TW201620228A

TW201620228A - 具溫升控制之電池充電方法

Info

Publication number: TW201620228A
Application number: TW103140392A
Authority: TW
Inventors: Shun-Zhong Wang; Yi-Hua Liu; Yan-Xun Huang
Original assignee: Univ Lunghwa Sci & Technology
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-06-01
Also published as: TWI527338B

Abstract

一種具溫升控制之電池充電方法，其包括以下步驟：利用一電量狀態估測電路估算一電池模組之一剩餘電池容量；利用一溫度感測電路量測該電池模組的溫度以獲得一溫度信號；執行一粗充電電流決定程序及一模糊控制程序以依所述剩餘電池容量及所述溫度信號產生一充電電流值，其中，該模糊控制程序在所述溫度信號的數值上升時會降低所述的充電電流值，在所述溫度信號的數值下降時會提高所述的充電電流值；以及依所述充電電流值產生一充電電流以對該電池模組充電。

Description

具溫升控制之電池充電方法

本發明係有關於電池充電方法，特別是關於一種具溫升控制之電池充電方法。

由於石油價格不斷攀升，全球暖化及溫室效應加劇，使得綠色環保與節能減碳等議題受到全世界各國的重視，也使再生能源與電動車輛的開發與應用成為必然趨勢。由於這些系統的發展需要大量的電池儲能與供電系統的設置，使得可充電電池的製造材料技術、充電技術、和電能轉換與管理技術發展備受矚目。

在以電池供電的設備中，用來提升其電能儲存系統的性能與成本效益的方法，可分成三類：1)先進的電化學特性與更環保的製造材料的開發；2)充電器電路架構和充電效能的改善；3)擁有智慧型的充、放電控制機制與電能管理能力。研究文獻中對於可充電電池的充電方法提到了諸如定電壓充電法、定電流充電法、定電流-定電壓(CC-CV)充電法、脈衝式充電法和Reflex^TM充電法等各式各樣的充電方式。

其中最常使用的鋰離子電池充電為定電流-定電壓二階段充電法，第一階段以定電流充電可以較快達到所想要的電壓，第二階段以定電壓充電可以彌補第一階段定電流充電的虛充現象使電池較能充到飽電，也可避免因過度充電造成電池損壞，但還是需要花費較長時間來充電，市面上多數的充電器都是採用此方法。而充電方法另一個挑戰為設計可涵蓋不同電化學性質的通用充電器，因此最新的電子技術利用電能管理IC(PMIC)來控制與調節系統之電力潮流，以符合負載變動時之用電要求，達到節能和延長電池續航力與壽命之目的。

具備快速充電機制永遠是設計電池供電的設備時所必須考量的重點，因此如何達成高效能的快速充電已成為設計充電器的焦點項目。CC-CV無法達成快速充電的要求，因為CV階段拖延了充電時間也降低了能量轉換效率。許多研究提出了不同充電技術與充電電路拓樸，來解決此問題並達到快速充電的要求，例如：一種全橋相移鋰電池充電器架構，其係藉由微處理器控制達成CC-CV充電機制，以實現高輸出容量和轉換效率；及一種內建電阻補償方法，其係用以更平順地將CC模式切換到CV模式，以更精準的分配CC與CV模式的操作時間，從而提升充電程序的效率。

習知另外有利用多階段定電流充電方法以減低電池化學反應應力和縮短充電時間的作法，但由電池之電化學行為所得到的充電電流樣式(charge pattern)，不能保證可得到最佳的解。最近亦有智慧型充電演算方法，如模糊、類神經、灰預測、和基因演算法等，被用來寫入微控制器或客製化IC內，整合成充電器控制核心，以改善充電器控制參數預測的精準度和操作性能。這些方法確實可提升充電器性能，但由於其演算法的正確性必須建構在正確的電池操作表現和精確的數學模型上，而蓄電池的電化學特性又相當複雜而很難得到精確的數學模型，所以僅對充電模式的改善，不保證可以得到最佳的充電樣式及可明顯提升其充電效率與縮短充電時間。

另外，搜尋可充電電池最佳多階段充電電流樣式可視為是組合最佳化問題，雖然利用窮盡搜尋嘗試每一種組合可以找出最佳解，但是窮盡搜尋法對工程師而言太耗時且不經濟。為解決此問題，習知有利用全域最佳化技巧的方法，如基因演算法或蟻群搜尋法來搜尋電池最佳化多階段充電電流樣式的作法；以及利用連續直交表之田口最佳化法則來快速得到最佳化五階段的充電電流樣式的作法。

然而，上述諸方法皆未考慮溫度的因素。充電時電池所產生的溫升可視為一種能量損失，溫升越高即代表能量的損失越大，充電效率就越差，且充電過程中電池溫度過高則電池容易加速老化，且會產生安全問題。另外，老化現象與充、放電循環次數無關，而是由在高溫下逐漸變大的電池內阻造成。因此，設計開發者不能只一昧追求最快的充電時間，如何確保電池安全及電池壽命，也應兼顧。此外，對內建電池式行動裝置而言，電池有更多的循環次數，便能增加使用行動裝置的時間，進而延長行動裝置的壽命與使用率。

為解決前述的問題，吾人亟需一新穎的電池充電方法。

本發明之主要目的在於揭露一種具溫升控制之電池充電方法，其係依一電池剩餘容量適應性調整一充電電流以使一電池模組的電化學反應應力極小化。

本發明之另一目的在於揭露一種具溫升控制之電池充電方法，其採用一模糊控制法則以依一電池模組的溫度變化微調一充電電流，使電池能夠在較低溫升下完成充電以減緩電池老化而延長電池壽命。

為達前述目的，一種具溫升控制之電池充電方法乃被提出，其包括以下步驟：第一步驟：利用一電量狀態估測電路估算一電池模組之剩餘電池容量；第二步驟：利用一溫度感測電路量測該電池模組的溫度以獲得一溫度信號；第三步驟：利用一微控制器執行一粗充電電流決定程序以依該剩餘電池容量值產生一粗充電電流值，利用一處理器執行一模糊控制程序以依所述溫度信號在每一時間間隔所產生之一變化值及在每兩相鄰所述時間間隔間之所述變化值的差值產生一細充電電流值，以及利用該微控制器加總所述粗充電電流值和所述細充電電流值以產生一總充電電流值，其中，該模糊控制程序在所述溫度信號的數值上升時會降低所述的細充電電流值，在所述溫度信號的數值下降時會提高所述的細充電電流值；以及第四步驟：利用該微控制器驅動一同步整流降壓轉換器充電電路以依所述總充電電流值產生一充電電流以對該電池模組充電。

在一實施例中，所述的粗充電電流決定程序係依該剩餘電池容量值之一多項式函數產生所述的粗充電電流值。

在一實施例中，所述模糊控制程序採用最小推論引擎。

在一實施例中，所述模糊控制程序採用總和重心法以執行一解模糊化步驟。

在一實施例中，所述之具溫升控制之電池充電方法進一步包含一步驟：利用一人機介面顯示一充電電流相對於時間的變化情形。

為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。

100‧‧‧微控制器

110‧‧‧同步整流降壓轉換器充電電路

111‧‧‧第一功率開關

112‧‧‧第二功率開關

120‧‧‧電量狀態估測電路

130‧‧‧電池模組

140‧‧‧溫度感測電路

150‧‧‧處理器

圖1為本發明具溫升控制之電池充電方法所採用之一控制系統的示意圖。

圖2a繪示圖1所示一同步整流降壓轉換器充電電路之一實施例之電路圖。

圖2a繪示圖1在一儲能階段下之一等效電路。

圖2b繪示圖1在一放能階段下之一等效電路。

圖3a及圖3b所示為不同充電電流及不同剩餘容量之充電完成時間表與不同充電電流對不同剩餘容量之溫升表。

圖3c繪示充電電流1C對應0.2C至0.9C之時間比例關係表。

圖3d繪示剩餘容量與電流關係表。

圖4所示為剩餘容量與充電電流擬合曲線。

圖5所示為本發明之模糊控制架構。

圖6所示為本發明之韌體架構。

圖7及圖8為不同充電法之充電電流及溫升比較曲線圖。

圖9a及圖9b所示為本發明與習知作法之實驗數據比較表。

圖10繪示本發明具溫升控制之電池充電方法其一實施例之流程圖。

請參照圖1，其為本發明具溫升控制之電池充電方法所採用之一控制系統的示意圖。如圖1所示，該控制系統包含一微控制器100、一同步整流降壓轉換器充電電路110、一電量狀態(SOC-state of charge)估測電路120、一電池模組130、一溫度感測電路140、以及一處理器150。

微控制器100係與電量狀態估測電路120耦接以獲得電池模組130之剩餘電池容量資訊並據以決定一粗充電電流值，及與處理器150耦接以獲得一細充電電流值，然後再依所述粗充電電流值和細充電電流值決定一充電電流值。之後，微控制器100即依該充電電流值決定一脈衝寬度調變信號的責任比(duty ratio)以驅動同步整流降壓轉換器充電電路110，從而產生一充電電流給電池模組130。

同步整流降壓轉換器充電電路110的工作原理如下：同步降壓式轉換器(synchronous buck converter,SBC)主要係將傳統的降壓電路中的二極體以功率開關取代並以同步整流方式操作，以減少電感電流較大時所造成之二極體導通損失。請參照圖2a，其繪示同步整流降壓轉換器充電電路110一實施例之電路圖。如圖2a所示，該同步整流降壓轉換器充電電路包含一第一功率開關111及一第二功率開關112。以下將針對連續導通模式(CCM)降壓操作進行分析：a)第一功率開關111導通、第二功率開關112截止：其等效電路請參照圖2b。如圖2b所示，在此狀態因輸出濾波電容C上的電壓V_o維持不變，因此電感兩端跨壓為V_in-V_o，由輸入電源V_in對電感L進行儲能。由於V_in>V_o，因此電感電流i_L呈線性上升，可表示為L(di_L/dt)=V_in-V_o (1)

當t=t_on時，電感電流達到最大值i_L(max)，在第一功率開關111導通期間，電感電流的變化量△i_L(+)可表示為△i_L(+)=t_on(V_in-V_o)/L=DT_s(V_in-V_o)/L (2)

其中D為責任比，T_s為開關切換週期。

b)第一功率開關111截止、第二功率開關112導通：其等效電路請參照圖2c。如圖2c所示，當第一功率開關111截止，第二功率開關112將導通以維持電感電流連續，此時電感提供能量給負載，由於電感兩端跨壓為-V_o，因此電感電流i_L呈線性下降，可表示為L(di_L/dt)=-V_o (3)

當t=T_s時，電感電流達到最小值i_L(min)，在第二功率開關112導通期間，電感電流的變化量△i_L(-)可表示為△i_L(-)=t_off(-V_o)/L=(1-D)T_s(-V_o)/L (4)

若電感可維持伏-秒平衡工作，則電感電流一週期的淨變化量將為零，則可推導得到CCM操作下之降壓轉換器之輸出入電壓轉換比為△i_L(+)+△i_L(-)=DT_s(V_in-V_o)/L+(1-D)T_s(-V_o)/L=0 → V_o/V_in=D (5)

電量狀態估測電路120可採用IC BQ20Z45，其為一顆符合智慧型電池V1.1規格的晶片。利用BQ20Z45內部之16位元類比/數位轉換器，能精準的測量鋰離子電池及鋰聚合物電池之電池電壓、電池溫度、開迴路電壓及其他相關的電池參數，並使用系統管理匯流排專用線來接收微控制器100傳來的命令。BQ20Z45最大的特點就是具有阻抗追蹤(Impedance Track^TM)的技術，能夠依據電池阻抗並配合開迴路電壓及容量計數器，精準的預測電池容量，其誤差低於1%。

電池模組130可包含複數顆鋰電池，並具有一正接點及一負接點。

溫度感測電路140係用以量測電池模組130之電池表面溫度以及室內溫度，以將一電池溫度資訊傳送給處理器150。

處理器150係用以依溫度感測電路140所提供的電池溫度資訊執行一模糊控制法則以決定一細充電電流值，並將其傳送至微控制器100。

微控制器100採用一剩餘容量充電法以依剩餘電池容量(SOC)資訊決定一粗充電電流值，其原理如下：目前的充電技術都面臨到溫度上升之問題，而溫度上升是影響電池壽命最直接的因素之一。另外，假設充電電流為1C，當剩餘容量低時，用1C來充電的確可以完成快速充電，但是當剩餘容量高時，用0.9C充電與用1C充電的充電完成時間差不多又可以減少溫升。

剩餘容量充電法是一套能考量鋰離子電池之SOC來調整充電電流的充電技術，而經由充電實驗，可以決定在不同的SOC下所需的充電電流值。因此透過實驗，就可得知以不同的充電電流(0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、0.9C、1C)，去對不同剩餘容量(0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%)之電池進行充電所需的充電完成時間及所產生之溫升。圖3a及圖3b所示為不同充電電流及不同剩餘容量之充電完成時間表與不同充電電流對不同剩餘容量之溫升表。

由圖3a得知剩餘容量與充電電流之間的關係以及搭配圖3b已知充電電流大小對電池溫度的影響後，便可找出最佳之充電電流，其既可以有效控制電池之溫升，又可以與1C充電電流之充電時間相近。由圖3a所列出的0.2C至1C之充電時間，將1C的充電時間當作分子，0.2C至0.9C的充電時間當作分母，就可分別得到1C對應0.2C至0.9C之時間比例關係，其內容如圖3c所示。比例關係表建立完成後，接著就可決定最佳比例之充電電流，設計目標為充電時間接近最短時間，本發明設計比例值為0.9，代表其值為接近1C之充電時間，對應至圖3c之充電時間比例，比例大於0.9之充電電流示意表請參照圖3d。

由圖3d可知，充電電流是以每10%剩餘容量為區間，為了能在充電時達到更高解析度之充電電流，利用曲線擬合(Curve Fitting)功能，將圖3d剩餘容量與電流關係表作擬合，其目的是經由有限的取樣點來建立一個數學模型，並由此數學模型來進行進一步的分析。圖4所示為剩餘容量與充電電流擬合曲線；(6)式為二次多項式產生之數學模型，將曲線擬合結果之係數代入，即可得到剩餘容量百分比對應充電電流之數學模型。

I_ch=k₁(SOC)³+k₂(SOC)²+k₃(SOC)+k₄ (6)

另外，以下說明處理器150依溫度感測電路140所提供的電池溫度資訊所執行的模糊控制法則：為進一步控制電池溫升以減緩老化產生，所述的模糊控制法則可對充電電流進行適應性動態調整。當溫度上升時就降低充電電流量，反之則提高充電電流量，使電池能夠在較短時間內完成充電，並且達到降低溫升以減緩老化之目的。所述模糊控制法則的輸入變數為電池之溫差與溫差變量，而輸出變數為充電電流之增/減量值△I，此電流增/減量與前面所得到之對應於剩餘容量之粗調電流相加，即可得到具溫控機制之適應性充電電流大小。圖5所示為所提出之模糊溫升控制器架構，依據鋰離子電池之充電經驗，規劃使用溫差及兩秒溫差為輸入，並分別具有五個糢糊子集。其中溫差糢糊輸入將溫差特性分成五個糢糊子集，分別為TS(Temperature Small；低溫)、TMS(Temperature Medium Small；中低溫)、TM(Temperature Medium；中溫)、TML(Temperature Medium Large；中高溫)及TL(Temperature Large；高溫)。而溫差變化率模糊子集依照實驗之經驗亦分為五個糢糊子集，分別為dT_NL(△T Negative Large；大的負溫差)、dT_NS(△T Negative Small；小的負溫差)、dT_Z(△T Zero；零溫差)、dT_PS(△T Positive Small；小的正溫差)及dT_PL(△T Positive Large；大的正溫差)。輸出歸屬函數將電流微調量由小至大規劃為五個糢糊子集，分別為△I_NL(△I Negative Large；大的負電流微調量)、△I_NS(△I Negative Small；小的負電流微調量)、△I_Z(△I Zero；零電流微調量)、△I_PS(△I Positive Small；小的正電流微調量)及△I_PL(△I Positive Large；大的正電流微調量)，且各糢糊子集之代表中值分別為-10%、-5%、0%、5%、10%。

規則庫一般依照使用者經驗及專業知識來設計，進而轉換成語言式的控制法則，可用來描述系統輸入與輸出之間的關係。本發明使用之雙輸入模糊控制器，其中兩個歸屬函數各有5個模糊子集，所以會有25(5X5)條規則。目前模糊理論之推論引擎有許多形式，包含最小推論、最大推論、最大乘積推論、最大邊界推論等，其中又以最小推論最為常見。本發明在此以最小推論引擎為一實施例。

解模糊化是模糊控制法則運作的最後一個步驟，用以將不同歸屬度之輸出子集利用不同運算方式轉換成量化數值輸出。目前常用的解模糊化有許多方法，包含最大平均法、中心平均法、總和重心法(center of sum，COS)、面積重心法(center of area，COA)。在此，本發明以總和重心法為一實施例。

韌體架構：

本發明使用微控制器100為控制核心，其韌體架構如圖6所示。首先，使用I²C與電量狀態估測電路120通訊讀取電池電壓、流、剩餘容量等資訊，由RS-232串列通訊模組將電池資訊傳至處理器150之LabVIEW人機介面，接著使用溫度感測電路140讀取電池表面溫度以及室內溫度，利用LabvVIEW實現模糊控制器，輸出電流變動量(△I)，再由RS-232將電流變動量(△I)傳至微控制器100，並和已建立在微控制器100內的對應於SOC所需之粗充電電流相加，並由增量型PID運算控制所需輸出之PWM責任週期，即可隨著環境溫度變化，適當調整充電電流，以達到模糊控制充電並由LabVIEW人機介面監控。另外，LabVIEW人機介面可顯示一充電電流相對於時間的變化情形。

實驗結果：

圖7及圖8為不同充電法之充電電流及溫升比較曲線圖，由圖8可看出加入模糊溫升控制之後，電池充電之溫升有效的降低，如圖9a所示，CC-CV充電法之平均溫升為5.539℃，剩餘容量充電法之平均溫升為4.468℃，模糊控制之剩餘容量充電法(△I=10%)之平均溫升為4.041℃，模糊控制之剩餘容量充電法(△I=20%)之平均溫升為3.822℃。

如圖9b之比較結果所示，可看出傳統CC-CV充電法雖然充電時間最短，但充電溫升高、充電效率偏低；剩餘容量充電法之充電時間與 CC-CV充電法之充電時間相除之比為0.885，與預期之0.9相近，充電效率提升1.62%；模糊控制(△I=10%)之充電時間比為0.858，模糊控制(△I=20%)之充電時間比為0.838，充電效率分別提升1.76%、2.06%。

溫升變化部分，如圖8、圖9a所示，將三組充電法與傳統CC-CV進行比較，剩餘容量充電法平均溫升降低18.5%，模糊控制剩餘容量充電法(△I=10%)之平均溫升降低23.2%，模糊控制剩餘容量充電法(△I=20%)平均溫升則降低31.24%。因此，本發明所提出之結合模糊控制之剩餘容量充電法雖然充電時間較CC-CV充電法長，但能有效的提升充電效率及降低充電之最高溫升及平均溫升。

依上述之說明，本發明乃提出一具溫升控制之電池充電方法，其流程請參照圖10。如圖10所示，該流程包括以下步驟：利用一電量狀態估測電路估算一電池模組之剩餘電池容量(步驟a)；利用一溫度感測電路量測該電池模組的溫度以獲得一溫度信號(步驟b)；利用一微控制器執行一粗充電電流決定程序以依該剩餘電池容量值產生一粗充電電流值，利用一處理器執行一模糊控制程序以依所述溫度信號在每一時間間隔所產生之一變化值及在每二相鄰所述時間間隔間之所述變化值的差值產生一細充電電流值，以及利用該微控制器加總所述粗充電電流值和所述細充電電流值以產生一總充電電流值，其中，該模糊控制程序在所述溫度信號的數值上升時會降低所述的細充電電流值，在所述溫度信號的數值下降時會提高所述的細充電電流值(步驟c)；以及利用該微控制器驅動一同步整流降壓轉換器充電電路以依所述總充電電流值產生一充電電流以對該電池模組充電(步驟d)。

依上述之技術方案，本發明乃可提供以下功效：

1、本發明之具溫升控制之電池充電方法可依一電池剩餘容量適應性調整一充電電流以使一電池模組的電化學反應應力極小化。

2、本發明之具溫升控制之電池充電方法可利用一模糊控制法則以依一電池模組的溫度變化微調一充電電流，使電池能夠在較低溫升下完成充電以減緩電池老化而延長電池壽命。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迴異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

Claims

一種具溫升控制之電池充電方法，其包括以下步驟：第一步驟：利用一電量狀態估測電路估算一電池模組之剩餘電池容量；第二步驟：利用一溫度感測電路量測該電池模組的溫度以獲得一溫度信號；第三步驟：利用一微控制器執行一粗充電電流決定程序以依該剩餘電池容量值產生一粗充電電流值，利用一處理器執行一模糊控制程序以依所述溫度信號在每一時間間隔所產生之一變化值及在每兩相鄰所述時間間隔間之所述變化值的差值產生一細充電電流值，以及利用該微控制器加總所述粗充電電流值和所述細充電電流值以產生一總充電電流值，其中，該模糊控制程序在所述溫度信號的數值上升時會降低所述的細充電電流值，在所述溫度信號的數值下降時會提高所述的細充電電流值；以及第四步驟：利用該微控制器驅動一同步整流降壓轉換器充電電路以依所述總充電電流值產生一充電電流以對該電池模組充電。如申請專利範圍第1項所述之具溫升控制之電池充電方法，其中所述的粗充電電流決定程序係依該剩餘電池容量值之一多項式函數產生所述的粗充電電流值。
如申請專利範圍第1項所述之具溫升控制之電池充電方法，其中所述模糊控制程序採用最小推論引擎。
如申請專利範圍第1項所述之具溫升控制之電池充電方法，其中所述模糊控制程序採用最小推論引擎。
如申請專利範圍第1項所述之具溫升控制之電池充電方法，其中所述模糊控制程序採用總和重心法以執行一解模糊化步驟。
如申請專利範圍第1項所述之具溫升控制之電池充電方法，其進一步包含一步驟：利用一人機介面顯示一充電電流相對於時間的變化情形。