TWI818593B - 電池設備的放電平衡方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電池設備的放電平衡方法，其中電池設備的電池模組包括複數個相互並聯的電池區塊，電池區塊包括複數個電池芯的串聯。在電池模組放電的過程中，量測各個電池芯的電壓，並產生複數個電池芯電壓。當任何一個電池芯電壓到達一放電截止電壓時，判定電池模組為完全放電。而後分別取得各個電池區塊中最小的電池芯電壓，並產生複數個放電截止電池芯電壓。依據放電截止電池芯電壓分別調整電池模組在下一次放電過程中，各個電池區塊的放電比例，以增加電池模組的放電量及使用壽命。

Description

電池設備的放電平衡方法
本發明有關於一種電池設備的放電平衡方法，有利於增加電池模組可提供的電量及使用壽命。
二次電池主要包括鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、鋰高分子電池。鋰電池具有能量密度高、操作電壓高、使用溫度範圍大、無記憶效應、壽命長、可歷經多次充放電等優點，並被廣泛的使用在可攜式電子產品如手機、筆記型電腦、數位相機等，近年來更擴及汽車領域。
電池芯(Cell)的構造主要包括正極材料、電解液、負極材料、隔離膜及殼體，其中隔離膜將正極材料及負極材料隔開以避免短路，而電解液則設置在多孔隙的隔離膜中，並作為離子電荷的傳導工作。殼體用以包覆上述的正極材料、隔離膜、電解液及負極材料，一般而言殼體通常由金屬材質所製成。
在使用時會透過電池導電架串聯及/或並聯複數個電池芯以形成一電池模組，使得電池模組可輸出產品需要的工作電壓。
電池模組在充電及放電的過程中，電池模組的複數個電池芯之間的溫度會產生差異，並導致各個電池芯的老化程度不同。例如溫度高的電池芯的老化程度會大於溫度低的電池芯。整個電池模組的放電截止條件， 將會以電池模組中最快放完電的電池芯為基準。換言之，當電池模組中的各個電池芯老化程度的差異越大時，電池模組的放電效率就會越低。
為了延長電池模組的使用壽命，目前會對電池模組內的電池芯進行平衡管理，例如在電池滿充的情況下，透過電池管理系統(Battery Management System，BMS)的電池芯平衡機制(Battery Balancing Algorithm)，讓各個電池的斷路電壓(Open-circuit voltage)保持相同。
發明人認為目前對電池模組進行的平衡管理機制，通常著重在電池模組的充電過程與電池芯之平衡機制。但這些方法並不能解決電池模組的各個電池區塊及/或電池芯的老化不平衡問題。為了進一步提高電池模組的壽命及效能，本發明提出一種電池設備的放電平衡方法，電池設備的電池模組包括複數個並聯的電池區塊，其中各個電池區塊包括複數個串聯的電池芯。在電池模組放電過程中，監控各個電池區塊的各個電池芯的相關資料，並推算出各個電池區塊及/或各個電池芯的效能、老化程度及/或電池容量。而後再依據推算出來的結果，調整各個電池區塊的放電比例或放電量，以利於增加電池模組的總放電量及使用壽命。
本發明的一目的，在於提供一種電池設備的放電平衡方法，其中電池模組包括複數個電池區塊的並聯。一處理器包括一輸入端及一輸出端，處理器透過輸入端連接各個電池區塊的各個電池芯，並用以偵測各個電池芯的工作狀態。此外，處理器可經由輸出端輸出控制訊號，分別控制各個電池區塊的放電，以改變在電池模組放電的過程中各個電池區塊的放電比例。
具體而言，於電池模組完全放電之後，依據放電過程之系統參數與時間的關係，評估各個電池區塊之老化程度。而後依據各個電池區塊的老化程度，分別調整電池模組中各個電池區塊之放電比例或放電量，以期使電池模組之放電量能最大化。
本發明的一目的，在於提供一種電池設備的放電平衡方法，於電池模組到達完全放電時，分別取得各個電池區塊中最小的電池芯電壓，以分別產生複數個放電截止電池芯電壓，其中各個放電截止電池芯電壓分別對應各個電池區塊。而後依據各個放電截止電池芯電壓及其中最小的放電截止電池芯電壓計算出一暫時調整參數，並依據暫時調整參數調整各個電池區塊下一次的放電比例，以平衡各個電池區塊的老化程度，並延長電池模組的使用壽命。
為了達到上述的目的，本發明提出一種電池設備的放電平衡方法，電池設備包括一電池模組，其中電池模組包括複數個並聯的電池區塊，且各個電池區塊包括複數個串聯的電池芯，包括：電池模組進行放電；量測各個電池區塊的各個電池芯的電壓，並產生複數個電池芯電壓；複數個電池芯電壓的其中至少一個達到一放電截止電壓；分別取得各個電池區塊中最小的電池芯電壓，並分別產生複數個放電截止電池芯電壓；及依據複數個放電截止電池芯電壓，在電池模組下一次放電的過程中，調整各個電池區塊的一放電比例。
在本發明至少一實施例中，其中複數個電池區塊分別具有相同數量的電池芯，且電池區塊及放電截止電池芯電壓的數量相同。
在本發明至少一實施例中，其中複數個電池芯電壓的其中至少一個達到放電截止電壓時，將電池模組定義為完全放電。
在本發明至少一實施例中，包括：排序各個電池區塊的複數個電池芯電壓，以取得各個電池區塊的放電截止電池芯電壓。
在本發明至少一實施例中，包括依據各個電池區塊本次的放電比例及放電截止電池芯電壓，分別計算出各個電池區塊下一次的放電比例。
在本發明至少一實施例中，包括：排序各個放電截止電池芯電壓，並產生一最小放電截止電池芯電壓；依據各個放電截止電池芯電壓及最小放電截止電池芯電壓，分別計算出各個電池區塊的一暫時調整參數；及依據各個電池區塊的暫時調整參數，計算出各個電池區塊下一次的放電比例。
在本發明至少一實施例中，包括依據各個電池區塊本次的放電比例、各個放電截止電池芯電壓及最小放電截止電池芯電壓，分別計算出各個電池區塊的暫時調整參數。
在本發明至少一實施例中，包括對各個電池區塊的暫時調整參數分別進行正規化，以取得各個電池區塊下一次的放電比例。
在本發明至少一實施例中，包括：透過一處理器量測各個電池芯的電壓，並產生複數個電池芯電壓；及處理器比對各個電池芯電壓是否大於放電截止電壓。
在本發明至少一實施例中，包括：處理器判斷複數個電池芯電壓的其中至少一個達到放電截止電壓；處理器排序各個放電截止電池芯電壓，並產生一最小放電截止電池芯電壓；處理器依據各個放電截止電池芯 電壓及最小放電截止電池芯電壓，計算出各個電池區塊在下一次放電過程中的放電比例；及處理器依據各個電池區塊的放電比例，分別經由一控制電路控制各個電池區塊進行放電。
10:電池設備
11:電池模組
110:電池區塊
111:第一電池區塊
1111:電池芯
113:第二電池區塊
115:第三電池區塊
13:處理器
131:輸入端
133:輸出端
15:負載
17:控制電路
[圖1]為本發明電池設備的一實施例的方塊連接示意圖。
[圖2]為本發明電池設備的放電平衡方法一實施例的步驟流程圖。
[圖3]為未使用本發明及使用本發明的放電平衡方法的放電時間關係圖。
請參閱圖1及圖2，分別為本發明電池設備的一實施例的方塊連接示意圖及放電平衡方法一實施例的步驟流程圖。如圖1所示，電池設備10包括一電池模組11及一處理器13，例如處理器13可以是電池管理系統(Battery Management System，BMS)，其中電池模組11連接一負載(electrical load)15，並用以向負載15提供能量。
電池模組11可包括複數個電池區塊110，其中各個電池區塊110彼此並聯。各個電池區塊110包括至少一個電池芯1111或複數個電池芯1111的串聯，其中各個電池區塊110具有相同數量的電池芯1111，使得各個電池區塊110具有相近的電壓。本發明所述的電池芯1111為二次電池，可多次進行充電及放電，例如電池芯1111為鋰離子電池。
在本發明一實施例中，處理器13可包括一輸入端131及一輸出端133，其中處理器13的輸入端131電性連接電池區塊110的各個電池芯1111， 並經由輸入端131偵測各個電池芯1111的工作狀態，例如電壓、電流及溫度等。處理器13的輸出端133則經由複數個控制電路17分別連接各個電池區塊110，並由輸出端133向各個控制電路17輸出控制訊號，例如控制電路17可能包括複數個切換開關及控制單元。
為了說明的便利性，本發明實施例包括三個並聯的電池區塊110及三個控制電路17，例如一第一電池區塊111、一第二電池區塊113及一第三電池區塊115彼此並聯，但在實際應用時電池區塊110的數量可為兩個或三個以上。各個電池區塊110分別連接一控制電路17。當電池設備10進行放電的時候，處理器13可經由各個控制電路17分別控制各個電池區塊110的放電比例。
處理器13電性連接各個電池區塊110及各個電池芯1111，並分別控制各個電池區塊110及/或各個電池芯1111進行充電或放電。在實際應用時，本發明技術領域中具通常知識者可依據本發明的放電平衡方法設計處理器13及控制電路17，在此便不詳述處理器13及控制電路17的詳細電路構造，其中處理器13及控制電路17的電路構造亦非本發明權利範圍的限制。
電池模組11可連接至少一負載15，例如負載15可能包括伺服器、引擎、電腦、燈泡、音響等，處理器13用以控制電池模組11進行放電，並對負載15進行放電以提供電力至負載15，使得負載15可以正常運作，如步驟21所示。
在電池模組11放電的過程中，處理器13會持續量測各個電池區塊110內的各個電池芯1111的電壓，並產生複數個電池芯電壓，如步驟23所 示，例如處理器13可經由輸入端131量測各個電池芯1111的電壓。在實際應用時，處理器13亦可用以量測各個電池芯1111的電流及溫度。
一般而言，當電池模組11的其中至少一個電池芯電壓到達(例如小於或等於)一放電截止電壓(Cut-off discharge voltage)時，可將電池模組11定義為完全放電，如步驟25所示。具體而言，放電截止電壓是人為定義的電壓，會因為電池的種類、放電條件而有所不同，例如磷酸鋰鐵鋰離子電池的最低放電電壓通常不會低於2.0V，例如三元鋰離子電池的最低放電電壓通常不會低於2.5V。
放電截止電壓的定義主要是為了保護電池模組11及電池芯1111，避免電池模組11及電池芯1111過度放電，而造成永久性的損害。換言之，當電池芯電壓小於或等於放電截止電壓時，並不表示電池模組11就不能繼續放電。電池模組11完全放電後，便需要進行充電才能繼續使用。
在理想狀態下，電池模組11在放電的過程中，各個並聯的電池區塊110理論上會提供相同的電量給負載15。當電池模組11完全放電時，各個並聯的電池區塊110的電壓也應該會相同。
但在實際的狀況下，電池區塊110內的各個電池芯1111的製程可能會有差異，使得出廠後的各個電池芯1111的電池容量、額定電壓、開路電壓及/或斷路電壓具有微小的差異。
此外，即便假設出廠後的各個電池芯1111的規格完全相同，但在經過一段時間的使用後，例如多次的充電或放電，各個電池芯1111的老化程度將會有所不同，使得各個電池芯1111的電池容量、額定電壓、開路電 壓及/或斷路電壓產生差異，而包括一個電池芯1111或多個電池芯1111串聯的電池區塊110的容量或電壓當然亦會產生差異。
具體而言，電池模組11在充電或放電的過程中，各個電池區塊110及/或電池芯1111的溫度會產生差異，並造成各個電池區塊110及/或電池芯1111的老化程度不同，例如長時間處在操作溫度較高的電池區塊110及/或電池芯1111的老化速度較快。
因應各個電池區塊110的老化程度不同，可透過處理器13對各個電池區塊110及/或各個電池芯1111進行充電平衡管理，使得電池模組11在完成充電時，例如完全充電，電池模組11內的各個電池區塊110及/或各個電池芯1111亦完全充電，並使得各個電池區塊110及/或電池芯1111具有相同的斷路電壓。
在本發明一實施例中，可假設第一電池區塊111的溫度小於第二電池區塊113，而第二電池區塊113的溫度小於第三電池區塊115，其中溫度最高的第三電池區塊115的老化程度會比第二電池區塊113及第一電池區塊111快，造成第三電池區塊115的容量小於第二電池區塊113及第一電池區塊111。例如在經過多次的充電及放電後，第一電池區塊111的容量為1063mAh、第二電池區塊113的容量為1039mAh，而第三電池區塊115的容量為851mAh。
在未採用本發明所述的放電平衡方法的情況下，電池模組11放電的過程中，第一電池區塊111、第二電池區塊113及第三電池區塊115的比例放電相同，則在第三電池區塊115的電量消耗完畢之後，例如第三電池區塊 115內的其中一個電池芯1111的電池芯電壓小於放電截止電壓，電池模組11便會被判斷為完全放電，而無法提供能量給負載15。
此時第一電池區塊111及第二電池區塊113仍未消耗完畢，造成第一電池區塊111及第二電池區塊113的殘餘電量無法被使用，例如第一電池區塊111及第二電池區塊113分別殘餘212mAh及188mAh的電量，並將會降低電池模組11所能提供的總電量。
為此本發明提出一種放電平衡方法，主要因應各個電池區塊110及/或各個電池芯1111的工作狀態或老化程度不同，透過處理器13及控制電路17對各個電池區塊110及/或各個電池芯1111進行放電平衡管理。處理器13會依據電池模組11中各個電池區塊110的效能，經由輸出端133傳輸控制訊號給各個控制電路17，而各個控制電路17則會依據接收的控制訊號，調整各個電池區塊110的放電比例，以使得電池模組11可以提供更多的電量，並有利於延長電池模組11的使用壽命。
在本發明一實施例中，假設第一電池區塊111的容量大於第二電池區塊113，而第二電池區塊113的容量大於第三電池區塊115。在電池模組11放電的過程中，處理器13可用以控制各個電池區塊110，使得第一電池區塊111的放電比例或放電量大於第二電池區塊113，而第二電池區塊113的放電比例或放電量則大於第三電池區塊115，並使得第一電池區塊111、第二電池區塊113及第三電池區塊115可同時或於相近的時間達到完全放電。
在電池模組11完全放電時，例如電池模組11中其中至少一個電池芯1111的電池芯電壓小於放電截止電壓時，分別取得各個電池區塊110中最小的電池芯電壓，並產生複數個放電截止電池芯電壓Vj(k)，其中各個放電 截止電池芯電壓Vj(k)分別對應各個電池區塊110，如步驟27所示。其中j代表電池區塊的編號，k代表放電的次數。
在實際應用時，處理器13會持續監控各個電池區塊110的各個電池芯1111的使用狀態，並得知各個電池芯1111的電池芯電壓，例如處理器13會經由輸入端131接受各個電池芯1111的電壓、電流及溫度。而後處理器13可進一步比對各個電池芯電壓是否大於放電截止電壓，以判斷電池模組11是否完全放電。
在本發明一實施例中，當處理器13經由輸入端131得知其中一個電池芯1111的電池芯電壓小於放電截止電壓時，處理器13會分別對各個電池區塊110的各個電池芯電壓進行排序，以分別得知各個電池區塊110中最小的電池芯電壓，並產生複數個放電截止電池芯電壓Vj(k)。具體而言，放電截止電池芯電壓Vj(k)的數量會等於電池區塊110的數量。
而後，處理器13會依據各個放電截止電池芯電壓Vj(k)，在電池模組11下一次放電的過程中，調整各個電池區塊110的放電比例或放電量，如步驟29所示。例如處理器13可進一步排序各個放電截止電池芯電壓Vj(k)，並從中找出最小的放電截止電池芯電壓Vj(k)，以產生一最小放電截止電池芯電壓Vmin(k)。而後依據各個放電截止電池芯電壓Vj(k)及最小放電截止電池芯電壓Vmin(k)，計算出各個電池區塊110在下一次放電過程中的放電比例。
在實際應用時，處理器13可透過輸入端131偵測各個電池區塊110的各個電池芯1111的電壓、電流、溫度及其隨時間的變化，並透過控制電路17來控制各個電池區塊110的放電比例。具體而言，處理器13可依據各個 電池區塊110本次的放電比例、完全放電時的放電截止電池芯電壓Vj(k)及最小放電截止電池芯電壓Vmin(k)，計算出各個電池區塊110下一次的放電比例。
在本發明一實施例中，假設電池模組11完全放電之後，第一電池區塊111的放電截止電池芯電壓V1(k)大於第二電池區塊113的放電截止電池芯電壓V2(k)，而第二電池區塊113的放電截止電池芯電壓V2(k)大於第三電池區塊115的放電截止電池芯電壓V3(k)。
當電池模組11完全放電後，可對電池模組11充電，例如將電池模組11充電至完全充電。在電池模組11充電完成，並進行下一次放電的過程中，處理器13會控制各個電池區塊110的放電比例，例如使得第一電池區塊111的放電比例或放電量大於第二電池區塊113，而第二電池區塊113的放電比例或放電量則大於第三電池區塊115。
在本發明一實施例中，j用來編號電池區塊110，K用來編號第k次的放電，Pj(k)代表第j個電池區塊110的第k次的放電比例，其中所有電池區塊110的放電比例的總合為1或100%。在第k次的放電過程中，處理器13會依據Pj(k)的放電比例，經由輸出端133傳送控制訊號給各個控制電路17來控制各個電池區塊110的放電比例。
電池模組11在第k次完全放電的時候，處理器13量測的第j個電池區塊110的放電截止電池芯電壓為Vj(k)，並得知所有的放電截止電池芯電壓Vj(k)中最小放電截止電池芯電壓為Vmin(k)。
依據各個放電截止電池芯電壓Vj(k)、最小放電截止電池芯電壓Vmin(k)及本次的放電比例Pj(k)，計算出各個電池區塊110的一暫時調整參 數Aj(k)，其中每個電池區塊110都可以得到一個暫時調整參數Aj(k)=Pj(k)+G*[Vj(k)-Vmin(K)]...運算式(a)，其中修正值G為一個固定的比值。
而後依據各個電池區塊110本次的暫時調整參數Aj(k)，計算出各個電池區塊110下一次的放電比例Pj(k+1)。在本發明一實施例中，下一次(k+1)次放電過程中，第j個電池區塊110的放電比例將依暫時調整參數Aj(k)的比例進行正規化(normalization)，以取得各個電池區塊110下一次的放電比例，Pj(k+1)=Aj(k)/Σ Aj(k)...運算式(b)。
例如第一電池區塊111在第k次放電的放電比例P1(k)=0.34，第二電池區塊113在第k次放電的放電比例P2(k)=0.335，第三電池區塊111在第k次放電的放電比例P3(k)=0.325。而電池模組11在第k次完全放電之後，第一電池區塊111的放電截止電池芯電壓V1(k)=3.27V，第二電池區塊113的放電截止電池芯電壓V2(k)=3.09V，第三電池區塊115的放電截止電池芯電壓V3(k)=2.5V。則第k次放電中最小放電截止電池芯電壓Vmin(k)=2.5V。假設修正值G設定為6%，則A1(k)=P1(k)+G×[V1(k)-Vmin(K)]=0.34+6%×(3.27-2.5)=0.386。
以運算式(a)進行同樣的計算，可以得到A2(k)=0.371及A3(k)=0.325。而後依照運算式(b)進行正規化計算，可以得到第一電池區塊111下一次(第k+1次)的放電比例P1(k+1)=0.356，第二電池區塊113下一次(第k+1次)的放電比例P2(k+1)=0.343，第三電池區塊115下一次(第k+1次)的放電比例P3(k+1)=0.301。
而後電池模組11進行第k+1次的放電過程中，處理器13可依據計算的放電比例P1(k+1)、P2(k+1)及P3(k+1)，分別控制第一電池區塊111、第二電池區塊113及第三電池區塊115的放電比例。
上述的運算式(a)、運算式(b)、放電截止電池芯電壓的值、最小放電截止電池芯電壓的值、放電比例的值、常數的值僅為本發明一說明實施例，並非本發明權利範圍的限制。在實際應用時，可調整運算式(a)及/或運算式(b)，以使得電池模組11達到更好的放電平衡效果。
在實際應用時，可於電池模組11每一次放電後，計算出各個電池區塊110的放電比例，以即時調整並控制各個電池區塊110進行放電平衡管理，以平衡各個電池區塊110的老化程度，便可延長電池模組11的使用壽命及增加電池模組11所能提供的電量。
如圖3所示，是以三顆不同老化程度的電池芯為例所做的放電實驗。對照組(未使用本發明的放電平衡方法)是把這三顆電池芯串聯起來的電池組，用來模擬一般的系統；實驗組(使用本發明的放電平衡方法)則是依照本發明的方式，把這三顆電池分成三路並聯的電池模組，每一顆電池模擬一個電池區塊。放電方式為定功率90W。放電截止電壓定為2.5V。實驗結果，對照組實現之放電時間為340秒；引用本發明虛線藍線的放電時間則是從起始的323秒，然後經過四次循環(第四次放電)就把系統容量推到399秒。這代表本發明的設計是可以依老化程度去平衡各電池區塊的放電容量，並據以提供更多的整體容量。
以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims (10)

  1. 一種電池設備的放電平衡方法，該電池設備包括一電池模組，其中該電池模組包括複數個並聯的電池區塊，且各個該電池區塊包括複數個串聯的電池芯，包括：該電池模組進行放電；量測各個該電池區塊的各個該電池芯的電壓，並產生複數個電池芯電壓；該複數個電池芯電壓的其中至少一個達到一放電截止電壓；分別取得各個該電池區塊中最小的該電池芯電壓，並分別產生複數個放電截止電池芯電壓；及依據該複數個放電截止電池芯電壓，在該電池模組下一次放電的過程中，調整各個該電池區塊的一放電比例。
  2. 如請求項1所述的電池設備的放電平衡方法，其中該複數個電池區塊分別具有相同數量的該電池芯，且該電池區塊及該放電截止電池芯電壓的數量相同。
  3. 如請求項1所述的電池設備的放電平衡方法，其中該複數個電池芯電壓的其中至少一個達到該放電截止電壓時，將該電池模組定義為完全放電。
  4. 如請求項1所述的電池設備的放電平衡方法，包括：排序各個該電池區塊的該複數個電池芯電壓，以取得各個該電池區塊的該放電截止電池芯電壓。
  5. 如請求項1所述的電池設備的放電平衡方法，包括依據各個該電池區塊本次的該放電比例及該放電截止電池芯電壓，分別計算出各個該電池區塊下一次的該放電比例。
  6. 如請求項1所述的電池設備的放電平衡方法，包括：排序各個該放電截止電池芯電壓，並產生一最小放電截止電池芯電壓；依據各個該放電截止電池芯電壓及該最小放電截止電池芯電壓，分別計算出各個該電池區塊的一暫時調整參數；及依據各個該電池區塊的該暫時調整參數，計算出各個該電池區塊下一次的該放電比例。
  7. 如請求項6所述的電池設備的放電平衡方法，包括依據各個該電池區塊本次的該放電比例、各個該放電截止電池芯電壓及該最小放電截止電池芯電壓，分別計算出各個該電池區塊的該暫時調整參數。
  8. 如請求項6所述的電池設備的放電平衡方法，包括對各個該電池區塊的該暫時調整參數分別進行正規化，以取得各個該電池區塊下一次的該放電比例。
  9. 如請求項1所述的電池設備的放電平衡方法，包括：透過一處理器量測各個該電池芯的電壓，並產生該複數個電池芯電壓；及該處理器比對各個該電池芯電壓是否大於該放電截止電壓。
  10. 如請求項9所述的電池設備的放電平衡方法，包括：該處理器判斷該複數個電池芯電壓的其中至少一個達到該放電截止電壓；該處理器排序各個該放電截止電池芯電壓，並產生一最小放電截止電池芯電壓；該處理器依據各個該放電截止電池芯電壓及該最小放電截止電池芯電壓，計算出各個該電池區塊在下一次放電過程中的該放電比例；及 該處理器依據各個電池區塊的該放電比例，分別經由一控制電路控制各個該電池區塊進行放電。
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