CN103035964B - 一种锂离子电池使用安全评估方法及安全报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池使用安全评估方法，本发明通过统一电池电量标准的方法，通过电池的使用要求或者电池的实际性能情况设定电池的标准电量，然后在电子电量监控和报警设备中设置电池倍率修正系数和温度修正系数，在电池使用过程中实时统计电池的电量使用情况，通过设备分析修正后的统计电量与设置的标准电量之间的关系。采用本发明的技术方案后，可以准确判定电池安全使用界限，提升电池使用安全性的同时，也确保电池的容量不被浪费。

Description

一种锂离子电池使用安全评估方法及安全报警装置

技术领域

本发明涉及一种电池使用安全评估方法，具体涉及一种锂离子电池使用安全评估方法。

背景技术

锂离子电池以其高比能量密度和长循环寿命广受消费者欢迎。由于受限于电池材料和体系的化学及物理性质，电池的使用始终无法实现无节制的使用，当电池中化学体系发生骤变时中会造成其使用风险的剧增。电池产品使用风险的剧增通常表现为：电池容量衰减程度、电池极化程度或者电池体积膨胀水平中的某一项或者多项超出了电池使用的要求。其中电池电极界面性质随着电池经过长期存储和使用会发生改变，这种改变会使如电池界面热失控、界面破损及界面微短路等可能性增加，尤其当电池的使用情况达到或者超出电芯的化学体系的稳定要求时，这种安全风险增大的概率更加明显。因此，如何评估电芯的安全使用界限标准，是锂离子电池应用中不可避免的问题。

传统的电池低风险使用的界定方法是：a，设定电池在正常充放电条件下在完整的放电区间内所能达到的放电容量最小值；b，设定电池在常规充放电温度及电压范围内的阻值上限；c，设定电池再常规充放电条件下满充后静置电压所能达到的下限值，或者满放后静置电压所能达到的上限值。由于电池的使用过程中，环境温度、电池充放电电流大小以及电池自身的充放电电压状态均将影响到以上所描述的判定结果。即在传统的方法和技术基础上，电池设备在电池实际使用过程中无法自动判断出电池的界定标准是否已经达到或者超出。如果直接通过电压、电阻或者充放电容量的设定来判断电池的使用风险，在环境温度发生改变或者操作者使用的条件发生改变的情况下，均有可能对电池使用风险造成错判或者误判。

基于这种现状，本发明将提供一种新方法和装置，准确判定电池安全使用界限，提升电池使用安全性的同时，也确保电池的容量不被浪费。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述的不足，提供一种锂离子电池使用安全评估方法。

实现上述目的的技术措施：

采用本发明的技术方案后，可以准确判定电池安全使用界限，提升电池使用安全性的同时，也确保电池的容量不被浪费。电池设备在电池实际使用过程中可以自动判断出电池的界定标准是否已经达到或者超出。并在环境温度发生改变或者操作者使用的条件发生改变的情况下，均有可对电池使用风险作用准确评估。

附图说明

图1：本发明一实施例锂离子电池低风险使用标准参考曲线示意图；

图2：本发明另一实施例电池低风险使用标准参考曲线示意图；

图3：本发明锂离子电池循环真实曲线示意图；

图4：本发明锂离子电池寿命控制电路示意图。

附图中：字母及数字分别代表的含义为：Capacity电池容量；Cap(I-10，20，30)电池起始状态所释放的标准容量；Cap(F-10，20，30)电池截止状态所释放的容量；Cap(I-11，12…1n)电池若干圈循环后对应状态下所释放的容量；C(I-10，20，30，11，12…1n，1≤n)锂离子电池循环使用后的某一放电状态。其中n为正整数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

本发明的主要原理基于，锂离子电池充放电的过程是锂离子在电池正负极材料结构中不断嵌入和脱出的循环过程，并且对应于电子在材料中的存储或者释放过程。此过程受到温度的影响，当处于低温区间时锂离子在电池正负极材料中的穿插活度降低，电池充放电的容量表现为减小、电池的满充截止静置电压减小、电池的满放截止静置电压增大并且电池的电阻增大，相对的，处于高温区间时锂离子在电池正负极材料中的穿插活度增大，电池充放电的容量表现为增大、电池的满充截止静置电压增大、电池的满放截止静置电压减小并且电池的电阻减小；此过程也收到充放电条件的影响，当使用较大电流放电时电池放电容量相对于小电流放电减小。当电池尚未达到高风险使用界限时，锂离子电池正负极材料中可用于锂离子嵌入与脱出的结构稳定，虽然受到温度和充放电条件的影响其反应活度发生变化，但是其对电子和锂离子的存储与释放能力依然保持。所以锂离子电池的安全使用界限值不能直接通过电池在某一条件下的电压、电阻或者充放电容量来判读是否达到了限制要求。因此，锂离子电池安全使用的判断标准，应该选定为锂离子电池中正负极材料所能嵌入或者脱出锂离子量的总和是否达到了界定要求。

针对锂离子电池的安全使用要求设定基本参考限，根据锂离子电池标准使用条件下所要求的标准设定锂离子电池正负极材料所需嵌入或者脱出的电子总和Q_标准。所谓的锂离子电池标准使用状态，即锂离子电池在最佳的温度下以合理稳定的工作电流进行完整的充放电，并保持此种工作环境和工作条件进行持续工作的状态。在此工作状态下累计所得的电子存储或者释放总量，即为Q_标准，可以表示为：

其中t代表电池某一使用状态，代表充电或者放电的次数，t为正整数；Capacity(t)代表在某一状态下锂离子电池由上一状态至此状态存储或者释放的电子总量。

可根据电子产品的实际设计需求设定在电池低风险使用区间内的电子总需求量，如图1：

图中0＜t≤(C-10)，即当电池使用至(C-10)状态时，其使用安全风险剧增。

Capacity(t)在不同的时间状态段对应于不同的常数函数，即：

0＜t≤C-11，Capacity(t)＝Cap(I-11)；

C-11≤t≤C-12，Capacity(t)＝Cap(I-12)；

……

C-1n≤t≤C-10，Capacity(t)＝Cap(F-10)；(1≤n)

根据电池材料的实际充放电循环曲线模拟设定在电池低风险使用区间内的电子总需求量，如图2：

图中0＜t≤(C-20)，即当电池使用至(C-20)状态时，其寿命终止。

Capacity(t)＝Cap(I-20)-R*ln(t)，公式中R代表电池的电子存储或者释放能力随时间自然对数变化时的修正系数。

其中Cap(I-20)代表电池起始状态所具备的容量；Cap(F-20)代表风险转折点状态所具备的容量。

在电池的实际使用过程中，并非始终处于标准使用状态。在计算电池材料的电子存储和释放程度时，需要对不同状态的情况进行简单的修正，使统计得到的电子总量归统至电子总量的标准和上。使电池在不同的使用条件，及在不同的使用条件下的不同放电深度所消耗的电子存储或者释放能力均得到统一的计量。

标准函数倍率系数α修正，当锂离子电池在规定的充放电倍率下进行工作，充放电容量会发生变化，但是合理的倍率使用并不会影响到电池正负极材料存储和释放电子的能力。根据电池使用材料及设计体系的不同，其倍率矫正系数为α介于0.8至1.2之间。当电池工作倍率超出规定范围时，由电池自身管理系统保护电池不受到伤害。

标准函数温度系数β修正，即将电池高低温过程中所存储或者释放的电子电量转换为标准状态下的电子电量。T＜-20℃时，βa＝5-10；-20℃≤T＜0℃时，βb＝1.1-2.5；0℃≤T＜45℃时，βc＝1；45℃≤T≤80℃时，βd＝0.8-0.9；80℃＜T时，锂电池工作状态趋于不稳定，由电池自身管理系统保护电池不受到伤害。

在实际的使用过程中，电池并非在同一温度或者同一条件下使用。参照附图3，锂离子电池在实际使用过程中其充放电深度、充放电温度及充放电倍率的不同，在不同的循环状态下，电池所表现出来的存储或者释放电子量也不同，并且明显区分于在标准使用状态下呈现的规律曲线，在此高低起伏的电量曲线中，Cap(I-30)不等于电池的标准状态下的首次容量，同时参数Cap(F-30)和C-30也将受到电池使用温度及条件的影响而区别于电池设置的标准条件限制标准。

为了实现上述方法在电池中的作用，首先，由过充保护电路、过放保护电路、过压保护电路及过流保护电路保护电池始终在合理的电压和电流范围内正常工作；其次，温度感应及控制电路在正常的温度范围内工作时，实时向其他电路元器件反应环境温度情况，当环境温度超出正常工作温度范围时截断电路以保护锂离子电池；然后，采用电子计量设备对电子设备进行监控和测量，即电子电量等于使用电流大小与对应使用时间乘积的加和，然后通过对应程序进行矫正，即可完成对电池电子存储或者释放的统计。在此我们可以得出统计的电子电量Q计量为：

当Q_计量＜Q_标准时，锂离子电池可以低风险继续工作；

当Q_计量＝Q_标准时，锂离子电池达高风险临界点，开始报警；

当Q_计量＞Q_标准时，已处于高风险使用状态，报警装置持续报警。

参照附图4中的电路结构原理，当锂离子电池工作时，其附属部件中过充保护、过放保护、过压保护以及过流保护将电池规范至合理的电流及电压工作范围中，以保证锂离子电池使用过程中其正负极材料的基本结构不受到破坏，即锂离子电池存储和释放电子的能力的变化只受其自身性质的变化影响。锂离子电池使用前，在其电子电量监控及报警设备中设定标准的电子电量参数Q标准，并根据电池设计体系的不同设定倍率修正系数α以及温度修正系数β；锂离子电池使用过程中，将电量经过电池充放电电路的同时，均通过电子电量监控及报警设备，其中电子电量监控及报警设备中根据实际的使用情况根据温度感应及控制电路进行电量修正，将统计的电量规统至标准电量上，做出系统计算得出，然后通过Q_计量与Q_标准之间的关系，判断电池使用风险是否超过设定标准。

实施案例一

某消费电子类电池规定为在23±2℃的条件下，以1.0C/1.0C(1C＝电池标准容量/1小时)为标准充放电强度的电流下在4.2V-3.0V的电压区间内放电容量为5000mAh，在此标准条件下循环2000次后电池由4.2V满放至3.0V的容量不少于电池标准容量的80％，其电池容量变化要求曲线如图1所示，其中要求Cap(I-10)＝5000mAh；Cap(F-10)＝4000mAh，C-10＝2000cycle；并且n＝3，Cap(I-11)＝4850mAh，C-11＝500cycle；Cap(I-12)＝4600mAh，C-12＝1000cycle；Cap(I-13)＝4200mAh，C-13＝1500cycle；即要求锂离子电池正负极材料在使用过程中一共能够脱出的电子电量总和为Q_标准＝8825000mAh。此电量值即为安全使用风险的界定界限值。

设定此电池的倍率矫正参数，此电池中标准工作电流为1.0C，以此电流强度为标准，当放电电流小于1.0C时，α1＝0.9；当放电电流大于1.0C时，α2＝1.2。设定此电池的温度矫正参数，T＜-20℃时，βa＝7.5；-20℃≤T＜0℃时，βb＝2.0；0℃≤T＜45℃时，βc＝1.0；45℃≤T≤80℃时，βd＝0.9。

经过一段时间的使用之后，电池的电子电量监控软件分析出电池使用中，在T＜-20℃时，电池在小于1.0C的电流下共放出过50000mAh的电量，在大于1.0C的电流下共放出过12500mAh的电量；-20℃≤T＜0℃时，电池在小于1.0C的电流下共释放出80000mAh的电量，在大于1.0C的电流下共释放出过65000mAh的电量；0℃≤T＜45℃时，电池在等于1.0C的电流下共释放出6700000mAh的电量，大于1.0C的电流下共释放出1100000mAh的电量；45℃≤T≤80℃时，电池在小于1.0C的电流下共释放出63000mAh的电量。通过设定程序可以计算出：

Q_计量＝(50000*0.9+12500*1.2)*7.5+(80000*0.9+65000*1.2)*2.0+(6700000*1.0+1100000*1.2)*1.0+63000*0.9*0.9＝8821030mAh

即：Q_计量＜Q_标准，且Q_标准-Q_计量＝3970mAh。

以此判断本锂离子电池在经历了高低温循环使用以后，还能继续使用。但是需要注意的是本电池只残余3970mAh的电量，在附图3中的Cap(F-30)和C-30将存在不同的表现形式，如：

T＜-20℃时，在1.0C的情况下电池只需再释放出529.3mAh的电量，电池的使用风险将出现剧增，此时的电池放电容量、电池电阻及电池电压均较低；

-20℃≤T＜0℃时，在1.0C的情况下电池只需释放出1985mAh的电量，电池的使用风险将出现剧增，此时的电池放电容量、电池电阻及电池电压均较低；

0℃≤T＜45℃时，在1.0C的情况下电池需要释放出3970mAh的电量，电池的使用风险将出现剧增，此时的电池放电容量偏低，电池电阻及电池电压降接近正常水平；

45℃≤T≤80℃时，在1.0C的情况下电池需释放出4411.1mAh的电量，电池的使用风险将出现剧增，此时的电池放电容量高于标准容量80％的数值同时电池电阻和电压均可以处于合理水平。

总结上述四种情况，即在电池放电容量、电池电阻及电池电压会受到外界干扰，唯有通过矫正的电量才能统一衡量标准，以准确的判断出电池的使用风险值是否达到界定标准。

在此过程中电子电量监控及报警设备实时控制电池与电路的连接状态，当电池电量的统计水平低于电池设定的标准水平时，电池处于低风险使用状态，电池可以持续为工作电路提供电量，报警设备处于休眠状态；当电池电量的统计水平等于或大于电池设定的标准水平时，电池处于高风险使用状态，如果继续使用电池未工作电路提供电量，报警设备将开启报警，提醒消费者谨慎使用。

实施案例二

某消费电子类电池规定为在23±2℃的条件下，以0.5C/0.5C(1C＝电池标准容量/1小时)为标准充放电强度的电流下在3.0V-4.2V的电压区间内充电容量为1600mAh，在此标准条件下循环800次后电池由3.0V满充电至4.2V的容量不少于电池标准容量的80％，其电池容量衰减曲线如图2所示，即Cap(I-20)＝1600mAh；Cap(F-20)＝1280mAh，C-20＝800cycle；参考图2，可对应求出R≈47.87。即要求锂离子电池正负极材料在使用过程中一共能够脱出的电子电量总和为Q_标准＝1062093mAh。即此电量值将被设定为安全使用界定标准值。

设定此电池的倍率矫正参数，此电池中标准工作电流为0.5C，以此电流强度为标准，当充电电流小于0.5C时，α1＝0.8；当充电电流大于0.5C时，α2＝1.1。

设定此电池的温度矫正参数，T＜-20℃时，βa＝6；-20℃≤T＜0℃时，βb＝1.5；0℃≤T＜45℃时，βc＝1；45℃≤T≤80℃时，βd＝0.85。

经过一段时间的使用之后，电池的电子电量监控软件分析出电池使用中，在T＜-20℃时，电池未发生过充电；-20℃≤T＜0℃时，电池未发生过充电；0℃≤T＜45℃时，电池在小于0.5C的电流下共存储出了310450mAh的电量，在等于0.5C的电流下共存储了449033mAh的电量，在大于0.5C的电流下共存储了313000mAh的电量；45℃≤T≤80℃时，电池在小于0.5C的电流下共存储了30000mAh的电量。通过设定程序可以计算出：

Q_计量＝(310450*0.8+449033*1.0+330000*1.1)*1.0+30000*0.8*0.85＝1062093mAh

即：Q_计量＝Q_标准。

在此情况下统计得出的电子电量等于设定的电池标准电量。电子电量监控及报警设备将直接提醒电池使用者电池已经处于高风险使用状态。此时电池对工作电路的电量供应即使在高温状态下，电池依然能够表现出电池电量大于电池标准容量80％的情况或者电池的电阻及电压均符合电池的使用标准，电池依然被判定为达到安全使用界定标准。所以电量的评估相对于电阻、电压或者容量的评估更加准确有效。

综上所述，电池电量监控及报警设备通过使用的电子电量统计及温度和倍率修正至标准条件下，通过设备分析统计电量与设定的标准电量之间的关系判断电池的使用风险，当统计电量小于标准电量时，电池处于低风险使用状态；当统计电量等于或者大于标准电量时，电池处于高风险使用状态。使用本发明的方法和设备能够有效判断出电池安全使用界限，并能通过报警设备提醒电池使用者在低风险使用状态放心使用在高风险状态谨慎使用，进而达到保护消费者的目的。

根据上述原理，本发明还可以对上述具体实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种锂离子电池使用安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：设定锂离子电池在标准使用状态下电子存储或者释放总量＝Q_标准；

B：设定其中t为1-∝，代表充电和\或放电的次数的正整数；Capacity(t)代表在某一状态下锂离子电池由上一状态至此状态存储或者释放的电子总量；

C：设定

D：设定当Q_计量＜Q_标准时，锂离子电池为低风险继续工作状态，当Q_计量＝Q_标准时，锂离子电池达高风险临界点，开始报警，当Q_计量＞Q_标准时，已处于高风险使用状态，报警装置持续报警；

所述步骤C中，所述α为标准函数倍率修正系数，在0.8至1.2之间取值；所述β为标准函数温度修正系数，设定T＜-20℃时，βa＝5-10；-20℃≤T＜0℃时，βb＝1.1-2.5；0℃≤T＜45℃时，βc＝1；45℃≤T≤80℃时，βd＝0.8-0.9；Capacity(ta)为当T＜-20℃时，电池在小于、等于或者大于标准工作电流下存储或者释放的电量；设定Capacity(tb)为当-20℃≤T＜0℃时，电池在小于、等于或者大于标准工作电流下存储或者释放的电量；设定Capacity(tc)为0℃≤T＜45℃时，电池在小于、等于或者大于标准工作电流下存储或者释放的电量；设定Capacity(td)为45℃≤T≤80℃时，电池在小于或者等于标准工作电流下存储或者释放的电量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锂离子电池标准使用状态为锂离子电池在23±2℃的温度下以稳定的工作电流进行完整的充放电，并保持此种工作环境和工作条件进行持续工作的状态。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，所述

其中，t代表电池某一使用状态，充电或者放电的次数，t为正整数；Capacity(t)代表在某一状态下锂离子电池由上一状态至此状态存储或者释放的电子总量；Cap(I-11)表示电池在I-11圈循环后对应状态下所释放的容量，Cap(I-12)表示电池在I-12圈循环后对应状态下所释放的容量；Cap(F-10)代表电池在截止状态F-10下所释放的容量；C-11表示锂离子电池循环使用C-11圈后的放电状态，C-12表示锂离子电池循环使用C-12圈后的放电状态，C-10表示锂离子电池循环使用C-10圈后的放电状态，C-1n表示锂离子电池循环使用C-1n圈后的放电状态，其中n为正整数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，其中，所述R代表电池的电子存储或者释放能力随时间自然对数变化时的修正系数，取值范围为0＜R＜100；C-20代表电池循环使用C-20圈后的放电状态；Cap(I-20)表示电池起始状态Cap(I-20)所释放的标准容量。

5.如权利要求1所述方法的安全报警装置，其特征在于，至少一电池分别连接有过充保护电路、过放保护电路、过压保护电路、过流保护电路及电子电量监控及报警设备，所述至少一电池，还连接有温度感应及控制电路，用于实时检测并发送环境温度数据，当环境温度数据超出正常工作温度范围时，截断电路；

所述过充保护电路、所述过放保护电路、所述过压保护电路及所述过流保护电路用于保护电池始终在合理的电压和电流范围内正常工作；所述电子电量监控及报警设备，用于电池使用电流大小与对应使用时间乘积的加和，经过矫正，完成对电池电子存储或者释放的统计；所述电子电量监控及报警设备还连接有电池充放电工作电路，用于控制电池的充放电；在所述电子电量监控及报警设备中，设定电子电量参数Q_标准，并根据电池设计体系的不同设定倍率修正系数α以及温度修正系数β；根据实际的使用情况根据温度感应及控制电路进行电量修正，将统计的电量规统至标准电量上，做出系统计算得出Q_计量；通过Q_计量与Q_标准之间的关系，判断电池使用风险是否超过设定标准。