專(zhuān)利名稱(chēng)：鋰離子電池電量的測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰電池電量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種鋰離子電池電量的測(cè)量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
鋰電池剩余電量的測(cè)量，目前普遍采用的是積算法和電壓法。積算法是不斷檢測(cè)電池各時(shí)刻的放電電流和放電時(shí)間，來(lái)累計(jì)電池的放電電量。然后用電池的滿充電量(一般是新電池標(biāo)稱(chēng)的電量)減去累積的放電量，求得剩余電量。積算法的不足之處是，它需要記憶和存儲(chǔ)電池在放電周期內(nèi)的用電歷史，以便累計(jì)總放電量。但是隨著電池充、放電循環(huán)次數(shù)的增多，電池逐漸衰老，其滿充電量將逐漸減少。因此，積算法對(duì)不同衰老程度的電池將引起較大測(cè)量誤差。電壓法計(jì)算電池剩余電量，則是利用預(yù)先得到的電池端電壓和電量的關(guān)系曲線，通過(guò)測(cè)量電池的端電壓，并參照原來(lái)的曲線求得剩余電量。有人進(jìn)一步提出，在不同載負(fù)電流放電時(shí)，通過(guò)引入修正量，把測(cè)得的電池端電壓調(diào)整為參考曲線的端電壓，并由此確定電池的剩余電量，但電壓法仍然無(wú)法避免對(duì)不同衰老程度的電池測(cè)量時(shí)所引起的測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種鋰離子電池電量的測(cè)量方法及其裝置，它通過(guò)測(cè)量鋰電池本身的某些參數(shù)(如開(kāi)路電壓、交流阻抗等)，就可以判斷不同衰老程度的鋰電池在滿充電、部分充電或部分放電等狀態(tài)下的剩余電量，無(wú)需知道電池過(guò)去的用電歷史，也不受放電電流(負(fù)載電流)的變化所影響。
本發(fā)明所述一種鋰離子電池電量的測(cè)量方法，其特征是，它包括如下步驟第一步首先獲得描述鋰電池在壽命過(guò)程中，剩余電量Rcap與開(kāi)路電壓V0的一組關(guān)系曲線和擬合函數(shù)；第二步根據(jù)測(cè)量得到的低頻交流阻抗經(jīng)修正后的模值R0，選取相應(yīng)的一支剩余電量Rcap與V0的關(guān)系曲線或擬合函數(shù)；
第三步根據(jù)測(cè)得的開(kāi)路電壓V0和所選定的擬合函數(shù)，計(jì)算出電池的剩余電量。
本發(fā)明所述一種鋰離子電池電量的測(cè)量裝置，包括外殼和內(nèi)置電路板，其特征是，它由微計(jì)算機(jī)、充電電流控制電路、充放電電流信號(hào)放大電路、電流檢測(cè)電路、正弦振蕩器、小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測(cè)電路相互連接組成，其中，微計(jì)算機(jī)通過(guò)控制信號(hào)線分別與充電電流控制電路和交流阻抗檢測(cè)電路相連接，交流阻抗檢測(cè)電路還分別與電流檢測(cè)電路、鋰離子電池相連接，充放電電流信號(hào)放大電路還與電流檢測(cè)電路相連接，小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路還與鋰離子電池相連接，小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路連接有正弦振蕩器，電流檢測(cè)電路還通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別與充電電流控制電路、小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路、鋰離子電池相連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果本發(fā)明由于檢測(cè)的是電池的開(kāi)路電壓，就避免了端電壓法在電池負(fù)載電流變化時(shí)所引起的剩余電量測(cè)量誤差；由于引入了低頻交流阻抗來(lái)表征電池的衰老程度，并根據(jù)交流阻抗值選用相應(yīng)的開(kāi)路電壓V0與剩余電量Rcap的關(guān)系曲線及擬合函數(shù)，因此，避免了因電池衰老而引起的剩余電量測(cè)量誤差。本發(fā)明適用于不同衰老程度的鋰電池的剩余電量測(cè)量。


圖1是本發(fā)明的裝置原理框圖；圖2是18650A型新電池已放電量dcap與開(kāi)路電壓V0的關(guān)系曲線；圖3是18650A型新電池剩余電量Rcap與開(kāi)路電壓V0的關(guān)系曲線；圖4是18650型電池衰老過(guò)程中，交流(25Hz)阻抗R0與電池滿充電量fcap的關(guān)系曲線；圖5是18650型電池壽命過(guò)程中，在不同衰老程度(R0不同取值范圍)下的一組剩余電量Rcap與開(kāi)路電壓V0的關(guān)系曲線；圖6是本發(fā)明裝置的電路原理圖。
如圖1所示，本發(fā)明所述一種鋰離子電池電量的測(cè)量裝置，由外殼和微計(jì)算機(jī)、充電電流控制電路、充放電電流信號(hào)放大電路、電流檢測(cè)電路、正弦振蕩器、小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測(cè)電路相互連接組成。微計(jì)算機(jī)可以通過(guò)一個(gè)顯示器顯示測(cè)試結(jié)果。整個(gè)測(cè)試裝置實(shí)際上是在微機(jī)控制下的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。
如圖6所示，微計(jì)算機(jī)通過(guò)I/O控制開(kāi)關(guān)K204、K201、K202、K301的閉合狀態(tài)，使測(cè)量裝置可分別處于充、放電狀態(tài)，開(kāi)路電壓檢測(cè)和交流阻抗檢測(cè)狀態(tài)。在充電時(shí)，微計(jì)算機(jī)通過(guò)程序由D/A調(diào)節(jié)控制充電電流控制電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的“恒流充電—恒壓充電—截止充電”的充電過(guò)程，其中，充電電流控制電路由Q505(9013)和Q506(TIP142)組成。電流檢測(cè)電路由MAX471集成塊組成，它把充電電流、放電電流、正弦調(diào)制放電電流線性地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。充放電電流信號(hào)放大電路是由LF357組成的電壓放大器，它把MAX471檢測(cè)的電流信號(hào)放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由微計(jì)算機(jī)讀取充電電流和放電電流。正弦振蕩器由MAX038組成。小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路是由INA111和TIP41組成。交流阻抗檢測(cè)電路由模擬開(kāi)關(guān)CD4051、兩塊OP37運(yùn)算放大器、PGA103程控增益放大器和真有效值檢測(cè)集成塊AD637組成。在交流阻抗測(cè)量時(shí)，電池處于小信號(hào)正弦調(diào)制放電狀態(tài)，電池的交流壓降信號(hào)和MAX471檢測(cè)的交流放電電流信號(hào)在微計(jì)算機(jī)I/O控制下，分時(shí)地通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)CD4051，并經(jīng)過(guò)OP37和PGA103進(jìn)行電壓放大后，再經(jīng)AD637分時(shí)測(cè)得電池交流阻抗壓降和交流放電電流的有效值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由微計(jì)算機(jī)求得電池的交流阻抗。微計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的阻抗值判斷電池的衰老程度，并根據(jù)阻抗值選擇相應(yīng)的一支曲線，并根據(jù)檢測(cè)得到的開(kāi)路電壓V0，由相應(yīng)曲線的擬合函數(shù)計(jì)算出剩余電量。
發(fā)明人對(duì)金柏電子國(guó)際有限公司的18650A型鋰離子電池(新電池滿充電量fcap＝1650mAH)進(jìn)行滿充電后，每6只電池組成一組，每組分別以600mA、900mA、1200mA進(jìn)行恒流放電，每放電100mAH或150mAH(毫安時(shí))進(jìn)行一次開(kāi)路電壓檢測(cè)，如此循環(huán)，直到2.8V截止放電為止。開(kāi)路電壓檢測(cè)應(yīng)在恒流放電停止后，延時(shí)200秒后進(jìn)行。因?yàn)橥Ｖ狗烹姾?，電池的開(kāi)路電壓有逐漸回升的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，延時(shí)200秒后，電池的開(kāi)路電壓將回升到穩(wěn)定時(shí)的95％左右。因此，延時(shí)200秒測(cè)得的開(kāi)路電壓可近似看作是穩(wěn)定時(shí)的開(kāi)路電壓。對(duì)上述大量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析處理的結(jié)果表明，電池的已放電量dcap與電池的開(kāi)路電壓V0成對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系可以用擬合曲線和擬合函數(shù)描述，如圖2所示。
(1)當(dāng)開(kāi)路電壓V0在4V＜V0≤4.18V時(shí)，dcap＝-428.84V02+1853.48V0-260.61(2)當(dāng)開(kāi)路電壓V0在3.7V＜V0≤4.0V時(shí)，dcap＝7.53693×103V02-6.188405×104V0+1.2723689×105(3)當(dāng)開(kāi)路電壓V0在3.3V≤V0≤3.7V時(shí)，dcap＝-1.197381×104V04+1.6090997×105V03-8.1079514×105V02+1.81532235×106V0-1.5219766×106由于電池的剩余電量Rcap為電池的滿充電量fcap與電池的已放電量dcap之差，據(jù)此，也可以得到電池剩余電量Rcap與開(kāi)路電壓V0的關(guān)系曲線及其擬合函數(shù)，如圖3所示。
(1)當(dāng)開(kāi)路電壓V0在4V＜V0≤4.18V時(shí)，Rcap＝428.84V02-1853.48V0+1910.61(2)當(dāng)開(kāi)路電壓V0在3.7V＜V0≤4.0V時(shí)，Rcap＝-7.53693×103V02+6.188405×104V0-1.2558689×105(3)當(dāng)開(kāi)路電壓V0在3.3V≤V0≤3.7V時(shí)，Rcap＝1.197381×104V04-1.6090997×105V03+8.1079514×105V02-1.81532235×106V0+1.5236266×106鋰電池在壽命過(guò)程中，隨充、放電循環(huán)周期數(shù)的增加而逐漸衰老，其滿充電量逐漸減少，其交流阻抗逐漸增大，可用交流阻抗值來(lái)表征鋰電池的衰老程度。發(fā)明人對(duì)某公司18650型鋰離子電池(新電池滿充電量為1600mAH)進(jìn)行了壽命過(guò)程中的25Hz低頻阻抗測(cè)試。測(cè)試方法如下每進(jìn)行一個(gè)測(cè)試周期后，延時(shí)200秒，自動(dòng)進(jìn)行9次加速衰老循環(huán)充、放電周期，延時(shí)200秒后，再自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)測(cè)試周期，如此不斷循環(huán)，直到500個(gè)周期，使電池因衰老滿充電量減少到約新電池的滿充電量的45％為止。在每個(gè)測(cè)試周期中，電池以600mA恒流放電，每放電100mAH，經(jīng)200秒延時(shí)后，測(cè)電池開(kāi)路電壓V0，并進(jìn)行25Hz低頻阻抗測(cè)量，直到2.8V截止放電為止。交流阻抗測(cè)試時(shí)，電池處于小信號(hào)正弦調(diào)制放電狀態(tài)，測(cè)試在1秒鐘內(nèi)完成，電池耗電不到0.05mAH，可以忽略不計(jì)。
對(duì)上述測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理表明
第一，在同一測(cè)試周期時(shí)，交流阻抗無(wú)明顯變化。25Hz交流阻抗與其平均值的方差小于0.6mΩ(毫歐姆)。
第二，隨著鋰電池的衰老，電池的滿充電量逐漸減少，25Hz交流阻抗與R0逐漸增大，圖4為25Hz交流阻抗R0與滿充電量fcap的關(guān)系曲線及其擬合函數(shù)(1)當(dāng)R0＜120.19mΩ時(shí)，fCap＝-21.38R0+3871.8(2)當(dāng)R0≥120.19mΩ時(shí)，fCap＝-31.33R0+5067.81第三，如果把鋰電池衰老過(guò)程中滿充電量fcap減少的范圍劃分為若干區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間的中心附近選取一個(gè)測(cè)試周期，作為該區(qū)間的“代表周期”，求出各“代表周期”剩余電量Rcap與開(kāi)路電壓V0的一組關(guān)系曲線及擬合函數(shù)，如圖5所示。如果希望進(jìn)一步提高測(cè)量精度，也可以把區(qū)間劃得更小一些。記開(kāi)路電壓為V0，剩余容量為Rcap，則各代表周期的擬合函數(shù)為1.當(dāng)R0≤112.0mΩ(即Rcap≥1475mAh)時(shí)，用C24r11的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當(dāng)3.4V≤V0＜3.6V時(shí)，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當(dāng)3.6V≤V0≤3.8V時(shí)，Rcap＝1.9825×104V02-1.4321×105V0+2.5874×105(3)當(dāng)V0＞3.8V時(shí)，Rcap＝-3.099×103V02+2.6683×104V0-5.5842×1042.當(dāng)112.0mΩ＜R0≤119.0mΩ(即1325mAh≤Rcap＜1475mAh)時(shí)，用C24r51的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當(dāng)3.4V≤V0＜3.6V時(shí)，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當(dāng)3.6V≤V0≤3.8V時(shí)，Rcap＝1.2539×104V02-8.958×104V0+1.6012×105(3)當(dāng)V0＞3.8V時(shí)，Rcap＝-3.0112×103V02+2.5652×104V0-5.3239×1043.當(dāng)119.0mΩ＜R0≤124.25mΩ(即1175mAh≤Rcap＜1325mAh)時(shí)，用C24r81的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當(dāng)3.4V≤V0＜3.6V時(shí)，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當(dāng)3.6V≤V0≤3.8V時(shí)，Rcap＝8.803×103V02-6.2244×104V0+1.1012×105
(3)當(dāng)V0＞3.8V時(shí)，Rcap＝-2.8517×103V02+2.4141×104V0-4.9852×1044.當(dāng)124.25mΩ＜R0≤129.04mΩ(即1025mAh≤Rcap＜1175mAh)時(shí)，用C24r201的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當(dāng)3.4V≤V0＜3.6V時(shí)，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當(dāng)3.6V≤V0≤3.8V時(shí)，Rcap＝8.6358×103V02-6.1533×104V0+1.0973×105(3)當(dāng)V0＞3.8V時(shí)，Rcap＝-2.336×103V02+1.9928×104V0-4.1386×1045.當(dāng)129.04mΩ＜R0≤133.83mΩ(即875mAh≤Rcap＜1025mAh)時(shí)，用C24r271的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當(dāng)3.4V≤V0＜3.6V時(shí)，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當(dāng)3.6V≤V0≤3.8V時(shí)，Rcap＝6.3524×103V02-4.5004×104V0+7.982×104(3)當(dāng)V0＞3.8V時(shí)，Rcap＝-2.0255×103V02+1.7278×104V0-3.5879×1046.當(dāng)133.83mΩ＜R0≤138.61mΩ(即725mAh≤Rcap＜875mAh)時(shí)，用C22r381的曲線擬合，其擬合函數(shù)為(1)當(dāng)3.4V≤V0＜3.6V時(shí)，Rcap＝620(V0-3.4)(2)當(dāng)3.6V≤V0≤3.8V時(shí)，Rcap＝4.2821×103V02-3.003×104V0+5.2733×104(3)當(dāng)V0＞3.8V時(shí)，Rcap＝-1.8388×103V02+1.562×104V0-3.2356×104由于各電池個(gè)體的工藝、電極涂層厚度、均勻度不盡相同，同類(lèi)電池的新電池不同個(gè)體，其交流阻抗也會(huì)存在一定的零散。因此，對(duì)不同電池個(gè)體測(cè)得的交流阻抗應(yīng)加以修正。簡(jiǎn)單的修正方法是以獲得擬合曲線和擬合函數(shù)的電池在新電池時(shí)(第一放電周期)的25Hz交流阻抗為參考值R0(N)(對(duì)18650型，R0(N)＝106.3mΩ)，被測(cè)電池新電池時(shí)(第一放電周期)測(cè)得的交流阻抗為R(N)，則該被測(cè)電池修的量為ΔR＝R0(N)-R(N)。那么，被測(cè)電池在壽命過(guò)程中，若實(shí)測(cè)的阻抗為R0，則以R0＝R0+ΔR的阻抗值來(lái)選擇圖5中的一支擬合曲線和擬合函數(shù)，并由測(cè)得的開(kāi)路電壓V0和所選定的擬合函數(shù)來(lái)計(jì)算電池的剩余電量。
把圖5中的這組曲線和擬合函數(shù)存放在微計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，配合相應(yīng)的程序，就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)檢測(cè)電池的25Hz交流阻抗和開(kāi)路電壓，快捷地求得電池的剩余電量。
如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池電量的測(cè)量方法，其特征是，它包括如下步驟第一步首先獲得描述鋰電池在壽命過(guò)程中，剩余電量與開(kāi)路電壓的一組關(guān)系曲線和擬合函數(shù)；第二步根據(jù)測(cè)量得到的低頻交流阻抗經(jīng)修正后的模值，選取相應(yīng)的一支剩余電量與開(kāi)路電壓的關(guān)系曲線或擬合函數(shù)；第三步根據(jù)測(cè)得的開(kāi)路電壓和所選定的擬合函數(shù)，計(jì)算出電池的剩余電量。
2.一種鋰離子電池電量的測(cè)量裝置，包括外殼和內(nèi)置電路板，其特征是，它由微計(jì)算機(jī)、充電電流控制電路、充放電電流信號(hào)放大電路、電流檢測(cè)電路、正弦振蕩器、小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測(cè)電路相互連接組成，其中，微計(jì)算機(jī)通過(guò)控制信號(hào)線分別與充電電流控制電路和交流阻抗檢測(cè)電路相連接，交流阻抗檢測(cè)電路還分別與電流檢測(cè)電路、鋰離子電池相連接，充放電電流信號(hào)放大電路還與電流檢測(cè)電路相連接，小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路還與鋰離子電池相連接，小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路連接有正弦振蕩器，電流檢測(cè)電路還通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別與充電電流控制電路、小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路、鋰離子電池相連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種鋰離子電池電量的測(cè)量方法及其裝置，該方法是首先獲得描述鋰電池在壽命過(guò)程中，剩余電量與開(kāi)路電壓的一組關(guān)系曲線和擬合函數(shù)；根據(jù)測(cè)得的低頻交流阻抗經(jīng)修正后的模值，選取相應(yīng)的一支剩余電量與開(kāi)路電壓的關(guān)系曲線或擬合函數(shù)；根據(jù)測(cè)得的開(kāi)路電壓和所選定的擬合函數(shù)，計(jì)算出電池的剩余電量。該裝置包括外殼和內(nèi)置電路板，由微計(jì)算機(jī)、充電電流控制電路、充放電電流信號(hào)放大電路、電流檢測(cè)電路、正弦振蕩器、小信號(hào)正弦調(diào)制放電電路、交流阻抗檢測(cè)電路相互連接組成。本發(fā)明避免了端電壓法在電池負(fù)載電流變化時(shí)所引起的剩余電量測(cè)量誤差；也避免了因電池衰老而引起的剩余電量測(cè)量誤差。本發(fā)明適用于不同衰老程度的鋰電池的剩余電量測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R31/36GK1431521SQ0311357
公開(kāi)日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者林悅波 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)