CN105487014A - 一种锂电池容量预测方法及装置 - Google Patents

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吴永昌
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Abstract

本发明公开了一种锂电池容量预测方法及装置，方法包括以下步骤：从电池来料中取样品电池，对样品电池进行标准容量测试，第i个样品电池的容量为Ci；将样品电池充电至与来料电池相同的固定容量状态，静置至少半小时后，测量每个样品电池的开路电压OCV，第i个样品电池的开路电压为OCVi；根据Ci和OCVi两组数据拟合得到电池容量C和固定容量状态下电池开路电压OCV的关系式；测试所有来料电池的OCV，去除低压自放电电池；将正常电池OCV依次代入关系式，推导出每个正常电池的容量。本方案不需要再对每个电池进行充电、放电的过程，有效节省了时间、人力和能耗，并且具备极高的准确度。本方案适用于批量电池容量预测。

Description

一种锂电池容量预测方法及装置
技术领域
本发明涉及电池容量批量计算预测，尤其是涉及一种快速节能的锂电池容量预测方法及装置。
背景技术
锂离子电池由于自身的优势，具有能量密度高、输出电压高、输出功率大、使用寿命长等特点，在电子移动设备、医疗设备、手持便携式设备中应用广泛。而近年，随着新能源产业的兴起，锂离子电池在电动汽车、电动自行车，储能系统等方面的应用越来越多。
在新能源领域的使用对锂离子电池提出了更多的要求，由于需要实现大容量、高功率、长寿面等性能要求，锂离子电池会以多个电池的串并联的方式进行配组工作。虽然配组电池通常会选取相同类型规格电池，但由于相同类型规格电池间扔存在一致性问题，而电池一致性技术指标包括容量、内阻、寿命等多方面。一般会在容量一致的基础上再进行其他性能的匹配，所以在配组初期，对相同类型规格的电池的容量进行预测就显得很有必要性和重要性。
目前的电池容量测试方法都是在室温条件(20±5℃)下，以恒流恒压的的方式对电池进行充电，充满电后，搁置大于1小时时间后，以恒定电流放电至截止电压，用放电电流和放电时间计算电池容量。按照以上方法进行大量的容量测试时，不仅需要大量的人员、设备、时间，产生的能耗也是巨大的。所以，寻找一种准确度高的快速容量预测方法成为迫切需要。
中华人民共和国国家知识产权局于2015年09月23日公开了名称为《一种蓄电池容量测试装置及测试方法》的专利文献(公开号：CN104931890A)，其在装置的中央控制系统中分别连接有显示单元、键盘单元、保护单元、冷却单元、电阻单元、数据存储及通信单元和逆变接口单元，通过启动、选择方式、加载和卸载步骤操作。其装置具备电压、电流、频率、功率、欠电压保护、报警装置、数据的存储记忆、放电时间的功能。此方案仍然未能解决测试时耗费时间、人力、能耗巨大的问题。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的测试电池容量需要大量的人员、设备、时间，耗能巨大等的技术问题，提供一种准确度高、速度快、能耗小的锂电池容量预测方法及装置，用于锂电池的配组容量预测。
本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种锂电池容量预测方法，基于锂电池容量预测装置，包括以下步骤：
S01、从电池来料中取X个电池作为样品电池，对每个样品电池进行标准容量测试并记录，第i个样品电池的容量为Ci，1≤i≤X；
S02、将样品电池充电至与来料电池相同的固定容量状态，静置至少半小时后，测量每个样品电池的开路电压OCV，第i个样品电池的开路电压为OCVi；
S03、根据Ci和OCVi两组数据拟合得到电池容量C和固定容量状态下电池开路电压OCV的关系式；
S04、测试所有来料电池的开路电压OCV，去除低压自放电电池，得到所有正常电池OCV；
S05、将正常电池OCV依次带入电池容量C和固定容量状态下电池开路电压OCV的关系式，推导出每个正常电池的容量。
通过对样品电池进行测试，建立电池容量和固定容量状态下电池开路电压OCV的关系式，将正常电池的开路电压带入关系式之后即可得到正常电池的容量，不需要再对每个电池进行充电、放电的过程，有效节省了时间、人力和能耗，并且具备极高的准确度。
作为优选，所述样品电池的容量的数量X不少于3。
样品电池越多则准确度越高，但是耗费的时间、能耗较大，通常在电池数量较大时选择20个左右的样品电池是比较合适的。
作为优选，步骤S01中，对每个样品电池进行标准容量测试具体为：在室温条件下，将电池以标称电流充电至终止电压，再恒压充电至截止电流，然后放电至截止电压，通过放电过程所释放的能量计算样品电池的容量。
作为优选，所述步骤S02中，固定容量状态为：将电池电量放空，以恒流方式充电固定时间后电池所处的状态。充电时间依据来料电池容量、额定容量和充电电流确定，例如，如来料电池容量为M，额定容量为N，在标准充电电流为n×C(C为将电池1h充满电的电流大小，如0.5C电流，即为2h将电池充满电的电流，n为倍率)的情况下充电时间为60min×(M/N)/n。
作为优选，步骤S04中，自放电电池的判定条件是：计算电池的K值，K＝(电池出货前开路电压-电池测试时开路电压)/时间，如果K大于0.05mV/h，则判定电池为自放电电池；如果K小于或等于0.05mV/h则判定电池为正常电池。
自放电电池属于不正常电池，不遵循此前得到的关系式，所以不能按照此方法预测容量。在挑选样品电池时，也需要剔除自放电电池，避免影响预测结果。
一种锂电池容量预测装置，包括电池夹具、电池充放电单元和上位机，电池充放电单元包括CPU、控制电路、电源、放电电阻和采样器，所述电源和放电电阻都与控制电路连接，控制电路与CPU连接，所述电池夹具通过导线连接电池充放电单元的控制电路，采样器的输入端连接导线，采样器的输出端连接CPU，CPU连接到上位机。
电池夹具用于固定不同形体类型的电池，其夹持端用于夹持在被测电池的正负极上。CPU根据上位机的程序通过控制电路控制电源对电池充电或控制电池对放电电阻放电。采样器采集电池的电流和电压信息并发送到CPU，CPU将相关信息发送到上位机进行处理。
作为优选，所述CPU通过RS-232通讯总线连接到上位机。
作为优选，所述充放电单元包括过压过流保护电路，所述过压过流保护电路串接在控制电路与电池夹具之间，所述采样器的输入端连接在过压过流保护电路与控制电路之间。
过压过流保护电路在电池充放电过程中出现电压过高或电流过大的情况时断开连接电池的电路，保护电池和电池容量预测装置。
作为优选，锂电池容量预测装置还包括有报警单元，所述报警单元与充放电单元的CPU连接，过压过流保护电路也与CPU连接；所述报警单元包括声音模块、指示灯模块和无线模块，无线模块连接到移动通信网络。
当过压过流保护电路断开电路之后，发送报警信号到CPU，CPU控制报警单元示警，提示测试人员及时排查故障。声音模块发出声音提示，指示灯模块发出灯光提示，CPU还可以通过无线模块向手机等测试人员随身携带的通信设备发送短信等提示信息，便于测试人员及时获取报警信息。
作为优选，所述电池夹具上设有温度传感器，所述温度传感器连接到充放电单元的CPU。
CPU通过温度传感器实时检测电池温度，当发现电池温度过高时通过报警单元进行示警。
本发明带来的实质性效果是，节省了大量的设备、人力、物力和能耗，测试速度快，精确度高，安全可靠，尤其适用于大批量同规格电池的容量预测。
附图说明
图1是本发明的一种锂电池容量预测装置结构示意图；
图中：1、电池夹具，2、CPU，3、控制电路，4、电源，5、放电电阻，6、采样器，7、过压过流保护电路，8、温度传感器，9、上位机，10、被测电池，11、报警单元。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种锂电池容量预测装置，如图1所示，包括电池夹具1、电池充放电单元、上位机9和报警单元11，电池充放电单元包括CPU2、控制电路3、电源4、放电电阻5、采样器6和过压过流保护电路7，所述电源和放电电阻都与控制电路连接，控制电路与CPU连接，所述电池夹具通过导线连接电池充放电单元的控制电路，过压过流保护电路串接在控制电路与电池夹具之间，所述采样器的输入端连接在过压过流保护电路与控制电路之间，采样器的输出端连接CPU，CPU通过RS-232通讯总线连接到上位机。
电池夹具上设有温度传感器8，所述温度传感器连接到充放电单元的CPU。报警单元与充放电单元的CPU连接，过压过流保护电路也与CPU连接。
电池夹具用于固定不同形体类型(如圆柱形、方形、软包等)电池，电池充放电单元(具体由CPU、控制电路、电源、放电电阻、采样器等部分组成)检测电池电压电流信息，提供电池的充放电功能，上位机输出充放电程序、处理输出电池充放电过程数据，并做相关统计；其中上位机与电池充放电单元的通讯由RS-232通讯线完成。具体进行测试时，首先将电池固定在电池夹具上，电池夹具在电池正负极两端各有两条测试线(电压线与电流线)与电池充放电单元连接，作为测试过程电流、电压的监控与输入输出；由上位机输出测试程序至电池充放电单元的CPU，由CPU控制充放电路对电池进行充放电以及过程数据的采集，并将数据实时传输至上位机进行相关处理。
本实施例的一种锂电池容量预测方法，包括以下步骤：
第一步，随机抽取20支来料电池，其额定容量为2600mAh，用电池容量测试装置分别测量其实际容量，测量方法为：在室温(20±5℃)条件下，用上位机软件编好测量工步信息(将电池以标称电流(0.5C)充电至终止电压，再恒压充电至截止电流，然后放电至截止电压)，通过RS-232通讯线将工步信息传输至充放电装置的CPU，由CPU将具体发布指令到控制电路，控制电路再根据指令控制电源对电池进行充电或者电池对放电电阻进行放电，过程中电池电压、电流信息由采样器采集并反馈传输至充放电装置的CPU，CPU依据采样器传输数据和从上位机软件接收到的工步信息进行测量过程的调整，所有过程数据由CPU实时传送到上位机软件进行记录。完成具体工步信息后，上位机根据过程信息计算并得出电池具体容量。
第二步，将完成容量测试的上述20支来料电池用电池容量测试装置以0.5C电流充电24min(充电时间依据来料电池状态确定，本实施例中为60min×(520/2600)/0.5＝24min)后截止；如第一步所述，充电过程由上位机、充放电装置CPU、控制电路、电源、采样器共同协调完成。搁置2h后，测量电池开路电压OCV，电压测量过程由上位机编辑工步信息后发送至充放电装置CPU，CPU控制采样器对电池进行电压采集，并将所得数据传输至CPU，CPU进一步将数据反馈至上位机机软件系统并输出。
第三步，电池容量测试装置的上位机软件系统根据采集到的以上两步电池容量数据和特定SOC状态下的电池OCV数据，用数学拟合的方法推导出特定SOC状态下OCV与电池容量关联公式。
第四步，用电池容量测试装置测量所有来料电池OCV(与第二步测量电池开路电压OCV过程相同)，所有数据由上位机软件系统汇总，并做低电压判断(判断标准可人工输入上位机软件)，去除低压电池，记录正常电池OCV数据。
第五步，将正常OCV数据代入OCV与电池容量关联公式，计算出电池容量，依据容量进行电池分选，以上由电池容量测试装置的上位机软件系统完成。
对于相同类型规格的电池，其电池容量之间差异较小。在恒定温度下，将电池以相同电流充电相同时间后静置一段时间，测量到的不同容量电池对应开路电压OCV存在一定的差异性，且这一差异随着容量差异性的增加呈现出明显的规律性。利用这一原理可得出不同容量状态下，电池开路电压OCV与电池实际容量的关系，并进一步验证。
将上述一种快速节能的锂离子电池容量预测方法的结果列于表1，表中容量偏差＝100％×(实际容量-预测容量)/实际容量。
由表1可以看出，预测容量与实际容量偏差小于2.5％，能够满足电池的容量分选配组要求。
序号 额定容量(mAh) 实际容量(mAh) 预测容量(mAh) 容量偏差(％)
1 2600 2627.9 2634.1 -0.24％
2 2600 2618.4 2618.3 0.00％
3 2600 2677.5 2621.7 2.08％
4 2600 2569.2 2598.6 -1.14％
5 2600 2581.4 2589.7 -0.32％
6 2600 2620.2 2649.6 -1.12％
7 2600 2647.2 2641.4 0.22％
8 2600 2594.2 2614.9 -0.80％
9 2600 2578.5 2600.4 -0.85％
10 2600 2616.3 2625.7 -0.36％
11 2600 2631.2 2632.5 -0.05％
12 2600 2593.7 2606.2 -0.48％
13 2600 2659.5 2643.0 0.62％
14 2600 2568.0 2568.6 -0.02％
15 2600 2637.2 2630.8 0.24％
16 2600 2618.9 2620.0 -0.04％
17 2600 2649.5 2649.6 0.00％
18 2600 2658.4 2618.3 1.51％
19 2600 2611.9 2624.0 -0.46％
20 2600 2599.5 2611.4 -0.46％
21 2600 2532.5 2571.0 -1.52％
23 2600 2642.4 2646.3 -0.15％
24 2600 2612.8 2616.6 -0.14％
25 2600 2580.2 2591.5 -0.44％
26 2600 2572.7 2578.3 -0.22％
27 2600 2570.2 2587.9 -0.69％
28 2600 2635.3 2635.8 -0.02％
29 2600 2643.9 2618.3 0.97％
30 2600 2663.6 2603.9 2.24％
表1
本发明的测试原理为：将容量差异较小的相同类型规格电池充入相同容量，由于其实际容量的差异性，导致充入相同容量后不同容量电池实际处于不同的荷电状态(SOC)，而电池不同SOC对应的开路电压OCV之间存在一定的差异性；由这一差异性规律，可由电池OCV预测电池实际容量。
在实际应用中，可从大批量的来料电池中选取较小数量电池，进行标准容量测试后，充电至与来料电池相同电池容量状态，静置后测试其OCV，得出特定容量状态下OCV与电池容量关系，而后只需进行来料电池的OCV测试，即可预测出电池实际容量。这样的方法不仅预测精度高(预测容量偏差《2.5％)，且节省了大量的设备、人力、物力、厂房等。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了开路电压、固定容量状态、控制电路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种锂电池容量预测方法，基于锂电池容量预测装置，其特征在于，包括以下步骤：
S01、从电池来料中取X个电池作为样品电池，对每个样品电池进行标准容量测试并记录，第i个样品电池的容量为Ci，1≤i≤X；
S02、将样品电池充电至与来料电池相同的固定容量状态，静置至少半小时后，测量每个样品电池的开路电压OCV，第i个样品电池的开路电压为OCVi；
S03、根据Ci和OCVi两组数据拟合得到电池容量C和固定容量状态下电池开路电压OCV的关系式；
S04、测试所有来料电池的开路电压OCV，去除低压自放电电池，得到所有正常电池OCV；
S05、将正常电池PCV依次带入电池容量C和固定容量状态下电池开路电压OCV的关系式，推导出每个正常电池的容量。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池容量预测方法，其特征在于，所述样品电池的容量的数量X不少于3。
3.根据权利要求1或2所述的一种锂电池容量预测方法，其特征在于，步骤S01中，对每个样品电池进行标准容量测试具体为：在室温条件下，将电池以标称电流充电至终止电压，再恒压充电至截止电流，然后放电至截止电压，通过放电过程所释放的能量计算样品电池的容量。
4.根据权利要求1或2所述的一种锂电池容量预测方法，其特征在于，所述步骤S02中，固定容量状态为：将电池电量放空，以恒流方式充电固定时间后电池所处的状态。
5.根据权利要求3所述的一种锂电池容量预测方法，其特征在于，步骤S04中，自放电电池的判定条件是：计算电池的K值，K=（电池出货前开路电压-电池测试时开路电压）/时间，如果K大于0.05mV/h，则判定电池为自放电电池；如果K小于或等于0.05mV/h则判定电池为正常电池。
6.一种锂电池容量预测装置，其特征在于，包括电池夹具、电池充放电单元和上位机，电池充放电单元包括CPU、控制电路、电源、放电电阻和采样器，所述电源和放电电阻都与控制电路连接，控制电路与CPU连接，所述电池夹具通过导线连接电池充放电单元的控制电路，采样器的输入端连接导线，采样器的输出端连接CPU，CPU连接到上位机。
7.根据权利要求6所述的一种锂电池容量预测装置，其特征在于，所述CPU通过RS-232通讯总线连接到上位机。
8.根据权利要求6或7所述的一种锂电池容量预测装置，其特征在于，所述充放电单元包括过压过流保护电路，所述过压过流保护电路串接在控制电路与电池夹具之间，所述采样器的输入端连接在过压过流保护电路与控制电路之间。
9.根据权利要求8所述的一种锂电池容量预测装置，其特征在于，还包括有报警单元，所述报警单元与充放电单元的CPU连接，过压过流保护电路也与CPU连接；报警单元包括声音模块、指示灯模块和无线模块，无线模块连接到移动通信网络。
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