TWI547705B - 線上估測電池內阻的系統與方法 - Google Patents

Description

線上估測電池內阻的系統與方法

本揭露為一種線上估測電池內阻的系統與方法，尤指一種可經由控制並量取於特定一段時間的固定電流資訊，與固定電流發生前後之電壓差值，以推算出電池內阻的線上估測電池內阻的系統與方法。

習知技術之單元電池電阻估測方法與策略，常常必須將負載端部分卸載，才能正確地測量電池內阻，尤其是由許多電池組串聯組成的供電設備，必須停止運轉，才能測量到每個電池之內阻，若未卸載情況下就進行量測，其檢測訊號會分流經負載端，影響量測準確度；若要在混合動力車載具上進行電池內阻量測，就得停車卸下車輛電池組進行檢測，耗費時間及人力成本；再者，電池的電量會隨著使用時間增加而減少，由於電池卸載的量測方式只能偶爾進行，真實電量將無法隨著實際使用狀況正常顯示，造成車輛運行時駕駛者對於電池電量的誤判。

由於電池電量估測補償參數其中一項是由電池內阻的資訊來提供，而習知技術通常都是以許多單元電池組作為測試平台，以不斷進行實驗測試的方式，針對電量補償建立單元電池內阻補償對應表；由於相同材料的電池組於不同使用情況時，其電阻會有不同的表現，因此對於電量估測準確度將是一大挑戰。

在一實施例中，本揭露提出一種線上估測電池內阻的系統，適用於電動車或混合動力車，系統包含一高壓電池組、一電壓感知單元、一電流感知單元、一直流轉換單元、一驅動單元、一車 載充電單元及一控制單元；高壓電池組用以提供高電壓電源以驅動一車輛；電壓感知單元用以感知高壓電池組之總電壓值；電流感知單元用以感知高壓電池組之總電流值；直流轉換單元用以將高電壓電源轉換為低電壓電源；驅動單元用以驅動車輛；車載充電單元用以透過外部電力對高壓電池組充電；控制單元用以接收電壓感知單元與電流感知單元之訊號，並據以進行計算高壓電池組之內阻。

在一實施例中，本揭露提出一種線上估測電池內阻的方法，適用於電動車或混合動力車，其係經由控制並量取高壓電池組一段時間之固定電流的資訊，與該固定電流發生前後之電壓差值，以計算出高壓電池組的內阻。

100‧‧‧線上估測電池內阻的系統

10‧‧‧高壓電池組

20‧‧‧電壓感知單元

30‧‧‧電流感知單元

40‧‧‧輔助電池

50‧‧‧直流轉換單元

60‧‧‧驅動單元

70‧‧‧車載充電單元

80‧‧‧控制單元

200、200A‧‧‧線上估測電池內阻的方法的流程

201~215‧‧‧線上估測電池內阻的方法的流程的步驟

L61~L63、L71、L72‧‧‧曲線

圖1為本揭露之線上估測電池內阻的系統實施例之架構示意圖。

圖2為本揭露之線上估測電池內阻的方法之一實施例流程示意圖，並顯示其中一種判斷模式。

圖3及圖4為本揭露之線上估測電池內阻的方法之其他不同判斷模式之流程示意圖。

圖5為本揭露之線上估測電池內阻的方法另一實施例流程示意圖。

圖6為本揭露於車輛驅動時之實施例之電壓與電流量測關係圖。

圖7為本揭露於車外充電時之實施例之電壓與電流量測關係圖。

請參閱圖1所示實施例，為本揭露之一種線上估測電池內阻的系統100，其包含一高壓電池組10、一電壓感知單元20、一電流感知單元30、一輔助電池40、一直流轉換單元50、一驅動單元60、一車載充電單元70及一控制單元80。

本揭露線上估測電池內阻的系統100適用於電動車、混合動力車或插電式混合動力車等車輛。高壓電池組10用以提供高電壓電源以驅動車輛；電壓感知單元20用以感知高壓電池組10之總電壓值；電流感知單元30用以感知高壓電池組10之總電流值；輔助電池40用以提供低電壓電源供車輛使用，但非必要；直流轉換單元50用以將高壓電池組10之高電壓電源轉換為低電壓電源(例如，12伏特電壓)，並將轉換後之低電壓電源傳輸至輔助電池40；驅動單元60用以驅動車輛，就電動車而言，驅動單元60可為由馬達或發電機組成之電機，就混合動力車或插電式混合動力車而言，驅動單元60可為引擎與馬達之耦合系統所組成之電機；車載充電單元70用以透過外部電力對高壓電池組10充電；控制單元80連接電壓感知單元20、電流感知單元30、直流轉換單元50、驅動單元60及車載充電單元70，控制單元80取得電壓感知單元20所感知之總電壓值，以及電流感知單元30所感知之該總電流值，並據以計算高壓電池組10的內阻。

請參閱圖1、圖2所示，圖2顯示圖1之線上估測電池內阻的系統100應用於電動車時之線上估測電池內阻的方法的流程200，本揭露之判斷流程200適用於許多種判斷模式，圖2顯示其中一種判斷模式A，依虛線所示順序執行各步驟，判斷模式A之步驟包含：車輛啟動後(步驟201)，首先判斷車輛處於駕駛模式或車外充電模式(步驟202)；若車輛處於駕駛模式，則判斷車輛是否處於靜止狀態(步驟203)；若車輛處於靜止狀態，則由控制單元80控制直流轉換單元50控制車輛之高壓電池組10以定電流穩定輸出(步驟204)，而車輛啟動且處於靜止的狀態，例如，停車或等紅綠燈時；為確保高壓電池組10以定電流穩定輸出，因此必須進行觀察(步驟205)，所稱穩定的電流輸出，代表可保持電流在一定值之誤差範圍內，該定值舉例可設定具有5%的誤差，此外，通常一開始輸入的電流會比較大，待一段時間(例如一分鐘)後，才會以穩定的電流輸出，因此必須持續循環觀察直至電流位於穩定之誤差範圍 內；而後由控制單元80取得該穩定輸出之電流值與當時之電壓差值，並據以計算出高壓電池組10之內阻(步驟206)，將所計算出之內阻儲存於記憶裝置(步驟207)，而後即可結束本次執行過程(步驟208)。儲存於記憶裝置中之內阻即可作為後續計算高壓電池組10的電池電量之用。

請參閱圖1及圖3所示，圖3顯示另外二種判斷模式B、C，分別為圖3左右兩側虛線所示之執行步驟。必須說明的是圖3所示流程圖與圖2相同，只是標示的判斷模式(執行步驟)不同。

其中一種判斷模式B，請參閱位於圖3左側之虛線執行步驟，判斷模式B之步驟包含：車輛啟動後(步驟201)，首先判斷車輛處於駕駛模式或車外充電模式(步驟202)；若判斷車輛處於駕駛模式，則判斷車輛是否處於靜止狀態(步驟203)；若車輛處於非靜止狀態，則判斷車輛是否有動力輸出(步驟209)。關於動力輸出之判斷，可根據驅動單元60是否有電流輸入而加以判斷；若車輛有動力輸出，則由控制單元80觀察高壓電池組10是否以定電流穩定輸出(步驟205)，亦即高壓電池組10所輸出之電流是否在一段時間內為一固定值，若否，則循環觀察直至電流位於固定值之誤差範圍內；而後由控制單元80取得該穩定輸出之電流值與當時之電壓差值，並據以計算出高壓電池組10之內阻(步驟206)，將所計算出之內阻儲存於記憶裝置(步驟207)，而後即可結束本次執行過程(步驟208)。

另外一種判斷模式C，請參閱位於圖3右側之虛線執行步驟，判斷模式C之步驟包含：車輛啟動後(步驟201)，首先判斷車輛處於駕駛模式或車外充電模式(步驟202)；若判斷車輛處於駕駛模式，則判斷車輛是否處於靜止狀態(步驟203)；若車輛處於非靜止狀態，則判斷車輛是否有動力輸出(步驟209)；若車輛無動力輸出(例如，駕駛未踩油門)，則判斷車輛是否進入煞車回充模式(步驟210)。煞車回充模式是電動車的特性，表示電動車將動力轉換成電力，例如踩煞車就會造成回充；若車輛處於非煞車狀況，則將車輛之驅動單元60轉為發 電機，由控制單元80控制該發電機以小電流發電，以使得高壓電池組10獲得固定電流之回充(步驟211)；而後由控制單元80取得該穩定輸出之電流值與當時之電壓差值，並據以計算出高壓電池組10之內阻(步驟206)，將所計算出之內阻儲存於記憶裝置(步驟207)，而後即可結束本次執行過程(步驟208)。

請參閱圖1及圖4所示，圖4顯示另外二種判斷模式D、E，分別為圖4左右兩側虛線所示之執行步驟。必須說明的是圖4所示流程圖與圖2相同，只是標示的判斷模式(執行步驟)不同。

其中一種判斷模式D，請參閱位於圖4左側之虛線執行步驟，判斷模式D之步驟包含：車輛啟動後(步驟201)，首先判斷車輛處於駕駛模式或車外充電模式(步驟202)；若判斷車輛處於駕駛模式，則判斷車輛是否處於靜止狀態(步驟203)；若車輛處於非靜止狀態，則判斷車輛是否有動力輸出(步驟209)；若車輛無動力輸出，則判斷車輛是否進入煞車回充模式(步驟210)；若車輛處於煞車狀況，則由控制單元80控制煞車回充電流為一固定值(步驟212)，而後由控制單元80取得該穩定輸出之電流值與當時之電壓差值，並據以計算出高壓電池組10之內阻，將所計算出之內阻儲存於記憶裝置(步驟207)，而後即可結束本次執行過程(步驟208)。

另外一種判斷模式E，請參閱位於圖4右側之虛線執行步驟，判斷模式E之步驟包含：車輛啟動後(步驟201)，首先判斷車輛處於駕駛模式或車外充電模式(步驟202)；若判斷車輛處於車外充電模式，則由控制單元80控制車載充電單元70以定電流方式對高壓電池組10進行充電(步驟213)，並至步驟206量測電壓差值與電流值以計算內電阻並儲存(步驟207)。

上述於圖2~4所示流程及判斷模式A~E，是基於圖1之驅動單元60為由馬達或發電機所組成之電機時，亦即針對電動車。除此之外，如前所述，驅動單元60亦可為引擎與馬達之耦合系統所組成之電機，亦即所應用之車輛為混合動力車或插電式混合動力 車，於此情況下，請參閱圖5所示線上估測電池內阻的方法的流程200A，其與圖2所示流程200之差異在於本流程具有一判斷引擎是否啟動之步驟(步驟214)，請參閱圖1及圖5之虛線執行步驟，判斷模式F之步驟包含：車輛啟動後(步驟201)，首先判斷車輛之引擎是否啟動(步驟214)，若判斷引擎啟動，則由引擎控制驅動單元60以定電流方式對高壓電池組10進行充電(步驟215)；而後由控制單元80取得該穩定輸出之電流值，並據以計算出高壓電池組10之內阻(步驟206)，將所計算出之內阻儲存於記憶裝置(步驟207)，而後即可結束本次執行過程(步驟208)。若於步驟214時判斷引擎未啟動，則進入步驟202，判斷車輛處於駕駛模式或車外充電模式，而後即可執行如前所述之判斷模式A~E。

關於本揭露欲進行電池內阻R_DC量測時，其所依據之計算公式為直流負載量測公式，如下：

其中，△v為電池組充電或放電前後之電壓差值

i為電池組之電流值

上述不同的判斷模式A~F，皆可使用(1)式計算而得到高壓電池組的內阻。綜言之，本揭露之線上估測電池內阻的方法，係運用「固定電流控制策略」與「直流負載量測方式」之特性，適用於電動車或混合動力車之車輛，經由控制並量取特定一段時間的固定電流的資訊，與該固定電流發生前後之電壓差值，以計算出高壓電池組的內阻。而本揭露之線上估測電池內阻的系統與方法，其「線上」(real time/online)之意即代表當車輛啟動後，即可自動進行偵測，無須卸除負載。此外，控制單元不僅可針對高壓電池組，同時也可以偵測輔助電池。至於偵測的次數，可由控制單元自行決定，或每當電量變化10%時執行一次。

關於本揭露之一具體實施方式，請參閱圖1、圖3之判斷模式B及圖6所示，其主要在說明當車輛處於駕駛模式且有動力輸出時的應用，其中，圖6之曲線L61代表電壓，曲線L62代表電流，曲線L63代表車輛的速度。車輛啟動後(步驟201)，經判斷為駕駛模式(步驟202)，並由於車輛在行進間，且具有動力輸出的情況下(步驟209)，因此接下來持續判斷是否有發生固定電流之穩定輸出(步驟205)。由圖6中可觀察到，當進入約第9~11秒時，車輛以穩定電流在輸出，因此準備進入電池內阻之計算，而在大約11秒後，此時動力驅動為0，電流輸出亦為0，由於瞬間電流輸出有變化，使得高壓電池組10有一壓昇現象，因此記錄此電壓差值△v，並且與先前之固定電流值i，即可計算出此時之電池內阻。經計算，該內阻為133mΩ。

關於本揭露另一具體實施方式，請參閱圖1、圖4之判斷模式E及圖7所示，其主要在說明當車輛在車外充電模式時的應用，其中，圖7之曲線L71代表電壓，曲線L72代表電流。車輛啟動後(步驟201)，經判斷為車外充電模式，則由控制單元80控制車載充電單元70以固定電流充電。由圖7中可觀察到，一開始尚未啟動充電之前，其電流是0，當進入大約第6秒時，車輛以穩定電流進行充電，電流絕對值為10A，因此進入電池內阻之計算，由於瞬間電流產生變化，使得高壓電池組10有一壓昇現象，因此記錄此電壓差值△v，並且與先前之固定電流值i，計算出此時之電池內阻。經計算，內阻為141mΩ。

綜上所述，本揭露所提供之線上估測電池內阻的系統與方法，利用「車輛行駛過程之驅動電流」、「車輛煞車過程之回充電流」、「直流轉換單元之輸出電流」及「車載充電過程之充電電流」之特性，透過控制單元與感知器所感知之電壓/電流資訊，計算出電池的內阻。本揭露可應用於混合動力車、插電式混合動力車或電動車之車用高壓電池組之內阻量測，直接量測電池組之電壓值與電流值，而不以估測方式獲得內阻資訊，藉由電池內阻的獲得，可作為電池電量估測之補償，亦可估算電池組老化之程度。而由 於本揭露能線上即時估測內阻，在車輛使用過程即能獲得內阻資訊，經由資料密集地更新及應用，因此可以降低駕駛者對於車輛剩餘里程的疑慮，亦能減少因系統無法判斷電池老化所帶來的風險，以提供給駕駛者更準確的行車資訊。透過本揭露提供之方法所計算的內阻，不需再裝設額外的電源供應設備、電路設計等額外裝置，並且該方法不受環境如溫度、天候、道路狀況之影響，亦無論是在充電及放電時，皆可實施，使得在幾乎增加零成本的情況下，即可達到電阻的估算，改善習知電池內阻不易量測之問題。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於說明本揭露之特點及功效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

100‧‧‧線上估測電池內阻的系統

10‧‧‧高壓電池組

20‧‧‧電壓感知單元

30‧‧‧電流感知單元

40‧‧‧輔助電池

50‧‧‧直流轉換單元

60‧‧‧驅動單元

70‧‧‧車載充電單元

80‧‧‧控制單元

Claims (10)

1. 一種線上估測電池內阻的系統，適用於電動車或混合動力車之車輛，該系統包含：一高壓電池組，用以提供高電壓電源以驅動該車輛；一電壓感知單元，用以感知該高壓電池組之總電壓值；一電流感知單元，用以感知該高壓電池組之總電流值；一直流轉換單元，用以將該高電壓電源轉換為低電壓電源；一驅動單元，用以驅動該車輛；一車載充電單元，用以對該高壓電池組充電；以及一控制單元，用以連接該電壓感知單元、該電流感知單元、該直流轉換單元、該驅動單元及該車載充電單元，並根據該總電流值與該總電壓值之一差值以計算該高壓電池組的內阻；其中若該車輛處於一駕駛模式，且該車輛處於靜止狀態時，由該控制單元控制該高壓電池組以固定電流穩定輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之線上估測電池內阻的系統，其中該驅動單元為馬達或發電機所組成之電機，由該控制單元控制所需輸入或輸出該驅動單元之該總電流值和該總電壓值之差值而計算該高壓電池組的內阻。
3. 如申請專利範圍第1項所述之線上估測電池內阻的系統，其中該驅動單元為引擎與馬達所組成之電機，由該控制單元控制所需輸入或輸出該驅動單元之該總電流值和該總電壓值之差值而計算該高壓電池組的內阻。
4. 如申請專利範圍第1項所述之線上估測電池內阻的系統，其中該總電壓值之差值為當該總電流發生為一固定值時之前後電壓值之差。
5. 一種線上估測電池內阻的方法，適用於電動車或混合動力車之車輛，該車輛至少具有一高壓電池組，該方法係經由控制以取得該高壓電池組於一段時間的固定電流值，與該固定電流值發生前後之電壓差值，以計算出該高壓電池組的內阻；其中若該 車輛處於一駕駛模式，且該車輛處於靜止狀態時，控制該高壓電池組以固定電流穩定輸出。
6. 如申請專利範圍第5項所述之線上估測電池內阻的方法，其中，若該車輛處於一駕駛模式，且該車輛處於非靜止狀態，且該車輛有動力輸出時，判斷該高壓電池組輸出之電流是否在一段時間內為一固定值，若是，則取得該固定電流值與電壓差值以計算出該高壓電池組之內阻。
7. 如申請專利範圍第5項所述之線上估測電池內阻的方法，其中，若該車輛處於一駕駛模式，且該車輛處於非靜止狀態，且該車輛無動力輸出，且該車輛處於非煞車狀況時，則控制以一小電流發電，以使得該高壓電池組獲得固定電流之回充，並取得該固定電流值與電壓差值以計算出該高壓電池組之內阻。
8. 如申請專利範圍第5項所述之線上估測電池內阻的方法，其中，若該車輛處於一駕駛模式，且該車輛處於非靜止狀態，且該車輛無動力輸出，且該車輛處於煞車狀況時，則控制一煞車回充電流為一固定值，並取得該電流值與電壓差值以計算出該高壓電池組之內阻。
9. 如申請專利範圍第5項所述之線上估測電池內阻的方法，其中，若該車輛處於一車外充電模式，則控制以一固定電流對該高壓電池組進行充電，並取得該固定電流值與電壓差值以計算出該高壓電池組之內阻。
10. 如申請專利範圍第5項所述之線上估測電池內阻的方法，其中，若該車輛之引擎啟動時，則控制以一固定電流對該高壓電池組進行充電，並取得該固定電流值與電壓差值以計算出該高壓電池組之內阻。