CN110133506B - 一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置及其计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置及其计算方法，包括锂电池本体，还包括：电流传感器，用以检测锂电池本体的电流信号，并将电流信号参数传至控制器；电量传感器，用以检测和计算锂电池本体的当前电量，并将当前电量参数传至控制器；温度传感器，用以检测锂电池本体表面的温度，并将温度参数传至控制器；循环次数计数器，用以计算锂电池本体已经使用过的循环次数，并将循环次数参数传至控制器；控制器，通过电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数，用以计算锂电池本体的当前剩余使用时间。本发明能够离线检测标定结合在线自学习校正的锂电池剩余使用时间，同时具有适应性好、精度较高、在线自学习的特点。

Description

一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置及其计算方法

技术领域

本发明涉及锂电池检测技术，更具体地说，涉及一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置及其计算方法。

背景技术

随着锂电池应用的不断拓展，从消费电子、电动工具到交通工具都可以见到锂电池作为动力源的例子。锂电池作为一种储能器，是具有一定的容量限制的，为了提升用户体验，当前使用锂电池的系统中都会提示使用者电池剩余使用时间，使得使用者不会因为系统电量不足造成不便或者损失。

目前对于锂电池剩余使用时间的检测计算普遍比较粗略，通常用当前读取的管理芯片电量除以当前电流来估算。这种方式在电池较新的时候，由于容量充足，剩余时间较长，一般不会影响使用者的体验；但是在电池容量衰减之后，由于电池容量估计不准，用户使用电流变化频繁，此时电池剩余使用时间估计不准就可能会影响客户正常的使用。

现在也出现了一些新的方法和装置，比如专利“一种提示移动终端电池剩余时间的方法和装置”(CN102014213A)和“基于蓝牙终端显示蓝牙设备电量剩余时间的方法和系统”(CN102609348A)提出把电池放电过程分段化，然后参考历史数据，计算锂电池剩余时间的方法；另外比如专利“电池电荷测量与放电剩余时间预测技术及设备”(CN1315072A)，提出精确测量电池放电曲线，来预测剩余使用时间的方法。这些方法在精确标定后确实能在一定条件下取得较好的计算结果，但是在面对负载变化频繁，电池逐渐老化的复杂工况下尚难以令人满意。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置及其计算方法，能够离线检测标定结合在线自学习校正的锂电池剩余使用时间，同时具有适应性好、精度较高、在线自学习的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，包括锂电池本体，还包括：

电流传感器，用以检测锂电池本体的电流信号，并将电流信号参数传至控制器；

电量传感器，用以检测和计算锂电池本体的当前电量，并将当前电量参数传至控制器；

温度传感器，用以检测锂电池本体表面的温度，并将温度参数传至控制器；

循环次数计数器，用以计算锂电池本体已经使用过的循环次数，并将循环次数参数传至控制器；

控制器，通过电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数，用以计算锂电池本体的当前剩余使用时间。

还包括：

显示模块，与控制器相连，用以显示控制器的计算结果。

所述的控制器为ARM、DSP或单片机。

所述的电流传感器为串入于锂电池本体回路中的精密电阻、霍尔传感器或分流器。

所述的电量传感器为Ah积分电路、电量管理芯片或向电池管理系统。

所述的温度传感器为接触式或非接触式传感器。

所述的循环次数计数器为充放电截止电压触发的计数电路，或充放电曲线数据在控制器中直接计算。

所述的显示模块为LCD显示模块、数码管显示模块或简化为一个数据接口，连接至更上层的显控平台。

另一方面，一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，通过电流传感器、电量传感器、温度传感器和循环次数计数器分别检测锂电池本体的电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数，并将上述的相关参数传至控制器，通过控制器进行标定、计算和自学习；

所述标定包括：

根据锂电池本体的特性在电池全寿命周期中，标定取锂电池的容量-循环次数的数个特性点，取J₁＝0次、J₂＝a₁J次、J₃＝a₂J次、J₄＝J次，其中，J为锂电池总循环次数，a₁,a₂∈(0,1)，在锂电池温度W下，测得锂电池容量值Q_J1,Q_J2,Q_J3,Q_J4；

根据锂电池本体的实际使用电流范围，标定取锂电池的容量-电流的数个特性点，取I₁＝b₁C、I₂＝b₂C、I₃＝b₃C、I₄＝b₄C，其中，C为放电倍率，b₁C,b₂C,b₃C,b₄C取值在锂电池使用的最小放电电流和最大放电电流之间，在锂电池温度W下，测得容量值Q_I1,Q_I2,Q_I3,Q_I4；

所述计算包括以下计算步骤：

步骤1，读取锂电池原始容量Q₀，并标记为Q_J1；

步骤2，计算锂电池循环容量衰减系数α_J，根据离线标定的数据，使用线性化处理可以得到循环次数对于容量的影响：

上述公式中，J_x为当前循环次数，取值在[J₁,J₄]之间；

步骤3，计算电流系数α_I：

上述公式中，I_x为当前电流，取值在[I₁,I₄]之间；

步骤4，计算当前容量Q₁：

Q₁＝Q₀×α_J×α_I×k_n

上述公式中，k_n为当前第n次自学习之后的自学习系数，其初始值k₀为1；

步骤5，计算锂电池当前剩余使用时间t：

上述公式中，SOC_x为当前电量；

所述电流传感器、电量传感器、温度传感器和循环次数计数器分别检测的参数与实际锂电池的参数之间的偏差通过自学习来修正参数。

所述的自学习满足的条件如下：

I_S-σ≤I_y≤I_S+σ

其中，I_y为锂电池的放电电流，I_S为放电恒流值，σ为电流波动偏差。

所述的自学习记录开始到结束直接放出的电量SOC_y，和放电时间t_z，计算得到学习容量Q₂：

根据Q₂，计算出当前容量Q₁′，则容量误差为ΔQ：

ΔQ＝Q₂-Q₁′。

根据Q₁′和ΔQ，若当前自学习系数为k_n，则自学习系数可以完成更新：

其中，k_n+1为新的自学习系数，α为滤波系数。

所述的滤波系数α不大于0.1。

在上述的技术方案中，本发明所提供的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置及其计算方法，能够适应于计算各种类型锂电池的使用剩余时间，通过自学习能够对检测的参数与实际锂电池的参数之间的偏差进行修正参数，提高了计算结果的精准度。

附图说明

图1是本发明的框架结构图；

图2是本发明计算锂电池剩余时间的流程图；

图3是本发明实施例的框架结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图1和图2所示，本发明所提供的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，包括锂电池本体1，还包括：

电流传感器2用以检测锂电池本体1的电流信号，并将电流信号参数传至控制器6。如果电流较小，可以直接在锂电池本体1回路中串入精密电阻测量；如果电流较大，则可以使用霍尔传感器或者使用分流器测量。

电量传感器3用以检测和计算锂电池本体1的当前电量，并将当前电量参数传至控制器6。根据成本和精度的不同，可以选择Ah积分电路、电量管理芯片或者是向电池管理系统读取。

温度传感器4用以检测锂电池本体1表面的温度，并将温度参数传至控制器6。可以是接触式或者非接触式传感器，通常可以使用贴片式铂电阻。

循环次数计数器5用以计算锂电池本体1已经使用过的循环次数，并将循环次数参数传至控制器6。可以使用一个充放电截止电压触发的计数电路，或者用充放电曲线数据在控制器中直接计算。

控制器6是本发明整个装置的计算控制中心模块，通过电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数，用以计算锂电池本体1的当前剩余使用时间。可以是ARM、DSP、单片机等各种微控制器，在性能符合要求的情况下，通常选用成本交底的单片机。

显示模块7与控制器6相连，作为与使用者的交互界面，用以显示控制器的计算结果。可以选用LCD显示模块、数码管显示模块或简化为一个数据接口，连接至更上层的显控平台。

本发明所提供的一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，通过电流传感器2、电量传感器3、温度传感器4和循环次数计数器5分别检测锂电池本体1的电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数，并将上述的相关参数传至控制器6，通过控制器6进行标定、计算和自学习；

所述标定：

离线检测精度高，是锂电池参数测量的最好方式，在离线方式下标定锂电池的容量特性可以为在线计算和自学习提供稳定、合适的初始参数。考虑到贴近实际工况，标定均应该在锂电池典型使用温度W下进行，如果实际使用温度难以确定，W可以取为室温。

包括：容量－循环次数标定

锂电池的容量随着循环次数的减少呈现先快后慢的非线性特征，可以按照锂电池的特性在电池全寿命周期中取几个特征点，标定取锂电池的容量-循环次数的特性。特征点的数量可精度需求调整，通常可取4、5个。例如取4个点，可以取循环次数J₁＝0次、J₂＝a₁J次、J₃＝a₂J次、J₄＝J次，其中，J为锂电池总循环次数，a₁,a₂∈(0,1)。那么在锂电池温度W下，以典型工况电流充放电，测得锂电池容量值Q_J1,Q_J2,Q_J3,Q_J4。

容量－电流标定

锂电池的容量随着放电电流的增大会出现下降，可以在锂电池实际使用电流范围内取几个特征点，标定锂电池的容量-电流特性。特征点的数量可精度需求调整，通常可取4、5个点。例如取4个点，对新电池，可以从小到大取放电电流I₁＝b₁C、I₂＝b₂C、I₃＝b₃C、I₄＝b₄C，其中，C为放电倍率，b₁C,b₂C,b₃C,b₄C取值在锂电池使用的最小放电电流和最大放电电流之间。那么在锂电池温度W下，测得容量值Q_I1,Q_I2,Q_I3,Q_I4。

所述计算包括以下计算步骤：

步骤1，读取锂电池原始容量Q₀，原始容量可以取为Q_J1；

步骤2，计算锂电池循环容量衰减系数α_J，根据离线标定的数据，使用线性化处理可以得到循环次数对于容量的影响：

上述公式中，J_x为当前循环次数，取值在[J₁,J₄]之间；

步骤3，计算电流系数α_I：

上述公式中，I_x为当前电流，取值在[I₁,I₄]之间；

步骤4，计算当前容量Q₁：

Q₁＝Q₀×α_J×α_I×k_n

上述公式中，k_n为当前第n次自学习之后的自学习系数，其初始值k₀为1；

步骤5，计算锂电池当前剩余使用时间t：

上述公式中，SOC_x为当前电量。

自学习：

锂电池在实际使用中，电池个体的差异，使用条件的变化，材料的劣化等因素都会使得利用离线标定数据计算出的参数与其实际电池参数出现偏差，这种偏差会随着使用不断增大，最后直到用户不可接受的程度。所以通过在线自学习，校正偏差是非常必要的。本发明中，装置在使用中需要不断自学习来修正参数。由于锂电池实际使用中工况通常变化较频繁，所以装置自学习需要满足一定的条件。

当锂电池的放电电流I_y以恒定值I_S，放出一定电量时，可以进行自学习。在实际使用中绝对的恒流放电不太可能出现，那么只要满足I_S-σ≤I_y≤I_S+σ，可以认为是以电流I_S恒流放电，σ为电流波动偏差，可以根据实际工况下电流的波动调整，但是通常小于10％I_S，即电流波动小于10％为宜。放出的电量越多，自学习精度越好，但是考虑到实际情况的限制，通常放电电量SOC大于30％，可以认为符合自学习条件。

所述的自学习记录开始到结束直接放出的电量SOC_y，和放电时间tz，计算得到学习容量Q₂：

根据Q₂，计算出当前容量Q₁′，则容量误差为ΔQ：

ΔQ＝Q₂-Q₁′。

根据Q₁′和ΔQ，若当前自学习系数为k_n，则自学习系数可以完成更新：

其中，k_n+1为新的自学习系数，α为滤波系数。根据自学习的频度可以调整大小，如果使用条件允许，自学习较频繁，α可以取得小一些；反正则可以取得大一些，但是由于电池容量的变化通常不会过于剧烈，所以α不大于0.1为宜。

请结合图3所示，本发明的实施例，控制器6是选用成本低廉，可靠性好的的单片机；电流传感器2采用可靠的非接触式霍尔传感器；温度传感器4使用贴片式铂电阻；循环次数计数器5为由充电饱和电压和放电截止电压触发的计数电路；显示模块7采用LCD模块；电量传感器3采用Ah积分电路。

在控制器6中，锂电池本体1的剩余使用时间检测如下：

标定，对于某5Ah电池，在室温25℃下对锂电池容量进行标定。

容量-循环次数标定，取循环次数J₁＝0、J₂＝0.2J、J3＝0.5J、J₄＝J，以0.5C充放电，测得容量值Q_J1＝5.041Ah,Q_J2＝4.753Ah,Q_J3＝4.435Ah,Q_J4＝4.033Ah。

容量-电量标定，取放电电流I₁＝0.1C、I₂＝0.5C、I₃＝C、I₄＝1.5C，那么在室温下，测得容量值Q_I1＝5.221Ah,Q_I2＝5.041Ah,Q_I3＝4.697Ah,Q_I4＝4.274Ah。

计算，读取锂电池原始容量Q₀＝Q_J1＝5.041Ah。

当前电池循环次数0.35J次，计算电池循环容量衰减系数α_J：

当前电流0.2C，计算电流系数α_I：

当前电量为45％，k_n＝1.093，计算锂电池当前剩余使用时间t：

自学习，0.9I_s≤I_y≤1.1I_s为标准，电池以I_S＝2A放出电量SOC_y＝40％，则可以开始自学习，记录实际放电时间t_z＝0.997h，则可以计算得到学习容量Q₂：

利用上述步骤方法，根据当前循环次数和电流可以得出Q₁′＝5.112Ah，则容量误差ΔQ：

ΔQ＝Q₂-Q₁′＝-0.127Ah

如果当前自学习系数为k_n＝1.093的话，则自学习系数可以完成更新：

其中α取为0.1。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (14)

1.一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，包括锂电池本体，其特征在于，还包括：

电流传感器，用以检测锂电池本体的电流信号，并将电流信号参数传至控制器；

电量传感器，用以检测和计算锂电池本体的当前电量，并将当前电量参数传至控制器；

温度传感器，用以检测锂电池本体表面的温度，并将温度参数传至控制器；

循环次数计数器，用以计算锂电池本体已经使用过的循环次数，并将循环次数参数传至控制器；

控制器，通过电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数，用以计算锂电池本体的当前剩余使用时间，

其中，控制器进行标定、计算和自学习；

所述标定包括：

根据锂电池本体的特性在电池全寿命周期中，标定取锂电池的容量-循环次数的数个特性点，取J₁＝0次、J₂＝a₁J次、J₃＝a₂J次、J₄＝J次，其中，J为锂电池总循环次数，a₁,a₂∈(0,1)，在锂电池温度W下，测得锂电池容量值Q_J1,Q_J2,Q_J3,Q_J4；

根据锂电池本体的实际使用电流范围，标定取锂电池的容量-电流的数个特性点，取I₁＝b₁C、I₂＝b₂C、I₃＝b₃C、I₄＝b₄C，其中，C为放电倍率，b₁C,b₂C,b₃C,b₄C取值在锂电池使用的最小放电电流和最大放电电流之间，在锂电池温度W下，测得容量值Q_I1,Q_I2,Q_I3,Q_I4；

所述计算包括以下计算步骤：

步骤1，读取锂电池原始容量Q₀，并标记为Q_J1；

步骤2，计算锂电池循环容量衰减系数α_J，根据离线标定的数据，使用线性化处理可以得到循环次数对于容量的影响：

公式1中，J_x为当前循环次数，取值在[J₁,J₄]之间；

步骤3，计算电流系数α_I：

公式2中，I_x为当前电流，取值在[I₁,I₄]之间；

步骤4，计算当前容量Q₁：

Q₁＝Q₀×α_J×α_I×k_n 公式3

上述公式3中，k_n为当前第n次自学习之后的自学习系数，其初始值k₀为1；

步骤5，计算锂电池当前剩余使用时间t：

上述公式4中，SOC_x为当前电量；

所述电流传感器、电量传感器、温度传感器和循环次数计数器分别检测的参数与实际锂电池的参数之间的偏差通过自学习来修正参数。

2.如权利要求1所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，其特征在于，还包括：

显示模块，与控制器相连，用以显示控制器的计算结果。

3.如权利要求1所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，其特征在于：所述的控制器为ARM、DSP或单片机。

4.如权利要求1所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，其特征在于：所述的电流传感器为串入于锂电池本体回路中的精密电阻、霍尔传感器或分流器。

5.如权利要求1所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，其特征在于：所述的电量传感器为Ah积分电路、电量管理芯片或电池管理系统。

6.如权利要求1所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，其特征在于：所述的温度传感器为接触式或非接触式传感器。

7.如权利要求1所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，其特征在于：所述的循环次数计数器为充放电截止电压触发的计数电路，或充放电曲线数据在控制器中直接计算。

8.如权利要求2所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的装置，其特征在于：所述的显示模块为LCD显示模块、数码管显示模块或简化为一个数据接口，连接至更上层的显控平台。

9.一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，其特征在于：通过电流传感器、电量传感器、温度传感器和循环次数计数器分别检测锂电池本体的电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数，并将上述的电流信号参数、当前电量参数、温度参数和循环次数参数传至控制器，通过控制器进行标定、计算和自学习；

所述标定包括：

根据锂电池本体的特性在电池全寿命周期中，标定取锂电池的容量-循环次数的数个特性点，取J₁＝0次、J₂＝a₁J次、J₃＝a₂J次、J₄＝J次，其中，J为锂电池总循环次数，a₁,a₂∈(0,1)，在锂电池温度W下，测得锂电池容量值Q_J1,Q_J2,Q_J3,Q_J4；

根据锂电池本体的实际使用电流范围，标定取锂电池的容量-电流的数个特性点，取I₁＝b₁C、I₂＝b₂C、I₃＝b₃C、I₄＝b₄C，其中，C为放电倍率，b₁C,b₂C,b₃C,b₄C取值在锂电池使用的最小放电电流和最大放电电流之间，在锂电池温度W下，测得容量值Q_I1,Q_I2,Q_I3,Q_I4；

所述计算包括以下计算步骤：

步骤1，读取锂电池原始容量Q₀，并标记为Q_J1；

步骤2，计算锂电池循环容量衰减系数α_J，根据离线标定的数据，使用线性化处理可以得到循环次数对于容量的影响：

公式1中，J_x为当前循环次数，取值在[J₁,J₄]之间；

步骤3，计算电流系数α_I：

公式2中，I_x为当前电流，取值在[I₁,I₄]之间；

步骤4，计算当前容量Q₁：

Q₁＝Q₀×α_J×α_I×k_n 公式3

上述公式3中，k_n为当前第n次自学习之后的自学习系数，其初始值k₀为1；

步骤5，计算锂电池当前剩余使用时间t：

上述公式4中，SOC_x为当前电量；

所述电流传感器、电量传感器、温度传感器和循环次数计数器分别检测的参数与实际锂电池的参数之间的偏差通过自学习来修正参数。

10.如权利要求9所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，其特征在于：所述的自学习满足的条件如下：

I_S-σ≤I_y≤I_S+σ

其中，I_y为锂电池的放电电流，I_S为放电恒流值，σ为电流波动偏差。

11.如权利要求10所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，其特征在于：所述的自学习记录开始到结束直接放出的电量SOC_y，和放电时间t_z，计算得到学习容量Q₂：

12.如权利要求11所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，其特征在于：根据Q₂，计算出当前容量Q′₁，则容量误差为ΔQ：

ΔQ＝Q₂-Q′₁。

13.如权利要求12所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，其特征在于：根据Q′₁和ΔQ，若当前自学习系数为k_n，则自学习系数可以完成更新：

其中，k_n+1为新的自学习系数，α为滤波系数。

14.如权利要求13所述的一种用于计算锂电池剩余使用时间的方法，其特征在于：所述的滤波系数α不大于0.1。

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