電池健康狀態估測技術簡介

刊登日期:2015/4/5
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電池的健康狀態( State of Health; SOH )的想法是把電池的新品當做 100% 健康的狀態,隨著電池循環充放電的使用,電池的容量與性能會逐漸的劣化,所以 SOH的預估值就會由100%逐漸下降,最終到 SOH = 0% 代表完全無法使用。但一般電動車不會等到電池完全無法放電時才更換電池,因此一種 SOH的指示方式是當 SOH低於一個門檻值(一般設定為 60%),則警示使用者需儘早更換電池。

造成電池健康劣化的因素
並非同樣的充放電參數(如充電電壓、充電電流等)都適用所有電芯。每種電芯都應有一套屬於自己的最佳充放電參數,及其對應的操作電壓、充放電速率,與過充或過放電之電壓區間範圍,如圖一所示。也就是說,當電芯運作在非設計的工作區間內,電池的劣化就會加速,而一般來說,不當充電對電池的傷害要遠高於放電,甚至會大幅增加電芯熱暴走( Thermal Runaway )的機率,在參考文獻中就針對電池的充電參數對電池循環壽命進行探討,這樣的概念可進一步的以圖二表示,可以看到相同的充電速率,在極端高溫與低溫的情況下,電池的循環使用壽命大幅降低,而電池最佳的充電溫度,大致落在 15~40˚C之間,但每款電芯因配方與製程等差異,此區間也會調整。


圖一、電池充放電操作區間與異常操作區間示意圖

1. 電容量劣化
表一為電芯製造商所提供的規格書,其標稱電容量值( Normal Capacity )的量測結果是根據製造商自行定義的測試方法所量測到的結果。表一中的容量就是指在電池充飽的狀態,以 0.2C放電至 2.75V截至電壓所量測到的電容量。在放電環境的溫/濕度在規格書中也有定義,一般環境溫度為 25±5˚C,濕度為 65±20%。而上述提到的充飽電狀態,製造商會另外定義一個標準的定電流轉定電壓充電( CC-CV )的方法,本電芯製造商設定標準充電條件為 0.5C充到 4.2V轉 CV充電,並在 CV端停留 3小時後截止為充飽條件。

2. 功率劣化
所謂的實際可用能量,背後對應的除了電池劣化後造成的阻抗增加因素之外,其實是包含了溫度、放電功率等多重因素耦合後的結果。以新電芯為例,圖五顯示在 35˚C環溫下,測試電池在3種放電能量速率(1E:8W、2E:16W、3E:24W)下,實際有效的放電能量分別為 8 Wh、7.5 Wh與 7 Wh。而當環境溫度設定在 5˚C,即便電池沒有任何劣化( SOH = 100% ),1E/2E/3E 放電能量速率所對應的放電能量卻降至 7 Wh、6 Wh和 5 Wh,其測試結果如圖六所示。這樣的結果意味著電池實際有效的能量與氣溫、駕駛者的駕駛行為、電動載具的負載重量等均有密切的關係。


圖五、在35˚C的溫度下,電池以1~3E(8W~24W)放電的電壓特性曲線

影響內阻變化的,除了上述的溫度、放電電流大小之外,還包含了電池劣化。依照過去實務經驗,可以把電池劣化拆分為先出現功率劣化(也就是阻抗上升),然後才是容量的衰退,不斷循環,直到電池劣化到無法使用為止……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:孫建中、許盈晧、周俊宏、林炳明 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌340期」,更多資料請見下方附檔。


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