TWI404964B - 電池放電殘餘時間估測方法 - Google Patents

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Description

電池放電殘餘時間估測方法
本發明係關於一種電池[例如：鋰鐡電池]放電殘餘時間估測方法，該方法係關於利用多重的波衣卡特方程式[multi-level Peukert equation]，利用檢出一放電電流，並依該檢出之放電電流所在區間之波衣卡特方程式估算該電池放電殘餘時間，且紀錄該放電電流區間之放電時間；若該電池放電電壓低於該預先設定值時，計算該電池放電殘餘時間估測誤差，當該電池放電殘餘時間估測誤差大於一預先設定值，則調整該相關之波衣卡特方程式之參數，以降低該電池放電殘餘時間估測值之誤差。
近幾年過度使用石化原物料引發溫室效應及全球氣候變遷，因而發展新能源，如：太陽能、風能等。為有效管理及節約能源，需要大容量的儲能元件。目前最為廣泛應用的大容量儲能元件為鉛酸電池。雖然鉛酸電池具有低成本及高容量之優點，但卻無法利用大電流[例如：1C]充電方式減短充電時間。另外，鉛酸電池的大電流放電往往導致其放電容量明顯減少。鋰鐵電池具有鉛酸電池無法達到之大電流充放電之特性，且鋰鐵電池大電流放電亦不會導致如鉛酸電池的放電容量明顯減少問題。此外，鋰鐵電池亦具有高安全性及高穩定性等優點，因此在未來大容量儲能元件應用上鋰鐵電池將非常具有吸引力。
在電池使用過程中，電池放電殘餘時間準確估測對電池本身或其供電對象之用電設備可提高使用可靠度及安全性。舉例而言，習用電池殘電量估測方法，如美國專利第4595880號，其揭示利用電池安培小時[ampere-hour]方法累積電池的實際放電容量，以便在一預定單位時間內計算平均放電電流，並將該平均放電電流代入波衣卡特方程式，計算電池放電容量；接著，再將該電池放電容量利用一電池充電狀態方程式進行計算，以獲得電池之放電狀態，即電池之放電殘電量。
顯然，該美國專利第4595880號之電池殘電量估測方法必須在預定單位時間內計算平均放電電流，且必須將該平均放電電流代入波衣卡特方程式，以計算電池放電容量。然而，波衣卡特方程式之參數必須另經由實驗測試，並再經由計算實驗數據方能獲得，所以其缺點在於無法準確的依電池溫度變化及電池老化程度同步修正波衣卡特方程式之參數。一旦電池放電電流變化較大、電池溫度變化或電池老化時，該方法無法依據放電量誤差修正波衣卡特方程式參數，因而造成較大之估測值之誤差，且該方法並未估測電池放電殘餘時間。
另一習用電池殘電量估測方法，如美國專利第5761072號，其揭示將電池放電電流利用兩組預定方程式計算出兩組不同的平均放電電流，並將該兩組不同的平均放電電流代入波衣卡特方程式，以便計算出兩組不同的電池放電容量，再計算出其權值電池放電容量；最後，將電池實際放電之容量及計算所得之權值電池放電容量代入一電池放電狀態方程式，以獲得電池之放電狀態，即電池之放電殘電量。
顯然，該美國專利第5761072號之電池殘電量估測方法利用電池特性參數計算兩組不同的平均放電電流，且利用電池權值容量計算電池放電容量。一般而言，電池之放電反應為電化學反應。是以，若僅利用單一電池特性參數計算放電電流，該電池特性參數勢必無法完全反應真實電池特性。事實上，電池放電容量往往易受操作方式、放電深度、環境溫度等外在因素的影響。此外，由於前述方法僅採用單一組波衣卡特方程式計算電池放電容量，因此其易在不同放電電流下造成估測值之誤差。同樣的，前述方法不具有自動修正估測誤差之功能，且亦並未估測電池放電殘餘時間。
簡言之，前述習用電池殘電量估測方法仍有必要進一步改善其缺點，以降低電池殘電量估測值之誤差。另外，前述習用利用波衣卡特方程式之電池殘電量估測方法均未提供估測電池放電殘餘時間之相關技術。
另一習用電池殘電量估測方法，如中華民國專利公開案第200905230號，其揭示：預設數個電池放電電流區間及數個波衣卡特方程式，每個該波衣卡特方程式對應於該電池放電電流區間，且該波衣卡特方程式包含數個參數；偵測一電池放電電流；選擇其對應電池放電電流區間之波衣卡特方程式；計算電池放電容量估測值及電池殘電容量；若該電池放電電流區間需要變換時，計算變換該電池放電電流區間所需的容量修正因數，以便修正電池殘電容量；若該電池放電容量估測值與實際電池放電量之間的誤差值大於一預定值時，重新計算該波衣卡特方程式之參數。
雖然該第200905230號之電池殘電量估測方法可利用提供自動修正波衣卡特方程式之參數方式修正該電池殘電量估測值，但其亦未提供估測電池放電殘餘時間之相關修正技術。因此，一般習用電池殘電量估測方法仍然存在需要提供估測電池放電殘餘時間之潛在需求。
有鑑於此，本發明為了滿足上述需求，提供一種電池放電殘餘時間估測方法，其採用多重的波衣卡特方程式計算電池放電殘餘時間估測值，當該估測值之誤差大於一預先設定值時，則調整相關波衣卡特方程式之參數，進而提高電池放電殘餘時間估測值之準確性。
本發明之目的係提供一種電池放電殘餘時間估測方法，其預設數個電池放電電流區間及其波衣卡特方程式，且將各個電池放電電流區間之電池放電時間預先設定值為零，藉由偵測電池放電電流、電池放電時間及電池放電電壓等資料，判斷電池放電電流所對應的電池放電電流區間及其所有對應的波衣卡特方程式，再利用該對應的波衣卡特方程式計算電池放電殘餘時間估測值，並紀錄該放電電流區間之放電時間，當判斷該電池放電電壓低於一預先設定值，計算電池放電殘餘時間估測誤差，當該電池放電殘餘時間估測誤差大於一預先設定值時，則調整相關波衣卡特方程式之參數，以達成降低電池放電殘餘時間估測值誤差之目的。
為了達成上述目的，本發明之電池放電殘餘時間估測方法包含步驟：
a、預設數個電池放電電流區間及數個波衣卡特方程式，每個該波衣卡特方程式對應於一個該電池放電電流區間，且將各個該電池放電電流區間之電池放電時間設定為零；
b、偵測一電池放電電流、一電池放電時間及一電池放電電壓；
c、判斷該電池放電電流是否超過所有該電池放電電流區間之範圍，若該電池放電電流之電流值超過所有該電池放電電流區間之範圍，則終止執行該電池放電殘餘時間估測方法；
d、若該電池放電電流落在其所有對應該電池放電電流區間範圍內時，選擇其對應該電池放電電流區間之波衣卡特方程式；
e、計算該電池放電殘餘時間之估測值；
f、紀錄該放電電流區間之放電時間；
g、判斷該電池放電電壓是否低於一預先設定值，若該電池放電電壓高於該預先設定值時，回到步驟b；
h.　若該電池放電電壓低於該預先設定值時，則計算該電池放電殘餘時間之估測誤差，
i.　判斷該電池放電殘餘時間之估測誤差是否高於該預先設定值，若該電池放電殘餘時間估測誤差低於該預先設定值時，終止執行本發明電池放電殘餘時間估測方法。
j.　若該電池放電殘餘時間之估測誤差高於該預先設定值時，則調整對應之波衣卡特方程式之參數。
為了充分瞭解本發明，於下文將例舉較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。
本發明較佳實施例之電池放電殘餘時間估測方法可適用於鋰鐵電池或一般具有類似特性電池[例如：具高安全性及高穩定性電池]之放電殘餘時間估測，但其並非用以限定本發明之應用範圍。
第1圖揭示本發明第一實施例電池放電殘餘時間估測方法之流程圖。請參照第1圖所示，本發明電池放電殘餘時間估測方法首先係在第一執行步驟S101中，其用以執行設定數個電池放電電流區間及計算各區間對應之波衣卡特方程式，且將各個電池放電電流區間之電池放電時間設定為零，並依需求可適當設定該電池放電電流區間及其對應之波衣卡特方程式。本發明採用波衣卡特方程式如下：
其中I為電池放電電流，K及n為波衣卡特參數，CP 為電池放電容量估測值。
本發明採用波衣卡特參數n及K之計算式如下：
K=I1 *t1 *I1 n-1 =I2 *t2 *I2 n-1 　[3]
其中I1 及I2 為在電池放電電流區間內放電電流最小值及最大值，t1 及t2 為在電池放電電流區間內放電電流最小值及最大值之放電時間。本發明採用波衣卡特參數n及K之計算式並非用以限制本發明之範圍。
每一電池放電電流區間均有一組相對應之波衣卡特方程式，且每一波衣卡特方程式具有不同之波衣卡特參數。
請再參照第1圖所示，接著，在第二執行步驟S102中，其用以執行利用一外部偵測器或其他偵測單元讀取電池放電電流、電池放電時間、電池放電電壓等資料。
請再參照第1圖所示，接著，在第三執行步驟S103中，其用以執行判斷電池放電電流是否超過其所有電池放電電流區間範圍，若電池放電電流值未超過所有電池放電電流區間範圍，則執行後續執行步驟，若電池放電電流值超過所有電池放電電流區間範圍，則終止執行本發明電池放電殘餘時間估測方法，且不計算該電池放電殘餘時間。
請再參照第1圖所示，若電池放電電流值未超過所有電池放電電流區間範圍，則執行第四執行步驟S104，其選擇偵測之電池放電電流所對應之電池放電電流區間及其對應波衣卡特方程式，該電池放電電流區間及其對應波衣卡特方程式已在第一執行步驟S101完成設定。
請再參照第1圖所示，接著，在第五執行步驟S105中，其用以執行計算電池放電殘餘時間。本發明採用電池放電殘餘時間之計算式如下：
tp =K/In 　[4]
其中tp 為電池放電初始殘餘時間，K及n為波衣卡特參數，I為電池放電電流。
本發明採用電池放電即時殘餘時間之計算式如下：
trm =tP -tsm 　[5]
其中trm 為電池放電即時殘餘時間，tp 為電池放電初始殘餘時間，tsm 為電池累計放電時間。
請再參照第1圖所示，接著，在第六執行步驟S106中，其用以執行紀錄該放電電流區間之放電時間，其用以紀錄目前放電電流所在之放電電流區間之累積放電時間。
請再參照第1圖所示，接著，在第七執行步驟S107中，其用以執行判斷電池放電電壓是否低於一預先設定值，若判斷結果為「否」時，即電池放電電壓高於該預先設定值，重新返回第二執行步驟S102。
請再參照第1圖所示，接著，在第八執行步驟S108中，其用以執行若第七執行步驟S107判斷結果為「是」時，即電池放電電壓低於該預先設定值，則執行第八步驟S108，以計算電池放電殘餘時間估測誤差，因為此時實際電池放電殘餘時間應該為零，所以該電池放電殘餘時間估測誤差即等於該電池估測殘餘時間。
請再參照第1圖所示，接著，在第九執行步驟S109中，其用以執行判斷電池殘餘時間估測誤差是否大於預先設定值，若第九執行步驟S109判斷結果為「否」時，即電池殘餘時間估測誤差低於該預先設定值，則終止執行本發明電池殘餘時間估測方法。
請再參照第1圖所示，最後，在第十執行步驟S110中，其用以執行若第九執行步驟S109判斷結果為「是」時，即電池殘餘時間估測誤差高於該預先設定值，則執行調整該相關之波衣卡特方程式之參數K值計算，並終止執行本發明電池殘餘時間估測方法。本發明採用調整相關之波衣卡特方程式之參數K值計算式如下：
K=(tp *Error(%)*Φ+tp )*In (0≦Φ≦1)　[6]
其中Error(%)為電池殘餘時間估測誤差，其計算式為Error(%)=(電池放電殘餘時間估測誤差/實際電池放電時間)*100%，K及n為波衣卡特參數，tp 為電池初始殘餘時間，I為電池放電電流，Φ為調整比例值，其值由該波衣卡特方程式所屬放電電流區間之放電時間乘以該放電電流區間之電流中間值，再除以該電池放電容量而得，即
其中t x 與分別為該波衣卡特方程式所屬之放電電流區間之放電時間及其電流中間值，該放電電流區間之電流中間值為該放電電流區間之最大及最小電流和之一半，AH 為該電池放電容量，其可表示為。
本發明採用調整波衣卡特方程式之參數K值計算式並非用以限制本發明之範圍。
前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。
S101~S110．．．第一執行步驟至第十執行步驟
第1圖：本發明較佳實施例電池放電殘餘時間估測方法之流程圖。
S101~S110．．．第一執行步驟至第十執行步驟

Claims (6)

  1. 一種電池放電殘餘時間估測方法，其包含步驟如下：a、預設數個電池放電電流區間及數個電池放電方程式，每個該電池放電方程式對應於一電池放電電流區間，且將各個電池放電電流區間之電池放電時間設定為零；b、偵測一電池放電電流、一電池放電時間及一電池放電電壓；c、判斷該電池放電電流是否超過其所有對應該電池放電電流區間範圍，若該電池放電電流超過所有該電池放電電流區間之範圍，則終止執行該電池放電殘餘時間估測方法；d、若該電池放電電流在其所有對應該電池放電電流區間之範圍內時，選擇其對應電池放電電流區間之電池放電方程式；e、計算一電池放電殘餘時間估測值；f、紀錄該放電電流區間之放電時間；g、判斷該電池放電電壓是否低於一預先設定值，若該電池放電電壓高於該預先設定值時，返回步驟b；h、若該電池放電電壓低於該預先設定值時，則計算該電池放電殘餘時間估測誤差；i、判斷該電池放電殘餘時間估測誤差是否高於一預先設定值，若該電池放電殘餘時間估測誤差低於該預先設定值，則終止執行該電池放電殘餘時間估測方法；及j、若該電池放電殘餘時間估測誤差高於該預先設定值，則調整相關之電池放電方程式之參數。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之電池放電殘餘時間估測方法，其中，該電池放電方程式為波衣卡特方程式。
  3. 依申請專利範圍第2項所述之電池放電殘餘時間估測方法，其中，計算該電池放電殘餘時間估測值時，計算該電池放電殘餘時間所採用的計算式如下：tp =K/In 其中，tp 為電池初始殘餘時間，K及n為波衣卡特參數，I為電池放電電流；trm =tP -tsm 其中，trm 為電池即時殘餘時間，tp 為電池初始殘餘時間，tsm 為電池累計放電時間。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之電池放電殘餘時間估測方法，其中，當電池放電電壓低於一預先設定值時，則計算一電池放電殘餘時間估測誤差，此時，該電池放電殘餘時間估測誤差等於電池估測殘餘時間。
  5. 依申請專利範圍第2項所述之電池放電殘餘時間估測方法，其中，若在計算該電池放電殘餘時間估測誤差值大於該預先設定值時，則重新計算該波衣卡特方程式之參數K，該參數K值計算式如下：K=(tp *Error(%)*Φ+tp )*In 　(0≦Φ≦1)其中，K及n為波衣卡特參數，tp 為電池放電初始殘餘時間，Error(%)為電池放電殘餘時間估測誤差，I為電池放電電流，及Φ為調整比例值。
  6. 依申請專利範圍第5項所述之電池放電殘餘時間估測方法，其中，該調整比例Φ值為該放電電流區間之放電時間乘以該放電電流區間之電流中間值除以該電池放電容量，該放電電流區間之電流中間值為該放電電流區間之最大及最小電流和之一半。
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