電池健康狀態(tài)檢知方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電池健康狀態(tài)檢知裝置，包含有一檢測模塊、一運算控制模塊以及一輸出模塊，運算控制模塊分別與檢測模塊以及輸出模塊電連接，該檢測模塊對一電池進行電壓檢測，且在選定的測試點取得電池的電壓值，運算控制模塊根據(jù)測試點的電壓值轉(zhuǎn)換為一比值，再與該電池已知的一電池健康狀態(tài)曲線進行比對，即可取得該電池的健康狀態(tài)值并由輸出模塊輸出；運算控制模塊在短時間內(nèi)進行電壓檢測以得到電池的健康狀態(tài)值，而易于判斷電池的健康狀態(tài)，解決現(xiàn)有不易快速且簡單地判斷電池健康狀態(tài)以及產(chǎn)生電池電量估測誤差或有維修成本增加的問題。
【專利說明】電池健康狀態(tài)檢知方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電池健康狀態(tài)檢知裝置，尤指一種檢測電池的電壓并比對該電池已知的健康狀態(tài)曲線，即可快速得知電池當(dāng)下健康狀態(tài)的檢知裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電池技術(shù)的發(fā)展以及人們對于節(jié)能減碳與環(huán)保的要求，使用電動載具的機會日漸增加，而為了使電動載具符合較高的續(xù)航旅程距離及性能的需求，其使用的電池組即需串聯(lián)或串并聯(lián)多數(shù)個電池以達到所需的電壓與容量，而提高電池的效率以及對電池進行退化估測便是維持前述要求的重要條件。
[0003]電動載具的主要能量來源為安裝在其內(nèi)部的電池組，而電池真正可儲存的能量即為使用者考量與否需要充電的重要依據(jù)，由于現(xiàn)有電動載具的市場需求日漸增加，其主要是作為中短程通勤之用，大部份電動載具的使用者是居住在大樓或公寓的環(huán)境，除非在停車區(qū)域有設(shè)充電插座或充電站，否則要替電動載具充電將是一大問題，因此較佳的解決方式是在各地設(shè)置電池交換站，當(dāng)電動載具在行駛時發(fā)現(xiàn)電力即將耗盡，使用者可就近至電池交換站付費交換已充飽電的電池，其交換費用僅需依換下電池的剩余電量多寡進行計價，因此，電池交換站需要對換下的電池進行電池電量檢測及電池退化狀態(tài)檢測。
[0004]一般而言，在電動載具的應(yīng)用，當(dāng)電池當(dāng)下的有效電容量低于原廠設(shè)定的有效容量的80%時，即可將該電池視為嚴重退化，而不再符合電動載具的需求；因此，通過電池退化狀態(tài)檢測，可避免換下的電池因其當(dāng)下的有效電容量的不同，造成電池使用時間及性能不一，而有電池電量錯估的問題。
[0005]目前市面上針對電池的電量檢測或是退化檢測的裝置主要是針對車用的鉛酸電池，常見的有電池壽命測試儀或電池檢測儀，其中，該電池壽命測試儀是利用內(nèi)置的高功率的負載功率電路，由電池對負載功率電路進行大電流放電，以量測其電壓降而可得其放電的能力，并由放電能力判斷電池的退化狀態(tài)，由于電池壽命測試儀內(nèi)置有高功率的負載功率電路，造成體積龐大而有攜帶不便的缺點，且因測試過程的放電電流相當(dāng)大，電池測試時間不可過長，否則會有加速電池退化的問題；該電池檢測儀主要是分析電池的四項指標(電壓、冷啟動電流值、電阻、電池能量)，根據(jù)以上四項指標判斷電池的退化狀態(tài)，但主要是以量測電池的電阻(內(nèi)阻)為主，通過交流內(nèi)阻測量法測試電池的內(nèi)阻值，而可對應(yīng)得到電池的容量，不過電池檢測儀測量電池容量時，車輛必須熄火超過一個小時以上，且僅能針對單顆電池量測，無法于串聯(lián)多個電池時分別測量各電池容量。
[0006]因此現(xiàn)有用于檢測電池的健康狀態(tài)(SOH:State Of Health)的技術(shù)，如美國專利公開第20070252600號“電池健康狀態(tài)的診斷方法(Diagnosis method forstate-of-health of batteries) ”,其以一定電流進行長時間放電,再測量電池的電壓值，觀察其電壓變化率，進而判斷該電池的健康狀態(tài)是否有異常，由于電池需進行長時間放電，且僅能判斷是否發(fā)生退化，而無法快速且即時得知電池當(dāng)下的健康狀態(tài)的問題。
[0007]而如美國專利公開第20090128097號“追蹤電池健康狀態(tài)之系統(tǒng)與方法(Methodand system for tracking battery state of health) ”，由一充電裝置、一充電計時裝置與一處理單元組成，通過對待測電池充電與計時，計算該電池在充電過程中的電容量，再與電池預(yù)設(shè)的電容量比較，而可判斷該電池的健康狀態(tài)，由于其使用累計法，判斷時間長且無法快速檢測，加上需有特殊設(shè)計的濾波器，因此無法即時檢知該電池的健康狀態(tài)。
[0008]由上述可知，現(xiàn)有針對電池的電量檢測的裝置多是使用電流法與內(nèi)阻法進行測量，其中，該電流法是使用特定電流放電方式，量測并觀察電壓的變化率，以作為電池健康狀態(tài)的判斷依據(jù)，其缺點是電池需進行完整充、放電步驟，造成放電時間過長，而且只能判斷電池是否健康，無法判斷其健康程度；該內(nèi)阻法需提供電池一外部的輸入電壓，由該輸入電壓量測電池的內(nèi)阻值，再經(jīng)計算以判斷電池的退化狀態(tài)，其缺點是檢測裝置規(guī)格與成本較高，且需要多個次系統(tǒng)組成；該累計法是在電池放電過程中持續(xù)量測與記錄電池的電荷，待完成放電步驟后再與該電池的原始記錄值相比較，以判別電池的健康狀態(tài)，其缺點是需完整的放電步驟，造成判別時間過長而無法快速檢測，且需有特殊設(shè)計的濾波器輔助。
[0009]綜上所述，現(xiàn)有針對電池的電量檢測或是退化檢測的裝置或方法皆有其限制與缺點，例如電流法需要長時間放電造成檢測時間過長，而且只能判斷電池健康與否，無法判斷電池的健康程度；內(nèi)阻法的系統(tǒng)規(guī)格要求較高，需由多個次系統(tǒng)組成，造成設(shè)置成本過高；累計法的判斷時間長，因此無法快速檢測，而且須有特殊的濾波器設(shè)計；因此，現(xiàn)有電動載具上的電池容量顯示裝置，若無加入電池退化估測的參數(shù)，將會致使駕駛者讀取到有誤差或過高的電容量值，產(chǎn)生誤判行駛距離的困擾；此外，若是以電池交換方式更換電力耗盡的電池，則會面臨欲付費交換電池時，可能因更換的電池壽命長短不同、使用時間與性能不一以及電池殘余容量不準確而有電量估測誤差的問題，加上電池交換站無法有效針對換下的電池依據(jù)其健康狀態(tài)或退化程度進行維修，以分別更換嚴重退化的電池芯，造成更換整組電池芯會有浪費與維修成本增加的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]如前揭所述，現(xiàn)有技術(shù)針對電池的健康狀態(tài)仍無法有效的即時得到檢知結(jié)果，換下的電池易因使用時間與性能不一以及電池殘余容量不準確而有電量估測誤差的問題，而電池交換站則無法有效的對換下的電池依據(jù)其健康狀態(tài)或退化程度進行維修，造成維修成本增加的問題，因此本發(fā)明主要目的在提供可快速檢測電池健康狀態(tài)的一電池健康狀態(tài)檢知方法與裝置，主要是在電池充電或放電時選定測試點，由測試點所得的電壓比值與電池原始的健康狀態(tài)曲線進行比對，即可得到電池的健康狀態(tài)值，做為電池退化與電容量修正的判斷依據(jù)，解決現(xiàn)有技術(shù)無法快速判斷電池的健康狀態(tài)，而產(chǎn)生維修成本增加以及電池電容量錯估等問題。
[0011]為達成前述目的所采取的主要技術(shù)手段是令前述電池健康狀態(tài)檢知方法包含有:
[0012]提供一已知的電池健康狀態(tài)曲線；
[0013]執(zhí)行一電壓檢測程序，用以檢知并記錄電池在電壓檢測程序中所設(shè)定的多個測試點的電壓值；
[0014]計算該等測試點之間的電壓差以及相對電池原始電壓壓差的比值，并以該比值對照前述的電池健康狀態(tài)曲線，以取得電池的健康狀態(tài)值。[0015]為達成前述目的所采取的主要技術(shù)手段是令前述電池健康狀態(tài)檢知裝置包含有:
[0016]一檢測模塊，其用以連接電池，并在充電或放電步驟中設(shè)有多個測試點，以分別取得電池在各測試點的電壓值，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0017]一運算控制模塊，其與檢測模塊電連接，取得各測試點的電壓值以及相對電池原始電壓壓差以計算比值，并以該比值與對應(yīng)該電池的一電池健康狀態(tài)曲線進行比對，以取得該電池的健康狀態(tài)值；
[0018]一輸出模塊，其與運算控制模塊電連接，以輸出運算控制模塊所取得的電池健康狀態(tài)值。
[0019]利用前述元件組成的電池健康狀態(tài)檢知裝置，由運算控制模塊取得對應(yīng)該電池的電池健康狀態(tài)曲線，且令檢測模塊控制與其連接的電池進行充電或放電，以分別在選定的測試點取得電池的電壓值，運算控制模塊經(jīng)計算電壓值與電壓壓差可得到比值，該比值經(jīng)對照電池健康狀態(tài)曲線，即可得到該電池的健康狀態(tài)值，并由輸出模塊輸出該電池的健康狀態(tài)，藉此，運算控制模塊僅需經(jīng)計算測試點對應(yīng)的比值并對照已知的電池健康狀態(tài)曲線，可快速檢測電池的健康狀態(tài)以及判斷電池的有效容量與壽命長短，解決現(xiàn)有技術(shù)無法快速判斷電池的健康狀態(tài)的缺點，以及電池電容量錯估與維修成本浪費的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中:
[0021]圖1為本發(fā)明第一較佳實施例的充放電測試曲線圖。
`[0022]圖2為本發(fā)明第一較佳實施例的電池容量估計曲線圖。
[0023]圖3為本發(fā)明第一較佳實施例的正規(guī)化電壓差曲線與連續(xù)循環(huán)充放電的關(guān)系圖。
[0024]圖4為本發(fā)明第一較佳實施例的電池健康狀態(tài)曲線圖。
[0025]圖5為本發(fā)明第一較佳實施例的電池放電曲線圖。
[0026]圖6為本發(fā)明第一較佳實施例的電池健康狀態(tài)檢知裝置的電路方塊圖。
[0027]圖7為本發(fā)明第一較佳實施例的電池健康狀態(tài)檢知裝置的流程圖。
[0028]圖8為本發(fā)明第二較佳實施例的電池充電曲線圖。
[0029]圖9為本發(fā)明第三較佳實施例的電池放電初始斜率的曲線圖。
[0030]圖10為本發(fā)明第三較佳實施例的電池充電初始斜率的曲線圖。
[0031]附圖標號:
[0032]IO檢測模塊11量測單元
[0033]12充/放電控制單元 13濾波控制單元
[0034]14數(shù)據(jù)量測單元
[0035]20記錄模塊
[0036]30輸入模塊31掃描單元
[0037]32數(shù)據(jù)輸入單元
[0038]40運算控制模塊
[0039]50輸出模塊 51數(shù)據(jù)傳輸單元[0040]52顯示單元【具體實施方式】
[0041]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0042]關(guān)于本發(fā)明的第一較佳實施例，主要是預(yù)先對一電池進行多次且完整的充/放電測試(Life Cycle Test，其充放電的特性曲線如圖1所示)，以對該電池進行電池容量估測，在本較佳實施例中，該電池是一種鋰鐵電池，其全充/放電測試的電壓是介于3.6V至2.6V之間，如此進行固定充/放電速率(C-rate)的連續(xù)且重復(fù)循環(huán)的充放電測試，可得到如圖2所示的電容量與電池充放電次數(shù)的關(guān)系圖。
[0043]如圖2所示該電池的原始電容量約為9Ah,在經(jīng)過連續(xù)循環(huán)的反復(fù)充放電50次后，電池的電容量會降低至約為7.8Ah，僅約為原始電容量的87%。因此可知該電池經(jīng)多次完整的充/放電測試后，其電容量已有13%的退化，通過上述測試可輕易取得該電池的電容量衰退與使用次數(shù)的一關(guān)系曲線(適配曲線)。
[0044]而在上述對電池的充/放電測試過程中，導(dǎo)入電壓檢測程序，以建立正規(guī)化的電壓差比值與連續(xù)循環(huán)充放電次數(shù)的關(guān)系，其結(jié)果會如圖3所示的電池容量估測曲線，此外，此正規(guī)化的電壓差比值以不同充/放電率(0.4C、0.6C、0.8C與1.0C)進行測試與比較后，不同放電率所得的曲線雖高低略有不同，不過電池退化的整體趨勢是相同的。
[0045]通過整合上述的充/放電測試的數(shù)據(jù)，經(jīng)運算后可得如圖4所示的電池健康狀態(tài)(State-of-Health, S0H)曲線，此電池健康狀態(tài)曲線即可做為該類電池的健康狀態(tài)的檢測與判斷依據(jù)，又不同種類的電池或由不同材料組成的電池，其所得到的電池健康狀態(tài)曲線則略有不同。
[0046]如圖5所示，為本較佳實施例中有關(guān)檢知電池健康狀態(tài)的電壓檢測程序的其中一種測試方式，該測試方式是通過控制電池放電電流與時間的方式，以得到電池的放電曲線，當(dāng)電池放電到達所設(shè)的放電時間(T1)時，即停止放電并取得電池停止放電時的測試點的電壓值(V1),待電池經(jīng)過一段時間(T2)取得其回升至穩(wěn)態(tài)電壓的測試點的電壓值(V2)，該電池回升至穩(wěn)態(tài)的測試點的電壓值(V2)減去電池停止放電時的測試點的電壓值(V1 )，再與電池的原始電壓壓差(AVmigin)進行比較而可得到一比值(VR:Voltage-Difference Ratio),其中該原始電壓壓差(AVtffigin)為電池尚未退化時，對電池進行上述測試所得的數(shù)值，而該比值(VR)為:
[0047]，
【權(quán)利要求】
1.一種電池健康狀態(tài)檢知方法,其特征在于,包括: 提供一已知的電池健康狀態(tài)曲線； 執(zhí)行一電壓檢測程序，用以檢知并記錄電池在電壓檢測程序中所設(shè)定的多個測試點的電壓值； 計算所述測試點之間的電壓差以及相對電池原始電壓壓壓差的比值，并以所述比值對照所述的電池健康狀態(tài)曲線，以取得電池的健康狀態(tài)值。
2.如權(quán)利要求1所述的電池健康狀態(tài)檢知方法，其特征在于，所述電壓檢測程序為放電測試，所述測試點分別為一電池停止放電的測試點以及一回升至穩(wěn)態(tài)電壓的測試點，其電壓分別為電池停止放電的電壓值以及回升至穩(wěn)態(tài)的電壓值，所述穩(wěn)態(tài)電壓值減去停止放電的電壓值即得到一電壓差，所述電壓差除以電池原始電壓壓差以得所述的比值。
3.如權(quán)利要求1所述的電池健康狀態(tài)檢知方法，其特征在于，所述電壓檢測程序為充電測試，所述測試點分別為一電池停止充電的測試點以及一回降至穩(wěn)態(tài)電壓的測試點，其電壓分別為電池停止充電的電壓值以及回降至穩(wěn)態(tài)的電壓值，所述停止充電的電壓值減去穩(wěn)態(tài)電壓值即得到一電壓差，所述電壓差除以電池原始電壓壓差以得所述的比值。
4.如權(quán)利要求1所述的電池健康狀態(tài)檢知方法，其特征在于，所述電壓檢測程序為放電測試，取得其放電曲線上初始測試點的斜率，經(jīng)計算且對照不同斜率數(shù)值組成的放電的電池健康狀態(tài)曲線，以得到電池的健康狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的電池健康狀態(tài)檢知方法，其特征在于，所述電壓檢測程序為充電測試，取得其充電曲線上初始測試點的斜率，經(jīng)計算且對照不同斜率數(shù)值組成的充電的電池健康狀態(tài)曲線，以得到電池的健康狀態(tài)。
6.一種電池健康狀態(tài)檢知裝置，其特征在于，包括: 一檢測模塊，其用以連接電池，并在充電或放電步驟設(shè)有多個測試點，以分別取得電池在各測試點的電壓值，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 一運算控制模塊，其與所述檢測模塊電連接，取得各測試點的電壓值以及相對電池原始電壓壓差以計算比值，并以所述比值與對應(yīng)所述電池的一電池健康狀態(tài)曲線進行比對，以取得所述電池的健康狀態(tài)值； 一輸出模塊，其與所述運算控制模塊電連接，以輸出所述運算控制模塊所取得的電池健康狀態(tài)值。
7.如權(quán)利要求6所述的電池健康狀態(tài)檢知裝置，其特征在于，所述運算控制模塊連接有一記錄模塊與一輸入模塊，所述記錄模塊用以記錄所述檢測模塊傳送至所述運算控制模塊的數(shù)字信號，以及紀錄所述輸入模塊或所述運算控制模塊的數(shù)據(jù)；所述輸入模塊用以輸入所述電池的種類或型號以及對應(yīng)所述電池的健康狀態(tài)曲線。
8.如權(quán)利要求7所述的電池健康狀態(tài)檢知裝置，其特征在于，所述輸入模塊包含有一掃描單元或一數(shù)據(jù)輸入單元。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項所述的電池健康狀態(tài)檢知裝置，其特征在于，所述檢測模塊包含有一量測單元與一充/放電控制單元，充/放電控制單元是與所述量測單元電連接，所述量測單元是與電池連接。
10.如權(quán)利要求9所述的電池健康狀態(tài)檢知裝置，其特征在于，所述檢測模塊包含有一濾波控制單元與一數(shù)據(jù)量測單元，所述濾波控制單元是分別與所述充/放電控制單元以及所述數(shù)據(jù)量測單元電連接， 并由所述數(shù)據(jù)量測單元與所述運算控制模塊電連接。
【文檔編號】G01R31/36GK103675692SQ201210362696
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月26日
【發(fā)明者】胡聰賢, 邱奕超 申請人:財團法人車輛研究測試中心