CN1842719A - 用于监测电池劣化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明的电源特性检测方法，包括以预定的电流值从电池进行恒流放电，并测量恒流放电期间电压的第一步骤；基于第一步骤中测量的电压，计算电池内传质控制的超电势或电池内传质控制的电阻的第二步骤；以及当第二步骤中计算的电池内传质控制的超电势或电池内传质控制的电阻大于预定阈值时，确定电池内已经发生特性变化的第三步骤。

Description

用于监测电池劣化的方法和设备

技术领域

本发明涉及电池特性检测方法以及电池特性检测设备。

背景技术

如果用作电源的电池内发生特性变化，例如记忆效应和老化，则该电池的性能就受到限制。因此检测电池内的特性变化是很重要的。例如，日本专利公开号2002-42895公开了一种用于检测电池内的内电阻的方法，并且基于所述内电阻检测电池内是否已经发生了记忆效应或老化。在这一方法中，进行电流/电压特性的线性回归，所述电流/电压特性的线性回归是在对电池进行充电/放电时获得的，并且基于该直线的斜率来获得内电阻。

然而，在电池的一般使用中，在电池被充电/放电时，有许多次大电流流过的可能。因此，根据上述方法，当在短时间内收集数据时，只能获得关于电池充电/放电时大电流流过的区域的一小部分数据。因此，可获得的数据很可能集中在起始点(电压为“0V”及电流为“0A”的那个点)周围。如果使用集中在起始点周围的数据进行线性回归，则不能以较高的准确度获得内电阻。结果，难以准确检测记忆效应。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题并提供能够准确检测电池内特性变化的电池特性检测方法和电池特性检测设备。所述检测方法包括以下步骤：(i)以预定的电流值从电池进行恒流放电，并在恒流放电期间测量电压；(ii)基于所测量的电压，计算电池内传质控制的超电势或电池内传质控制的电阻；以及(iii)当计算的电池内传质控制的超电势或电池内传质控制的电阻大于预定阈值时，则确定电池内已经发生特性变化。

本发明中，“传质控制的超电势”表示由电池内的传质速度引起的超电势，其来自电池内的整个超电势中，而“传质控制的电阻”表示由于电池内的传质速度引起的电阻，其来自电池内的整个内电阻中。本发明的发明人已经发现传质速度和特性变化之间的相关性。当电池内发生特性变化，例如记忆效应和由于电池长期不使用引起的电压下降，传质速度就会降低。当特性变化消失时，传质速度恢复到初始速度。如果电池内的传质速度降低，则由传质速度引起的超电势和电阻增加。因此，基于上述发现，通过检测电池内的传质控制的超电势和电阻就能够检测电池内的特性变化。

根据上述检测方法，来自电池中整个超电势和电阻的传质控制的超电势和电阻与特性变化有着较高相关性，使用所述传质控制的超电势和电阻作为参考用于确定是否发生特性变化。因此准确地检测特性变化是可能的。

在实施例中，术语“恒流放电”不仅包括以完全恒定的电流值对电源放电，也包括以基本上恒定的、在±0.5％偏差内的电流值对电源放电。

在上述检测方法的步骤(i)中，可以通过将预定的负载电阻连接到电池上来进行恒流放电。在这种检测方法中，通过将预定的负载电阻连接到电池上，可以使用具有简单配置的电路来从电池进行恒流放电。

在上述检测方法的步骤(i)中，可以测量从电池开始恒流放电后瞬间的第一电压(E₁)以及从恒流放电开始经过预定时间的第二电压(E₂)。接着，步骤(ii)中可以根据等式：E＝E₁-E₂，基于步骤(i)中测量的第一电压和第二电压来计算传质控制的超电势(E)。

在上述检测方法的步骤(i)中，可以测量开始从电池恒流放电后瞬间的第一电压(E₁)和第一电流(I₁)以及从恒流放电开始经过预定时间的第二电压(E₂)和第一电流(I₂)。接着，在步骤(ii)中，可以根据等式：R＝E₁/I₁-E₂/I₂，基于步骤(i)中所获得的第一电压和第二电压以及第一和第二电流来计算传质控制的电阻(R)。

用于获得传质控制的超电势和传质控制的电阻的各种方法是公知的。然而根据这些方法，测量需要很长时间。本发明的发明人已经发现传质控制的超电势E的值或传质控制的电阻R的值可以有效地用作确定电池内是否已发生特性变化的参考，所述传质控制的超电势值和传质控制的电阻值根据上述等式之一就可以用简化的方式计算。此外，本发明的发明人发现，根据上述等式之一，即使“预定时间”设置为较小值，作为用于确定是否发生性能变化的参考，数值E和数值R的准确度是足够的。根据上述检测方法，用于测量必要数据的时间可以设置为较小值，在短时间内就能检测电池内的特性变化。

在上述检测方法中的步骤(iii)中，当步骤(ii)中计算的传质控制的超电势或传质控制的电阻大于预定阈值时，就可以确定电池内已经发生作为特性变化的记忆效应。根据该检测方法，可以使用传质控制的超电势或传质控制的电阻作为参考来检测记忆效应。

在上述检测方法中，预定电流值可以是电池内的电流密度值为特性尚未发生变化的电池内阴极超电势和电流密度对数之间的关系在线性关系和非线性关系之间变化时的电流密度的5％至90％时的电流值。

如果电流值变得低于该范围的下限，则不能以高准确度获得电压值。另一方面，如果电流值变得高于该范围的上限，当使用已经用了很长时间的电池(特性已经随时间改变的电池)时，则不能以高准确度获得电压值。

根据上述检测方法，通过将恒流放电期间的电流值设置为上述范围内的值，进行传质控制的超电势和传质控制的电阻的检测是可能的，所述检测具有良好的再现性。长时间地准确检测电池内的特性变化也是可能的。

在上述检测方法中，可以通过使用电池内恒流放电开始之后10至90秒所获得的电压计算传质控制的超电势，以确定电池内是否已经发生特性变化。

电池特性检测设备包括以预定的恒流值对电池放电并测量恒流放电期间电压的测量部分；基于测量的电压计算电池内传质控制的超电势或电池内传质控制的电阻的计算部分；以及当计算的传质控制的超电势或传质控制的电阻大于预定阈值时确定电池内已经发生特性变化的确定部分。

由于使用了来自电池内整个超电势和电阻的、和特性变化具有特别高的相关性的传质控制的超电势和电阻作为确定是否发生特性变化的参考，因此采用上述检测设备就能准确地检测特性变化。

附图说明

通过阅读下面对本发明的示例性实施例的详细描述，同时结合附图考虑，本发明的上述实施例和其它实施例、目的、特性、优点、技术上和工业上的意义将更好理解，其中：

图1是示出包括电源特性检测设备的电路图，所述电源特性检测设备用于执行电源特性检测方法；

图2是示出基准电池超电势曲线的图形；

图3是示出电压特性检测方法的程序流程图；以及

图4是示出自开始从电池放电起，电流/电压的变化图。

具体实施方式

在以下的描述中，将根据示例性实施例更详细地描述本发明。

注意，相同的附图标记用于相同的元件并且不作重复描述。

图1示出根据该实施例作为电路举例的电路3，其包括用于执行电源特性检测方法的电源特性检测设备1。在该实施例中，电源特性检测设备1是安装在用电池作为能源的汽车，例如电动车辆、混合机车中的设备，其检测电池中发生的记忆效应。电池特性检测设备1包括：电池5；向电池5提供负载的负载电阻7；测量电池5中电压的电压检测部分9；测量电池5中电流的电流检测部分11；切换开关13；切换开关15；以及基于测量的电流/电压进行计算的计算部分17。

电池5是二次电池，可被充电/放电。可以使用利用氢氧化镍作阴极的镍氢电池、镍镉电池或类似的电池作为电池5。在汽车的通常使用情况下(当汽车行驶时)，切换开关15是闭合的，而切换开关13是断开的。当汽车加速时，电源5用作发动机19的供电电源。驱动部分21，例如车轴和轮胎，由发动机19驱动，从电源5向发动机19提供电能。另一方面，当汽车减速时，发动机19用作发电机。这时，发动机19由驱动部分21驱动，电能由发动机19产生，并且产生的电能存储在电池5中。由电压检测部分9和电流检测部分11分别持续地测量电池内的电压和电流。由电压检测部分9和电流检测部分11分别将测量的电压和电流转换为电信号，并发送到计算部分17。

在检测电池5的特性时，切换开关15是断开的，而切换开关13是闭合的。这时，电能以基本恒定的电流值从电池5流向负载电阻7(进行恒流放电)。在这种情况下，同样通过电压检测部分9和电流检测部分11分别检测电池内的电压和电流，与通常使用电池的情况一样。由电压检测部分9和电流检测部分11分别将测量的电压和电流转换为电信号，并发送至计算部分17。只要不必向发动机19提供电能，检测电池5特性的时间就不受特别限制。例如，可以在发动汽车时检测特性。当只用内燃机驱动混合机车时也可以检测特性。

计算部分17将接收的电信号转换为电压值和电流值，存储每次的电压和电流，并且识别电流/电压随时间的变化。计算部分17基于上述随时间的变化计算电池5内传质控制的超电势，并基于计算的传质控制的超电势是否大于预先存储的阈值来确定电池5内是否已经发生记忆效应。

负载电阻7的阻值以下面的方式来设置，以使得恒流放电期间的电流值具有能够执行具有良好再现性的传质控制的超电势检测的电流密度。

首先，关于与电池5类型相同的电池，当记忆效应未发生时在阴极被还原的方向上制定电流-超电势曲线。在这种情况下，超电势曲线是显示超电势“η”和电流密度的对数“log i”之间关系的曲线，在这种情况下的超电势用“η”表示，而电流密度用“i”表示。超电势曲线可以用公知的方法制定。例如，使用尚未发生记忆效应的电池(基准电池)的阴极来制备三电极电池。然后，可以使用稳压器、信号发生器、记录器等，通过对来自适当的开路电压的预定值“η”进行极化并测量此时的响应电流，就可以获得超电势“η”和电流密度“i”之间的关系。图2示出在这种情况下制定超电势曲线的例子。在图2的曲线图中，水平轴表示超电势“η”，而垂直轴表示电流密度的对数“log i”。超电势“η”的单位用例如“mV”表示，而电流密度“i”的单位用例如“mA/cm²”表示。

如图2所示，在“log i”的值等于或小于“log i₀”的区域(“η”等于或大于“η₀”的区域)中，超电势“η”和电流密度的对数“log i”基本上处于线性关系。然而，在“log i”大于“log i₀”的区域(“η”小于“η₀”的区域)中，超电势“η”和对数“log i”不再是线性关系。也就是说，图2显示，基准电池阴极超电势“η”和电流密度的对数“log i”之间关系在线性关系和非线性关系之间发生改变的电流密度是“i₀”。基于获得的“i₀”，将这样的电阻值设置为负载电阻7的电阻值“r”：所述电阻值使得恒流放电期间的电流值“i_s”成为“i₀”的5％至90％，优选地为“i₀”的50％至70％。电阻值“r”的单位用例如“mΩ”表示。

用于检测电源5内记忆效应的电源特性检测方法将参考图1和图3进行描述。图3是显示电源特性检测方法的程序流程图。

首先，在步骤S102中断开切换开关15。之后约1秒钟，在步骤S104中，闭合切换开关13，在电源5和负载电阻7之间就形成了闭合回路。由于用上述方式设置了负载电阻7的电阻值“r”，开始以电流密度成为“i_s”的电流值从电池5进行恒流放电，且电流流经闭合回路。由电流检测部分11检测流经闭合回路的电流，并将电流作为电信号传送到计算部分17。同样，由电压检测部分9检测电源5的电压，并将电压作为电信号传送到计算部分17。

计算部分17每次接收对应于电压/电流的电信号。图4显示了电压/电流随时间变化的例子。图4的图形显示了使用开始放电的时刻，即当闭合切换开关13的时刻作为“0”(t＝“0”)，每次电压/电流的变化。图中，水平轴表示经过的时间“t”(单位是秒)，右边的垂直轴表示每次的电流，而左边的垂直轴表示每次的电压。图4中，细曲线表示电压的变化，而粗曲线表示电流的变化。出于说明的目的，根据需要修改了图形的比例。如图4中的图形中所示，从断开切换开关15时起直到闭合切换开关13时为止，电池5的电压是电池5的开路电压E₀。接着，在闭合切换开关13的时刻，由于将负载电阻7连接到电池5，出现了电压下降等情况。然后，电压随着时间下降。同时，在闭合切换开关13以后，电流基本上不变并保持在I_s，并且进行从电池5的恒流放电。

在步骤S106中，计算部分17在放电开始之后(在闭合切换开关13之后t₁秒)立即读取电压E₁。接着，在步骤S108中，计算部分17在开始放电后t₂秒读取电压E₂。在步骤S110中，根据下面的等式计算传质控制的超电势E。

E＝E₁-E₂…(1)

在该实施例中，将t₁设置为0.1秒，t₂设置为23秒。

在步骤S112中，计算部分17将计算的传质控制的超电势E与阈值E_t进行比较。当超电势E大于阈值E_t时，在步骤S114中就确定电池5内已经发生记忆效应。另一方面，当超电势E不大于阈值E_t时，在步骤S116中就确定电池5内尚未发生记忆效应。阈值E_t是预先设置的，并存储在计算部分17中。这样，电池特性检测方法的程序结束。

电池内电压下降的原因可以分为三类，即，绝缘电阻损耗引起的电阻、反应电阻以及传质引起的电阻。需要考虑的是，绝缘电阻损耗引起的电阻或反应电阻所导致的电压下降在电阻应用到电池之后大约0.1秒就基本上结束了。因此，可以认为开始放电0.1秒后及此后的电压下降是由传质引起的电阻导致的。所以，通过检测开始放电0.1秒后及此后的电压下降，就能够获得传质控制的超电势。为了读取基本上以电压E₁结束的电压下降之后的电压，在该实施例中，时间t₁设置为0.1秒，其中，所述电压下降是由绝缘电阻损耗引起的电阻和反应电阻导致的。也就是说，开始放电后瞬间的电压/电流表示开始放电后t₁(在该实施例中为0.1秒)时刻的电压/电流。

考虑到提高计算传质控制的超电势的准确度，时间t₂越长越好。然而，考虑到在短时间内进行确定，则时间t₂越短越好。为了在短时间内进行确定同时保持能够确定电池5内是否已经发生记忆效应的准确度，时间t₂的值优选地设置在10至90秒范围内。更优选地，将t₂的值设置在20至40秒的范围内。在该实施例中，时间t₂设置为23秒。

在上述电源特性检测方法中，获得了电池5内传质控制的超电势E，并与阈值相比较。电池5内传质控制的超电势E变得大于阈值的事实意味着电池5内传质速度变得小于预定值。本发明的发明人已经确认这一事实：电池5内传质速度的降低和电池5内记忆效应的发生有着很高的相关性。因此，根据上述电池特性检测方法，获得了电源5内传质控制的超电势E，并且确定了是否已经发生记忆效应，所述传质控制的超电势E来自于电池内整个超电势，和记忆效应有着特别高的相关性。因此准确地检测记忆效应是可能的。

而且，在上述电源特性检测方法中，在第一步骤中负载电阻7连接到电池5。因此，可以使用具有简单配置的电路来进行从电池5的恒流放电。

在上述电源特性检测方法中，基于等式(1)中的关系计算电池5内传质控制的超电势E。等式(1)的必需数据电压E₁和E₂，是在恒流放电开始之后的短时间内(在该实施例中是23秒)获得的测量值。因此，根据上述电源特性检测方法，在短时间内确定电池5内是否已经发生记忆效应是可能的。

在上述电源特性检测方法中，通过将从电池5恒流放电期间的电流密度设置为上述范围内的值，进行传质控制的超电势的检测是可能的，所述检测具有良好的再现性。因此，长时间地准确检测电池内的特性变化是可能的。

本发明并不限于上述实施例，在本发明的范围内，可以在不同的其它

实施例中实现本发明。

例如，在上述实施例中，根据等式(1)获得传质控制的超电势。然而，可以基于电压检测设备9获得的电压和电流检测设备11获得的电流之间的关系，计算电池5内传质控制的电阻。在这种情况下，在第二步骤中，计算部分17在开始放电后t₁秒读取电流I₁/电压E₁，并在开始放电后t₂秒读取电流I₂/电压E₂。然后，在第三步骤中，基于下面等式中的关系计算传质控制的电阻R。

R＝E₁/I₁-E₂/I₂…(2)

计算部分17将传质控制的电阻R与阈值R_t进行比较。当电阻R大于阈值R_t时，则确定电池5内已经发生记忆效应。另一方面，当电阻R不大于阈值R_t时，则确定电池5内尚未发生记忆效应。阈值R_t是预先设置的，并存储在计算部分17中。因此，即使当电池用了很长时间，电流/电压特性已经变化，进行特性变化检测仍然是可能的，所述检测具有良好的再现性。

在上述实施例中，通过将负载电阻7连接到电池5进行恒流放电。然而，可以通过将恒流电路等连接到电池5进行恒流放电。

在上述实施例中检测电池5内的记忆效应。然而，本发明可以应用于检测电池5内与传质速度有相关性的其它特性变化的情况。所述其它特性变化可以是例如由于电池长期不用引起的电压下降。

虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所述示例性实施例或结构。相反，本发明旨在包含不同的修改和等效的配置。另外，虽然示例性实施例的各种元件以示例性的不同组合与配置来显示，但是包括更多、更少或单一元件的其它组合和配置同样是在本发明的精神和范围内的。

Claims (8)

1.一种电源特性检测方法，其特征在于包括以下步骤：

以预定的电流值从电池进行恒流放电，并测量所述恒流放电期间所述电池内的电压；

(ii)基于所测量的电压，计算所述电池内传质控制的超电势或所述电池内传质控制的电阻；以及

(iii)当计算的所述电池内传质控制的超电势或所述电池内传质控制的电阻大于预定阈值时，确定在所述电池内已经发生特性变化。

2.根据权利要求1的电源特性检测方法，其中，通过在步骤(i)中将预定的负载电阻连接到所述电池来进行恒流放电。

3.根据权利要求1或2的电源特性检测方法，其中，在步骤(i)中，测量从所述电池开始放电后瞬间所述电池内的第一电压(E₁)以及从所述恒流放电开始经过预定时间所述电池内的第二电压(E₂)，并且在步骤(ii)中，根据下列等式：E＝E₁-E₂，基于步骤(i)中测量的所述第一电压(E₁)和所述第二电压(E₂)来计算传质控制的超电势(E)。

4.根据权利要求1或2的电源特性检测方法，其中，在步骤(i)中，测量从所述电池开始放电后瞬间所述电池内的第一电压(E₁)和第一电流(I₁)以及从恒流放电开始经过预定时间所述电池内的第二电压(E₂)和第二电流(I₂)，并且在步骤(ii)中，根据下列等式：R＝E₁/I₁-E₂/I₂，基于步骤(i)中测量的所述第一电压(E₁)和所述第二电压(E₂)以及所述第一电流(I₁)和所述第二电流(I₂)来计算传质控制的电阻(R)。

5.根据权利要求1至4中任意一项的电源特性检测方法，其中，在步骤(iii)中，当步骤(ii)中计算的所述传质控制的超电势或所述传质控制的电阻大于所述预定阈值时，则确定所述电池内已经发生作为特性变化的记忆效应。

6.根据权利要求1至5中任意一项的电源特性检测方法，其中，所述预定电流值是所述电池内的电流密度值为特性尚未发生变化的所述电池内阴极超电势和电流密度对数之间的关系在线性关系和非线性关系之间发生改变时的电流密度的5％至90％时的电流值。

7.根据权利要求1至6中任意一项的电源特性检测方法，其中，通过使用所述电池内恒流放电开始之后10至90秒所获得的电压计算所述传质控制的超电势，以确定所述电池内是否已经发生所述特性变化。

8.一种电源特性检测设备，其特征在于包括：

以预定的恒流值对电池放电并测量所述恒流放电期间的电压的测量部分；

基于所测量的电压计算所述电池内传质控制的超电势或所述电池内传质控制的电阻的计算部分；以及

当所计算的传质控制的超电势或传质控制的电阻大于预定阈值时确定所述电池内已经发生特性变化的确定部分。

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