專利名稱：鋰離子電池電量的測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰電池電量測量技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種鋰離子電池電量的測量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
鋰電池剩余電量的測量，目前普遍采用的是積算法和電壓法。積算法是不斷檢測電池各時刻的放電電流和放電時間，來累計電池的放電電量。然后用電池的滿充電量(一般是新電池標稱的電量)減去累積的放電量，求得剩余電量。積算法的不足之處是，它需要記憶和存儲電池在放電周期內(nèi)的用電歷史，以便累計總放電量。但是隨著電池充、放電循環(huán)次數(shù)的增多，電池逐漸衰老，其滿充電量將逐漸減少。因此，積算法對不同衰老程度的電池將引起較大測量誤差。電壓法計算電池剩余電量，則是利用預先得到的電池端電壓和電量的關(guān)系曲線，通過測量電池的端電壓，并參照原來的曲線求得剩余電量。有人進一步提出，在不同載負電流放電時，通過引入修正量，把測得的電池端電壓調(diào)整為參考曲線的端電壓，并由此確定電池的剩余電量，但電壓法仍然無法避免對不同衰老程度的電池測量時所引起的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種鋰離子電池電量的測量方法及其裝置，它通過測量鋰電池本身的某些參數(shù)(如開路電壓、交流阻抗等)，就可以判斷不同衰老程度的鋰電池在滿充電、部分充電或部分放電等狀態(tài)下的剩余電量，無需知道電池過去的用電歷史，也不受放電電流(負載電流)的變化所影響。
本發(fā)明所述一種鋰離子電池電量的測量方法，其特征是，它包括如下步驟第一步首先獲得描述鋰電池在壽命過程中，剩余電量Rcap與開路電壓V0的一組關(guān)系曲線和擬合函數(shù)；第二步根據(jù)測量得到的低頻交流阻抗經(jīng)修正后的模值R0，選取相應的一支剩余電量Rcap與V0的關(guān)系曲線或擬合函數(shù)；
第三步根據(jù)測得的開路電壓V0和所選定的擬合函數(shù)，計算出電池的剩余電量。
本發(fā)明所述一種鋰離子電池電量的測量裝置，包括外殼和內(nèi)置電路板，其特征是，它由微計算機、充電電流控制電路、充放電電流信號放大電路、電流檢測電路、正弦振蕩器、小信號正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測電路相互連接組成，其中，微計算機通過控制信號線分別與充電電流控制電路和交流阻抗檢測電路相連接，交流阻抗檢測電路還分別與電流檢測電路、鋰離子電池相連接，充放電電流信號放大電路還與電流檢測電路相連接，小信號正弦調(diào)制放電電路還與鋰離子電池相連接，小信號正弦調(diào)制放電電路連接有正弦振蕩器，電流檢測電路還通過轉(zhuǎn)換開關(guān)分別與充電電流控制電路、小信號正弦調(diào)制放電電路、鋰離子電池相連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果本發(fā)明由于檢測的是電池的開路電壓，就避免了端電壓法在電池負載電流變化時所引起的剩余電量測量誤差；由于引入了低頻交流阻抗來表征電池的衰老程度，并根據(jù)交流阻抗值選用相應的開路電壓V0與剩余電量Rcap的關(guān)系曲線及擬合函數(shù)，因此，避免了因電池衰老而引起的剩余電量測量誤差。本發(fā)明適用于不同衰老程度的鋰電池的剩余電量測量。


圖1是本發(fā)明的裝置原理框圖；圖2是18650A型新電池已放電量dcap與開路電壓V0的關(guān)系曲線；圖3是18650A型新電池剩余電量Rcap與開路電壓V0的關(guān)系曲線；圖4是18650型電池衰老過程中，交流(25Hz)阻抗R0與電池滿充電量fcap的關(guān)系曲線；圖5是18650型電池壽命過程中，在不同衰老程度(R0不同取值范圍)下的一組剩余電量Rcap與開路電壓V0的關(guān)系曲線；圖6是本發(fā)明裝置的電路原理圖。
如圖1所示，本發(fā)明所述一種鋰離子電池電量的測量裝置，由外殼和微計算機、充電電流控制電路、充放電電流信號放大電路、電流檢測電路、正弦振蕩器、小信號正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測電路相互連接組成。微計算機可以通過一個顯示器顯示測試結(jié)果。整個測試裝置實際上是在微機控制下的實時檢測系統(tǒng)。
如圖6所示，微計算機通過I/O控制開關(guān)K204、K201、K202、K301的閉合狀態(tài)，使測量裝置可分別處于充、放電狀態(tài)，開路電壓檢測和交流阻抗檢測狀態(tài)。在充電時，微計算機通過程序由D/A調(diào)節(jié)控制充電電流控制電路，來實現(xiàn)設定的“恒流充電—恒壓充電—截止充電”的充電過程，其中，充電電流控制電路由Q505(9013)和Q506(TIP142)組成。電流檢測電路由MAX471集成塊組成，它把充電電流、放電電流、正弦調(diào)制放電電流線性地轉(zhuǎn)換成電壓信號。充放電電流信號放大電路是由LF357組成的電壓放大器，它把MAX471檢測的電流信號放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由微計算機讀取充電電流和放電電流。正弦振蕩器由MAX038組成。小信號正弦調(diào)制放電電路是由INA111和TIP41組成。交流阻抗檢測電路由模擬開關(guān)CD4051、兩塊OP37運算放大器、PGA103程控增益放大器和真有效值檢測集成塊AD637組成。在交流阻抗測量時，電池處于小信號正弦調(diào)制放電狀態(tài)，電池的交流壓降信號和MAX471檢測的交流放電電流信號在微計算機I/O控制下，分時地通過模擬開關(guān)CD4051，并經(jīng)過OP37和PGA103進行電壓放大后，再經(jīng)AD637分時測得電池交流阻抗壓降和交流放電電流的有效值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由微計算機求得電池的交流阻抗。微計算機根據(jù)測得的阻抗值判斷電池的衰老程度，并根據(jù)阻抗值選擇相應的一支曲線，并根據(jù)檢測得到的開路電壓V0，由相應曲線的擬合函數(shù)計算出剩余電量。
發(fā)明人對金柏電子國際有限公司的18650A型鋰離子電池(新電池滿充電量fcap＝1650mAH)進行滿充電后，每6只電池組成一組，每組分別以600mA、900mA、1200mA進行恒流放電，每放電100mAH或150mAH(毫安時)進行一次開路電壓檢測，如此循環(huán)，直到2.8V截止放電為止。開路電壓檢測應在恒流放電停止后，延時200秒后進行。因為停止放電后，電池的開路電壓有逐漸回升的過程。實驗數(shù)據(jù)表明，延時200秒后，電池的開路電壓將回升到穩(wěn)定時的95％左右。因此，延時200秒測得的開路電壓可近似看作是穩(wěn)定時的開路電壓。對上述大量實驗的數(shù)據(jù)分析處理的結(jié)果表明，電池的已放電量dcap與電池的開路電壓V0成對應關(guān)系，這種關(guān)系可以用擬合曲線和擬合函數(shù)描述，如圖2所示。
(1)當開路電壓V0在4V＜V0≤4.18V時，dcap＝-428.84V02+1853.48V0-260.61(2)當開路電壓V0在3.7V＜V0≤4.0V時，dcap＝7.53693×103V02-6.188405×104V0+1.2723689×105(3)當開路電壓V0在3.3V≤V0≤3.7V時，dcap＝-1.197381×104V04+1.6090997×105V03-8.1079514×105V02+1.81532235×106V0-1.5219766×106由于電池的剩余電量Rcap為電池的滿充電量fcap與電池的已放電量dcap之差，據(jù)此，也可以得到電池剩余電量Rcap與開路電壓V0的關(guān)系曲線及其擬合函數(shù)，如圖3所示。
(1)當開路電壓V0在4V＜V0≤4.18V時，Rcap＝428.84V02-1853.48V0+1910.61(2)當開路電壓V0在3.7V＜V0≤4.0V時，Rcap＝-7.53693×103V02+6.188405×104V0-1.2558689×105(3)當開路電壓V0在3.3V≤V0≤3.7V時，Rcap＝1.197381×104V04-1.6090997×105V03+8.1079514×105V02-1.81532235×106V0+1.5236266×106鋰電池在壽命過程中，隨充、放電循環(huán)周期數(shù)的增加而逐漸衰老，其滿充電量逐漸減少，其交流阻抗逐漸增大，可用交流阻抗值來表征鋰電池的衰老程度。發(fā)明人對某公司18650型鋰離子電池(新電池滿充電量為1600mAH)進行了壽命過程中的25Hz低頻阻抗測試。測試方法如下每進行一個測試周期后，延時200秒，自動進行9次加速衰老循環(huán)充、放電周期，延時200秒后，再自動進入下一個測試周期，如此不斷循環(huán)，直到500個周期，使電池因衰老滿充電量減少到約新電池的滿充電量的45％為止。在每個測試周期中，電池以600mA恒流放電，每放電100mAH，經(jīng)200秒延時后，測電池開路電壓V0，并進行25Hz低頻阻抗測量，直到2.8V截止放電為止。交流阻抗測試時，電池處于小信號正弦調(diào)制放電狀態(tài)，測試在1秒鐘內(nèi)完成，電池耗電不到0.05mAH，可以忽略不計。
對上述測試數(shù)據(jù)的分析處理表明
第一，在同一測試周期時，交流阻抗無明顯變化。25Hz交流阻抗與其平均值的方差小于0.6mΩ(毫歐姆)。
第二，隨著鋰電池的衰老，電池的滿充電量逐漸減少，25Hz交流阻抗與R0逐漸增大，圖4為25Hz交流阻抗R0與滿充電量fcap的關(guān)系曲線及其擬合函數(shù)(1)當R0＜120.19mΩ時，fCap＝-21.38R0+3871.8(2)當R0≥120.19mΩ時，fCap＝-31.33R0+5067.81第三，如果把鋰電池衰老過程中滿充電量fcap減少的范圍劃分為若干區(qū)間，在每個區(qū)間的中心附近選取一個測試周期，作為該區(qū)間的“代表周期”，求出各“代表周期”剩余電量Rcap與開路電壓V0的一組關(guān)系曲線及擬合函數(shù)，如圖5所示。如果希望進一步提高測量精度，也可以把區(qū)間劃得更小一些。記開路電壓為V0，剩余容量為Rcap，則各代表周期的擬合函數(shù)為1.當R0≤112.0mΩ(即Rcap≥1475mAh)時，用C24r11的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當3.4V≤V0＜3.6V時，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當3.6V≤V0≤3.8V時，Rcap＝1.9825×104V02-1.4321×105V0+2.5874×105(3)當V0＞3.8V時，Rcap＝-3.099×103V02+2.6683×104V0-5.5842×1042.當112.0mΩ＜R0≤119.0mΩ(即1325mAh≤Rcap＜1475mAh)時，用C24r51的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當3.4V≤V0＜3.6V時，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當3.6V≤V0≤3.8V時，Rcap＝1.2539×104V02-8.958×104V0+1.6012×105(3)當V0＞3.8V時，Rcap＝-3.0112×103V02+2.5652×104V0-5.3239×1043.當119.0mΩ＜R0≤124.25mΩ(即1175mAh≤Rcap＜1325mAh)時，用C24r81的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當3.4V≤V0＜3.6V時，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當3.6V≤V0≤3.8V時，Rcap＝8.803×103V02-6.2244×104V0+1.1012×105
(3)當V0＞3.8V時，Rcap＝-2.8517×103V02+2.4141×104V0-4.9852×1044.當124.25mΩ＜R0≤129.04mΩ(即1025mAh≤Rcap＜1175mAh)時，用C24r201的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當3.4V≤V0＜3.6V時，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當3.6V≤V0≤3.8V時，Rcap＝8.6358×103V02-6.1533×104V0+1.0973×105(3)當V0＞3.8V時，Rcap＝-2.336×103V02+1.9928×104V0-4.1386×1045.當129.04mΩ＜R0≤133.83mΩ(即875mAh≤Rcap＜1025mAh)時，用C24r271的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當3.4V≤V0＜3.6V時，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當3.6V≤V0≤3.8V時，Rcap＝6.3524×103V02-4.5004×104V0+7.982×104(3)當V0＞3.8V時，Rcap＝-2.0255×103V02+1.7278×104V0-3.5879×1046.當133.83mΩ＜R0≤138.61mΩ(即725mAh≤Rcap＜875mAh)時，用C22r381的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當3.4V≤V0＜3.6V時，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當3.6V≤V0≤3.8V時，Rcap＝4.2821×103V02-3.003×104V0+5.2733×104(3)當V0＞3.8V時，Rcap＝-1.8388×103V02+1.562×104V0-3.2356×104由于各電池個體的工藝、電極涂層厚度、均勻度不盡相同，同類電池的新電池不同個體，其交流阻抗也會存在一定的零散。因此，對不同電池個體測得的交流阻抗應加以修正。簡單的修正方法是以獲得擬合曲線和擬合函數(shù)的電池在新電池時(第一放電周期)的25Hz交流阻抗為參考值R0(N)(對18650型，R0(N)＝106.3mΩ)，被測電池新電池時(第一放電周期)測得的交流阻抗為R(N)，則該被測電池修的量為ΔR＝R0(N)-R(N)。那么，被測電池在壽命過程中，若實測的阻抗為R0，則以R0＝R0+ΔR的阻抗值來選擇圖5中的一支擬合曲線和擬合函數(shù)，并由測得的開路電壓V0和所選定的擬合函數(shù)來計算電池的剩余電量。
把圖5中的這組曲線和擬合函數(shù)存放在微計算機的存儲器中，配合相應的程序，就可以實現(xiàn)通過檢測電池的25Hz交流阻抗和開路電壓，快捷地求得電池的剩余電量。
如上所述，即可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池電量的測量方法，其特征是，它包括如下步驟第一步首先獲得描述鋰電池在壽命過程中，剩余電量與開路電壓的一組關(guān)系曲線和擬合函數(shù)；第二步根據(jù)測量得到的低頻交流阻抗經(jīng)修正后的模值，選取相應的一支剩余電量與開路電壓的關(guān)系曲線或擬合函數(shù)；第三步根據(jù)測得的開路電壓和所選定的擬合函數(shù)，計算出電池的剩余電量。
2.一種鋰離子電池電量的測量裝置，包括外殼和內(nèi)置電路板，其特征是，它由微計算機、充電電流控制電路、充放電電流信號放大電路、電流檢測電路、正弦振蕩器、小信號正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測電路相互連接組成，其中，微計算機通過控制信號線分別與充電電流控制電路和交流阻抗檢測電路相連接，交流阻抗檢測電路還分別與電流檢測電路、鋰離子電池相連接，充放電電流信號放大電路還與電流檢測電路相連接，小信號正弦調(diào)制放電電路還與鋰離子電池相連接，小信號正弦調(diào)制放電電路連接有正弦振蕩器，電流檢測電路還通過轉(zhuǎn)換開關(guān)分別與充電電流控制電路、小信號正弦調(diào)制放電電路、鋰離子電池相連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種鋰離子電池電量的測量方法及其裝置，該方法是首先獲得描述鋰電池在壽命過程中，剩余電量與開路電壓的一組關(guān)系曲線和擬合函數(shù)；根據(jù)測得的低頻交流阻抗經(jīng)修正后的模值，選取相應的一支剩余電量與開路電壓的關(guān)系曲線或擬合函數(shù)；根據(jù)測得的開路電壓和所選定的擬合函數(shù)，計算出電池的剩余電量。該裝置包括外殼和內(nèi)置電路板，由微計算機、充電電流控制電路、充放電電流信號放大電路、電流檢測電路、正弦振蕩器、小信號正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測電路相互連接組成。本發(fā)明避免了端電壓法在電池負載電流變化時所引起的剩余電量測量誤差；也避免了因電池衰老而引起的剩余電量測量誤差。本發(fā)明適用于不同衰老程度的鋰電池的剩余電量測量。
文檔編號G01R31/36GK1431521SQ0311357
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者林悅波 申請人:華南理工大學