狀態圖及充電電壓方法

歸納整理三種使用者狀態後，我們設計一個充電電壓調整的演算法以圖 4.6狀態轉換圖表示之

SOC < 95%

SOC ≥ 95%

& t > t1 SOC< 80%

& t > t3

SOC ≥ 80%

SOC < 50%

SOC ≥ 80%

If V<4.2V,then V←V+ X V←V

V←4.2V If V>4.1V,then

V←V- X

圖 4.6 三種使用者狀態之狀態轉換圖

其狀態轉換說明如下:

一個使用者使用其裝置或設備時，當電池容量SOC >95%以上，演算法 將視為處於“ Adapter使用者狀態“ 開始啟動對計時器t計時，一旦該使 用者狀態持續時間超過t1時間(t>t1時)，則執行V V X 的充電電壓步 階下降計算(一般X值範圍可設為0.001V~0.010V間)，直到充電電壓下降到 V=4.1V停止。若SOC <95%，則表示進入“ Office使用者狀態“，充電電壓

V

V  維持上次充電電壓，不做改變。

當SOC持續下降至SOC <80%，即表示進入“Travel 使用者狀態“的判 斷條件，演算法啟動計時器t。若SOC處於條件50%≦SOC<80% 且持續t3時間

‧AD_in及AD_out: 代表Adapter Input/Output 的動作。

‧Charging Voltage: 則表示演算法中對充電電壓的設定。

‧SOC: 則表示當下電池的充電狀態百分比。

‧Actual Voltage: 表示真正在電池上生效的充電電壓設定。

‧灰色區域(見第四子圖):表示正在充電區域。其中允許啟動充電的先決 條件為SOC <95%。

圖 4.7 三種使用者狀態間轉換時序圖

圖 4.7 控制時序說明如下:

初始狀態SOC在100%~95%之間時，意謂處於”Adapter使用者狀態”， 充 電電壓(Charging Voltage)V初始值設為4.2V，並啟動計時器t，經過t¹時 間後(ta點)，Charging Voltage開始步階下降至充電電壓設定點V¹，此時 電源插上，即圖4.7的AD_in進來(tb點)，則設定Actual Voltage=V¹，隨著 SOC介於間95%~80%間(t^c點)^d即表示由”Adapter使用者狀態”至”Office使用 者狀態”，此時Charging Voltage將維持為上一設定V²值，一旦AD_in(td點) 且SOC < 95%，則以V²電壓開始充電(td至te點)，由於Charging Voltage到 達最低允許電壓4.1V(te點)，不再調整充電電壓V。

SOC在80~50%間，即為＂Travel使用者狀態＂，則計時器t開始啟動，

經過t3時間後(ti點)，Charging Voltage開始步階上升至V³(tj點)並開始

以V³充電電壓充電直到AD_out條件出現(即拔掉電源)，在＂Travel1使用者 狀態＂(t^j點)，此時SOC上升至＂Office使用者狀態＂(t^k點)並開始充電並 切換至＂Adapter使用者狀態＂ (t^l點)為止，經過一段時間後又跳至 Travel1 (t^m點)，一旦SOC低於50%，立即轉換為＂Travel2使用者狀態＂，

並將Charging Voltage直接設定為4.2V(tⁿ點)，依此類推三種使用者狀 態，會視SOC百分比不同切換至不同使用者狀態並達到充電程序最佳化的目 的。

4.2.3 方法驗證

我們針對＂Adapter 使用者狀態＂設計一套實驗來驗證其方法的有效 性。

測試目的:以鋰離子電池在＂Adapter 使用者狀態＂作為驗證目標，確認是 否達到延緩電池老化的目的。

測試條件:對照組有兩個樣本第一組S1(Sample1)及S2，以不降電壓，充電 電壓為4.2V充電。

實驗組有兩個樣本S3及S4，充電電壓以步階下降至4.1V方式充電 (步階下降速度以3mV/Cycle)。

測試設備:

1. TI(Benchmarq)/SBS1.1軟體介面 –用以觀察及紀錄電池相關 資料(如收集電池電流電壓及溫度變化)如圖4.8所示。

2. TI(Benchmarq)/SMBus1.1硬體介面 –連接軟體介面與電池 硬體的通訊盒，如圖4.9所示。

圖 4.8 SBS1.1 軟體介面 圖 4.9 SMBus1.1 硬體介面 3. 使用TI/IC-SN8030一8位元微處理器(8bit MCU),用以實現及驗證其 結果，其微處理器主要功能如圖4.10所示。

圖 4.10 微處理器方塊圖

測試結果: 如圖4.11所示在145週期後，S1的SOC=56%，S2的SOC=60.5%，而 S3及S4的SOC=71%，得知減緩老化約15%~10.5%不等，故使用充電 電壓步階下降對電池壽命確實得到有效延緩。

Cell Balancing Drive Cell, Bat and Pack Voltage Translation Host Interface & Data Management

圖 4.11 Adapter 使用者狀態實驗結果

4.3 閒置性使用者

由3.4節靜置與儲存分析中，我們整理出表4.1，觀察表4.1得知靜置於 SOC=50%時的電池有效容量可保有98%原有容量，比靜置於SOC=100%時的電 池有效容量93%為高。

因此針對第二類＂閒置性使用者＂的策略是，當使用者的使用裝置以 鋰電池為電源，同時處於在靜置或長期不使用時，可以將電池放電，降低 其SOC，如此可減緩鋰電池老化的速度。

表4.1 靜置SOC比較表

Temp(℃) SOC 1month 3month 6month 12month SOC/12m 50﹪ 100.2 99.5 99.8 98.7 99%

25 100﹪ 99.5 98.4 98.6 97.5 98%

50﹪ 99.5 98.6 97.9 96.4 96%

Recovery

45 100﹪ 98.8 97 95.5 93.1 93%

第五章 結論

鋰離子電池的循環使用壽命，可從電池化學材料、電源使用上的管理 方法及充電程序的方法獲得改善。本篇論文提出，減緩鋰離子電池老化，

可藉由不同的充電電壓的改變加以改善。除此之外，使用者在不同的使用 狀態下，對鋰電池的壽命及使用容量的要求也有所不同，本篇論文也提出 一套針對不同的使用者狀態下，調變其充電電壓，來達到充電程序最佳化 的目的。

針對經常性使用者我們提出一套方法，透過改變充電電壓的方式，使 得三種使用者狀態中的外出人員或旅行者(Travel User) 以較高充電電壓 得到較高電池使用容量，在人員沒外出或電源連接器長期使用者(Adapter User)時，則以較低電壓充電以減緩電池老化，進而達到延緩電池老化的目 的。

對於長期不使用的設備之電池，則建議降低SOC(即降電壓)後再儲存，

可延長電池使用壽命。

未來可能研究的方向建議如下:

1. 電池老化過程亦可由電池的內阻變化得知，若能增加對電池阻抗的偵測 及方法，則更為接近電池化學特性變化的偵測。因此未來可將電池的阻抗 因素加以考慮。

2. 配合智慧型充電器的功能，主動線性調變充電電流，則不失為更有效達 到電池壽命延長的目的。

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在文檔中 基於使用者特性之鋰離子電池充電程序最佳化 (頁 35-0)