一種計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法
【專利摘要】本發明創造提供一種計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，在充電時檢測出電池當前的電壓，和當前電池剩余容量與電壓的相對變化率。根據不同壽命時的電池容量與電壓的相對變化率，可得到鋰離子電池換算到標準情況下的等效充電次數n，從而根據等效充電次數n得出當前鋰離子電池的使用次數。再根據使用次數與電池可用剩余容量的一一對應關系，得到電池的可用剩余容量。相對于現有技術中的電池容量計算方法的區別是避免因電池老化對可用剩余容量計算的影響，具有判斷方法快捷，簡便，可靠性高的優點。
【專利說明】一種計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法【技術領域】
[0001]本發明創造涉及電池容量指示方法和剩余容量的指示裝置，特別是計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，適用于指示用于向電子裝置供應電壓的電源的充放電電池的剩
余容量。
【背景技術】
[0002]能源枯竭和環境污染已經成為當前社會亟待解決的問題。電動汽車以其獨特的節能環保的優勢引起越來越多國家的重視。在電動汽車及其他動力電池應用場合，鋰離子電池以其無可比擬的優越性能，成為了未來動力電池的首選。
[0003]電池管理系統(BMS)是電動汽車中越來越重要的關鍵部分，但是我國在這方面的研究還剛剛起步，即使在美國等汽車工業發達國家，其研制工作也并不完善。在電能儲存方面還有很多問題不能解決，動力電池的荷電狀態(State of Charge,簡稱S0C)是表征電池狀態的重要參數之一。準確計量SOC是電池安全和優化控制充放電能量的保證。
[0004]電池的可用剩余容量和電池的剩余電量是存在區別的，電池剩余容量指電池在使用一段時間后所具有的可用剩余容量。而剩余電量是電池每次充放電過程中的一個動態變量，與電池電壓存在著一種正相關的關系。當前許多SOC估算策略都是對電池剩余電量進行估計。
[0005]由于電池的老化，其可用剩余容量會隨著使用次數的增加而減小，而SOC檢測大多都忽略了這一變化，導致電池在使用多次后SOC測量出現了偏差。而目前常用的開路電壓檢測法和電流積分法則需要人為主動頻繁的對電池可用剩余容量進行更新，比較麻煩。如何設計出使電池管理系統(BMS)能夠自動更新當前的電池壽命情況，既簡單，又可以避免老化對SOC估算精度的影響的系統是本發明創造要解決的問題。
【發明內容】
[0006]本發明創造要解決的問題是提供一種計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，該方法基于長期對鋰離子充放電數據的分析，可靠性較高。
[0007]為解決上述技術問題，本發明創造采用的技術方案是:計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，步驟如下:
[0008]①制表:將電池剩余容量、電壓的變化率dq/dU、電池電壓U和電池充放電次數η統
計在一張表中作為表1 ;將電池充放電次數n和電池可用剩余容量Qf統計在一種表中作為表2 ;
[0009]②采集電壓信號:電壓采集模塊在電壓檢測定時器的觸發下采集鋰離子電池組的電壓信號U ；
[0010]③采集充電電流信號:電流采集模塊在電流檢測定時器的觸發下采集鋰離子電池的充電電流信號i;[0011 ] ④對電流采樣N次后，計算電池剩余電量對電池電壓的變化率f ；
CiU
[0012]⑤查表:查表1的到電池充放電的次數n，再查表2得到電池可用剩余容量Qf。
[0013]進一步，啟動步驟②中電壓檢測定時器timerO，產生Is的中斷，每Is對電池兩端的電壓U進行采樣。
[0014]進一步，當電池電壓大于等于Uq=4.0V時,啟動步驟③中電流檢測定時器timerl,產生30s中斷，每30s對充電電流i進行采樣一次，采樣結束后計算30s內的充電電量Q，即Qn=inX Δ to
[0015]進一步，步驟④中電池剩余電量對電池電壓的變化率(IQ /, X Δ/ + L X Δ/ H-----h /.' X Δ/
念=」-'Un-U0 ~，其中Un為當前的電池電壓。
[0016]實現計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法的裝置，包括:
[0017]控制器，用于存儲表1和表2并運行運算與查表程序；
[0018]電壓檢測定時器，設定電壓采集模塊的采樣頻率；
[0019]電壓采集模塊 ，在電壓檢測定時器的觸發下采集鋰離子電池組的電壓信號并上傳給控制器；
[0020]電流檢測定時器，設定電流采集模塊的采樣頻率；
[0021]電流采集模塊，在電流檢測定時器的觸發下采集鋰離子電池的充電電流信號并上傳給控制器。
[0022]以下是對本方法研究過程:
[0023]基于長期對鋰離子充放電數據的分析，發現鋰離子電池在不斷的充放電過程中，其可用剩余容量一直在下降，在這個動態過程中，鋰離子電池充放電2000次后可用剩余容量為總容量的80%，下降了 20%，說明電池的容量已經明顯下降。電池的充放電次數與可用剩余電量存在著一一對應的關系。
[0024]通過研究并記錄鋰離子電池在標準情況下充電時電池電壓和電池剩余電量形成正相關的對應關系，隨著電池電壓的升高，電池剩余電量在逐漸升高，并且隨著電壓的升高，剩余電量的增長率在不斷的下降。通過對一組動力電池進行長期的充放電循環試驗，發現隨著電池使用次數的不斷增加，在相同電壓情況下，電池剩余電量相對于電壓的變化率在不斷的減小。這個變化率與電池的充電次數也是一種一一對應的關系。
[0025]因為電池剩余電量相對于電壓的變化率和充電次數是相對應的關系,在已知變化率和電壓的情況下，可以查表得出電池的充電次數。鋰離子電池的可用剩余電量與鋰離子電池在標準情況下的充電次數可以得到一個對應關系，所以衡量一節電池壽命或健康狀況，可以將電池當前使用狀態換算到電池在標準充放電條件下η次充放電后電池對應的可用剩余容量值，進而估算出當前電池的可用剩余容量。
[0026]本發明創造具有的優點和積極效果是:本發明創造公開的計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法以及裝置，考慮到電池老化對可用剩余容量計算的影響，通過對一組動力
電池進行長期的充放電循環試驗，得到顯示電池剩余容量相對于電壓的變化率f與電池
dU
電壓U關系和電池充放電次數η和顯示電池充放電次數η和電池可用剩余容量Qf關系的兩張數據表，在已知電壓變化率和電壓的情況下，可以查表得出電池的充電次數。鋰離子電池的可用剩余電量與鋰離子電池在標準情況下的充電次數可以得到一個對應關系，所以衡量一節電池壽命或健康狀況，可以將電池當前使用狀態換算到電池在標準充放電條件下η次充放電后電池對應的可用剩余容量值，進而估算出當前電池的可用剩余容量。相對于現有技術中的電池容量計算方法具有判斷方法快捷，簡便，可靠性高的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是鋰離子電池可用剩余容量檢測的流程圖；
[0028]圖2是鋰離子電池滿充容量與電池電壓以及充放電次數的關系示意圖；
[0029]圖3是鋰離子電池滿充容量的動態變化過程示意圖；
[0030]圖4是鋰離子電池容量變化率與電池電壓以及充放電次數的關系示意圖；
[0031]圖5是鋰離子電池容量變化率與充放電次數的關系示意圖。
【具體實施方式】
[0032]結合附圖和具體實施例對本發明創造的技術方案做進一步說明。
[0033]具體的估算方式是:在充電時檢測出電池當前的電壓，和當前電池剩余容量與電壓的相對變化率。根據不同壽命時的電池容量與電壓的相對變化率，可得到鋰離子電池換算到標準情況下的等效充電次數η，從而根據等效充電次數η得出當前鋰離子電池的使用次數。再根據使用次數與電池可用剩余容量的一一對應關系，得到電池的可用剩余容量。
[0034]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明如何標定當前鋰離子電池在充電狀態下的可用剩余容量。
[0035]一、當前鋰離子電池充電狀態下可用剩余容量的標定
[0036]通過研究并記錄鋰離子電池在標準情況下充放電時的電壓U、可用剩余容量Qf和充放電次數η的數據，可繪出附圖2，附圖2表明隨著鋰離子電池充放電次數η的不斷增加，其可用剩余容量Qf—直在下降，如附圖2所示，在這個動態過程中，鋰離子電池充放電2000次后滿充容量為總容量的80%，下降了 20%，說明電池的容量已經明顯下降。同時該圖還能反映出在充電過程中，充電速度(電池剩余容量的增長率)不僅與電池的電壓U成負相關的關系還與電池的可用剩余容量％有關系，隨著電池的使用，Qf在下降的同時，電池的充電速度也在下降。
[0037]附圖3說明了鋰離子電池可用剩余容量Qf的動態變化過程，藍色曲線表示鋰離子電池在第一次充電時，電池剩余電量Q隨電池電壓U變化的示意曲線，隨著電壓的升高，曲線逐漸變緩說明電池容量增加的速率在逐漸變慢，在電池電壓達到4V時，充電速度變得非常緩慢；紅色曲線表示鋰離子電池在第2000次充電過程中電池容量隨電壓變化的示意曲線。隨著電池壽命的減少，電池充電的容量增加率也在不斷下降，導致電池在電壓達到4.2V即滿充電壓時電池的可用剩余電量變為電池開始時的80%，此述一電池充放電2000次為例。
[0038]由附圖3可以看出鋰離子電池在每次充電的過程中充電電壓和剩余電量Q是一一對應關系，并成正相關的關系，同時在這2000次充電曲線中的充電電壓U與曲線的斜率吳也是一一對應的關系，曲線的斜率反應了電池剩余電量Q相對電池電壓U的變化率，隨d U
do
著電壓的增大，斜率變的越來越小，成負相關的關系。這說明了電池剩余電量相對電壓
UU
的變化率f在隨著充電的過程逐漸減小。 d U
[0039]附圖4可以準確反應出f與電池電壓U以及充放電次數η的關系，電池的充滿
dlJ
時的電壓是一定的(4.2V)，而電池在使用的過程中的可用剩余容量Qf逐漸減小，因此在電池充滿的情況下電池的壽命隨著電池Qf的減小在不斷減小。
[0040]如附圖5所示，如果計算出電池在充電過程中電池剩余電量Q與電壓U的相對變
化率€，可得到一簇關于I和充電次數n曲線，再根據當前電池的電壓，即可得到當前的 (JUα?
電池的f與電池充放電次數η的曲線，可通過這條曲線得到當前鋰離子電池的等效充電 d U
次數η，從而根據曲線可以估計當前鋰離子電池的壽命情況。當前的電壓值是已知的，那么通過圖2Qf與η的關系得出當前電池可用剩余容量Qf。
[0041]具體流程如下:
[0042]計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，步驟如下:
[0043]①制表:將電池剩余容量、電壓的變化率#、電池電壓U和電池充放電次數η統
du
計在一張表中作為表1 ;將電池充放電次數η和電池可用剩余容量Qf統計在一種表中作為表2 ;
[0044]②采集電壓信號:電壓采集模塊ADO在電壓檢測定時器timeO的觸發下采集鋰離子電池組的電壓信號U ；
[0045]③采集充電電流信號:電流采集模塊ADl在電流檢測定時器timel的觸發下采集鋰離子電池的充電電流信號i ;
[0046]④對電流采樣N次后，計算電池剩余電量對電池電壓的變化率；
(I U
[0047]⑤查表:查表1的到電池充放電的次數n，在查表2得到電池可用剩余容量QF。
[0048]啟動timerO，產生Is的中斷，每Is對電池兩端的電壓U進行采樣。當電池電壓大于等于U0=4.0V時,啟動timerl,產生30s中斷,每30s對充電電流i進行采樣一次，采樣結束后計算30s內的充電電量Q，即，
【權利要求】
1.一種計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，其特征在于:步驟如下: ①制表:將電池剩余容量、電壓的變化率
2.根據權利要求1所述的計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，其特征在于:啟動步驟②中電壓檢測定時器timerO，產生Is的中斷，每Is對電池兩端的電壓U進行采樣。
3.根據權利要求1所述的計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，其特征在于:當電池電壓大于等于U0=4.0V時,啟動步驟③中電流檢測定時器timerl,產生30s中斷,每30s對充電電流i進行采樣一次，采樣結束后計算30s內的充電電量0，即Qn=inX At。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的計算鋰離子電池組可用剩余容量的方法，其特
征在于:步驟④中電池剩余電量對電池電壓的變化率
5.實現權利要求1至4中任一項所述的鋰離子電池組可用剩余電容的計算方法的裝置，其特征在于:包括: 控制器，用于存儲表1和表2并運行運算與查表程序； 電壓檢測定時器，設定電壓采集模塊的采樣頻率； 電壓采集模塊，在電壓檢測定時器的觸發下采集鋰離子電池組的電壓信號并上傳給控制器； 電流檢測定時器，設定電流采集模塊的采樣頻率； 電流采集模塊，在電流檢測定時器的觸發下采集鋰離子電池的充電電流信號并上傳給控制器。
【文檔編號】G01R31/36GK103823191SQ201410097250
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】梁浩, 孫功 申請人:天津航空機電有限公司