TWI689740B - 電池測試裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種電池測試裝置與方法，用以測試待測電池，所述電池測試裝置包含電源供應模組以及短路偵測模組。短路偵測模組耦接電源供應模組，用以於第一測試時間區間中，積分電源供應模組提供的第一測試電壓或第一測試電流，據以計算電源供應模組提供的第一輸出電能值，且短路偵測模組判斷第一輸出電能值是否超出預設電能值範圍，當第一輸出電能值超出預設電能值範圍，則短路偵測模組產生異常信號。

Description

電池測試裝置與方法
本發明係關於一種電池測試裝置與方法，特別是關於一種可以檢測電池內部短路的電池測試裝置與方法。
隨著市場需求的提高，使用者除了期待電子產品的效能越來越強之外，也希望電子產品的工作時間可以越來越長。因此於電子產品中，往往需要搭配設置更多、更高容量的電池。然而，如何確保這些電池穩定且安全可靠，目前已成為重要的問題，也突顯測試電池品質的重要性。
目前於電池的測試時，可能利用電池測試裝置反覆地替電池進行充電、放電測試，從而能夠測得電池的電性特性。舉例來說，所述電池測試裝置可以藉由分析充電時提供的電壓、電流，評估電池的品質是否正常。然而，為了維持測試流程的效率，每一個電池的測試時間往往受到限制，也導致所述電池測試裝置有可能忽略一些在充電時電壓與電流中呈現的危險因子。
於一個例子中，高容量的電池內部利用絕緣膜來區分不同層或鄰近的儲能單元，當絕緣膜出現破孔時，不同層或鄰近的儲能單元會瞬間短路，導致充電時電壓或電流特性會出現很微小的改變。所述電壓或電流特性的微小改變，往往不容易被準確檢查出來，這也導致電池品質不穩定與壽命縮短的潛在問題。據此，業界需要一種可以判斷電池內部是否發生短路的電池測試裝置。
本發明提供一種電池測試裝置，可以藉由積分電能供應模組提供的電壓或電流，判斷電池內部是否發生短路。
本發明提出一種電池測試裝置，用以測試待測電池，所述電池測試裝置包含電源供應模組以及短路偵測模組。短路偵測模組耦接電源供應模組，用以於第一測試時間區間中，積分電源供應模組提供的第一測試電壓或第一測試電流，據以計算電源供應模組提供的第一輸出電能值，且短路偵測模組判斷第一輸出電能值是否超出預設電能值範圍，當第一輸出電能值超出預設電能值範圍，則短路偵測模組產生異常信號。
於一實施例中，電源供應模組可以具有定電壓模式與定電流模式，當電源供應模組操作於定電壓模式時，短路偵測模組積分電源供應模組提供的第一測試電流，當電源供應模組操作定電流模式時，短路偵測模組積分電源供應模組提供的第一測試電壓。在此，短路偵測模組可以具有帶通濾波器，帶通濾波器耦接電源供應模組，用以選擇性地擷取位於一個頻率區間中的第一測試電壓或第一測試電流。此外，短路偵測模組更可以具有取樣電路，取樣電路耦接帶通濾波器，用以於第一測試時間區間中，積分位於所述頻率區間中的第一測試電壓或第一測試電流。另外，短路偵測模組更可以於第二測試時間區間中，計算短路偵測模組產生異常信號的次數，據以產生異常計數值。
本發明提出一種電池測試方法，用以測試待測電池，所述電池測試方法包含以下步驟。首先，提供電源供應模組，電源供應模組用以提供第一測試電壓或第一測試電流。於第一測試時間區間中，積分第一測試電壓或第一測試 電流，據以計算第一輸出電能值。判斷第一輸出電能值是否超出預設電能值範圍。以及，當第一輸出電能值超出預設電能值範圍，則產生異常信號。
綜上所述，本發明提供的電池測試裝置可以藉由積分電能供應模組提供的電壓或電流，計算每個瞬間由電能供應模組的供電量，從而可以判斷電池內部是否發生短路。藉此，所述電池測試不僅可以有更高的測試精準度，且能更快速地發現電池內部是否發生短路。
1:電池測試裝置
10:電源供應模組
12:短路偵測模組
120:帶通濾波器
122:取樣電路
2:待測電池
E:儲能元件
R:電阻元件
RISC:內短路電阻元件
I、IR、IISC:電流
V:電壓
Q1:電能值
△t:時間區間
圖1係繪示依據本發明一實施例之電池測試裝置的功能方塊圖。
圖2A係繪示依據本發明一實施例之待測電池無內短路的電路示意圖。
圖2B係繪示依據本發明一實施例之待測電池有內短路的電路示意圖。
圖3係繪示依據本發明一實施例之充電電流的波形示意圖。
圖4係繪示依據圖3之充電電流的積分示意圖。
圖5係繪示依據本發明一實施例之充電電壓的波形示意圖。
圖6係繪示依據本發明另一實施例之電池測試裝置的功能方塊圖。
圖7係繪示依據本發明一實施例之電池測試方法的步驟流程圖。
下文將進一步揭露本發明之特徵、目的及功能。然而，以下所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明之範圍，即但凡依本發明申請 專利範圍所作之均等變化及修飾，仍將不失為本發明之要意所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故應將視為本發明的進一步實施態樣。
請參閱圖1，圖1係繪示依據本發明一實施例之電池測試裝置的功能方塊圖。如圖1所示，電池測試裝置1可拆卸地電性連接到待測電池2，用以對待測電池2進行電性測試。本實施例在此不限制待測電池2的蓄電容量與種類，例如待測電池2可以用於手機、平板電腦或筆記型電腦等蓄電容量較小的電池，當然待測電池2也可以是用於電動車或大型機具等蓄電容量較大的電池。另外，待測電池2可以是鋰電池，或者其他結構上同樣利用一或多層絕緣膜隔離正極與負極的各種材料製成的電池。所述電池測試裝置1包含電源供應模組10以及短路偵測模組12，短路偵測模組12耦接電源供應模組10。此外，當電池測試裝置1電性連接到待測電池2時，電源供應模組10以及短路偵測模組12也會同樣地電性連接到待測電池2。
電源供應模組10用於提供電能給待測電池2，所述電能大致上可以用於電性測試。於一個例子中，電源供應模組10可以是一種電源供應器(power supply)，且電源供應模組10可以用多種模式提供電能。例如，電源供應模組10可以操作在定電壓模式、定電流模式或者使用者自行定義的模式，據以對待測電池2以定電壓、定電流或者特定圖樣(pattern)的電壓或電流進行充電。實務上，電源供應模組10可以用來對待測電池2充電，但對待測電池2的電性測試並不以充電測試為限。例如，電池測試裝置1也可以另外設置有其他的模組，用以消耗待測電池2中的電能，從而對待測電池2的電性測試可以包含放電測試。
傳統上，要偵測待測電池2是否發生內短路(internal short circuit)並不容易，特別是內短路的情況並不嚴重時，更是幾乎無法觀察出來。以下使用待 測電池2的電路等效模型，來說明內短路的影響。請一併參閱圖1、圖2A與圖2B，圖2A係繪示依據本發明一實施例之待測電池無內短路的電路示意圖，圖2B係繪示依據本發明一實施例之待測電池有內短路的電路示意圖。當待測電池2沒有發生內短路時，如圖2A所示，待測電池2可以簡單看成儲能元件E和電阻元件R的組合。在此，本實施例將電源供應模組10提供的電流標示為充電電流I，並將流經儲能元件E和電阻元件R的電流標示為電流IR。為了方便說明，假設待測電池2以定電壓模式充電，此時電源供應模組10會提供充電電壓V與充電電流I，並且充電電流I會等於流經儲能元件E和電阻元件R的電流IR。實務上，隨著儲能元件E兩端的電壓越接近充電電壓V，於所屬技術領域具有通常知識者應該可以明白，電源供應模組10提供的充電電流I會漸漸減少。
另一方面，當待測電池2於某一時間點發生內短路時，待測電池2的電路示意圖會從圖2A轉換成圖2B。於圖2B中，待測電池2可以看成儲能元件E和電阻元件R一起並聯內短路電阻元件RISC的組合。在此，本實施例將流經內短路電阻元件RISC的電流標示為電流IISC，從而基於克希荷夫電流定律(Kirchhoff's current law)，充電電流I是電流IR與電流IISC的總和。換言之，由於待測電池2突然發生內短路，電源供應模組10提供的一部分充電電流I會瞬間被分流至電流IISC，從而電流IR會瞬間降低。為了保持儲能元件E和電阻元件R兩端的電壓穩定，於所屬技術領域具有通常知識者應該可以明白，電源供應模組10需要立刻將充電電流I拉高。
有別於內短路是屬於較嚴重的電池內部短路現象，於電池內部短路現象雖存在但不嚴重時，可以被本實施例定義為「微內短路(micro internal short circuit)」。「微內短路」發生的情況，可能是發生內短路的時間極短，或者等效的內短路電阻元件RISC顯著大於電阻元件R。所述發生內短路的時間極短的情況， 可能例如出現在絕緣膜出現破孔時，因為高熱瞬間將所述破孔碳化，而使得絕緣膜又瞬間歸復絕緣的狀態。所述等效的內短路電阻元件RISC顯著大於電阻元件R的情況，可能例如出現在絕緣膜變薄並即將被擊穿出破孔，而使得絕緣膜不完全絕緣的狀態。
舉內短路電阻元件RISC顯著大於電阻元件R為例，此時流經內短路電阻元件RISC的電流IISC會遠小於流經電阻元件R的電流IR。由於充電電流I是電流IR與電流IISC的總和，在電流IISC和電流IR相比幾可忽略的情況下，可知充電電流I仍會幾乎等於流經電阻元件R的電流IR。換句話說，此時電源供應模組10輸出的充電電流I波動非常小，導致充電電流I在不同時間點的微小變化，有可能被看成正常的信號擾動或雜訊。從而，「微內短路」幾乎無法由充電電流I的波動觀察出來。本實施例在此並不限制「微內短路」發生時，內短路電阻元件RISC電阻值和電阻元件R電阻值的比例，例如內短路電阻元件RISC電阻值可以是電阻元件R電阻值的10倍、50倍、100倍或100倍以上。
為了有效偵測「微內短路」，本實施例提出了耦接電源供應模組10的短路偵測模組12。在此，仍以前述假設待測電池2預計以定電壓充電為例，請一併參閱圖1、圖2B、圖3與圖4，圖3係繪示依據本發明一實施例之充電電流的波形示意圖，圖4係繪示依據圖3之充電電流的積分示意圖。如圖所示，於圖3繪示了充電電流在時間區間△t中發生了「微內短路」，然而為了方便所屬技術領域具有通常知識者閱讀，「微內短路」發生時的充電電流波動已被刻意放大，實際上「微內短路」發生時的充電電流波動很不容易察覺。有鑒於此，本實施例的短路偵測模組12可以於時間區間△t(第一測試時間區間)中，積分電源供應模組10 提供充電電流I(第一測試電流)，據以計算電源供應模組10提供的電能值Q1(第一輸出電能值)。
在此，本實施例與先前技術不同的是，先前技術僅依據充電電流I的波動，如前所述，容易被雜訊干擾而造成誤判。本實施例可以利用短路偵測模組12的硬體電路，直接對充電電流I於時間區間△t內進行積分，可以得到充電電流I於時間區間△t內包圍的面積。所屬技術領域具有通常知識者可以明白，充電電流I於時間區間△t內進行積分，意義上即電源供應模組10於時間區間△t內提供的總電量，例如電能值Q1，從而偵測「微內短路」可以更為靈敏。
此外，短路偵測模組12可以判斷電能值Q1(第一輸出電能值)是否超出一個預設電能值範圍，當第一輸出電能值超出所述預設電能值範圍，則短路偵測模組12產生異常信號。於一個例子中，如果沒有發生「微內短路」，縱使充電電流I受到雜訊干擾而有微幅波動，短路偵測模組12於時間區間△t內積分充電電流I後所得到的電能值，也應該會落在一個預設電能值範圍中。換言之，如果短路偵測模組12判斷電能值Q1沒有超出所述預設電能值範圍，則短路偵測模組12會認為待測電池2於時間區間△t內沒有發生「微內短路」，因此不會產生異常信號。反之，如果短路偵測模組12判斷電能值Q1已經超出所述預設電能值範圍，則短路偵測模組12會認為待測電池2於時間區間△t內有發生「微內短路」，因此會產生一個異常信號。
實務上，電池測試裝置1對待測電池2進行電性測試時，通常會持續一段時間(第二測試時間區間)，例如持續地充電數分鐘或數小時。此時，短路偵測模組12會持續地於每個時間區間(例如時間長度與所述時間區間△t相同)對充電電流I進行積分。待測電池2如果在數個不同的時間區間中，都發生了「微內 短路」，如前所述，短路偵測模組12會得到多個異常信號。電池測試裝置1可以計算在電性測試期間，短路偵測模組12發出異常信號的總數量，據以產生異常計數值。於一個例子中，異常計數值可以做為待測電池2的品質指標或者健康度的表徵。舉例來說，如果一個待測電池2在電性測試期間，異常計數值小於一個第一門檻值，則電池測試裝置1可以記錄這一個待測電池2為良品。反之，如果一個待測電池2在電性測試期間，異常計數值大於一個第二門檻值，則電池測試裝置1可以記錄這一個待測電池2為不良品。
於一個例子中，異常計數值也可以做為電池測試裝置1的緊急停止指標。舉例來說，如果一個待測電池2在電性測試期間，異常計數值大於一個第二門檻值，則電池測試裝置1除了可以記錄這一個待測電池2為不良品之外，由於待測電池2反覆地發生「微內短路」，很可能已經不適合繼續充電了。例如，反覆地發生「微內短路」將導致待測電池2過熱，繼續對待測電池2充電除了可能容易造成電池測試裝置1的損壞，也可能釀成更大的災害。當然，異常計數值大於一個第二門檻值，也可以被解釋成待測電池2明顯為不良品，沒有繼續電性測試的必要。本實施例在此不限制所述第一門檻值與第二門檻值的數值，於所屬技術領域具有通常知識者可以自由設計。
值得一提的是，所述預設電能值範圍也可以由使用者自由設定，例如可以依據環境雜訊的大小，適當的調整所述預設電能值範圍。當然，所述預設電能值範圍也可以依據待測電池2對於「微內短路」的容忍程度而定。於一個例子中，電能值Q1關聯於充電電流I的波動和時間區間△t。若是內短路電阻元件RISC電阻值越小，充電電流I的波動即越大。另一方面，若是「微內短路」發生的時間越長，也意味著時間區間△t越長。換句話說，使用者自行設定所述預設電 能值範圍時，可以參考幾個參數。舉例來說，設定所述預設電能值範圍時，可以參考待測電池2是否有規範發生內短路時，內短路電阻元件RISC的最小電阻值。又例如，設定所述預設電能值範圍時，可以參考待測電池2是否有規範發生內短路時的最長短路時間。本實施例在此不限制預設電能值範圍的上下限，所述預設電能值範圍也可能因為不同的待測電池2而有不同。
由於電源供應模組10可以操作在許多模式下，本實施例在此不限制短路偵測模組12僅能在時間區間△t內積分充電電流。於其他例子中，短路偵測模組12也有可能將充電電壓適當轉換後，在時間區間△t內積分電能值。舉例來說，假設待測電池2預計以定電流充電為例，請一併參閱圖1、圖2B與圖5，圖5係繪示依據本發明一實施例之充電電壓的波形示意圖。如圖所示，於圖5繪示了充電電壓在時間區間△t中發生了「微內短路」，且「微內短路」發生時的充電電壓波動已被刻意放大。此時，由於內短路電阻元件RISC未知，對於充電電壓的波動反映了於流經儲能元件E和電阻元件R的電流減損。為了保持流經儲能元件E和電阻元件R兩端的電流穩定，於所屬技術領域具有通常知識者應該可以明白，電源供應模組10此時需要提供更多的充電電流I。
實務上，本實施例可以利用短路偵測模組12的硬體電路，先對充電電壓V的波動換算電源供應模組10需要提供的額外充電電流，得到一個充電電壓V對額外充電電流的換算函式(例如f(v))，接著再將所述換算函式於時間區間△t內進行積分，同樣可以得到電源供應模組10於時間區間△t內提供的總電量，例如電能值Q2(圖未示)。由於充電電流可以由充電電壓的換算函式推算出來，因此充電電流於時間區間△t內的積分，可以由充電電壓的換算函式於時間區間△t內的積分推算出來。換言之，利用充電電壓於時間區間△t內積分計算電能值是實 務上可行的方案。接著，短路偵測模組12同樣可以判斷電能值Q2是否超出一個預設電能值範圍，當電能值Q2超出所述預設電能值範圍，則短路偵測模組12同樣產生異常信號。換言之，不論電源供應模組10操作在何種模式，短路偵測模組12都可以藉由電源供應模組10輸出的充電電壓或充電電流，偵測待測電池2是否發生「微內短路」，從而可以更靈敏地提早發現待測電池2的缺陷。
以實際的例子來說，短路偵測模組12可以用來偵測電源供應模組10輸出充電電壓或充電電流的波動，因此為了減少雜訊的干擾，短路偵測模組12可以用帶通濾波器以及取樣電路實作。請一併參閱圖1與圖6，圖6係繪示依據本發明另一實施例之電池測試裝置的功能方塊圖。如圖所示，本實施例示範了短路偵測模組12可以具有帶通濾波器120以及取樣電路122，所述帶通濾波器120耦接電源供應模組10，所述取樣電路122耦接所述帶通濾波器120。於一個例子中，帶通濾波器120可以具有一個濾波的頻率區間，用來濾除頻率區間之外的信號。實務上，所述頻率區間可以設定在50赫茲(Hz)到500赫茲之間，從而帶通濾波器120可以濾除低於50赫茲的低頻雜訊以及高於500赫茲的高頻雜訊。一方面可以減少信號的處理量，另一方面也是因為電源供應模組10輸出充電電壓或充電電流的波動大致上在所述頻率區間的範圍內。
於一個例子中，帶通濾波器120擷取出電源供應模組10輸出充電電壓或充電電流於所述頻率區間中的波動之後，將濾波後的充電電壓或充電電流饋入取樣電路122。取樣電路122接著可以於時間區間△t中，積分濾波後的充電電壓或充電電流，據以計算電源供應模組10提供的電能值。實務上，取樣電路122可以是一種峰值保持(peak hold)電路，用以記錄濾波後的充電電壓或充電電流於時間區間△t中的最大波動，據以換算出積分後的電能值。當然，本實施例在此 不以取樣電路122是峰值保持電路為限，於所屬技術領域具有通常知識者也可以選用其他的積分電路做為取樣電路122。
為了說明本發明的電池測試方法，請一併參閱圖1、圖2A、圖2B與圖7，圖7係繪示依據本發明一實施例之電池測試方法的步驟流程圖。如圖所示，本實施例的電池測試方法，同樣用以測試待測電池2，所述電池測試方法包含以下步驟。於步驟S30中，提供電源供應模組10，電源供應模組10用以提供第一測試電壓或第一測試電流。例如，電源供應模組10會提供充電電壓V與充電電流I，並且充電電流I會等於流經儲能元件E和電阻元件R的電流IR。於步驟S32中，假設待測電池2以定電壓模式充電，短路偵測模組12可以於時間區間△t(第一測試時間區間)中，積分電源供應模組10提供充電電流I(第一測試電流)，據以計算電源供應模組10提供的電能值Q1(第一輸出電能值)。於步驟S34中，短路偵測模組12可以判斷電能值Q1是否超出預設電能值範圍。以及，於步驟S36中，當短路偵測模組12判斷第一輸出電能值超出預設電能值範圍，可以產生異常信號。本發明的電池測試方法中每個步驟皆以於前述實施例詳細說明，在此不予贅述。
綜上所述，本發明提供的電池測試裝置可以具有短路偵測模組，並且短路偵測模組藉由積分所述充電電壓或充電電流以推算出電能值，再判斷所述電能值是否超過預設電能值範圍，進而能更快速地發現電池內部是否發生短路異常。
1:電池測試裝置
10:電源供應模組
12:短路偵測模組
2:待測電池

Claims (7)

  1. 一種電池測試裝置，用以測試一待測電池，所述電池測試裝置包含：一電源供應模組；以及一短路偵測模組，耦接該電源供應模組，用以於一第一測試時間區間中，積分該電源供應模組提供的一第一測試電壓或一第一測試電流，據以計算該電源供應模組提供的一第一輸出電能值，且該短路偵測模組判斷該第一輸出電能值是否超出一預設電能值範圍，當該第一輸出電能值超出該預設電能值範圍，則該短路偵測模組產生一異常信號；其中該短路偵測模組於一第二測試時間區間中，計算該短路偵測模組產生該異常信號的次數，據以產生一異常計數值。
  2. 如請求項1所述之電池測試裝置，其中該電源供應模組具有一定電壓模式與一定電流模式，當該電源供應模組操作於該定電壓模式時，該短路偵測模組積分該電源供應模組提供的該第一測試電流，當該電源供應模組操作該定電流模式時，該短路偵測模組積分該電源供應模組提供的該第一測試電壓。
  3. 如請求項2所述之電池測試裝置，其中該短路偵測模組具有一帶通濾波器，該帶通濾波器耦接該電源供應模組，用以選擇性地擷取位於一頻率區間中的該第一測試電壓或該第一測試電流。
  4. 如請求項3所述之電池測試裝置，其中該短路偵測模組更具有一取樣電路，該取樣電路耦接該帶通濾波器，用以於該第一測試時間區間中，積分位於該頻率區間中的該第一測試電壓或該第一測試電流。
  5. 一種電池測試方法，用以測試一待測電池，所述電池測試方法包含：提供一電源供應模組，該電源供應模組用以提供一第一測試電壓或一第一測試電流；於一第一測試時間區間中，積分該第一測試電壓或該第一測試電流，據以計算一第一輸出電能值；判斷該第一輸出電能值是否超出一預設電能值範圍；當該第一輸出電能值超出該預設電能值範圍，則產生一異常信號；以及於一第二測試時間區間中，計算產生該異常信號的次數，據以產生一異常計數值。
  6. 如請求項5所述之電池測試方法，其中該電源供應模組具有一定電壓模式與一定電流模式，當該電源供應模組操作於該定電壓模式時，積分該電源供應模組提供的該第一測試電流，當該電源供應模組操作於該定電流模式時，積分該電源供應模組提供的該第一測試電壓。
  7. 如請求項6所述之電池測試方法，其中於積分該第一測試電壓或該第一測試電流，據以計算該第一輸出電能值的步驟中，更選擇性地積分一頻率區間中的該第一測試電壓或該第一測試電流。
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