CN1431521A

CN1431521A - 锂离子电池电量的测量方法及其装置

Info

Publication number: CN1431521A
Application number: CN 03113577
Authority: CN
Inventors: 林悦波
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: CN1182407C

Abstract

本发明是一种锂离子电池电量的测量方法及其装置，该方法是首先获得描述锂电池在寿命过程中，剩余电量与开路电压的一组关系曲线和拟合函数；根据测得的低频交流阻抗经修正后的模值，选取相应的一支剩余电量与开路电压的关系曲线或拟合函数；根据测得的开路电压和所选定的拟合函数，计算出电池的剩余电量。该装置包括外壳和内置电路板，由微计算机、充电电流控制电路、充放电电流信号放大电路、电流检测电路、正弦振荡器、小信号正弦调制放电电路、交流阻抗检测电路相互连接组成。本发明避免了端电压法在电池负载电流变化时所引起的剩余电量测量误差；也避免了因电池衰老而引起的剩余电量测量误差。本发明适用于不同衰老程度的锂电池的剩余电量测量。

Description

锂离子电池电量的测量方法及其装置

(一)技术领域

本发明涉及锂电池电量测量技术领域，具体是指一种锂离子电池电量的测量方法及其装置。

(二)背景技术

锂电池剩余电量的测量，目前普遍采用的是积算法和电压法。积算法是不断检测电池各时刻的放电电流和放电时间，来累计电池的放电电量。然后用电池的满充电量(一般是新电池标称的电量)减去累积的放电量，求得剩余电量。积算法的不足之处是，它需要记忆和存储电池在放电周期内的用电历史，以便累计总放电量。但是随着电池充、放电循环次数的增多，电池逐渐衰老，其满充电量将逐渐减少。因此，积算法对不同衰老程度的电池将引起较大测量误差。电压法计算电池剩余电量，则是利用预先得到的电池端电压和电量的关系曲线，通过测量电池的端电压，并参照原来的曲线求得剩余电量。有人进一步提出，在不同载负电流放电时，通过引入修正量，把测得的电池端电压调整为参考曲线的端电压，并由此确定电池的剩余电量，但电压法仍然无法避免对不同衰老程度的电池测量时所引起的测量误差。

(三)发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种锂离子电池电量的测量方法及其装置，它通过测量锂电池本身的某些参数(如开路电压、交流阻抗等)，就可以判断不同衰老程度的锂电池在满充电、部分充电或部分放电等状态下的剩余电量，无需知道电池过去的用电历史，也不受放电电流(负载电流)的变化所影响。

本发明所述一种锂离子电池电量的测量方法，其特征是，它包括如下步骤：

第一步首先获得描述锂电池在寿命过程中，剩余电量Rcap与开路电压V₀的一组关系曲线和拟合函数；

第二步根据测量得到的低频交流阻抗经修正后的模值R₀，选取相应的一支剩余电量Rcap与V₀的关系曲线或拟合函数；

第三步根据测得的开路电压V₀和所选定的拟合函数，计算出电池的剩余电量。

本发明所述一种锂离子电池电量的测量装置，包括外壳和内置电路板，其特征是，它由微计算机、充电电流控制电路、充放电电流信号放大电路、电流检测电路、正弦振荡器、小信号正弦调制放电电路、交流阻抗检测电路相互连接组成，其中，微计算机通过控制信号线分别与充电电流控制电路和交流阻抗检测电路相连接，交流阻抗检测电路还分别与电流检测电路、锂离子电池相连接，充放电电流信号放大电路还与电流检测电路相连接，小信号正弦调制放电电路还与锂离子电池相连接，小信号正弦调制放电电路连接有正弦振荡器，电流检测电路还通过转换开关分别与充电电流控制电路、小信号正弦调制放电电路、锂离子电池相连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明由于检测的是电池的开路电压，就避免了端电压法在电池负载电流变化时所引起的剩余电量测量误差；由于引入了低频交流阻抗来表征电池的衰老程度，并根据交流阻抗值选用相应的开路电压V₀与剩余电量Rcap的关系曲线及拟合函数，因此，避免了因电池衰老而引起的剩余电量测量误差。本发明适用于不同衰老程度的锂电池的剩余电量测量。

(四)附图说明

图1是本发明的装置原理框图；

图2是18650A型新电池已放电量dcap与开路电压V₀的关系曲线；

图3是18650A型新电池剩余电量Rcap与开路电压V₀的关系曲线；

图4是18650型电池衰老过程中，交流(25Hz)阻抗R₀与电池满充电量fcap的关系曲线；

图5是18650型电池寿命过程中，在不同衰老程度(R₀不同取值范围)下的一组剩余电量Rcap与开路电压V₀的关系曲线；

图6是本发明装置的电路原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明。

如图1所示，本发明所述一种锂离子电池电量的测量装置，由外壳和微计算机、充电电流控制电路、充放电电流信号放大电路、电流检测电路、正弦振荡器、小信号正弦调制放电电路、交流阻抗检测电路相互连接组成。微计算机可以通过一个显示器显示测试结果。整个测试装置实际上是在微机控制下的实时检测系统。

如图6所示，微计算机通过I/O控制开关K204、K201、K202、K301的闭合状态，使测量装置可分别处于充、放电状态，开路电压检测和交流阻抗检测状态。在充电时，微计算机通过程序由D/A调节控制充电电流控制电路，来实现设定的“恒流充电—恒压充电—截止充电”的充电过程，其中，充电电流控制电路由Q505(9013)和Q506(TIP142)组成。电流检测电路由MAX471集成块组成，它把充电电流、放电电流、正弦调制放电电流线性地转换成电压信号。充放电电流信号放大电路是由LF357组成的电压放大器，它把MAX471检测的电流信号放大后，经A/D转换，由微计算机读取充电电流和放电电流。正弦振荡器由MAX038组成。小信号正弦调制放电电路是由INA111和TIP41组成。交流阻抗检测电路由模拟开关CD4051、两块OP37运算放大器、PGA103程控增益放大器和真有效值检测集成块AD637组成。在交流阻抗测量时，电池处于小信号正弦调制放电状态，电池的交流压降信号和MAX471检测的交流放电电流信号在微计算机I/O控制下，分时地通过模拟开关CD4051，并经过OP37和PGA103进行电压放大后，再经AD637分时测得电池交流阻抗压降和交流放电电流的有效值，经A/D转换后，由微计算机求得电池的交流阻抗。微计算机根据测得的阻抗值判断电池的衰老程度，并根据阻抗值选择相应的一支曲线，并根据检测得到的开路电压V₀，由相应曲线的拟合函数计算出剩余电量。

发明人对金柏电子国际有限公司的18650A型锂离子电池(新电池满充电量fcap＝1650mAH)进行满充电后，每6只电池组成一组，每组分别以600mA、900mA、1200mA进行恒流放电，每放电100mAH或150mAH(毫安时)进行一次开路电压检测，如此循环，直到2.8V截止放电为止。开路电压检测应在恒流放电停止后，延时200秒后进行。因为停止放电后，电池的开路电压有逐渐回升的过程。实验数据表明，延时200秒后，电池的开路电压将回升到稳定时的95％左右。因此，延时200秒测得的开路电压可近似看作是稳定时的开路电压。对上述大量实验的数据分析处理的结果表明，电池的已放电量dcap与电池的开路电压V₀成对应关系，这种关系可以用拟合曲线和拟合函数描述，如图2所示。

(1)当开路电压V₀在4V＜V₀≤4.18V时，

dcap＝-428.84V₀ ²+1853.48V₀-260.61

(2)当开路电压V₀在3.7V＜V₀≤4.0V时，

dcap＝7.53693×10³V₀ ²-6.188405×10⁴V₀+1.2723689×10⁵

(3)当开路电压V₀在3.3V≤V₀≤3.7V时，

dcap＝-1.197381×10⁴V₀ ⁴+1.6090997×10⁵V₀ ³-8.1079514×10⁵V₀ ²+1.81532235×10⁶V₀-1.5219766×10⁶

由于电池的剩余电量Rcap为电池的满充电量fcap与电池的已放电量dcap之差，据此，也可以得到电池剩余电量Rcap与开路电压V₀的关系曲线及其拟合函数，如图3所示。

(1)当开路电压V₀在4V＜V₀≤4.18V时，

Rcap＝428.84V₀ ²-1853.48V₀+1910.61

(2)当开路电压V₀在3.7V＜V₀≤4.0V时，

Rcap＝-7.53693×10³V₀ ²+6.188405×10⁴V₀-1.2558689×10⁵

(3)当开路电压V₀在3.3V≤V₀≤3.7V时，

Rcap＝1.197381×10⁴V₀ ⁴-1.6090997×10⁵V₀ ³+8.1079514×10⁵V₀ ²-1.81532235×10⁶V₀+1.5236266×10⁶

锂电池在寿命过程中，随充、放电循环周期数的增加而逐渐衰老，其满充电量逐渐减少，其交流阻抗逐渐增大，可用交流阻抗值来表征锂电池的衰老程度。发明人对某公司18650型锂离子电池(新电池满充电量为1600mAH)进行了寿命过程中的25Hz低频阻抗测试。测试方法如下：每进行一个测试周期后，延时200秒，自动进行9次加速衰老循环充、放电周期，延时200秒后，再自动进入下一个测试周期，如此不断循环，直到500个周期，使电池因衰老满充电量减少到约新电池的满充电量的45％为止。在每个测试周期中，电池以600mA恒流放电，每放电100mAH，经200秒延时后，测电池开路电压V₀，并进行25Hz低频阻抗测量，直到2.8V截止放电为止。交流阻抗测试时，电池处于小信号正弦调制放电状态，测试在1秒钟内完成，电池耗电不到0.05mAH，可以忽略不计。

对上述测试数据的分析处理表明：

第一，在同一测试周期时，交流阻抗无明显变化。25Hz交流阻抗与其平均值的方差小于0.6mΩ(毫欧姆)。

第二，随着锂电池的衰老，电池的满充电量逐渐减少，25Hz交流阻抗与R₀逐渐增大，图4为25Hz交流阻抗R₀与满充电量fcap的关系曲线及其拟合函数：

(1)当R₀＜120.19mΩ时，fCap＝-21.38R₀+3871.8

(2)当R₀≥120.19mΩ时，fCap＝-31.33R₀+5067.81

第三，如果把锂电池衰老过程中满充电量fcap减少的范围划分为若干区间，在每个区间的中心附近选取一个测试周期，作为该区间的“代表周期”，求出各“代表周期”剩余电量Rcap与开路电压V₀的一组关系曲线及拟合函数，如图5所示。如果希望进一步提高测量精度，也可以把区间划得更小一些。记开路电压为V₀，剩余容量为Rcap，则各代表周期的拟合函数为：

1.当R₀≤112.0mΩ(即Rcap≥1475mAh)时，用C24r11的曲线拟合，其拟合函数为：

(1)当3.4V≤V₀＜3.6V时，Rcap＝620(V₀-3.4)

(2)当3.6V≤V₀≤3.8V时，Rcap＝1.9825×10⁴V₀ ²-1.4321×10⁵V₀+2.5874×10⁵

(3)当V₀＞3.8V时，Rcap＝-3.099×10³V₀ ²+2.6683×10⁴V₀-5.5842×10⁴

2.当112.0mΩ＜R₀≤119.0mΩ(即1325mAh≤Rcap＜1475mAh)时，用C24r51的曲线拟合，其拟合函数为：

(1)当3.4V≤V₀＜3.6V时，Rcap＝620(V₀-3.4)

(2)当3.6V≤V₀≤3.8V时，Rcap＝1.2539×10⁴V₀ ²-8.958×10⁴V₀+1.6012×10⁵

(3)当V₀＞3.8V时，Rcap＝-3.0112×10³V₀ ²+2.5652×10⁴V₀-5.3239×10⁴

3.当119.0mΩ＜R₀≤124.25mΩ(即1175mAh≤Rcap＜1325mAh)时，用C24r81的曲线拟合，其拟合函数为：

(1)当3.4V≤V₀＜3.6V时，Rcap＝620(V₀-3.4)

(2)当3.6V≤V₀≤3.8V时，Rcap＝8.803×10³V₀ ²-6.2244×10⁴V₀+1.1012×10⁵

(3)当V₀＞3.8V时，Rcap＝-2.8517×10³V₀ ²+2.4141×10⁴V₀-4.9852×10⁴

4.当124.25mΩ＜R₀≤129.04mΩ(即1025mAh≤Rcap＜1175mAh)时，用C24r201的曲线拟合，其拟合函数为：

(1)当3.4V≤V₀＜3.6V时，Rcap＝620(V₀-3.4)

(2)当3.6V≤V₀≤3.8V时，Rcap＝8.6358×10³V₀ ²-6.1533×10⁴V₀+1.0973×10⁵

(3)当V₀＞3.8V时，Rcap＝-2.336×10³V₀ ²+1.9928×10⁴V₀-4.1386×10⁴

5.当129.04mΩ＜R₀≤133.83mΩ(即875mAh≤Rcap＜1025mAh)时，用C24r271的曲线拟合，其拟合函数为：

(1)当3.4V≤V₀＜3.6V时，Rcap＝620(V₀-3.4)

(2)当3.6V≤V₀≤3.8V时，Rcap＝6.3524×10³V₀ ²-4.5004×10⁴V₀+7.982×10⁴

(3)当V₀＞3.8V时，Rcap＝-2.0255×10³V₀ ²+1.7278×10⁴V₀-3.5879×10⁴

6.当133.83mΩ＜R₀≤138.61mΩ(即725mAh≤Rcap＜875mAh)时，用C22r381的曲线拟合，其拟合函数为：

(1)当3.4V≤V₀＜3.6V时，Rcap＝620(V₀-3.4)

(2)当3.6V≤V₀≤3.8V时，Rcap＝4.2821×10³V₀ ²-3.003×10⁴V₀+5.2733×10⁴

(3)当V₀＞3.8V时，Rcap＝-1.8388×10³V₀ ²+1.562×10⁴V₀-3.2356×10⁴

由于各电池个体的工艺、电极涂层厚度、均匀度不尽相同，同类电池的新电池不同个体，其交流阻抗也会存在一定的零散。因此，对不同电池个体测得的交流阻抗应加以修正。简单的修正方法是：以获得拟合曲线和拟合函数的电池在新电池时(第一放电周期)的25Hz交流阻抗为参考值R₀(N)(对18650型，R₀(N)＝106.3mΩ)，被测电池新电池时(第一放电周期)测得的交流阻抗为R(N)，则该被测电池修的量为ΔR＝R₀(N)-R(N)。那么，被测电池在寿命过程中，若实测的阻抗为R₀，则以R₀＝R₀+ΔR的阻抗值来选择图5中的一支拟合曲线和拟合函数，并由测得的开路电压V₀和所选定的拟合函数来计算电池的剩余电量。

把图5中的这组曲线和拟合函数存放在微计算机的存储器中，配合相应的程序，就可以实现通过检测电池的25Hz交流阻抗和开路电压，快捷地求得电池的剩余电量。

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims

1.一种锂离子电池电量的测量方法，其特征是，它包括如下步骤：

第一步首先获得描述锂电池在寿命过程中，剩余电量与开路电压的一组关系曲线和拟合函数；

第二步根据测量得到的低频交流阻抗经修正后的模值，选取相应的一支剩余电量与开路电压的关系曲线或拟合函数；

第三步根据测得的开路电压和所选定的拟合函数，计算出电池的剩余电量。

2.一种锂离子电池电量的测量装置，包括外壳和内置电路板，其特征是，它由微计算机、充电电流控制电路、充放电电流信号放大电路、电流检测电路、正弦振荡器、小信号正弦调制放电电路、交流阻抗检测电路相互连接组成，其中，微计算机通过控制信号线分别与充电电流控制电路和交流阻抗检测电路相连接，交流阻抗检测电路还分别与电流检测电路、锂离子电池相连接，充放电电流信号放大电路还与电流检测电路相连接，小信号正弦调制放电电路还与锂离子电池相连接，小信号正弦调制放电电路连接有正弦振荡器，电流检测电路还通过转换开关分别与充电电流控制电路、小信号正弦调制放电电路、锂离子电池相连接。