CN112379271B - 一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法 - Google Patents

一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，所述方法首先以碳包式锂亚硫酰氯电池参数选定钝化膜消去负载及消去时间；其次，在静置电池一定时间后，对其进行恒定负载下的短时脉冲放电，记录脉冲电压波形并对脉冲参数进行识别；之后，使用固定的电池功耗模式对电池容量进行消耗，并在新的容量下进行钝化膜消除、静置、脉冲测试及参数识别，直至电池容量耗尽达到截止电压；最后，得到各容量下的电池脉冲参数样本，完成用于电池剩余容量检测的模型建立。本发明解决了目前锂亚硫酰氯电池容量表征困难、无法简便、无损、准确地进行剩余容量检测的问题，能够实现对剩余容量的检测。

Description

一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法
技术领域
本发明属于锂亚硫酰氯电池技术领域，涉及一种碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法。
背景技术
碳包式锂亚硫酰氯电池凭借比能量高和寿命长的特点，广泛应用于智能仪表等设备。作为关键的后备电源，其容量状态是影响对设备及系统可靠性的重要因素。由于碳包式锂亚硫酰氯电池是不可充电的一次电池，其容量的测试往往是耗时且具有破坏性的。此外，电池钝化等复杂特性的影响，使得目前仍不能够简便、无损、准确地对碳包式锂亚硫酰氯电池剩余容量进行检测。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法。该方法解决了目前锂亚硫酰氯电池容量表征困难、无法简便、无损、准确地进行剩余容量检测的问题，能够实现对剩余容量的检测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，包括如下步骤：
步骤一：结合碳包式锂亚硫酰氯电池型号及参数，以电池标称电压与最大脉冲放电电流计算得到的恒定负载Rpas作为消除钝化负载，在恒定负载Rpas下进行时长为Teli的放电以消除钝化；
步骤二：静置电池一定时间Tres，对电池进行脉冲测试负载Rpul下的短时脉冲放电，记录电池脉冲电压波形；
步骤三：根据电池等效电路和电池脉冲电压波形，对步骤二得到的电池脉冲电压波形进行参数识别，得到此容量下的电池脉冲参数；
步骤四：采用固定功耗模式对电池容量进行消耗，达到新的电池容量状态，记录此过程电池的放出电量；
步骤五：在新的电池容量下重复步骤一至步骤四，直至消耗电池容量耗尽达到截止电压，获得每个容量下的电池脉冲参数；
步骤六：选取步骤五中与容量变化相关性强的脉冲参数作为容量表征参数，建立电池容量-脉冲参数检测模型；
步骤七：结合步骤六得到的电池容量-脉冲参数检测模型得到剩余容量值。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明采用的脉冲试验及参数识别方法可以对碳包式锂亚硫酰氯电池各容量阶段进行表征，解决了目前对一次碳包式锂亚硫酰氯电池容量表征困难的问题。
2、本发明在对电池容量建模过程中考虑了电池钝化对脉冲参数的影响，为解决电池剩余容量检测提供了有效的手段。
附图说明
图1是考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法流程图。
图2是脉冲测试电路及脉冲电压波形示意图。
图3是电池等效电路。
图4是容量与脉冲参数模型建立示意图。
图5为实施例的试验流程。
图6为UAD随容量典型变化曲线。
图7为时间常数τ随容量典型变化曲线。
图8为UBC随容量典型变化曲线。
图9为UD随容量典型变化曲线。
图10为UED随容量典型变化曲线。
图11为实施例验证试验流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，所述方法首先以碳包式锂亚硫酰氯电池参数选定钝化膜消去负载及消去时间；其次，在静置电池一定时间后，对其进行恒定负载下的短时脉冲放电，记录脉冲电压波形并对脉冲参数进行识别；之后，使用固定的电池功耗模式对电池容量进行消耗，并在新的容量下进行钝化膜消除、静置、脉冲测试及参数识别，直至电池容量耗尽达到截止电压；最后，得到各容量下的电池脉冲参数样本，完成用于电池剩余容量检测的模型建立。如图1所示，具体实施步骤如下：
步骤一：结合电池型号及参数，在以电池标称电压与最大脉冲放电电流计算得到的恒定负载Rpas下进行时长为Teli的钝化消除，其中，恒定负载Rpas的计算方法如下：
Rpas＝Unom/Ipul；
式中，Unom为电池标称电压，Ipul为最大脉冲放电电流；
最短钝化消除时间Teli的选取满足以下条件：在恒定负载Rpas下进行Teli时间的钝化消除后，电池在其手册中规定的最大持续电流下放电的前一个小时内，钝化压差小于0.003V。
步骤二：静置电池一定时间Tres，对电池进行脉冲测试负载Rpul下的短时脉冲放电，记录电池脉冲电压波形，其中，脉冲测试负载Rpul的计算方法如下：
Rpul＝Unom/2Ipul；
式中，Unom为电池标称电压，Ipul为电池最大脉冲电流。
步骤三：根据电池等效电路和电池脉冲电压波形，对步骤二得到的电池脉冲电压波形进行参数识别，得到此容量下的电池脉冲参数。
步骤四：采用固定功耗模式对电池容量进行消耗，达到新的电池容量状态，记录此过程电池的放出电量。
步骤五：在新的电池容量下重复步骤一至步骤四，直至电池容量耗尽，达到截止电压，获得每个容量下的电池脉冲参数。
步骤六：选取步骤五中与容量变化相关性强的脉冲参数，建立电池容量-脉冲参数检测模型，其中，建立电池容量-脉冲参数检测模型的方法有多种，例如：(1)根据数据采用最小二乘法进行曲线拟合(2)使用近似建模手段(Kriging、支持向量回归等)。
步骤七：任意以步骤四中相同功耗模式工作或未知使用历史的电池，均可按照步骤一、二、三获得脉冲参数，结合步骤六得到的电池容量-脉冲参数检测模型得到剩余容量值。
实施例1：
本实施例以ER14250锂亚电池为对象进行考虑钝化的容量检测，具体步骤如下：
步骤一：以缩短消除钝化时间，减小消除钝化容量消耗为原则，确定电池钝化消除时间。结合电池型号及参数，在以电池标称电压Unom与最大脉冲放电电流Ipul，通过Unom/Ipul计算得到的恒定负载Rpas下进行钝化消除。最短消除钝化时间Teli的选取应满足：在恒定负载Rpas下进行Teli时间的钝化消除后，电池在其手册中规定的最大持续电流下放电的前一个小时内，钝化压差小于0.003V；步骤一为步骤二脉冲测试前的必要工作。
步骤二：考虑松弛效应，静置电池一段时间Tres。Tres应不小于20分钟。根据电池参数，选定以电池标称电压Unom与2倍电池最大脉冲电流2Ipul通过Unom/2Ipul计算得到的Rpul作为脉冲测试负载。如图2所示，T0为接通负载时刻，T1为断开负载时刻，T2为断开负载3s后的时刻。在Rpul下对电池进行1秒的放电并记录端电压波形。其中，脉冲放电前的电压采集应不少于0.5s，脉冲放电后的电压采集不少于3s。
步骤三：如图2与图3所示，以未接通负载前的电池开路电压作为A点电压，以接通负载后瞬间跌落到的负载电压作为B点电压，以接通1s负载后电池的负载电压作为C点电压，以断开负载后瞬间恢复的开路电压作为D点电压，以断开负载3s后的电池开路电压作为E点电压，结合使用广泛的电池一阶等效电路，对步骤二得到的脉冲波形进行参数识别。图3中R1与C1组成的电池等效电路时间常数如公式(1)所示：
Figure GDA0003347593100000061
以A点电压作为UOC，D点电压UD作为U(t1)，E点电压UE作为U(t2)，UC1为等效电路电容C1端电压，t1-t2＝3s，可得到此容量下的R1C1电路时间常数τ。同时记录电池UD、UBC(BC点差值电压)、UED(ED点差值电压)及UAD(AD点差值电压)，得到此容量下的电池脉冲参数。
步骤四：为了获得全容量下电池各容量点的脉冲参数进而进行检测模型建立。采用固定功耗模式对电池容量进行消耗，以达到新的容量状态，记录此过程电池的放出容量(Ah)。
步骤五：在新的电池容量下重复步骤一至步骤四，直至电池容量耗尽达到截止电压，获得每个容量下电池脉冲参数样本。
步骤六：如图4所示，选取步骤五中记录的一个或多个与容量关联性强的脉冲参数，通过最小二乘法拟合或近似建模手段，建立电池容量-脉冲参数检测模型；
步骤七：与步骤四相同功耗模式或未知使用历史的锂亚硫酰氯电池，仅需按照步骤一至步骤三得到脉冲参数，便可通过步骤六建立的电池容量-脉冲参数检测模型直接得到剩余容量。
本实施例以24支ER14250锂亚电池建立了参数样本，进行了8支电池的验证试验。样本组采用330Ω恒负载消耗电池容量，采用72Ω恒负载-15分钟消除钝化，试验流程如图5所示。在此过程中采集电池端电压，用于计算每个测试周期容量的消耗(除钝化消耗容量也计算在内)，累加可以得到总容量。最终得到24支电池不同容量下的脉冲参数，其中随容量变化明显的参数如图6-10所示。
验证试验：
8支电池，每测试周期采用1.3kΩ-16h、680Ω-6h、330Ω-1h组合负载消耗容量(验证电池使用历史多变条件下此方法的适用性)，采用72Ω恒负载-15分钟消除钝化。验证试验步骤如图11所示。
全容量范围下，容量检测平均误差为79.7mAh(标称容量的6％)，所使用的脉冲参数、容量真实值、容量预测值结果如表1所示。
表1
Figure GDA0003347593100000071
Figure GDA0003347593100000081
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是：以18支ER14250锂亚电池建立了参数样本，进行了6支电池的验证试验。样本组采用330Ω恒负载消耗电池容量，采用72Ω恒负载-15分钟消除钝化。在此过程中采集电池端电压，用于计算每个测试周期容量的消耗(除钝化消耗容量也计算在内)，累加可以得到总容量。最终得到18支电池不同容量下的脉冲参数。
验证试验：
6支电池，采用与样本组相同的功耗模式：330Ω恒负载消耗电池容量，72Ω恒负载-15分钟消除钝化。验证试验步骤与样本组类似。
全容量范围下，容量检测平均误差为22.5mAh(标称容量的1.8％)，所使用的脉冲参数、容量真实值、容量预测值结果如表2所示。
表2
Figure GDA0003347593100000082
Figure GDA0003347593100000091
Figure GDA0003347593100000101
至此，此方法得到验证。通过此方法，对于任意已知固定功耗模式的碳包式锂亚电池和未知容量的碳包式锂亚电池，都可以通过本发明中的消除钝化标准将钝化消除后，进行脉冲试验得到参数，根据脉冲参数与样本组数据建立的模型进行容量估计。

Claims (6)

1.一种考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：结合碳包式锂亚硫酰氯电池型号及参数，以电池标称电压与最大脉冲放电电流计算得到的恒定负载Rpas作为消除钝化负载，在恒定负载Rpas下进行时长为Teli的放电以消除钝化；
步骤二：静置电池一定时间Tres，对电池进行脉冲测试负载Rpul下的短时脉冲放电，记录电池脉冲电压波形；
步骤三：根据电池等效电路和电池脉冲电压波形，对步骤二得到的电池脉冲电压波形进行参数识别，得到此容量下的电池脉冲参数，其中：以未接通负载前的电池开路电压作为A点电压，以接通负载后瞬间跌落到的负载电压作为B点电压，以接通1s负载后电池的负载电压作为C点电压，以断开负载后瞬间恢复的开路电压作为D点电压，以断开负载3s后的电池开路电压作为E点电压，则由R1与C1组成的电池等效电路时间常数如公式(1)所示：
Figure FDA0003347593090000011
式中，以A点电压作为UOC，D点电压UD作为U(t1)，E点电压UE作为U(t2)，t1-t2＝3s；
步骤四：采用固定功耗模式对电池容量进行消耗，达到新的电池容量状态，记录此过程电池的放出电量；
步骤五：在新的电池容量下重复步骤一至步骤四，直至消耗电池容量耗尽达到截止电压，获得每个容量下的电池脉冲参数；
步骤六：选取步骤五中与容量变化相关性强的脉冲参数作为容量表征参数，建立电池容量-脉冲参数检测模型；
步骤七：结合步骤六得到的电池容量-脉冲参数检测模型得到剩余容量值。
2.根据权利要求1所述的考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，其特征在于所述步骤一中，恒定负载Rpas的计算方法如下：
Rpas＝Unom/Ipul；
式中，Unom为电池标称电压，Ipul为最大脉冲放电电流。
3.根据权利要求1所述的考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，其特征在于所述步骤一中，Teli的选取满足：在恒定负载Rpas下进行Teli时间的钝化消除后，电池在其手册中规定的最大持续电流下放电的前一个小时内，钝化压差小于0.003V。
4.根据权利要求1所述的考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，其特征在于所述步骤二中，Tres不小于20分钟。
5.根据权利要求1所述的考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，其特征在于所述步骤二中，脉冲测试负载Rpul的计算方法如下：
Rpul＝Unom/2Ipul；
式中，Unom为电池标称电压，Ipul为电池最大脉冲电流。
6.根据权利要求1所述的考虑钝化的碳包式锂亚硫酰氯电池容量检测方法，其特征在于所述步骤二中，脉冲放电前的电压采集不少于0.5s，脉冲放电后的电压采集不少于3s。
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