TWI771194B - 電池管理方法及其電池管理裝置 - Google Patents

Abstract

一種電池管理方法，應用於一電池管理裝置以在一電池之一充電程序中進行電量校準。該電池管理方法包含有根據該電池之一溫度值從一預定查找表取得一參考開路電壓值、一參考內阻值與一參考電量值，取得該電池之一第一電壓量測值和一第一電流量測值，利用該第一電壓量測值、該第一電流量測值與該參考開路電壓值計算該電池之一第一內阻值，以及將該第一內阻值相比於一參考內阻值，並依照一比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之一電量狀態。

Description

電池管理方法及其電池管理裝置

本發明係提供一種電池管理方法及其電池管理裝置，尤指一種可用來精準校正電池電量的電池管理方法及其電池管理裝置。

可充電電池具有重複充放電的特性，廣泛應用在各種技術領域的電源供應，例如電動車。為了讓電子系統能穩定地從電池接收能量，能夠準確估測全充電量的電池不可或缺的必要元件之一。傳統的電池管理方法係利用電流積分法，估測電池中的剩餘電量，其精度會因為電流偵測器的累積誤差而逐漸失準。另一種傳統電池管理方法，則是利用電池電量狀態與開路電壓之間的變化關係來估測電池的剩餘電量；然而，某些特性電池(例如磷酸鋰鐵電池)的電池電量狀態不會隨著開路電壓變化而相應改變，無法以此方法精確估測電池剩餘電量。因此，如何設計一種能長時間精準校正電池電量的電池管理方法及其電池管理裝置，便為相關電池產業的重點發展目標。

本發明係提供一種可用來精準校正電池電量的電池管理方法及其電池管理裝置，以解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍係揭露一種電池管理方法，用來在一電池之一充電程序中進行電量校準。該電池管理方法包含有根據該電池之一溫度值從一預定查找表取得一參考開路電壓值、一參考內阻值與一參考電量值，取得該電池之一第一電壓量測值和一第一電流量測值，利用該第一電壓量測值、該第一電流量測值與該參考開路電壓值計算該電池之一第一內阻值，以及將該第一內阻值相比於一參考內阻值，並依照一比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之一電量狀態。

本發明之申請專利範圍另揭露取得該電池之該第一電壓量測值和該第一電流量測值的步驟進一步包含偵測且計算該電池之一平均電壓量測值、一平均電流量測值、一即時電壓量測值以及一即時電流量測值。

本發明之申請專利範圍另揭露利用該第一電壓量測值、該第一電流量測值與該參考開路電壓值計算該第一內阻值的步驟進一步包含計算一電壓動態響應參數與一電流動態響應參數，利用該電壓動態響應參數修正該平均電壓量測值和該即時電壓量測值以取得一電壓補償值，利用該電流動態響應參數修正該平均電流量測值和該即時電流量測值以取得一電流補償值，以及以該電壓補償值、該電流補償值與該參考開路電壓值轉換出該第一內阻值。

本發明之申請專利範圍另揭露該電壓動態響應參數係為該平均電壓量測值與該即時電壓量測值之一絕對差值的倒數，該電流動態響應參數則為該平均電流量測值與該即時電流量測值之一絕對差值的倒數。

本發明之申請專利範圍另揭露依照該比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之該電量狀態的步驟進一步包含該第一內阻值大於或等於該參考內阻值時，停止該電量狀態之校準。

本發明之申請專利範圍另揭露依照該比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之該電量狀態的步驟進一步包含該第一內阻值小於該參考內阻值時，等待一預設時段後取得該電池之一第二電壓量測值和一第二電流量測值，利用該第二電壓量測值、該第二電流量測值與該參考開路電壓值計算一第二內阻值，以及將該第二內阻值相比於該參考內阻值，據此判斷是否以該參考電量值校準該電量狀態。該第二內阻值小於該參考內阻值時，則重複上述之流程。

本發明之申請專利範圍另揭露判斷是否以該參考電量值校準該電量狀態的步驟進一步包含該第二內阻值大於或等於該參考內阻值時，將該電量狀態校正為該參考電量值。

本發明之申請專利範圍另揭露該電池管理方法另包含有將該電池放電使其電量狀態低於該參考電量值，以及啟動該充電程序以進行該電量校準。

本發明之申請專利範圍另揭露該電池管理方法另包含有偵測該電池之一計時參數是否符合一預定條件，以及該計時參數符合該預定條件時將該電池放電。該預定條件係為該充電程序之一循環次數、一充放電累積總量、和/或一等待時間長度。

本發明之申請專利範圍另揭露該電池管理方法另包含有取得該電池從一放空狀態連續充電至該參考電量值之一累積充電量，以及利用該累積充電量與該參考電量值計算該電池之一全充電量。

本發明之申請專利範圍另揭露該電池管理方法另包含有取得該電池從該參考電量值連續充電至一滿充電量之一累積充電量，計算該參考電量值與該滿充電量之差值，以及利用該累積充電量和該差值計算該電池之一全充電量。

本發明之申請專利範圍另揭露一種電池管理裝置，用來在一電池之一充電程序中進行電量校準。該電池管理裝置包含有一溫度感測器、一電壓量測器、一電流量測器、一記憶模組以及一運算處理器。該溫度感測器取得該電池之一溫度值。該電壓量測器取得該電池之一第一電壓量測值。該電流量測器取得該電池之一第一電流量測值。該記憶模組儲存一預定查找表。該運算處理器電連接該溫度感測器、該電壓量測器、該電流量測器與該記憶模組。該運算處理器係根據該溫度值從該預定查找表取得一參考開路電壓值、一參考內阻值與一參考電量值，再從該電壓量測器和該電流量測器取得該第一電壓量測值和該第一電流量測值，接著利用該第一電壓量測值、該第一電流量測值與該參考開路電壓值計算該電池之一第一內阻值，並將該第一內阻值相比於一參考內阻值，從而依照一比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之一電量狀態。

本發明之電池管理裝置是在電池開始充電時執行電池管理方法，利用電池內阻在高容量區間會急遽增加之特性，在電池的偵測內阻值超過參考內阻值時，將電池此時的電量狀態替換為預定查找表內的參考電量值，以符合磷酸鋰鐵電池之特性；然本發明的電池管理方法及其電池管理裝置當不限於磷酸鋰鐵電池之電量校準，亦可稍加調整參數而適用於具有其它化學特性的電池。

請參閱第1圖至第3圖，第1圖為本發明實施例之電池管理裝置10之功能方塊圖，第2圖為本發明實施例之磷酸鋰鐵電池之電量狀態變化圖，第3圖為本發明實施例之電池管理方法之流程圖。磷酸鋰鐵電池是使用磷酸鋰鐵(LixFePO4/LFP)作為電極活性材料的電池，其具有使用年限長的特點。第2圖所示電量狀態變化圖的橫軸為電池電量狀態(state of charge; SOC)、縱軸為開路電壓(open circuit voltage; OCV)；由此可看出，磷酸鋰鐵電池在充電結束與放電結束之外的電量變化階段，其開路電壓幾無變化，故本發明之電池管理方法利用此特性進行電量校準。

電池管理裝置10主要係應用於磷酸鋰鐵電池，用來在充電程序中進行電量校準，能夠準確估算電池的剩餘電量；然應用範圍當不限於此，端視設計需求而定。電池管理裝置10可包含溫度感測器12、電壓量測器14、電流量測器16、記憶模組18、顯示模組20以及運算處理器22。溫度感測器12用來取得電池的溫度值。電壓量測器14可選擇性分成即時電壓量測單元與平均電壓計數單元，分別偵測且計算電池的即時電壓量測值和平均電壓量測值，並將其轉換為電池之第一電壓量測值。電流量測器16可選擇性分成即時電流量測單元與平均電流計數單元，分別偵測且計算電池的即時電流量測值和平均電流量測值，並將其轉換為電池之第一電流量測值。

記憶模組18係可儲存與磷酸鋰鐵電池之化學特性相關的預定查找表。預定查找表可包含電池在不同溫度下的參考開路電壓值、參考電量值以及參考內阻值的變化關係。預定查找表以攝氏十度作為不同溫度值之間隔差，然實際應用不限於此。電池在充電過程中其溫度會逐漸提高。如下表所示，隨著電池溫度提高，參考開路電壓值會小幅度上升，參考內阻值則小幅度下降；參考電量值因應電池特性係可鎖定在特定值或特定範圍，例如本實施例的參考電量值設定為93％，且容許小幅度誤差。下述預定查找表所揭露之數據可能隨電池種類或規格而相應變化，合先敘明。

溫度值(℃)	5	15	25	35	45
參考電量值(%)	93	93	93	93	93
參考開路電壓值(mV)	3300	3320	3340	3360	3380
參考內阻值(mOhm)	8	6	5	4	3

預定查找表

運算處理器22可能是微處理器、微控制器、或其它類型的運算單元。運算處理器22可電連接溫度感測器12、電壓量測器14、電流量測器16、記憶模組18與顯示模組20，其係執行電量校準及估測的程序與計算，意即執行本發明之電池管理方法。顯示模組20可為常見的顯示螢幕，用來回報電池的當前電量，以供使用者目視觀察。

關於電池管理方法，首先執行步驟S100與步驟S102，運算處理器22利用溫度感測器12取得電池之溫度值，再搜尋記憶模組18內的預定查找表，找出對應於步驟S100所得溫度值的參考開路電壓值、參考內阻值與參考電量值。接著，執行步驟S104，運算處理器22利用電壓量測器14與電流量測器16分別取得電池之第一電壓量測值和第一電流量測值，步驟S104中，電壓量測器14的即時電壓量測單元與電流量測器16的即時電流量測單元可先取得即時電壓量測值和即時電流量測值，然後電壓量測器14的平均電壓計數單元與電流量測器16的平均電流計數單元再依照即時電壓量測單元和即時電流量測單元所得數據分別計算出平均電壓量測值以及平均電流量測值。

接下來，執行步驟S106，運算處理器22可利用第一電壓量測值、第一電流量測值與參考開路電壓值計算電池之第一內阻值。本實施例中，電池管理方法會先利用平均電壓量測值Vave與即時電壓量測值Vn計算電壓動態響應參數A，以及利用平均電流量測值Iave與即時電流量測值In計算電流動態響應參數B。如下公式一與公式二所述，電壓動態響應參數A係為平均電壓量測值Vave與即時電壓量測值Vn之絕對差值的倒數，電流動態響應參數B則為平均電流量測值Iave與即時電流量測值In之絕對差值的倒數；然本發明亦允許以其它參數或公式計算出電壓/電流動態響應參數。

公式一

公式二

再接著，電池管理方法利用電壓動態響應參數A修正平均電壓量測值Vave和即時電壓量測值Vn以取得電壓補償值，且利用電流動態響應參數B修正平均電流量測值Iave和即時電流量測值In以取得電流補償值；最後，再將電壓補償值與參考開路電壓值(OCV_r)之差值作為分子，另將電流補償值作為分母，從而計算出第一內阻值Rn(n=1)，如下公式三所述。

公式三

接下來，運算處理器22於步驟S106中進一步將第一內阻值R1相比於參考內阻值。若第一內阻值R1大於或等於參考內阻值，表示電池的電量狀態超出參考電量值，已然超出校正門檻，故執行步驟S108，運算處理器22停止本發明之電池管理方法的電量狀態校準。若第一內阻值R1小於參考內阻值，表示電池的電量狀態低於參考電量值，此時執行步驟S110與步驟S112，運算處理器22等待預設時段後，再以電壓量測器14與電流量測器16分別取得電池之第二電壓量測值和第二電流量測值，並通過公式三以第二電壓量測值、第二電流量測值和參考開路電壓值計算第二內阻值Rn(n=2)。

然後執行步驟S114，運算處理器22將第二內阻值R2相比於參考內阻值。若第二內阻值R2小於參考內阻值，表示電池的電量狀態仍低於參考電量值，尚未達到校正門檻，故回復到步驟S110之程序，準備再次進行下一輪的電池內阻值Rn(n＞2)計算、或另可選擇直接停止本發明之電池管理方法的電量狀態校準。若第二內阻值R2大於或等於參考內阻值，執行步驟S116，運算處理器22係直接將電池的電量狀態校正為參考電量值，完成本次電量校準。由此可知，電池的偵測內阻值Rn(且R為正整數)在充電過程中會逐漸增加，故本發明可在偵測內阻值Rn超過參考內阻時，判斷電池之電量狀態以達參考電量值，意即將參考電量值取代作為電池的當前電量狀態。

除此之外，請參閱第4圖，第4圖為本發明實施例之強制觸發電量修正之流程圖。如果電池經過一段時間的使用，都沒有觸發本發明之電量校準流程，運算處理器22還可執行步驟S200以自動將電池強迫放電，使其電量低於參考電量值；然後，執行步驟S202以啟動電池的充電程序，就能觸發本發明之電量校準流程，執行前揭步驟S100~S116的步驟。進一步來看，運算處理器22係偵測電池之計時參數是否符合預定條件。預定條件可能是充電程序的循環次數、充放電累積總量、和/或等待時間長度。如計時參數符合預定條件，表示電池的使用頻率或使用時間累積到需進行電量校準的程度，故會將電池強迫放電；如計時參數不符預定條件，表示電池尚屬新穎，不需執行電量校準流程。

再者，本發明可選擇利用以下兩種電量計量方式取得電池的全充電量。第一種電量計量方式係應用在電池從電量耗盡時開始充電的條件下，此時運算處理器22會取得電池從放空狀態連續充電至參考電量值SOC_r之累積充電量Qcharged_a，然後計算累積充電量Qcharged_a與參考電量值SOC_r的比值以取得全充電量FCC，如公式四。第二種電量計量方式係應用在電池從尚有餘電時開始充電的條件下，運算處理器22可取得電池從參考電量值SOC_r連續充電至滿充電量之累積充電量Qcharged_b，然後計算參考電量值SOC_r和滿充電量的差值，再以累積充電量Qcharged_b和該差值計算電池之全充電量FCC，如公式五。

公式四

公式五

綜上所述，本發明之電池管理裝置是在電池開始充電時執行電池管理方法，利用電池內阻在高容量區間會急遽增加之特性，在電池的偵測內阻值超過參考內阻值時，將電池此時的電量狀態替換為預定查找表內的參考電量值，以符合磷酸鋰鐵電池之特性；然本發明的電池管理方法及其電池管理裝置當不限於磷酸鋰鐵電池之電量校準，亦可稍加調整參數而適用於具有其它化學特性的電池。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:電池管理裝置 12:溫度感測器 14:電壓量測器 16:電流量測器 18:記憶模組 20:顯示模組 22:運算處理器 S100、S102、S104、S106、S108、S110、S112、S114、S116:步驟 S200、S202:步驟

第1圖為本發明實施例之電池管理裝置之功能方塊圖。 第2圖為本發明實施例之磷酸鋰鐵電池之電量狀態變化圖。 第3圖為本發明實施例之電池管理方法之流程圖。 第4圖為本發明實施例之強制觸發電量修正之流程圖。

S100、S102、S104、S106、S108、S110、S112、S114、S116:步驟

Claims (18)

1. 一種電池管理方法，用來在一電池之一充電程序中進行電量校準，應用於具有一溫度感測器、一電壓量測器、一電流量測器、一記憶模組與一運算處理器之一電池管理裝置，該電池管理方法包含有： 該運算處理器根據該溫度感測器取得之該電池之一溫度值，從該記憶模組內的一預定查找表取得一參考開路電壓值、一參考內阻值與一參考電量值； 該運算處理器利用該電壓量測器與該電流量測器取得該電池之一第一電壓量測值和一第一電流量測值； 該運算處理器利用該第一電壓量測值、該第一電流量測值與該參考開路電壓值計算該電池之一第一內阻值；以及 該運算處理器將該第一內阻值相比於該參考內阻值，並依照一比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之一電量狀態。
2. 如請求項1所述之電池管理方法，其中取得該電池之該第一電壓量測值和該第一電流量測值的步驟進一步包含： 該運算處理器利用該電壓量測器與該電流量測器偵測且計算該電池之一平均電壓量測值、一平均電流量測值、一即時電壓量測值以及一即時電流量測值。
3. 如請求項2所述之電池管理方法，其中利用該第一電壓量測值、該第一電流量測值與該參考開路電壓值計算該第一內阻值的步驟進一步包含： 該運算處理器計算一電壓動態響應參數與一電流動態響應參數； 該運算處理器利用該電壓動態響應參數修正該平均電壓量測值和該即時電壓量測值以取得一電壓補償值； 該運算處理器利用該電流動態響應參數修正該平均電流量測值和該即時電流量測值以取得一電流補償值；以及 該運算處理器以該電壓補償值、該電流補償值與該參考開路電壓值轉換出該第一內阻值。
4. 如請求項3所述之電池管理方法，其中該電壓動態響應參數係為該平均電壓量測值與該即時電壓量測值之一絕對差值的倒數，該電流動態響應參數則為該平均電流量測值與該即時電流量測值之一絕對差值的倒數。
5. 如請求項1所述之電池管理方法，其中依照該比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之該電量狀態的步驟進一步包含： 該第一內阻值大於或等於該參考內阻值時，該運算處理器停止該電量狀態之校準。
6. 如請求項1所述之電池管理方法，其中依照該比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之該電量狀態的步驟進一步包含： 該第一內阻值小於該參考內阻值時，該運算處理器等待一預設時段後利用該電壓量測器與該電流量測器取得該電池之一第二電壓量測值和一第二電流量測值，再利用該第二電壓量測值、該第二電流量測值與該參考開路電壓值計算一第二內阻值；以及 該運算處理器將該第二內阻值相比於該參考內阻值，據此判斷是否以該參考電量值校準該電量狀態。
7. 如請求項6所述之電池管理方法，其中判斷是否以該參考電量值校準該電量狀態的步驟進一步包含： 該第二內阻值小於該參考內阻值時，該運算處理器重複執行如請求項6所述之流程。
8. 如請求項6所述之電池管理方法，其中判斷是否以該參考電量值校準該電量狀態的步驟進一步包含： 該第二內阻值大於或等於該參考內阻值時，該運算處理器將該電量狀態校正為該參考電量值。
9. 如請求項1所述之電池管理方法，另包含有： 該運算處理器將該電池放電使其電量狀態低於該參考電量值；以及 該運算處理器啟動該充電程序以進行該電量校準。
10. 如請求項9所述之電池管理方法，另包含有： 該運算處理器偵測該電池之一計時參數是否符合一預定條件；以及 該運算處理器在該計時參數符合該預定條件時將該電池放電； 其中，該預定條件係為該充電程序之一循環次數、一充放電累積總量、和/或一等待時間長度。
11. 如請求項1所述之電池管理方法，另包含有： 該運算處理器取得該電池從一放空狀態連續充電至該參考電量值之一累積充電量；以及 該運算處理器利用該累積充電量與該參考電量值計算該電池之一全充電量。
12. 如請求項1所述之電池管理方法，包含有： 該運算處理器取得該電池從該參考電量值連續充電至一滿充電量之一累積充電量； 該運算處理器計算該參考電量值與該滿充電量之差值；以及 該運算處理器利用該累積充電量和該差值計算該電池之一全充電量。
13. 一種電池管理裝置，用來在一電池之一充電程序中進行電量校準，該電池管理裝置包含有： 一溫度感測器，取得該電池之一溫度值； 一電壓量測器，取得該電池之一第一電壓量測值； 一電流量測器，取得該電池之一第一電流量測值； 一記憶模組，儲存一預定查找表；以及 一運算處理器，電連接該溫度感測器、該電壓量測器、該電流量測器與該記憶模組，該運算處理器係根據該溫度值從該預定查找表取得一參考開路電壓值、一參考內阻值與一參考電量值，再從該電壓量測器和該電流量測器取得該第一電壓量測值和該第一電流量測值，接著利用該第一電壓量測值、該第一電流量測值與該參考開路電壓值計算該電池之一第一內阻值，並將該第一內阻值相比於一參考內阻值，從而依照一比較結果判斷是否以該參考電量值校準該電池之一電量狀態。
14. 如請求項13所述之電池管理裝置，其中該電壓量測器係偵測且計算該電池之一平均電壓量測值與一即時電壓量測值，且該電流量測器係偵測且計算該電池之一平均電流量測值與一即時電流量測值。
15. 如請求項14所述之電池管理裝置，其中該運算處理器計算該平均電壓量測值與該即時電壓量測值之一絕對差值的倒數以取得一電壓動態響應參數，計算該平均電流量測值與該即時電流量測值之一絕對差值的倒數以取得一電流動態響應參數，利用該電壓動態響應參數與該電流動態響應參數分別修正該平均電壓量測值和該即時電壓量測值以及該平均電流量測值和該即時電流量測值，從而以該電壓補償值、該電流補償值與該參考開路電壓值轉換出該第一內阻值。
16. 如請求項13所述之電池管理裝置，其中該運算處理器係在該第一內阻值大於或等於該參考內阻值時停止該電量狀態之校準，另外在該第一內阻值小於該參考內阻值時等待一預設時段後取得該電池之一第二電壓量測值和一第二電流量測值，從而利用該第二電壓量測值、該第二電流量測值與該參考開路電壓值計算一第二內阻值以相比於該參考內阻值，並在該第二內阻值小於該參考內阻值時重複執行該第一內阻值小於該參考內阻值之後的流程，另在該第二內阻值大於或等於該參考內阻值時將該電量狀態校正為該參考電量值。
17. 如請求項13所述之電池管理裝置，其中該運算處理器係偵測該電池之一計時參數是否符合一預定條件，並在該計時參數符合該預定條件時將該電池放電使其電量狀態低於該參考電量值，從而啟動該充電程序以進行該電量校準，該預定條件係為該充電程序之一循環次數、一充放電累積總量、和/或一等待時間長度。
18. 如請求項13所述之電池管理裝置，其中該運算處理器係計算該電池從一放空狀態連續充電至該參考電量值之一累積充電量，再利用該累積充電量與該參考電量值計算該電池之一全充電量，或是另計算該電池從該參考電量值連續充電至一滿充電量之一累積充電量，再利用該累積充電量和該參考電量值與該滿充電量之差值計算該全充電量。

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