CN101101323A - 锂电池容量的快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂电池容量的检测方法。锂电池容量的快速检测方法，其特征在于：根据锂电池容量的充、放电的曲线，对锂电池容量的进行快速检测。本发明具有测试时间短的特点。

Description

锂电池容量的快速检测方法

技术领域

本发明涉及一种锂电池容量的检测方法。

背景技术

评价电池的质量有多项技术指标，其中电池的容量是重要的技术指标之一。电池容量的大小将直接关系到电池在经过一次标准充电(QB/T2502-2000)后能够使用的时间长短。以锂离子电池为例；锂(离子)电池无论是在生产过程中，还是在市场流通销售过程中，人们都对电池的容量给予关注、检测、监督。评价锂离子电池容量的标准一般参照我国现行的两个标准中的规定：

1、QB/T2502-2000   锂离子蓄电池总规范；

2、GB/T18287-2000  蜂窝电话锂离子电池总规范。

电池容量标准检测的两种方法如下：

1、0.2C₅A电流放电容量测试，在环境温度(20℃±5℃)的条件下，对电池以0.2C₅A恒流充电至限制电压后恒压充电直至充电电流小于0.01C₅A，放置时间不小于1小时，对电池以0.2C₅A恒流放电直至终止电压，其放电时间不少于5小时。

2、1C₅A电流放电容量测试，在环境温度(20℃±5℃)的条件下，对电池以1C₅A恒流充电至限制电压后恒压充电直至充电电流小于或等于0.01C₅A，最长时间不超过8小时，停止充电，电池放置不小于1小时后，以1C₅A电流放电，放电时间不小于51分钟。

上述两种对电池容量的检测所需的时间都比较长，第一种测试方法需要的时间一般不少于8小时，第二种测试方法所需的测试时间最少不低于3小时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试时间短的锂电池容量的快速检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：锂电池容量的快速检测方法，其特征在于：根据锂电池容量的充、放电的曲线，对锂电池容量的进行快速检测。

锂电池容量的快速检测方法，它包括如下步骤：

1)、当需测量某一类锂电池的容量时，取一批这类锂电池制作1C₅A标准方法测试锂电池容量的充、放电的曲线示意图：其中，锂电池的放电曲线分为三个阶段，(1)、上拐点前曲线段，即t1放电时间段，(2)、直线段，即tx时间放电段，也叫平台段，(3)、下拐点曲线段，即t3放电时间段；

V1表示放电平台起始电压，t1表示进入平台前放电时间，V2表示t2时间放电时刻电压，t2表示5分钟放电时间，V3表示放电平台终止电压，tx表示计算出的直线段放电时间，t3表示离开平台后放电时间；

总放电的时间T与放电电流I的乘积就等于电池的放电容量，容量单位用毫安时或安时表示；

2)、通过对上述一批锂电池进行测试后，采用概率统计的方法可以得到该批锂电池的放电平台起始电压的平均值V1_平、放电平台终止电压的平均值V3_平和离开平台后放电时间的平均值t3_平；具体方法是：

首先取一批锂电池采用标准方法测试容量，测试过程中放电电压的变化及相对应的时间每隔12秒被记录一次；在一系列的记录数据中首先查出各个锂电池3.6V-3.5V的放电平台的斜率，根据放电平台斜率确定每一电池的放电平台终止电压V3、放电平台起始电压V1，测试出离开平台后放电时间t3；然后取平均值，得该批锂电池的放电平台起始电压的平均值V1_平、放电平台终止电压的平均值V3_平和离开平台后放电时间的平均值t3_平，作为这类锂电池所有单个锂电池的放电平台起始电压V1、放电平台终止电压V3和离开平台后放电时间t3；

3)、实际检测出平台前放电时间t1，确定放电平台段斜率；

将需要进行测试的锂电池在1C₅A电流的条件下进行恒流、恒压充电，恒定电压为4.20V，至充电电流为0.01C₅A，此时认为锂电池充电完毕；然后用1C₅A电流进行放电，锂电池在放电过程中当进入放电平台段，即曲线的电平台起始电压V1时，记录平台前放电时间t1，其放电平台起始电压V1为已知的放电平台起始电压的平均值V1_平的值；继续将电池放电5分钟，从而得到放电过程中t2时间放电时刻电压V2，由此可以计算出锂电池放电平台斜率α，见式(1)

tgα＝V1-V2/t2，                           (1)

其中t2＝5分钟；

4)、根据直线段的斜率，计算出直线段放电时间tx；

在步骤3)检测中得到了直线段的斜率，而放电平台终止电压V3为已知的放电平台终止电压的平均值V3_平的值，线段放电时间tx的放电时间可由式(2)计算：

tx＝(V1-V3)/tgα                           (2)

经过计算后得到了线段放电时间tx；平台前放电时间t1是实际测试得到，根据计算得到直线段放电时间tx，离开平台后放电时间t3是已知的离开平台后放电时间的平均值t3_平的值，从而得到锂电池的总放电时间T，得到锂电池的放电容量C，

C＝T×I＝(t1+tx+t3)×I          将式(1)，(2)代入后可得；

C＝[t1+(V1-V3/V1-V2)t2+t3]×I              (3)。

本发明采用上述方法，只需取所需检测的某一类锂电池的部分(即一批，一般取100只)，测试出这一批锂电池的放电平台起始电压V1、放电平台终止电压V3和离开平台后放电时间t3，用概率统计方法得该批锂电池的放电平台起始电压的平均值V1_平、放电平台终止电压的平均值V3_平和离开平台后放电时间的平均值t3_平，作为这类锂电池所有单个锂电池的放电平台起始电压V1、放电平台终止电压V3和离开平台后放电时间t3。当采用快速测量这一类锂电池某一电池的容量时，实际测试得到V2，通过计算得到斜率(V1已知，概率统计方法得到V1)，再计算得到tx；t1是实际测试得到(到达V1时的时间，V1已知，概率统计方法得到V1)，从而得到了锂电池的总放电时间T(t1+tx+t3)，最后得到锂电池的放电容量C[见式(3)]。由图1可知当采用快速方法测试电池容量时，由于概率统计方法预先已知该批电池的下拐点电压V3和离开平台后放电时间t3，因此对电池的测试只需要进行到t2时间段，测试结束。其时间大约是标准方法测试时间的1/4。

附图说明

图1是正常情况下充、放电的曲线示意图

图2是不同容量电池的放电曲线比较示意图

图中：V1-放电平台起始电压；t1-进入平台前放电时间(或称上拐点放电时间)；V2-t2时间放电时刻电压；t2-5分钟放电时间；V3-放电平台终止电压；tx-直线段放电时间(或称平台放电时间)；t3-离开平台后放电时间(或称下拐点放电时间)。

具体实施方式

锂电池容量的快速检测方法，根据锂电池容量的充、放电的曲线，对锂电池容量的进行快速检测。

一、锂电池容量的实质(以锂离子电池为例)

1、能量的转换：锂离子电池的化学能与物理能之间的可逆转换不同于镍镉、镍氢电池，在电池的正、负极板上所发生的不是氧化还原反应，而是一种锂离子浓差的变化。充电时，正极板上的锂离子从正极脱嵌通过电解质、隔膜，嵌入到负极层状结构的碳材料层间，负极处于富锂态，正极处于贫锂态。放电则是相反。当电池的正极材料是LiCoO2，负极材料是层状石墨时，锂离子电池的充、放电的化学表达式为：

由上式可见锂离子电池能量的转换实际上就是锂离子在电池正、负极板之间的转移。反应正向进行吸收能量，反向进行放出能量。

2、电池容量：电池在放电过程中活性物质能够从负极层状结构的碳材料层间脱嵌到正极板的量决定了电池的放电容量。在实际电池的生产过程中，电池的容量一般分标称容量和实际容量。标称容量是指制造商在电池出厂时确保电池容量的最低值，实际容量是指电池在规定的条件下的实际放电容量。电池制造商在设计、生产电池时除了根据正负极材料的理论容量配料外，还要考虑极片的厚度、电液的极化、水分的含量、极耳的接触电阻、电池内部微短路等等影响电池容量的因数。电池做成后，必须要经过电池容量检测才能够确定电池的实际容量能否达到标称容量。

二、离子电池的充、放电特性

1、充电特性：

锂离子电池的充电过程一般要经历两个阶段，由恒流充电阶段转为恒压充电阶段。按照GB18287-2000的标准恒流充电的电流设定在0.2C₅A或1C₅A。由于电池生产的源材料不同、电池卷饶成型尺寸不同和内阻的原因，在0.2C₅A和1C₅A的电流充电状态下，电池恒流充电曲线的斜率是不同的。正常情况下充、放电的曲线示意图见图1：

2、放电特性：

锂离子电池的放电曲线可以分为三个阶段，从图1上看：1、上拐点前曲线段(t1放电时间段)，2、直线段(tx时间放电段，也叫平台段)，3、下拐点曲线段(t3放电时间段)。当采用0.2C₅A或1C₅A的电流放电，总放电的时间(T)与放电电流的乘积就等于电池的放电容量，容量单位用毫安时(mAh)或安时(Ah)表示。一个电池做成后，用0.2C₅A或1C₅A电流放电测试电池充、放电特性，在一段时间内电池的放电曲线是一定的，重复性比较好。

三、锂离子电池容量的快速检测：

1、快速检测方法的提出

电池容量的检测目前都是按照GB18287-2000或QB/T2502-2000锂离子蓄电池总规范的标准在0.2C₅A或1C₅A电流的条件下进行检测。如果用0.2C₅A电流检测，测试一只电池所需时间约6-8小时，用1C₅A电流测试所需时间约3-4小时。因此电池生产厂家在电池的生产工艺过程中，必须配备大量的测试设备，占用较大的厂房面积。同时为了保持测试环境的温度，必须在测试环境安装空调设备，上述的测试方法消耗的电量大。在整个电池的生产工艺过程中，电池容量的测试要花费较长的时间，同时是一项大的人力，物力的投资，能不能用一种快速的测试方法来代替传统的测试方法呢？经过长期研究，结果是肯定的。

2、根据电池充、放电曲线测试电池的容量

电池在充、放电时，电压随时间变化有一个充、放电曲线。由于这种曲线关系在一定的条件下是一条重复性比较好的曲线，根据这一特点，研究出了一套电池容量快速测试的方法。由图1可以看出在电池的放电曲线段分为三个阶段：上拐点前曲线段、直线段和下拐点曲线段。只要得到电池放电曲线段的总时间(T)，就可以得到该电池在一定放电电流I情况下的容量。

1)、当需测量某一类锂电池的容量时，取一批这类锂电池制作1C₅A标准方法测试锂电池容量的充、放电的曲线示意图：其中，锂电池的放电曲线分为三个阶段，(1)、上拐点前曲线段，即t1放电时间段，(2)、直线段，即tx时间放电段，也叫平台段，(3)、下拐点曲线段，即t3放电时间段；

V1表示放电平台起始电压，t1表示进入平台前放电时间，V2表示t2时间放电时刻电压，t2表示5分钟放电时间，V3表示放电平台终止电压，tx表示计算出的直线段放电时间，t3表示离开平台后放电时间；

总放电的时间T与放电电流I的乘积就等于电池的放电容量，容量单位用毫安时或安时表示；

2)、通过对上述一批锂电池进行测试后，采用概率统计的方法可以得到该批锂电池的放电平台起始电压的平均值V1_平、放电平台终止电压的平均值V3_平和离开平台后放电时间的平均值t3_平；具体方法是：

首先取一批锂电池采用标准方法测试容量，测试过程中放电电压的变化及相对应的时间每隔12秒被记录一次；在一系列的记录数据中首先查出各个锂电池3.6V-3.5V的放电平台的斜率，根据放电平台斜率确定每一电池的放电平台终止电压V3、放电平台起始电压V1，测试出离开平台后放电时间t3；然后取平均值，得该批锂电池的放电平台起始电压的平均值V1_平、放电平台终止电压的平均值V3_平和离开平台后放电时间的平均值t3_平，作为这类锂电池所有单个锂电池的放电平台起始电压V1、放电平台终止电压V3和离开平台后放电时间t3；

3)、实际检测出平台前放电时间t1，确定放电平台段斜率；

将需要进行测试的锂电池在1C₅A电流的条件下进行恒流、恒压充电，恒定电压为4.20V，(电池在充电过程中，当电池电压达到4.0V时用1C₅A电流放电200毫秒，得到电池瞬间放电压降ΔV，称为电池的放电能力。)至充电电流为0.01C₅A，此时认为锂电池充电完毕；然后用1C₅A电流进行放电，锂电池在放电过程中当进入放电平台段，即曲线的电平台起始电压V1时，记录平台前放电时间t1，其放电平台起始电压V1为已知的放电平台起始电压的平均值V1_平的值；继续将电池放电5分钟，从而得到放电过程中t2时间放电时刻电压V2，由此可以计算出锂电池放电平台斜率α，见式(1)

tgα＝V1-V2/t2，                            (1)

其中t2＝5分钟；

4)、根据直线段的斜率，计算出直线段放电时间tx；

在步骤3)检测中得到了直线段的斜率，而放电平台终止电压V3为已知的放电平台终止电压的平均值V3_平的值，线段放电时间tx的放电时间可由式(2)计算：

tx＝(V1-V3)/tgα                            (2)

经过计算后得到了线段放电时间tx；平台前放电时间t1是实际测试得到，根据计算得到直线段放电时间tx，离开平台后放电时间t3是已知的离开平台后放电时间的平均值t3_平的值，从而得到锂电池的总放电时间T，得到锂电池的放电容量C，

C＝T×I＝(t1+tx+t3)×I  将式(1)，(2)代入后可得；

C＝[t1+(V1-V3/V1-V2)t2+t3]×I               (3)。

3、V1_平、V3_平和t3_平，可作为这类锂电池所有单个锂电池的放电平台起始电压V1、放电平台终止电压V3和离开平台后放电时间t3的分析：

经过实验证明，当一类电池生产的源材料、工艺、及外型尺寸确定后，放电平台起始电压V1、放电平台终止电压V3和离开平台后放电时间t3值相对比较集中。因此电池放电曲线中上拐点的放电平台起始电压V1会分布在某一个范围，设此范围是V1a-V1e，同理下放电平台终止电压V3和下离开平台后放电时间t3也是一个范围，设此范围是V3a-V3e和t3a-t3e，在利用式(3)进行电池容量的快速测试时应该如何确定V1、V3、和t3；为了讨论方便将放电曲线的平台段假设为理想斜线，见图2，在V1a-V1e范围中，令V1a＞V1b＞V1c＞V1d＞V1e，在V3a-V3e和t3a-t3e范围中，分别计算出平均值V3_平和t3_平。由图2可知在V1的范围内，当V1的取值越大，得到的计算平台的斜率越大，放电容量偏小。反之平台斜率越小，放电容量偏大。由此而影响到放电电压到达V3时，t1+tx的时间段发生差异，如果将t3_平代入式(3)中，可以发现放电平台的斜率将直接影响放电的总时间T。在进行电池容量的快速测试时是这样处理的；在运用式(3)时将V3_平和t3_平直接代入，在记录的数据中取不同的V1a-V1e将会得到5条不同的电池放电平台的斜率，从而得到5个大小不同的电池放电容量。在最后确定该电池的放电容量值时如何从5个不同的容量中取值呢？知道电池的容量和电池的瞬时放电能力成正比例的，根据这一原理，利用放电能力测试的范围值(在步骤2的3中已经进行)确定电池容量，完成电池容量的快速测试。在实际的运用中整个测试时间为15-20分钟，测试误差为1％。表1是部分对标称容量800毫安时电池快速测试的记录表格。

表1

序号	工位号	参考容量1	参考容量2	参考容量3	V1-V2	放电能力	t3	快测容量	标测容量
										1	1010103	765	774	782	47	78	217	782	790
2	1010108	781	792	801	63	86	219	781	790
										3	1010110	766	773	784	60	86	207	766	770
4	1010112	880	889	897	77	80	210	889	895
										5	1010113	765	774	783	63	85	186	765	778
6	1010114	775	784	793	63	86	196	775	783
										7	1010115	779	788	798	64	89	204	798	789

快速测试容量的误差分析：

a、误差的来源；标准测试中在利用式(3)计算时，V3和t3采用的是平均值，然后利用该值在容量已知的前提下反算符合已知容量的V1-V2，实际上是在寻找符合已知容量的放电平台的斜率。在快速电池容量测试时是利用标准测试得到的斜率的范围来计算容量的，因此在这个范围内选取放电平台斜率如果选取发生误差，就会带来测试结果的误差。

b、误差的大小：在确定电池符合已知电池容量的平台斜率时，取V1a-V2a＝ΔVa、V1b-V2b＝ΔVb、

V1c-V2c＝ΔVc、V1d-V2d＝ΔVd、V1e-V2e＝ΔVe；并且ΔVa、ΔVb、ΔVc、ΔVd、ΔVe成等差数列，差值＝1，

经过实验证明当电池容量为1000毫安时，其计算容量基本成等差数列，差值＝10毫安时。由此可知在计算电池容量时，根据电池的放电能力参数，ΔV的取值以ΔVc为中间值，限制在ΔVb、ΔVc、ΔVd之间，测试的误差范围±10毫安时。随着电池容量的不同，误差会发生变化，变化趋势与容量基本成比例。

c、误差的处理；软件上是这样处理的，当测试的误差范围±10毫安时以内，认为结果有效，如果超出误差允许值，软件会将该电池的测试结果判为无效，电池进入标准测试。

四、利用电池放电曲线快速测试电池容量方法的多样化

上述利用锂电池的放电曲线快速测试电池的容量方法只是其中之一。利用锂电池放电曲线快速测试电池的容量途径是多样的，下面将描述另外一种利用锂电池放电曲线快速测试电池容量的方法；

1、锂电池放电的特征数据获取；

首先通过标准测试方法得到锂电池放电平台终止电压V3、离开平台后放电时间t3和放电平台斜率α。

取某一类锂电池的部分(即一批)电池，采用1C₅A电流，标准方法测试电池的容量。按照电池的技术要求确定电池的充电限制电压和放电终止电压。在放电过程中，每隔12秒记录一次时间和电压。根据第一种方法中的概率统计法得到t3_平、V3_平，然后根据实际测试得到的电池容量由(3)式在放电记录数据中寻找符合实际测试得到容量的t1、V1和V2。由式(1)式可知电池的放电斜率tgα＝V1-V2/t2，通过对该批电池测试后，可以得到该批电池放电斜率分布的范围。一般取4个值记录下来作为快速测试时参数。

2、利用特征数据快速测试锂电池的容量；

在第一步骤操作完成后，计算机会自动记录下该批电池的V3_平、t3_平和4个tgα。

快速测试的方法是；电池在充电过程中，当电池电压达到4.0V时用1C₅A电流放电200毫秒，得到电池瞬间放电压降ΔV，称为电池的放电能力。充电完毕后，进入1C₅A电流的标准放电，时间设定在20分钟。放电阶段每隔12秒钟同样记录下放电时间和电压。20分钟完毕，利用3式以及该批电池的V3_平、T3_平和4个tgα可以得到4个快速测试的电池放电容量。

3、锂电池放电容量的最后确定；

由于在第二步骤中得到了4个快速测试的电池放电容量，显然是不能最后完成测试要求。因此在软件处理中根据测试到的电池放电能力的参数来取舍相应的容量值。

通过以上三个步骤同样可以达到根据电池放电曲线达到快速测试电池的放电容量目的。

Claims (2)

1.锂电池容量的快速检测方法，其特征在于：根据锂电池容量的充、放电的曲线，对锂电池容量的进行快速检测。

2.根据权利要求1所述的锂电池容量的快速检测方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)、当需测量某一类锂电池的容量时，取一批这类锂电池制作1C₅A标准方法测试锂电池容量的充、放电的曲线示意图：其中，锂电池的放电曲线分为三个阶段，(1)、上拐点前曲线段，即t1放电时间段，(2)、直线段，即tx时间放电段，也叫平台段，(3)、下拐点曲线段，即t3放电时间段；

V1表示放电平台起始电压，t1表示进入平台前放电时间，V2表示t2时间放电时刻电压，t2表示5分钟放电时间，V3表示放电平台终止电压，tx表示计算出的直线段放电时间，t3表示离开平台后放电时间；

总放电的时间T与放电电流I的乘积就等于电池的放电容量，容量单位用毫安时或安时表示；

2)、通过对上述一批锂电池进行测试后，采用概率统计的方法可以得到该批锂电池的放电平台起始电压的平均值V1_平、放电平台终止电压的平均值V3_平和离开平台后放电时间的平均值t3_平；该批锂电池的放电平台起始电压的平均值V1_平、放电平台终止电压的平均值V3_平和离开平台后放电时间的平均值t3_平，作为这类锂电池所有单个锂电池的放电平台起始电压V1、放电平台终止电压V3和离开平台后放电时间t3；

3)、实际检测出平台前放电时间t1，确定放电平台段斜率；

将需要进行测试的锂电池在1C₅A电流的条件下进行恒流、恒压充电，恒定电压为4.20V，至充电电流为0.01C₅A，此时认为锂电池充电完毕；然后用1C₅A电流进行放电，锂电池在放电过程中当进入放电平台段，即曲线的电平台起始电压V1时，记录平台前放电时间t1，其放电平台起始电压V1为已知的放电平台起始电压的平均值V1_平的值；继续将电池放电5分钟，从而得到放电过程中t2时间放电时刻电压V2，由此可以计算出锂电池放电平台斜率α，见式(1)

tgα＝V1-V2/t2，                       (1)

其中t2＝5分钟；

4)、根据直线段的斜率，计算出直线段放电时间tx；

在步骤3)检测中得到了直线段的斜率，而放电平台终止电压V3为已知的放电平台终止电压的平均值V3_平的值，线段放电时间tx的放电时间可由式(2)计算：

tx＝(V1-V3)/tgα                       (2)

经过计算后得到了线段放电时间tx；平台前放电时间t1是实际测试得到，根据计算得到直线段放电时间tx，离开平台后放电时间t3是已知的离开平台后放电时间的平均值t3_平的值，从而得到锂电池的总放电时间T，得到锂电池的放电容量C，

C＝T×I＝(t1+tx+t3)×I    将式(1)，(2)代入后可得；

C＝[t1+(V1-V3/V1-V2)t2+t3]×I          (3)。