CN1174441A - 电池测定方法和电池测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的电池测定方法包括步骤:在开始电池的预定第一充电操作后检测电池电压;如果检测的电池电压小于参考电压,继续与预定第一充电操作不同的第二充电操作;以及测定电池状态。而且,本发明的电池测定方法是一个测定通过充电能重复使用的二次电池特性的方法并包括步骤:从停止电池的充电或放电后在第一预定时间周期经过后进行第一电池电压检测;在第二预定时间周期经过后进行第二电池电压检测;以及如果第一和第二检测结果之间的差值不小于预定值,那么判定内部短路出现在电池内。

Description

电池测定方法和电池测定装置
本发明涉及适合在测定如锂离子电池或类似物的各种二次电池中使用的电池测定方法和电池测定装置。
在现有技术中，广泛使用镍镐电池作为二次电池，但最近研制如锂离子电池、镍氢电池等的电池作为高性能电池，而且现在仍要进行此种电池的改进。在这种情况下，当研制或改进此种二次电池时，需要测定电池特性，该电池特性通过连接电池到测定装置所获得。
而且，在已知其特性的二次电池情况下，由于电池使用的结果，存在要知道电池现在状态的情况。例如，当电池重复使用多次，存在其可充电容量降低情况。这样，为了知道电池容量降低到何种程度，必须通过连接电池到测定装置来测定如可充电容量或类似物这样的特性。
顺便说说，在现有电池测定装置中，通过实际对电池充放电从电池电压和充放电电流的变化测定连接的二次电池的特性，但是也存在由简单地进行充放电电池不能正确测定电池的特性的情况。
也就是说，当开始充电时，例如需要判断用于测定的连接电池是否是正负极端短路的所谓短路电池。在充电开始后电压没有立刻升到参考电压的电池通常判断成短路电池。然而，实际上，甚至由此方法判断成短路电池的电池中，因为仅由于过放电或类似情况异常地降低了电池电压，也存在依据一方法能恢复到正常电池的电池。所以说没能正确测定此电池。
而且，由现有测定装置难以检测所谓微短路的现象，微短路是上述电池中内部短路状态的一种。也就是说，因为侵入外来物质以及出现称作枝晶的树枝状晶体，二次电池变成微短路状态电池。对微短路电池，电池电压一旦由正常充电升高到与满充电电压相应的电压，但如果搁置此电池，它的电压下降比搁置正常电池时出现的自放电导致的电压下降更快。即使一般认为电压下降比自放电快，然而，此类电池电压的下降是花费几天出现的现象。因此，通过把电池连接到现有测定装置仅2或3小时是不可能检测微短路电池。
在象锂离子电池的二次电池的情况下，如果充电电池到它的满充电，由监电池电压和充电电流的普通充电器完成，并且当分别达到预定电压和预定电流时，判断电池充满并停止充电。然而，由于上述原因，通过简单判断和控制充电时的电压以及电流，虽然电池接近满充电，但是电池未必控制在满充电的正确状态。所以为了使测定装置正确测定电池特性，需要更精确的方法。
鉴于这些要点，本发明目的是正确进行电池测定。
根据本发明的第一方面，测定通过充电能重复使用的二次电池特性的电池测定方法包括：在开始电池的预定第一充电操作后检测电池电压的步骤；如果检测的电池电压小于参考电压，继续与预定第一充电操作不同的第二充电操作的步骤；以及然后测定电池状态的步骤。
根据本发明的第二方面，测定通过充电能重复使用的二次电池特性的电池测定方法包括：因为停止电池的充电或放电，在第一预定时间周期已过之后进行第一电池电压检测的步骤；在第二预定时间周期已过之后完成第二电池电压检测的步骤；以及如果第一和第二检测结果之间的差值不小于预定值，估计内部短路出现在电池中的步骤。
根据本发明的第三方面，测定通过充电能重复使用的二次电池特性的电池测定装置包括：在开始电池的预定第一充电操作后检测电池电压的装置；如果检测的电池电压小于参考电压，用于继续与预定第一充电操作不同的第二充电操作的装置；以及用于测定电池状态的装置。
图1是根据本发明的一实施例表示测定装置布置的方框图；
图2是根据上述实施例表示短路电池的检测方法的流程图；
图3是表示直到电池完全充电时电池充电过程流程图；
图4是根据此实施例表示直到电池完全充电时电池电压变化例子的特性曲线；
图5是根据前面实施例表示检测微短路电池的方法的流程图；
图6是根据前面实施例表示当检测微短路时电压变化例子的特性曲线。
下面将参照附图说明根据本发明一实施例的电池测定方法和电池测定装置。
图1是根据此例子表示电池测定装置的整体构成的方框图。
作为要测量物体的测定电池1(在此例子中使用锂离子电池)装在此电池测定装置上，充放电电路2连接至加装的测定电池1。基于后面将描述的控制单元5的控制，充电与放电电路2就能对电池1充电，并且同时能完成从电池1到充放电电路2的放电。这样，本例子的充放电电路2设置有恒电压电路和恒电流电路，因此，就能完成在对如锂离子电池或类似物这样的二次电池充电时所必须的恒电压充电和恒电流充电。然后，电池电压检测电路3并联到电池1，充电与放电电流检测电路4连接到在充放电电路2和电池1之间的充电电流路径(放电电流路径)。再后，在每个检测电路3，4中检测的数据供给控制单元5，控制单元5是此电池测定装置的系统控制器。
控制单元5是由计算机装置组成，该计算机装置连接至控制程序存储单元6，控制程序存储单元6由装载有预定存储介质(磁盘、光盘、磁光盘或类似物)的存储装置或如半导体存储器和IC卡或类似物的固定存储装置构成。并且，基于在存储单元6中存储的控制程序，控制单元5通过充放电电路2，并判断在电池电压检测电路3和充放电电流检测电路4中的检测状态而控制充电和放电。在这种情况下，在控制单元5中设置有处理单元，处理单元完成设定由控制程序指示电压值的参考电压的处理以及比较此设定参考电压与电池电压检测电路3中检测的电池电压的处理，并基于比较结果，对充放电或类似情况的控制将进行编程。而且，本例子的控制单元5具有计算时间通过的计时器功能。
而且，控制单元5连接至指示测定程序开始的键7以及显示测定结果的显示单元8。
接着，通过使用本例子的测定装置将描述测定是二次电池(锂离子电池)的此测定电池1的过程。依据控制单元5的控制执行此后描述的每个程序并且按照在控制程序存储单元6中存储的控制程序进行控制。
首先，参考图2中的流程图将描述通过完成此测定电池1的高速率充电进行测定的过程，高速率充电是用1C的相当大电流对此测定电池1充电(即，用能够在约1小时内把电池充电到额定容量的电流充电)。在进行高速率充电时的情况下，开始初始充电程序(步骤101)。在此初始充电中，用来自充放电电路2的比较小电流(例如，电流在50mA至150mA的范围内，优选约50mA)进行充电。在开始初始充电后，由电池电压检测电路3测量电池电压(步骤102)。此时，判断电池电压是否高于参考电压V1(步骤103)。参考电压V1设定成一电压值，该电压值稍高于例如此时装载的测定电池1的放电截止电压。
然后，当在步骤103中检测到电池电压超过参考电压V1时，控制单元5判断能进行高速率充电，并设置充放电电路2在高速率充电模式以开始高速率充电(步骤105)。这里所提及的高速率充电是用几乎1C的比较大电流充电(即，用在1小时内能够把电池充电到约额定容量的充电电流充电)。
然后，在从步骤101开始初始充电的时间约1小时过去后在103中判断电池电压没有超过参考电压V1时，进行短时间(至少大于1秒，优选约1分钟)约1C的高速率充电(步骤106)。接着，判断通过短时间高速率充电，电池电压是否超过参考电压V1(步骤107)。这里，当电池电压超过参考电压V1时，程序移至步骤104以判断电池是能以高速率充电的电池(即，判断电池至少不是短路电池)并且移至步骤105中的高速率充电模式。
然后，在甚至通过步骤106的高速率充电，电池电压仍没有超过参考电压V1的情况下，判断此测定电池1是短路电池(步骤108)。这时，完成停止由充放电电路2的充电等，并用字母或类似物在显示单元8上显示测定电池是异常电池(短路电池)(步骤109)。
如上所述，甚至当在初始充电程序中电池电压没有达到预定值时，也能判断测定电池是否是通过步骤106在短时间期间内能恢复到正常电池的电池，并判断测定电池是否是在真正短路状态的电池。
接着，参照图3的流程图将说明由这种程序判断测定电池正常之后当高速率充电模式就位时停止高速率充电的程序。这里，当满充电时具有8.4V电池电压的锂离子电池用作测定电池1，并且在高速率充电时作为来自充放电电路2的充电电压，8.5V提供给电池1。
首先，当以高速率充电模式开始充电时(步骤111)，测量电池电压(步骤112)并判断电池电压是否大于84V(步骤113)。在电池电压不大于8.4V的情况下，重复进行在步骤112中的测量和在113中的判断。然后，当根据步骤113的判断确定电池电压高于8.4V时，停止由充电与放电电路2的充电(步骤114)并且程序继续到充电暂停模式(步骤115)。当充电暂停模式就位时，启动在控制单元5中准备的计时器功能单元，并且程序等待从计时器功能单元的计数表示的充电暂停模式经过的预定时间(步骤116)。此后，测量电池电压(步骤117)。至于电池电压的测量，它是在没有从充电与放电电路2中提供充电电流的状态下测量，所以是测量电池1的开路电压。
在测量电池1的开路电压中判断电池电压是否大于8.4V(步骤118)。这里，如果电池电压大于8.4V，程序回到步骤115中的充电暂停模式，并且在计时器功能单元计算的每个预定时间处进行电池电压的测量。此后，如果在步骤118中判断电池电压不大于8.4V，恢复高速率充电(步骤119)。在恢复高速率充电后，程序返回步骤112，并在继续高速率充电的同时进行电池电压的测量。
然后，当在充电暂停模式后在步骤118中判断电池电压大于8.4V的情况持续预定次数(也就是说，电池电压持续保持8.4V的情况)时，判定电池1充电到它的满电压，并结束以高速率充电模式的充电程序。
以此方式，因为充电过程以高速率充电模式进行，所以对电池1充电直至电池电压正确地变成8.4V，8.4V是完全充电时的电压，从而能够由高速率充电把测定电池1正确地充电到它的满充电并且正确测定如它的充电容量等。图4是表示当根据图3的流程图进行高速率充电时电池电压变化例子的曲线。当用设定成8.4V的充电电压和设定成相应于1C的电流值的充电电流开始高速率充电时，电池电压Va迅速升高并超过8.4V。此时变成充电电流供给中断的暂停时间t0，电池电压暂时升高到稍高于8.4V。然而，如果电池没达到满充电电池状态，在预定时间过去后电池电压降到低于8.4V。此时，通过程序从步骤118移至步骤119恢复充电，对电池充电直至电池电压Va超过8.4V。
以这种方式进行的充电过程，一旦电池电压达到8.4V后，间歇地重复短时间的高速率充电。电池电压绕8.4V中心上下波动并且虚线表示的充电暂停时间t0逐渐变得更短，最后把电池充电到它的满充电。因此，是电池满充电时的电池电压84V连续。
接着，参照图5中的流程图将说明检测此测定电池1微短路的程序。首先，将描述使用如上所述满充电(或达到一定容量)的测定电池1的微短路检测程序。在这种情况下，由充电与放电电路2开始测定电池1的放电(步骤121)，并判断电池电压检测电路3检测的电池电压是否变成接近放电截止电压的预定电压值V0(例如，该值稍高于放电截止电压)(步骤122)，以及继续放电直到电池电压变成此预定电压值V0。
然后，当测定电池1的电压变成此预定电压值V0时，程序在没进行充电与放电的状态下暂停第一时间间隔(例如，1小时)(步骤123)。在第一时间间隔结束后，进行电池电压的测量(步骤124)，这里测量的电压值称做V2并存储在控制单元5中。
然后，程序在没有充电与放电的状态下暂停第二时间间隔(例如，2小时)(步骤125)。然后，在第二时间间隔结束后，测量电池电压(步骤126)，在此测量的电压值称做V3并存储在控制单元5。
然后，在控制单元5中计算存储的电压值V2和V3之间的差值。具体地说，计算V2-V3(步骤127)。然后，判断电压差是否小于或不小于由控制程序预先设定的基准电压差(步骤128)。这里，如果差值小于基准电压差，测定电池1判断成正常电池(步骤129)。如果需要的话，程序移至高速率充电模式并对测定电池充电直到它的满电压(或到预定容量)(步骤130)。
当在步骤128中判断电压差超过基准电压差时，判断此时的测定电池1是微短路电池(步骤131)并使显示单元8用字母显示此测定电池1是微短路出现的异常电池(步骤132)。
图6是表示以此方式处理的电池电压变化的一例子的曲线。对测定电压放电直至它的电池电压Vb达到预定V0，在电池电压Vb达到预定电池电压V0的时刻t1时停止由充电与放电电路2的放电。此外，如果没有停止放电，电池电压接近0V，如图6虚线所示的那样。
当在时刻t1停止放电时，电池电压Vb从预定电压V0稍微升高，并在此后由于电池的自放电随着时间逐渐降低。这里，在从时刻t1处停止放电经过第一时间间隔ta(例如，1小时)后的时刻t2处，测量电池电压V2。然后，在从测量电压V2经过第二时间间隔tb(例如，2小时)后的时刻t3处，测量电池电压V3。然后，通过测量其间的差值，测定电池判断成没有微短路的正常电池。
例如，在微短路电池的情况下，从时刻t2到时刻t3的电压降低变成稍大于自放电的降低，象图6中虚线所示特性V01那样。V2-V3的电压差超过基准电压差，那么测定电池判断成微短路出现的异常电池。能检测微短路电池的原因是由于在放电截止电压附近电池电压降低，电压值的降低显得相对地大。例如，在几乎满充电的电池电压的情况下，不能在此范围的时间间隔内检测微短路电池。
而且，在图5的流程图中从步骤121到步骤123的程序是当电池电压大于放电截止电压附近的预定电压V0时的程序，但当电池电压由于无法解释的因素低于此电压值V0时，建议象图6的特性曲线中由两点划线表示的电压VC那样通过对电池充电使电池电压升高到此电压V0后再进行检测微短路的程序。也就是说，如图5的流程图所示，在步骤141中开始充电后，判断电池是否充电到放电截止电压附近的电压值V0(步骤142)，当电池电压升到电压值V0时，程序移至步骤123并移至使电池暂停第一时间间隔的程序。此后，根据上述图5中的流程图进行检测微短路的程序。通过以此方式的程序，对具有极低电池电压的测定电池能进行微短路的检测程序。
在根据图5的流程图的检测程序中，在检测V2-V3的电压差后依据此差值判断是否有微短路出现的同时，也能例如通过把电压值V3与基准值相比较来判断是否有微短路出现，从停止充电与放电的时刻t0起经过3小时后测量电池电压时获得电压值V3。
正如到此为止所述的，通过使用本例子的测定装置来完成二次电池的测定，能正确检测短路电池及微短路电池，也能在充电时精确地对二次电池充电直到满充电。在本例子的情况下，因为依据在控制程序存储单元6中存储的控制程序来完成在控制单元6中进行的相应测定程序，所以仅通过使存储在控制程序存储单元6的控制程序变成相应程序，就能容易地使测定装置构成测定动作，完成本例子的测定操作。例如，在控制程序存储在磁盘中的情况下，仅通过用相应的盘代替磁盘就能解决此情况，因此现有测定装置就能变成能够容易进行本实施例动作的测定装置。
而且，当经受测定的电池特性变化时，例如，当测定具有不同额定电压和不同充电电流值的电池时，仅通过替换控制程序，在控制程序中基准电压值或类似物设置成对应于电池，就能容易地解决要测定的电池种类的变化。
在上述实施例中，已描述了关于使用锂离子电池作二次电池进行充电与放电的情况，当然，本发明也能应用于测定其它二次电池。
根据本发明电池测定方法，通过从对电池进行充电或停止电池的充电时的时间起经过预定时间后检测和判断电池电压就能正确测定电池的状态。
在这种情况下，通过对电池电压低于参考电压的电池高速率充电预定时间以及当电池电压达到参考电压时判断电池是正常电池后继续高速率充电，就能正确判断短路电池，当电池不是短路电池时，进行由高速率充电时电池快速充电的程序。
而且，当通过充电，电池电压达到参考电压时或者当通过放电，电池电压达到参考电压时，停止充电或放电，并在从停止起经过预定时间后检测电池电压以及当电池电压低于预定电压时，通过判断此电池是微短路出现的电池就能在短的时间间隔内判断微短路。
而且，在判断微短路的情况下，在从停止充电或放电起经过第一预定时间间隔后进行第一电池电压检测，以及从第一电池电压检测起经过第二预定时间间隔后进行第二电池电压检测，当首次检测的电池电压和第二次检测的电池电压之间的电压差大于预定电压时，通过判断此电池是微短路出现的电池，通过判断电压差就能容易检测电池的微短路。
当检测到电池电压通过持续高速率充电变得高于较接近满充电状态的参考电压时，停止充电，在恢复充电前等待直到检测的电池电压低于较接近满充电的参考电压，能以满充电的状态对电池正确充电并正确测定电池的电压容量等。
而且，根据本发明的电池测定装置，通过经过预定时间间隔后检测电池电压和判断电池电压，就能获得正确测定电池状态的测定装置。
在这种情况下，提供一参考电压，用于在参考电压提供装置中设定与电池放电截止电压相对应的电压，当在比较装置中判断电池电压降至低于放电截止电压附近的预定参考电压时，进行预定时间间隔的高速率充电。当在比较装置中判断电池电压通过预定时间间隔的高速率充电而超过参考电压时，执行继续高速率充电的控制，然后正确判断短路电池，当电池不是短路电池时，执行由高速率充电快速对电池充电的程序，并适当地做出初始充电状态下的电池测定。
而且，至于在参考电压设定装置中要设定的参考电压，提供在电池放电截止电压附近的预定电压，并且当在比较装置中判断电池电压达到放电截止电压附近的预定参考电压时，停止充电或放电。在从停止充电或放电起经过预定时间间隔后检测电池电压，当检测的电池电压低于预定电压时，通过判断此电池是微短路出现的电池，在比较短的时间内正确进行微短路电池的检测。
而且，在检测微短路电池的时候，当确定从停止充电或放电起经过第一预定时间时，检测电池电压，以便当确定经过第二预定时间时检测电池电压。确定在电池的两个检测值之间的差值，如果差值大于预定电压，判断此电池是微短路出现的电池。那么，由电压的差值能容易而正确地检测微短路电池。
而且，至于在参考电压设定装置中要设定的参考电压，提供在满充电的电池电压附近的预定电压，当在比较装置中通过比较检测到电池电压通过持续高速率充电变成高于参考电压时，停止充电以等待。当检测到电池电压变成低于参考电压时，执行恢复充电的控制，从而对电池充电直到电池被正确满充电，获得能够正确测定充电容量或类似物的测定装置。
已参照附图描述了本发明的优选实施例，应当明白本发明不局限于上述实施例，本领域技术人员能作出各种变化和修改，而不脱离附加权利要求所限定的本发明精神或范围。

Claims (16)

1、测定通过充电能重复使用的二次电池特性的电池测定方法，包括步骤：
在启动所述电池的预定第一充电操作后，检测电池电压；
如果检测的电池电压小于参考电压，继续第二充电操作，第二充电操作不同于所述预定第一充电操作；以及
测定所述电池的状态。
2、根据权利要求1的电池测定方法，其特征在于如果执行所述第二充电操作预定时间周期后电池电压小于参考电压，那么估计内部短路出现在所述电池内。
3、根据权利要求1的电池测定方法，其特征在于如果执行所述第二充电操作预定时间周期后电池电压达到参考电压，那么判定能继续所述的第二充电操作。
4、根据权利要求3的电池测定方法，其特征在于如果测定内部短路出现，那么显示所述电池是异常电池。
5、如权利要求1的电池测定方法，其特征在于所述第二充电操作是用比预定值大的电流值对电池充电的充电操作。
6、测定通过充电能重复使用的二次电池特性的电池测定方法，包括步骤：
从停止电池的充电或放电以后在第一预定时间周期经过后进行第一电池电压检测；
在第二预定时间周期经过后进行第二电池电压检测；以及
如果所述第一和第二检测结果之间的差值超过预定值，那么判定内部短路出现在所述电池内。
7、根据权利要求6的电池测定方法，其特征在于如果判定内部短路出现，那么指示所述电池是异常电池。
8、根据权利要求6的电池测定方法，还包括步骤：
在继续所述第二充电操作的同时，当检测到电池电压变得比近似于满充电电压的参考电压高时停止所述第二充电操作；以及
当检测到电池电压变得比近似于满充电电压的所述参考电压低时又启动所述第二充电操作。
9、测定通过充电能重复使用的二次电池特性的电池测定装置，包括：
在启动所述电池的预定第一充电操作后检测电池电压的装置；
如果检测的电池电压比参考电压小，用于继续与所述预定第一充电操作不同的第二充电操作的装置；及
用于测定所述电池状态的装置
10、根据权利要求9的电池测定装置，其特征在于一装置设置成如果在执行所述第二充电操作预定时间周期后电池电压仍小于参考电压，那么判定内部短路出现。
11、根据权利要求9的电池测定装置，其特征在于一装置设置成如果在执行所述第二充电操作预定时间周期后电池电压达到参考电压，那么判定将继续所述第二充电操作。
12、根据权利要求11的电池测定装置，其特征在于设置一显示装置，这样，如果测定内部短路出现，那么在所述显示装置上显示所述电池是异常电池。
13、根据权利要求9的电池测定装置，其特征在于所速第二充电操作是用比预定值大的电流值对电池充电的充电操作。
14、测定通过充电能重复使用的二次电池特性的电池测定装置，包括：
从停止电池的充电或放电起在第一预定时间周期经过后进行第一电池电压检测的装置；
在第二预定时间周期经过后进行第二电池电压检测的装置；
如果在所述第一和第二检测结果之间的差值超过预定值，用于判定内部短路出现在所述电池内的装置。
15、根据权利要求14的电池测定装置，其特征在于设置一显示装置，这样，如果判定内部短路出现，那么在所述显示装置上显示所述电池是异常电池。
16、根据权利要求14的电池测定装置，还包括：
在继续所述第二充电操作的同时，当检测到电池电压变得比近似于满充电电压的参考电压高时停止所述第二充电操作的装置；以及
当检测到电池电压变得比近似于满充电电压的所述参考电压低时又启动所述第二充电操作的装置。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication