CN109490790A - 采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法及其装置，属于锂动力电池测试的技术领域。本发明为了解决现有技术中从动力电池的内阻出发对动力电池的功率进行测试，导致结果出现偏差的问题；本发明以不同大小的电流进行充电或放电的功率作为电池功率特性的表征，并且对电池的电流和电压变化进行高速采集，通过计算就可以得到锂动力电池模块在不同时刻下的功率，再将不同时刻下的功率与单一电流放电的功率进行比较，从而可以直观地表征出锂动力电池模块的功率特性；本发明测试准确率高，测试周期短，装置结构简单，易于实现。

Description

采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法及装置

技术领域

本发明属于锂动力电池测试的技术领域，应用于电动汽车用锂电池的动态测试、评估监测、梯次利用。

背景技术

近几年来，新能源汽车领域发展迅速，作为新能源汽车的能源，电池的性能亟需提升来满足新能源汽车的需求。锂动力电池在重复多次使用后，其性能势必会发生衰退，因此锂动力电池功率特性的测试在评估锂动力电池性能时会发挥重要的作用。

动力电池的参数有很多，包括电池SOC、电池内阻、电池充放电截止电压等。同样也存在诸多对上述参数进行测量和评估的方法，例如HPPC法、JEVS法等。但一般的测试方法并没有对所得的结果进行分析和处理，并且没有一项可以用来表征动力电池功率特性的参数。研究表明，在不同的测试评价方法中，由于内阻确定方法不同，导致计算得到的动力电池功率存在较大差异。以JEVS方法为例，该方法采用0-10C充电或放电电流下的电压相应挺行表征电池功率能力，可避免单一电流造成的结果偏差，但是没有考虑高倍率充电或放电电流下电池功率能力变化。而HPPC法兼顾中低倍率及高倍率充电或放电电流下的电压响应特性，但采用某一电流表征电池功率能力会有单一电流造成的结果偏差问题。上述方法不能实现对电池的在线监测，测试的条件不符合大多数动力电池的工作情形，并且没有对所获得的数据进行进一步的处理。

动力电池的功率特性是描述电池性能的重要参数，但是能够准确描述电池功率特性的关键在于确定动力电池内阻，目前的测试方法从动力电池内阻出发，会导致结果出现偏差，所以需要一个能够避免测试动力电池的内阻的方法去描述动力电池功率特性。动力电池是一个复杂的电化学系统，在使用一段时间后，都会发生劣化现象，关于电池能否达到电动汽车的国家标准，如何判断在经过一段时间使用后的电池还能否继续工作或是否存在回收再利用的意义，这些都影响着电动汽车行业和动力电池行业的发展。

发明内容

为了解决现有技术中从动力电池的内阻出发对动力电池的功率进行测试，导致结果出现偏差的问题，本申请提出采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法及装置，实现了对锂动力电池功率特性的快速、准确测量。

采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法，包括以下步骤：

步骤一、采用补偿脉冲激励信号对锂动力电池模块进行充电或放电实验，补偿脉冲电流值的满足如下条件：I_2i-1-I₀＝I₀-I_2i，其中i＝1…n，I_2i-1和I_2i分别代表第2i-1和第2i个时刻的脉冲电流；

步骤二、采集第i个时刻前的电压采样值U_i1和第i个时刻的电压采样值U_i2；

步骤三、根据步骤一所述的脉冲电流和步骤二所述的电压采样值计算对应时刻锂动力电池模块的功率，其中P_i1＝I₀×U_i1，P_i2＝I_i·U_i2；

步骤四、通过对步骤三所得的锂动力电池模块功率值进行处理，进而得到被测锂动力电池模块的功率特性。

所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试过程中，任意放电时刻，锂动力电池模块的开路电压达到生产厂商规定的最低电压时，充电或放电实验结束。

所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试过程中，若n>10，充电或放电实验结束。

所述第i个时刻前是表示电流还没有来的时刻对应的电压采样值U_i1，同样的U_i2为电流刚刚来到的第i个时刻的电压采样值；

进一步的，电流I₀在每个周期的维持时间为t₀，第i个脉冲电流的电流值I_i的维持时间为t_i，其中t_i＝t_i+1，t₀＞t_i。

采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置，包括单片机、充放电源和锂动力电池模块，单片机包括主控单元、补偿脉冲信号生成单元和功率计算单元；主控单元控制补偿脉冲信号生成单元生成补偿脉冲信号，控制充放电源对锂动力电池模块进行充电或放电，锂动力电池模块在充电或放电过程中采集的电压信号和电流信号送入功率计算单元中计算锂动力电池模块的充电功率和放电功率。

进一步的，所述充放电源为线性电源、开关电源等对电池模块进行充电或放电。

进一步的，所述单片机51、PIC、AVR mega、STC51、PIC或AVR、系列单片机。

进一步的，所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置包括存储器，用于存储锂动力电池模块的在充电或放电过程中的采样电流和采样电压，所述存储器为SD、USB、E²ROM等数据存储载体。

进一步的，所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置包括显示器，显示系统可以选用V16C6448AB，O16C6448AF等型号的LCD显示。

显示系统与单片机可以选择使用RS232、RS485、CAN串行通讯接口连接

进一步的，所述锂动力电池模块为单体电池或组合电池。

进一步的，所述锂动力电池模块为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池以及工作原理基于化学电源技术的其他电池。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明选取了电池在不同时刻下，以不同大小的电流进行充电或放电的功率作为电池功率特性的表征，采用充放电源对电池进行放电，并且对电池的电流和电压变化进行高速采集，通过计算就可以得到电池在不同时刻下的功率，再将不同时刻下的功率与单一电流放电的功率进行比较，从而可以直观地表征出电池的功率特性。

2、本发明模拟了锂动力电池持续在不同电流下的放电过程，避免了单一电流和电池静置不工作对结果带来的偏差；测量速度快，本发明方法的测试周期仅为几分钟，并且可以根据实际情况灵活的调整测试的时长；测试准确度高，保证所采集数据的准确性，避免了对结果造成的影响；数据处理方式简单，但结果对电池功率特性有直观的体现，有利于对电池单体功率特性的好坏做出准确地判断。

3、本发明运用充放电源、单片机、存储器、显示系统实现对动力电池功率特性的评估，采用互补脉冲激励动力电池，为动力电池的梯次利用和回收提供有效的测试数据和结果，本发明的电路装置简单，消耗能量小，不需要采用大功率恒流源对动力电池进行充放电操作，节省电能，操作方便，可实施性强，最终的结果比较直观。

附图说明

图1为本发明实施例的整体测试流程示意图；

图2为本发明实施例的补偿脉冲信号波形图；

图3为本发明实施例的待测电池的电压波形图；

图4为本发明实施例的测试装置的原理图。

具体实施方式

本发明的核心是将电池看作为一个电化学体系，因其内部结构和工作原理，有不同的输入信号，就会获得不同的输出，在很大程度上能够反映电池的多种特性，电池的电流、电压作为计算电池功率特性的重要参数，在对其进行测量时，要对电流、电压有精确、高速地采样，进而通过计算可以得出不同输入信号下的功率，再将获得的功率数据与在恒定单一电流放电或充电的功率进行分析和计算，就可以达到表征电池功率特性的目的，所述分析计算的方法可以采用取平均值、微分、积分、梯度优化法等方法来对数据进行处理，基于上述原理结合说明书附图对本发明的实施例进行进一步描述。

本实施例的采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置，该装置如图4所示，包括单片机、充放电源和电池模块，单片机包括主控单元、补偿脉冲信号生成单元和功率计算单元；

步骤2、从T₀时刻(0s)开始，单片机的主控单元控制补偿脉冲信号生成单元生成补偿脉冲激励信号，进而控制充放电源对锂动力电池模块进行放电实验，所述补偿脉冲电流值的满足如下条件：I_2i-1-I₀＝I₀-I_2i，其中i＝1…10，I_2i-1和I_2i分别代表第2i-1和第2i个时刻的脉冲电流，即本实施例中的：I₁-I₀＝I₀-I₂、I₃-I₀＝I₀-I₄、I₅-I₀＝I₀-I₆、I₇-I₀＝I₀-I₈、I₉-I₀＝I₀-I₁₀，本实施例中的补偿脉冲电流值分别为：I₀＝1A，I₁＝1.5A，I₂＝0.5A，I₃＝1.4A，I₄＝0.6A，I₅＝1.3A，I₆＝0.7A，I₇＝1.2A，I₈＝0.8A，I₉＝1.1A，I₁₀＝0.9A，

电流I₀在每个周期的维持时间为t₀，第i个脉冲电流的电流值I_i的维持时间为t_i，其中t_i＝t_i+1，t₀＞t_i，本实施例的电流I₀在每个周期的维持时间为40s，电流值I₁，I₂，I₃，I₄，I₅，I₆，I₇，I₈，I₉，I₁₀的维持时间为10s，在整个实验过程中，如图2所述的脉冲电流波形，第一个周期中依次进行10s大电流I₁放电、40s正常电流I₀、10s小电流I₂放电、40s正常电流I₀，直至十个时刻都实验完成，在该过程中每个周期中的大电流、正常电流I₀和小电流在数值上呈等差数列，更能模拟电动汽车电池的在线工作状态，这是现有技术中的测试方法所不具备的；

步骤3、在锂动力电池模块的放电过程中采集第i个时刻前的电压采样值U_i1和第i个时刻的电压采样值U_i2，如图3所示，U₁₁为在T₁时刻的前一次电压采样值，U₁₂为在T₁时刻的电压采样值；U₂₁为在T₂时刻的前一次电压采样值，U₂₂为在T₂时刻的电压采样值；U₃₁为在T₃时刻的前一次电压采样值，U₃₂为在T₃时刻的电压采样值；U₄₁为在T₄时刻的前一次电压采样值，U₄₂为在T₄时刻的电压采样值；U₅₁为在T₅时刻的前一次电压采样值，U₅₂为在T₅时刻的电压采样值；U₆₁为在T₆时刻的前一次电压采样值，U₆₂为在T₆时刻的电压采样值；U₇₁为在T₇时刻的前一次电压采样值，U₇₂为在T₇时刻的电压采样值；U₈₁为在T₈时刻的前一次电压采样值，U₈₂为在T₈时刻的电压采样值；U₉₁为在T₉时刻的前一次电压采样值，U₉₂为在T₉时刻的电压采样值；U₁₀₁为在T₁₀时刻的前一次电压采样值，U₁₀₂为在T₁₀时刻的电压采样值；

步骤4、根据步骤2所述的脉冲电流和步骤3所述的电压采样值计算对应时刻锂动力电池的功率，其中P_i1＝I₀×U_i1，P_i2＝I_i·U_i2，本实施例中：

在T₁时刻以I₁＝1.5A对电池模块进行放电，P₁₁＝I₀·U₁₁＝3.2238V，P₁₂＝I₁·U₁₂＝4.7997V；

在T₂时刻以I₂＝0.5A对电池模块进行放电，P₂₁＝I₀·U₂₁＝3.2094V，P₂₂＝I₂·U₂₂＝1.6163V；

在T₃时刻以I₃＝1.4A对电池模块进行放电，P₃₁＝I₀·U₃₁＝3.2056V，P₃₂＝I₃·U₃₂＝4.4615V；

在T₄时刻以I₄＝0.6A对电池模块进行放电，P₄₁＝I₀·U₄₁＝3.2001V，P₄₂＝I₄·U₄₂1.9315V；

在T₅时刻以I₅＝1.3A对电池模块进行放电，P₅₁＝I₀·U₅₁＝3.1993V，P₅₂＝I₅·U₅₂＝4.1401V；

在T₆时刻以I₆＝0.7A对电池模块进行放电，P₆₁＝I₀·U₆₁＝3.1958V，P₆₂＝I₆·U₆₂＝2.2467V；

在T₇时刻以I₇＝1.2A对电池模块进行放电，P₇₁＝I₀·U₇₁＝3.1945V，P₇₂＝I₇·U₇₂＝3.8220V；

在T₈时刻以I₈＝0.8A对电池模块进行放电，P₈₁＝I₀·U₈₁＝3.1913V，P₈₂＝I₈·U₈₂＝2.5605V；

在T₉时刻以I₉＝1.1A对电池模块进行放电，P₉₁＝I₀·U₉₁＝3.1894V，P₉₂＝I₉·U₉₂＝3.5031V；

在T₁₀时刻以I₁₀＝0.9A对电池模块进行放电，P₁₀₁＝I₀·U₁₀₁＝3.1862V，P₁₀₂＝I₁₀·U₁₀₂＝2.8718V；

步骤5、通过补偿脉冲激励的锂动力电池功率特性的测试方法得到表征动力电池模块功率特性的值P'，在理想情况下，动力电池模块通过本测试方法得到的P'值为零。因此，通过测试得到的动力电池模块P'的值越趋近于零，表征此动力电池模块的功率特性越好；相反P'的值越远离于零，表征此动力电池模块的功率特性越差。因此，通过对步骤4所得的锂动力电池模块功率值进行处理，得到P'＝0.0419，比较接近0，说明本实施例在补偿脉冲激励下锂动力电池模块的功率变化稳定，锂动力电池的功率特性良好。

锂动力电池功率特性测试过程中，任意放电时刻，锂动力电池模块的开路电压达到生产厂商规定的最低电压时，充电或放电实验结束。

在锂动力电池测试过程中，脉冲个数n根据电池的本身特性如电池的最大放电能力、寿命衰减、当前的SOC以及内阻等参数决定，通常对新的电池进行实验时n取10，旧电池实验时，n取5，所以若n>10，充电或放电实验结束。

所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置包括存储器和显示器，存储器用于存储锂动力电池模块的在充电或放电过程中的采样电流值和采样电压值。

本实施例的锂动力电池模块100采用18650 32V/1100mAh磷酸铁锂电池模块，电池充放电源200采用国产CT2001B通用电池充放电测试仪，单片机100采用430单片机，存储器500采用USB存储方式，显示器300与单片机100采用RS232串行通讯接口方式连接。所述单片机100对充放电电源200、存储器500、显示器300输出；电池模块100输出作为单片机300的输入；放电电源200与电池模块100相连。

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。

Claims (9)

1.采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用补偿脉冲激励信号对锂动力电池模块进行充电或放电实验，补偿脉冲电流值的满足如下条件：I_2i-1-I₀＝I₀-I_2i，其中i＝1…n，I_2i-1和I_2i分别代表第2i-1和第2i个时刻的脉冲电流；

步骤二、采集第i个时刻前的电压采样值U_i1和第i个时刻的电压采样值U_i2；

步骤三、根据步骤一所述的脉冲电流和步骤二所述的电压采样值计算对应时刻锂动力电池模块的功率，其中P_i1＝I₀×U_i1，P_i2＝I_i·U_i2；

步骤四、通过对步骤三所得的锂动力电池模块功率值进行处理，进而得到被测锂动力电池模块的功率特性。

2.根据权利要求1所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法，其特征在于，电流I₀在每个周期的维持时间为t₀，第i个脉冲电流的电流值I_i的维持时间为t_i，其中t_i＝t_i+1，t₀＞t_i。

3.根据权利要求1所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法，其特征在于，所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试过程中，任意放电时刻，锂动力电池模块的开路电压达到生产厂商规定的最低电压时，充电或放电实验结束。

4.根据权利要求1所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试方法，其特征在于，所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试过程中，若n>10，充电或放电实验结束。

5.采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置，其特征在于，包括单片机、充放电源和锂动力电池模块，单片机包括主控单元、补偿脉冲信号生成单元和功率计算单元；主控单元控制补偿脉冲信号生成单元生成补偿脉冲信号，控制充放电源对锂动力电池模块进行充电或放电，锂动力电池模块在充电或放电过程中采集的电压信号和电流信号送入功率计算单元中计算锂动力电池模块的充电功率和放电功率。

6.根据权利要求5所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置，其特征在于，所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置包括存储器，用于存储锂动力电池模块的在充电或放电过程中的采样电流值和采样电压值。

7.根据权利要求5所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置，其特征在于，所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置包括显示器。

8.根据权利要求5所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置，其特征在于，所述锂动力电池模块为单体电池或组合电池。

9.根据权利要求5所述采用补偿脉冲法的锂动力电池功率特性测试装置，其特征在于，所述锂动力电池模块为工作原理基于化学电源技术的其他电池。