电池管理系统的制作方法

本申请涉及一种电池管理系统，特别涉及一种根据电池放电过程中电池之电压、以及放电时电流与放电实时时间，以决定电池之充放电效能之电池管理系统。

背景技术：

一般而言，电池管理中，电池的健康状态(soh；stateofhealth)、充电状态(soc；stateofcharge)等，为电池的充放电效能中重要指标。然而，传统之电池管理系统，其判断健康状态或充电状态，为根据电池的完全放电过程中所释放的电量，以进行判断。多数电池于实际操作中，完全放电可能导致装置无法操作。此外，完全放电易造成对电池的损坏，对电池本身寿命影响很大，即此次判断之可储存电量，不同于放完电后电池之可储存电量。传统方式常藉由短时间内快速放电，快速放电仍易造成对电池的损坏。此外，快速放电过程中噪声很高，并且放电过程电流大，其中因焦耳效应转成热能的比例高，故可储存电量之感测结果较低。

如此，为安全起见，当根据完全放电之可储存电量，以估计电池之可储存电量时，因所产生之可储存电量非准确值，须乘以一比例而低估其估计值，避免误判导致危险。然而，此安全考虑，却易造成电池的使用寿命被短估而汰换，造成不必要之浪费与环境污染。

另外，传统之电池管理，也常藉由监控电池电压、或电池内电阻之方式，以判断电池的可储存电量。此类判断方式有一基本难题，无论电压或内电阻(内阻抗)，于正常操作的电池中可直接对应于电池的可储存电量，但当电池之充放电处于不正常状态(例如电池有内部结构损坏)，导致储电能力降低时，此时所估算电池的可储存电量不准确。

此外，当电池之充放电效能下降时，可能为组成电池之少部分电池芯效能不佳所造成。其中，电池芯的电连接，可能为串联或并联等。部分电池芯效能不佳，可能造成串联的电池芯不供电、或并联中不佳电池芯吸收大量电量而造成难以蓄饱电。仅因部分电池芯效能不佳，就丢弃整个电池，其十分浪费。若非如此，持续使用失效的电池芯，有时更会造成电池爆裂，十分危险。

有鉴于此，具有实时监控能力且精确判断之电池管理系统，是十分重要的。以及，如何避免部分电池芯失效而丢弃电池所造成的浪费、或造成电池爆裂，亦是十分重要的。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种电池管理系统，根据电池放电过程中电池之电压、以及放电时电流与放电实时时间，以判断定电池之充放电效能之电池管理系统。

本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。就其中一个观点，依据本申请提出的一种电池管理系统，所述电池管理系统包括：一充放电单元，用于对电池进行充放电；一感测单元，于电池放电过程中，感测电池之电压、放电时电流与放电实时时间；以及一计算单元，根据电压、放电时电流与放电实时时间，以决定电池之充放电效能。本申请的一实施例中，根据所述电池之电压、放电时电流、放电实时时间、与溫度，以决定所述电池之充放电效能。

本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在本申请的一实施例中，所述电池之放电为对一外部装置之供电。

在本申请的一实施例中，所述电池之充放电效能，包含：健康状态(soh；stateofhealth)、充电状态(soc；stateofcharge)、或电池寿命(endoflife)。

在本申请的一实施例中，所述电池具有一可储存电量，电池管理系统根据电压、放电时电流与放电实时时间而产生可储存电量。电池管理系统根据可储存电量、放电电时流与放电实时时间而判断充电状态。

在本申请的一实施例中，所述电池包含多个电池芯，各电池芯间为电性连接，例如串联、并联、或串并联。各电池芯分别具有一芯可储存电量，电池管理系统根据电池放电过程中，电池芯之电压、放电时电流与放电实时时间而判断芯可储存电量。

在本申请的一实施例中，所述多个电池芯中包含一较低电量电池芯，较低电量电池芯具有电性邻接之至少一电池芯，其中当较低电量电池芯之芯可储存电量低于一标准值时，电池管理系统不导通较低电量电池芯与电性邻接之至少一电池芯。一实施例中，前述之多个电池芯中又包含至少一可替换电池芯，当较低电量电池芯之芯可储存电量低于标准值时，电池管理系统导通可替换电池芯与前述电性邻接之至少一电池芯。

在本申请的一实施例中，所述电池开始放电至未完全放电之间，电池管理系统根据电压、放电时电流与放电实时时间，而得健康状态与充电状态。

在本申请的一实施例中，所述电池管理系统根据健康状态以及一寿命比例，判断电池寿命。

在本申请的一实施例中，所述电池的正极具有一正极可电储效能，电池的负极具有一负极可电储效能，计算单元又根据可储存电量、正极可电储效能、以及负极可电储效能，判断电池之正极与负极之充放电效能。

在本申请的一实施例中，所述电池又包含一瓦尔堡阻抗。感测单元于电池进行充放电时，又对电池进行该瓦尔堡阻抗的感测。计算单元根据瓦尔堡阻抗，判断电池之藉由扩散之充放电效能。因此，所述电池之隔离膜(separator)与电极之效能，可藉由本申请的技术进行感测与监控。

在本申请的一实施例中，所述感测单元于电池放电过程中，又感测电池之操作温度，计算单元根据该电压、放电时电流、放电实时时间、以及操作温度，以决定电池之充放电效能。

附图说明

图1为范例性的电池管理系统的架构示意图。

图2为范例性的电池中过电位以及电池跨压之关系示意图。

图3为范例性的电池以及其中多个电池芯之示意图。

图4为范例性的瓦尔堡阻抗zw之等校电路之示意图。

图5为范例性的不同操作温度对于电池的可储存电量的影响示意图。

图6a、6b为范例性的不同操作温度对于电池的正负极的电储效能的影响示意图。

图7a、7b为范例性的不同操作温度对于电池瓦尔堡阻抗中电阻与电容之影响示意图。

图8为范例性的不同操作温度对于电池的电极电阻、以及电极到电解液的电阻的影响示意图。

图9为范例性的不同操作温度对于电池的反应速率系数的影响示意图。

图10为范例性的不同操作温度对于不同充放电次数的电池的可储存电量的影响示意图。

图11为范例性的不同充放电次数对电池的可储存电量的影响示意图。

图12、13为范例性的不同充放电次数对电池的正负极的电储效能的影响示意图。

图14为范例性的不同充放电次数对电池的反应速率系数的影响示意图。

图15为范例性的不同充放电次数对电池的电极电阻、以及电极到电解液的电阻的影响示意图。

图16a、16b为范例性的不同充放电次数对电池瓦尔堡阻抗中电阻与电容之影响示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本申请可用以实施的特定实施例。有关本申请之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式之较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本申请不限于此。

为更进一步阐述本申请为达成预定创作目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本申请提出的一种电池管理系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请先参照图1，其显示范例性的电池管理系统100的架构示意图。电池管理系统100，其包含：一充放电单元11，用于对电池bat进行充放电；一感测单元12，于电池放电过程中，感测电池bat之电压、放电时电流与放电实时时间；以及一计算单元13，根据电压、放电时电流与放电实时时间，以决定电池bat之充放电效能。此充放电效能可藉由一讯号形式传送至其他组件或线路，以进行相关之讯号处理；或者传送至充放电单元11，以控制电池bat相关之充放电。例如当电池bat已到达电池寿命(endoflife)时，或电池中部份电池芯的可储存电量过低时，停止充放电，此时使用者可依需要而进行处理(例如进行检查或置换等)。

本申请之特点之一，在于根据电池bat放电过程中电池之电压、以及放电时电流与放电实时时间，就可实时地判断定电池bat之充放电效能。而此充放电效能非如先前技术般之藉由完全放电中电压或电阻所产生之估计值，也不须包含此估计值，而是直接判断电池bat之充放电效能，例如：电池bat之可储存电量(maximumamountofelectrochemicallyactiveioninsidethebattery)。当电池bat为锂电池时，可储存电量为电池内锂离子对应的总储存电量。重要地，根据本申请所产生的可储存电量，为实时判断电池的可储存电量，不需要如先前技术般藉由快速完全放电才能产生，而是根据放电过程中的电池bat之电压、以及放电时电流与放电实时时间，就可产生可储存电量。

本申请所产生的可储存电量，为电池bat正常放电过程中就可判断，不需要如先前技术般藉由快速完全放电才能产生。因此，电池bat之放电可为对一外部装置(图1)之正常供电，而本申请也可同时藉由此正常供电，计算电池bat之可储存电量。

然而，根据图1，根据背景技术，充放电单元11也可对电池bat进行放电控制，例如藉由电池bat之一弱电流放电以判断电池bat之感应电动势(electromotiveforce)(emf，参照图2)，或其他判断开路电压(ocv；opencircuitvoltage)之方式进行感应电动势之感测。重要地，所判断的感应电动势，非横跨电池bat各种内部结构的正确值。

进一步，电池bat之充放电效能，又例如可包含为健康状态(soh；stateofhealth)、充电状态(soc；stateofcharge)、或电池寿命(endoflife)等。健康状态soh，例如为电池bat的可储存电量qm，除以额定储存电量qrat，即soh＝qm/qrat。充电状态soc，例如为可储存电量qm减去放电时电流i与放电实时时间t之相乘值，再除以可储存电量qm，即soc＝(qm-i×t)/qm；其中若放电时电流i非定值，则可藉由积分方式计算充电状态soc。电池寿命(endoflife)则可根据健康状态soh与一寿命比例，进行判断比较。当健康状态soh低于此寿命比例，以判断电池是否已到达其使用寿命，而进行汰换。

前述的寿命比例，于实施时可依需要而设定，例如85％或其他比例，使用者可依需要或电池特性，而决定此寿命比例。前述的电池寿命则可根据健康状态soh与一寿命比例进行判断之方式，此判断方式可依需要而选择其适用方式，例如藉由一比较电路以判断健康状态soh是否低于寿命比例。除此之外，使用者也可依需要而决定其比较方式。

一实施例中，充放电效能可不受限于仅根据可储存电量qm进行判断。例如，充放电效能可根据可储存电量qm、以及电池bat之电压、或电池bat之内电阻(内阻抗)进行判断。例如，根据可储存电量qm以及正或负电极电阻，可进一步以另一种方式判断电池bat之充放电效能，其中可特别考虑充放电中所受到电极电阻的影响。例如，当电极电阻过大，虽可储存电量qm为高效能，但可因不符供电需要而需汰换。更重要地，对汰换电池进行质量不良分析中，常包含进行破坏性测试。电池经此破坏性测试后，结构已损毁，分析数据难以准确。而本申请的检测方式，不需破坏电池bat，就可以进行分析。

图2显示电池bat之放电状态，当电池bat处于放电中间阶段(例如200至4000秒、或其他放电阶段)，电池bat的过电位(overpotential)η，与电极电阻re、电极到电解液的电阻rct、可储存电量qm、放电时电流i、以及放电实时时间t之简化关系为：

η(t)＝i×(re+rct+k×qm/(qm-i×t)+zw)

其中k为反应速率系数，代表电极与电解液间接口的转换反应效能。zw为瓦尔堡阻抗(warburgimpedance)，于后续的实施例中进行说明。

电池bat的过电位与时间之微分：

dη/dt＝-i²×k×qm/(qm-i×t)²

一运作良好的电池，其感应电动势emf之斜率较电池跨压之斜率变化低许多(图2)。在一放电过程中的任一阶段，反应速率系数k与可储存电量qm接近于定值，如此可获得电池跨压v与其他参数间之关系式：

dv/dt＝-dη/dt

1/(-dv/dt)^1/2＝1/i×(qm/k)1/2-t/(k×qm)^1/2

根据图式中1/(-dv/dt)1/2与时间的关系，可藉由几个简单步骤就可获得反应速率系数k与可储存电量qm，例如内插法等。取得可储存电量qm，可判断电池bat的健康状态、充电状态、或电池寿命，更可进一步判断其他参数，以判断电池各部分的操作状态。

如此，根据电压、放电时电流与放电实时时间，就可判断电池之充放电效能，即可直接判断反应速率系数k与可储存电量qm。如前所述，当可储存电量qm为已知，电池之充放电效能，例如健康状态(soh；stateofhealth)、充电状态(soc；stateofcharge)、或电池寿命(endoflife)等，都可根据可储存电量qm而产生其数值。如此，本申请提供一种判断电池之充放电效能的简便方式。

此外，电池bat的操作温度会影响可储存电量qm之数值(参照图5、10)。电池管理系统100又可感测操作温度，以判断受操作温度变化影响的可储存电量qm之数值(温度变化时，阻抗re、rct、k、zw等会随之变化)，如此可储存电量qm会随操作温度而变化。后续实施例中，会说明温度对阻抗re、rct、k、zw的影响。其中，电池bat之充放电效能，例如健康状态、充电状态、或电池寿命等，都可根据随操作温度而变化之可储存电量qm而产生其数值。

本申请提供一种判断电池之充放电效能的简便方式，藉由简单的电压、电流与时间的感测，就可以判断可储存电量qm。如此，习知技术中，因焦耳效应造成快速充放电中可储存电量之感测结果较低之困难，故在本申请中，这些困难皆得以克服。

参照图3，一实施例中，电池bat包含多个电池芯batu1、batu2…以及batun，各电池芯间为电性连接，例如串联、并联、或串并联。图式中仅简单示意电池芯batu1、batu2…batun间之电性连接的一实施例，非用于限制本申请实施例中之电性连接。电池芯batu1、batu2…batun分别具有芯可储存电量qmu1、qmu2…qmun，电池管理系统100根据电池bat放电过程中，感测各电池芯batu1、batu2…batun之电压、放电时电流与放电实时时间而判断其对应之芯可储存电量qmu1、qmu2…qmun。

前述的电极电阻re，其主要为电极之内电阻、电池芯之正负极与电池bat之正负极联机的电阻、以及电池bat外部线路与电池芯之正负极联机的电阻所组成。所以，当电极电阻re不正常增加时，其可能为联机接触不佳所造成，藉此可以判断电池芯之正负极与电池bat之正负极的联机、以及电池bat外部线路与电池芯之正负极的联机状态。

一实施例中，当电池芯batu1、batu2…batun中包含一较低电量电池芯，较低电量电池芯具有电性邻接之至少一电池芯，此电性邻接可为串联、并联、或串并联。例如并联之电池芯batu2为较低电量电池芯，其可能会影响电池bat之整体充放电。当电池芯batu2之芯可储存电量qmu2低于一标准值时，电池管理系统100不导通电池芯batu2与电性并联之邻接电池芯，代表电池bat中并联之电池芯batu1、batu2…batun中无电池芯batu2。另一实施例中，电池芯batu1、batu2…batun为串联之电性连接，电池管理系统100不导通电池芯batu2与电性串联之邻接电池芯，代表电池bat中串联之电池芯batu1、batu2…batun中无电池芯batu2。又一实施例中，电池芯batu1、batu2…batun为串并联之电性连接，电池管理系统100不导通电池芯batu2与电性串并联之邻接电池芯，代表电池bat中串并联之电池芯batu1、batu2…batun中无电池芯batu2。此些实施例中，各电池芯batu1、batu2…batun须分别感测其芯可储存电量qmu1、qmu2、qmun，后进行判断电池芯中是否包含一较低电量电池芯。

一实施例中，前述之多个电池芯中又包含至少一可替换电池芯batur，当较低电量电池芯之芯可储存电量低于标准值时，电池管理系统100导通可替换电池芯与前述电性邻接之至少一电池芯。例如前述实施例中，当原先的串联、并联、或串并联之电池芯batu1、batu2…batun中包含较低电量电池芯batu2，且此较低电量电池芯batu2之芯可储存电量qmu2低于标准值时，原先的串联、并联、或串并联之电池芯batu1、batu2…batun置换为串联、并联、或串并联之电池芯batu1、batur…batun。此可替换电池芯batur替换原电池芯batu2于原串联、并联、或串并联之电性连接位置。

前述之实施例，也可类推至电性连接多个电池的管理系统，例如一大范围设置的电池数组。当其中有效能不佳的电池，会影响整体电池数组之效能。藉由对各别电池进行可储存电量判断，以找到效能不佳的电池，并藉由物联网(iot)的技术，可找到此效能不佳电池的个别位置，以方便用户进行置换。

根据前述之本申请实施例，电池bat开始放电至未完全放电之间，可判断电池之健康状态与充电状态。电池管理系统100也可根据各电池芯之芯可储存电量，可判断各电池芯之健康状态与充电状态，更可进行电池内部之电池芯的电性连接置换，而不需要汰换整个电池。

一实施例中，电池bat的正极具有一正极可电储效能qmax+，负极具有一负极可电储效能qmax-，计算单元11又可根据可储存电量qm、正极可电储效能qmax+、以及负极可电储效能qmax-，判断电池之正极与负极之充放电效能。其中

qmax+＝m1×qm

qmax-＝m2×qm

m1与m2分别代表电池正极或负极的电储效能之参数，m1的最佳理论值是1，m2的最佳理论值是0.5。电池管理系统100可根据感测之m1与m2，判断正负极的电储效能。当m1与m2下降时，代表正负极的电储效能下降。

一实施例中，电池bat的过电位η公式如下：

η(t)＝i×(re+rct+k×qm/(qm-i×t)+zw),

其瓦尔堡阻抗(warburgimpedance)zw，公式如下：

参照图4，其中瓦尔堡阻抗zw之等校电路是多个并联的电阻r1…rn与电容cw所形成的串联组。可藉由对瓦尔堡阻抗zw之感测，以判断电池bat之扩散效能。其中，使用者可依据需要决定其中累加之m值。此瓦尔堡阻抗zw为一习知内容，故于此不赘述。前述之k×qm/(qm-i×t)，也可代表电化学反应阻抗(butler–volmerimpedance)zbv，即zbv＝k×qm/(qm-i×t)，代表电子转换到电荷的转换速率。根据公式，可知当放电实时时间越久(时间t越大)，电化学反应阻抗zbv越高。一实施例中，当操作温度越高，反应速率系数k越高，电化学反应阻抗zbv也随之增加。

本申请所提供之技术，除了可实时监控电池的充放电效能外，更具有快速、低成本、放过电程中同步进行感测，以获得各种感测参数之效果。如此，本申请之技术也可快速进行电池bat于不同操作条件下，分析对电池的影响。

参照图5之实施例，其显示不同操作温度，对电池bat的可储存电量qm之影响。根据图标，当温度于一范围(25～55℃)中，温度越高而提升氧化还原反应的效率，可储存电量qm也随之提高。图6a、6b之实施例显示不同操作温度，对电池bat正负极的电储效能之影响，分别以参数m1(正极)、m2(负极)来代表。根据图标，当温度逐渐升高，对正负极的电储效能之影响不大。超过45℃时，参数m1(正极)、m2(负极)皆有较明显地下降。

图7a、7b之实施例显示不同操作温度，对电池bat瓦尔堡阻抗zw中电阻rn与电容cw之影响。根据图标，当温度逐渐升高，离子浓度增加，电阻rn下降，而电容cw正负两极上的离子浓度增加，电容cw增加。

图8之实施例显示不同操作温度，对电池bat的电极电阻re、以及电极到电解液的电阻rct的影响。根据图标，当温度处于一范围(25～45℃)中，电阻re+rct的下降趋势较低。温度高于45℃时，电阻re+rct大幅下降，其主要为电荷转换率增加。图9之实施例显示不同操作温度，对电池bat的反应速率系数k的影响，此反应速率系数k为电极与电解液间接口的反应效能，代表电子转换到电荷的转换速率。根据图标，温度升高时，电极与电解液间接口的反应效能增加。温度高于45℃时，反应速率系数k大幅增加。

图10之实施例，其显示不同操作温度中，不同的充放电次数(cycle1、cycle50…cycle250，分别代表1、50、250次)对电池bat的可储存电量qm之影响。根据图标，无论哪一操作温度，充放电次数增加时，可储存电量qm随之下降。其中，温度高于45℃时，可储存电量qm明显地随温度越高而降低。图11之实施例，其显示不同的充放电次数中，对电池bat的可储存电量qm之影响，其中当充放电次数增加时，可储存电量qm随之下降。

图12、13之实施例，其显示不同的充放电次数中，对电池bat正负极的电储效能m1、m2之影响。根据图示，当充放电次数增加，电储效能m1、m2逐渐下降，其代表充放电次数增加时，正负极可电储效能逐渐下降。

图14之实施例，显示不同的充放电次数中，对电池bat的反应速率系数k的影响。根据图示，充放电次数增加时，反应速率系数k逐渐下降，代表电极与电解液间接口的反应效能逐渐下降。

图15之实施例，显示不同充放电次数中，对电池bat的电极电阻re、以及电极到电解液的电阻rct的影响。根据图示，充放电次数增加时，电阻re+rct逐渐上升。

图16a、16b之实施例，显示不同充放电次数对电池bat瓦尔堡阻抗zw中电阻rn与电容cw之影响。根据图示，当充放电次数增加时，电阻rn上升，而电容cw下降。

如前述可知，本申请之技术可快速判断可储存电量qm，不需破坏电池，就可以提供使用者目前电池bat之充放电效能信息、避免因完全放电(例如，库仑积分法(coulombcountingmethod))导致充放电效能难以精确判断之问题点、以及进行快速充电中充放电效能分析。

“在一实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。

以上所述，仅是本申请具体的实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体的实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。