CN103383435A

CN103383435A - 锂离子蓄电池电量在线动态测量系统及方法

Info

Publication number: CN103383435A
Application number: CN2013101506478A
Authority: CN
Inventors: 袁明辉; 卢成; 黄鑫; 陈长英; 张益斌; 巩艳庆
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2013-11-06

Abstract

一种锂离子蓄电池电量测量系统，用于对工作中的锂离子蓄电池电量进行在线动态测量和修正，降低测量的误差，其特征在于，具有:电压电流采集模块、温度采集模块、处理模块、显示模块以及稳压电路。电压电流采集模块采集N组同一个时间点上的蓄电池端电压和干路电流数据并传输到处理模块；处理模块对上述数据进行最小二乘法拟合，得到U-I曲线并计算得到锂离子蓄电池电动势ε和内阻r;定时采集锂离子蓄电池内部温度数据；根据蓄电池电动势ε采用分区线性处理得到锂离子蓄电池的荷电状态；根据蓄电池内阻r和内部温度T，采用分区线性处理分别对荷电状态进行老化修正和温度修正，得到在时间点上蓄电池电量的实时数据。

Description

锂离子蓄电池电量在线动态测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子蓄电池电量在线动态测量系统及方法。

背景技术

随着锂离子蓄电池的广泛应用，其电量的在线动态测量变得越来越重要。传统的电量测定技术主要以测量开端电压(OCV)为基础，在测定性能上有明显的局限性。首先，以测量开端电压为基础的方案不能在线动态测量，而且随着时间的推移，它会受到蓄电池内阻变化的影响;同时由于锂离子蓄电池的化学特性，在特定范围内，温度越高，活性越高，可放出的电量也就越多，反之越少。动态负载条件和温度变化可能致使测定的误差高达50%。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供低误差的锂离子蓄电池电量在线动态测量系统以及该系统使用的测量方法。为了达到以上目的，本发明采取了以下系统。

锂离子蓄电池电量测量系统，用于对工作中的锂离子蓄电池电量进行在线动态测量和修正，降低测量的误差，其特征在于，具有:电压电流采集模块，用于采集蓄电池端电压和干路电流的数据;温度采集模块，用于采集蓄电池内部温度相关的数据;处理模块，用于接收并处理电压电流采集模块和温度采集模块所采集到的数据，输出处理结果;显示模块，用于显示处理结果;以及稳压电路，用于输出稳定的电压，为电压电流采集模块、温度采集模块、处理模块和显示模块供电并提供基准电压。

进一步，本发明采用了以下方法在线动态测量锂离子蓄电池电量，其特征在于，具有以下步骤:电压电流采集模块采集N组同一个时间点上的蓄电池端电压和干路电流数据并传输到处理模块;处理模块对N组蓄电池端电压和干路电流数据进行最小二乘法拟合，得到U-I曲线;温度采集模块定时采集蓄电池内部温度数据并传输到处理模块。处理模块根据U-I曲线计算得到在时间点上锂离子蓄电池电动势ε和内阻值r;处理模块根据蓄电池电动势ε采用分区线性处理得到锂离子蓄电池的荷电状态;处理模块根据蓄电池内阻r采用分区线性处理对荷电状态进行老化修正;处理模块根据蓄电池的内部温度T，采用分区线性处理对荷电状态进行温度修正，得到在时间点上蓄电池电量的实时数据。

发明的有益效果

因为本发明采用了采用荷电状态(SOC)来表示锂离子蓄电池的电量，同时根据蓄电池内阻和温度对蓄电池电量进行修正，消除了传统的锂离子蓄电池电量测定技术中造成误差的因素，使测量误差大大降低，所以本发明提供了一种低误差的锂离子蓄电池电量在线测量系统以及该系统使用的测量方法。

附图说明

图1是本发明涉及的锂离子蓄电池在线动态测量系统结构示意图;

图2是本发明涉及的锂离子蓄电池在线动态测量系统具体实施方式中稳压电路、处理模块以及显示模块中LED分段式显示装置的结构示意图;

图3是本发明涉及的锂离子蓄电池在线动态测量系统具体实施方式中电压电流采集模块的结构示意图;

图4是本发明涉及的锂离子蓄电池在线动态测量系统具体实施方式中温度采集模块的结构示意图;

图5是本发明涉及的锂离子蓄电池在线动态测量系统具体实施方式的显示模块中LCD文字显示装置的结构示意图;

图6是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法中U-I曲线示例图;

图7是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法具体实施方式中SOC-ε关系曲线图;

图8是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法具体实施方式中锂离子蓄电池SOC值与电动势对照表；

图9是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法具体实施方式中老化修正对照表；

图10是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法具体实施方式中温度修正对照表。

具体实施方式

下面根据附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1是本发明涉及的锂离子蓄电池在线动态测量系统结构示意图。

如图1所示，Source为锂离子蓄电池正极，A为稳压电路用于为系统中其他模块提供电压稳定的电源和测量所用的基准电压;B为处理模块，用接收和处理数据，并输出结果;C为温度采集模块，用于采集电池温度数据;D为显示模块，用于显示处理模块B输出的结果;E为电压电流采集模块，用于采集电池端电压和干路电流的数据。

图2～5是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在想动态测量系统具体实施方式各部分的示意图，其中，图2是稳压电路、处理模块以及显示模块中LED分段式显示装置的结构示意图;图3是电压电流采集模块的结构示意图;图4是温度采集模块的结构示意图;图5是显示模块中LCD 文字显示装置的结构示意图。在图2～5中，VCC表示稳压电路的输出+5V的稳定电压，GND表示接地，其他各相同的标识分别表示不同模块的连接点，例如Source为锂离子蓄电池的正极，图2和图3中标有Source处均连接在锂离子蓄电池的正极上。

如图2所示，Source为锂离子蓄电池的正极;S1为测量系统电源开关;S2为复位按钮;C6、C7、ClO为电解电容;C8、C9、Cll为瓷片电容;Yl为晶振;7805为稳压器，输出稳定的+5V电压;R18为分压电阻，提供复位电压;Dl-D8是LED发光二极管;Yl为晶振;MCU为带有A/D转换接口的单片机处理器，用于储存和处理数据;R13-R21为限流电阻，保护LED发光二极管。其中电解电容C6和C7、瓷片电容C8以及稳压器7805组成稳压电路，给单片机MCU供电并为电压、电流和温度三个测量模块提供基准电压;电解电容C１0、复位按钮S2以及分压电阻R18组成复位电路，确保处理器电路稳定可靠的工作;晶振Yl和瓷片电容C9、C11组成晶振电路，提供单片机工作所需的时钟信号;LED发光二极管Dl～D8和限流电阻R13～R21组成LED分段式显示装置，分段式显示锂离子蓄电池电量。其中复位电路、晶振电路以及单片机MCU组成处理模块。

如图3所示，LM358为集成运算放大器，用于测量锂离子蓄电池工作时的路端电压与干路电流;R2，R5是分压电阻，与电容C3组成电压测量电路，其中R5，C3构成RC滤波网络，起抗纹波干扰的作用，R5上的电压作为电压跟随器的输入电压，分压比为R5/(R2+R5)，U_com是集成运算放大器LM358中电压跟随器的输出信号，直接输入单片机的Pl口，经A/D转换成数字信号，对锂离子蓄电池的端电压进行测量;电阻R7、R8、R9、RlO、R_L以及电容C4、C5组成电流测量电路，其中R_L 为外接负载，串联接入电流测量电路，R9、R10为几毫欧到十几毫欧的电流采样电阻，，由于电流采样电阻上的电压很小，故采用电阻R8、R7和电容C4、C5构成的二阶RC滤波网络，抗纹波干扰性能好;电阻R1、R3、R4和电容C1、C2构成了正向比例放大器的输出级，对R9、R10上的并联电压作为集成运算放大器LM358中正向比例放大器的输入信号，I_com是正相比例放大器的输出信号(放大倍数等于1+R2/R3)，I_com输入单片机的P1口，经A/D转换成数字信号，获得采样电阻R9//R10(毫欧级)上的电压，再计算出干路电流值。其中图3中标有U_com和I_com的信号输出端分别与图2中单片机MCU处理器上标有U_com和I_com的P1口相连。

如图4所示，R12为分压电阻;RTl为NTC热敏电阻，设置在蓄电池的内部;T_com与图1中单片机上标有T_com的P1口连接，将热敏电阻上的电压信号进行A/D转换输入单片机MCU并由其计算出相应的温度值。

如图5所示，LCD显示装置通过数据总线D0～D7与单片机MCU上标有D０～D7的PO口相连，接收单片机MCU输出的信号，显示蓄电池SOC、温度和可使用时间等的信息;R１１是可变电阻，用于保护LCD显示装置。

图6是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法中U-I曲线示例图；图7是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法具体实施方式中SOC-ε关系曲线图；图8是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法中锂离子蓄电池SOC值与电动势对照表；图9是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法中老化修正对照表；图10是本发明涉及的锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法中温度修正对照表。

实验检测锂离子蓄电池不同荷电状态SOC下对应的电动势值，根据实验结果得到图7，如图7所示，SOC与电动势值成分区线性相关，总结不同分区线性关系，得到图8；实验检测电池内阻、温度与锂离子蓄电池荷电状态的关系，结果显示，电池内阻、温度与锂离子蓄电池荷电状态成分区线性相关，总结不同分区线性关系，得到图9、10。

工作时，首先通过电压电流采集模块采集N组R5上的电压U1和R9、R10两端的电压的放大数据U2，传输到单片机，计算得到蓄电池的端电压U_n和R9、R10的干路电流即电池内电流I_n；根据蓄电池端电压和电池内电流数据，以最小二乘法拟合，得到如图5所示的U-I曲线，同时求得并保存蓄电池初始内阻r₀；然后开始锂离子蓄电池电量的在线动态测量，采集N组一个时间点上R5上的电压和R9、R10两端的电压的放大数据，传输到单片机，由其计算出实时的蓄电池端电压和电池内电流，求的实时的蓄电池电动势ε和蓄电池内阻r；温度采集模块定时采集热敏电阻RT1上的电压，传输到单片机，由其计算出电池内的温度；单片机根据锂离子蓄电池电动势ε值并参照图8采用分区线性处理得到锂离子蓄电池的荷电状态SOC；单片机根据锂离子蓄电池内阻r值并参照图9采用分区线性处理对荷电状态进行老化修正；单片机根据锂离子蓄电池温度并参照图10采用分区线性处理对荷电状态SOC进行温度修正，从而得到锂离子蓄电池实时的荷电状态；单片机将荷电状态SOC的信号传输到显示模块进行显示。

下面参照图8～10举例说明在计算荷电状态并进行老化修正和温度修正的过程，ε=4V，r=1.4r₀，I=0.2A，温度50℃。首先对照图8，电动势处于3.98V～4.06V区间，即所对应的SOC处于80%～90%区间，而在此区间内电动势变化与SOC变化成线性关系，则此时对应的SOC₀=80%+(90%-80%)×(4-3.98)/(4.06-3.98)=82.5%；对照图9，内阻比值处于1.2～1.6区间，电流0.1A<I<0.5A，此时修正因子在99%～96%区间，而在此区间内修正因子的变化与内阻比值的变化成线性关系，则此时的老化修正因子P_r=99%-(99%-96%)×(1.4-1.2)/(1.6-1.2)=97.5%；对照图10，温度处于40℃～60℃区间，而在此区间内修正因子的变化与温度变化成线性关系，则此时的温度修正因子P_t=105%+(112%-105)%×(50-40)/(60-40)=108.5%；综上，此时的实时电池荷电状态SOC=SOC₀×P_r×P_t=82.5%×97.5%×108.5%=87.3%。

以上只是本发明的一个具体实施例，并不是用来限制本发明的实用范围，凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims

1.一种锂离子蓄电池电量测量系统，用于对工作中的锂离子蓄电池电量进行在线动态测量和修正，降低测量的误差，其特征在于，具有:

电压电流采集模块，用于采集所述蓄电池端电压和干路电流的数据;

温度采集模块，用于采集所述蓄电池内部温度相关的数据;

处理模块，用于接收并处理所述电压电流采集模块和所述温度采集模块所采集到的数据，输出处理结果;

显示模块，用于显示所述处理结果;以及

稳压电路，用于输出稳定的电压，为所述电压电流采集模块、所述温度采集模块、所述处理模块和所述显示模块供电和提供基准电压。

2.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池电量测量系统，其特征在于:

其中，所述电压电流采集模块具有，

电压测量电路，用于测量所述端电压;以及

电流测量电路，用于测量所述干路电流。

3.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池电量测量系统，其特征在于:

其中，所述温度采集模块具有，

热敏电阻，设置于所述蓄电池内，通过电阻值的变化反应所述蓄电池内部的温度;以及

分压电阻，与热敏电阻串联，用于保护热敏电阻。

4.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池电量测量系统，其特征在于:

其中，所述处理模块具有，

处理器，用于接收并处理所述电压电流采集模块和所述温度采集模块所采集到的数据，输出处理结果;

复位电路，用于确保所述处理器电路稳定可靠的工作;以及

晶振电路，用于提供所述处理器运行的时钟信号。

5.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池电量测量系统，其特征在于:

其中，所述显示模块具有，

LED分段式显示装置，直观显示所述蓄电池电量;以及

LCD文字显示装置，精确显示所述蓄电池电量、温度和可使用时间的信息。

6.一种用于锂离子蓄电池电量在线动态测量的方法，其特征在于，具有以下步骤:

所述电压电流采集模块采集N组所述蓄电池端电压和干路电流数据并传输到所述处理模块;

所述处理模块对所述N组蓄电池端电压和干路电流数据进行最小二乘法拟合，得到U-I曲线并计算出蓄电池电动势ε和内阻值r;

在一个时间点上，所述电压电流采集模块采集所述锂离子蓄电池端电压和干路电流并传输到所述处理模块，所述温度采集模块采集所述蓄电池内部温度数据T并传输到所述处理模块，所述处理模块根据所述U-I曲线得到在所述时间点上所述锂离子蓄电池电动势ε和内阻值r;

所述处理模块根据所述蓄电池电动势E采用分区线性处理得到所述锂离子蓄电池的荷电状态;

所述处理模块根据所述蓄电池内阻r采用分区线性处理对所述荷电状态进行老化修正;

所述处理模块根据所述蓄电池的内部温度T，采用分区线性处理对所述荷电状态进行温度修正，得到在所述时间点上所述蓄电池电量的实时数据。