CN103823191B - 一种计算锂离子电池组可用剩余容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种计算锂离子电池组可用剩余容量的方法，在充电时检测出电池当前的电压，和当前电池剩余容量与电压的相对变化率。根据不同寿命时的电池容量与电压的相对变化率，可得到锂离子电池换算到标准情况下的等效充电次数n，从而根据等效充电次数n得出当前锂离子电池的使用次数。再根据使用次数与电池可用剩余容量的一一对应关系，得到电池的可用剩余容量。相对于现有技术中的电池容量计算方法的区别是避免因电池老化对可用剩余容量计算的影响，具有判断方法快捷，简便，可靠性高的优点。

Description

一种计算锂离子电池组可用剩余容量的方法

技术领域

本发明创造涉及电池容量指示方法和剩余容量的指示装置，特别是计算锂离子电池组可用剩余容量的方法，适用于指示用于向电子装置供应电压的电源的充放电电池的剩余容量。

背景技术

能源枯竭和环境污染已经成为当前社会亟待解决的问题。电动汽车以其独特的节能环保的优势引起越来越多国家的重视。在电动汽车及其他动力电池应用场合，锂离子电池以其无可比拟的优越性能，成为了未来动力电池的首选。

电池管理系统(BMS)是电动汽车中越来越重要的关键部分，但是我国在这方面的研究还刚刚起步，即使在美国等汽车工业发达国家，其研制工作也并不完善。在电能储存方面还有很多问题不能解决，动力电池的荷电状态（StateofCharge，简称SOC）是表征电池状态的重要参数之一。准确计量SOC是电池安全和优化控制充放电能量的保证。

电池的可用剩余容量和电池的剩余电量是存在区别的，电池剩余容量指电池在使用一段时间后所具有的可用剩余容量。而剩余电量是电池每次充放电过程中的一个动态变量，与电池电压存在着一种正相关的关系。当前许多SOC估算策略都是对电池剩余电量进行估计。

由于电池的老化，其可用剩余容量会随着使用次数的增加而减小，而SOC检测大多都忽略了这一变化，导致电池在使用多次后SOC测量出现了偏差。而目前常用的开路电压检测法和电流积分法则需要人为主动频繁的对电池可用剩余容量进行更新，比较麻烦。如何设计出使电池管理系统（BMS）能够自动更新当前的电池寿命情况，既简单，又可以避免老化对SOC估算精度的影响的系统是本发明创造要解决的问题。

发明内容

本发明创造要解决的问题是提供一种计算锂离子电池组可用剩余容量的方法，该方法基于长期对锂离子充放电数据的分析，可靠性较高。

为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：计算锂离子电池组可用剩余容量的方法，步骤如下：

①制表：将电池剩余容量、电压的变化率电池电压U和电池充放电次数n统计在一张表中作为表1；将电池充放电次数n和电池可用剩余容量Q_F统计在一种表中作为表2；

②采集电压信号：电压采集模块在电压检测定时器的触发下采集锂离子电池组的电压信号U；

③采集充电电流信号：电流采集模块在电流检测定时器的触发下采集锂离子电池的充电电流信号i；

④对电流采样N次后，计算电池剩余电量对电池电压的变化率

⑤查表：查表1的到电池充放电的次数n，再查表2得到电池可用剩余容量Q_F。

进一步，启动步骤②中电压检测定时器timer0，产生1s的中断，每1s对电池两端的电压U进行采样。

进一步，当电池电压大于等于U₀=4.0V时，启动步骤③中电流检测定时器timer1，产生30s中断，每30s对充电电流i进行采样一次，采样结束后计算30s内的充电电量Q，即Q_n=i_n×△t。

进一步，步骤④中电池剩余电量对电池电压的变化率 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dU}}=\frac{i_1\×\mathrm{\Δt}+i_2\×\mathrm{\Δt}+...+i_N\×\mathrm{\Δt}}{U_N-U_O},$ 其中U_N为当前的电池电压。

实现计算锂离子电池组可用剩余容量的方法的装置，包括：

控制器，用于存储表1和表2并运行运算与查表程序；

电压检测定时器，设定电压采集模块的采样频率；

电压采集模块，在电压检测定时器的触发下采集锂离子电池组的电压信号并上传给控制器；

电流检测定时器，设定电流采集模块的采样频率；

电流采集模块，在电流检测定时器的触发下采集锂离子电池的充电电流信号并上传给控制器。

以下是对本方法研究过程：

基于长期对锂离子充放电数据的分析，发现锂离子电池在不断的充放电过程中，其可用剩余容量一直在下降，在这个动态过程中，锂离子电池充放电2000次后可用剩余容量为总容量的80%，下降了20%，说明电池的容量已经明显下降。电池的充放电次数与可用剩余电量存在着一一对应的关系。

通过研究并记录锂离子电池在标准情况下充电时电池电压和电池剩余电量形成正相关的对应关系，随着电池电压的升高，电池剩余电量在逐渐升高，并且随着电压的升高，剩余电量的增长率在不断的下降。通过对一组动力电池进行长期的充放电循环试验，发现随着电池使用次数的不断增加，在相同电压情况下，电池剩余电量相对于电压的变化率在不断的减小。这个变化率与电池的充电次数也是一种一一对应的关系。

因为电池剩余电量相对于电压的变化率和充电次数是相对应的关系，在已知变化率和电压的情况下，可以查表得出电池的充电次数。锂离子电池的可用剩余电量与锂离子电池在标准情况下的充电次数可以得到一个对应关系，所以衡量一节电池寿命或健康状况，可以将电池当前使用状态换算到电池在标准充放电条件下n次充放电后电池对应的可用剩余容量值，进而估算出当前电池的可用剩余容量。

本发明创造具有的优点和积极效果是：本发明创造公开的计算锂离子电池组可用剩余容量的方法以及装置，考虑到电池老化对可用剩余容量计算的影响，通过对一组动力电池进行长期的充放电循环试验，得到显示电池剩余容量相对于电压的变化率与电池电压U关系和电池充放电次数n和显示电池充放电次数n和电池可用剩余容量Q_F关系的两张数据表，在已知电压变化率和电压的情况下，可以查表得出电池的充电次数。锂离子电池的可用剩余电量与锂离子电池在标准情况下的充电次数可以得到一个对应关系，所以衡量一节电池寿命或健康状况，可以将电池当前使用状态换算到电池在标准充放电条件下n次充放电后电池对应的可用剩余容量值，进而估算出当前电池的可用剩余容量。相对于现有技术中的电池容量计算方法具有判断方法快捷，简便，可靠性高的优点。

附图说明

图1是锂离子电池可用剩余容量检测的流程图；

图2是锂离子电池满充容量与电池电压以及充放电次数的关系示意图；

图3是锂离子电池满充容量的动态变化过程示意图；

图4是锂离子电池容量变化率与电池电压以及充放电次数的关系示意图；

图5是锂离子电池容量变化率与充放电次数的关系示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明创造的技术方案做进一步说明。

具体的估算方式是：在充电时检测出电池当前的电压，和当前电池剩余容量与电压的相对变化率。根据不同寿命时的电池容量与电压的相对变化率，可得到锂离子电池换算到标准情况下的等效充电次数n，从而根据等效充电次数n得出当前锂离子电池的使用次数。再根据使用次数与电池可用剩余容量的一一对应关系，得到电池的可用剩余容量。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明如何标定当前锂离子电池在充电状态下的可用剩余容量。

一、当前锂离子电池充电状态下可用剩余容量的标定

通过研究并记录锂离子电池在标准情况下充放电时的电压U、可用剩余容量Q_F和充放电次数n的数据，可绘出附图2，附图2表明随着锂离子电池充放电次数n的不断增加，其可用剩余容量Q_F一直在下降，如附图2所示，在这个动态过程中，锂离子电池充放电2000次后满充容量为总容量的80%，下降了20%，说明电池的容量已经明显下降。同时该图还能反映出在充电过程中，充电速度（电池剩余容量的增长率）不仅与电池的电压U成负相关的关系还与电池的可用剩余容量Q_F有关系，随着电池的使用，Q_F在下降的同时，电池的充电速度也在下降。

附图3说明了锂离子电池可用剩余容量Q_F的动态变化过程，蓝色曲线表示锂离子电池在第一次充电时，电池剩余电量Q随电池电压U变化的示意曲线，随着电压的升高，曲线逐渐变缓说明电池容量增加的速率在逐渐变慢，在电池电压达到4V时，充电速度变得非常缓慢；红色曲线表示锂离子电池在第2000次充电过程中电池容量随电压变化的示意曲线。随着电池寿命的减少，电池充电的容量增加率也在不断下降，导致电池在电压达到4.2V即满充电压时电池的可用剩余电量变为电池开始时的80%，此述一电池充放电2000次为例。

由附图3可以看出锂离子电池在每次充电的过程中充电电压和剩余电量Q是一一对应关系，并成正相关的关系，同时在这2000次充电曲线中的充电电压U与曲线的斜率也是一一对应的关系，曲线的斜率反应了电池剩余电量Q相对电池电压U的变化率，随着电压的增大，斜率变的越来越小，成负相关的关系。这说明了电池剩余电量相对电压的变化率在随着充电的过程逐渐减小。

附图4可以准确反应出与电池电压U以及充放电次数n的关系，电池的充满时的电压是一定的（4.2V），而电池在使用的过程中的可用剩余容量Q_F逐渐减小，因此在电池充满的情况下电池的寿命随着电池Q_F的减小在不断减小。

如附图5所示，如果计算出电池在充电过程中电池剩余电量Q与电压U的相对变化率可得到一簇关于和充电次数n曲线，再根据当前电池的电压，即可得到当前的电池的与电池充放电次数n的曲线，可通过这条曲线得到当前锂离子电池的等效充电次数n，从而根据曲线可以估计当前锂离子电池的寿命情况。当前的电压值是已知的，那么通过图2Q_F与n的关系得出当前电池可用剩余容量Q_F。

具体流程如下：

计算锂离子电池组可用剩余容量的方法，步骤如下：

①制表：将电池剩余容量、电压的变化率电池电压U和电池充放电次数n统计在一张表中作为表1；将电池充放电次数n和电池可用剩余容量Q_F统计在一种表中作为表2；

②采集电压信号：电压采集模块AD0在电压检测定时器time0的触发下采集锂离子电池组的电压信号U；

③采集充电电流信号：电流采集模块AD1在电流检测定时器time1的触发下采集锂离子电池的充电电流信号i；

④对电流采样N次后，计算电池剩余电量对电池电压的变化率

⑤查表：查表1的到电池充放电的次数n，在查表2得到电池可用剩余容量Q_F。

启动timer0，产生1s的中断，每1s对电池两端的电压U进行采样。当电池电压大于等于U₀=4.0V时，启动timer1，产生30s中断，每30s对充电电流i进行采样一次，采样结束后计算30s内的充电电量Q，即，Q_n=i_n×△t，对电流采样N次后，计算电池剩余电量对电池电压的变化率即 $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dU}}=\frac{i_1\×\mathrm{\Δt}+i_2\×\mathrm{\Δt}+...+i_N\×\mathrm{\Δt}}{U_N-U_O}$ 其中U_N为当前的电池电压。

已知和U_N，查询表1（电池剩余电量相对于电压的变化率与电池电压U，电池充放电次数n的数据表），得到当前电池的放电次数n，在已知n的情况下查询第二张表（电池充放电次数n和电池可用剩余容量Q_F之间的数据表），得到Q_F，即电池可用剩余电量。

如附图1所示，在CPU中运行该锂离子电池组可用剩余容量的计算程序，具体流程为：

首先初始化系统，启动timer0，定时器timer0中断服务程序运行产生1s的中断；然后，判断1s是否达到，如果是，启动电压采集模块AD0，如果否，继续判断1s是否达到；启动电压采集模块AD0，对电池电压采样，判断电池电压是否达到U₀，如果是，启动timer1，定时器timer1中断服务程序运行产生30s中断；判断30s时间是否达到，如果否，重复上一步，重新判断30s是否达到，如果是，启动电流采集模块AD1，对充电电流i进行采样，采样结束后计算30s内的充电电量Q是电流对时间进行积分i*30s，计数器变量m加1，判断m是否大于等于10，如果否，重新判断30s是否达到，如果是，检测此时的电池电压U₁，对10次的电流采样值进行积分，并求出电池电量相对于电压的变化率，根据和U查表得到当前电池的放电次数n,然后，根据n和Q_F的关系，查表得到电池的可用剩余容量Q_F。

以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.锂离子电池组可用剩余容量的计算方法，其特征在于：步骤如下：

①制表：将电池剩余电量、电压的变化率电池电压U和电池充放电次数n统计在一张表中作为表1；将电池充放电次数n和电池可用剩余容量Q_F统计在一种表中作为表2；

②采集电压信号：电压采集模块在电压检测定时器的触发下采集锂离子电池组的电压信号U；

③采集充电电流信号：电流采集模块在电流检测定时器的触发下采集锂离子电池的充电电流信号i；

④对电流采样N次后，计算电池剩余电量对电池电压的变化率

⑤查表：查表1得到电池充放电的次数n，再查表2得到电池可用剩余容量Q_F。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池组可用剩余容量的计算方法，其特征在于：启动步骤②中电压检测定时器timer0，产生1s的中断，每1s对电池两端的电压U进行采样。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池组可用剩余容量的计算方法，其特征在于：当电池电压大于等于U₀时，启动步骤③中电流检测定时器timer1，产生30s中断，每30s对充电电流i进行采样一次，采样结束后计算30s内的充电电量Q，其中，U₀为设定电压阈值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的锂离子电池组可用剩余容量的计算方法，其特征在于：步骤④中电池剩余电量对电池电压的变化率其中U_N为当前的电池电压，U₀为设定电压阈值，i₁为第一次对充电电流采样的电流值，…,i_N为第N次对充电电流采样的电流值，N为自然数，Δt为对充电电流采样的时间间隔。

5.实现权利要求1至4中任一项所述的锂离子电池组可用剩余容量的计算方法的装置，其特征在于：包括：

控制器，用于存储表1和表2并运行运算与查表程序；

电压检测定时器，设定电压采集模块的采样频率；

电压采集模块，在电压检测定时器的触发下采集锂离子电池组的电压信号并上传给控制器；

电流检测定时器，设定电流采集模块的采样频率；

电流采集模块，在电流检测定时器的触发下采集锂离子电池的充电电流信号并上传给控制器。