第二端之端電壓，擷取電路40依據擷取到之兩端電壓而輸出訊號至處理器10，處理器10即可依據此兩端電壓運算出電池B1 ~ Bn進行放電監測之實際放電電流。此外，處理器10控制顯示單元70，而顯示電池B1 ~ Bn實際放電之放電電流的數值，以供監控人員監控。此外，處理器10亦傳送電池B1 ~ Bn實際放電之放電電流之數值至主機60以儲存，而供長時間監控電池B1 ~ Bn進行放電監測之放電電流。

復參閱第一圖，若放電元件22為電晶體，電晶體之導通與截止主要是決定於電晶體之閘極端（控制端G）與源極端（第二端S）間之電壓差。由於電流偵測器21耦接於放電元件22之第一端D，即耦接於電晶體之汲極端，因此電流偵測器21之電壓降並不會影響控制單元23控制放電元件22之導通，即不需額外考量電流偵測器21之電壓降而額外增加提供至放電元件22之閘極端的電壓，如此電池B1 ~ Bn進行放電監測時，電池B1 ~ Bn之第一端TH1 ~ THn與第二端TL1 ~ TLn分別耦接控制單元23，而可以提供電壓至控制單元23，以作為控制單元23導通放電元件22所需之電壓，因此本發明之蓄電池監控系統可以不需額外電源供應器提供電壓至控制單元23，而可簡化電路，以達到降低成本與提高穩定度之目的。

復參閱第一圖，處理器10包含一微處理電路11與一記憶單元13，微處理電路11耦接控制單元23，並發送控制訊號SC至控制單元23。微處理電路11亦耦接擷取電路40，而接收擷取電路40輸出之訊號，以得知電池B1 ~ Bn進行放電監測之放電電壓與放電電流，如此即可運算出電池B1 ~ Bn之內部的等效化學反應電壓與等效阻抗。記憶單元13耦接微處理電路11，且儲存微處理電路11運作所需之相關程式與資訊。微處理電路11更耦接主機60與顯示單元70，微處理電路11傳輸電池B1 ~ Bn之資訊至主機60而儲存此資訊，微處理電路11控制顯示單元70顯示電池B1 ~ Bn之資訊。此外，微處理電路11更可儲存電池B1 ~ Bn之資訊於記憶單元13。

復參閱第一圖，切換電路30包含複數開關組S1 ~ Sn，該些開關組S1 ~ Sn分別對應於該些電池B1 ~ Bn，並分別耦接於該些電池B1 ~ Bn與放電控制電路20之間，每一開關組S1 ~ Sn個別皆包含一第一開關SH1 ~ SHn與一第二開關SL1 ~ SLn，第一開關SH1 ~ SHn耦接於對應之電池B1 ~ Bn的第一端TH1 ~ THn與放電控制電路20的輸入端IN之間，第二開關SL1 ~ SLn耦接於對應之電池B1 ~ Bn的第二端TL1 ~ TLn與放電控制電路20的輸出端OUT之間。處理器10之微處理電路11控制每一開關組S1 ~ Sn之第一開關SH1 ~ SHn與第二開關TL1 ~ TLn以形成一放電迴路。

以下舉例說明處理器10如何控制該些開關組S1 ~ Sn，以形成放電迴路。若處理器10欲選擇電池B1與放電控制電路20相耦接，以形成放電迴路進行放電監測時，處理器10控制開關組S1之第一開關SH1 與第二開關SL1導通，且控制其餘開關組S2 ~ Sn之第一開關SH2 ~ SHn與第二開關SL2 ~ SLn截止。如此，電池B1之第一端TH1經開關組S1之第一開關SH1而耦接放電控制電路20的輸入端IN，電池B1之第二端TL1經開關組S1之第二開關SL1而耦接放電控制電路20的輸出端OUT，而形成放電迴路。同理，處理器10欲選擇電池Bn與放電控制電路20相耦接，以形成放電迴路進行放電監測時，處理器10導通開關組Sn之第一開關SHn 與第二開關SLn，且截止其餘開關組S1 ~ Sn-1（圖未示）之第一開關SH1 ~ SHn-1（圖未示）與第二開關SL1 ~ SLn-1（圖未示）。由上述說明可知，本發明之蓄電池監控系統具有複數放電迴路，該些放電迴路分別對應於該些電池B1 ~ Bn。

承接上述，處理器10控制該些開關組S1 ~ Sn，而選擇欲進行放電監測之電池後，即欲進行放電監測之電池已與放電控制電路20耦接而形成放電迴路，處理器10輸出控制訊號SC至控制單元23，控制訊號SC可包含進行放電監測之放電電流的數值，即預定之第一放電電流之數值與第二放電電流之數值，控制單元23即依據控制訊號SC控制放電元件22之導通程度，以讓進行放電監測之電池的放電電流達到預定之第一放電電流之數值與第二放電電流之數值。完成放電監測後，處理器10再次輸出控制訊號SC至控制單元23，此控制訊號SC用於控制控制單元23截止放電元件22，即控制電池停止放電。此時，處理器10亦控制該些開關組S1 ~ Sn皆截止。若欲接續對其餘電池進行放電監測，處理器10則控制該些開關組S1 ~ Sn，而選擇接續欲進行放電監測之電池，且重覆進行上述動作。如此，本發明之蓄電池監控系統則可以依序對所有電池進行放電監測。

復參閱第一圖，於此實施例中，對應於電池B1之開關組S1的第二開關SL1係耦接於電池B1所相鄰之電池B2的第一端TH2，由於電池B1之第二端TL1經由連接路徑P1而耦接電池B2之第一端TH2，所以開關組S1的第二開關SL1經由連接路徑P1而耦接電池B1之第二端TL1，即放電控制電路20經由開關組S1之第二開關SL1與連接路徑P1而耦接電池B1之第二端TL1。電池B1進行放電時，放電電流會從電池B1之第一端TH1流出，放電電流並流經開關組S1之第一開關SH1而流入放電控制電路20之輸入端IN，放電電流依序流過電流偵測器21、放電元件22之第一端D與第二端S而從放電控制電路20之輸出端OUT流出，接著放電電流流過開關組S1之第二開關SL1和連接路徑P1而流回電池B1之第二端TL1。同理，對應於電池B2之開關組S2的第二開關SL2係耦接於電池B2所相鄰之電池B3（圖未示）的第一端TH3（圖未示），開關組S2的第二開關SL2經由連接路徑P2而耦接電池B2之第二端TL2，如此電池B2進行放電時，放電電流會流過連接路徑P2而流回電池B2之第二端TL2。基於上述可知，除了開關組Sn之外，開關組S1 ~ Sn-1（圖未示）之第二開關TL1 ~ TLn-1耦接於對應之電池B1 ~ Bn-1（圖未示）所相鄰之電池B2 ~ Bn的第一端TH2 ~ THn與放電控制電路20的輸出端OUT之間。

承接上述，由於電池B1 ~ Bn-1（圖未示）進行放電監測時，放電電流會流過連接路徑P1 ~ Pn-1，如此連接路徑P1 ~ Pn-1之兩端即會產生電壓降，如此依據連接路徑P1 ~ Pn-1之電壓降與流過連接路徑P1 ~ Pn-1之放電電流即可運算出連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗，連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗可表示如下： ………………………………（5） 其中，CR表示連接路徑的阻抗；CV表示連接路徑之兩端的電壓降；I表示流經連接路徑之放電電流。

基於上述監測連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗CR的方式，電池B1 ~ Bn進行二階段之放電監測時，擷取電路40可於第一放電階段與第二放電階段擷取連接路徑P1 ~ Pn-1之電壓降，處理器10依據方程式（5）即可運算出連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗CR，例如，擷取電路40於電池 B1進行放電監測時，擷取電路40擷取電池B1之第二端TL1的端電壓BV(1-)與電池B2之第一端TH2的端電壓BV(2+)，端電壓BV(1-)與端電壓BV(2+)之間的電壓差即為連接路徑P1的電壓降，如此擷取電路40即擷取到連接路徑P1的電壓降。連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗CR可表示如下： ………………………………（6） ………………………………（7） 其中，CVa表示於第一放電階段時連接路徑P1 ~ Pn-1之兩端的電壓降；CVb表示於第二放電階段時連接路徑P1 ~ Pn-1之兩端的電壓降。處理器10基於上述方程式（6）依據相鄰之兩電池B1 ~ Bn之連接路徑P1 ~ Pn-1於第一放電階段的電壓降CVa與第一放電電流Ia即可運算出連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗，處理器10亦可基於上述方程式（7）依據相鄰之兩電池B1 ~ Bn之連接路徑P1 ~ Pn-1於第二放電階段的電壓降CVb與第二放電電流Ib即可運算出連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗。

依據方程式（6）與（7）可得下列方程式： ……………………………（8） 處理器10基於上述方程式（8）依據相鄰之兩電池B1 ~ Bn之連接路徑P1 ~ Pn-1於第一放電階段與第二放電階段的電壓降CVa、CVb、第一放電電流Ia與第二放電電流Ib即可運算出連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗。此外，處理器10控制顯示單元70，而顯示連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗的數值，以供監控人員監控。此外，處理器10亦傳送連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗的數值至主機60，以儲存連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗的數值，以供長時間監控連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗。

參閱上述方程式（3）、（4）與（8）可知，方程式（3）、（4）與（8）皆包含兩量測電壓（第一放電電壓Va、第二放電電壓Vb、電壓降CVa、電壓降CVb）相減運算，因此處理器10依據上述方程式（3）、（4）與（8）運算出電池B1 ~ Bn之內部的等效化學反應電壓與等效阻抗以及相鄰電池B1 ~ Bn間之連接路徑P1 ~ Pn-1的阻抗時，可藉由兩量測電壓之相減運算而消除或降低量測之零點偏移誤差，如此可提升監測電池B1 ~ Bn之內部的等效化學反應電壓與等效阻抗以及連接路徑P1 ~ Pn-1之阻抗的準確度。

復參閱上述方程式（1），電池B1 ~ Bn進行短時間放電之放電電壓受兩項因素所影響，第一項因素為電池B1 ~ Bn之內部的化學反應電壓，第二項因素為放電電流流過電池B1 ~ Bn之內部的阻抗所造成之電壓降。由於本發明之蓄電池監控系統對電池B1 ~ Bn進行放電監測時，電池B1 ~ Bn係以固定之第一放電電流與第二放電電流進行放電監測，所以依據方程式（1）可知，只要記錄電池B1 ~ Bn進行放電監測之放電電壓（第一放電電壓或者第二放電電壓）、電池B1 ~ Bn之內部的等效化學反應電壓以及電池B1 ~ Bn之內部的等效阻抗三者之其中兩者，即可依據方程式（1）運算出第三者。換言之，只要利用此三者之其中兩者作成電池B1 ~ Bn之電氣特性分佈圖，即可掌握電池B1 ~ Bn之放電電氣特性。

本發明之蓄電池監控系統可用於長時間監控電池B1 ~ Bn，其可定期對電池B1 ~ Bn進行放電監測，且處理器10會記錄電池B1 ~ Bn每次進行放電監測而獲得之資訊，例如放電電壓（第一放電電壓與第二放電電壓）、電池B1 ~ Bn之內部的等效化學反應電壓與等效阻抗以及相鄰電池B1 ~ Bn間之連接路徑的阻抗。換言之，處理器10會紀錄於不同監測時間監測電池B1 ~ Bn所得之資訊。處理器10可藉由所記錄之電池B1 ~ Bn之放電電壓（第一放電電壓或者第二放電電壓）與電池B1 ~ Bn之內部的等效阻抗，而產生一電池狀態推移圖，而了解電池B1 ~ Bn之特性的變化，以判斷電池B1 ~ Bn是否有所異常。

請一併參閱第三A圖，其為本發明之電池狀態推移圖，其縱軸為電池之內部的等效阻抗而橫軸為放電電壓。第三A圖係繪示電池B1 ~ B4於四個不同監測時間進行放電監測所得之第一放電電壓與電池B1 ~ B4之內部的等效阻抗，每個圖形表示一顆電池，不同電池係用不同圖形表示。如圖所示，表示電池B1 ~ B3之圖形隨著使用時間增加而往左上角移動，其表示電池B1 ~ B3之內部劣化而造成電池B1 ~ B3之內部的等效阻抗增加，且放電電壓也降低，這種狀況通常為極板腐蝕或反應物劣化，其並無法修復，所以電池B1 ~ B3需要汰換。此外，電池 B4之內部的等效阻抗並未增加太多，其狀態正常，所以不需汰換。另外，如第三B圖所示，當表示電池B1 ~ B4之圖形隨著使用時間增加而概略往左方水平移動時，其表示電池B1 ~ B4之內部的等效阻抗變化不大，即電氣導通特性無劣化，但放電電壓降低。由方程式（1）可知，在阻抗變化不大的狀況下，放電電壓降低是由電池B1 ~ B4之內部的化學反應電壓降低所造成，所以第三B圖顯示電池B1 ~ B4之內部的化學反應電壓劣化，這種狀況通常是因為電池B1 ~ B4之內部具微短路或者充電不足而造成化學反應電壓降低，這種電池B1 ~ B4通常經過補充電能或者均勻充電修復即可回復正常狀態，也就是表示電池B1 ~ B4之圖形會往右平移回到安全狀態區。

為了便於監控人員區分電池之狀態屬於安全、注意或者危險，本發明之電池狀態推移圖可具有三個狀態區，其分別可為一安全狀態區91、一注意狀態區93與一危險狀態區95。若電池之狀態位於安全狀態區91內，其表示電池之狀態為良好而處於安全狀態；若電池之狀態位於注意狀態區93，其表示電池之狀態並非良好而需要多加追蹤注意；若電池之狀態位於危險狀態區95，其表示電池之狀態劣化而需要汰換或者修復此電池。本發明可依據實驗或者經驗劃分電池狀態推移圖之三個狀態區91、93、95。本發明藉由在電池狀態推移圖劃分安全狀態區91、注意狀態區93與危險狀態區95，讓監控人員依據電池分佈於安全狀態區91、注意狀態區93與危險狀態區95之狀況即可分析與管理電池之狀態，如此相當於視覺化電池的劣化程度、劣化數量、劣化原因等，而易於監控人員分析與管理。監控人員經由多次歷史記錄資料的推移，觀察表示電池之圖形的移動速度、離安全狀態區91與注意狀態區93間之界線的距離、離注意狀態區93與危險狀態區95間之界線的距離，即可推估電池之剩餘可使用之壽命時間，而可達到預知管理電池之目的。於本發明之一實施例中，電池狀態推移圖可僅包含安全狀態區91、注意狀態區93與危險狀態區95中之兩狀態區。

請一併參閱第四A圖，其為本發明之另一電池狀態推移圖，第四A圖之電池狀態推移圖不同於第三A圖之電池狀態推移圖，第四A圖之電池狀態推移圖之縱軸為電池之內部的等效阻抗，橫軸為電池之內部的等效化學反應電壓。第四A圖係由處理器10藉由所記錄之電池B1 ~ B4之內部的等效阻抗與等效化學反應電壓所產生之電池狀態推移圖。第四A圖係繪示電池B1 ~ B4於四個不同監測時間進行放電監測所得之電池B1 ~ B4之內部的等效阻抗與等效化學反應電壓。如圖所示，表示電池B1 ~ B3之圖形隨著使用時間增加而往左上角移動，其表示電池B1 ~ B3之狀態為內部阻抗劣化，通常無法修復，所以電池B1 ~ B3需要汰換。此外，電池 B4之內部的等效阻抗並未增加太多，所以不需汰換。第四B圖之電池狀態推移圖之縱軸亦為電池之內部的等效阻抗，而橫軸亦為電池之內部的等效化學反應電壓。如第四B圖所示，表示電池B1 ~ B4之圖形隨著使用時間增加而概略往左方水平移動，其表示電池B1 ~ B4之內部的等效阻抗變化不大，即電氣導通特性無劣化，但化學反應電壓降低，其表示電池B1 ~ B4之狀態為化學反應電壓劣化。如同前述，這種電池B1 ~ B4通常經過補充電能或者均勻充電修復即可回復，也就是表示電池B1 ~ B4之圖形會往右平移回到安全狀態區91。

由上述說明可知，本發明之蓄電池監控系統可透過對電池進行實載放電監測，而量測電池之放電電壓，進而依據放電電壓與放電電流運算出電池之內部的等效阻抗與等效化學反應電壓，而確實了解電池之狀態。當管理數量龐大之電池時，可透過電池狀態推移圖即可快速掌握為數眾多之電池的劣化程度、劣化數量及劣化原因等，如此監控人員易於監控與管理數量龐大的電池。然而，本發明之蓄電池監控系統亦可為攜帶式監控系統，用以針對單顆電池進行定期監測，以長期監控電池之狀態。本發明之蓄電池監控系統運用於此類型時，即可不需要切換電路30。

復參閱第一圖，一充電器80之兩端分別耦接第一顆電池B1之第一端TH1與最後一顆電池Bn之第二端TLn，以對電池B1 ~ Bn充電。充電器80對電池B1 ~ Bn充電時，處理器10之微處理電路11控制切換電路30之該些開關組S1 ~ Sn皆為截止，且擷取電路40擷取第一顆電池B1之第一端TH1的端電壓BV(1+)與最後一顆電池Bn之第二端TLn的端電壓BV(n-)，如此即可擷取充電器80對電池B1 ~ Bn充電之充電電壓。擷取電路40可持續擷取充電電壓，並對應所擷取之充電電壓而持續輸出訊號至處理器10，處理器10之微處理電路11可高頻取樣擷取電路40所輸出之訊號，以持續得知電池B1 ~ Bn之充電電壓之數值。微處理電路11可依據得知之充電電壓之數值運算出充電電壓之平均值及充電電壓之漣波電壓的大小和比率等，微處理電路11可控制顯示單元70顯示充電電壓之數值與波形，更可顯示充電電壓之漣波電壓之數值和波形以及充電漣波比率，以供監控人員觀察。假若充電電壓之漣波過大，其表示充電電壓之品質不佳，其會影響電池之使用壽命，如此監控人員應檢修充電器80，以避免影響電池之使用壽命。

蓄電池監控系統更可包含至少一溫度感測器，其可包含至少一環境溫度感測器SA及/或複數電池溫度感測器SB1 ~ SBn。環境溫度感測器SA位於電池B1 ~ Bn所在位置，而感測電池B1 ~ Bn所在環境之溫度，並對應產生一溫度感測訊號TA。電池溫度感測器SB1 ~ SBn分別設置於電池B1 ~ Bn，而分別感測電池B1 ~ Bn之溫度，並分別對應產生一溫度感測訊號TB1 ~ TBn。擷取電路40耦接環境溫度感測器SA及該些電池溫度感測器SB1 ~ SBn，而接收溫度感測訊號TA與TB1 ~ TBn，並對應輸出複數訊號至處理器10之微處理電路11，如此處理器10即可得知電池B1 ~ Bn進行充電時之所在環境的溫度與電池B1 ~ Bn本身之溫度。若電池B1 ~ Bn進行充電之過程產生溫度過高之情形，處理器10之微處理電路11即會驅使顯示單元70顯示溫度異常之警示訊號，以避免發生危險。

由於溫度會影響電池B1 ~ Bn之充電，所以充電器80對電池B1 ~ Bn進行充電時，充電器80用於對電池B1 ~ Bn充電之充電電壓應該隨溫度不同而有所調整。處理器10之微處理電路11可依據電池B1 ~ Bn進行充電時之所在環境的溫度或者電池B1 ~ Bn本身之溫度而決定一充電參考電壓，即處理器依據溫度感測訊號TA或者TB1 ~ TBn決定充電參考電壓。處理器10之微處理電路11依據此充電參考電壓判斷充電器80之充電電壓是否恰當，並對應產生一充電狀態訊號，以表示目前之充電電壓是否合適，處理器10驅動顯示單元70顯示此充電狀態。舉例來說，若充電電壓高於充電參考電壓時，處理器10即驅使顯示單元70顯示紅色警示訊號，以警示監控人員應操作充電器80而降低充電電壓，以避免因充電電壓過高導致熱爆衝。若充電電壓低於充電參考電壓時，處理器10即驅使顯示單元70顯示藍色警示訊號，以警示監控人員應操作充電器80而提升充電電壓，以避免因充電電壓過低導致電池之儲電量不足。

上述之充電參考電壓可事先依據實驗、經驗或者公式得知，並事先儲存於處理器10之記憶單元13內。於本發明之一實施例中，若蓄電池監控系統並未包含電池溫度感測器SB1 ~ SBn時，則依據電池B1 ~ Bn進行充電時之所在環境的溫度而決定充電參考電壓。另外，若蓄電池監控系統包含電池溫度感測器SB1 ~ SBn時，則依據電池溫度感測器SB1 ~ SBn產生之該些溫度感測訊號TB1 ~ TBn之最高數值決定充電參考電壓，即以當下電池B1 ~ Bn之最高溫度作為依據而決定充電參考電壓。

當電池B1 ~ Bn之總電壓於充電過程上升至一預定電壓且維持一固定時間，即第一顆電池B1之第一端TH1的端電壓BV(1+)與最後一顆電池Bn之第二端TLn的端電壓BV(n-)的電壓差上升至預定電壓，其表示電池B1 ~ Bn已呈穩定浮充狀態，此時擷取電路40擷取每一電池B1 ~ Bn之第一端TH1 ~ THn的端電壓BV(1+) ~ BV(n+)與第二端TL1 ~ TLn的端電壓BV(1-) ~ BV(n-)，如此處理器10之微處理電路11即可得知每一電池B1 ~ Bn之兩個端電壓的電壓差，而得知每一電池B1 ~ Bn之充電電壓，微處理電路11比較每一電池B1 ~ Bn之充電電壓，而得知那一電池之充電電壓過高，而需要進行微放電，如此即可等化每一電池B1 ~ Bn之端電壓。處理器10之微處理電路11記錄充電電壓過高之電池，並控制切換電路30之該些開關組S1 ~ Sn，以讓充電電壓過高之電池與放電控制電路20相耦接而形成放電迴路，微處理電路11並發出控制訊號SC至放電控制電路20之控制單元23，控制訊號SC包含進行微放電之微小放電電流之數值，控制單元23即依據控制訊號SC控制放電元件22之導通程度，以讓進行微放電之電池的放電電流達到預定之微放電電流的數值。完成微放電後，處理器10再次輸出控制訊號SC至控制單元23，此控制訊號SC用於控制控制單元23截止放電元件22，即控制電池停止放電。此時，處理器10亦控制該些開關組S1 ~ Sn皆截止。若欲接續對其餘充電電壓過高之電池進行微放電，處理器10則控制該些開關組S1 ~ Sn，而選擇接續欲進行微放電之電池，且重覆進行上述動作。由上述可知，電池B1 ~ Bn處於穩定浮充狀態時，處理器10會依據每一電池B1 ~ Bn的端電壓控制放電控制電路20，以經由放電迴路等化每一電池B1 ~ Bn的端電壓。

綜上所述，本發明之蓄電池監控系統包含放電控制電路、擷取電路與處理器，放電控制電路依據不同大小之兩放電電流控制電池進行兩階段實載放電監測，擷取電路擷取電池於此兩放電階段之放電電壓，處理器依據此兩放電階段之放電電流與放電電壓運算出電池之內部的等效化學反應電壓或/及等效阻抗，如此可確實監控電池之使用狀態。此外，本發明之蓄電池監控系統亦可監控兩相鄰電池間之連接路徑的阻抗，以避免連接路徑的阻抗過大，而影響電池充放電之效能，甚至發生危險。另外，蓄電池監控系統亦可依據所記錄之電池之內部的等效化學反應電壓與等效阻抗，而產生電池狀態推移圖，以便於監控人員監控為數眾多之電池，而有效檢出劣化電池。又，蓄電池監控系統可於電池進行充電時，依據溫度判斷充電器之充電電壓是否適宜，且可監測充電電壓以及充電電壓之漣波，更可在電池處於穩定浮充狀態時，利用放電控制電路對電壓過高之電池進行微放電，以等化電池之電壓。

由上述可知，本發明確實已經達於突破性之架構，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上利用性與進步性，當符合專利法之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請　鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。

10‧‧‧處理器

11‧‧‧微處理電路

13‧‧‧記憶單元

20‧‧‧放電控制電路

21‧‧‧電流偵測器

22‧‧‧放電元件

221‧‧‧二極體

23‧‧‧控制單元

30‧‧‧切換電路

40‧‧‧擷取電路

60‧‧‧主機

70‧‧‧顯示單元

80‧‧‧充電器

91‧‧‧安全狀態區

93‧‧‧注意狀態區

95‧‧‧危險狀態區

B1~Bn‧‧‧電池

BV(1+)~BV(n+)‧‧‧端電壓

BV(1-)~BV(n-)‧‧‧端電壓

D‧‧‧第一端

G‧‧‧控制端

Ia‧‧‧第一放電電流

Ib‧‧‧第二放電電流

IN‧‧‧輸入端

OUT‧‧‧輸出端

P1~Pn-1‧‧‧連接路徑

S‧‧‧第二端

S1~Sn‧‧‧開關組

SA‧‧‧環境溫度感測器

SB1~SBn‧‧‧電池溫度感測器

SC‧‧‧控制訊號

SH1~SHn‧‧‧第一開關

SL1~SLn‧‧‧第二開關

TA‧‧‧溫度感測訊號

TB1~TBn‧‧‧溫度感測訊號

TH1~THn‧‧‧第一端

TL1~TLn‧‧‧第二端

t1‧‧‧第一時間

t2‧‧‧第二時間

t3‧‧‧第三時間

Va‧‧‧第一放電電壓

Vb‧‧‧第二放電電壓

第一圖為本發明之蓄電池監控系統之一實施例的方塊圖； 第二圖為本發明之蓄電池監控系統對電池進行放電監測之放電電流與電池對應之放電電壓的曲線圖； 第三A圖為本發明之一電池狀態推移圖，縱軸為電池之內部的等效阻抗，橫軸為放電電壓，其表示電池之狀態為內阻劣化； 第三B圖為本發明之另一電池狀態推移圖，縱軸為電池之內部的等效阻抗，橫軸為放電電壓，其表示電池之狀態為化學反應電壓劣化； 第四A圖為本發明之另一電池狀態推移圖，縱軸為電池之內部的等效阻抗，橫軸為電池之內部的等效化學反應電壓，其表示電池之狀態為內阻劣化；以及 第四B圖為本發明之另一電池狀態推移圖，縱軸為電池之內部的等效阻抗，橫軸為電池之內部的等效化學反應電壓，其表示電池之狀態為化學反應電壓劣化。

Claims (11)

1. 一種蓄電池監控系統，包含：一放電控制電路，耦接一電池，並依據一第一放電電流與一第二放電電流控制該電池放電，於一第一放電階段依據該第一放電電流控制該電池放電，而該電池具有一第一放電電壓，於一第二放電階段依據該第二放電電流控制該電池放電，而該電池具有一第二放電電壓；一擷取電路，耦接該電池，而分別擷取該電池的該第一放電電壓與該第二放電電壓；及一處理器，耦接該放電控制電路而控制該放電控制電路，該處理器並耦接該擷取電路，而得知該第一放電電壓與該第二放電電壓，且依據該第一放電電流、該第二放電電流、該第一放電電壓與該第二放電電壓運算出該電池之內部的一等效化學反應電壓或/及一等效阻抗。
2. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電池監控系統，其中該放電控制電路包含：一電流偵測器，具有一第一端與一第二端，該第一端耦接該電池的一第一端；一放電元件，具有一第一端、一第二端及一控制端，該放電元件之該第一端耦接該電流偵測器之該第二端，該放電元件之該第二端耦接該電池的一第二端；及一控制單元，受控於該處理器，並耦接該電流偵測器而偵測流過該電流偵測器之一放電電流，該控制單元並耦接該控制端，該控制單元依據該處理器之一控制訊號與流過該電流偵測器之該放電電流控制該放電元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述之蓄電池監控系統，其中該電流偵測器為一阻抗元件，該放電元件為一放電開關，該放電元件之該第一端、該第二端與該控制端分別為一汲極端、一源極端與一閘極端，該電池之該第一端與該第二端分別耦接該控制單元，而提供一電壓至該控制單元，以供該控制單元控制該放電開關導通。
4. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電池監控系統，其更包含：一切換電路，耦接複數電池的兩端與該放電控制電路，該放電控制電路經由該切換電路耦接該些電池之一電池，而控制該電池放電，該處理器耦接該切換電路而控制該切換電路，以選擇該些電池之一電池耦接該放電控制電路。
5. 如申請專利範圍第4項所述之蓄電池監控系統，其中該切換電路包含：複數開關組，分別對應於該些電池，並分別耦接於該些電池與該放電控制電路之間，每一該開關組皆包含一第一開關與一第二開關，該第一開關耦接於所對應之該電池的一第一端與該放電控制電路的一輸入端之間，該第二開關耦接於所對應之該電池的一第二端與該放電控制電路的一輸出端之間，該處理器控制該第一開關與該第二開關導通以形成一放電迴路。
6. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電池監控系統，其中該擷取電路耦接複數電池，每一該電池皆具有一第一端與一第二端，該些電池相互串聯，該些電池之該第二端與其相鄰之該電池之該第一端之間具有一連接路徑，該擷取電路耦接每一該電池的該第一端與該第二端，並擷取相鄰之兩該電池之該連接路徑的一電壓降，該處理器依據相鄰之兩該電池之該連接路徑於該第一放電階段的該電壓降與該第一放電電流或依據於該第二放電階段的該電壓降與該第二放電電流或依據於該第一放電階段的該電壓降、於該第二放電階段的該電壓 降、該第一放電電流與該第二放電電流運算出該連接路徑的一阻抗值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之蓄電池監控系統，其更包含：一切換電路，耦接該放電控制電路、每一該電池之該第一端與每一該電池之該連接路徑，該放電控制電路經由該切換電路和該連接路徑耦接該些電池之一電池，而控制該電池放電，該處理器耦接該切換電路而控制該切換電路，以選擇該些電池之一電池耦接該放電控制電路，該放電控制電路經由該連接路徑耦接該處理器所選擇之該電池之該第二端，該切換電路包含複數開關組，該些開關組分別對應於該些電池，該些開關組分別耦接於該些電池與該放電控制電路之間，每一該開關組皆包含一第一開關與一第二開關，該第一開關耦接於所對應之該電池的該第一端與該放電控制電路的一輸入端之間，該第二開關耦接於所對應之該電池所相鄰之電池的該第二端與該放電控制電路的一輸出端之間，該處理器控制該第一開關與該第二開關導通以形成一放電迴路。
8. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電池監控系統，其具有複數放電迴路，該些放電迴路分別對應複數電池，該擷取電路分別擷取每一該電池之一第一端與一第二端的端電壓，該處理器依據每一該電池的端電壓而控制該放電控制電路經由該些放電迴路等化每一該電池的端電壓。
9. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電池監控系統，其更包含：至少一溫度感測器，量測至少一溫度，而對應產生至少一溫度感測訊號；其中，於至少一電池充電時，該擷取電路擷取該至少一電池之一充電電壓，該處理器依據該至少一溫度感測訊號決定一充電參考電 壓，該處理器依據該充電參考電壓判斷該充電電壓，並產生一充電狀態訊號。
10. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電池監控系統，其中該處理器分別紀錄於不同監測時間監測該電池所得之該第一放電電壓與該等效阻抗，而產生一電池狀態推移圖，該電池狀態推移圖具有至少兩狀態區，該至少兩狀態區包含一安全狀態區、一注意狀態區與一危險狀態區中之至少兩狀態區。
11. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電池監控系統，其中該處理器分別紀錄於不同監測時間監測該電池所得之該等效化學反應電壓與該等效阻抗，而產生一電池狀態推移圖，該電池狀態推移圖具有至少兩狀態區，該至少兩狀態區包含一安全狀態區、一注意狀態區與一危險狀態區中之至少兩狀態區。