專利名稱：預(yù)測干電池間歇放電容量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于預(yù)測鋅錳干電池間歇放電容量的方法。此處所指的容量既包括間歇放電的放電時間(分)，又包括間歇放電的安時數(shù)或安時容量(安培·小時)。
按照國際電工學(xué)會第35技術(shù)委員會(即原電池及電池組委員會)制定的鋅錳干電池檢驗標準(簡稱IEC標準)，R20型鋅錳干電池3.9歐間歇放電的檢驗方法為電池型號 電池類型 每日放電時間 每周放電天數(shù) 終止電壓(分) (天) (伏)R20S型 普通品 30 6 0.90R20C型 高容量電池 30 6 0.90R20P型 高功率電池 60 6 1.00我國國家標準GB7112-86中檢驗R20型鋅錳干電池3.9歐間歇放電的方法與此相同。用這種方法檢驗R20S型及R20C型鋅錳干電池往往需要1個月左右;檢驗R20P型鋅錳干電池也需2～3周時間。盡管檢驗結(jié)果準確，但由于耗時太長，難以指導(dǎo)生產(chǎn)，控制產(chǎn)品質(zhì)量與及時調(diào)整工藝配方，故自60年代以來國內(nèi)外不少電池工作者欲研究出預(yù)測鋅錳干電池間放容量的方法。
我國學(xué)者廖重文等用R20型、R14型、R6型等三類鋅錳干電池，在不同的負荷電阻下，分別作了固定放電時間及放電電阻，而改變放電間歇周期的方法，進行了一系列間歇放電與連續(xù)放電試驗。并在《電池》雜志1989年第3期(P27～32)、第6期(P24～31)與1990年第1期(P20～27)上連續(xù)發(fā)表了三篇論文，總結(jié)出三個統(tǒng)計規(guī)律，其要點是
1、干電池的間歇放電安時數(shù)與放電時間之間呈指數(shù)關(guān)系?？杀硎緸锳H＝10CtB……(A)式中AH-干電池間歇放電的安時數(shù)(安培·小時)t-干電池的間歇放電時間(分)B、C-均為回歸系數(shù)2、干電池的間放增長容量與停放比之間呈指數(shù)關(guān)系，可表示為△AH間＝△AHmax(1-e-J/ζ)……(B)式中△AH-該放電方式下的間歇放電安時數(shù)與連續(xù)放電安時數(shù)之差(安培·小時)△AHmax-該放電負荷電阻下放出的最大間歇放電安時數(shù)與連續(xù)放電安時數(shù)之差(安培·小時)J-兩次放電之間休息時間與每次放電時間的比值，即停放比ζ-干電池間歇放電的容量恢復(fù)系數(shù)e-自然對數(shù)的底數(shù)3、干電池的間歇放電安時容量與連續(xù)放電安時容量的關(guān)系。
AH間＝AH連+△AH間……(C)式中AH間-電池的間歇放電安時數(shù)(安培·小時)AH連-電池的連續(xù)放電安時數(shù)(安培·小時)△AH間-電池間歇放電與連續(xù)放電安時容量之差(安培·小時)作者探討了利用上述三個統(tǒng)計規(guī)律進行干電池容量預(yù)測的可能性，但尚未見到有關(guān)他們的具體預(yù)測方法的報道和實際應(yīng)用的信息。
日本學(xué)者Susumu Okazaki等在《電池及太陽能電池進展》叢書第6卷(Progress in Batteries & Solar Cells Vo1、6 1987 P106～109)中介紹一快速放電試驗及裝置。該裝置為一微機控制的自動放電臺，將放電電阻固定為3.9歐姆，放電時間固定為30分，以改變放電間歇時間的方式放電，求每天多次放電與按JIS標準(日本工業(yè)標準)的放電時間之間的關(guān)系。他們根據(jù)對5批LR20型堿性鋅錳干電池和R20P型高功率電池快速放電結(jié)果，認為每天放6次的放電時間與按JIS標準的常規(guī)放電時間基本一致。即檢測時間可縮短到原來的1/6。但該法僅為粗約的半定量分析結(jié)果，且僅適用于上述二類電池。(用此法預(yù)測國產(chǎn)含50%電解錳的R20P型高功率電池的容量的誤差可高達10～18%)。何況上述關(guān)系對我國量大面廣的R20S型及R20C型電池(約占我國鋅錳干電池總產(chǎn)量95%以上)不適用。故用此法無法預(yù)測鋅錳干電池的放電容量。
本發(fā)明是用不同的放電頻率對電池進行恒電阻放電試驗以采集數(shù)據(jù)，再用經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型運算以預(yù)測干電池間放容量，其目的在于提供一種預(yù)測鋅錳干電池間歇放電容量的方法。當生產(chǎn)線工藝穩(wěn)定，且以往檢測該產(chǎn)品的間歇放電均勻率≥90%時，用本方法可在3～5天之內(nèi)以±5%的誤差預(yù)測R20型鋅錳干電池3.9歐間歇放電時間，和從工作電壓為1.40伏起每隔0.05伏的放電時間和該批電池間歇放電的安時數(shù)。
本發(fā)明的方法如下(一)放電試驗1、取樣方法從R20型鋅錳干電池生產(chǎn)線現(xiàn)場取150～200只電池，測定每只電池的3.9歐姆負荷電壓，準確到小數(shù)點后第二位。將負荷電壓相同的電池放在一組，各組按負荷電壓大小順序排列。從電池數(shù)量最多的連續(xù)3組中抽取電池，直到樣品總數(shù)達40至80只為止。若生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，且該產(chǎn)品以往檢測間歇放電均勻率≥90%，則取40只;若生產(chǎn)工藝尚穩(wěn)定，且該產(chǎn)品以往檢測間歇放電均勻率＜90%，則取樣數(shù)可酌情增至80只。將抽到的樣品電池在20±2℃的放電室放置24小時以上。
2、分組按表1所示的試驗電池數(shù)，從已恒溫的樣品電池中抽取足夠量的電池分成若干組。若生產(chǎn)工藝穩(wěn)定且該產(chǎn)品以往檢測間歇放電均勻率≥90%時，每組僅取4只電池即可，此時試驗電池數(shù)僅32(對R20S型、R20C型)只或28(對R20P型)只。若生產(chǎn)工藝尚穩(wěn)定而該產(chǎn)品以往檢測間歇放電均勻率＜90%時，每組可酌情取5至8只，此時的試驗電池總數(shù)也相應(yīng)增至40至64(對R20S型、R20C型)只或35至56(對R20P型)只。
3、放電試驗按表1所規(guī)定的試驗條件，分別對各組電池進行放電試驗。自1.40伏起，每遞減0.05伏直至終止電壓，記錄每只電池放電時間。求出各組電池在每個放電階段放電時間的平均值，即Tn，1.40、Tn，1.35、Tn，1.30……Tn，ue，并制成平均放電時間表。Tn，u中的n下標表示每天放電次數(shù)，即放電頻率，u下標表示工作電壓，T表示放電時間，所以Tn，u表示在n放電頻率下放電至u工作電壓的平均放電時間(分)。放電試驗將進行到滿足本試驗方法4中所述的條件為止。
表1 試驗電池的分組及以3.9歐姆間歇放電的試驗條件<
4、結(jié)束放電試驗的條件它是已經(jīng)采集到進行預(yù)測運算所需的基本數(shù)據(jù)，可以開始進行預(yù)測運算的條件。本發(fā)明放電試驗結(jié)束時應(yīng)滿足以下三條件A、放電試驗時間＞72小時B、每天放電6次的那組電池已全部放電到終止電壓。
C、進行常規(guī)放電(每天放電一次)的那組電池，已在某電壓下取到滿足下列條件的放電時間記錄。
R20S型及R20C型電池 放電時間＞30分R20P型電池 放電時間＞60分我們定義該電壓為最高取數(shù)電壓Umax，因此可簡單地將本條件歸納為Umax存在。
預(yù)測放電試驗一般需3～5天時間本發(fā)明預(yù)測算法的要點是1、經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，建立放電時間T與放電頻率N及工作電壓U之間的二元回歸方程。其形式如下T=B0NBleB2U1………(1)]]>式中T-放電時間(分)N-放電頻率(次/日)U-工作電壓(伏)e-自然對數(shù)的底數(shù)B0、B1、B2-回歸系數(shù)2、用計算頻率替代N＝1來預(yù)測因預(yù)測放電試驗時間短，故只能按上述公式(1)用放電頻率較高的已知數(shù)推算每天放電一次(常規(guī)放電)的電池的放電時間。但將N＝1代入(1)式求放電時間T1，ue往往出現(xiàn)較大的誤差，故用計算頻率Ni代替N＝1來預(yù)測。計算頻率是在用已知數(shù)據(jù)預(yù)測常規(guī)放電的放電時間T1，ue代替N＝1而使用的替代計算頻率Ni。為了求得計算頻率Ni，首先用電壓較高的已知數(shù)據(jù)推算出放電進行到中間階段的常規(guī)放電的放電時間T1，uc;再用T1，uc與此階段已知放電數(shù)據(jù)求出計算頻率Ni，最后用計算頻率Ni與放電接近終止電壓的放電頻率較高的已知數(shù)據(jù)，推算常規(guī)放電的間歇放電時間T1，ue。
本發(fā)明預(yù)測放電時間的算法如下1、確定特征電壓Uc特征電壓Uc是決定預(yù)測放電試驗前期數(shù)據(jù)處理方式的電壓值。它是由試驗總結(jié)出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
計算時，根據(jù)表1的分類，依據(jù)放電終止電壓Ue，確定電池的類別Ⅰ類(R20S型或R20C型)電池或Ⅱ類(R20P型)電池。再按以下條件確定特征電壓UcⅠ類電池當T6，0.9≥520分 Uc＝1.15伏
T6，0.9＜520分 Uc＝1.05伏Ⅱ類電池Uc＝1.15伏2、計算每天放一次電(常規(guī)放電)至特征電壓Uc的放電時間。
A、依照本發(fā)明(一)、4確定最高取數(shù)電壓Umax。
B、取測試數(shù)據(jù)，從平均放電時間表中，取N＝1，2，3，4(次/日)四列由Umax至Uc全部放電記錄數(shù)據(jù)，但總行數(shù)n僅允許2、3、4行，即1＜n≤4。若有5行或更多行(即Umax-Uc＞0.15伏時)，則取包括Uc在內(nèi)的連續(xù)四行數(shù)據(jù)。若n＜2行，則不能預(yù)測。
C、用以上數(shù)據(jù)進行T對N及U的二元回歸得下述方程。
T=b01Nb11eb21U1………(2)]]>式中T，N，U同(1)式b01，b11，b21均為回歸系數(shù)將N＝1，U＝Uc代入(2)式計算T1，uc3、求N1的計算頻率Ni取工作電壓為Uc及Uc-0.05伏二行放電試驗記錄，進行二元回歸得T=b02Nb11eb21U1………(3)]]>式中T、N、U同(1)式b02、b12、b22均為回歸系數(shù)式(3)可整理為
N=(Tb02eb22U1)1/b12………(4)]]>則N1的計算頻率Ni可按下式算出N1′=(T1.ucb02eb22Uc1)1/b12........(5)]]>4、求電池的間歇放電時間取直到終止電壓Ue為止的連續(xù)4行數(shù)據(jù)，進行二元回歸，得回歸方程T=b03Nb13eb23v′…………(6)]]>式中T、N、U同(1)式b03、b13、b23均為回歸系數(shù)將N＝Ni，U＝Ue代入(6)式，即得該批電池按國家標準GB7112-86以3.9歐姆間歇放電的放電時間的預(yù)測值T1，ue(分)(三)計算各工作電壓下的間歇放電時間1、取N＝1的實測數(shù)據(jù)記錄2、實測數(shù)據(jù)至Uc間所缺數(shù)據(jù)和Uc至Ue+0.15伏間所缺數(shù)據(jù)，均用線性內(nèi)插法求得。
3、Ue+0.15伏至Ue的放電時間(分)均用(6)式計算。若Uc≠Ue+0.15伏，則對應(yīng)Uc的放電時間取按本發(fā)明(2)式計算的放電時間T1，uc(分)。
4、列出自工作電壓為1.40伏按0.05伏遞減至終止電壓的各工作電壓下間歇放電時間的實測值或預(yù)測值的表格。
(四)預(yù)測間歇放電的安時數(shù)的算法。
1、根據(jù)按0.05伏遞減的各工作電壓下的所有放電時間數(shù)據(jù)，用梯形法求T-U放電曲線下所包圍的面積S(伏·分)2、依據(jù)下述公式計算放電安時數(shù)QQ＝S/(3.9×60)……(7)式中Q-計算的間放安時數(shù)(安培·小時)S-放電曲線下所包圍的面積(伏·分)3.9-放電電阻(歐姆)1/60-將分鐘化為小時的系數(shù)(小時/分)3、該批電池的預(yù)測安時容量由下式求出AH＝1.04×Q……(8)式中AH-該批電池間歇放電安時容量的預(yù)測值(安培·小時)Q-該批電池間歇放電安時容量的計算值(安培·小時)1.04-將計算的安時容量轉(zhuǎn)換為預(yù)測的安時容量的比例系數(shù)，為一經(jīng)驗系數(shù)。
本發(fā)明的實施例如下(一)放電試驗1、取樣從湖南省邵陽市電池廠R20S型鋅錳干電池生產(chǎn)線現(xiàn)場取150只電池，測定每只電池3.9歐姆負荷電壓，準確到小數(shù)點后第二位。將上述電池按負荷電壓大小分組，電池分組情況如下。
2、分組因此類電池為R20S型電池，屬于表1中的Ⅰ類電池。故根據(jù)本發(fā)明(一)、2，只需從恒溫的樣品電池中抽取32只試驗電池，分成8組，每組4只電池。
3、進行放電試驗將放電電阻固定為3.9歐姆、放電時間固定為30分鐘。每天分別對上述8組試驗電池進行1次、2次、3次、4次、6次、8次、12次、24次放電。自1.40伏起，每隔0.05伏直至終止電壓，記錄每只電池首次達到該工作電壓的時間。求出各組4只電池在每個工作電壓的放電時間的平均值。將放電試驗進行到滿足本實施例4中所規(guī)定的條件為止。預(yù)測試驗求得的各組電池在各工作電壓下的平均放電時間數(shù)據(jù)列于表2。
4、本實施例放電試驗結(jié)束的條件根據(jù)本發(fā)明(一)，4所規(guī)定的結(jié)束放電試驗的條件，當放電試驗進行了3天后A、放電試驗時間＞72小時B、每天放電6次的那組電池已放到終止電壓(T6，0.9＝543.1分)。
C、T1，1.30＝52.4分＞30分滿足本發(fā)明(一)，4的條件C，故Umax＝1.30伏故本放電試驗進行3天后即結(jié)束，即預(yù)測放電試驗僅用了三天。
(二)預(yù)測間歇放電時間1、確定特征電壓Uc依據(jù)本發(fā)明(二)1所定的條件。這批試驗電池為R20S型(Ⅰ類)電池，且T6，0.9＝543.1分＞520分，故其特征電壓Uc＝1.15伏。
2、計算每天放一次電(常規(guī)放電)的電池放電到1.15伏(特征電壓)的放電時間A、從表2本實施例放電試驗記錄中，取N＝1，2，3，4(次/日)四列由Umax(1.30伏)至Uc(1.15伏)全部放電記錄數(shù)據(jù)。因Umax至Uc包括1.30伏、1.25伏、1.20伏及1.15伏四個工作電壓，故它們所對應(yīng)的數(shù)據(jù)為四行，滿足本發(fā)明(二)、2B所確定的條件。
B、求T1，uc即T1，1.15的放電時間用以上數(shù)據(jù)進行T對N及U的二元回歸得T=282132×N(-0.068456)×e(-5.05147×U1)]]>……(9)將N＝1(次/日)、U＝1.15伏代入(9)式得T1，1.15＝354.1分3、求N1的計算頻率Ni從表2中取工作電壓為1.15伏(Uc)及1.10伏(Uc-0.05伏)所對應(yīng)二行的9個數(shù)據(jù)。進行T對N及U的二元回歸得T=26364×N(-0.34467)×e(-3.05575×UL]]>……(10)(10)式可變?yōu)镹1′=(T1'uc26364×e(-3.05575×U2c))1/(-0.34467)]]>……(11)將Uc＝1.15伏，T1，uc＝354.1分代入(11)式求得Ni＝2.182，4、求電池放電時間取直到終止電壓Ue(0.90伏)為止的4行數(shù)據(jù)，即相應(yīng)于1.05伏、1.00伏、0.95伏、0.90伏的四行數(shù)據(jù)。進行二元回歸，得下述回歸方程T=20.49.27×N(-0.293.4)×e(-0.96536×U1)]]>……(12)將Ni(計算頻率)＝2.182，U＝0.90伏代入(12)式T1，0.9(預(yù)測)＝746.0分，即求出該批電池3.9歐姆間歇放電時間為746.0分。因T1，0.9的實測值為752.5分，故預(yù)測的絕對誤差為△T＝-6.5分;預(yù)測的相對誤差△T/T1，0.9(實測)×100%＝-0.86%。
(三)計算按0.05伏遞減的各工作電壓下的放電時間1、取N＝1的實測數(shù)據(jù)記錄，即T1，1.40＝17.3分，T1，1.35＝25.7分、T1，1.30＝52.4分2、因U1.15≠0.90+0.15伏，故取由(9)式算出的T1，1.15＝354.1分3、實測數(shù)據(jù)T1，1.30和T1，1.15之間所缺的T1，1.25和T1，1.20用線性內(nèi)插法求得。T1，1.25＝153分，T1，1.20＝253.5分。。
T1，1.15與T1，1.05之間所缺的T1，1.10亦用線性內(nèi)插法求得T1，1.10＝458.3分4、1.05伏至0.90伏的預(yù)測值由將Ni＝2.182及相應(yīng)的U代入(12)式求得T1，1.05＝562.4分;T1，1.00＝620.9分、T1，0.95＝682.2分，T1，0.90＝746分，將以上數(shù)據(jù)列為表格
即得該批電池在各工作電壓下的間歇放電時間(四)預(yù)測間歇放電的安時數(shù)1、按照本發(fā)明(四)所述方法，求得該批電池S＝849.2(伏·分)2、依據(jù)本發(fā)明(7)式求得該批電池計算的間放安時數(shù)為Q＝3.629(安培·小時)3、依據(jù)本發(fā)明(8)式求得該批電池預(yù)測的安時數(shù)AH＝1.04×Q＝3.774(安培·小時)。根據(jù)實測放電結(jié)果可算出該批電池實測的安時數(shù)為3.782(安培·小時);故預(yù)測的絕對誤差△AH＝-0.00781(安培·小時);預(yù)測的相對誤差△AH/AH(實測)×100%＝-0.2%。由此可見，當生產(chǎn)工藝穩(wěn)定且以往檢測該產(chǎn)品間放均勻率大于90%時，用本發(fā)明的預(yù)測方法可在3至5天之內(nèi)以±5%的誤差預(yù)測R20型鋅錳干電池3.9歐間歇放電的容量。
權(quán)利要求
1.一種通過不同的放電頻率對電池進行恒電阻放電的試驗以取得數(shù)據(jù)，再用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型預(yù)測鋅錳干電池間放容量的方法，本發(fā)明的特征在于，A、依據(jù)每次的放電時間與終止電壓Ue不同將鋅錳干電池分為I類(普通品、高容量)電池及Ⅱ類(高功率)電池，分別進行放電試驗，Ⅰ類電池分組進行每日放電1、2、3、4、6、8、12、24次等頻率(N)的放電，Ⅱ類電池分組進行每日放電1、2、3、4、6、8、12次等頻率(N)的放電，B、放電試驗一直進行到最高取數(shù)電壓Umax存在，C、對于Ⅰ類電池，根據(jù)每日放電頻率次數(shù)較高的放電時間決定特征電壓Uc，D、從放電數(shù)據(jù)中取m列數(shù)據(jù)，并由Umax至Uc取n行數(shù)據(jù)，n需滿足1＜n≤4，用上述數(shù)據(jù)建立放電時間T與放電頻率N和工作電壓U之間的二元回歸方程T=b01Nb11eb21U1…………(1)]]>式中b01、b11、b12均為回歸系數(shù)e為自然對數(shù)的底數(shù)將N=1，U=Uc代入(1)式求T1，uc，E、取工作電壓Uc及Uc-0.05伏二行放電試驗記錄，經(jīng)回歸分析建立下式以求計算頻率N1′N1′=(T1'ucb02e′22U2c)1/b12………(2)]]>式中b02、b12、b22均為回歸系數(shù)，F(xiàn)、取直到終止電壓Ue為止的連續(xù)四行數(shù)據(jù)建立以下回歸方程T=b03Nb13eb23U1………(3)]]>式中03、b13、b23均為回歸系數(shù)將N=N1′，U=Ue代入(3)式即得該批電池3·9歐間歇放電時間的預(yù)測值T1，ue，G、計算各工作電壓下的間放時間(1)取N=1的實測數(shù)據(jù)(2)實測數(shù)據(jù)至Uc及Uc至U3+0.15伏之間所缺的數(shù)據(jù)均用線性內(nèi)插法求得(3)Ue+0.15伏至Ue的放電時間均用(3)式計算，若Uc≠U3+0.15伏，則取(1)式計算的T1，uc，H、計算間歇放電安時數(shù)(1)根據(jù)各工作電壓下的間放時間的所有數(shù)據(jù)，用梯形法求放電曲線下所包圍的面積S(2)間歇放電的安時容量AH由下式求出AH=1.04× (S)/(3.9×60)式中1.04——將計算的安時容量轉(zhuǎn)換為預(yù)測安時容量的經(jīng)驗系數(shù)3.9——放電電阻(歐姆)1/60——將分鐘化為小時的系數(shù)。
全文摘要
預(yù)測鋅錳干電池間放容量的方法，是通過對電池進行不同頻率恒電阻放電，再用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和數(shù)字模型，預(yù)測R20型鋅錳干電池3.9歐間放至終止電壓及各工作電壓下的間放時間和間放安時數(shù)。當生產(chǎn)工藝穩(wěn)定且以往檢測產(chǎn)品間放均勻率≥90％，只需3至5天即可以±5％的誤差預(yù)測。
文檔編號G01R31/36GK1052195SQ9010556
公開日1991年6月12日 申請日期1990年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月12日
發(fā)明者彭宏熙, 徐伯南, 涂華林, 潘惠娣, 彭金蓮 申請人:湖南輕工研究所