TWI723694B - 一種快速評估電池剩餘可用容量的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種快速評估電池剩餘可用容量的方法，其步驟包括：對一受測電池進行第一時間之定電流充電，並以一預設頻率擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度，產出一時間‧電壓對照圖；該受測電池靜置第二時間，並以該預設頻率擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度；計算該受測電池於定電流充電期間之一電壓驟升率；計算該受測電池於靜置期間之一電壓驟降率；計算一關鍵取樣點時間；運用該關鍵取樣點時間，對照前述定電流充電期間所量測之該時間、電壓對照圖，得到一關鍵點取樣電壓值；計算該受測電池之一電壓變化斜率值；計算該受測電池從其下限電壓以定電流充電至其上限電壓，必須耗用之充電時間；計算該受測電池剩餘可用容量之一補償比例值；計算出該受測電池之剩餘可用容量。
Description
本發明係與電池檢測技術有關，特別係指一種用於較先前技術快速且準確之快速評估電池剩餘可用容量的方法。
隨著石化能源的逐漸耗竭與動力電池技術之不斷提升，面對地球生態環境破壞與極端氣候變遷等，人們愈來愈重視節能減碳、綠色能源與環保永續等議題，而電動載具如電動巴士、電動汽車與電動機車等，在諸多國家政府之支持推廣下，市場佔有率逐年提升，預期未來幾年內電動載具市場將會日趨成熟與普及化。動力電池是提供電動載具行駛、用電等之主要能量來源，然而這些動力電池會隨著使用時間增長、行駛里程累積等而逐漸老化、劣化，電池之老化與劣化來自許多肇因，且有明確可觀察之習知指標，如電池剩餘可用容量減損，以及電池內阻抗增加等。
從習知易用可知，電動載具所採用之動力電池組，當其剩餘可用容量低於電池組出廠之標稱容量(或額定容量)70~80%時，即習以判定不再適用於該電動載具，且恐無法滿足實際應用與安全等需求。因此，如電動汽車之相關從業廠
商需要一種電池現況檢測方法，藉以有效評估電池老化、劣化等之程度，以及電池性能現況，並做為提供最佳汰役時機與再轉用分級篩選之參考依據。透過前述之電池分級、篩選、匹配與重組等重製過程後，例如可將汰役電池應用於儲能系統，達到延長電池全壽期應用、提高使用效益、降低初始購置成本等優勢。再者，因應未來電動汽車數量日益快速增加下，如何快速準確評估電動載具使用過動力電池組之剩餘可用容量？亦將是未來擴大電動汽車二手交易市場，必須先突破之瓶頸問題。因此，本發明所提出之電池剩餘可用容量快速評估方法，將是建立未來電池剩餘可用容量評估機制之絕佳參考。
美國專利公開第20070252600號「Diagnosis method for state-of-health of batteries」用來診斷電池之健康狀態(SoH)，係以定電流長時間對電池進行放電，利用量測電池電壓與電壓變化率，來評估電池之健康狀態，且需要數小時才能完成電池診測工作，無法滿足快速診斷電池剩餘可用容量之急切需求。美國專利公開第20090128097號「Method and system for tracking battery state of health」則是透過對電池之充電與充電時間，計算電池充入之電量，再與電池的預置容量進行比對與分析，決定電池之健康狀態。同樣，該方法檢測時間長，無法滿足快速檢測電池剩餘可用容量之需求。美國專利第6281683號「Rapid determination of present and potential battery capacity」使用一複數個放電電流脈衝與一複數個靜置
期間，分別量測脈衝電流期間之電池電壓，與靜置期間之電池開路電壓(Voc)，計算各脈衝之電壓差值，透過查表或數學方程式等手段，計算出電池剩餘容量與最大充電容量，此方法雖然可以快速計算出電池容量，但未考慮到電池測試時之電池狀態；同時，因靜置時間過短，無法準確獲得真實之電池開路電壓，極易造成估算誤差。中華民國專利申請案號第098127249號「以直流內阻估算鋰電池容量之方法」於電池模組內建立額外之一個放電迴路，利用此一放電迴路調節電池負載放電，使電池總放電電流值固定，進而量測電池內阻，由預置之電池內阻與容量之關係，查表估算出電池容量。此方法僅考慮到電池放電之電池狀態，同時，每次放電前之電池狀態未知，例如老化、劣化等狀態，則易造成放電電壓量測之不確定性；且由於真實之電池開路電壓並非短時間可以量測得到，亦會造成計算電池內阻值之誤差。如前揭所述，目前現有電池狀態之檢測方法與裝置均有應用上之侷限性與不足缺點，包括：利用電池完整充放電程序，可有效獲得準確之電池剩餘可用容量，但檢測時間過長，無法快速獲得電池現有狀態。
在傳統之電池剩餘容量(remaining capacity，簡稱為RC)估算方法中，電池剩餘可用容量之估算是透過在一個初始電池剩餘容量值上進行增加或减少來實現；其中，初始電池剩餘容量值乃是基於電池之開路電壓，從查找表中讀取所得之電池剩餘可用容量值，並且在電池剩餘可用容量值上增
加/减少之程度，是透過對進出電池之電荷計數(可以稱作庫侖計數coulomb counting)而得。具體而言，電池通常具有特定之電壓-容量特性。查找表列出了對應於不同參考電壓之電池剩餘可用容量值。在查找表內，對應於每一個參考電壓之電池剩餘可用容量值，是透過對已經完全放電之電池進行充電，直至電池之開路電壓達到參考電壓，並且透過對充電過程中輸入至電池之電荷進行計數而得。計數所得之庫侖電荷量是對應於參考電壓之電池剩餘可用容量值。然由於庫侖計數所累積之誤差，導致查找表並不精確。此外，當電池完全放空電量時，通常電池還留有殘餘容量(residual capacity，簡稱為RES)。殘餘容量值會隨著電池之電壓、電流、溫度等變化而改變，此亦降低了估算過程中之準確性。
為解決先前技術之缺點，本發明係提供一種快速評估電池剩餘可用容量的方法，可快速並準確的計算出一受測電池之剩餘可用容量，以做為評估電池剩餘壽限與實際運用狀況分析等之依據。
本發明係為一種快速評估電池剩餘可用容量的方法，其步驟包括：對一受測電池進行第一時間之定電流充電，並以一預設頻率擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度，產出一時間‧電壓對照圖；該受測電池靜置第二時間，並以該預設頻率擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度；計
算該受測電池於定電流充電期間之一電壓驟升率；計算該受測電池於靜置期間之一電壓驟降率；計算一關鍵取樣點時間；運用該關鍵取樣點時間，對照前述定電流充電期間所量測之該時間‧電壓對照圖，得到一關鍵點取樣電壓值；計算該受測電池之一電壓變化斜率值；計算該受測電池從其下限電壓以定電流充電至其上限電壓，必須耗用之充電時間；計算該受測電池剩餘可用容量之一補償比例值；計算出該受測電池之剩餘可用容量。
本發明之一實施例中，該第一時間係為180~240秒。
本發明之一實施例中，該第二時間係為30~60秒。
本發明之一實施例中，該預設頻率係≧1Hz。
本發明之一實施例中，該受測電池所在之週邊環境溫度係為受測電池安全使用溫度範圍，一般係可為25±3℃。
本發明之一實施例中，該定電流充電之電流大小為0.2C~2C。
以上之概述與接續之詳細說明及附圖，乃皆為能進一步說明本發明達到預定目的所採取之方式、手段及功效。而有關本發明之其他目的及優點，將在後續各項說明及圖示中加以闡述。
S01~S10:方法步驟
圖1係為本發明之一種快速評估電池剩餘可用容量的方法第一實施例步驟流程圖。
圖2係為本發明之受測電池於定電流充電與靜置期間之時間‧電壓對照圖。
以下係藉由特定具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容，輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
在習知應用中，「剩餘可用容量」是評估電池「是否可持續順利安全使用、剩餘價值多寡、健康現況良窳」等之重要依據。尤其是電池在進入週期性性能檢測、汰役再轉用等階段時，此種需求會更加明確。若能配合電池現處之應用環境、工作狀況等，開發出可快速且準確之「剩餘可用容量」診測技術，對電池、電動車輛、儲能系統，以及其他相關應用等產業，將會有革命性之進步改變。
然而，診測結果之準確與否，應須先定義在同一標準診測條件下，方能進行客觀比較。但實際執行診測工作之單位無法要求客戶，必須要在某種特定狀態下，才能將待測試電池送來進行診測工作。換言之，執行診測的單位很可能會受到在「環境溫度、電池溫度、荷電狀態」等多種現況狀態，不同於前述標準診測條件之待診測電池。因此，「剩餘可用容量」在本發明中，先定義此〝標準診測條件〞為「環境溫度25±3℃、
測試固定電流倍率1.0C、測試起始電壓為受測電池之下限電壓(V _LL )」等條件下，且前述三項必須同時存在。在荷電狀態(SoC)小於50%之任一應用情境下，利用本發明中所提出之方法，均可轉換為於標準診測條件之「剩餘可用容量」對等結果，並進行客觀評鑑與比較。
圖1係為本發明之一種快速評估電池剩餘可用容量的方法第一實施例步驟流程圖，如圖1所示，該實施例之步驟係包括：
(a)對一受測電池進行第一時間(180~240秒)之定電流(I _constant ，可為0.2C~2C)充電，並以一預設頻率(≧1Hz)擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度，產出一時間‧電壓對照圖S01；該時間‧電壓對照圖之範例如圖2所示，該受測電池所在之測試環境溫度為25±3℃。
(b)該受測電池靜置第二時間(30~60秒)，並以該預設頻率(≧1Hz)擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度S02；
(c)計算該受測電池於定電流充電期間之一電壓驟升率S03；電壓驟升率(V _rise rate )係指該受測電池於定電流充電初期(本實施例中為前10秒)之電壓變化率，參考圖2之時間‧電壓對照圖，可看出電池電壓在定電流充電初期有較明顯的驟升趨勢，該電壓驟升率(V _rise rate )之計算公式係：
(d)計算該受測電池於靜置期間之一電壓驟降率S04；電壓驟降率(V _drop rate )係指受測電池於靜置時間初期(本實施例中為充電結束後之第180秒至靜置時間的第190秒間)的電壓變化率，參考圖2之時間‧電壓對照圖，可看出電池電壓在靜置時間初期有較明顯之驟降趨勢，該電壓驟降率(V _drop rate )之計算公式係：
(e)計算一關鍵取樣點時間S05；首先必須先取得該受測電池新品狀態下之標準關鍵取樣點時間t _critical_new ，使用該受測電池之全新品電池，在25℃、1.0C固定電流倍率、起始電壓為放電下限電壓V _LL 下，使用前述之定電流充電、靜置等程序後，推算出一標準關鍵取樣點時間t _critical_new ，再依據該受測電池之種類、老化狀態、服役時間、起始電壓V 0 等不同條件，選定適合該受測電池之關鍵取樣點時間t _critical ，計算公式如下：
here,a=3.171×10-8 and is a constnat transfer coefficient.t _critical =t _critical_new -η
標準關鍵取樣點時間t _critical_new 依電池種類而定，以鋰三元系電池為例、其全新品的標準關鍵點時間，可選定為124秒；而關鍵取樣點時間t _critical 數值選定可為110秒到180秒間；
(f)運用該關鍵取樣點時間，對照前述定電流充電期間所量測之該時間、電壓對照圖，得到一關鍵點取樣電壓值S06；請參閱圖2之時間‧電壓對照圖範例，得知關鍵取樣點時間t _critical 後，即可從該時間‧電壓對照圖之曲線得知關鍵點取樣電壓值V _critical ；
(g)計算該受測電池之一電壓變化斜率值S07；電壓變化斜率值S _charging 之計算公式如下：
V 0 為起始電壓，t 0 為起始時間；
(h)計算該受測電池從其下限電壓以定電流充電至其上限電壓，必須耗用之充電時間S08；充電時間△t之計算公式如下：
受測電池的上限電壓為V _UL ，下限電壓為V _LL ；受測電池在上限電壓時之荷電狀態(State of Charge,SoC)為100%、在下限電壓時為0%；
(i)計算該受測電池剩餘可用容量之一補償比例值S09；該補償比例值δ之計算公式如下：
-0.2<α<0,0.2>β>0,and 0.2>γ>0其中T _ambient 係指測試時之當前環境溫度，V _rated 係指受測電池之額定電壓值(例如對鋰鐵電池單體為3.2V、鋰三元系電池單體為3.7V、鉛酸電池單體為2.0V、鎳氫電池單體為1.2V等)；
(j)計算出該受測電池之剩餘可用容量S10；剩餘可用容量Capacity _estimate 之計算公式如下：Capacity _estimate =I _@1.0C ．△t．(1+δ)/3600
本發明之一實施例中，為更詳細的揭示本發明之評估方法計算過程，以下列出一計算過程範例，在該範例中，該電池為鋰三元系電池組，額定電壓值為44.4V，測試使用的定電流充電數值為94A，測試時的周遭環境溫度為25℃，請參閱如下：
t _critical =t _critical_new -η=124-10=114
here,α=-0.08,β=0.05,and γ=0.01 Capacity _estimate =I _@1.0C．△t．(1+δ)/3600=94.0×3105.59.(1+0.000348)/3600=81.13Ah
本發明之一實施例中，當電池老化、劣化等狀態越明顯時，關鍵取樣點時間t _critical 須逐步選擇較小值。起始電壓(V 0 )宜選定受測電池在其荷電狀態SoC≦90%之電壓值。
本發明提供另一批共19組實施例，係如下表所示。由表可看出使用本發明之評估方法推算之電池容量與實際量測得知的電池容量差異甚小，足見本發明之電池剩餘可用容量快速評估方法相當準確、且所須量測時間較傳統技術短而快速。
藉此，本發明係提供一種快速評估電池剩餘可用容量的方法，可快速並準確的計算一受測電池之剩餘可用容量，以做為評估電池剩餘壽限與運用狀況分析之依據。相較於傳統技術需要至少2小時以上，進行充電、放電等程序以量測電池實際容量之做法，本發明僅需4分鐘左右，即可快速準確計算出受測電池之剩餘可用容量，對於儲能、電動載具等電池運用相關產業將有極大之助益。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S01~S10‧‧‧方法步驟
Claims (6)
- 一種快速評估電池剩餘可用容量的方法，其步驟包括：對一受測電池進行第一時間之定電流充電，並以一預設頻率擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度，產出一時間‧電壓對照圖；該受測電池靜置第二時間，並以該預設頻率擷取該受測電池即時之電壓值、正極端溫度；計算該受測電池於定電流充電期間之一電壓驟升率；計算該受測電池於靜置期間之一電壓驟降率；計算一關鍵取樣點時間；運用該關鍵取樣點時間，對照前述定電流充電期間所量測之該時間‧電壓對照圖，得到一關鍵點取樣電壓值；計算該受測電池之一電壓變化斜率值；計算該受測電池從其下限電壓以定電流充電至其上限電壓，必須耗用之充電時間；計算該受測電池剩餘可用容量之一補償比例值；計算出該受測電池之剩餘可用容量；其中測試時的環境溫度為25±3℃、測試之該定電流固定電流倍率1.0C、測試起始電壓為該受測電池之下限電壓。
- 如請求項1所述之快速評估電池剩餘可用容量的方法，其中該第一時間係為180~240秒。
- 如請求項1所述之快速評估電池剩餘可用容量的方法，其中該第二時間係為30~60秒。
- 如請求項1所述之快速評估電池剩餘可用容量的方法，其中該預設頻率係≧1Hz。
- 如請求項1所述之快速評估電池剩餘可用容量的方法，其中該受測電池所在之週邊環境溫度係為受測電池安全使用溫度範圍。
- 如請求項1所述之快速評估電池剩餘可用容量的方法，其中該定電流充電之電流大小為0.2C~2C。
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