電池老化評估方法

2023-05-08 20:31:51 1

專利名稱：電池老化評估方法
技術領域：
本發明是有關於一種電池老化估測方法，且特別是有關於一種利用在充電過程中定電流轉定電壓操作的相關參數來估測電池老化的方法。
背景技術：
電池在使用時會隨著環境變化、充放電的循環次數等因素而逐步產生裂化。因此，在電池的劣化過程中，通常會使用不同的計量工具去量測電池的這些老化參數，以決定電池是否仍適合系統使用。針對電池老化參數的量測，目前已有一些公知技術相繼被提，例如:美國專利第2011/133744號、美國專利第6，832，171號、美國專利第6，433，513號以及日本專利特開2007-178333號公報。其中，美國專利第2011/133744號是利用一幹擾源來偵測電池內阻，並由此判別電池的老化程度。然而，上述方法必須設置額外的元件來產生幹擾源，進而增加系統的硬體成本。再者，美國專利第6，832，171號是通過紀錄電池的阻抗曲線，來偵測電池剩餘的可用容量與其容量老化信息。此外，美國專利第6，433，513號是利用電池在充電時其電壓區間所對應的電量值，來判斷電池的老化程度並預測其使用壽命。然而，上述方法都必需建立龐大的表格來記錄或是計算老化程度，且必須持續地更新所記錄的數值，進而增加系統的複雜度。在日本專利特開2007-178333號公報中，其是在電池從定電流充電要轉換成定電壓充電時，先將電池靜止放置一段時間並量測電池的電壓變化率，以由此偵測電池的老化程度(deterioration index)。然而,上述方法必須中斷電池的充電行為,才能進行電池老化的量測。

發明內容
本發明提供一種電池老化估測方法，利用常用的定電流轉定電壓的充電方式(簡稱CC-CV充電方法)，並在充電過程中監測電池的電壓、電流、電量、溫度等參數，取得充電由定電流轉換定電壓模式的狀態轉換點(以下簡稱轉換點)信息，例如:轉換點電壓、轉換點電流、轉換點電池溫度、轉換點估測開路電壓等信息，估測電池老化程度。其中轉換點估測開路電壓為一估測值，其估測方式是以電池轉換點電量帶入元件特性表查表取得。計算轉換點電壓與轉換點估測開路電壓的間的差值，或在定電壓模式下經過特定時間的電流下降幅度來估測電池的老化程度。由此，將可在沒有設定幹擾源或是中斷電池充電行為的情況下，來估測電池的老化程度。本發明提出一種電池老化估測方法，並包括下列步驟。提供定電流/定電壓混和充電程序對電池進行充電，其中當電池的端電壓未達充電預設電壓前，以定電流模式對電池進行充電，當電池的端電壓達充電預設電壓時，以定電壓模式對電池進行充電。以及，利用定電流/定電壓混和充電程序中由定電流模式轉換至定電壓模式的轉換點電壓、轉換點估測開路電壓、轉換點電流、轉換點電池溫度，計算電池的老化指標。在本發明的一實施例中，上述的電池老化估測方法，更包括計算轉換點估測開路電壓。在本發明的一實施例中，上述的計算轉換點估測開路電壓的步驟包括:在執行定電流/定電壓混和充電程序之前，依據電池的靜置開路電壓查詢一元件特性表，以取得一剩餘電量；在定電流/定電壓混和充電程序開始後，累積電池在定電流模式下所獲得的充電電量；將剩餘電量與累積充電電量相加，以取得轉換點電量；以及，根據轉換點電量再次查詢元件特性表，以取得轉換點估測開路電壓。在本發明的一實施例中，上述的計算轉換點估測開路電壓的步驟包括:在定電流/定電壓混和充電程序開始後，累積電池在定電壓模式下所獲得的充電電量；在完成定電流/定電壓混和充電程序後，靜置電池以取得電池的靜置開路電壓，並利用靜置開路電壓查詢元件特性表，以取得電池在完成充電後的查表電量；將查表電量減去充電電量，以取得轉換點電量；以及，根據轉換點電量再次查詢元件特性表，以取得轉換點估測開路電壓。在本發明的一實施例中，上述的利用轉換點電壓、轉換點估測開路電壓、轉換點電流與轉換點電池溫度，計算老化指標的步驟包括:將轉換點電壓減去轉換點估測開路電壓，以取得實際電壓差；依據轉換點電流與轉換點電池溫度查詢初始壓差對照表，以取得預設電壓差；以及，將實際電壓除以預設電壓差，以取得老化指標。本發明提出一種電池老化估測方法，包括下列步驟:提供一定電流/定電壓混和充電程序對電池進行充電，其中當電池的端電壓未達充電預設電壓前，以定電流模式對電池進行充電，當電池的端電壓達充電預設電壓時，以定電壓模式對電池進行充電；當定電流/定電壓混和充電程序由定電流模式轉換至定電壓模式時，紀錄轉換點電流與轉換點電池溫度；以及，當電池在定電壓模式下充電達預設時間後，偵測電池的暫態電流，並利用轉換點電流、轉換點電池溫度以及暫態電流計算電池的老化指標。在本發明的一實施例中，上述的利用轉換點電流、轉換點電池溫度以及暫態電流，計算老化指標的步驟包括:將暫態電流除以轉換點電流，以取得暫態指標；依據轉換點電流與轉換點電池溫度查詢初始電流比例對照表，以取得一預設電流比例參數；以及，將預設電流比例參數除以暫態指標，以取得老化指標。基於上述，本發明是利用轉換點電壓對轉換點估測開路電壓的電壓差，或是利用由定電流轉定電壓後的暫態電流，來估測電池的老化程度。由此，本發明將可在一般CC-CV的充電方式下，達到估測電池的老化程度，因此有助於降低系統的硬體成本以及系統的複雜度。為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合附圖作詳細說明如下。


圖1為依據本發明的一實施例的電池老化估測方法的流程圖。圖2A為依據本發明的一實施例的電池的特性曲線圖。圖2B為依據本發明的另一實施的取得轉換點估測開路電壓的流程圖。圖3為依據本發明的一實施例的計算老化指標的細部流程圖。
圖4為依據本發明的另一實施例的電池老化估測方法的流程圖。圖5為依據本發明的一實施例的電池充電的曲線圖。附圖標記說明SllO S170、S141、S142、S172 S173:用以說明圖1實施例的各步驟流程210、220:曲線T21、T51:第一階段T22、T52:第二階段OCVl、0CV3:靜置開路電壓Ql:充電前以靜置開路電壓OCVl查表取得的剩餘電量0CV2:轉換點估測開路電壓Q2:轉換點電量AQ21:以電量積分取得定電流模式下的充電電量Λ Q22:以電量積分取得定電壓模式下的充電電量Vch:轉換點電壓Q3:以靜置開路電壓0CV3查表取得的查表電量AV:實際電壓差S210 S240:用以說明圖2實施例的各步驟流程S310 S330:用以說明圖3實施例的各步驟流程S410 S460、S441 S443、S461 S463:用以說明圖4實施例的各步驟流程Ich:轉換點電流ΔΤ:預設時間Im:暫態電流
具體實施例方式在電池的充電過程中，定電流轉定電壓的時間點，是充電環境中相對穩定的操作點。因此，本發明主要是利用在充電過程中定電流轉定電壓過程中的相關參數來評價電池的劣化。由此，本發明將無須額外設置任何電路，也無須中斷電池的充電行為，即可估測電池的劣化。以下將列舉說明本發明的電池老化估測方法，但其並非用以限定本發明，本領域具有通常知識者可依照本發明的精神對下述實施例稍作修飾，惟其仍屬於本發明的範圍。圖1為依據本發明的一實施例的電池老化估測方法的流程圖。參照圖1，首先，如步驟SllO所示,將依據一電池的一靜置開路電壓(steady open circuit voltage,簡稱steady OCV)查詢一元件特性表，以取得一剩餘電量。元件特性表係指電池開路電壓對應電池容量的特性表，其中電池容量可為電池充電容量、放電容量或是剩餘容量，並且容量的單位可為瓦時(Wh)，安培時(Ah)或百分比)的方式呈現。舉例來說，圖2A為依據本發明的一實施例的電池的特性曲線圖，其中曲線210為實際電池靜置開路電壓曲線(actual battery OCV curve)並用以表示電池的開路電壓對殘留電量的相對關係，而曲線220為電池充電電壓曲線(battery charging voltagecurve)並用以表示在充電過程中電池的端電壓與殘留電量的相對關係。在此，曲線210所表示的開路電壓與殘留電量的相對關係，皆記錄在元件特性表中。由此，在對電池進行充電之前，參照曲線210(亦即元件特性表)，將可依據電池的靜置開路電壓OCVl取得電池在充電之前的剩餘電量Ql。此外，如步驟S120所示，將提供一定電流對電池進行充電，並在電池的端電壓到達一充電預設電壓時，提供定電壓對電池進行充電，同時在轉換點時紀錄電池溫度，以取得轉換點電池溫度。換言之，本實施例是利用混合定電流/定電壓的充電法，亦即定電流/定電壓混和充電程序，來對電池進行充電。舉例來說，如圖2A所示，在第一階段T21，定電流/定電壓混和充電程序會先切換至一定電流模式，以利用定電流對電池進行充電。此時，如曲線220所示，電池的端電壓會在第一階段T21內逐漸地上升。此外，當電池的端電壓上升至充電預設電壓(例如:轉換點電壓Vch)時，將切換至第二階段T22。在第二階段T22，定電流/定電壓混和充電程序將切換至一定電壓模式，並利用轉換點電壓Vch對電池進行充電。因此，如曲線220所示，電池的端電壓在第二階段T22內會維持在轉換點電壓Vch。再者，如步驟S130所示，在電池充電的過程中，將累計電池在以定電流進行充電下所獲得的充電電量，亦即電池在定電流模式下所獲得的充電電量。舉例來說，如圖2A所示，在第一階段T21內，將逐步累計實際進入到電池的電量，以取得充電電量AQ21。此外，於步驟S140，將利用剩餘電量與充電電量查詢元件特性表，以取得一轉換點估測開路電壓0CV2。舉例來說，如圖2A所示，通過剩餘電量Ql與充電電量AQ21的相加，將可計算出一轉換點電量Q2。此外，參照曲線210 (亦即元件特性表)，將可依據轉換點電量Q2取得相應的轉換點估測開路電壓0CV2。換言之，步驟S140的細部流程包括:首先，於步驟S141，將剩餘電量與定電流階段的充電電量進行相加，以取得一轉換點電量；以及，於步驟S142，依據轉換點電量查詢元件特性表，以取得轉換點估測開路電壓。換言之，本實施例是在執行定電流/定電壓混和充電程序(步驟S120)之前，先透過步驟SI 10取得電池在充電之前的剩餘電量Ql，並在定電流/定電壓混和充電程序(步驟S120)開始後，透過步驟S130累計電池充電時所獲得的充電電量AQ21。由此，將可利用剩餘電量Ql與充電電量AQ21計算出轉換點電量Q2，進而再通過查表取得轉換點估測開路電壓0CV2。亦即，本實施例是透過在定電流/定電壓混和充電程序(步驟S120)之前的步驟SllO以及在定電流/定電壓混和充電程序(步驟S120)開始後的步驟S130與S140來計算轉換點估測開路電壓0CV2。然而，在實際應用上，計算出轉換點電量Q2的方式有很多種。換言之，本發明用以計算轉換點估測開路電壓0CV2的方式也將不受限於上述的實施型態。舉例來說，圖2B為依據本發明的另一實施的計算轉換點估測開路電壓的流程圖。請同時參照圖2A與圖2B。在定電流/定電壓混和充電程序(步驟S120)開始後，如步驟S210所示，累積電池在定電壓模式下所獲得的充電電量AQ22。此外，在完成定電流/定電壓混和充電程序後，如步驟S220所示，將電池靜置一段時間，以取得電池的靜置開路電壓0CV3，並利用電池的靜置開路電壓0CV3查詢元件特性表，以取得一查表電量Q3，其中Q3 = Q2+AQ22。接著，如步驟S230所示，將查表電量Q3減去充電電量AQ22，以取得轉換點電量Q2。由此，如步驟S240所示，將可根據轉換點電量Q2再次查詢元件特性表，以取得轉換點估測開路電壓0CV2。換言之，當電池充電前無法通過靜置開路電壓查表取得剩餘電量Ql時，可直接進行充電，且充電程序完成的總電量相等於查表電量Q3。若充電完成後有足夠的靜置時間取得電池的靜置開路電壓0CV3，則可利用靜置開路電壓0CV3查表進而取得查表電量Q3。之後，再通過查表電量Q3扣除電池在定電壓充電模式所獲得的充電電量AQ22(AQ22 =Q3-Q2)，同樣可取得轉換點電量Q2，並可進一步利用轉換點電量Q2查表取得轉換點估測開路電壓0CV2。值得一提的是，轉換點電壓Vch與轉換點估測開路電壓0CV2之間將存在著一實際電壓差AV，且實際電壓差AV的大小將攸關於電池內阻，也隱含電池在充電時所損失的能量。其中，實際電壓差越高則表示電池充電的性能越差，同時也代表電池劣化的程度較高。因此，本實施例主要是利用實際電壓差Λ V來計算老化指標，並加入轉換點電流與轉換點電池溫度對電池老化的影響。舉例來說，於步驟S150，將利用轉換點電壓、轉換點估測開路電壓、轉換點電流與轉換點電池溫度，計算老化指標。此外，圖3為依據本發明的一實施例的計算老化指標的細部流程圖，以下請同時參照圖2Α與圖3來看步驟S150的細部流程。在計算老化指 標的過程中，如步驟S310所示，將充電預設電壓(例如:轉換點電壓Vch)減去轉換點估測開路電壓0CV2，以取得實際電壓差Λ V。此外，於步驟S320，將轉換點電池溫度與轉換點電流代入一初始壓差對照表，以取得一預設電壓差。由此，如步驟S330所示，將利用實際電壓差AV除以預設電壓差，以取得老化指標。舉例來說，表I為本發明的一實施例的初始壓差對照表。倘若電池目前的轉換點電池溫度為200C且轉換點電流為
1.5安培，則可參表I所記錄的數據，以內插法取得一預設電壓差{0.02}。此外，倘若實際電壓差AV為0.03，則電池的老化指標為1.5。表I初始壓差對照表
權利要求
1.一種電池老化估測方法，其特徵在於，包括: 提供一定電流/定電壓混和充電程序對該電池進行充電，其中當該電池的端電壓未達一充電預設電壓前，以一定電流模式對該電池進行充電，當該電池的端電壓達該充電預設電壓時，以一定電壓模式對該電池進行充電；以及 利用該定電流/定電壓混和充電程序中由該定電流模式轉換至該定電壓模式的一轉換點電壓、一轉換點估測開路電壓、一轉換點電流、一轉換點電池溫度，計算該電池的一老化指標。
2.如權利要求1所述的電池老化估測方法，其特徵在於，更包括: 計算該轉換點估測開路電壓。
3.如權利要求2所述的電池老化估測方法，其特徵在於，計算該轉換點估測開路電壓的步驟包括: 在執行該定電流/定電壓混和充電程序之前，依據該電池的一靜置開路電壓查詢一元件特性表，以取得一剩餘電量； 在該定電流/定電壓混和充電程序開始後，累積該電池在該定電流模式下所獲得的一充電電量； 將該剩餘電量與該累積充電電量相加，以取得一轉換點電量；以及 根據該轉換點電量再次查詢該元件特性表，以取得該轉換點估測開路電壓。
4.如權利要求2所述的電池老化估測方法，其特徵在於，計算該轉換點估測開路電壓的步驟包括: 在該定電流/定電壓混和充電程序開始後，累積該電池在該定電壓模式下所獲得的一充電電量； 在完成該定電流/定電壓混和充電程序後，靜置該電池以取得該電池的一靜置開路電壓，並利用該靜置開路電壓查詢一元件特性表，以取得該電池在完成充電後的一查表電量; 將該查表電量減去該充電電量，以取得該轉換點電量；以及 根據該轉換點電量再次查詢該元件特性表，以取得該轉換點估測開路電壓。
5.如權利要求1所述的電池老化估測方法，其特徵在於，利用該轉換點電壓、該轉換點估測開路電壓、該轉換點電流與該轉換點電池溫度，計算該老化指標的步驟包括: 將該轉換點電壓減去該轉換點估測開路電壓，以取得一實際電壓差； 依據該轉換點電流與該轉換點電池溫度查詢一初始壓差對照表，以取得一預設電壓差；以及 將該實際電壓差除以該預設電壓差，以取得該老化指標。
6.如權利要求1所述的電池老化估測方法，其特徵在於，更包括: 顯示該老化指標，決定是否觸發一異常指示信號。
7.如權利要求6所述的電池老化估測方法，其特徵在於，決定是否觸發該異常指示信號的步驟包括: 依據該轉換點電流與該轉換點電池溫度查詢一電壓老化預設值對照表，以取得一老化預設值； 判別該老化指標是否大於該老化預設值；當該老化指標大於該老化預設值時，觸發該異常指示信號；以及 當該老化指標不大於該老化預設值時，停止觸發該異常指示信號。
8.如權利要求1所述的電池老化估測方法，其特徵在於，該元件特性表是用以紀錄該電池的開路電壓對電池電量的對應關係。
9.一種電池老化估測方法，其特徵在於，包括: 提供一定電流/定電壓混和充電程序對該電池進行充電，其中當該電池的端電壓未達一充電預設電壓前，以一定電流模式對該電池進行充電，當該電池的端電壓達該充電預設電壓時，以一定電壓模式對該電池進行充電； 當該定電流/定電壓混和充電程序由該定電流模式轉換至該定電壓模式時，紀錄一轉換點電流與一轉換點電池溫度；以及 當該電池在該定電壓模式下充電達一預設時間後，偵測該電池的一暫態電流，並利用該轉換點電流、該轉換點電池溫度以及該暫態電流計算該電池的一老化指標。
10.如權利要求9所述的電池老化估測方法，其特徵在於，利用該轉換點電流、該轉換點電池溫度、該暫態電流，計算該老化指標的步驟包括: 將該暫態電流除以該轉換點電流，以取得一暫態指標； 依據該轉換點電流與該轉換點電池溫度查詢一初始電流比例對照表，以取得一預設電流比例參數；以及 將該預設電流比例參數除以該暫態指標，以取得該老化指標。
11.如權利要求9所述的電池老化估測方法，其特徵在於，更包括: 顯示該老化指標，並決定是否觸發一異常指示信號。
12.如權利要求11所述的電池老化估測方法，其特徵在於，決定是否觸發該異常指示信號的步驟包括: 依據該定電流與該電池溫度查詢一電流老化預設值對照表，以取得一老化預設值； 判別該老化指標是否大於該老化預設值； 當該老化指標大於該老化預設值時，觸發該異常指示信號；以及 當該老化指標不大於該老化預設值時，停止觸發該異常指示信號。
全文摘要
一種電池老化估測方法，並包括下列步驟。依據電池的靜置開路電壓查詢元件特性表，以取得剩餘電量。此外，提供固定電流(以下簡稱定電流)對電池進行充電，並在電池的端電壓到達一充電預設電壓時，提供一固定電壓(以下簡稱定電壓)對電池進行充電。利用充電過程量測的電壓、電流、溫度、電量等信息，分析固定電流模式轉換成固定電壓模式的轉換點信息，包含轉換點估測開路電壓、轉換點電壓、轉換點電流與轉換點電池溫度等參數，計算電池老化指標。
文檔編號G01R31/36GK103176135SQ201110461179
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月26日
發明者周崇仁, 孫建中, 劉秋昱, 許盈晧, 杜衍輝, 凌守弘 申請人:財團法人工業技術研究院