TWI422849B

TWI422849B - 以直流內阻估算鋰電池容量之方法

Info

Publication number: TWI422849B
Application number: TW098127249A
Authority: TW
Inventors: Chang Yu Ho
Original assignee: Neotec Semiconductor Ltd
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2014-01-11
Also published as: US8482254B2; TW201105993A; US20110037475A1

Description

以直流內阻估算鋰電池容量之方法

本發明係關於一種電池電容量的量測方法。特別是有關於建立一固定電流的放電迴路，所量測直流內阻來得到鋰電池電容量的方法。

電池可說是一切可攜式電子裝置動力來源，舉凡：行動電話、筆記型電腦、個人數位助理、隨身聽等等，皆有賴電池提供電力。可攜式電子裝置多會採取電池再充電的方式，亦即使用二次電池，將原來耗損的電能補充回來。

二次電池的老化，最常看見也最容易察覺的就是內阻的改變，電池芯出廠時的內阻是很小的，但經過長期充放電後，會使得內阻逐漸增加，直到內阻大到電池內部的電量無法正常釋放出來，相對的電池容量也會下降，大部分老化的電池都是因為內阻過大的原因而造成無法使用。

一電池管理良好的二次電池通常可被重覆充電數百次，甚至達數千次才會老化。

二次鋰電池近幾年來的運用無所不在，儘管鋰電池優點很多，但是所有鋰電池都有個缺點那就是怕過度充電與過度放電，如果過度充電或短路，會造成電池溫度升高，而破壞電池結構，最後可能使得電池爆炸。充電時，當電壓上升到4.30±0.05V時，應立即停止充電，以避免電池過充而產生危險；而當電池供電(放電)時，電池電壓如果降至2.3±0.1V以下，要立即停止放電，以免電池過度放電而損毀電池的使用壽命。

不過，被量度到的電池電壓V_CELL 未必能真實反映電池的開路電壓V_OC 。主要的原因是電池的特性具有一內電阻R_INT 。該內電阻所反映的電壓值和充電的電流或放電電流I有關，一如下列方程式所表示：V_BAT =V_OC +I*R_INT

典型的電池內電阻R_INT 值約有100m歐姆之多。如此當充電的電流I是1A時，則當電池電壓V_OC 實際值是4.1V，所量到的電壓V_BAT 卻是4.2V。另一方面若是發生於放電的時候，所量到的電池電壓V_BAT 則是4.0V，因為此時電流I是-1A。

因此，若不把電池內阻的因素列入考量，充電器就會有電池充電不足或者放電過頭的問題，另外對於電池電量的計算，也會因電池內阻值不準因而電池電量的計算不準。

因此如何準確量測一經過長期充放電後而逐漸增加的電池內阻，成為電池管理之晶片設計很重要的一部份。然而先前發表過的一些技術，在複雜度及精確度上還有改進空間。如美國德州儀器(TI)使用的方法(US6832171)來估測剩餘放電容量及老化程度，其量測方法如下所述：請參考圖一所示，一電池包(battery pack)包含電池組10、電池管理系統20、充放電電晶體40及電阻50，此電池包對負載30(system load)進行放電，其大小為I_LOAD ，電池組兩端的電壓為V_BAT 。電流流經電阻50，量測電阻50的兩端電壓可以得到I_LOAD 。量測電池組10之開路電壓V_OC ，可以得到電池之直流內阻DCIR=(V_OC -V_BAT )/I_LOAD 。

請參考圖二所示，於放電過程中，當放電深度(DOD：depth of discharge)介於0~80%時，每10%記錄直流內阻R值，當放電深度介於80~100%，每3.3%記錄R值，電流大小對R之影響以百分比補償。其中OCV為電池組之開路電壓，dV為電池之開路電壓減電池組兩端的電壓，亦即V_OC -V_BAT 。

R值儲存表分兩類：(1)Ra Table：沒有溫度修正的R值，(2)Rb Table：經過溫度修正的R值。

然而此德州儀器(TI)使用的方法是基於系統負載電流I_LOAD 來得到的直流內阻的量測技術，但因系統電流I_LOAD 具有變動性與不穩定性，採用此方法所得的資料複雜不易分析得到準確的結果。

有鑑於此，本發明提供一種以固定放電電流所量得之電池直流內阻，以量測電池電量的方法。

本發明係關於一種電池電容量的量測方法。特別是有關於建立一固定電流的放電迴路，所量測直流內阻DCIR來得到鋰電池電容量的方法，可免除系統負載變動造成的量測誤差。

首先量測電池之開路電壓V_OC ，然後在電池模組中建立一個放電迴路，使鋰電池的放電電流為一固定值I_BAT ，量測當時電池兩端的電壓V_BAT ，將V_OC 、I_BAT 及V_BAT 代入下列直流內阻公式DCIR=(V_OC -V_BAT )/I_BAT 。

將一新的鋰電池充電充飽，使用上述方法量得一充飽電池之固定電流內阻DCIR，用一定額電流將此電池放電到一截止電壓，依此量測此電池之全充容量FCC(Full charge capacity)。重複循環充放電過程，每完全充放電一定次數後量測記錄此充飽電池之固定電流內阻DCIR及全充容量FCC，因此建立充飽鋰電池之固定電流內阻和全充容量對應於充放電次數之表格，此為第一表格。

接下來再拿一顆新的鋰電池充飽，量測其固定電流內阻值DCIR，查第一表格得知此電池之全充容量FCC。接著以一定額度電流每放電10%之FCC值，記錄一次電池之固定電流內阻DCIR，一直量測到電池電量用完，得到一組電池內阻DCIR對應放電深度DOD(Depth of Discharge)之資料，此為第一資料。接下來將電池完全充放電10次後，重複上述電池內阻DCIR對應放電深度DOD量測步驟，建立一第二資料，如此一直下去每10次完全充放電後建一第三資料列、第四資料列…直到電池老化到不堪使用後停止，匯整上述第一、第二、第三……資料，建立一第二表格。

任一鋰電池，充飽後量得固定電流內阻DCIR，可對應第一表格得到其全充容量，接下來可跟據其在上述第二表格中的對應資料列，在放電過程中只要量得電池內阻DCIR，即可知道其放電深度，進而計算出剩餘電量(1-DOD)。

本發明所採用的量測條件可得到的直流內阻的一致性較高，有助於簡化分析與歸納，對鋰電池剩餘可使用之放電容量以及老化程度的估測較準確也較容易。

請參考圖三之電池模組，一電池包(battery pack)包含電池組15、電池管理系統25、充放電電晶體45及電組55，首先量測電池組15之開路電壓V_OC ，接下來利用電阻55量測系統35的電流I_LOAD ，然後在電池模組中，使用電晶體或功率電晶體65建立一個放電迴路。該放電回路為該電池組之放電端連接至該電晶體或功率電晶體65之一電極，該電晶體之閘極連接至一控制電壓Vin，該電晶體之另外一電極連接至一電流量測電阻55，該電阻55之另外一端連接至該電池組之另一端點，以構成一放電迴路，使得該電池組有一該放電電流I_BAT 。

電晶體之閘極Vin可以以單位脈衝偏壓控制而得到固定電流值，其電流為I_PD ，因而使得鋰電池的放電電流為一固定值I_BAT ，I_BAT 不隨著系統負載變動，如圖四所示，並且同時量測當時電池兩端的電壓V_BAT ，接著將V_OC 、I_BAT 及V_BAT 代入下列直流內阻公式DCIR=(V_OC -V_BAT )/I_BAT ，以求得一固定電流下之電池直流內阻值。

接著將一新的鋰電池充電充飽，使用上述方法量得一充飽電池之固定電流內阻DCIR，並用一定額電流I_DISC 將此電池放電直到一截止電壓，紀錄放電時間T_DISC ，將電流I_DISC 乘以放電時間T_DISC 得此電池之全充容量FCC(Full charge capacity)=I_DISC x T_DISC 。

如上述步驟重複循環充放電過程，每完全充放電一些次數後量測記錄此充飽電池之固定電流內阻DCIR及全充容量FCC，根據此資料建立充飽鋰電池之固定電流內阻DCIR和全充容量FCC對應於充放電次數之表格，如下表所示，此為第一表格：

將此第一表格之資料繪成圖表，如圖五所示。

接下來再拿一顆新的鋰電池充飽，量測其固定電流內阻DCIR，查上述第一表格得知此電池之全充容量FCC。接著以一定額電流放電，每放電10%之FCC電量，記錄一次電池之固定電流內阻DCIR，如此一直放電直到一截止電壓，得到一組電池內阻對應放電深度DOD(Depth of Discharge)之資料，此為第一資料，如下表所示：

將上表之資料繪成圖表，如圖六所示。

接下來將電池完全充放電10次後，重複上述電池內阻DCIR對應放電深度DOD量測步驟，建立一第二資料，如此一直下去每10次完全充放電後建一第三資料、第四資料…直到電池老化到不堪使用後停止，匯整上述第一、第二、第三……資料，建立一第二表格。

任一鋰電池，充飽後量得固定電流內阻DCIR，可對應第一表格得到其全充容量FCC，接下來亦可找到其在上述第二表格中的對應資料列，所以在放電過程中只要量得電池內阻DCIR，即可知道其放電深度DOD，進而計算出剩餘電量(1-DOD)。

本發明有以下優點：

1.對電池施以一固定且較大的放電電流，使得直流電阻的量測可以容易獲得，且每次的量測的條件相同，有助於簡化計算法則。

2.當電池被充飽電時施以此固定且穩定的放電電流使得直流電阻的量測可以容易獲得，且查表即可得到電池之全充容量。

3.可以以較大的放電電流量I_BAT 量測電池內阻，得到較穩定之電池內阻DCIR。一般消費性電子產品的耗電流約為電池額定容量的25%以下，採用系統動態放電電流I_LOAD 因電流較小，所進行直流內阻量測之誤差較大。由DCIR之計算式可知，當電池內阻不變時，電流愈小I_LOAD ，所得到的電壓差愈小(V_OC -V_BAT )。

本發明之電流值可以穩定的達到電池額定容量的100%~150%，可比使用系統動態放電電流的方法得到4~6倍的準確度。一般4000mAh的電池，採用約4A~6A的放電電流。

4.DCIR放電電流的時間可控制，因此不會造成電池的負擔，不會造成功率晶體過熱。假設電池容量是4000mAh，DCIR量測時間T1=0.1sec，若每次放電間隔時間T2=600sec，I_BAT =4000mA，.則實施本發明將消耗0.016%的電容量。並不會造成使用者負擔。

其計算如下：0.1sec/600sec x 4000/4000=0.016%

5.可隨著使用者使用電池的習慣動態調整放電週期，以得到較準確的直流電阻。

6.越大的放電電流量測的直流內阻阻值與電池全充容量的關係越線性，採用本發明的直流內阻數據較具線性，有利於鋰電池特性之分析，較易估測出鋰電池剩餘可使用之放電容量及老化程度。因曲線較為線性，其運算法則較單純，於放電過程中，當放電深度(DOD)介於0~90%時，每10%記錄R值即可。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述申請專利範圍內。

10、15．．．電池組

20、25．．．電池管理系統

30、35．．．系統負載

40、45．．．充放電電晶體

50、55．．．電阻

65．．．放電電晶體

藉由以下詳細之描述結合所附圖式，將可輕易明瞭上述內容及此項發明之諸多優點，其中：

圖一為係為習知電池內阻量測示意圖。

圖二為係為習知電池內阻對應放電深度DOD之量測資料示意圖。

圖三為係為本發明電池直流內阻量測一較佳實施例示意圖。

圖四為係為本發明之電池固定放電電流示意圖。

圖五為本發明之充飽鋰電池固定電流內阻DCIR和全充容量FCC對應於充放電次數之第一圖表。

圖六為本發明之電池內阻對應放電深度DOD(Depth of Discharge)之圖表。

15．．．電池組

25．．．電池管理系統

35．．．系統負載

45．．．充放電電晶體

55．．．電阻

65．．．放電電晶體

Claims

一種量測電池包內電池組之直流內阻DCIR的方法，該方法至少包含下列步驟：該電池包內包含一電池管理系統，且該電池管理系統內包含一放電回路，該放電回路為該電池組之放電端連接至一電晶體或功率電晶體之一電極，該電晶體之閘極連接至一控制電壓，該電晶體之另外一電極連接至一電流量測電阻，該電阻之另外一端連接至該電池組之另一端點，以構成一放電迴路，使得當該控制電壓是固定的單位脈衝電壓值時該電池組有一固定單位脈衝放電電流I_BAT ；量測該電池組之開路電壓V_OC ；啟動該放電回路，使得該電池組之放電電流為一固定值I_BAT ；量測電池組兩端的電壓V_BAT ；及將V_OC 、I_BAT 及V_BAT 代入下列公式DCIR=(V_OC -V_BAT )/I_BAT ，求得一固定電流下之直流內阻DCIR。
一種量測電池包內電池組之直流內阻DCIR的方法，該方法至少包含下列步驟：該電池包內包含一電池管理系統，且該電池管理系統內包含一放電回路；量測該電池組之開路電壓V_OC ；將該電池包電池輸出兩端連接一負載；量測負載電流I_LOAD ；啟動該放電回路放電I_PD ，設定I_PD 使得電池組之放電電流I_BAT 之大小為一固定值該負載電流I_LOAD 變大時，該放電回路放電I_PD 變小，其中，該負載電流I_LOAD 變小時，該放電回路放電I_PD 變大，以使得I_BAT 之大小為一固定值。；量測電池兩端的電壓V_BAT ；及將V_OC 、I_BAT 及V_BAT 代入下列公式DCIR=(V_OC -V_BAT )/I_BAT ，求得一固定電流下之直流內阻DCIR。
如申請專利範圍第2項之直流內阻DCIR量測方法，該放電回路為該電池組之放電端連接至一電晶體或功率電晶體之一電極，該電晶體之閘極連接至一控制電壓，該電晶體之另外一電極連接至一電流量測電阻，該電阻之另外一端連接至該電池組之另一端點，以構成一放電迴路，使得該電池組有一該放電電流I_BAT 。
一種採用固定電流直流內阻DCIR量測鋰電池包內電池組之全充容量FCC(Full Charge Capacity)的方法，該方法至少包含下列步驟：建立一充飽鋰電池之直流內阻DCIR及全充容量FCC對應於充放電次數之第一圖表；取得一待測鋰電池，將其充飽電；量測該鋰電之直流內阻DCIR；及使用上述之第一圖表，利用量得之直流內阻DCIR，查得到其全充容量FCC。
如申請專利範圍第4項之量測鋰電池包電池組之全充容量FCC的方法，其中上述第一圖表之取得，至少包含下列步驟：a.取得一顆新的鋰電池；b.將此電池充飽電；c.量測該充飽電池之直流內阻DCIR並記錄之；d.使用一定額電流I_BAT1 將該電池完全放電到達截止電壓後停止，記錄該電池放電時間T_DISC ，將電流I_BAT1 乘以放電時間T_DISC ，得該電池之充全充容量FCC=I_BAT1 x T_DISC 並記錄之；及e.重複上述b.c.d之步驟，一直重複到第一預定次數後停止，將記錄之資料建立一充飽鋰電池之直流內阻DCIR及全充容量FCC對應於充放電次數之圖表。
如申請專利範圍第5項之量測鋰電池包內電池組之直流內阻DCIR的方法，該方法至少包含下列步驟：該電池包內包含一電池管理系統，且該電池管理系統內包含一放電回路；取得一待測鋰電池，將該電池充飽；量測該電池組之開路電壓V_OC ；啟動該放電回路，使得該電池組之放電電流為一固定值I_BAT ；量測電池組兩端的電壓V_BAT ；及將V_OC 、I_BAT 及V_BAT 代入下列公式DCIR=(V_OC -V_BAT )/I_BAT ，求得一固定電流下之充飽鋰電池之直流內阻DCIR。
如申請專利範圍第5項之量測鋰電池包全充容量FCC的方法，其中上述之第一預定次數為介於200到2000次之間。
一種採用固定電流直流內阻DCIR量測鋰電池包剩餘電量的方法，該方法至少包含下列步驟：提供一充飽鋰電池之直流內阻DCIR及全充容量FCC對應於充放電次數之第一圖表；提供一鋰電池直流內阻DCIR與鋰電池放電深度之第二圖表；取得一待測鋰電池，將該電池充飽；量取該充飽電池之內阻值DCIR；使用第一圖表得到該電池之全充容量FCC；利用所得到之全充容量FCC，查得在該第二圖表中的對應資料列；將該電池放電；量測該電池之直流內阻DCIR；及利用所得到之直流內阻DCIR及在該第二圖表中的對應資料列，即可知道該電池之放電深度，進而計算出剩餘電量(1-DOD)。
如申請專利範圍第8項之量測鋰電池包剩餘電量的方法，該上述之第二圖表之建立，至少包含下列步驟：a.取得一待測鋰電池；b.將該電池充飽；c.量測該充飽電池之直流內阻DCIR； d.利用該直流內阻DCIR及該第一圖表得該電池之全充容量FCC；e.將該電池以一第一固定電流放電，每放電10%之FCC電量，記錄一次該電池之直流內阻DCIR，一直量測到電池到達截止電壓後停止，得到一組直流內阻DCIR對應放電深度DOD(Depth of Discharge)之資料；f.將該電池完全充放電第二預定次數後，重複上述直流內阻DCIR對應放電深度DOD之量測步驟b.c.d.e，建立一第二資料，每完全充放電第二預定次數後，重複上述b.c.d.e步驟建一新資料，直到該電池總共完全充放電達到第三預定次數後停止；及g.匯整上述第一、第二、第三……資料，建立一第二圖表。
如申請專利範圍第9項之量測鋰電池包剩餘電量的方法，該上述之第一圖表之建立，至少包含下列步驟：a.取得一顆新的鋰電池；b.將此電池充飽電；c.量測該充飽電池之直流內阻DCIR並記錄之；d.使用一定額電流I_BAT1 將該電池完全放電到達截止電壓後停止，記錄該電池放電時間T_DISC ，將電流I_BAT1 乘以放電時間T_DISC ，得該電池之充全充容量FCC=I_BAT1 x T_DISC 並記錄之；及e.重複上述b.c.d之步驟，一直重複到第一預定次數後停止，將記錄之資料建立一充飽鋰電池之直流內阻DCIR及全充容量FCC對應於充放電次數之圖表。
如申請專利範圍第10項之量測鋰電池包剩餘電量的方法，該直流內阻DCIR的量測方法至少包含下列步驟：該電池包內包含一電池管理系統，且該電池管理系統內包含一放電回路；量測該電池組之開路電壓V_OC ；啟動該放電回路，使得該電池組之放電電流為一固定值I_BAT ；量測電池組兩端的電壓V_BAT ；及將V_OC 、I_BAT 及V_BAT 代入下列公式DCIR=(V_OC -V_BAT )/I_BAT ，求得一固定電流下之電池內阻值DCIR。
如申請專利範圍第9項之量測鋰電池剩餘電量的方法，其中上述之第二預定次數為介於1到100次之間。
如申請專利範圍第9項之量測鋰電池剩餘電量的方法，其中上述之第三預定次數為介於200到2000次之間。