TW202412377A - 以能量值進行電池蕊配對之配對系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統，其包括：充放電櫃，其具有複數個電池蕊之充放電單元；以及電腦，其儲存或執行電池蕊配對之電腦程式，又藉由電腦內建之一充放電溝通軟體與充放電櫃溝通並完成電池蕊配對之電腦程式之執行。。藉由本發明之實施，可以使電池蕊以正確的方式進行配對，達成使電池一致性的功效。

Description

以能量值進行電池蕊配對之配對系統

本發明為一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統，特別是應用回收之舊電池蕊或電池蕊生產線所生產電池蕊，於電池組裝前，先進行電池蕊配對之以能量值進行電池蕊配對之配對系統。

隨著鋰電池的生產製造愈來愈成熟，其應用領域不斷翻新，需求也愈來愈龐大。除了早期之輕薄短小電子產品外，如今更廣泛應用於水力、火力、風力和太陽能電站等儲能電源系統，以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、軍事裝備、航空航太等多個領域。

在實際使用上，鋰電池常常是多個鋰電池蕊串並聯的組合，因此如何篩選配對電池蕊使其一致化，將可確保鋰電池長期使用起來沒有問題，因此是一項非常重要的課題及技術。

習知電池蕊的配對技術，是根據電池的電壓、容量、內阻等基本參數進行電池的配對。它的缺陷在於並不能真實反映電池蕊在使用過程中的一致性。由於製造工藝製備的局限性，即使是同批次生產出的電池蕊，也會存在電壓、容量、內阻及自放電率的差異性。

現有專利公告有關電池的配對提出多種方法，例如：CN201010018161.5公開的方法為通過電池的充放電測試，按照放電容量、電池放電壓差等進行配組。CN200410027714.8根據容量‑電壓放電曲線，至少選取4個點進行相似性匹配測試。CN201110295028.9根據短時間充放電電池電壓變化來進行電池的配組。CN201010162325.1選擇電池蕊的若干重要性能指標，如電壓V、內阻R和電容C(容量)、充電和放電曲線等作為配組參數。CN201110110667.3按照電池容量、貯存期間的電壓差等進行配組，降低了電池自放電率的差異。CN201010239979.X將電池按容量分檔後，將電池擱置，控制擱置期間的電壓差，並對電池進行瞬間放電，根據放電電壓參數再進行分選配組。CN201010608127.3通過對動力鋰離子電池多次模擬使用狀態連續充放電數據，繪製微分電量曲線；進行對比，達到配組尺規，進行配組。CN201310071912.3根據充電的恒流充電容量/充電總容量比值，電池內阻差別對電池進行分檔；然後將電池在高溫環境下處理分檔。CN201610421075.6取多支電池蕊，並將多支電池蕊進行串聯，形成串聯回路測試配對。

但是以上提的種種方法，皆是著墨於工藝上參數的變化，並無針對鋰電池蕊理論性能的合理性做思維及配對設計，因此匹配的結果並不可靠。

本發明為一種以能量值進行之配對系統，其主要是要解決習知以電池蕊的電壓、容量、內阻等基本參數進行電池蕊的配對，其無法真實反應電池蕊在配對或使用時，所達成電池一致性的問題。

本發明提供一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統，其包括：一充放電櫃，其具有複數個電池蕊之充放電單元；以及一電腦，其儲存或執行一電池蕊配對之電腦程式，又電池蕊配對之電腦程式執行時，係藉由電腦內建之一充放電溝通軟體與充放電櫃溝通並完成電池蕊配對之電腦程式之執行。

發明又提供一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統，其包括：一充放電櫃，其具有複數個電池蕊之充放電單元；以及一電腦，其儲存或執行一電池蕊配對之電腦程式，又電池蕊配對之電腦程式執行時，係藉由電腦內建之一充放電溝通軟體與充放電櫃溝通並完成電池蕊配對之電腦程式之執行；其中電池蕊配對之電腦程式，係執行一充電電池之電池蕊配對方法，其包括：進行額定充電，其係對複數個電池蕊，以額定電流充電至額定容量值；產生能量值，其係在進行額定充電過程中，記錄每一電池蕊之一電壓 參數及一時間參數，以計算出每一電池蕊之一能量值，又能量值Wh之計算方式為：                           ，其中V為電壓參數，I為額定電流，t為時間參數；產生配對區段，其係將每一能量值取其倒數再乘以一常數，以成為複數個配對因素並區分出複數個區段，又每一區段為一配對因數區段；以及進行電池蕊配對，其係挑選分佈於同一配對因數區段內之電池蕊，並將其組成一電池。

藉由本發明之實施，至少可以達成下列之進步功效： 一、 通過以『配對因數區段』或者『配對因數圖譜』進行電池蕊之配對，能夠提高電池蕊的配對成功率並且減少成本。 二、 可使配對後的電池，其性能更可靠，且大幅提高使用上的安全性。 三、 在容量相差較大的電池蕊中, 仍然可匹配出相當平衡的電池。 四、 可完全免除減少習知量測電池蕊的電壓和內阻所耗費的工時。以及 五、 可提高配對電池的耐用性及長久性。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易的理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

如圖1、圖9A及9B所示，本發明首先提供一種充電電池之電池蕊配對方法S100，其為一種以能量為基礎得出『配對因數』，再以『配對因數』為標準，進行充電電池之電池蕊配對方法，又充電電池之電池蕊配對方法S100其包括：進行額定充電S110；產生能量值S120；產生配對因數區段S130；以及進行電池蕊配對S140。

本實施例適用之待配對電池蕊60，可以是：A. 已使用過之舊電池的電池蕊，於回收後藉由本實施例重新檢測，淘汰無法配對的電池蕊，又將可完成配對的電池蕊，重新組裝成效能提升後的電池，如此以完成「電池的梯次利用」， B.生產線量產後之電池蕊60，因為量產後之電池蕊60，彼此間仍存在有不同程度差異性，因此可藉由本實施例進行檢測及配對，然後組裝成效能最佳化的電池。

在進行充電電池之電池蕊配對方法S100之實施前，首先將複數個電池蕊60放置於充放電櫃510中，連接有線充放電單元511或者無線充放電單元512並準備進行充電，此時充放電櫃510係與電腦520連接，又電腦520內建有可與充放電櫃510溝通之一充放電溝通軟體400，因在此電腦520的使用者介面上，可分別輸入設定之充電參數及記錄測試過程中電壓/電流/時間…等變化。

進行額定充電S110，其例如是將複數個0.2C充放模式，容量6000 mAh以上的鋰鐵電池蕊，以額定電流I進行充電，並使每一鋰鐵電池蕊充電達一額定容量值。

產生能量值S120，其係在進行額定充電S110過程中，記錄每一電池蕊60之電壓參數V及時間參數t，也就是充電電壓及充電時間，以計算出每一電池蕊60之一能量值Wh，又能量值Wh之具體計算方式為：                      ，其中V為上述所記錄之電壓參數，I為上述之標準電流，t為上述所記錄之時間參數。

如圖2所示，產生配對因數區段S130，其係將上述之每一能量值Wh取其倒數再乘以一常數，以成為複數個『配對因素Wh ^-1』，又將複數個配對因素，例如以0.02或0.03為一區段，以區分為複數個『配對因數區段M ₁…M _n』。上述之常數係介可於80至120間之一數值，例如是80至120且中間數值間隔為0.5之其中一數值。

進行電池蕊配對S140，其係在電池蕊60配對時，挑選上述分佈於同一配對因數區段M ₁…M _n之電池蕊60，並將其組成一電池。不同之電池蕊60其配對因數值M _E/Wh ^-1，只要相差在一配對因數區段範圍內，即可被視為同一配對因數區段M ₁…M _n。

為了方便視覺化的操作，上述的複數個配對因數區段M1…Mn，又可進一步形成直角坐標系之一配對因數圖譜，此時所有待配對電池蕊60，將會分佈於配對因數圖譜之各個配對因數區段M ₁…M _n，而此時進行電池蕊配對S140，係對落於相同配對因數區段M ₁…M _n的電池蕊60進行配對。

如圖2或圖3所示，上述之複數個配對因數區段M ₁…M _n，除了可以是數值式配對因數圖譜之表示方式外，例如5.80, 5.82, 5.84…5.92，亦可轉換成代碼式配對因數圖譜進行區段劃分，例如E _f0-E _f1、E _f1-E _f2、E _f2-E _f3、E _f3-E _f4…等劃分成為複數個配對因數區段M ₁…M _n。

上述以『配對因數區段』或者『配對因數圖譜』進行電池蕊配對之方法，可以統稱為『能量配對法』；又『配對因數區段』或者『配對因數圖譜』之任何一種，均可作為一種配對資料庫200且執行於一電腦520中，以作為一種電池蕊60之量測尺規。

在實務上，即使相同設計規格的電池蕊60，實際生產時，每一電池蕊60都會因為材料、生產環境或者其它諸多因素，造成實際生產後的電池蕊60，在效能或特性上，都會有不同大小的差異，因此在製作電池前，可以使用『能量配對法』，對待配對之電池蕊進行量測，並依照量測後所分佈之配對因數區段M ₁…M _n，完成電池蕊之檢測、分類及配對，而不須要再像習知的作法去測出容量。

分類後的電池蕊60，因為可以被有效配對並使彼此的特性趨於一致，因此進行後續的電池組裝後，可以使電池具有較佳的平衡性，同時也可以使電池的性能更為可靠且使用上更為安全。此外，使用本實施例方法，可完全免除及減少習知量測電池蕊電壓和內阻所耗費的工時，亦可提高配對後電池的耐用性及長久性。

如圖4及表一所示，其係以上述實施例之技術方法，將磷酸鐵鋰型號21700容量4000 mAh的電池蕊，分別以#1電池、#2電池、及#3電池，進行三顆電池之對照比較，又每一顆電池是以16支電池蕊所組成的48V電池，且#1電池及#3電池是採用習知的『容量配對法』進行配對，又由表一之電池蕊參數可以得知，組成 #1電池及 #3 電池的電池蕊參數，都是符合習知『容量配對法的標準』，而#2電池是採用本發明技術實施例之『能量配對法』進行配對，又各電池蕊的基本參數如表一： 表一 各電池之每一電池蕊參數表

從圖4可看出，組成 #1電池和 #3 電池的電池蕊的『配對因數』，分佈在多個區間，若由習知『容量配對法』的標準來檢視是達標的，所以可配對在一起，但若是以本發明實施例之『能量配對法』來檢視，這類#1電池和 #3 電池的電池蕊，是不能配在一起的；此外，#2 電池的電池蕊容量，最大差值達102 mAh，佔額定容量的2.55%，遠超過習知容量配對法1% 的要求！然而 #2 電池的『配對因數』都落在同一區段內，因此代表是可以配對在一起的。

如圖5所示，為了進一步驗證電池的可靠性，因此將 #1電池、#2電池、及 #3 電池分別進行循環老化測試，又測試條件為1C(4A)的充電、休息10分鐘，然後再進行1C(4A)的放電、休息10分，以此步驟做連續的測試，最後得到圖5為測試結果。

從圖5可以得知，習知容量配對法，符合配對標準的 #1電池及 #3 電池，衰減的特別快，不到50次的循環老化測試，#1電池及 #3 電池的剩餘容量，都已低於50%；而使用本實施例能量配對法的 #2 電池剩餘容量，經過50次的循環老化測試，尚有85%！由此實驗可看出，使用本實施例能量配對法，配對後的電池，其可靠性確實優於習知容量配對法的電池。

上述充電電池之電池蕊配對方法S100之各種實施例，可進一步藉由軟體方式進行實踐，因此可進一步提供一種電池蕊配對之電腦程式310實施例，其係當電腦520載入電池蕊配對之電腦程式310並執行後，電池蕊配對之電腦程式310，能夠執行上述充電電池之電池蕊配對方法S100之各種實施例之實施步驟。

接著又可再次提供一種電腦可讀取之記錄媒體320，其為一軟體的載體，在電腦可讀取之記錄媒體320內，係儲存了如上所述之電池蕊配對之電腦程式310。

如圖6及表二所示，其係選取4支三元鋰電18650 容量2300 mAh電池蕊，組成一4S1P之#A電池，#A電池中的每一電池蕊之參數如表二，其實際電容值係落在相同之容量區段，也就是實際電容值mAh的最大相差值5，係小於一個容量檔位20，但是配對因數值ME/Wh-1差異大，也就是配對因數值ME/Wh-1的最大相差值0.16，係遠大於一個配對因數區段0.03。 表二 #A電池中每一電池蕊之參數

另外如圖6及表三所示，同樣的使用4支三元鋰電18650 容量2300 mAh電池蕊，組成一4S1P之#C電池，#C電池中的每一電池蕊之參數如表二，其配對因數值M _E/Wh ^-1之最大相差值為0.02，且遠大於一個配對因數區段0.03。 表三 #C電池中每一電池蕊之參數

由以上之數據及結果得知，#A電池的容量相差5mAh(0.23%)，電壓相差0mV，內阻相差4.6mΩ，配對因數值M _E/Wh ^-1最大相差0.16；#C電池的容量相差7mAh(0.32%)，電壓相差13mV，內阻相差3mΩ，配對因數值M _E/Wh ^-1最大相差0.02。

由於#A電池蕊之容量差異只有5 mAh，因此若使用習知『容量配對法』，是可以配在一起然後組裝成一顆電池，但若使用本實施之『能量配對法』進行配對時，從圖6之配對因數圖譜觀之，因為#A電池的配對因數值M _E/Wh ^-1遠大於0.03，因此#A電池的電池蕊，是無法完成配對並組裝成一顆電池的。

如圖7所示，接著又將不符合本實施例配對規範的 #A電池和符合本實施例配對規範的 #C電池，分別進行放電和循環測試，為了避免因為使用不同的保護電路板，而產生影響實驗之變因，因此測試過程係使用交叉測試之方式進行，也就是 #A電池和 #C電池都是使用同一塊保護電路板。又測試條件均為：0.5C(1.1A)充電，1.0C(2.2A)放電，最後如圖7所示，有關 #A電池和 #C電池的放電特性曲線圖。

由於#A電池是使用習知『容量配對法』以容量/電壓/內阻…等-指標來看是可配對，但是配對因數值M _E/Wh ^-1之區段差過大且並非落在同一配對因數區段M ₁…M _n，使得平均容量為2.371 Ah(安培-小時)，在1.0C的放電容量只有1.740 Ah，也就是說只放出了76%之容量，而且放電切斷電壓在11.708 V (伏特)，也就是2.927 V/cell(伏特/電池蕊)，表示 #A電池處於不平衡狀態。

#C電池是使用本實施例之『能量配對法』進行配對，因為電池蕊之配對因數值M _E/Wh ^-1是位在同一個配對因數區段M ₁…M _n；因此平均容量2.374 Ah，在1.0C的放電容量為2.210 Ah，也就是說可放出93%之容量，而且放電切斷電壓在8.999 V，也就是2.250 V/cell，表示 #C電池處於極佳的平衡狀態。又#C電池相較於#A電池而言，可放出多了多了17%之更多容量，而且放電切斷電壓更低了2.709 V，因此平衡性也更好。

如圖8所示，接著進行循環測試，使用同一片保護電路板，#A電池循環50次停止，然後將保護電路板換到#C電池。由圖8之 #A電池 及 #C 電池的循環測試結果得知，#A電池循環到第50次之剩餘容量只有82.8%，而 #C 電池循環到第50次之剩餘容量還有99.8%，並且當循環到第100次時，#C 電池之剩餘容量仍然還有97.9%，由結果可知，習知電池蕊之配對方式是有瑕疵的，同時也更顯示本實施例之配對法的優越性及可靠性。

上述的結果闡明瞭，以電池蕊之容量/電壓/內阻的配對模式，並無法保證所組成的電池，每一個都是處於平衡狀態，由圖8之循環測試驗證， #A電池循環到第50次，幾乎己到了電池壽命終期，此乃因為電池蕊之間的不平衡所導致。此種不平衡狀態，會隨著充放電之使用次數的增加而逐漸劣化，導致電池循環壽命快速遞減。不平衡或者部分平衡，都代表電池蕊是不匹配的，其中性能較差的電池蕊會拖累整個電池組的特性，而此種拖累現象只會愈來愈嚴重，最後電池之充電安全性也因此堪慮。

如圖9A及圖9B所示，本發明又提供一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統500，其包括：一充放電櫃510；以及一電腦520。

充放電櫃510，其具有複數個電池蕊之充放電單元，每一充放電單元可以為一有線充放電單元511或一無線充放電單元512。

電腦520，其儲存或執行一電池蕊配對之電腦程式310，又電池蕊配對之電腦程式310執行時，係藉由電腦520內建之一充放電溝通軟體400，與充放電櫃510溝通，充放電溝通軟體400並協助完成電池蕊配對之電腦程式310執行。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本創作之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

S100:充電電池之電池蕊配對方法 S110:進行額定充電 S120:產生能量值 S130:產生配對因數區段 S140:進行電池蕊配對 200:配對資料庫 310:電池蕊配對之電腦程式 320:電腦可讀取之記錄媒體 400:充放電溝通軟體 500:以能量值進行電池蕊配對之配對系統 510:充放電櫃 511:有線充放電單元 512:有線充放電單元 520:電腦 60:電池蕊 M ₁...M _n:配對因數區段

[圖1]為一種充電電池之電池蕊配對方法之實施例流程圖； [圖2]為一種數值式配對因數圖譜之實施例圖； [圖3]為一種代碼式配對因數圖譜之實施例圖； [圖4]為一種三顆電池之配對因數圖譜實施例圖； [圖5]為一種三顆電池之循環老化測試實施例圖； [圖6]為一種三元鋰電池蕊之配對因數圖譜實施例圖； [圖7]為圖6之#A電池與#C電池之放電表現對照實施例圖； [圖8]為圖6之#A電池與#C電池之循環測試對照實施例圖； [圖9A]為一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統之架構實施例圖；以及 [圖9B]為圖9A之一種電路架構實施例圖。

500:以能量值進行電池蕊配對之配對系統

510:充放電櫃

511:有線充放電單元

512:有線充放電單元

60:電池蕊

520:電腦

200:配對資料庫

310:電池蕊配對之電腦程式

320:電腦可讀取之記錄媒體

400:充放電溝通軟體

S100:充電電池之電池蕊配對方法

S110:進行額定充電

S120:產生能量值

S130:產生配對因數區段

S140:進行電池蕊配對

Claims (6)

1. 一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統，其包括： 一充放電櫃，其具有複數個電池蕊之充放電單元；以及 一電腦，其儲存或執行一電池蕊配對之電腦程式，又該電池蕊配對之電腦程式執行時，係藉由該電腦內建之一充放電溝通軟體與該充放電櫃溝通並完成該電池蕊配對之電腦程式之執行。
2. 如請求項1所述之配對系統，其中該充放電單元為一有線或一無線之充放電單元。
3. 一種以能量值進行電池蕊配對之配對系統，其包括： 一充放電櫃，其具有複數個電池蕊之充放電單元；以及 一電腦，其儲存或執行一電池蕊配對之電腦程式，又該電池蕊配對之電腦程式執行時，係藉由該電腦內建之一充放電溝通軟體與該充放電櫃溝通並完成該電池蕊配對之電腦程式之執行； 其中該電池蕊配對之電腦程式，係執行一充電電池之電池蕊配對方法，其包括： 進行額定充電，其係對複數個電池蕊，以額定電流充電至額定容量值； 產生能量值，其係在進行該額定充電過程中，記錄每一該電池蕊之一電壓參數及一時間參數，以計算出每一該電池蕊之一能量值，又該能量值Wh之計算方式為：                           ，其中該V為該電壓參數，該I為該額定電流，該t為該時間參數； 產生配對區段，其係將每一該能量值取其倒數再乘以一常數，以成為複數個配對因素並區分出複數個區段，又每一該區段為一配對因數區段；以及 進行電池蕊配對，其係挑選分佈於同一該配對因數區段內之該些電池蕊，並將其組成一電池。
4. 如請求項3所述之配對系統，其中該些配對因數區段，又進一步形成直角坐標系之一配對因數圖譜，又該進行電池蕊配對，係以該配對因數圖譜進行配對。
5. 如請求項3所述之配對系統，其中該常數係為介於80至120間之一數值。
6. 如請求項3所述之配對系統，其中該充放電單元為一有線或一無線之充放電單元。

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