3C與電動車輛之高精度電量估測技術簡介

刊登日期:2012/3/20
  • 字級

電池管理系統(Battery Management System; BMS)初始需求是防止鋰電池過充電或過熱造成起火爆炸,同時也避免過放電造成電池永久性失效。隨著電池製造、電子技術的提升,以鋰電池為供電來源的可攜式電子產品也出現爆發性的成長,BMS 此時最主要的功能就是估測電池目前電量狀態,一般稱為電荷狀態(State of Charge; SOC)或剩餘電量(Remaining Capacity; RC),兩者主要的差異是SOC 會將剩餘電量(Ah)轉換成0~100% 的表示方式,目的是讓使用者預測操作時間、行駛公里數或決定充電的時機。然而以手機、數位相機為主的3C產品大多以SOC 來表示殘電量,且電量計大多以3~4 格刻度來顯示剩餘電量,以3 格的電量計來看,允許的電量誤差範圍約在33% ,而4 格則允許電量誤差約在25% ,大多數的產品均採用開路電壓查表法進行電量估測,主要的優勢就是幾乎不需要外加任何成本。

在電動汽機車的應用中,消費者對交通工具的汰換率大約在10~15 年,且依照目前電動汽機車的性能與電池容量來看,電動機車續航力約30~40 km ,相當於僅30~80分鐘的使用時間,再加上騎乘過程中的路況、天候、使用者習慣等都會影響最後實際行走的公里數。

決定電動車使用者感受能否與汽油車相匹敵的關鍵因素在於電池的價格、安全性、可靠度、性能表現等,因此國內外企業紛紛投入研發更安全、低成本的電池材料,而車用電池模組與BMS 的發展也是朝如何協助電池發揮最佳的性能、延長壽命、提升可靠度等方向前進。

電池常用的殘電量估測方法
目前市面上所見的殘電量估測大多以百分比的方式顯示電量狀態,例如完成充電時, SOC 電量顯示為100% ,當電量耗盡時, SOC 顯示0% 。上述的電量表示方法並無法顯示電池老化資訊,即使告知電量剩餘60% ,也可能因為電池的溫度、放電電流的大小,使剩餘電量僅可釋放40% ,而有20% 的電量無法使用。因此,單純以SOC = 0~100% 的方式做為電量顯示的方式其實是將許多資訊混雜在一起, 1. 電壓查表法
電壓查表法(OCV Lookup Table)中所提的電壓為開路電壓(Open Circuit Voltage; OCV),因此也稱為OCV 查表法。所謂OCV是定義電池在沒有外接任何負載下量測到的電壓。OCV 的基本原理是利用電池正負極材料會因儲存電荷量多寡而影響正負極板電壓的變化,例如日常生活中常用的鹼性電池,滿電量約對應1.5V 的開路電壓,當電池處於沒電的狀態時,約對應1.0V 的開路電壓,因此找出OCV 與容量之間的關係,就可以利用OCV 取得電池目前的電量值。


圖二、
電池開路電壓對應殘電量之特性曲線

2. 電量積分法
電量積分法又稱為庫侖積分法(Coulomb Counting Method),是另一直覺性的估測殘電量的方式,也就是將電流與時間累計之後,就可取得電池在使用狀態下已經消耗或補充的電量。舉例來說,以1 安培的定電流持續放電1 小時,則在1 小時內累積的放電容量就是將電流與時間乘積後的結果,即1 安培小時(Ah),依此類推,如果電池在完全充飽之後有10 Ah 的電量,假設放電過程中的電流忽大忽小變化與時間的關係都可以被精確累計,最後總計放電過程消耗了6 Ah ,那麼剩餘電量就是4 Ah(10 Ah 的全容量扣除已消耗的6 Ah)。因此,電量積分的關鍵技術之一,就是能夠量測準確的電流與時間的硬體電路。除此之外,電量積分法不會發生電壓查表法在電流忽大忽小時導致電壓劇烈變化,以致於SOC 也劇烈變化的現象。


圖四、Impedance Track 內阻追蹤修正示意圖

工研院的專利電量估測技術
材化所在高精度殘電量估測技術上除了搭配電壓查表法與電量積分法互補的特性外,同時還考慮電動汽機車的使用情境與車用電池的特性,開發出電池特性追蹤之電量估測演算法,此演算法具備以下優點:1. 使用現有BMS 的電壓、電流、溫度與電量積分等現有功能,不需增加額外硬體電路;2. 具備開路電壓表的追蹤修正機制,在日常使用過程中會持續偵測老化容量、修正剩餘電量,並在電量顯示計上標示電池目前已經老化的電量與重新計算剩餘電量的估測值。因此,即使電池容量已經老化30% 以上,本演算法估測的殘電量最大誤差仍可保持在設定範圍內,不會發生電池老化而導致殘電量誤差逐漸擴大的問題。而誤差的設定範圍與量測硬體電路的解析度有直接的關係,若殘電量誤差範圍期望值為小於5% ,相當於電量積分、電壓量測電路度等硬體誤差必須控制在2~3% 以內……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:劉秋昱、杜衍輝、許盈皓、周崇仁、孫建中、凌守弘 / 工研院材化所 
★本文節錄自「工業材料雜誌303期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10107


分享
為此篇文章評分

相關廠商