TWI773306B - 電池電量狀態的檢測方法 - Google Patents

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TWI773306B
TWI773306B TW110116712A TW110116712A TWI773306B TW I773306 B TWI773306 B TW I773306B TW 110116712 A TW110116712 A TW 110116712A TW 110116712 A TW110116712 A TW 110116712A TW I773306 B TWI773306 B TW I773306B
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陳韋匡
陳泰宏
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Abstract

本發明公開一種電池電量狀態的檢測方法，包含以下步驟：將估計誤差，除以估計誤差與量測誤差之和，以取得誤差係數；計算電池前次充放電後的最後放電深度與在初始時刻量測的放電深度的差值；將差值乘以誤差係數以取得放電深度差值；將放電深度差值與最後放電深度相加，以取得初始放電深度；並在電池充放電時，以初始放電深度為基準，利用每一時刻之瞬時電壓與變化的電荷量以及雙擴展卡爾曼濾波器(Dual Extended Kalman Filter, DEKF)計算每一時刻之電池放電深度，並將之轉換成電池的剩餘電量百分比。

Description

電池電量狀態的檢測方法
本發明涉及電池，特別是涉及一種電池電量狀態的檢測方法。
隨著可充電電池技術快速發展，各國對有害氣體及碳排放污染的重視程度不斷增加，因此電動車將逐漸成為汽車產業未來的發展方向。為了讓電動車在未來能夠逐漸普及化。無論是哪種類型的電動車，電動車的電池剩餘電量百分比的檢測評估至關重要。
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電量狀態的檢測方法，適用於檢測電池的剩餘電量百分比，並包含以下步驟：以開路電壓法，將電池進行放電，以在放電過程量測電池的開路電壓與放電深度的關係曲線，進行函數化，以建立開路電壓曲線模型；在電池前次充放電結束時刻，計算電池前次充放電的最後放電深度；計算電池前次充放電的最後放電深度與電池前次充放電結束時的一實際放電深度的差值，以產生估計誤差；在初始時刻，量測電池的開路電壓；基於開路電壓曲線模型，將初始時刻量測到的開路電壓轉換成初始時刻的放電深度作為量測放電深度；計算電池前次充放電的最後放電深度與量測放電深度的差值；依據估計誤差，調整計算出的電池前次充放電的最後放電深度與量測放電深度的差值，以取得放電深度差值；將放電深度差值與電池前次充放電的最後放電深度相加，以取得在初始時刻的初始放電深度； 基於開路電壓曲線模型，將初始放電深度轉換成一實際初始開路電壓；建立電池模型，包含將直流電壓源以及內部電阻串聯連接在電池模型的第一端和第二端之間，將直流電壓源串聯連接內部電阻，將實際初始開路電壓作為直流電壓源的初始電壓；量測電池模型的第一端和第二端之間的等效電壓；將實際初始開路電壓減去電池模型的第一端和第二端之間的等效電壓，以取得內部電阻的電壓；以電池模型，模擬出電池模型在某一時刻的一參數，包含量測直流電壓源的開路電壓和等效電壓；以及將參數代入開路電壓曲線模型，以計算在某一時刻的電池模型的剩餘電量百分比。
在一實施方案中，所述電池電量狀態的檢測方法更包含以下步驟：將電池前次充放電的最後放電深度、量測放電深度、估計誤差以及一量測誤差代入下列方程式，以計算初始放電深度：
Figure 02_image001
， 其中
Figure 02_image003
代表在初始放電深度，
Figure 02_image005
代表電池前次充放電的最後放電深度，
Figure 02_image007
代表量測放電深度，P代表估計誤差，S代表量測誤差。
在一實施方案中，所述電池電量狀態的檢測方法更包含以下步驟：依據前次充放電結束至計算時刻間隔的一閒置時間，以計算出量測誤差，以下列方程式表示：
Figure 02_image009
， 其中S代表量測誤差，
Figure 02_image011
代表閒置時間。
在一實施方案中，所述電池電量狀態的檢測方法更包含以下步驟：量測電池在某一時刻的第一開路電壓；量測電池在某一時刻的下一時刻的第二開路電壓；計算第二開路電壓與第一開路電壓的差值，取絕對值，以取得壓差；以及將此壓差，代入下列方程式，以計算量測誤差：
Figure 02_image013
， 其中S代表量測誤差，dv代表壓差，mdv代表一預設壓差，Ndv代表預設在理想穩定狀態下的穩定壓差，C代表縮放係數。
在一實施方案中，所述電池電量狀態的檢測方法更包含以下步驟：將開路電壓與放電深度的關係曲線函式化成Voc=f(DOD)與DOD=f(Voc)，其中Voc代表開路電壓，DOD代表放電深度，並以最小平方差進行函式擬合、決定選用函式次方數，如下列第一方程式：
Figure 02_image015
， 其中
Figure 02_image017
代表開路電壓，
Figure 02_image019
代表放電深度，
Figure 02_image021
代表最小均方差，m代表依電芯容量、特性、應用而定的預設值。
在一實施方案中，所述電池電量狀態的檢測方法更包含以下步驟：建立線性電池模型包含在電池模型中，線性電池模型包含直流電壓源以及內部電阻；將內部電阻在前一時刻到某一時刻變化的電荷量除以線性電池模型的最大電荷量，以取得電荷量比值；將電荷量比值與前一時刻的線性電池模型的放電深度相加，以取得某一時刻的線性電池模型的放電深度，以方程式表示為：
Figure 02_image023
， 其中
Figure 02_image025
代表某一時刻的放電深度，
Figure 02_image027
代表前一時刻的放電深度，
Figure 02_image029
代表前一時刻到某一時刻變化的電荷量，
Figure 02_image031
代表最大電荷量； 將某一時刻的線性電池模型的等效電壓，與將某一時刻的直流電壓源的電壓相減，以計算出某一時刻的內部電阻的電壓，以方程式表示為：
Figure 02_image033
， 其中
Figure 02_image035
代表某一時刻的等效電壓，
Figure 02_image037
代表某一時刻的開路電壓，
Figure 02_image039
代表某一時刻的內部電阻的電壓； 將某一時刻的電池的實際電壓量測值與根據內部電阻的電壓以及線性電池模型的放電深度計算的線性電池模型之等效電壓估計值，代入DEKF以計算出內部電阻的實際電壓，並以第二方程式更新線性電池模型之系統雜訊；將某一時刻的實際電壓量測值與內部電阻實際電壓以及線性電池模型的放電深度計算的等效電壓估計值，代入DEKF以計算出線性電池模型的實際放電深度，並以第二方程式更新線性電池模型之系統雜訊。 其中第二方程式如下：
Figure 02_image041
，
Figure 02_image043
代表模型k時刻的系統雜訊，當k為零值時，
Figure 02_image045
=
Figure 02_image021
，
Figure 02_image047
代表k時刻的實際電壓量測值，
Figure 02_image049
代表k時刻依據方程式
Figure 02_image033
計算的電壓估計值。
在一實施方案中，所述電池電量狀態的檢測方法更包含以下步驟：建立一階RC電池模型包含在電池模型中，一階RC電池模型包含直流電壓源、內部電阻以及電阻電容(RC)電路，內部電阻串聯連接在直流電壓源以及RC電路之間，RC電路包含相互並聯的等效電阻以及等效電容；計算一階RC電池模型的等效電壓；將RC電路的等效電阻值與等效電容值相乘以計算時間常數；將等效電阻值、等效電壓以及時間常數代入下列方程式，以計算出RC電路的電壓與電池的放電深度：
Figure 02_image051
， 其中
Figure 02_image053
代表RC電路的等效電壓，
Figure 02_image055
代表放電深度，k代表某一時刻，t代表一放電時間長度，
Figure 02_image057
代表RC電路的時間常數，
Figure 02_image059
代表前一時刻，
Figure 02_image061
代表RC電路的等效電阻值，
Figure 02_image063
代表前一時刻到某一時刻變化的電荷量，
Figure 02_image065
代表最大電荷量，
Figure 02_image067
代表某一時刻的電流值；以及依據放電深度、內部電阻的電壓、RC電路的電壓，以計算出一階RC電池模型的等效電壓估計值，如下方程式：
Figure 02_image069
， 其中
Figure 02_image035
代表等效電壓估計值，
Figure 02_image037
代表開路電壓，
Figure 02_image039
代表內部電阻的電壓，
Figure 02_image071
代表 RC電路的電壓。以一階RC電池模型的電容值與電阻值計算RC電路的電壓，將實際電池之量測電壓值與根據內部電阻的電壓、RC電路的等效電壓估計值以及下一時刻的放電深度估計值計算的電壓估計值，代入DEKF以計算出內部電阻的實際電壓與一階RC電池模型之實際電容值與實際電阻值，並以第二方程式更新一階RC電池模型之系統雜訊；將某一時刻的實體電池之量測值與內部電阻的實際電壓、一階RC電池模型之實際電容值與實際電阻值、以及下一時刻的放電深度估計值計算的電壓估計值代入DEKF，以計算出下一時刻的實際放電深度與經調整之RC電路之電壓值，並以第二方程式更新一階RC電池模型之系統雜訊。第二方程式如下：
Figure 02_image073
， 其中
Figure 02_image075
代表k時刻的系統雜訊，當k為零值時，
Figure 02_image077
=
Figure 02_image021
，
Figure 02_image079
代表該實際電壓量測值，
Figure 02_image081
代表該等效電壓估計值。
如上所述，本發明提供一種電池電量狀態的檢測方法，其計算技術採用雙擴展卡爾曼濾波器，在電池充放電期間，每秒以實際電壓量測值，優化庫倫計量法之計算結果，提升電池剩餘電量百分比之計算精準度。
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。
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。
請一併參閱圖1至圖4，其中圖1為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的步驟流程圖；圖2A為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的線性電池模型的示意圖；圖2B為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的一階電阻電容(RC)電池模型的示意圖；圖3和圖4皆為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的電池的開路電壓與放電深度的曲線圖，圖3為以實體電池做開路電壓實驗時，以實際實驗值所繪之開路電壓與放電深度的曲線圖；圖4為以方程式擬合後之開路電壓與放電深度的曲線圖。
本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法可包含如圖1所示的步驟S101~S117。實務上，可依據實際需求，適當地調整這些步驟的執行順序、次數和內容，並可依據需求選擇性省略執行部分步驟。
在步驟S101，以開路電壓法，將電池進行放電，以在放電過程量測開路電壓(Open Circuit Voltage, OCV)與放電深度(Depth of Discharge, DOD)的關係曲線，進行函數化，以建立例如圖3所示的一開路電壓曲線模型。
若有需要，將開路電壓與放電深度的關係曲線函式化成Voc=f(DOD)與DOD=f(Voc)，其中Voc代表開路電壓，DOD代表放電深度，並以最小平方差進行函式擬合、決定選用函式次方數，如下列第一方程式，例如圖3所示的開路電壓曲線模型以最小平方差進行函式擬合，例如圖4所示採用九次方程式之擬合，並以最小均方差MSE決定選用函式次方數，以下列方程式表示為：
Figure 02_image015
， 其中
Figure 02_image017
代表開路電壓，
Figure 02_image019
代表放電深度，
Figure 02_image021
代表最小均方差，m代表擬合方程式時所參考的實驗數據點數量。
若
Figure 02_image083
曲線無法以單一函式擬合，則根據曲線趨勢分段，以多條多項式擬合而成。此相關技術為本領域技術人員所熟知的通常知識，不在此贅述。
在步驟S103，取得電池的初始電量狀態，可包含執行以下所述的程序。
首先，在電池前次充放電結束時刻，計算電池前次充放電的最後放電深度(Depth of Discharge, DOD)，計算電池前次充放電的最後放電深度與電池前次充放電結束時的實際放電深度的差值，以產生估計誤差。接著，將估計誤差，除以估計誤差與量測誤差之和，以取得誤差係數，以下列方程式表示為： K=
Figure 02_image085
， 其中P代表估計誤差，S代表量測誤差，K代表誤差係數。
上述的量測誤差，舉例兩種計算方式的示例如下。
在第一示例中，依據前次充放電結束至計算時刻間隔的一閒置時間，以計算出量測誤差，以下列方程式表示：
Figure 02_image087
， 其中S代表量測誤差，
Figure 02_image089
代表閒置時間。
在第二示例中，量測電池在某一時刻的第一開路電壓，接著量測電池在某一時刻的下一時刻的第二開路電壓，接著計算第二開路電壓與第一開路電壓的差值，將計算出的結果值取絕對值，以取得壓差如下：
Figure 02_image091
， 其中dv代表壓差，
Figure 02_image093
代表下一時刻的開路電壓，
Figure 02_image095
代表在上一時刻的開路電壓，t代表前一時刻與上一時刻之間相隔的時間。
接著，依據上述壓差，計算出量測誤差，如下列方程式：
Figure 02_image097
， 其中S代表量測誤差，dv代表壓差，mdv代表一預設壓差(例如但不限於1000)，Ndv代表預設在理想穩定狀態下的一穩定壓差(例如但不限於40)，C代表一縮放係數(例如但不限於10)。視dv＜ Ndv，即進入穩態，且當dv ＜
Figure 02_image099
時，放電深度
Figure 02_image007
才具有參考價值，上述t、Ndv、mdv、C 依電芯容量、特性與應用而定。
在如上述程式取得量測誤差之後，將電池前次充放電的最後放電深度、量測放電深度、估計誤差以及一量測誤差代入下列方程式，以計算初始放電深度：
Figure 02_image001
， 其中
Figure 02_image003
代表在初始放電深度，
Figure 02_image005
代表電池前次充放電的最後放電深度，
Figure 02_image007
代表量測放電深度，P代表估計誤差，S代表量測誤差。
在步驟S105，如圖2A所示，將線性電池模型的直流電壓源的開路電壓Voc，與線性電池模型的端電壓V相減，取得內部電阻R的電壓，以下列方程式表示為：
Figure 02_image101
， 其中
Figure 02_image103
代表線性電池模型的內部電阻R的電壓，
Figure 02_image105
代表線性電池模型的開路電壓Voc，而V代表線性電池模型的第一端和第二端間的電壓。
如圖2B所示，將線性電池模型的直流電壓源的開路電壓Voc，與線性電池模型的端電壓相減，取得內部電阻的電壓，以下列方程式表示為：
Figure 02_image107
， 其中
Figure 02_image103
代表線性電池模型的內部電阻R的電壓，
Figure 02_image105
代表線性電池模型的開路電壓Voc，V代表線性電池模型的第一端和第二端間的電壓，
Figure 02_image053
代表等效電路中RC電路的電壓。
在步驟S107，為模擬實際電池充放電的特性，建立電池模型，例如圖2A所示本實施例採用線性電池模型，如圖2B所示的一階RC電池模型，在此僅舉例說明，本發明不以此為限，實務上亦可應用於二階RC電池模型或其他電池模型等。
如圖2A所示，線性電池模型可包含直流電壓源(其電壓以Voc表示)以及與直流電壓源串聯連接的內部電阻R，串聯連接在線性電池模型的第一端和第二端之間。
如圖2B所示，一階RC電池模型包含直流電壓源(其電壓以Voc表示)、內部電阻Rin以及RC電路，內部電阻Rin串聯連接在直流電壓源以及RC電路之間。在如圖2B所示的一階RC電池模型中，包含一組相互並聯的電阻以及電容，其值分別為如圖2B所示的等效電阻Rth以及等效電容Cth。而若使用二階RC電池模型中，RC電路可包含兩組相互並聯的電阻以及電容，以此類推。
以數學模型估計初始電池參數與電池電量狀態。本實施例採用現有雙擴展卡爾曼濾波器(Dual Extended Kalman Filter, DEKF)的方程式如下：
Figure 02_image109
，
Figure 02_image111
，
應理解，本領域技術技術人員所熟知的雙擴展卡爾曼濾波器的方程式的內容部分僅在本文中簡述。
進一步，若採用如圖2A所示的線性電池模型，則依電芯特性與等效電路，以建立電池參數模型方程式如下：
Figure 02_image113
，
Figure 02_image115
， 其中k代表下一時刻，k-1代表前一時刻，
Figure 02_image117
代表在下一時刻的內部電阻的電壓，
Figure 02_image119
代表在前一時刻的內部電阻的電壓，
Figure 02_image035
代表在下一時刻的線性電池模型的端電壓，
Figure 02_image121
代表在下一時刻所量測的電池模型的放電深度進行函數化後的一函數值(等於開路電壓值)。
首先，根據DEKF的計算步驟，在某一時刻先根據既有公式計算內部電阻的電壓值與電池的放電深度，將前一時刻的內阻電壓值視為某一時刻之內部電阻電壓值，以方程式表示為：
Figure 02_image113
將內部電阻在前一時刻到某一時刻變化的電荷量除以線性電池模型的最大電荷量，以取得電荷量比值。接著，將電荷量比值與前一時刻的線性電池模型的放電深度相加，以取得某一時刻的線性電池模型的放電深度，以方程式表示為：
Figure 02_image123
， 其中
Figure 02_image125
代表某一時刻的放電深度，
Figure 02_image127
代表前一時刻的放電深度，
Figure 02_image063
代表前一時刻到某一時刻變化的電荷量，
Figure 02_image065
代表最大電荷量。
接著，將某一時刻的線性電池模型的放電深度代入開路電壓曲線函式模型，求得相對應之開路電壓，再減去某一時刻的內阻電壓值以計算出某一時刻的線性電池模型之等效電壓，以方程式表示為：
Figure 02_image129
， 其中
Figure 02_image035
代表某一時刻的等效電壓，
Figure 02_image037
代表某一時刻的開路電壓，
Figure 02_image039
代表某一時刻的內部電阻的電壓。
不同地，若採用如圖2B所示的一階RC電池模型則可接著執行以下運算。首先，建立電池參數模組：
Figure 02_image131
，
Figure 02_image069
， 其中
Figure 02_image133
代表內部電阻的電壓，
Figure 02_image061
代表等效電阻值，
Figure 02_image135
代表一階RC電池模型的等效電容值，k代表某一時刻，k-1代表前一時刻，
Figure 02_image035
代表某一時刻的等效電壓，
Figure 02_image037
代表某一時刻的開路電壓，
Figure 02_image039
代表某一時刻的內部電阻的電壓，
Figure 02_image071
代表某一時刻的等效電路中RC電路的電壓。
據DEKF的計算步驟，在某一時刻先根據既有公式計算電池參數值(包含內部電阻的電壓、RC電路的電阻與電容)、電池放電深度與RC電路的電壓，將前一時刻的電池參數視為某一時刻的電池參數，以方程式表示為：
Figure 02_image131
， 將電池等效電路中RC電路的電阻值與電容值相乘以計算時間常數；將電阻值、RC電路的電壓以及時間常數代入下列方程式，以計算出RC電路的電壓與電池的放電深度：
Figure 02_image051
， 其中
Figure 02_image053
代表 RC電路的電壓，
Figure 02_image055
代表放電深度，k代表某一時刻，t代表放電時間長度，
Figure 02_image057
代表電阻電容電路的一時間常數，
Figure 02_image059
代表前一時刻，
Figure 02_image061
代表電池等效電路中RC電路的電阻值，
Figure 02_image063
代表前一時刻到某一時刻變化的電荷量，
Figure 02_image065
代表最大電荷量，
Figure 02_image067
代表某一時刻的電流值。
接著，將某一時刻的一階RC電池模型的放電深度代入開路電壓曲線函式模型，求得相對應之開路電壓，再減去某一時刻的內阻電壓值以及RC電路電壓值以計算出某一時刻的一階RC電池模型之等效電壓，以方程式表示為：
Figure 02_image069
， 其中
Figure 02_image035
代表某一時刻的等效電壓，
Figure 02_image037
代表某一時刻的開路電壓，
Figure 02_image039
代表某一時刻的內部電阻的電壓，
Figure 02_image071
代表某一時刻RC電路的電壓。
在步驟S109，若採用如圖2A所示的線性電池模型，則將下列方程式的x代入線性電池模型的估計等效電壓之公式(
Figure 02_image129
)，依電池參數模型方程式設定雙擴展卡爾曼濾波器的運算參數值：
Figure 02_image137
。
將某一時刻的電池的實際電壓量測值與某一時刻的線性電池模型之等效電壓，代入DEKF以計算出經調整的某一時刻之內部電阻電壓值，並以第二方程式更新電池參數模型之系統雜訊
Figure 02_image043
。其中，卡爾曼濾波器中的係數P代表估計誤差，Q代表系統雜訊，S代表量測誤差，P、Q、S的初始值與迭代方式根據電芯特性與應用而定，例如
Figure 02_image139
參考雙擴展卡爾曼濾波器的方程式進行迭代，
Figure 02_image141
，
Figure 02_image043
以加權移動平均法(Weighted Moving Average, WMA)進行迭代，S根據機台量測的誤差設定，例如
Figure 02_image143
。
建立適用電池模型運算系統雜訊的第二方程式如下：
Figure 02_image145
， 其中
Figure 02_image043
代表電池模型的系統雜訊，K代表卡爾曼係數，當k為零值時，
Figure 02_image047
代表量測電壓值，
Figure 02_image049
代表代入
Figure 02_image147
與
Figure 02_image133
的電壓估計值，窗格m依電芯容量、特性與應用而定。
不同地，若採用圖2B所示的一階RC電池模型，則將下列方程式的x代入一階RC電池模型估計等效電壓之公式(
Figure 02_image069
)，依電池參數模型方程式設定雙擴展卡爾曼濾波器的運算參數值：
Figure 02_image149
。
將某一時刻的電池的實際電壓量測值某一時刻的一階RC電池模型之等效電壓，代入DEKF以計算出經調整的某一時刻的電池參數值
Figure 02_image151
(包含內部電阻的電壓、RC電路的電阻與電容)，並以第二方程式更新電池參數模型之系統雜訊
Figure 02_image043
。其中，卡爾曼濾波器中的係數P、Q、S的取得、迭代方式與線性模型相同。
在步驟S111，若採用圖2A所示的線性電池模型，利用等效電壓公式(
Figure 02_image129
)，將某一時刻的放電深度代入開路電壓曲線函式模型，求得相對應之開路電壓，再減去經調整的某一時刻之內部電阻電壓值以計算出經調整的某一時刻線性電池模型之等效電壓。接著，利用雙擴展卡爾曼濾波器，依據某一時刻的電池的實際電壓量測值與經調整的某一時刻線性電池模型之等效電壓，以調整某一時刻的放電深度，並以第二方程式更新電池模型之系統雜訊
Figure 02_image043
供下一時刻使用。
若採用圖2B所示的一階RC電池模型，利用等效電壓公式(
Figure 02_image069
)，將某一時刻的放電深度代入開路電壓曲線函式模型，求得相對應之開路電壓，再減去經調整的某一時刻之內部電阻電壓值以及根據經調整之RC電路的電阻與電容值計算出的RC電路的電壓值V th，以計算出經調整的某一時刻一階RC電池模型之等效電壓。接著，利用雙擴展卡爾曼濾波器，依據某一時刻的電池的實際電壓量測值與經調整的某一時刻一階RC電池模型之等效電壓，以調整某一時刻的放電深度與RC電路之電壓值，並以第二方程式更新電池模型之系統雜訊
Figure 02_image043
供下一時刻使用。
在步驟S113，將經調整的下一時刻的放電深度(
Figure 02_image153
轉換成電池剩餘電量百分比。
在步驟S115，判斷充電/放電是否停止。若否，則反覆執行步驟S105~S115。若是，則如步驟S117結束作業。
綜上所述，本發明提供一種電池電量狀態的檢測方法，其計算技術採用雙擴展卡爾曼濾波器(Dual Extended Kalman Filter, DEKF)，在電池充放電期間，每秒以實際電壓量測值，優化庫倫計量法之計算結果，提升電池剩餘電量百分比之計算精準度。
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。
S101~S117:步驟 Voc:開路電壓 R、Rin:內部電阻 V:等效電壓 I(t)、Ik:電流 Cth:電容 Rth:電池等效電路中RC電路的電阻值
圖1為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的步驟流程圖。
圖2A為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的線性電池模型的示意圖。
圖2B為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的一階RC電池模型的示意圖。
圖3為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的電池的開路電壓與放電深度的曲線圖。
圖4為本發明實施例的電池電量狀態的檢測方法的電池的開路電壓與放電深度的曲線圖。
S101~S117:步驟

Claims (7)

  1. 一種電池電量狀態的檢測方法，並包含以下步驟：以開路電壓法，將電池進行放電，以在放電過程量測電池的開路電壓與放電深度的關係曲線，進行函數化，以建立一開路電壓曲線模型；在電池前次充放電結束時刻，計算電池前次充放電的最後放電深度；計算電池前次充放電的最後放電深度與電池前次充放電結束時的實際放電深度的差值，以產生一估計誤差；在一初始時刻，量測電池的開路電壓；基於該開路電壓曲線模型，將該初始時刻量測到的開路電壓轉換成該初始時刻的放電深度作為一量測放電深度；計算電池前次充放電的最後放電深度與該量測放電深度的差值；依據該估計誤差，調整計算出的電池前次充放電的最後放電深度與該量測放電深度的差值，以取得一放電深度差值；將該放電深度差值與電池前次充放電的最後放電深度相加，以取得在該初始時刻的一初始放電深度；基於該開路電壓曲線模型，將該初始放電深度轉換成一實際初始開路電壓；建立一電池模型，包含將一直流電壓源以及一內部電阻串聯連接在該電池模型的第一端和第二端之間，將該直流電壓源串聯連接該內部電阻，將該實際初始開路電壓作為該直流電壓源的初始電壓；量測該電池模型的第一端和第二端之間的等效電壓；將該實際初始開路電壓減去該電池模型的第一端和第二端之間的等效電壓，以取得該內部電阻的電壓； 以該電池模型，模擬出該電池模型在某一時刻的一參數，包含量測該直流電壓源的開路電壓和等效電壓；以及將該參數代入該開路電壓曲線模型，以計算在某一時刻的該電池模型的剩餘電量百分比。
  2. 如請求項1所述的電池電量狀態的檢測方法，更包含以下步驟：將電池前次充放電的最後放電深度、該量測放電深度、該估計誤差以及一量測誤差代入下列方程式，以計算該初始放電深度：
    Figure 110116712-A0305-02-0020-3
     其中DOD0代表在該初始放電深度，DODA代表電池前次充放電的最後放電深度，DODF代表在該量測放電深度，P代表該估計誤差，S代表該量測誤差。
  3. 如請求項2所述的電池電量狀態的檢測方法，更包含以下步驟：依據前次充放電結束至該計算時刻間隔的一閒置時間，以計算出該量測誤差，以下列方程式表示：S=e -△T ，其中S代表該量測誤差，△T代表該閒置時間。
  4. 如請求項2所述的電池電量狀態的檢測方法，更包含以下步驟：量測電池在某一時刻的一第一開路電壓；量測電池在某一時刻的下一時刻的一第二開路電壓；計算該第二開路電壓與該第一開路電壓的差值，取絕對值，以取得一壓差；以及將該壓差，代入下列方程式，以計算該量測誤差：
    Figure 110116712-A0305-02-0020-1
     其中S代表該量測誤差，dv代表該壓差，mdv代表一預設壓差，Ndv代表預設在理想穩定狀態下的一穩定壓差，C代表一縮放係數。
  5. 如請求項1所述的電池電量狀態的檢測方法，更包含以下步驟：將開路電壓與放電深度的關係曲線函式化成Voc=f(DOD)與DOD=f(Voc)，其中Voc代表開路電壓，DOD代表放電深度，並以最小平方差進行函式擬合、決定選用函式次方數，如下列一第一方程式：
    Figure 110116712-A0305-02-0021-4
     其中Voci代表開路電壓，DODi代表放電深度，MSE代表最小均方差，m代表依電芯容量、特性、應用而定的預設值。
  6. 如請求項5所述的電池電量狀態的檢測方法，更包含以下步驟：建立一線性電池模型包含在該電池模型中，該線性電池模型包含該直流電壓源以及該內部電阻；將該內部電阻在前一時刻到某一時刻變化的電荷量除以該線性電池模型的最大電荷量，以取得一電荷量比值；將該電荷量比值與前一時刻的該線性電池模型的放電深度相加，以取得某一時刻的該線性電池模型的放電深度，以方程式表示為：
    Figure 110116712-A0305-02-0021-5
     其中
    Figure 110116712-A0305-02-0021-14
    代表某一時刻的放電深度，DOD k-1代表前一時刻的放電深度，△Q代表前一時刻到某一時刻變化的電荷量，Q max 代表最大電荷量；將某一時刻的該線性電池模型的等效電壓，與某一時刻的該 直流電壓源的電壓相減，以計算出某一時刻的該內部電阻的電壓，以方程式表示為：Vk=f(DOD k )-Vink，其中V k 代表某一時刻的等效電壓，f(DOD k )代表某一時刻的開路電壓，V ink 代表某一時刻的該內部電阻的電壓；將某一時刻的電池的一實際電壓量測值，與根據該內部電阻的電壓以及該線性電池模型的放電深度計算的該線性電池模型之一等效電壓估計值，代入雙擴展卡爾曼濾波器(Dual Extended Kalman Filter,DEKF)以計算出該內部電阻的一實際電壓，並以第二方程式更新該線性電池模型之系統雜訊；將某一時刻的該實際電壓量測值與該內部電阻的該實際電壓以及該線性電池模型的放電深度計算的該等效電壓估計值，代入雙擴展卡爾曼濾波器，以計算出該線性電池模型的實際放電深度，並以第二方程式更新該線性電池模型之系統雜訊；其中第二方程式如下：
    Figure 110116712-A0305-02-0022-7
     其中Q k 代表k時刻的系統雜訊，當k為零值時，Q 0=MSE，Z k 代表該實際電壓量測值，h(x k )代表該等效電壓估計值。
  7. 如請求項5所述的電池電量狀態的檢測方法，更包含以下步驟：建立一階電阻電容(RC)電池模型包含在該電池模型中，該一階電阻電容(RC)電池模型包含該直流電壓源、該內部電阻以及一電阻電容(RC)電路，該內部電阻串聯連接在該直流電壓源以及該電阻電容(RC)電路之間，該電阻電容(RC)電路包含相互並聯的一等效電阻以及一等效電容；計算該一階電阻電容(RC)電池模型的等效電壓； 將該電阻電容(RC)電路的該等效電阻的一等效電阻值與該等效電容的一等效電容值相乘以計算一時間常數；將該等效電阻值、該一階電阻電容(RC)電池模型的等效電壓以及該時間常數代入下列方程式，以計算出該電阻電容(RC)電路的電壓與電池的放電深度：
    Figure 110116712-A0305-02-0023-9
     其中Vth代表該電阻電容(RC)電路的等效電壓，DOD代表放電深度，k代表某一時刻，t代表一放電時間長度，τ代表該RC電路的該時間常數，k-1代表前一時刻，Rth代表該等效電阻值，△Q代表前一時刻到某一時刻變化的電荷量，Q max 代表最大電荷量，Ik代表某一時刻的電流值；以及依據電池的放電深度、該內部電阻的電壓、該等效電阻值、該等效電容值，以計算出一等效電壓估計值，如下方程式：
    Figure 110116712-A0305-02-0023-11
     其中V k 代表某一時刻的該等效電壓估計值，f(DOD k )代表某一時刻的開路電壓，Vi nk 代表某一時刻的該內部電阻的電壓，Vthk代表某一時刻的該電阻電容(RC)電路的電壓，由某一時刻的該等效電阻值與該等效電容值計算而來；將某一時刻的電池的一實際電壓量測值，與根據某一時刻的該內部電阻的電壓、某一時刻的該電阻電容(RC)電路的電壓以及某一時刻的放電深度計算的該一階電阻電容(RC)電池模型之該等效電壓估計值，代入雙擴展卡爾曼濾波器以計算出該內部電阻的電壓與該一階電阻電容(RC)電池模型之該等效電容值與該等效電阻值，並以第二方程式更新該一階電阻電容(RC)電池模型之系統雜訊；利用前次雙擴展卡爾曼濾波器計算出的該等效電容值與該等效 電阻值，計算出該電阻電容(RC)電路的電壓值，再將某一時刻的該實際電壓量測值與該電阻電容(RC)電路的電壓值以及某一時刻的放電深度計算某一時刻的該一階電阻電容(RC)電池模型的該等效電壓估計值，代入雙擴展卡爾曼濾波器以計算出該一階電阻電容(RC)電池模型經調整的放電深度與該電阻電容(RC)電路經調整的電壓值，並以第二方程式更新該一階電阻電容(RC)電池模型之系統雜訊；其中第二方程式如下：
    Figure 110116712-A0305-02-0024-13
     其中Q k 代表k時刻的系統雜訊，當k為零值時，Q 0=MSE，Z k 代表該實際電壓量測值，h(x k )代表該等效電壓估計值。
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