TWI639016B - 電池內阻的量測電路及方法 - Google Patents

電池內阻的量測電路及方法 Download PDF

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Abstract

不同於習知技術之內阻量測電路無法精準地找出檢出電壓的最佳取樣時間，本發明係揭示能夠輕易地自放電電壓訊號之中找出最佳放電起始點與最佳放電結束點的一種電池內阻的量測電路，其係由一電壓檢出單元、至少一量測電阻、至少一開關、與一量測控制器所組成。特別地，於本發明當中，該量測控制器具有一差值運算單元，用以對複數個電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的電壓取樣值執行差值運算或斜率運算，使得該量測控制器可以根據運算結果而輕易地自放電電壓訊號之中找出所述最佳放電起始點與所述最佳放電結束點。進一步地，量測控制器便可以自最佳放電起始點與最佳放電結束點檢出開路電壓與短路電壓，然後精準地計算出電池的內阻。

Description

電池內阻的量測電路及方法
本發明係關於電池感測之技術領域，尤指一種電池內阻的量測電路及方法。
隨著生活的不斷的現代化與便利化，電池已成為人們日常生活用品不可或缺的重要部件，如機車、汽車、筆記型電腦、行動電話等都必須經由電池提供動力來源。一般而言，電池的使用壽命約2至4年，然而這並不能保證所有的電池都可以正常使用2年以上。因此，如何利用監控電量或壽命的方式達到避免電池無預警地失能成為極為重要的課題。
負載電壓法經常被用來量測電池的殘電量。請參閱圖1，係顯示習知的一種內阻量測電路之架構圖。如圖1所示，習知的內阻量測電路1’的組成非常簡單，僅包括：一電流檢出單元11’、一電壓檢出單元12’、一開關SW’、與一量測電阻R mes’。量測電池2’的內阻R int’時，係先將一個負載電阻R L’電性連接該電池2’，以令電池2’輸出一直流電流；接著，再利用電流檢出單元11’測得流經量測電阻R mes’的電流I mes’並進而可推得其電壓V mes’。值得說明的是，量測電池2’的內阻R int’之時還會利用一控制訊號適當地控制開關SW’之閉合/打開(On/Off)週期。
繼續地參閱圖1，並請同時參閱圖2，係顯示三個波形圖。其中，(a)圖表示為開關SW’週期性的閉合與打開的波形圖，(b)圖表示為電池所輸出的電壓信號之理想波形圖，且(c)圖表示為電池所輸出的電壓信號之實際波形圖。在開關SW’週期性的閉合與打開的情況下，電壓檢出單元12’所檢出的電壓信號的理想波形圖為(b)圖。然而，如圖2的(c)圖所示，肇因於電池2’放電時會衍生電容效應，導致所測得的電池2’之電壓訊號並非完整的方波。是以，當開關SW’閉合(switch on)之時，經由電壓檢出單元12’ 所取得電池2’的端電壓V E’為標示於(c)圖之中的短路電壓V sh’；並且，當開關SW’打開(switch off)之時，經由電壓檢出單元12’所取得電池2’的端電壓V E’為標示於(c)圖之中的開路電壓V op’。如此，電池2’的內阻R int’便可以由下列方程式(1)求得，且透過方程式(1)又可推得如下列之方程式(2)。 R int’=(V op’-V sh’)/I mes’=((V op’-V sh’)*R mes’)/V sh’…………….(1) I mes’ = (V sh’/ R mes’) …………………….……………………….(2)
由上述說明，吾人可以得知習知的內阻量測電路1’、量測方法與計算公式皆非常的簡單。然而，因為過於簡單之故，習知的內阻量測電路1’被應用在量測電池2’的內阻R int’之時經常顯現出以下實務缺陷： (1)電池2’放電時所衍生的電容效應導致後端電路的類比/數位轉換器難以精準地找出開路電壓V op’與短路電壓V sh’的最佳取樣時間。因此，由於電池2’的內阻R int’通常很小(mΩ)，一旦所取得的開路電壓V op’與短路電壓V sh’的值並非最佳值，那麼就會導致內阻R int’量測上的重大誤差。 (2)承上述，為了盡可能地取得開路電壓V op’與短路電壓V sh’的最佳值，在量測的過程中會盡可能地延長電池2’的持續放電時間，直到確認電池2’的電壓信號的波形趨於穩定；之後，再以類比/數位轉換器測得開路電壓V op’與短路電壓V sh’的最佳值。然而，不同種類或容量的電池2’可能顯示出不同的放電穩定時間，因此盡可能地延長電池2’的持續放電時間的方式可能會造成電池2’電量的過度消耗。 (3)另一方面，習知的內阻量測電路1’與量測方法無法同時適用於量測不同容量之電池2’的內阻R int’，主要原因在於若令大容量之電池2’進行小電流放電，則最終測得之電池2’內阻R int’必然不正確。另外，若錯令小容量之電池2’進行大電流放電，則可能導致電池2’之毀損。
由上述說明，長期涉及電池參數監測電路之開發、製造與應用的工程師都可以輕易地了解到，習知的內阻量測電路1’與量測方法係具有諸多缺陷與不足；有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種電池內阻的量測電路及方法。
本發明之主要目的在於提供一種電池內阻的量測電路及方法。不同於習知技術之內阻量測電路無法精準地找出檢出電壓的最佳取樣時間，本發明係揭示能夠輕易地自放電電壓訊號之中找出最佳放電起始點與最佳放電結束點的一種電池內阻的量測電路，其係由一電壓檢出單元、至少一量測電阻、至少一開關、與一量測控制器所組成。特別地，於本發明之中，該量測控制器具有一差值運算單元，用以對複數個電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的電壓取樣值執行差值運算或斜率運算，使得該量測控制器可以根據運算結果而輕易地自放電電壓訊號之中找出所述最佳放電起始點與所述最佳放電結束點。進一步地，量測控制器便可以自最佳放電起始點與最佳放電結束點檢出開路電壓與短路電壓，然後精準地計算出電池的內阻。值得說明的是，由於本發明係透過比對任兩相鄰電壓值的差值或斜率是否小於預設的門限值的方式以精準地找出電池電容效應的結束點，因此，在量測的過程中並不需要盡可能地延長電池的持續放電時間，是以能夠避免電池電量的過度消耗。
為了達成上述本發明之主要目的，本案之發明人係提供所述電池內阻的量測電路的一實施例，其構成上係包括： 一電壓檢出單元，係電性連接至電池； 至少一量測電阻，係與該電壓檢出單元並聯； 至少一開關，係與該量測電阻串聯； 一量測控制器，係包括一差值運算單元，並電性連接至該電壓檢出單 元； 其中，當一負載被並聯至該電壓檢出單元且該量測控制器送出一開關控制訊號至該開關之後，該電壓檢出單元輸出一放電電壓訊號至該量測控制器； 其中，基於一第一取樣率，該量測控制器係於一開關打開時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出複數個第一電壓取樣值；並且，基於一第二取樣率，該量測控制器係於一開關閉合時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出複數個第二電壓取樣值； 其中，該差值運算單元係用以對該複數個第一電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第一電壓取樣值執行一第一差值運算或一第一斜率運算，並同時對該複數個第二電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第二電壓取樣值執行一第二差值運算或一第二斜率運算，使得該量測控制器能夠根據前述運算的結果而輕易地自該放電電壓訊號之中找出一最佳放電起始點與一最佳放電結束點。
為了達成上述本發明之主要目的，本案之發明人係同時提供所述電池內阻的量測方法的一實施例，其於步驟組成上係包括： (1)將所述負載並聯至該電壓檢出單元，並透過該量測控制器送出所述開關控制訊號至該開關； (2)量測控制器透過該電壓檢出單元接收所述放電電壓訊號； (3)基於該第一取樣率，該量測控制器係於所述開關打開時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出所述複數個第一電壓取樣值； (4)該差值運算單元對該複數個第一電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第一電壓取樣值執行第一差值運算或所述第一斜率運算，以獲得複數個第一運算差值與複數個第一斜率值； (5)該量測控制器自該複數個第一運算差值或該複數個第一斜率值找出一第一最小運算差值或一第一最小斜率值，並根據該第一最小運算差值或該第一最小斜率值決定所述最佳放電起始點，進而檢出一開路電壓； (6)基於該第二取樣率，該量測控制器係於所述開關閉合時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出所述複數個第二電壓取樣值； (7)該差值運算單元對該複數個第二電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第二電壓取樣值執行所述第二差值運算或所述第二斜率運算，以獲得複數個第二運算差值與複數個第二斜率值； (8)該量測控制器自該複數個第二運算差值或該複數個第二斜率值找出一第二最小運算差值或一第二最小斜率值，並根據該第二最小運算差值或該第二最小斜率值決定所述最佳放電結束點，進而檢出一短路電壓； (9)根據該第一電壓值、該第二電壓值與該量測電阻的阻值，該量測控制器係計算出電池的該內阻。
於上述電池內阻的量測方法的實施例中，該步驟(4)與該步驟(5)之間更包括以下步驟： (4’)判斷是否該第一運算差值低於一判讀臨界值，若是，則重複執行步驟(3)；若否，則繼續執行該步驟(5)。
於上述電池內阻的量測方法的實施例中，該第一取樣率可以相同於該第二取樣率，也可以不同於該第二取樣率。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種電池內阻的量測電路及方法，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
第一實施例
請參閱圖3，係顯示本發明之一種電池內阻的量測電路的第一實施例的架構圖。如圖3所示，本發明之電池內阻的量測電路1係建立於一電池2與一負載3之間，並根據負載電壓法量測電池2的內阻R int。此電池內阻的量測電路1係包括：一電壓檢出單元11、一第一量測電阻R ms1、一第一開關SW-1、一第一電流檢出單元12-1、與一量測控制器13。其中，該電壓檢出單元11係與該電池2及該負載3並聯，且該第一量測電阻R ms1又與該電壓檢出單元11並聯。另一方面，該第一開關SW-1係串聯至該第一量測電阻R ms1，且該第一電流檢出單元12-1又串聯至該第一開關SW-1。此外，若電阻可控，則可由所檢測之電壓而反推其電流，進而省略該電流檢出單元；或者，由所檢測之電流而反推其電壓，進而省略該電壓檢出單元。
繼續地參閱圖3。於本發明中，量測控制器13係電性連接至該電壓檢出單元11與該第一電流檢出單元12-1。如長期涉及負載電壓法之技術領域的工程師所熟知的，當量測控制器13送出一開關控制訊號至該第一開關SW-1之後，電壓檢出單元11與第一電流檢出單元12-1即分別輸出一放電電壓訊號與一電流訊號至該量測控制器13。並請同時參閱圖4，係顯示二個波形圖。其中，(a)圖表示為第一開關SW-1週期性的閉合與打開的波形圖，(b)圖則表示為電池所輸出的電壓信號之實際波形圖。必須特別說明的是，量測控制器13係至少包括一類比/數位轉換單元131、一微處理器132、一記憶單元133、與一輸出單元134。並且，特別地，該微處理器132內部係嵌有一差值運算單元1321。此處所稱“嵌有”指的是embedded，亦即所述差值運算單元1321能夠以硬體、軟體、或韌體的形式安裝於該微處理器132內部。
於本發明中，類比/數位轉換單元131係基於第一取樣率而在一個開關打開(switch off)時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出複數個第一電壓取樣值。必須補充說明的是，第一開關 SW-1係依據微處理器132所輸出的開關控制訊號(如圖4的波形圖(a)所示)之控制而基於一開關週期進行閉合與打開的動作，是以此處所稱“閉合”指的是close，意思是第一開關 SW-1被切換至短路(switch on)。相反地，所稱“打開”指的是open，意思是第一開關SW-1被切換至開路(switch off)。
開路電壓 Vop 的檢出
承上述，在一個開關打開時間區間內(switch off)，所述複數個第一電壓取樣值例如是自圖4的放電電壓訊號之上取樣點A、B、C、D、與E所檢出的電壓值。取得該複數個第一電壓取樣值之後，微處理器132內的差值運算單元1321便會對該複數個第一電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第一電壓取樣值執行一第一差值運算或一第一斜率運算，進而計算出複數個第一運算差值與複數個第一斜率值。值得說明的是，第一差值運算與第一斜率運算可以擇一執行，也可以同時執行，本發明並不加以限制。並且，第一運算差值與第一斜率值的取得方式係整理於下表(1)與表(2)之中。 表(1) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 第一運算差值 (符號表示) </td><td> 計算式 </td><td> 描述 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>1</sub></td><td> V<sub>B</sub>-V<sub>A</sub></td><td> 取樣點B的電壓值 減去 取樣點A的電壓值 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>2</sub></td><td> V<sub>C</sub>-V<sub>B</sub></td><td> 取樣點C的電壓值 減去 取樣點B的電壓值 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>3</sub></td><td> V<sub>D</sub>-V<sub>C</sub></td><td> 取樣點D的電壓值 減去 取樣點C的電壓值 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>4</sub></td><td> V<sub>E</sub>-V<sub>D</sub></td><td> 取樣點E的電壓值 減去 取樣點D的電壓值 </td></tr></TBODY></TABLE>表(2) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 第一斜率值 (符號表示) </td><td> 計算式 </td><td> 描述 </td></tr><tr><td> m<sub>1</sub></td><td><img wi="75" he="46" file="02_image001.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>1</sub> 除以取樣點B與取樣點A 之間的取樣時間差 </td></tr><tr><td> m<sub>2</sub></td><td><img wi="76" he="46" file="02_image003.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>2</sub> 除以取樣點C與取樣點B 之間的取樣時間差 </td></tr><tr><td> m<sub>3</sub></td><td><img wi="76" he="46" file="02_image005.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>3</sub> 除以取樣點D與取樣點C 之間的取樣時間差 </td></tr><tr><td> m<sub>4</sub></td><td><img wi="77" he="46" file="02_image007.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>4</sub> 除以取樣點E與取樣點D 之間的取樣時間差 </td></tr></TBODY></TABLE>
繼續地參閱圖3與圖4。計算出複數個第一運算差值之後，微處理器132便可以將所述第一運算差值與一第一門限差值V th1進行比對。當任一個第一運算差值係小於第一門限差值V th1之時，該第一運算差值即為所述第一最小運算差值。例如，表(1)所列ΔV 4為所述第一最小運算差值，因此微處理器132便可以得知取樣點E即為電池2的放電電壓訊號之中的最佳放電起始點，進以令該類比/數位轉換單元131自取樣點E檢出開路電壓V op。值得注意的是，該複數個第一電壓取樣值的採樣與該複數個第一運算差值的計算係可以同步進行的，一旦微處理器132判定電池2的電容效應已經結束，便可立即地自最佳放電起始點檢出開路電壓V op。另一方面，當任一個第一斜率值小於一第一斜率門限之時，該第一斜率值即為所述第一最小斜率值。例如，表(2)所列m 4為所述第一最小斜率值，因此微處理器132便可以得知取樣點E即為電池2的放電電壓訊號之中的最佳放電起始點。
短路電壓 Vsh 的檢出
進一步地，為了採集獲得複數個第二電壓取樣值，類比/數位轉換單元131係基於第二取樣率而在一個開關閉合時間區間內(switch on)自該放電電壓訊號之中檢出所述複數個第二電壓取樣值。特別說明的是，本發明並未特別限定第一取樣率與第二取樣率的數值，原因在於第一取樣率與第二取樣率可以相同，也可以不相同。另外，此處所稱“開關閉合時間區間”指的是第一開關SW-1被切換至短路的時間區間。如圖4所示，所述複數個第二電壓取樣值例如是自放電電壓訊號之上取樣點A’、B’、C’、D’、E’、與F’所檢出的電壓值。取得該複數個第二電壓取樣值之後，微處理器132內的差值運算單元1321便會對該複數個第二電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第二電壓取樣值執行一第二差值運算或一第二斜率運算，進而計算出複數個第二運算差值與複數個第二斜率值。值得說明的是，第二差值運算與第二斜率運算可以擇一執行，也可以同時執行，本發明並不加以限制。並且，第二運算差值與第二斜率值的取得方式係整理於下表(3)與表(4)之中。 表(3) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 第二運算差值 (符號表示) </td><td> 計算式 </td><td> 描述 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>1</sub>’ </td><td> V<sub>B</sub>’-V<sub>A</sub>’ </td><td> 取樣點B’的電壓值 減去 取樣點A’的電壓值 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>2</sub>’ </td><td> V<sub>C</sub>’-V<sub>B</sub>’ </td><td> 取樣點C’的電壓值 減去 取樣點B’的電壓值 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>3</sub>’ </td><td> V<sub>D</sub>’-V<sub>C</sub>’ </td><td> 取樣點D’的電壓值 減去 取樣點C’的電壓值 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>4</sub>’ </td><td> V<sub>E</sub>’-V<sub>D</sub>’ </td><td> 取樣點E’的電壓值 減去 取樣點D’的電壓值 </td></tr><tr><td> ΔV<sub>5</sub>’ </td><td> V<sub>F</sub>’-V<sub>E</sub>’ </td><td> 取樣點F’的電壓值 減去 取樣點E’的電壓值 </td></tr></TBODY></TABLE>表(4) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 第一斜率值 (符號表示) </td><td> 計算式 </td><td> 描述 </td></tr><tr><td> m<sub>1</sub>’ </td><td><img wi="83" he="46" file="02_image009.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>1</sub>’ 除以取樣點B’與取樣點A’ 之間的取樣時間差 </td></tr><tr><td> m<sub>2</sub>’ </td><td><img wi="84" he="46" file="02_image011.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>2</sub>’ 除以取樣點C’與取樣點B’ 之間的取樣時間差 </td></tr><tr><td> m<sub>3</sub>’ </td><td><img wi="85" he="46" file="02_image013.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>3</sub>’ 除以取樣點D’與取樣點C’ 之間的取樣時間差 </td></tr><tr><td> m<sub>4</sub>’ </td><td><img wi="85" he="46" file="02_image015.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>4</sub>’ 除以取樣點E與取樣點D’ 之間的取樣時間差 </td></tr><tr><td> m<sub>5</sub>’ </td><td><img wi="84" he="46" file="02_image017.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 運算差值ΔV<sub>4</sub>’ 除以取樣點F’與取樣點E’ 之間的取樣時間差 </td></tr></TBODY></TABLE>
繼續地參閱圖3與圖4。計算出複數個第二運算差值之後，微處理器132便可以將所述第二運算差值與一第二門限差值V th2進行比對。當任一個第二運算差值係小於第二門限差值V th2之時，該第二運算差值即為所述第二最小運算差值。例如，表(3)所列ΔV 5為所述第二最小運算差值，因此微處理器132便可以得知取樣點F’即為電池2的放電電壓訊號之中的最佳放電結束點，進以令該類比/數位轉換單元131自取樣點F’檢出短路電壓V sh。值得注意的是，該複數個第二電壓取樣值的採樣與該複數個第二運算差值的計算係可以同步進行的，一旦微處理器132判定電池2的電容效應已經結束，便可立即地自最佳放電結束點檢出短路電壓V sh。另一方面，當任一個第二斜率值小於一第二斜率門限之時，該第二斜率值即為所述第二最小斜率值。例如，表(4)所列m 5為所述第二最小斜率值，因此微處理器132便可以得知取樣點F’即為電池2的放電電壓訊號之中的最佳放電結束點。
第二實施例
繼續地參閱圖5，係顯示本發明之一種電池內阻的量測電路的第二實施例的架構圖。比較圖3與圖5可以發現，此電池內阻的量測電路1的第二實施例係更包括一計數單元135，且該計數單元135係配置於該量測控制器13之中。前述說明揭示可以透過比對任兩相鄰電壓值的差值或斜率是否小於預設的門限值的方式以精準地找出電池2電容效應的結束點。然而，當電池2的電量已經耗盡或者即將無法使用之時，計算獲得之電壓差值或斜率有可能無法滿足上述條件。基於這樣的理由，本發明特別利用計數單元135計數該類比/數位轉換單元131的一取樣時間，以於該取樣時間超過一門限時間之時通知該微處理器132停止該類比/數位轉換單元131的取樣作業。簡單的說，電量即將耗盡或即將無法使用的電池2，並無法利用本發明之電池內阻的量測電路1正確地測得其內阻R int。
另一方面，本發明同時提供用以控制圖3或圖5所示之電池內阻的量測電路1的一種電池內阻的量測方法。值得說明的是，本發明之方法可以編輯成應用軟體或函式庫(library)，然後安裝於微處理器132之中。更進一步地，本發明之方法的函式庫也可以安裝於其它基於負載電壓法的內阻量測電路。
請同時參閱圖4、圖5、圖6A、圖6B與圖6C，其中圖6A、圖6B與圖6C係顯示本發明之電池內阻的量測方法的流程圖。如圖所示，此電池內阻的量測方法係包括以下步驟： 步驟(S1)：將負載3並聯至電壓檢出單元11，並透過該量測控制器13送出所述開關控制訊號至該第一開關SW-1； 步驟(S2)：量測控制器13透過該電壓檢出單元11與該第一電流檢出單元12-1接收放電電壓訊號與電流訊號； 步驟(S3)：基於第一取樣率，量測控制器13係於開關打開時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出所述複數個第一電壓取樣值； 步驟(S4)：差值運算單元1321對該複數個第一電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第一電壓取樣值執行所述第一差值運算或所述第一斜率運算，以獲得複數個第一運算差值與複數個第一斜率值； 步驟(S4’)：判斷是否該第一運算差值低於一判讀臨界值，若是，則重複執行步驟(S3)；若否，則繼續執行該步驟(S5)； 步驟(S5)：該量測控制器13自該複數個第一運算差值或該複數個第一斜率值找出一第一最小運算差值或一第一最小斜率值，並根據該第一最小運算差值或該第一最小斜率值決定所述最佳放電起始點，進而檢出一開路電壓V op； 步驟(S6)：基於第二取樣率，量測控制器13係於開關閉合時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出複數個第二電壓取樣值； 步驟(S7)：差值運算單元1321對該複數個第二電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第二電壓取樣值執行所述第二差值運算或所述第二斜率運算，以獲得複數個第二運算差值與複數個第二斜率值； 步驟(S8)：該量測控制器13自該複數個第二運算差值或該複數個第二斜率值找出一第二最小運算差值或一第二最小斜率值，並根據該第二最小運算差值或該第二最小斜率值決定所述最佳放電結束點，進而檢出一短路電壓V sh；以及 步驟(S9)：根據該第一電壓值、該第二電壓值與該第一量測電阻R ms1的阻值，量測控制器13係計算出該電池2的內阻R int。
第三實施例
前述說明係揭示，電量即將耗盡的電池2並無法利用本發明之電池內阻的量測電路1正確地測得其內阻R int，其原因在於圖5所示之電池內阻的量測電路1僅搭載一組電流放電開關與一組量測電阻(亦即，第一開關SW-1與第一量測電阻R ms1)，因而無法適應性地根據電池的放電電流之大小而利用量測電阻的改變放電電流之大小。基於這個理由，本發明又提供所述電池內阻的量測電路1的第三實施例。請參閱圖7，係顯示本發明之電池內阻的量測電路的第三實施例的架構圖。比較圖3與圖7可以發現，第三實施例於架構上係將量測電阻、開關與電流檢出單元的數量增加至N個，且增加的每一個量測電阻、開關與電流檢出單元都個別與該電壓檢出單元相互並聯。
如圖7所示，所述量測電阻包括第一量測電阻R ms1、第二量測電阻 R ms2、• • •、第N量測電阻R msN；並且，所述開關包括第一開關SW-1、第二開關SW-2、• • •、第N開關SW-N；再者，所述電流檢出單元包括第一電流檢出單元12-1、第二電流檢出單元12-2、• • •、第N電流檢出單元12-N。值得說明的是，對應於量測電阻、開關與電流檢出單元的數量被增加至N個，所述類比/數位轉換單元131的數量也被增加至N個，以構成多通道的同步取樣架構。請同時參閱圖8，係顯示本發明之電池內阻的量測電路的第三實施例的架構圖。不同於圖7的架構，圖8係以該類比/數位轉換單元131配合一個多工器138的方式組成所謂的多通道同步取樣架構。請同時參閱圖9，係顯示本發明之電池內阻的量測電路的第四實施例的架構圖。不同於前述圖7的架構，圖9係透過所有電阻/開關並聯之特性而共用同一個第一電流檢出單元12-1與同一個類比/數位轉換單元131，進而實現本發明之架構。
如圖7所示，當微處理器132發現任兩相鄰電壓值的差值無法被有效判讀之時(亦即，該差值高於或低於一判讀臨界值)，有可能是因為電池2的放電電流過大或過小所導致。此時，微處理器132控制第二開關SW-2開始運行以選擇相同或不同的量測電阻大小，然後再重複執行電壓值之採樣與差值運算之動作。若電壓差值還是無法被有效判讀，則繼續令第三開關開始運行。重複上述電壓採樣、差值運算、差值判讀、與開關啟用之動作，直至電壓差值可以被有效判讀為止。在所有的開關皆已經被啟用的情況下，若電壓差值仍舊無法被有效判讀，表示該電池2已經無法正常使用，量測其內阻R int則變得無意義。
值得說明的是，以不適合的量測電阻對一低容量電池或一高容量電池執行負載電壓法，並無法量測到該低容量電池或該高容量電池的內阻。主要原因在於：不適合的量測電阻若造成所述低容量電池以輸出大電流的方式進行放電，則會導致該低容量電池之過放損壞(over-discharge damage)。另一方面，不適合的量測電阻若造成所述高容量電池以輸出小電流的方式進行放電，則會導致微處理器132無法判定開路電壓V op’ 與短路電壓V sh’之差值(參考圖2)，導致內阻運算誤差過大。基於上述理由，本發明之電池內阻的量測電路1的第三實施例係提供了“選擇適合的量測電阻”之特殊功能；其中，藉由逐一打開或關閉該複數個開關的方式來調整電池內阻的量測電路1的量測電阻之大小，達到控制待測電池之放電電流之大小的目的。如此，運用此電池內阻的量測電路1量測低容量電池之內阻時，便可以控制該低容量電池由小至大的輸出放電電流；同樣地，運用此電池內阻的量測電路1量測高容量電池之內阻時，也可以控制該高容量電池由中至最大的輸出放電電流。最終，當放電電流被調整至一適當大小之後，便可以精準地測得所述低容量電池與所述高容量電池之內阻。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之電池內阻的量測電路及方法；並且，經由上述可以得知本發明係具有下列之優點：
(1)不同於習知技術之內阻量測電路1’(如圖1所示)無法精準地找出開路電壓V op’與短路電壓V sh’的最佳取樣時間，本發明係提出能夠輕易地自放電電壓訊號之中找出最佳放電起始點與最佳放電結束點的一種電池內阻的量測電路1，其係由一電壓檢出單元11、一第一量測電阻R ms1、一第一開關SW-1、一第一電流檢出單元12-1、與一量測控制器13所組成。特別地，該量測控制器13具有一差值運算單元1321，用以對複數個電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的電壓取樣值執行差值運算或斜率運算，使得該量測控制器13可以根據運算結果而輕易地自放電電壓訊號之中找出所述最佳放電起始點與所述最佳放電結束點。進一步地，量測控制器13便可以自最佳放電起始點與最佳放電結束點檢出開路電壓V op與短路電壓V sh，然後精準地計算出電池2的內阻R int。
(2)承上述說明，由於本發明係透過比對任兩相鄰電壓值的差值或斜率是否小於預設的門限值的方式以精準地找出電池2電容效應的結束點，因此，在量測的過程中並不需要盡可能地延長電池2的持續放電時間，是以能夠避免電池2電量的過度消耗。
(3)此外，本發明又將此電池內阻的量測電路1內部的量測電阻、開關與電流檢出單元的數量增加至N個，藉此方式令該電池內阻的量測電路1能夠同時適用於量測不同容量之電池2的內阻R int。
必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
＜本發明＞ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 1 </td><td> 電池內阻的量測電路 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 電池 </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 負載 </td></tr><tr><td> R<sub>int</sub></td><td> 內阻 </td></tr><tr><td> 11 </td><td> 電壓檢出單元 </td></tr><tr><td> R<sub>ms1</sub></td><td> 第一量測電阻 </td></tr><tr><td> SW-1 </td><td> 第一開關 </td></tr><tr><td> 12-1 </td><td> 第一電流檢出單元 </td></tr><tr><td> 13 </td><td> 量測控制器 </td></tr><tr><td> 131 </td><td> 類比/數位轉換單元 </td></tr><tr><td> 132 </td><td> 微處理器 </td></tr><tr><td> 133 </td><td> 記憶單元 </td></tr><tr><td> 134 </td><td> 輸出單元 </td></tr><tr><td> 1321 </td><td> 差值運算單元 </td></tr><tr><td> A </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> B </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> C </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> D </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> E </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> V<sub>th1</sub></td><td> 第一門限差值 </td></tr><tr><td> V<sub>sh</sub></td><td> 短路電壓 </td></tr><tr><td> V<sub>th2</sub></td><td> 第二門限差值 </td></tr><tr><td> V<sub>op</sub></td><td> 開路電壓 </td></tr><tr><td> A’ </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> B’ </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> C’ </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> D’ </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> E’ </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> F’ </td><td> 取樣點 </td></tr><tr><td> 135 </td><td> 計數單元 </td></tr><tr><td> S1~ S3 </td><td> 方法步驟 </td></tr><tr><td> S3a~ S3b </td><td> 方法步驟 </td></tr><tr><td> S4’ </td><td> 方法步驟 </td></tr><tr><td> S4~S7 </td><td> 方法步驟 </td></tr><tr><td> S8~S9 </td><td> 方法步驟 </td></tr><tr><td> R<sub>ms2</sub></td><td> 第二量測電阻 </td></tr><tr><td> SW-2 </td><td> 第二開關 </td></tr><tr><td> 12-2 </td><td> 第二電流檢出單元 </td></tr><tr><td> R<sub>msN</sub></td><td> 第N量測電阻 </td></tr><tr><td> SW-N </td><td> 第N開關 </td></tr><tr><td> 12-N </td><td> 第N電流檢出單元 </td></tr><tr><td> 138 </td><td> 多工器 </td></tr></TBODY></TABLE>
＜習知＞ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 1’ </td><td> 內阻量測電路 </td></tr><tr><td> 2’ </td><td> 電池 </td></tr><tr><td> 11’ </td><td> 電流檢出單元 </td></tr><tr><td> 12’ </td><td> 電壓檢出單元 </td></tr><tr><td> SW’ </td><td> 開關 </td></tr><tr><td> R<sub>mes</sub>’ </td><td> 量測電阻 </td></tr><tr><td> R<sub>L</sub>’ </td><td> 負載電阻 </td></tr><tr><td> R<sub>int</sub>’ </td><td> 內阻 </td></tr><tr><td> V<sub>sh</sub>’ </td><td> 短路電壓 </td></tr><tr><td> V<sub>op</sub>’ </td><td> 開路電壓 </td></tr><tr><td> I<sub>mes</sub>’ </td><td> 電流 </td></tr><tr><td><sub>V</sub><sub>mes</sub>’ </td><td> 電壓 </td></tr><tr><td> V<sub>E</sub>’ </td><td> 端電壓 </td></tr></TBODY></TABLE>
圖1係顯示習知的一種內阻量測電路之架構圖； 圖2係顯示三個波形圖； 圖3係顯示本發明之一種電池內阻的量測電路的第一實施例的架構圖； 圖4係顯示二個波形圖； 圖5係顯示本發明之一種電池內阻的量測電路的第二實施例的架構圖； 圖6A、圖6B與圖6C係顯示本發明之電池內阻的量測方法的流程圖； 圖7係顯示本發明之電池內阻的量測電路的第三實施例的架構圖； 圖8係顯示本發明之電池內阻的量測電路的第三實施例的架構圖； 圖9係顯示本發明之電池內阻的量測電路的第四實施例的架構圖。

Claims (17)

  1. 一種電池內阻的量測電路，係用以量測一電池的一內阻，並包括：一電壓檢出單元，係電性連接至該電池；至少一量測電阻，係與該電壓檢出單元並聯；至少一開關，係與該量測電阻串聯；一量測控制器，係包括一差值運算單元，並電性連接至該電壓檢出單元；其中，藉由將一負載並聯至該電壓檢出單元並令該量測控制器送出一開關控制訊號至該開關，該電壓檢出單元輸出一放電電壓訊號至該量測控制器；其中，基於一第一取樣率，該量測控制器係於該開關的一開關打開時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出複數個第一電壓取樣值；並且，基於一第二取樣率，該量測控制器係於該開關的一開關閉合時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出複數個第二電壓取樣值；其中，該差值運算單元係用以對該複數個第一電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第一電壓取樣值執行一第一差值運算或一第一斜率運算，使得該量測控制器可以透過自複數個第一運算差值內找出一第一最小運算差值或自複數個第一斜率值內找出一第一最小斜率值，進以確定一最佳放電起始點；其中，該差值運算單元同時對該複數個第二電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第二電壓取樣值執行一第二差值運算或一第二斜率運算，使得該量測控制器可以透過自複數個第二運算差值內找出一第二最小運算差值或自複數個第二斜率值內找出一第二最小斜率值，進以確定一最佳放電結束點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池內阻的量測電路，更包括：至少一電流檢出單元，係與該開關串聯，用以於該負載並聯至該電壓檢出單元之時輸出一電流訊號至該量測控制器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電池內阻的量測電路，其中，該第一取樣率與該第二取樣率相同。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池內阻的量測電路，其中，該第一取樣率與該第二取樣率不同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電池內阻的量測電路，其中，該量測控制器更包括：一類比/數位轉換單元，係用以分別基於所述第一取樣率與第二取樣率而自該放電電壓訊號之中檢出該複數個第一電壓取樣值與該複數個第二電壓取樣值；一微處理器，係包括該差值運算單元並電性連接至該類比/數位轉換單元；該微處理器係根據所述差值運算或所述斜率運算之結果而自該放電電壓訊號之中找出該放電起始點與該放電結束點；一記憶單元，係電性連接至該微處理器；以及一輸出單元，係電性連接至該微處理器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電池內阻的量測電路，其中，該量測控制器係更包括：一計數單元，係用以計數該類比/數位轉換單元的一取樣時間，以於該取樣時間超過一門限時間之時通知該微處理器停止該類比/數位轉換單元的取樣作業。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電池內阻的量測電路，其中，該量測電阻、該開關與該電流檢出單元的數量係進一步增加至N個，且增加的每一個該量測電阻、該開關與該電流檢出單元都個別與該電壓檢出單元相互並聯。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電池內阻的量測電路，其中，在該量測控制器進行該複數個第一電壓取樣值之檢出的初期，若任兩個相鄰的第一電壓取樣值的差值過大或過小，該量測控制器會依序地令所述N個開關閉合，直至檢出獲得的任兩個相鄰的第一電壓取樣值的差值可以被明確判讀。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電池內阻的量測電路，其中，對應於該量測電阻、該開關與該電流檢出單元的數量被增加至N個，該類比/數位轉換單元的數量也必須被增加至N個。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之電池內阻的量測電路，其中，對應於該量測電阻、該開關與該電流檢出單元的數量被增加至N個，該量測控制器係更包括：一多工器，係用以接收每一個電流檢出單元所輸出的每一筆電流訊號，使得該類比/數位轉換單元可以完成每一筆電流訊號的類比/數位轉換作業。
  11. 一種電池內阻的量測方法，係用以控制如申請專利範圍第1項至第10項之中任一項所述之電池內阻的量測電路；該方法係包括以下步驟：(1)將所述負載並聯至該電壓檢出單元，並透過該量測控制器送出所述開關控制訊號至該開關；(2)該量測控制器透過該電壓檢出單元接收所述放電電壓訊號；(3)基於該第一取樣率，該量測控制器係於所述開關打開時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出所述複數個第一電壓取樣值；(4)該差值運算單元對該複數個第一電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第一電壓取樣值執行所述第一差值運算或所述第一斜率運算，以獲得複數個第一運算差值與複數個第一斜率值；(5)該量測控制器自該複數個第一運算差值或該複數個第一斜率值找出一第一最小運算差值或一第一最小斜率值，並根據該第一最小運算差值或該第一最小斜率值決定所述最佳放電起始點，進而自該最佳放電起始點處檢出一開路電壓；(6)基於該第二取樣率，該量測控制器係於所述開關閉合時間區間內自該放電電壓訊號之中檢出所述複數個第二電壓取樣值；(7)該差值運算單元對該複數個第二電壓取樣值之中所有任兩個相鄰的第二電壓取樣值執行所述第二差值運算或所述第二斜率運算，以獲得複數個第二運算差值與複數個第二斜率值；(8)該量測控制器自該複數個第二運算差值或該複數個第二斜率值找出一第二最小運算差值或一第二最小斜率值，並根據該第二最小運算差值或該第二最小斜率值決定所述最佳放電結束點，進而自該最佳放電結束點處檢出一短路電壓；(9)根據該第一電壓值、該第二電壓值與該量測電阻的阻值，該量測控制器係計算出該電池的該內阻。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電池內阻的量測方法，其中，當任一個第一運算差值係小於一第一門限差值之時，該第一運算差值即被定義為所述第一最小運算差值；並且，當任一個第二運算差值係小於一第二門限差值之時，該第二運算差值即被定義為所述第二最小運算差值。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之電池內阻的量測方法，其中，當任一個第一斜率值係小於一第一門限斜率之時，該第一斜率值即被定義為所述第一最小斜率值；並且，當任一個第二斜率值係小於一第二門限斜率值之時，該第二斜率值即為所述第二最小斜率值。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之電池內阻的量測方法，，其中，該步驟(4)與該步驟(5)之間更包括以下步驟：(4’)判斷是否該第一運算差值低於一判讀臨界值，若是，則重複執行步驟(3)；若否，則繼續執行該步驟(5)。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之電池內阻的量測方法，其中，該計數單元係於執行該步驟(3)或該步驟(6)之時運行，以於該類比/數位轉換單元的該取樣時間超過所述門限時間之時，通知該微處理器停止該類比/數位轉換單元的取樣作業。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之電池內阻的量測方法，其中，該步驟(4)與該步驟(5)之間更包括以下步驟：(4a)判斷是否該第一運算差值低於一判讀臨界值，若是，則執行步驟(4b)；若否，則繼續執行該步驟(5)；(4b)使下一個開關閉合，重複執行該步驟(3)。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電池內阻的量測方法，其中，該計數單元係於執行該步驟(3)或該步驟(6)之時運行，以於該類比/數位轉換單元的該取樣時間超過所述門限時間之時，通知該微處理器停止該類比/數位轉換單元的取樣作業。
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