TWI762250B - 電池剩餘使用壽命預測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種電池剩餘使用壽命預測方法，包含步驟：取得參考電池多次執行充放電循環後的參考老化數據；檢測待測電池已執行的充放電循環次數；依據待測電池的初始容量以及每次進行充放電循環後的容量，以計算歷史健康狀態數據；分析歷史健康狀態數據與充放電循環次數的關係以產生歷史老化數據；基於參考老化數據，依據參考老化數據與歷史老化數據的比例參數，以推估待測電池執行更多次充放電循環後的未來老化數據，以預測待測電池的剩餘使用壽命。

Description

電池剩餘使用壽命預測方法
本發明涉及電池，特別是涉及一種可檢測待測電池目前剩餘可執行的充放電循環次數的電池剩餘使用壽命預測方法。
動力電池廣泛應用在人們日常生活的各個方面。無論是對於使用動力電池的新能源汽車，還是無線通信基站的後備電源而言，動力電池的使用壽命預測成為各行業發展的關鍵因素，特別是動力電池的壽命精確預測是安全技術的核心，也是當前面臨的難題。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種電池剩餘使用壽命預測方法，包含以下步驟：定義連續執行一次充電與一次放電為完成一次充放電循環，取得參考電池多次執行充放電循環後所取得的參考健康狀態數據；分析參考電池的充放電循環次數與參考健康狀態數據的關係，以建立參考老化數據；檢測待測電池已執行的充放電循環次數；檢測待測電池的初始容量以及每次進行充放電循環後的容量，以計算待測電池的歷史健康狀態數據；分析待測電池已執行的充放電循環次數與歷史健康狀態數據的關係，以產生歷史老化數據；計算參考老化數據與歷史老化數據的比例參數；基於參考老化數據，依據比例參數，以推估待測電池執行更多次 充放電循環後的健康狀態數據，以產生未來老化數據，其中未來老化數據包含不同充放電循環次數分別對應的未來健康狀態數據；定義待測電池的壽終健康狀態；從未來老化數據中，查找與壽終健康狀態最相近的未來健康狀態數據所對應的充放電循環次數，作為預測的總循環次數；以及將預測的總循環次數與待測電池已執行的充放電循環次數相減，以取得待測電池目前剩餘可執行的充放電循環次數。
在一實施態樣中，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：檢測參考電池未執行任何充放電時的初始容量；將參考電池進行多次充放電，使參考電池的容量從初始容量降至一門檻值；記錄參考電池執行的充放電循環次數；每執行一次充放電循環後，檢測參考電池的容量；依據參考電池的初始容量以及每次檢測到的參考電池的容量，以計算參考電池的參考健康狀態數據；以及分析參考電池執行的充放電循環次數與參考健康狀態數據的關係，以產生參考老化數據。
在一實施態樣中，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：分析參考電池執行的充放電循環次數與參考健康狀態的關係，以建立參考老化曲線，包含在參考老化數據中；以及分析待測電池已執行的充放電循環次數與歷史健康狀態數據的關係，以建立歷史老化曲線，包含在歷史老化數據中。
在一實施態樣中，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：在參考老化曲線與歷史老化曲線中，依據各點充放電循環次數所對應的電池健康狀態數據，分別為相同充放電循環次數的參考老化數據與歷史老化數據，依據參考老化數據與歷史老化數據的關係，計算比例參數；基於參考老化曲線，依據比例參數，以推估待測電池的未來老化曲線；以及從未來老化曲線中，查找與壽終健康狀態最相近的未來健康狀態數據對應的充放電 循環次數，作為預測的總循環次數。
在一實施態樣中，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：將每次執行充放電循環後的參考電池當下的容量，除以參考電池的初始容量，乘以100%，以計算出參考電池的參考健康狀態數據，以下列方程式表示：SOH=(CN/C0)．100%，其中，SOH代表參考健康狀態數據，N代表參考電池已執行的充放電循環次數，C N 代表執行N次充放電循環後的參考電池當下的容量，C 0代表參考電池的初始容量。
在一實施態樣中，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：利用多項式函數，將執行的充放電循環次數與參考健康狀態數據擬和，以下列方程式表示：SOHF=a．N3+b．N2+c．N+d，其中，SOHF代表利用多項式函數擬和出的參考健康狀態數據，N代表充放電循環次數，a、b、c、d代表係數。
在一實施態樣中，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：將每次執行充放電循環後的待測電池當下的容量，除以待測電池的初始容量，乘以100%，以計算出待測電池的歷史健康狀態數據，以下列方程式表示：SOH=(CN/C0)．100%，其中，SOH代表歷史健康狀態數據，N代表待測電池已執行的充放電循環次數，C N 代表執行N次充放電循環後的待測電池當下的容量，C 0代表待測電池的初始容量。
在一實施態樣中，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下 步驟：利用多項式函數，將執行的充放電循環次數與歷史健康狀態數據擬和，以下列方程式表示：SOHF=a．N3+b．N2+c．N+d，其中，SOHF代表利用多項式函數擬和出的歷史健康狀態數據，N代表充放電循環次數，a、b、c、d代表係數。
如上所述，本發明提供一種電池剩餘使用壽命預測方法，其能預見電池老化程度，並提供預測電池的剩餘使用壽命，可用於提醒使用者改變使用習慣或是限制使用輸出，以延長電池壽命。另外，此技術可提前判斷電池壽終，提醒使用者更換新品，避免使用者因電力不繼受到損失。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
S101~S117、S201~S213、S301~S313:步驟
CU1:參考老化曲線
CU2:歷史老化曲線
CU3:未來老化曲線
RUL:待測電池的剩餘使用壽命
Ne:代表待測電池從全新品到壽終可執行的預測的總循環次數
Nu:代表待測電池已執行的充放電循環次數
圖1為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法的檢測參考電池的步驟流程圖。
圖2為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法的檢測待測電池的步驟流程圖。
圖3為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法的計算出待測電池剩餘的充放電循環次數的步驟流程圖。
圖4為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法檢測參考電池和待測電池的充放電循環次數與電池健康狀態數據所建立的參考電池的參考老化曲線以及待測電池的歷史老化曲線的曲線圖。
圖5為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法建立的待測 電池的未來老化曲線的曲線圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
請參閱圖1和圖4，其中圖1為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法的檢測參考電池的步驟流程圖，圖4為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法檢測參考電池和待測電池的充放電循環次數與電池健康狀態數據所建立的參考電池的參考老化曲線以及待測電池的歷史老化曲線的曲線圖。
本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法可包含如圖1所示的步驟S101~S117，以欲先檢測一個電池(在下文統稱為參考電池)的數據進行分析和評估，作為後續評估未知電池(在下文統稱為待測電池)的數據。實務上，亦可省略步驟S101~S117，改為直接從資料庫取得參考電池的參考老化數據。
在步驟S101，取得參考電池。
在步驟S103：檢測參考電池的初始容量。
在步驟S105，將參考電池進行多次充放電。
在步驟S107，定義連續執行一次充電與一次放電為完成一次充放電循環，計數充放電循環次數。
在步驟S109，檢測參考電池每執行一次充放電循環後的容量。應理解，隨著充放電循環執行次數越多，參考電池的容量將越小。
在步驟S111，判斷參考電池的目前容量是否已從初始容量降至門檻值。若否，即參考電池的目前容量仍大於門檻值，則回到步驟S105，將參考電池執行更多次的充放電循環。相反地，若是，即參考電池的目前容量已降至門檻值，則執行下一步驟S113。
在步驟S113，依據參考電池的初始容量以及每次執行充放電循環後檢測到的容量，以計算參考電池的參考健康狀態(State Of Health,SOH)數據，以取得累積執行的充放電循環次數所取得的參考健康狀態。
例如，將執行N次充放電循環後的參考電池當下的容量除以參考電池的初始容量，乘以100%，以計算出參考電池的參考健康狀態數據，以下列方程式表示：SOH=(CN/C0)．100%，其中，SOH代表參考電池的健康狀態數據(即參考健康狀態數據)，N代表參考電池已執行的充放電循環次數，可以任意適當整數值，CN代表執行N次充放電循環後的參考電池當下的容量，C0代表參考電池的初始容量。
在步驟S115，分析參考電池執行的充放電循環次數與參考健康狀態數據的關係，以在步驟S117建立參考老化數據。例如，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：利用多項式函數，將執行的充放電循環次數與參考健康狀態數據擬和，以下列方程式表示：SOHF=a．N3+b．N2+c．N+d，其中，SOHF代表利用多項式函數擬和出的參考老化數據，N代表充放電循環 次數，a、b、c、d代表係數。
若有需要，可分析參考電池執行的充放電循環次數與參考健康狀態數據的關係，以建立一參考老化曲線在曲線圖中，如圖4所示的參考老化曲線CU1，代表參考電池從全新狀態時的初始容量(電池滿電)放電至容量為零值過程中，即參考健康狀態數據從100%下降至0%過程中，參考健康狀態數據隨充放電循環次數變化的完整的參考老化數據。
如圖4所示的參考老化曲線CU1，在參考電池執行1893次的充放電循環後，參考電池的參考健康狀態將降至30%，而在執行2146次充放電循環後，參考健康狀態降至為0%。
在本文實施例中，如上述執行完步驟S101~S117之後，取得參考電池從全新品至電池容量為門檻值時的完整參考老化數據。
請參閱圖2和圖4，其中圖2為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法的檢測待測電池的步驟流程圖，圖4為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法檢測參考電池和待測電池的充放電循環次數與電池健康狀態數據所建立的參考電池的參考老化曲線以及待測電池的歷史老化曲線的曲線圖。
本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法可包含如圖2所示的步驟S201~S213，以檢測待測電池。
在步驟S201，取得待測電池。
在步驟S203，直接取得或檢測待測電池的初始容量。
在步驟S205，檢測待測電池已執行的充放電循環次數。
在步驟S207，檢測待測電池每次進行充放電循環後的容量。
在步驟S209，依據待測電池的初始容量以及每次進行充放電循環後的容量，以計算待測電池的歷史健康狀態數據。
例如，將執行N次充放電循環後的待測電池當下的容量除以待測電池的初始容量，乘以100%，以計算出待測電池的歷史健康狀態數據，以下列方程式表示：SOH=(CN/C0)．100%，其中，SOH代表待測電池的歷史健康狀態數據，N代表待測電池已執行的充放電循環次數，CN代表執行N次充放電循環後的待測電池當下的容量，C0代表待測電池的初始容量。
在步驟S211，分析待測電池已執行的充放電循環次數與歷史健康狀態數據的關係，以在步驟S213產生待測電池的歷史老化數據。
例如，所述電池剩餘使用壽命預測方法更包含以下步驟：利用多項式函數，將執行的充放電循環次數與歷史健康狀態數據擬和，以下列方程式表示：SOHF=a．N3+b．N2+c．N+d，其中，SOHF代表利用多項式函數擬和出的歷史健康狀態數據，N代表充放電循環次數，a、b、c、d代表係數。
若有需要，可分析待測電池已執行的充放電循環次數與歷史健康狀態數據的關係，以建立一歷史老化曲線。在曲線圖中，如圖4所示的歷史老化曲線CU2，代表待測電池的歷史健康狀態數據隨已執行的充放電循環次數的變化。由於待測電池只有經歷幾次充放電循環，未能良好擬合並描繪出未來老化曲線，例如待測電池目前累積已執行的充放電循環次數舉例僅約428次，故相比於參考電池從全新品開始測試至近乎壽終的參考老化曲線CU1為完整曲線作為參考，待測電池的歷史老化曲線CU2僅有一小段。
請參閱圖3至圖5，其中圖3為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法的計算出待測電池剩餘的充放電循環次數的步驟流程圖，圖4為本發 明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法檢測參考電池和待測電池的充放電循環次數與電池健康狀態數據所建立的參考電池的參考老化曲線以及待測電池的歷史老化曲線的曲線圖；圖5為本發明實施例的電池剩餘使用壽命預測方法建立的待測電池的未來老化曲線的曲線圖。
本實施例的電池剩餘使用壽命預測方法可包含如圖3所示的步驟S301~S313，執行在步驟S117以及步驟S213之後。
在步驟S301，計算參考老化數據與歷史老化數據的比例參數，例如在參考老化曲線與歷史老化曲線中，依據各點充放電循環次數所對應的電池健康狀態數據，分別為相同充放電循環次數的參考老化數據與歷史老化數據，依據參考老化數據與歷史老化數據的關係，計算比例參數。
例如，待測電池的歷史老化數據所包含的歷史老化曲線CU2的數據與參考電池的參考老化數據的參考老化曲線CU1的數據的比例參數，以下列方程式計算取得：f(N)H=α(N)H．g(N)，其中，f(N)H代表歷史老化曲線的數據，α(N)H代表比例參數，g(N)代表參考老化曲線的數據。
在步驟S303，依據參考老化曲線的數據以及上述計算取得的比例參數，以預測待測電池執行更多次充放電循環後的健康狀態數據，以估測未來老化曲線(例如未來老化曲線CU3)的數據，可以下列方程式表示：f(N)F=α(N)F．g(N)，其中，f(N)F代表未來老化曲線的數據，α(N)F代表比例參數，假設α(N)F=α(N)H，g(N)代表參考老化曲線的數據，α(N)F會隨著累積待測電池執行的充放電循環次數而不斷更新，其可由待測電池的歷史老化曲線的數據與參考老化曲線的數據計算而得。
基於如圖4所示的參考老化曲線CU1，依據比例參數，以預測待測電池執行更多次充放電循環後的如圖5所示的未來老化曲線CU3，銜接在如圖4所示的歷史老化曲線CU2後，以形成待測電池從全新品開始測試至壽終的完整曲線。
在步驟S305，定義待測電池的壽終健康狀態，例如但不限於30%，表示為SOH%=30%，即定義待測電池執行多次充放電循環後的容量佔全新待測電池的初始容量的比例小於30%時，判斷待測電池壽終(End of life,EOL)。應理解，壽終健康狀態的比例大小，可取決於待測電池的型態、種類、應用的產品領域、使用者使用習慣等因素。
在步驟S307，從未來老化數據(的未來老化曲線)的未來健康狀態數據中，查找與壽終健康狀態最相近的未來健康狀態數據例如但不限於30%，以在步驟S309取得與查找到的未來健康狀態數據對應的充放電循環次數，作為預測的總循環次數。亦即，取得待測電池執行的充放電循環的次數到達預測的總循環次數時，待測電池的使用壽命將減少至定義的壽終狀態。
在步驟S311，將預測的總循環次數與待測電池已執行的充放電循環次數相減，以在步驟S313取得待測電池目前剩餘可執行的充放電循環次數，即推估待測電池的剩餘使用壽命(Remaining useful life,RUL)，以下方程式表示：RUL=Ne-Nu，其中，RUL代表待測電池目前剩餘可執行的充放電循環次數，Ne代表待測電池從全新品到壽終可執行的預測的總循環次數，即待測電池從初始容量到壽終門檻值例如但不限於SOH=30%可執行的總循環次數，Nu代表待測電池已執行的充放電循環次數。
如此，使用設有待測電池的產品的使用者或管理者可得知電池 剩餘的使用壽命，據以可改變使用習慣或預先做好更換新電池的準備。
如圖5所示的未來老化曲線CU3，在待測電池執行1912次的充放電循環後，待測電池的未來健康狀態將降至30%，為上述舉例定義的壽終健康狀態，此時判斷待測電池壽終，但本發明不以此為限。
綜上所述，本發明提供一種電池剩餘使用壽命預測方法，其能預見電池老化程度，並提供預測電池的剩餘使用壽命，可用於提醒使用者改變使用習慣或是限制使用輸出，以延長電池壽命。另外，此技術可提前判斷電池壽終，提醒使用者更換新品，避免使用者因電力不繼受到損失。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
S117、S213、S301~S313:步驟

Claims (8)

  1. 一種電池剩餘使用壽命預測方法，包含以下步驟： 定義連續執行一次充電與一次放電為完成一次充放電循環，取得一參考電池多次執行充放電循環後所取得的一參考健康狀態數據； 分析該參考電池的充放電循環次數與該參考健康狀態數據的關係，以建立一參考老化數據； 檢測一待測電池已執行的充放電循環次數； 檢測該待測電池的初始容量以及每次進行充放電循環後的容量，以計算該待測電池的一歷史健康狀態數據； 分析該待測電池已執行的充放電循環次數與該歷史健康狀態數據的關係，以產生一歷史老化數據； 計算該參考老化數據與該歷史老化數據的一比例參數； 基於該參考老化數據，依據該比例參數，以推估該待測電池執行更多次充放電循環後的健康狀態數據，以產生一未來老化數據，其中該未來老化數據包含不同充放電循環次數分別對應的未來健康狀態數據； 定義該待測電池的一壽終健康狀態； 從該未來老化數據中，查找與該壽終健康狀態最相近的未來健康狀態數據對應的充放電循環次數，作為預測的總循環次數；以及 將預測的總循環次數與該待測電池已執行的充放電循環次數相減，以取得該待測電池目前剩餘可執行的充放電循環次數。
  2. 如請求項1所述的電池剩餘使用壽命預測方法，更包含以下步驟： 檢測該參考電池未執行任何充放電時的初始容量； 將該參考電池進行多次充放電，使該參考電池的容量從初始容量降至一門檻值； 記錄該參考電池執行的充放電循環次數； 每執行一次充放電循環後，檢測該參考電池的容量； 依據該參考電池的初始容量以及每次檢測到的該參考電池的容量，以計算該參考電池的該參考健康狀態數據；以及 分析該參考電池執行的充放電循環次數與該參考健康狀態數據的關係，以產生該參考老化數據。
  3. 如請求項2所述的電池剩餘使用壽命預測方法，更包含以下步驟： 分析該參考電池執行的充放電循環次數與該參考健康狀態數據的關係，以建立一參考老化曲線，包含在該參考老化數據中；以及 分析該待測電池已執行的充放電循環次數與該歷史健康狀態數據的關係，以建立一歷史老化曲線，包含在該歷史老化數據中。
  4. 如請求項3所述的電池剩餘使用壽命預測方法，更包含以下步驟： 在該參考老化曲線與該歷史老化曲線中，依據各點充放電循環次數所對應的該電池健康狀態數據，分別為相同充放電循環次數的該參考老化數據與該歷史老化數據，依據該參考老化數據與該歷史老化數據的關係，計算該比例參數； 基於該參考老化曲線，依據該比例參數，以推估該待測電池的一未來老化曲線；以及 從該未來老化曲線中，查找與該壽終健康狀態最相近的未來健康狀態數據所對應的充放電循環次數，作為預測的總循環次數。
  5. 如請求項1所述的電池剩餘使用壽命預測方法，更包含以下步驟： 將每次執行充放電循環後的該參考電池當下的容量，除以該參考電池的初始容量，乘以100%，以計算出該參考電池的該參考健康狀態數據，以下列方程式表示：
    Figure 03_image035
    ， 其中，SOH代表該參考健康狀態數據，N代表該參考電池已執行的充放電循環次數，C_N代表執行N次充放電循環後的該參考電池當下的容量，C_0代表該參考電池的初始容量。
  6. 如請求項1所述的電池剩餘使用壽命預測方法，更包含以下步驟： 利用多項式函數，將執行的充放電循環次數與該參考健康狀態數據擬和，以下列方程式表示：
    Figure 03_image037
    ， 其中，SOHF代表利用多項式函數擬和出的該參考健康狀態數據，N代表充放電循環次數，a、b、c、d代表係數。
  7. 如請求項1所述的電池剩餘使用壽命預測方法，更包含以下步驟： 將每次執行充放電循環後的該待測電池當下的容量，除以該待測電池的初始容量，乘以100%，以計算出該待測電池的該歷史健康狀態數據，以下列方程式表示：
    Figure 03_image035
    ， 其中，SOH代表該歷史健康狀態數據，N代表該待測電池已執行的充放電循環次數，C_N代表執行N次充放電循環後的該待測電池當下的容量，C_0代表該待測電池的初始容量。
  8. 如請求項1所述的電池剩餘使用壽命預測方法，更包含以下步驟： 利用多項式函數，將執行的充放電循環次數與該歷史健康狀態數據擬和，以下列方程式表示：
    Figure 03_image037
    ， 其中，SOHF代表利用多項式函數擬和出的該參考健康狀態數據，N代表充放電循環次數，a、b、c、d代表係數。
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