CN105589040B - 基于老化调适电池运作区间的电池调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于老化调适电池运作区间的电池调控方法，其包含下列步骤：执行一种多维电化学阻抗谱检测方法，以获得一奈奎斯特相对于一充电状态的三维关系图；利用一等效电路模型分析该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图，以获得至少一主要老化因子；定义一电池运作区间的一压力指标关系式，再根据该压力指标关系式定义该电池运作区间的多个调控参考点；以及根据该多个调控参考点，执行一电池放电调控。
Description
技术领域
本发明主要提供一种有关基于老化调适电池运作区间(Ageing-adaptiveOperation Window，AOW)的电池调控(battery control)方法。
背景技术
电池的放电特性会随着长期的使用而产生变化，一般称为电池的老化现象；电池的老化现象包含了容量的衰退与效率的降低。传统的电池检测方式必须将电池完整充放电，以测得实际电容量。一般来说，检测所花费时间将长达1(1C)～10(0.1C)小时。对于使用者而言，返厂检修电池需要较长时间，将无法被接受。因此，为了增进对于电池使用健康状态的辨别，将电池使用于正常安全的操作参数下，进而延长使用寿命及增加安全性，业界与学界分别提出各种电池老化研究的技术。
常见的电池老化研究技术通常是利用分析工具针对电池描述并界定所遭遇的问题，再对电池的电特性进行预测，最后再找出因应电池老化的解决方案。其中，常见的描述工具包括如：剩余容量(Remaining capacity(decay))、阻抗(Impedance(1k Hz；DC-IR))、等效电路模型(Equivalent Circuit Model，ECM)、电化学阻抗谱(ElectrochemicalImpedance Spectrum，EIS)等；常用的预测工具如寿命模型(Lifetime model)、剩余有用寿命(Remaining Usable Life，RUL)。由于在预测电池老化时的电特性的工具往往需要大量的数据运算，例如上述的寿命模型与剩余有用寿命，因此缺乏效率。
有一技术利用SOC量测数据、温度、以及其它参数，配合智能型算法，从而推估电池目前的老化状态。有一技术揭示一种电池状态及参数(例如加压阻抗、电压、电流、温度等)评估方法及***，来估计电池的充电状态及健康状态。有一技术公开一种用于确定电池组健康状态的***和方法，是将电池组充电至最大充电电位后，确认电池组的开路电压，从而确定电池组的健康状态。
在上述及现行的电池老化研究技术中，在实施上仍存在着面临检测的缺点。举例来说，现行的电化学阻抗谱(EIS)检测在实施上面临检测的缺点，其主要原因包括如(1)检测时间长：量测电池各个容量状态下的EIS需耗费较的充放电准备时间；(2)检测的再现性不佳：因量测接线需重新连接，因接触阻抗造成的量测准确性将打折扣。因此，如何设计出能让电池操作在合适应力较小的环境的电池老化研究技术，是值得研究与发展。
发明内容
本发明提供一种有关基于老化调适电池运作区间的电池调控方法，此电池调控方法可包含：执行一种多维电化学阻抗谱检测方法，以获得一奈奎斯特相对于一充电状态的三维关系图；利用一等效电路模型分析该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图，以获得至少一主要老化因子(major ageing factor)；定义一电池运作区间的一压力指标关系式，再根据该压力指标关系式定义该电池运作区间的多个调控参考点；以及根据该多个调控参考点，执行一电池放电调控。
此基于老化调适电池运作区间的电池调控方法并非利用实验试误法，而是基于电池电化学组抗理论，在定义电池的较佳操作区间可节省时间与成本。本方法可脱机使用、周期性的对电池组作测试，或是隐含在电池管理***(Battery Management System，BMS)里，进而计算提供电池的操作区间参数，延长电池使用寿命。本方法不需额外增加硬件，可用于如现有手持、行动装置、电动车***、智能电网电池二次利用筛选技术等。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例，说明一种基于老化调适电池运作区间的电池调控方法。
图2是根据本发明的一实施例，说明使用多维电化学阻抗谱检测时所用的测试载波为100kHz～1mHz的一示意图。
图3是根据本发明的一实施例，说明多维电化学阻抗谱之实部阻抗与V-Ah图的特征。
图4是根据本发明的一实施例，说明一等效电路模型的一示意图。
图5是根据本发明的一实施例，说明遵循第四图之等效电路模型转换的运作流程。
图6所示为利用等效电路模型以及第五图中的步骤决定质传系数Wd之示意图。
图7是根据本发明的一实施例，说明应力因子随随着SoC变化的趋势的一示意图。
图8是根据本发明的一实施例，说明随电池老化而调整调控区间的定义方式。
图9是根据本发明的一实施例，说明调控效益的一示意图。
附图标记说明
110 执行一种多维电化学阻抗谱检测方法，以获得一奈奎斯特相对于一充电状态的三维关系图
120 以一等效电路模型分析该奈奎斯特相对于充电状态的三维关系图，以获得至少一主要老化因子
130 定义一电池运作区间的一压力指标关系式，再根据该压力指标关系式定义该电池运作区间的多个调控参考点
140 根据该多个调控参考点，执行电池放电调控
201～209 曲线，其中每一条曲线代表先将电池充电至饱电状态，在放电过程中进行EIS检测所获得的结果
301 曲线，代表电池从饱电状态下定电流放电到低电量时的电压变化特征
Rct 电荷移转的阻抗
Cdl 电池正、负极板间的电容效应
Rsei 固体电解质界面的阻抗
Csei 固体电解质界面的电容
Rw 应力因子系数
Wd 质传系数
S1～S8 应力指标值
510 在电化学阻抗谱(EIS)检测出的奈奎斯特图中，先区别出总阻抗Rall(＝电荷移转的阻抗Rct+串联阻抗R1+固体电解质界面的阻抗Rsei)，与电感效应L和R0效应分离
520 从总阻抗Rall中，解析分离出串联阻抗R1
530 串联阻抗R1从总阻抗Rall解析分离出后，通过(电荷移转的阻抗Rct+固体电解质接口的阻抗Rsei)，决定应力因子系数Rw
540 解析与决定质传系数Wd
Rall 总阻抗
701、702曲线，代表新电池的Rw与Wd随电池放电容量增加时的变化
703、704曲线，代表新电池经过100次充放电循环后的的变化
705、706曲线，是采用现有技术的直流阻抗(DC-IR)检测所得
801 曲线，代表新电池的应力指标值
802 曲线，代表旧电池的应力指标值
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是根据本发明的一实施例，说明一种基于老化调适电池运作区间的电池调控方法。请参考图1，本电池调控方法执行一种多维电化学阻抗谱(Multi-DimensionalElectrochemical Impedance Spectrum，MD-EIS)检测方法，以获得一奈奎斯特相对于一充电状态(Nyquist vs.State-of-Charge(SoC))的三维关系图(步骤110)；然后以一等效电路模型(Equivalent Circuit Model，ECM)分析该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图，以获得至少一主要老化因子(步骤120)；并且定义一电池运作区间的一压力指标(Operation Window Stress Index)关系式，再根据该压力指标关系式定义该电池运作区间的多个调控参考点(步骤130)；以及根据该多个调控参考点，执行一电池放电调控(步骤140)。
在步骤110中，执行该多维电化学阻抗谱检测方法是将一电化学电池完全充电后，于一放电过程中用一放电电流基础上复合一电化学阻抗谱测试载波，直到该电化学电池放电至一最低电位，以获得该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图。该测试载波为一可设定的范围，例如可为100kHz～1mHz，或10kHz～10mHz。
图2是根据本发明的一实施例，说明使用多维电化学阻抗谱检测时所用的测试载波为100kHz～1mHz的一示意图。其中，曲线201～209的每一条曲线代表先将电池充电至饱电状态，在放电过程中进行EIS检测所获得的结果。第1次测试的结果为曲线201，此为饱电状态下的奈奎斯特图，曲线201包括了10kHz～0.0158Hz的频谱响应。其中，Z’为实部阻抗，而Z”为虚部阻抗。放电过程中可在选定特定的放电容量(Discharge capacity)再次进行EIS检测，就可分别获得如第二图中的201～209曲线，这些曲线随放电容量的变化就可得到电池从饱电状态到低电量状态的电池特征，曲线201～209的集合就称为MD-EIS曲线图，即该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图。
在获得该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图后，观察多维电化学阻抗谱的实部阻抗与V-Ah图的特征，如图3所示，可得到电池低SoC的电压陡降与多维电化学阻抗谱的实部阻抗陡升有相对应关系；而在电池越趋近饱电状态，也有阻抗越大的现象。其中，曲线301为电池的电压-放电容量曲线，曲线301代表电池从饱电状态下定电流放电到低电量时的电压变化特征，约在放电容量3Ah后有陡降的现象。然而，由第二图的奈奎斯特图再转换成阻抗实部-放电容量关系图，可观察到曲线201到曲线209的放电过程中，电池的实部阻抗在低频段(0.1Hz～0.0158Hz)随着放电容量增加，约在放电容量2.5Ah后有陡升的现象。因此MD-EIS检测可比电压-放电容量曲线301更早知道电池承受较大的放电应力。
上述步骤120是以一等效电路模型分析该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图，以获得至少一主要老化因子；其中，此主要老化因子更包括一应力因子系数(StressFactor Coefficient)。图4是根据本发明的一实施例，说明该等效电路模型的一示意图；其中，L与R0代表电池在EIS检测的高频段特征，造成此效应的元件最主要为电池内部的金属元件的电感效应。R1为电池内部的串联阻抗，造成此效应的元件为电池内部极板、电解液、以及连接的导线。Rsei与Csei分别代表电池内部极板表面形成的固体电解质接口(SolidElectrolyte Interface，SEI)膜的阻抗及并联电容特性。Rct代表电池的电荷移转(ChargeTransfer)的阻抗效应，其代表现象为锂离子从液态电解液中要穿越到电极固态界面层遭受的阻力。Cdl代表电池中正、负极板间的电容效应。Wd为质传系数(Warburg coefficient)，代表锂原子在电池极板内扩散的因子，Wd越大代表扩散阻力越小。根据本发明的一实施例，应力因子系数由一阻抗系数及一质传系数Wd所组成，而此阻抗系数由一电荷移转的阻抗与一固体电解质介面膜的阻抗所组成。
图5是根据本发明的一实施例，说明遵循图4的等效电路模型转换的运作流程。请参考图5，此等效电路模型的转换流程可包括：在电化学阻抗谱(EIS)检测出的奈奎斯特图中，先区别出总阻抗Rall(＝电荷移转的阻抗Rct+串联阻抗R1+固体电解质界面的阻抗Rsei)，与电感效应L和R0效应分离(步骤510)；从总阻抗Rall中，解析分离出串联阻抗R1(步骤520)；串联阻抗R1从总阻抗Rall解析分离出后，通过(电荷移转的阻抗Rct+固体电解质接口的阻抗Rsei)，决定应力因子系数Rw(步骤530)，其中Rw代表电池本质特性的应力因子系数；以及解析与决定质传系数Wd(步骤540)。图6所示为利用等效电路模型以及图5中的转换流程决定质传系数Wd的示意图。首先，先解析出总阻抗Rall(＝Rct+R1+Rsei)，方法如下：-Z”轴在0以下的曲线皆为L和R0的效应，在低频段1Hz以下的频率找出尾段质传效应(Warburg effect)，其特征为实部与虚部的增量为一致，因此在奈奎斯特图中与水平呈现45度的夹角。接着，检析阻抗R1(步骤520)，为奈奎斯特图中曲线与水平轴Z’交点的水平值。再通过(Rct+Rsei)，决定应力因子系数Rw(步骤530)，Rw的值为Warburg effect起点Z’值减去R1值(如图6所示)。最后，可通过数值拟合方式在奈奎斯特图解析与决定质传系数Wd(步骤540)。值得注意的是，其中应力因子系数Rw等于Rct+Rsei。
图7是根据本发明的一实施例，说明应力因子系数Rw与质传系数Wd随着SoC变化的趋势的一示意图。如图7所示，曲线701与702代表新电池的Rw与Wd随电池放电容量增加时的变化，曲线703与704代表新电池经过100次充放电循环后的的变化，曲线705与706是采用现有技术的直流阻抗(DC-IR)检测所得。图7与图2有同样的现象，MD-EIS经由解析后的Rw与Wd参数(2.2Ah后有陡升现象)能比DC-IR检测方式(2.8Ah后有陡升现象)更早反应出电池所承受的应力现象。由此可知，采用等效电路模型所求得的应力指标比直流阻抗DC-IR更能提早反应出电池所受到的操作应力，可提早对电池做适当的充、放电调控，达到延寿的目的；反之，一般传统的DC-IR侦测到DC-IR的陡升时，电池已接近电量耗尽状态，此时调整的范围与效益不大，且操作应力造成的非可回复老化已经形成。
回顾步骤130中，定义一电池运作区间的一压力指标关系式，再根据该压力指标关系式定义该电池运作区间的多个调控参考点。从第七图的趋势可得知应力因子系数Rw及质传系数Wd随SoC变化的趋势，依此趋势可定义出电池的操作区间参数，此操作区间参数包含了电池的电压、电流与SoC的关系。例如，可利用电池在50％SoC附近的电容量的应力因子系数Rw及质传系数Wd作为一最低应力指标，只要饱电与低电量区间的应力指标与最低应力指标相互比对，定义高出的比例就能找出运作区间调控的起始点。例如，调控的参数可包括最大电流(充电、放电)允许点、最终电压操作点(充电电压、最低放电电压)、以及电池放电区间起讫点。运作区间应力指标值是应力因子系数Rw与质传系数Wd的组合值，例如，可以采用以下形式来表示：
应力指标值＝Rw×(x)+Wd×(1-x) (1)
其中，x是介于0与1之间的数值。较为适当的作法为随着电池老化进行电池充、放电参数的调整，例如，如果电池的充放电寿命为3000次，可每300～500次进行一次调整；或是预估电池使用年限为10年，每半年到一年检测调整一次。
在下列的放电的实施例中，选定公式(1)中的x为1，应力指标值＝Rw，将说明电池运作区间放电控制起始点的选定、电池充电截止点、以及电池放电截止点的选定规则，达成电池老化时运作区间随之调控，减缓老化的目的。也就是说，根据本发明的一实施例，上述多个调控参考点还包括一调控起始点、一电池放电截止点、以及一电池充电截止点。
首先，选定运作区间放电控制起始点。图8是根据本发明的一实施例，说明随电池老化而调整调控区间的定义方式。其中，曲线801代表新电池(fresh)的应力指针值，曲线802代表旧电池的应力指标值。由第八图的定义方式可看出，电池新与旧(第100次循环)的应力因子系数Rw随着SoC的变化，大约在50％SoC左右的值为最小，此SoC区域内新、旧电池的较低的应力指标值分别为S1、S2。当电池低电量时，此应力指标值会陡升，可定义比50％SoC时的值升高5％～50％以上的一选定值就开始进行调控，此低电量SoC区域内新、旧电池有较高的应力指标值。也就是说，该调控起始点可定义为比一电池在50％SoC时的值高出5％～50％以上的一选定值，就开始进行调控。
图8中的新、旧电池的应力指标分别为S3、S4。S3/S1的应力指标比值约为23.8/12.8，老化的电池的调控区间起始调控点S4选定规则将遵守S4/S2＝S3/S1的原则，如不实时进行调控仍然放电至与S3相同的放电容量才调控，则会因应力指标上升而加速老化。也就是说，一旧电池的一调控区间的该起始调控点的选定规则遵守S4/S2＝S3/S1的原则，其中S1、S2分别为50％SoC区域内一新电池的较低的应力指标值、该旧电池的较低的应力指标值，S3、S4分别为该新电池的调控起始点、该旧电池的调控起始点
接着，选定电池调控区间充电截止点。如图8所示，新、旧电池的充电截止的规则与调控区间放电控制起始点原理相同，以S8/S2＝S7/S1的规则选定，其中S7是电池充电至原厂规格，原厂规格为充电电压以及截止电流。然后，选定调控区间放电截止点。当电池老化时，以图8中100个循环(cycles)的应力指针曲线为例，电池老化后的应力指标值应从S5为S6，使得旧电池的S6的应力指标与新电池的S5应力指标值相同。也就是说，该电池放电截止点的选择如下：一电池变旧后的应力指标值从S5为S6，使得该旧电池的应力指标值S6与一新电池的应力指标值S5相同，其中S5、S6分别为该新电池的电池充电截止点、该旧电池的电池充电截止点。
图9是根据本发明的一实施例，说明调控效益的一示意图。其中，A点代表操作区间的起始调控点，其放电C-rate可以为电池原厂建议的最大值。B点代表操作区间放电截止点，其放电C-rate可以为电池原厂建议的最大值稍低的任意值。虚线所示为没有经过操作区间调控的电池电压-放电容量曲线随充放次数的关系图，C区间分散度比有操作区间调控的结果大，代表操作区间调控在老化的抑制优于原厂建议的放电方式。如第九图所示，定义放电容量2.45Ah(A点)时，将最大的放电电流2C(C代表电池放电C-rate)调降至2.8Ah(B点)的0.1C(或较小的放电值)，由上述的A点到B点就可定义出两点之间的电流值，本实施例采用了线性方程式定义每个SoC的电流值。电池老化后的每次放电都可比无老化调控区间调控的方式，更能善用剩余电能，并且老化速度较无老化调控区间调控更为和缓。另一种更能发挥电池放电速度的方法为在电池应力指针较低的区域，可放电池操作在比原厂建议值更高的放电电流，因电池操作应力较大的区段为低电量及饱电状态，电池的循环寿命仍能比原厂建议的充放电参数操作的寿命好。
综上所述，依据本发明的实施例提供一种基于老化调适电池运作区间的电池调控方法，电池调控方法包含：执行一种多维电化学阻抗谱检测方法，以获得一奈奎斯特相对于一充电状态的三维关系图；利用一等效电路模型分析该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图，以获得至少一主要老化因子；定义一电池运作区间的一压力指标关系式，再根据该压力指标关系式定义该电池运作区间的多个调控参考点；以及根据该多个调控参考点，执行一电池放电调控。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于老化调适电池运作区间的电池调控方法，其特征在于，包含下列步骤：
执行一种多维电化学阻抗谱检测方法，以获得一奈奎斯特相对于一充电状态的三维关系图；
利用一等效电路模型分析该奈奎斯特相对于该充电状态的该三维关系图，以获得至少一主要老化因子，其中，所述至少一主要老化因子包括一应力因子系数，所述应力因子系数由一阻抗系数及一质传系数所组成；
定义一电池运作区间的一压力指标关系式，再根据该压力指标关系式定义该电池运作区间的多个调控参考点；以及
根据该多个调控参考点，执行一电池放电调控。
2.如权利要求1所述的电池调控方法，其特征在于，该三维关系图还包括多条曲线的集合，其中每条曲线为在一特定放电容量下的电池特征，而该多条曲线的集合表示该电池从饱电状态到低电量状态的电池特征。
3.如权利要求1所述的电池调控方法，其特征在于，该等效电路模型分析的转换流程还包括：
在检测出的该奈奎斯特图中，先区别出总阻抗，并与电池在高频段特征，造成此效应的电池内部金属元件的电感效应分离，其中，该总阻抗为该电池内部的一串联阻抗、该电池内部的一极板表面形成的固体电解质介面膜的阻抗、以及该电池的一电荷移转的阻抗效应的总合；
从该总阻抗中，解析分离出该串联阻抗；
通过该极板表面形成的固体电解质介面膜的阻抗与该电荷移转的阻抗效应的总合，决定应力因子系数；以及
解析与决定质传系数。
4.如权利要求1所述的电池调控方法，其特征在于，该压力指标关系式定义为阻抗系数×(x)+质传系数×(1-x)，其中，x是介于0到1之间的数值。
5.如权利要求1所述的电池调控方法，其特征在于，该阻抗系数由一电荷移转的阻抗与一固体电解质介面膜的阻抗所组成。
6.如权利要求1所述的电池调控方法，其特征在于，该多个调控参考点还包括一调控起始点、一电池放电截止点、以及一电池充电截止点。
7.如权利要求6所述的电池调控方法，其特征在于，该调控起始点定义为比一电池在50％SoC时的值高出5％～50％的一选定值，就开始进行调控。
8.如权利要求6所述的电池调控方法，其特征在于，一旧电池的一调控区间的该起始调控点的选定规则遵守S4/S2＝S3/S1的原则，其中S1、S2分别为50％SoC区域内一新电池的最低的应力指标值、该旧电池的最低的应力指标值，S3、S4分别为该新电池的调控起始点、该旧电池的调控起始点。
9.如权利要求6所述的电池调控方法，其特征在于，该电池充电截止点的选择依S8/S2＝S7/S1的规则选定，其中S1、S2分别为50％SoC区域内一新电池的最低的应力指标值、一旧电池的最低的应力指标值，S7、S8分别为该新电池的电池充电截止点、该旧电池的电池充电截止点。
10.如权利要求6所述的电池调控方法，其特征在于，该电池放电截止点的选择如下：
一电池变旧后的应力指标值从S5为S6，使得一旧电池的应力指标值S6与一新电池的应力指标值S5相同，其中S5、S6分别为该新电池的电池充电截止点、该旧电池的电池充电截止点。
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