电池设备的放电平衡方法与流程

1.本发明涉及一种电池设备的放电平衡方法，有利于增加电池模块可提供的电量及使用寿命。


背景技术：

2.二次电池主要包括镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池、锂高分子电池。锂电池具有能量密度高、操作电压高、使用温度范围大、无记忆效应、寿命长、可历经多次充放电等优点，并被广泛的使用在可携式电子产品如手机、笔记本电脑、数字相机等，近年来更扩及汽车领域。
3.电池芯(cel l)的构造主要包括正极材料、电解液、负极材料、隔离层及壳体，其中隔离膜将正极材料及负极材料隔开以避免短路，而电解液则设置在多孔隙的隔离膜中，并作为离子电荷的传导工作。壳体用以包覆上述的正极材料、隔离膜、电解液及负极材料，一般而言壳体通常由金属材质所制成。
4.在使用时会通过电池导电架串联及/或并联多个电池芯以形成电池模块，使得电池模块可输出产品需要的工作电压。
5.电池模块在充电及放电的过程中，电池模块的多个电池芯之间的温度会产生差异，并导致各个电池芯的老化程度不同。例如温度高的电池芯的老化程度会大于温度低的电池芯。整个电池模块的放电截止条件，将会以电池模块中最快放完电的电池芯作为基准。换言之，当电池模块中的各个电池芯老化程度的差异越大时，电池模块的放电效率就会越低。
6.为了延长电池模块的使用寿命，目前会对电池模块内的电池芯进行平衡管理，例如在电池满充的情况下，通过电池管理系统(battery management system，bms)的电池芯平衡机制(battery balancing algorithm)，让各个电池的断路电压(open-circuit voltage)保持相同。


技术实现要素：

7.发明人认为目前对电池模块进行的平衡管理机制，通常着重在电池模块的充电过程与电池芯之平衡机制。但这些方法并不能解决电池模块的各个电池区块及/或电池芯的老化不平衡问题。为了进一步提高电池模块的寿命及效能，本发明提出一种电池设备的放电平衡方法，电池设备的电池模块包括多个并联的电池区块，其中各个电池区块包括多个串联的电池芯。在电池模块放电过程中，监控各个电池区块的各个电池芯的相关数据，并推算出各个电池区块及/或各个电池芯的效能、老化程度及/或电池容量。而后再依据推算出来的结果，调整各个电池区块的放电比例或放电量，以利于增加电池模块的总放电量及使用寿命。
8.本发明的一目的，在于提供一种电池设备的放电平衡方法，其中电池模块包括多个电池区块的并联。处理器包括输入端及输出端。处理器通过输入端连接各个电池区块的
各个电池芯，并用以侦测各个电池芯的工作状态。此外，处理器可经由输出端输出控制信号，分别控制各个电池区块的放电，以改变在电池模块放电的过程中各个电池区块的放电比例。
9.具体而言，于电池模块完全放电之后，依据放电过程的系统参数与时间的关系，评估各个电池区块的老化程度。而后依据各个电池区块的老化程度，分别调整电池模块中各个电池区块的放电比例或放电量，以期使电池模块的放电量能最大化。
10.本发明的一目的，在于提供一种电池设备的放电平衡方法，于电池模块到达完全放电时，分别取得各个电池区块中最小的电池芯电压，以分别产生多个截止电池芯电压，其中各个截止电池芯电压分别对应各个电池区块。而后依据各个截止电池芯电压及其中最小的截止电池芯电压计算出暂时调整参数，并依据暂时调整参数调整各个电池区块下一次的放电比例，以平衡各个电池区块的老化程度，并延长电池模块的使用寿命。
11.为了达到上述的目的，本发明提出一种电池设备的放电平衡方法，电池设备包括电池模块，其中电池模块包括多个并联的电池区块，且各个电池区块包括多个串联的电池芯，包括：电池模块进行放电；测量各个电池区块的各个电池芯的电压，并产生多个电池芯电压；多个电池芯电压的其中至少一个达到放电截止电压；分别取得各个电池区块中最小的电池芯电压，并分别产生多个截止电池芯电压；及依据多个截止电池芯电压，在电池模块下一次放电的过程中，调整各个电池区块的放电比例。
12.优选地，多个电池区块分别具有相同数量的电池芯，且电池区块及截止电池芯电压的数量相同。
13.优选地，多个电池芯电压的其中至少一个达到放电截止电压时，将电池模块定义为完全放电。
14.进一步地，电池设备的放电平衡方法还包括：排序各个电池区块的多个电池芯电压，以取得各个电池区块的截止电池芯电压。
15.进一步地，电池设备的放电平衡方法还包括依据各个电池区块本次的放电比例及截止电池芯电压，分别计算出各个电池区块下一次的放电比例。
16.进一步地，电池设备的放电平衡方法还包括：排序各个截止电池芯电压，并产生最小截止电池芯电压；依据各个截止电池芯电压及最小截止电池芯电压，分别计算出各个电池区块的暂时调整参数；及依据各个电池区块的暂时调整参数，计算出各个电池区块下一次的放电比例。
17.进一步地，电池设备的放电平衡方法还包括依据各个电池区块本次的放电比例、各个截止电池芯电压及最小截止电池芯电压，分别计算出各个电池区块的暂时调整参数。
18.进一步地，电池设备的放电平衡方法还包括对各个电池区块的暂时调整参数分别进行正规化，以取得各个电池区块下一次的放电比例。
19.进一步地，电池设备的放电平衡方法还包括通过处理器测量各个电池芯的电压，并产生多个电池芯电压；及处理器比对各个电池芯电压是否大于放电截止电压。
20.进一步地，电池设备的放电平衡方法还包括：处理器判断多个电池芯电压的其中至少一个达到放电截止电压；处理器排序各个截止电池芯电压，并产生最小截止电池芯电压；处理器依据各个截止电池芯电压及最小截止电池芯电压，计算出各个电池区块在下一次放电过程中的放电比例；及处理器依据各个电池区块的放电比例，分别经由控制电路控
制各个电池区块进行放电。
附图说明
21.图1是本发明电池设备的实施例的方块连接示意图。
22.图2是本发明电池设备的放电平衡方法实施例的步骤流程图。
23.图3是未使用本发明及使用本发明的放电平衡方法的放电时间关系图。
24.附图标记说明：
25.10:电池设备
26.11:电池模块
27.110:电池区块
28.111:第一电池区块
29.1111:电池芯
30.113:第二电池区块
31.115:第三电池区块
32.13:处理器
33.131:输入端
34.133:输出端
35.15:负载
36.17:控制电路
具体实施方式
37.请参阅图1及图2，分别是本发明电池设备的实施例的方块连接示意图及放电平衡方法实施例的步骤流程图。如图1所示，电池设备10包括电池模块11及处理器13，例如处理器13可以是电池管理系统(battery management system，bms)，其中电池模块11连接一负载(electrical load)15，并用以向负载15提供能量。
38.电池模块11可包括多个电池区块110，其中各个电池区块110彼此并联。各个电池区块110包括至少一个电池芯1111或多个电池芯1111的串联。各个电池区块110具有相同数量的电池芯1111，使得各个电池区块110具有相近的电压。本发明所述的电池芯1111是二次电池，可多次进行充电及放电，例如电池芯1111是锂离子电池。
39.在本发明一实施例中，处理器13可包括输入端131及输出端133。处理器13的输入端131电性连接电池区块110的各个电池芯1111，并经由输入端131侦测各个电池芯1111的工作状态，例如电压、电流及温度等。处理器13的输出端133则经由多个控制电路17分别连接各个电池区块110，并由输出端133向各个控制电路17输出控制信号，例如控制电路17可能包括多个切换开关及控制单元。
40.为了说明的便利性，本发明实施例包括三个并联的电池区块110及三个控制电路17，例如第一电池区块111、第二电池区块113及第三电池区块115彼此并联，但在实际应用时电池区块110的数量可为两个或三个以上。各个电池区块110分别连接控制电路17。当电池设备10进行放电的时候，处理器13可经由各个控制电路17分别控制各个电池区块110的放电比例。
41.处理器13电性连接各个电池区块110及各个电池芯1111，并分别控制各个电池区块110及/或各个电池芯1111进行充电或放电。在实际应用时，本发明技术领域中具通常知识者可依据本发明的放电平衡方法设计处理器13及控制电路17，在此便不详述处理器13及控制电路17的详细电路构造，其中处理器13及控制电路17的电路构造亦非本发明保护范围的限制。
42.电池模块11可连接至少一负载15，例如负载15可能包括服务器、引擎、计算机、灯泡、音响等，处理器13用以控制电池模块11进行放电，并对负载15进行放电以提供电力至负载15，使得负载15可以正常运作，如步骤21所示。
43.在电池模块11放电的过程中，处理器13会持续测量各个电池区块110内的各个电池芯1111的电压，并产生多个电池芯电压，如步骤23所示，例如处理器13可经由输入端131测量各个电池芯1111的电压。在实际应用时，处理器13亦可用以测量各个电池芯1111的电流及温度。
44.一般而言，当电池模块11的其中至少一个电池芯电压到达(例如小于或等于)放电截止电压(cut-off discharge voltage)时，可将电池模块11定义为完全放电，如步骤25所示。具体而言，放电截止电压是人为定义的电压，会因为电池的种类、放电条件而有所不同，例如磷酸锂铁锂离子电池的最低放电电压通常不会低于2.0v，例如三元锂离子电池的最低放电电压通常不会低于2.5v。
45.放电截止电压的定义主要是为了保护电池模块11及电池芯1111，避免电池模块11及电池芯1111过度放电，而造成永久性的损害。换言之，当电池芯电压小于或等于放电截止电压时，并不表示电池模块11就不能继续放电。电池模块11完全放电后，便需要进行充电才能继续使用。
46.在理想状态下，电池模块11在放电的过程中，各个并联的电池区块110理论上会提供相同的电量给负载15。当电池模块11完全放电时，各个并联的电池区块110的电压也应该会相同。
47.但在实际的状况下，电池区块110内的各个电池芯1111的制程可能会有差异，使得出厂后的各个电池芯1111的电池容量、额定电压、开路电压及/或开路电压具有微小的差异。
48.此外，即便假设出厂后的各个电池芯1111的规格完全相同，但在经过一段时间的使用后，例如多次的充电或放电，各个电池芯1111的老化程度将会有所不同，使得各个电池芯1111的电池容量、额定电压、开路电压及/或开路电压产生差异，而包括一个电池芯1111或多个电池芯1111串联的电池区块110的容量或电压当然亦会产生差异。
49.具体而言，电池模块11在充电或放电的过程中，各个电池区块110及/或电池芯1111的温度会产生差异，并造成各个电池区块110及/或电池芯1111的老化程度不同，例如长时间处在操作温度较高的电池区块110及/或电池芯1111的老化速度较快。
50.因应各个电池区块110的老化程度不同，可通过处理器13对各个电池区块110及/或各个电池芯1111进行充电平衡管理，使得电池模块11在完成充电时，例如完全充电，电池模块11内的各个电池区块110及/或各个电池芯1111亦完全充电，并使得各个电池区块110及/或电池芯1111具有相同的断路电压。
51.在本发明一实施例中，可假设第一电池区块111的温度小于第二电池区块113，而
第二电池区块113的温度小于第三电池区块115，其中温度最高的第三电池区块115的老化程度会比第二电池区块113及第一电池区块111快，造成第三电池区块115的容量小于第二电池区块113及第一电池区块111。例如在经过多次的充电及放电后，第一电池区块111的容量是1063mah、第二电池区块113的容量是1039mah，而第三电池区块115的容量是851mah。
52.在未采用本发明所述的放电平衡方法的情况下，电池模块11放电的过程中，第一电池区块111、第二电池区块113及第三电池区块115的比例放电相同，则在第三电池区块115的电量消耗完毕之后，例如第三电池区块115内的其中一个电池芯1111的电池芯电压小于放电截止电压，电池模块11便会被判断为完全放电，而无法提供能量给负载15。
53.此时第一电池区块111及第二电池区块113仍未消耗完毕，造成第一电池区块111及第二电池区块113的残余电量无法被使用，例如第一电池区块111及第二电池区块113分别残余212mah及188mah的电量，并将会降低电池模块11所能提供的总电量。
54.为此本发明提出一种放电平衡方法，主要因应各个电池区块110及/或各个电池芯1111的工作状态或老化程度不同，通过处理器13及控制电路17对各个电池区块110及/或各个电池芯1111进行放电平衡管理。处理器13会依据电池模块11中各个电池区块110的效能，经由输出端133传输控制信号给各个控制电路17，而各个控制电路17则会依据接收的控制信号，调整各个电池区块110的放电比例，以使得电池模块11可以提供更多的电量，并有利于延长电池模块11的使用寿命。
55.在本发明一实施例中，假设第一电池区块111的容量大于第二电池区块113，而第二电池区块113的容量大于第三电池区块115。在电池模块11放电的过程中，处理器13可用以控制各个电池区块110，使得第一电池区块111的放电比例或放电量大于第二电池区块113，而第二电池区块113的放电比例或放电量则大于第三电池区块115，并使得第一电池区块111、第二电池区块113及第三电池区块115可同时或于相近的时间达到完全放电。
56.在电池模块11完全放电时，例如电池模块11中其中至少一个电池芯1111的电池芯电压小于放电截止电压时，分别取得各个电池区块110中最小的电池芯电压，并产生多个截止电池芯电压vj(k)，其中各个截止电池芯电压vj(k)分别对应各个电池区块110，如步骤27所示。其中j代表电池区块的编号，k代表放电的次数。
57.在实际应用时，处理器13会持续监控各个电池区块110的各个电池芯1111的使用状态，并得知各个电池芯1111的电池芯电压，例如处理器13会经由输入端131接受各个电池芯1111的电压、电流及温度。而后处理器13可进一步比对各个电池芯电压是否大于放电截止电压，以判断电池模块11是否完全放电。
58.在本发明一实施例中，当处理器13经由输入端131得知其中一个电池芯1111的电池芯电压小于放电截止电压时，处理器13会分别对各个电池区块110的各个电池芯电压进行排序，以分别得知各个电池区块110中最小的电池芯电压，并产生多个截止电池芯电压vj(k)截止电池芯电压vj(k)。具体而言，截止电池芯电压vj(k)的数量会等于电池区块110的数量。
59.而后，处理器13会依据各个截止电池芯电压vj(k)，在电池模块11下一次放电的过程中，调整各个电池区块110的放电比例或放电量，如步骤29所示。例如处理器13可进一步排序各个截止电池芯电压vj(k)，并从中找出最小的截止电池芯电压vj(k)，以产生最小截止电池芯电压vmin(k)。而后依据各个截止电池芯电压vj(k)及最小截止电池芯电压vmin
(k)，计算出各个电池区块110在下一次放电过程中的放电比例。
60.在实际应用时，处理器13可通过输入端131侦测各个电池区块110的各个电池芯1111的电压、电流、温度及其随时间的变化，并通过控制电路17来控制各个电池区块110的放电比例。具体而言，处理器13可依据各个电池区块110本次的放电比例、完全放电时的截止电池芯电压vj(k)及最小截止电池芯电压vmin(k)，计算出各个电池区块110下一次的放电比例。
61.在本发明一实施例中，假设电池模块11完全放电之后，第一电池区块111的截止电池芯电压v1(k)大于第二电池区块113的截止电池芯电压v2(k)，而第二电池区块113的截止电池芯电压v2(k)大于第三电池区块115的截止电池芯电压v3(k)。
62.当电池模块11完全放电后，可对电池模块11充电，例如将电池模块11充电至完全充电。在电池模块11充电完成，并进行下一次放电的过程中，处理器13会控制各个电池区块110的放电比例，例如使得第一电池区块111的放电比例或放电量大于第二电池区块113，而第二电池区块113的放电比例或放电量则大于第三电池区块115。
63.在本发明一实施例中，j用来编号电池区块110，k用来编号第k次的放电，pj(k)代表第j个电池区块110的第k次的放电比例，其中所有电池区块110的放电比例的总合是1或100％。在第k次的放电过程中，处理器13会依据pj(k)的放电比例，经由输出端133传送控制信号给各个控制电路17来控制各个电池区块110的放电比例。
64.电池模块11在第k次完全放电的时候，处理器13测量的第j个电池区块110的截止电池芯电压是vj(k)，并得知所有的截止电池芯电压vj(k)中最小截止电池芯电压是vmin(k)。
65.依据各个截止电池芯电压vj(k)、最小截止电池芯电压vmin(k)及本次的放电比例pj(k)，计算出各个电池区块110的暂时调整参数aj(k)，其中每个电池区块110都可以得到一个暂时调整参数
66.aj(k)＝pj(k) g*[vj(k)-vmin(k)]
…
表达式(a)，
[0067]
其中修正值g是一个固定的比值。
[0068]
而后依据各个电池区块110本次的暂时调整参数aj(k)，计算出各个电池区块110下一次的放电比例pj(k 1)。在本发明一实施例中，下一次(k 1)次放电过程中，第j个电池区块110的放电比例将依暂时调整参数aj(k)的比例进行正规化(normalization)，以取得各个电池区块110下一次的放电比例，
[0069]
pj(k 1)＝aj(k)/σaj(k)
…
表达式(b)。
[0070]
例如第一电池区块111在第k次放电的放电比例p1(k)＝0.34，第二电池区块113在第k次放电的放电比例p2(k)＝0.335，第三电池区块111在第k次放电的放电比例p3(k)＝0.325。而电池模块11在第k次完全放电之后，第一电池区块111的截止电池芯电压v1(k)＝3.27v，第二电池区块113的截止电池芯电压v2(k)＝3.09v，第三电池区块115的截止电池芯电压v3(k)＝2.5v。则第k次放电中最小截止电池芯电压vmin(k)＝2.5v。假设修正值g设定为6％，则aj(k)＝pj(k) g
×
[vj(k)-vmin(k)]＝0.34 6％
×
(3.27-2.5)＝0.386。
[0071]
以表达式(a)进行同样的计算，可以得到a2(k)＝0.371及a3(k)＝0.325。而后依照表达式(b)进行正规化计算，可以得到第一电池区块111下一次(第k 1次)的放电比例p1(k 1)＝0.356，第二电池区块113下一次(第k 1次)的放电比例p2(k 1)＝0.343，第三电池区块
115下一次(第k 1次)的放电比例p3(k 1)＝0.301。
[0072]
而后电池模块11进行第k 1次的放电过程中，处理器13可依据计算的放电比例p1(k 1)、p2(k 1)及p3(k 1)，分别控制第一电池区块111、第二电池区块113及第三电池区块115的放电比例。
[0073]
上述的表达式(a)、表达式(b)、截止电池芯电压的值、最小截止电池芯电压的值、放电比例的值、常数的值仅是本发明一说明实施例，并非本发明权利范围的限制。在实际应用时，可调整表达式(a)及/或表达式(b)，以使得电池模块11达到更好的放电平衡效果。
[0074]
在实际应用时，可于电池模块11每一次放电后，计算出各个电池区块110的放电比例，以实时调整并控制各个电池区块110进行放电平衡管理，以平衡各个电池区块110的老化程度，便可延长电池模块11的使用寿命及增加电池模块11所能提供的电量。
[0075]
如图3所示，是以三颗不同老化程度的电池芯为例所做的放电实验。对照组(未使用本发明的放电平衡方法)是把这三颗电池芯串联起来的电池组，用来仿真一般的系统；实验组(使用本发明的放电平衡方法)则是依照本发明的方式，把这三颗电池分成三路并联的电池模块，每一颗电池模拟一个电池区块。放电方式是定功率90w。放电截止电压定为2.5v。实验结果，对照组实现的放电时间是340秒；引用本发明虚线的放电时间则是从起始的323秒，然后经过四次循环(第四次放电)就把系统容量推到399秒。这代表本发明的设计是可以依老化程度去平衡各电池区块的放电容量，并据以提供更多的整体容量。
[0076]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明请求保护的范围，即凡依本发明权利要求所述的形状、构造、特征及精神所为的等同变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求的范围内。