TW201520571A - 電池組健康狀態估測之方法與系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種電池組健康狀態估測之方法，利用電芯離散量化演算法算出電池組之健康狀態。其中以電池組之迴路電壓計算得知電壓標準差，並利用電壓標準差相對應之放電電量來比對電池組之額定放電電量，藉此估測電池組健康狀態。

Description

電池組健康狀態估測之方法與系統

本發明是有關於一種電池組健康狀態估測之方法與系統，且特別是有關於一種不須架設資料庫之電池組健康狀態估測之方法與系統。

隨著環保及節能之意識抬頭，特殊動力車輛之相關技術蓬勃發展。特殊動力車輛以氣體燃料或電能來輔助甚至取代液體燃料，以做為車輛的動力來源，目前的特殊動力車輛分為油電混合、油氣混合或純電力驅動方式。

其中油電混合車具有降低車輛油耗的優點，其與一般汽油驅動車輛相異的是油電混合車多了電動馬達及可充電電池，而引擎發動時的一部份動力用以驅動輪胎，另一部份動力則由發電機充電到可充電電池內，而可充電電池再提供電力至電動馬達以運作車輛。

因此，如何有效控制可充電電池及提高可充電電池的效能便為目前市面上油電混合車及電動車之研發重點，而其中又以電池管理系統(Battery Management System， BMS)為主力發展技術。電池管理系統的功能為估測可充電電池之殘餘電荷狀態(State Of Charge，SOC)及健康狀態(State OF Heath，SOH)，可讓使用者預測充電時間、車輛里程數及電池壽命等資料。

然而目前習知對於電池管理系統的研究，所採用之方式大致可分為開路電壓法、庫倫電量積分法及負載電壓法等，但上述方法均須花費大量時間建構可充電電池的量測資料庫，才可推估可充電電池的電荷狀態及健康狀態。此外，其中的開路電壓法更須於可充電電池停止充放電的情況下才可以進行量測，對於使用者極為不便。

因此，本發明之目的是在提供一種電池組健康狀態估測之方法與系統，可大幅降低習知電池管理技術須建構龐大資料庫所花費之時間。此外，本發明利用量測迴路電壓的方式，而非習知採用開路電壓法或內阻法，藉此可於電池組放電過程中進行健康狀態估測，無需限制於充電過程中進行估測，且無需使用特殊儀器來預先量測電池組之溫度或內部阻抗。

依據本發明一實施方式是在提供一種電池組健康狀態估測方法，其步驟包含：一量測步驟，其以一預設取樣條件之相異複數放電電量重複量測電池組之複數電池芯之複數迴路電壓。一離散化步驟，其根據一標準差(Standard Deviation)公式統計分佈計算各電池芯之迴路電 壓，用以獲得各電池芯之一電壓標準差。一微分步驟，其根據放電電量及電壓標準差獲得一離散曲線，並採一微分公式計算離散曲線之一標準差波谷值。一推估步驟，其根據一健康狀態(SOH)計算公式計算電池組之一額定放電電量及對應標準差波谷值之放電電量，用以獲得電池組之一健康狀態。

依據前述之電池組健康狀態估測方法，其中量測步驟中預設取樣條件為每一百毫安時(mAH)量測電池組之各電池芯之迴路電壓一次，且電池組之各放電電量係可採電流積分法(Coulomb counting method)取得。離散化步驟中標 準差公式為，而X _i 為迴路電壓之隨機變數，u _i 為對應各電池芯之迴路電壓之平均值，Z _i 為電池芯之迴路電壓數值的標準分數，n為對應各電池芯之迴路電壓之總數。微分步驟中微分公式為dσ(AH)/dAH，而σ(AH)為電壓標準差對放電電量函數，AH為放電電量。推估步驟中健康狀態計算公式為k(AH _valley )/(AH _original )×100%，其中k為放電係數，AH _valley 為對應標準差波谷值之放電電量，AH _original 為電池組之額定放電電量。

依據本發明另一實施方式是在提供一種電池組健康狀態估測系統，其包含一電池組、一電壓檢測電路、一電流檢測電路以及一運算模組。電池組具有複數電池芯。電壓檢測電路電性連接電池組，電壓檢測電路以一預設取樣條件之相異複數放電電量重複量測各電池芯之複數迴路電壓。電流檢測電路電性連接電池組，電流檢測電路量測 電池組之一放電電流，用以計算各放電電量。運算模組電性連接電池組，運算模組包含一離散化單元、一微分單元以及一健康狀態(SOH)計算單元。離散化單元根據一標準差(Standard Deviation)公式統計分佈計算各電池芯之各迴路電壓，用以獲得各電池芯之一電壓標準差。微分單元根據各放電電量及各電壓標準差獲得一離散曲線，並採一微分公式計算離散曲線之一標準差波谷值。健康狀態計算單元根據一健康狀態計算公式計算電池組之一額定放電電量及對應標準差波谷值之放電電量，用以獲得電池組之一健康狀態。

依據前述之電池組健康狀態估測系統，其中預設取樣條件為每一百毫安時(mAH)量測電池組之各電池芯之迴路電壓一次，且電池組之各放電電量係可採電流積分法(Coulomb counting method)取得。標準差公式為 ，而X _i 為迴路電壓之隨機變數，u _i 為對應各電 池芯之迴路電壓之平均值，Z _i 為電池芯之迴路電壓數值的標準分數，n為對應各電池芯之迴路電壓之總數。微分公式為dσ(AH)/dAH，而σ(AH)為電壓標準差對放電電量函數，AH為放電電量。健康狀態計算公式為 k(AH _valley )/(AH _original )×100%，其中k為放電係數，AH _valley 為 對應標準差波谷值之放電電量，AH _original 為電池組之額定放電電量。電池組健康狀態估測系統更包含一記憶模組、一顯示模組以及一負載。記憶模組電性連接運算模組。顯示模組電性連接運算模組，用以顯示電池組之健康狀態。負 載電性連接電壓檢測電路及電流檢測電路，用以使負載、電池組、電壓檢測電路及電流檢測電路串聯形成一迴路。

本發明之電池組健康狀態估測之方法及系統，其係利用量測電池組之電池芯迴路電壓之標準差變化及放電電量來獲取電池組之健康狀態，藉此可即時修正電池組之殘餘電量狀態。

100‧‧‧電池組健康狀態估測系統

110‧‧‧電池組

111‧‧‧電池芯

120‧‧‧電壓檢測電路

130‧‧‧電流檢測電路

140‧‧‧運算模組

141‧‧‧離散化單元

142‧‧‧微分單元

143‧‧‧健康狀態計算單元

144‧‧‧積分單元

150‧‧‧記憶模組

160‧‧‧顯示模組

170‧‧‧負載

AH‧‧‧放電電量

V‧‧‧迴路電壓

I‧‧‧放電電流

AH _oringal ‧‧‧額定放電電量

AH _valley ‧‧‧對應標準差波谷值之放電電量

SOH‧‧‧健康狀態

210‧‧‧量測步驟

220‧‧‧離散化步驟

230‧‧‧微分步驟

240‧‧‧推估步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是係繪示依照本發明一實施方式的一種電池組健康狀態估測系統之方塊示意圖。

第2圖係繪示依照第1圖之運算模組之方塊示意圖。

第3圖係繪示依照本發明一實施方式的一種電池組健康狀態估測方法之步驟圖。

第4圖係繪示依照應用本發明一實施例之電池組健康狀態估測系統之離散曲線圖。

請參照第1圖及第2圖，其中第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種電池組健康狀態估測系統之方塊示意圖，第2圖係繪示依照第1圖之運算模組之方塊示意圖。電池組健康狀態估測系統100包含一電池組110、一電壓檢測電路120、一電流檢測電路130、一運算模組140、一記 憶模組150、一顯示模組160以及一負載170。

電池組110具有複數電池芯111，本發明係以鋰鐵電池組做為實施例說明，但不侷限應用於此。

電壓檢測電路120電性連接電池組110，電壓檢測電路120以一預設取樣條件下之相異複數放電電量AH重複量測各電池芯111之複數迴路電壓V。在下面的敘述當中，將會針對預設取樣條件再舉出實際的實施例來加以說明。

電流檢測電路130電性連接電池組110，電流檢測電路130量測電池組110之放電電流I，用以計算放電電量AH。

運算模組140電性連接電池組110，運算模組140包含一離散化單元141、一微分單元142、一健康狀態計算單元143以及一積分單元144。

承上，離散化單元141根據一標準差公式統計分佈計算各電池芯111之各迴路電壓V，用以獲得各電池芯111之一電壓標準差。

微分單元142根據各放電電量AH及各電壓標準差獲得一離散曲線，並採一微分公式計算離散曲線之一標準差波谷值。

健康狀態計算單元143根據一健康狀態計算公式計算電池組110之一額定放電電量AH _original 及對應標準差波谷值之放電電量AH _valley ，用以獲得電池組110之一健康狀態SOH。

積分單元144根據電池組110之放電電流I計算獲 取放電電量AH。

記憶模組150電性連接運算模組140。

顯示模組160電性連接運算模組140，用以顯示電池組110之健康狀態SOH。

負載170電性連接電壓檢測電路120及電流檢測電路130，用以使負載170、電池組110、電壓檢測電路120及電流檢測電路130串聯形成一迴路。

針對上述所採用之之標準差公式及微分公式，以下將更清楚地描述。請再同時參照第3圖及第4圖，第3圖係繪示依照本發明一實施方式的一種電池組健康狀態估測方法之步驟圖，第4圖係繪示依照第2圖中微分單元之離散曲線曲線圖。電池組健康狀態估測方法中電池組110已充飽電並進行下列之健康狀態估測之步驟，包含：量測步驟210，其利用電壓檢測電路120以預設取樣條件之相異複數放電電量AH重複量測電池組110之複數電池芯111之複數迴路電壓V。在本實施方式中預設條件係以每一百毫安時為量測單位記錄一次電池芯111之迴路電壓V，且定義電池組110之放電電流I每12安培為1電流量(Current，C)，意即電池組110每小時放電電流為1200毫安培(mA)。具體而言，電壓檢測電路120所依據之放電電量AH係以電流檢測電路130量測之放電電流I計算而得知，且放電電量AH係可採電流積分法計算取得。

離散化步驟220，其根據標準差公式統計分佈計算各電池芯111之迴路電壓V之電壓標準差。其中電壓標準 差公式為： 而X _i 為迴路電壓V之隨機變數，u _i 為對應各電池芯111之迴路電壓V之平均值，Z _i 為電池芯之迴路電壓數值的標準分數，n為對應各電池芯111之迴路電壓V之總數，其中n可為0~1000。藉此，可獲得各電池芯111之電壓標準差。

微分步驟230，其根據量測步驟210之放電電量AH及電壓標準差獲得離散曲線，本實施方式中係以電池組110已退化20次、30次、40次及50次繪出第4圖來舉例說明，其中以放電電量AH為橫軸，電壓標準差為縱軸。接著採微分公式來計算離散曲線之標準差波谷值，微分公式為： ，其中σ(AH)為電壓標準差對放電電量AH函數。

推估步驟240，其根據健康狀態計算公式計算電池組110之額定放電電量AH _original 及對應標準差波谷值之放電電量AH _valley ，藉此獲得電池組110之健康狀態SOH。健康狀態SOH計算公式為： 其中k為一定值之比例常數，AH _valley 為正對應標準差波谷值之放電電量，AH _original 為電池組110之額定放電電量，且不同的電池組110具有不同之比例常數K，其會受到不同類 型、廠牌之電池組110而有不同，其可為0~1000，尤以1~100為佳。以第4圖所繪示，已退化20次、30次、40次及50次之電池組110其各標準差波谷值約對應至放電電量AH之1700mAH至3300mAH範圍內。

藉此，經由上述步驟可在不必建設電池組110之資料庫下，迅速修正電池組110之健康狀態SOH。

因此，由上述實施方式可知本發明之電池組健康狀態估測之方法及系統，其具有以下優點：利用量測電池組之電池芯迴路電壓之標準差變化及放電電量來獲取電池組之健康狀態，藉此可即時修正電池組之殘餘電量狀態，而不必花費大量時間建構資料庫。

且由於本發明採量測迴路電壓之方式，可於電池組放電時進行電池組之健康狀態估測，而不必停止電池組放電行為。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電池組健康狀態估測系統

110‧‧‧電池組

111‧‧‧電池芯

120‧‧‧電壓檢測電路

130‧‧‧電流檢測電路

140‧‧‧運算模組

150‧‧‧記憶模組

160‧‧‧顯示模組

170‧‧‧負載

SOH‧‧‧健康狀態

Claims (13)

1. 一種電池組健康狀態估測方法，其步驟包含：一量測步驟，以一預設取樣條件之相異複數放電電量重複量測一電池組之複數電池芯之複數迴路電壓；一離散化步驟，其根據一標準差公式統計分佈計算各該電池芯之該些迴路電壓，用以獲得各該電池芯之一電壓標準差；一微分步驟，其根據該些放電電量及該些電壓標準差獲得一離散曲線，並採一微分公式計算該離散曲線之一標準差波谷值；以及一推估步驟，其根據一健康狀態計算公式計算該電池組之一額定放電電量及對應該標準差波谷值之該放電電量，用以獲得該電池組之一健康狀態。
2. 如請求項1之電池組健康狀態估測方法，其中該量測步驟中該預設取樣條件為每一百毫安時量測該電池組之該些電池芯之該些迴路電壓一次。
3. 如請求項2之電池組健康狀態估測方法，其中該量測步驟中該電池組之該些放電電量係採電流積分法取得。
4. 如請求項3之電池組健康狀態估測方法，其中該離 散化步驟中該標準差公式為，而X _i 為該些迴 路電壓之隨機變數，u _i 為對應各該電池芯之該些迴路電壓之平均值，Z _i 為電池芯之迴路電壓數值的標準分數，n為對應 各該電池芯之該迴路電壓之總數。
5. 如請求項4之電池組健康狀態估測方法，其中該微分步驟中該微分公式為dσ(AH)/dAH，而σ(AH)為該些電壓標準差對該些放電電量函數，AH為該些放電電量。
6. 如請求項5之電池組健康狀態估測方法，其中該推估步驟中該健康狀態計算公式為k(AH _valley )/(AH _original )×100%，其中k為一比例常數，AH _valley 為對應該標準差波谷值之該放電電量，AH _original 為該電池組之該額定放電電量。
7. 一種電池組健康狀態估測系統，包含：一電池組，其具有複數電池芯；一電壓檢測電路，電性連接該電池組，該電壓檢測電路以一預設取樣條件之相異複數放電電量重複量測該些電池芯之複數迴路電壓；一電流檢測電路，電性連接該電池組，該電流檢測電路量測該電池組之一放電電流，用以計算該些放電電量；以及一運算模組，電性連接該電池組，該運算模組包含：一離散化單元，其根據一標準差公式統計分佈計算各該電池芯之該些迴路電壓，用以獲得各該電池芯之一電壓標準差；一微分單元，其根據該些放電電量及該些電壓標準差獲得一離散曲線，並採一微分公式計算該離散曲線之一標準差波谷值；以及 一健康狀態計算單元，其根據一健康狀態計算公式計算該電池組之一額定放電電量及對應該標準差波谷值之該放電電量，用以獲得該電池組之一健康狀態。
8. 如請求項7之電池組健康狀態估測系統，其中該預設取樣條件為每一百毫安時量測該電池組之該些電池芯之該些迴路電壓一次。
9. 如請求項8之電池組健康狀態估測系統，其中該電池組之該些放電電量係採電流積分法取得。 準差公式為，而X _i 為該些迴路電壓之隨機變
10. 如請求項9之電池組健康狀態估測系統，其中該標 數，u _i 為對應各該電池芯之該些迴路電壓之平均值，Z _i 為電池芯之迴路電壓數值的標準分數，n為對應各該電池芯之該迴路電壓之總數。
11. 如請求項10之電池組健康狀態估測系統，其中該微分公式為dσ(AH)/dAH，而σ(AH)為該些電壓標準差對該些放電電量函數，AH為該些放電電量。
12. 如請求項11之電池組健康狀態估測系統，其中該健康狀態計算公式為k(AH _valley )/(AH _original )×100%，其中k為一放電係數，AH _valley 為對應該標準差波谷值之該放電電量，AH _original 為該電池組之該額定放電電量。
13. 如請求項12之電池組健康狀態估測系統，更包含：一記憶模組，電性連接該運算模組；一顯示模組，電性連接該運算模組，用以顯示該電池組之該健康狀態；以及一負載，電性連接該電壓檢測電路及該電流檢測電路，用以使該負載、該電池組、該電壓檢測電路及該電流檢測電路串聯形成一迴路。