CN104749529A - 锂电池充放电特性的标定方法及充放电特性标定仪 - Google Patents

Abstract

一种锂电池充放电特性的标定方法，包括：一、对待测锂电池恒流充电，当电池电压达到额定最高电压时，充电结束，根据计算充电结束的电量，式中，t₁为充电完成的时间，i为充电电流，η为电池效率系数，其中，η＝η_T×η_t×η_i，η_T为温度影响系数，η_t为老化系数，η_i为充放电倍率系数。对待测锂电池放电，当实时电压达到额定最低电压时，放电结束，根据计算得到最大荷电容量Q₂，式中，i为放电电流，t₂为放电结束的时间，η为电池效率系数。根据Q1和Q2对电池的初始荷电状态进行标定并绘制充电电压-SOC函数曲线，本标定方法在所提供的充放电特性标定仪中施行。本方法计算结果准确，适用范围广，所提供的充放电特性标定仪电路简单，设备小巧，操作简单。

Description

锂电池充放电特性的标定方法及充放电特性标定仪

技术领域

本发明具体涉及一种锂电池充放电特性的标定方法及施行该方法所使用的充放电特性标定仪，属于锂电池测量领域。

背景技术

与普通锂电池相比，磷酸铁锂电池具有电压高、过放能力强、循环寿命长、安全性能好、自放电少、可快速充电等优点，磷酸铁锂电池被越来越多的运用到电动车辆、电动工具、玩具、便携医疗设备、警示灯等各种移动设备中。

为了保护移动设备、延长电池的使用寿命，通常需要建立电池管理系统对磷酸铁锂电池进行管理。电池管理系统的建立需要准确估算电池的充放电特性，以建立合理的管理系统。

传统的电池充放电特性的标定主要是对荷电状态(SOC)的估算和电压-SOC曲线的绘制。其中，SOC＝Q_C/Q_I，Q_C为电池的初始电量，Q_I为电池以恒定电流I放电时所具有的最大荷电容量。

常用的估算电池SOC的方法主要是开路电压法和安时计量法。开路电压法是利用初始电量与电池开路电压之间的对应关系，拟合出初始电量与开路电压的一组函数曲线，假设最大荷电容量即是额定电量，在电池接入测量系统后测量电池开路电压，经函数运算或查表后计算出当前电池的初始电量。但磷酸铁锂电池的SOC在15％～85％时，SOC-电压的区分度明显下降，采用该方法评估磷酸铁锂电池的SOC，会出现较大的误判。专利CN03113577.3公开了一种锂电子电池电量的测定方法，该方法将电压划分为不同区间，并通过电压的变化得到电池当前的荷电状态，但是在区间内，这种算法只能给出一个二次方程的拟合结果，SOC值对应电压变化的规律并不明显，电池短时间(小于1min)的断电重连也会由于电压回升缓慢而产生较大误差，也不适于对磷酸铁锂电池的SOC进行评估。

安时计量法是用电流值在时间上的积分过程检测电池的SOC，该方法在分容仪中施行。但该方法缺少对电池老化状态的判断，认为电池的最大荷电容量为额定电量，而长时间放置的电池或在极限环境中使用的电池，最大荷电容量通常达不到额定电量，采用这样的电池测得的SOC误差较大，缺乏对电池管理系统建立的参考价值。并且，该方法仅对荷电状态进行检测，不能给出电压-SOC曲线，给出的电池充放电特性信息不全面。另外，施行该方法所用的分容仪体积较大，难以与恒温箱等环境设备共用，对环境温度引起的测量误差缺少处理方法。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种锂电池充放电特性的标定方法，以解决上述问题；本发明的目的之二是提供一种施行该方法的充放电特性标定仪。

为了解决上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种锂电池充放电特性的标定方法，该方法在充放电特性标定仪中施行，计算部分由单片机计算得到，其特征在于，包括以下三个工序：

一、充放电工序：

1.对待测锂电池恒流充电，在充电过程中实时记录电池电压数据，当该电池电压达到额定最高电压时，充电结束，充电完成所需的时间为t₁，

根据公式：由单片机实时计算每个电压数据所对应的电池电量，式中，Q₁为充电结束后的电池电量，i为充电电流，η为电池效率系数，其中，η＝η_T×η_t×η_i，η_T为温度影响系数，η_t为老化系数，η_i为充放电倍率系数，令η_i＝1；η_t＝1；当环境温度T<5℃，η_T＝0.7；当5℃≤T<15℃，η_T＝0.9；当15℃≤T<30℃，η_T＝1；当30℃≤T<55℃，η_T＝1.05；当55℃≤T，η_T＝1.1，

2.对待测锂电池进行放电，当实时电压达到额定最低电压时，放电结束，

根据公式：计算得到最大荷电容量Q₂，式中，i为放电电流，t₂为放电结束的时间，η为电池效率系数，电池效率系数的计算方法与上述电池效率系数的计算方法相同；

二、初始荷电状态的标定工序：

根据公式：Q₀＝Q₂-Q₁，计算得到待测锂电池的初始电量Q₀，

根据公式：SOC₀＝Q₀/Q₂，计算得到待测锂电池初始状态下的电荷状态SOC₀，

三、充电电压-SOC函数曲线的绘制工序：

对待测锂电池再次恒流充电，在充电过程中实时记录电池电压数据，并由单片机实时计算每个电压数据所对应的电池电量，当该电池电量达到初始电量Q₀，充电结束，

根据两次充电过程中实时记录的电池电量计算得到每个电池电量数据所对应的SOC值，将每个SOC值和所对应的电池电压数据进行整理，以SOC值为横轴，电池电压为纵轴，描点绘制得到电压-SOC函数曲线。

本发明所提供的锂电池充放电特性的标定方法还可以具有这样的特征：还包括老化系数的标定工序，

根据公式：计算得到待测锂电池的实际老化系数η_t实际，式中，C_额定为环境温度下待测锂电池的额定电量，根据实际老化系数，对待测锂电池是否老化进行判断。

施行上述标定方法的充放电特性标定仪，具有检测电路，控制器、充电源以及放电负载，其特征在于：

检测电路包括电流检测电路、电压检测电路以及温度检测电路，电流检测电路与待测锂电池相连，用于测定待测锂电池的实时电流并传递电流信息；电压检测电路与待测锂电池相连，用于测定锂电池的实时电压并传递电压信息；温度检测电路用于检测环境温度并传递温度信息；

控制器包括和充电源相连的充电控制模块、和放电负载相连的放电控制模块、存储模块以及计算模块，

充电控制模块控制充电源开始充电或停止充电；放电控制模块控制放电负载开始放电或者停止放电；存储模块与电流检测电路、电压检测电路以及温度检测电路相连，用于接收并存储电流信息、电压信息及温度信息；计算模块与存储模块相连，对电流信息、电压信息及温度信息进行计算和处理。

上述充放电特性标定仪还可以具有这样的特征：控制器还包括设定模块和与该设定模块相连的比较模块，设定模块用于设定待测锂电池的额定最低电压及额定最高电压，比较模块还与存储模块、充电控制模块、以及放电控制模块相连，将存储模块接收到的电压信息与设定模块设定的额定最低电压或额定最高电压进行比较，并根据比较结果对充电控制模块以及放电控制模块进行控制。

上述充放电特性标定仪还可以具有这样的特征：还具有与控制器相连的显示器，该显示器用于显示电池电压、电池电量以及电压-SOC函数曲线。

与背景技术相比，本发明所提供的锂电池充放电特性的标定方法的优点和积极效果如下：

1.计算结果准确

由于在环境温度过高时，锂电池电解液活性增大，离子扩散运动能力增强，实际可用电量增大，而在环境温度过低时，电池温度下降，实际可用电量减小，本发明的标定方法在计算过程中根据环境温度对计算数据进行温度补偿，采用温度影响系数对充入电荷量Q₁和最大荷电容量Q₂进行校正，采用校正后的充入电荷量Q₁和最大荷电容量Q₂标定初始荷电状态及绘制充电电压-SOC函数曲线，而不是简单的采用额定电量作为最大荷电电量进行计算，计算结果准确，不仅可以用于电池管理系统的建立，还可以作为其他SOC算法的标准，为其他算法准确与否提供评判依据。

2.可用于磷酸铁锂电池充放电特性的标定

本方法以充放电电流和时间为特征参数计算SOC，避免了电压平坦区特性带来的影响，不仅可以准确的标定普通锂电池的充放电特性，还可以标定磷酸铁锂电池的充放电特性，适用范围广。

另外，施行本发明的方法的充放电特性标定仪具有电流检测电路以及电压检测电路，可以实时监测待测锂电池的电压和电流，存储模块能够存储电流信息和电压信息，与背景技术相比，该充放电特性标定仪能够给出全面的电池运行状态数据，不仅能得到待测锂电池的SOC、也能绘制得到SOC-电压曲线。并且，本发明所提供的充放电特性标定仪电路简单，设备小巧，与分容仪相比，不仅自身体积较小，也不需要与恒温箱等环境设备共用；操作简单，完成完整的充放电周期后，电池的充放电特性与相关参数均已测得。

附图说明

图1为本发明所涉及的充放电特性标定仪在实施例中的结构框图；

图2为实施例中电流检测电路的电路图；

图3为实施例中充电控制电路的电路图；

图4为实施例中放电控制电路的电路图；以及

图5为实施例中锂电池充放电特性的标定方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的锂电池充放电特性的标定方法及施行该方法所使用的充放电特性标定仪做进一步说明。

<实施例>

图1为本发明所涉及的充放电特性标定仪在实施例中的结构框图。

本实施例所提供的锂电池充放电特性的标定方法在如图1所示的充放电特性标定仪10中施行。

充放电特性标定仪10具有检测电路11，控制器12(在本实施例中为单片机)、充电源13、放电负载14、以及显示器16。

检测电路11包括与待测锂电池15相连的电流检测电路111、与待测锂电池15相连的电压检测电路112以及温度检测电路113。电流检测电路111用来测定待测锂电池15的实时电流并传递电流信息。电压检测电路112用来测定锂电池18的实时电压并传递电压信息。温度检测电路113用于检测环境温度并传递温度信息。

图2为实施例中电流检测电路的电路图。

如图2所示，电流检测电路111具有运算放大器114、六个比例电阻117、以及三极管115。运算放大器114型号为LMV932，工作电压1.8V～5V，输出电流100mA，将电流放大并通过三极管115传递至单片机12的ADC引脚116，单片机12读取ADC值后与内部参考源比较计算后得到充电电流，六个比例电阻117包括第一比例电阻117-a、第二比例电阻117-b、第三比例电阻117-c、第四比例电阻117-d、第五比例电阻117-e、以及第六比例电阻117-f。第一比例电阻117-a、第二比例电阻117-b、第三比例电阻117-c、第四比例电阻117-d均为1k欧，第四比例电阻117-d和第五比例电阻117-e为20k欧。充电电流在第一比例电阻117-a、第二比例电阻117-b两端形成压降，放电电流在第三比例电阻117-c、第四比例电阻117-d两端产生压降。

如图1所示，控制器12包括设定模块121、充电控制模块122、放电控制模块123、存储模块124、计算模块125、比较模块127以及图中未显示的输入模块。

设定模块121用于设定待测锂电池的额定最低电压及额定最高电压；存储模块124与电流检测电路111、电压检测电路112以及温度检测电路113相连，用于接收和存储电流信息、电压信息及温度信息；计算模块125与存储模块124相连，对存储模块124存储的电流信息、电压信息及温度信息进行计算处理，得到待测锂电池15的SOC、电压-SOC曲线以及老化系数；比较模块127与设定模块121、存储模块124、充电控制模块122以及放电控制模块123相连，将存储模块124接收到的电压信息与设定模块121设定的电压信息进行比较和判断，并根据判断结果对充电控制模块122以及放电控制模块123进行控制。

充电控制模块122通过充电控制电路与充电源13和待测锂电池15相连，控制充电源13对待测锂电池15恒流充电或停止充电。

图3为实施例中充电控制电路的电路图。

如图3所示，充电控制电路包括单片机的PWM输出引脚连接口151、PWM信号经过放大电路152生成控制信号，该控制信号控制三极管153和三极管154是否处于导通状态，三极管153和三极管154的场效应管为Si2301，P沟道MOSFET，最大功耗1.25W，栅极门限电压2.5V，漏源电压-20V，三极管153和三极管154构成两级稳压电路。单片机12的PWM脉冲控制场效应管的导通能力，控制从A处进入电路的充电电流，在保护待测锂电池的前提下尽量增大充电效率。保护电路155在充电电压过高时保护电池避免损坏，在未接入充电源时切断充电电路，防止充电电路分压导致电池状态测量出现误差，同时避免了电池能量的损耗，设有电感156，电感156的型号为LGB0810，电感量为10uH～100mH，额定电流为28mA～5.0A，工作温度在-20℃～80℃。在电感156的左端与接地之间以及电感156的右端与锂电池15正极之间设有二极管，用于防止反向电流，所用二极管型号为1N5819，反向击穿电压为40V，正向平均可持续电流为1A，正向压降0.6V。在该充电控制电路中，单片机12通过ADC电压控制三极管的开关特性，应当结束充电时单片机12的电压跳转，三极管关断，阻断充电电流，充电结束。

放电控制模块123通过放电控制电路与放电负载14和待测锂电池15相连，控制放电负载14对待测锂电池15放电或停止放电。

图4为实施例中放电控制电路的电路图。

如图4所示，B处连接单片机12的输入/输出引脚，通过该输入/输出引脚，单片机12模拟一个PWM脉冲波作为控制信号，场效应管141和场效应管142构成两级稳压电路，减小放电电流的波动，提高电流的测量精度，所用型号与充电控制电路相同。

如图1所示，显示器16及均与控制器12相连，显示器16用于显示待测锂电池15的实时电池电量、实时电池电压、初始SOC、电压-SOC曲线、以及老化系数。

图5为实施例中锂电池充放电特性的标定方法的流程图。

在对待测锂电池15的充放电特性进行标定时，首先将待测锂电池15接入充放电特性标定仪10中，在输入模块中输入该待测锂电池15的电池种类、额定电量(C_额定)、和充放电电流，并根据电池种类确定标称电压、额定最高电压及额定最低电压，在设定模块121中设定最小电压值及最大电压值。

再根据如图5所示方法，对充放电特性进行标定。具体工序为：

一、充放电工序

1.打开放电控制模块123，充电源13通过充电控制电路对待测锂电池15恒流充电，在充电过程中存储模块124等时间间隔实时接收并存储实时电压数据，比较模块127对实时电压数据进行判断，当实时电压达到额定最高电压时，关闭放电控制模块123，充电结束。记充电完成所需的时间为t₁。

在充电过程中，根据公式：计算模块125实时计算充入的电量，式中，i为充电电流，由电流检测电路111测量得到，t₁为充电完成所需的时间，η为电池效率系数，充电完成时的电池电量记为Q₁。

电池效率系数η包括温度影响系数η_T、老化系数η_t和充放电倍率系数η_i，η＝η_T×η_t×η_i，其中，充放电倍率系数仅当充放电电流倍率过大时会影响效率系数，在国家标准下的充放电电流设定不会对测量过程产生影响，在本实施例中，η_i＝1，η_t＝1。当环境温度T<5℃，η_T＝0.7；当5℃≤T<15℃，η_T＝0.9；当15℃≤T<30℃，η_T＝1；当30℃≤T<55℃，η_T＝1.05；当55℃≤T，η_T＝1.1。

2.打开放电控制模块123，放电负载14通过放电控制电路对待测锂电池15进行放电，存储模块124等时间间隔实时接收并存储实时电压数据，比较模块127对实时电压数据进行判断，当实时电压达到额定最低电压时，关闭放电控制模块123，放电结束。记充电完成所需的时间为t₂。

根据公式：计算模块125计算得到最大荷电容量Q₂，式中，i为放电电流，η为电池效率系数，电池效率系数的计算方法与上述电池效率系数的计算方法相同。

二、初始荷电状态的标定工序：

根据公式：Q₀＝Q₂-Q₁，计算模块125计算得到待测锂电池15的初始电量Q₀，

根据公式：SOC₀＝Q₀/Q₂，计算模块125计算得到待测锂电池15的初始电荷状态SOC₀。

三、充电电压-SOC函数曲线的绘制工序：

打开放电控制模块123，充电源13再次对待测锂电池15恒流充电，存储模块124在充电过程中实时记录电池电压数据，并由计算模块125实时计算每个电压数据所对应的电池电量，当该电池电量达到初始电量Q₀，充电结束。

根据两次充电过程中存储模块124实时记录的电池电量，计算模块125计算得到每个电池电量数据所对应的SOC值，将每个SOC值和所对应的电池电压数据进行整理，以SOC值为横轴，电池电压为纵轴，描点绘制得到电压-SOC函数曲线。

四、老化系数的标定工序

根据公式：计算模块125计算得到待测锂电池15的实际老化系数η_t实际，式中，C_额定为环境温度下待测锂电池的额定电量。

根据计算所得的实际老化系数，对待测锂电池15是否老化进行判断。当η_t实际值为，说明电池没有老化，η_t实际值越小，待测锂电池15老化越严重。

与背景技术相比，本实施例所提供的锂电池充放电特性的标定方法的优点和积极效果如下：

1.计算结果准确

由于在环境温度过高时，锂电池电解液活性增大，离子扩散运动能力增强，实际可用电量增大，而在环境温度过低时，电池温度下降，实际可用电量减小，本实施例的标定方法在计算过程中根据环境温度对计算数据进行温度补偿，采用温度影响系数对充入电荷量Q₁和最大荷电容量Q₂进行校正，采用校正后的充入电荷量Q₁和最大荷电容量Q₂标定初始荷电状态及绘制充电电压-SOC函数曲线，而不是简单的采用额定电量作为最大荷电电量进行计算，计算结果准确，不仅可以用于电池管理系统的建立，还可以作为其他SOC算法的标准，为其他算法准确与否提供评判依据。

2.可用于磷酸铁锂电池充放电特性的标定

本方法以充放电电流和时间为特征参数计算SOC，避免了电压平坦区特性带来的影响，不仅可以准确的标定普通锂电池的充放电特性，还可以标定磷酸铁锂电池的充放电特性。

3.标定数据全面，指导性强

如果待测锂池已严重老化，依据这样的电池测得的SOC-电压函数曲线与未老化的电池会有显著差异，如果以严重老化的电池为基础来建立SOC估算算法会有严重误差。本实施例所提供的标定方法除了标定SOC、SOC-电压曲面，还对老化系数进行标定，对所测的电池是否适用于建立估算算法进行评定，数据全面，更具有指导意义。

另外，施行本实施例的方法的充放电特性标定仪具有电流检测电路以及电压检测电路，可以实时监测待测锂电池的电压和电流，存储模块能够存储电流信息和电压信息，与背景技术相比，该充放电特性标定仪能够给出全面的电池运行状态数据，不仅能得到待测锂电池的SOC、也能绘制得到SOC-电压曲线。并且，本实施例所采用的充放电特性标定仪电路简单，设备小巧，与分容仪相比，不仅自身体积较小，也不需要与恒温箱等环境设备共用；操作简单，完成完整的充放电周期后，电池的充放电特性与相关参数均已测得。

上述实施例中，具有设定模块和比较模块，本发明所涉及的充放电特性标定仪还可以没有设定模块和比较模块，通过使用者进行比较、判断和控制。

当然，本发明所涉及的锂电池充放电特性的标定方法及充放电特性标定仪并不仅仅限定于上述实施例中的内容。以上内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种锂电池充放电特性的标定方法，该方法在充放电特性标定仪中施行，计算部分由单片机计算得到，其特征在于，包括以下三个工序：

一、充放电工序：

1.对待测锂电池恒流充电，在充电过程中实时记录电池电压数据，当该电池电压达到额定最高电压时，充电结束，充电完成所需的时间为t₁，

根据公式：由单片机实时计算每个电压数据所对应的电池电量，式中，Q₁为充电结束后的电池电量，i为充电电流，η为电池效率系数，其中，η＝η_T×η_t×η_i，η_T为温度影响系数，η_t为老化系数，η_i为充放电倍率系数，令η_i＝1；η_t＝1；当环境温度T<5℃，η_T＝0.7；当5℃≤T<15℃，η_T＝0.9；当15℃≤T<30℃，η_T＝1；当30℃≤T<55℃，η_T＝1.05；当55℃≤T，η_T＝1.1，

2.对所述待测锂电池进行放电，当实时电压达到额定最低电压时，放电结束，

根据公式：计算得到最大荷电容量Q₂，式中，i为放电电流，t₂为放电结束的时间，η为电池效率系数，电池效率系数的计算方法与上述电池效率系数的计算方法相同；

二、初始荷电状态的标定工序：

根据公式：Q₀＝Q₂-Q₁，计算得到所述待测锂电池的初始电量Q₀，

根据公式：SOC₀＝Q₀/Q₂，计算得到所述待测锂电池初始状态下的电荷状态SOC₀，

三、充电电压-SOC函数曲线的绘制工序：

对所述待测锂电池再次恒流充电，在充电过程中实时记录电池电压数据，并由单片机实时计算每个电压数据所对应的电池电量，当该电池电量达到所述初始电量Q₀，充电结束，

根据两次充电过程中实时记录的电池电量计算得到每个电池电量数据所对应的SOC值，将每个SOC值和所对应的电池电压数据进行整理，以SOC值为横轴，电池电压为纵轴，描点绘制得到电压-SOC函数曲线。

2.根据权利要求1所述的锂电池充放电特性的标定方法，其特征在于：还包括老化系数的标定工序，

根据公式：计算得到所述待测锂电池的实际老化系数η_t实际，式中，C_额定为所述环境温度下所述待测锂电池的额定电量，根据所述实际老化系数，对所述待测锂电池是否老化进行判断。

3.施行权利要求1所述的锂电池充放电特性的标定方法的充放电特性标定仪，具有检测电路，控制器、充电源以及放电负载，其特征在于：

所述检测电路包括电流检测电路、电压检测电路以及温度检测电路，所述电流检测电路与所述待测锂电池相连，用于测定所述待测锂电池的实时电流并传递电流信息；所述电压检测电路与所述待测锂电池相连，用于测定所述锂电池的实时电压并传递电压信息；所述温度检测电路用于检测环境温度并传递温度信息；

所述控制器包括和所述充电源相连的充电控制模块、和所述放电负载相连的放电控制模块、存储模块以及计算模块，

所述充电控制模块控制所述充电源开始充电或停止充电；所述放电控制模块控制所述放电负载开始放电或者停止放电；所述存储模块与所述电流检测电路、所述电压检测电路以及所述温度检测电路相连，用于接收并存储所述电流信息、所述电压信息及所述温度信息；所述计算模块与所述存储模块相连，对所述电流信息、所述电压信息及所述温度信息进行计算和处理。

4.根据权利要求3所述的充放电特性标定仪，其特征在于：

其中，所述控制器还包括设定模块和与该设定模块相连的比较模块，

所述设定模块用于设定所述待测锂电池的额定最低电压及额定最高电压，所述比较模块还与所述存储模块、所述充电控制模块、以及所述放电控制模块相连，将所述存储模块接收到的电压信息与所述设定模块设定的所述额定最低电压或所述额定最高电压进行比较，并根据比较结果对所述充电控制模块以及所述放电控制模块进行控制。

5.根据权利要求3所述的充放电特性标定仪，其特征在于：还具有与所述控制器相连的显示器，该显示器用于显示所述电池电压、所述电池电量以及所述电压-SOC函数曲线。