专利名称：锂离子电池健康状态估算系统及使用该系统对锂离子电池健康状态估算的方法
技术领域：
本发明涉及估算系统，特别是涉及锂离子电池健康状态估算系统。本发明还涉及利用上述系统对锂离子电池健康状态估算的方法。
背景技术：
国际电工协会(IEEE1118-1996)为蓄电池维护制定了以定期测试内阻预测蓄电池寿命的标准以来，中国信息产业部邮电工业产品质量监督检验中心对YD/799-2002也进行了内阻规范的增补。随着国内经济的发展和社会信息的普及、通讯电源、网络供能、动力机组、发电配电，以及各行各业使用的蓄电池组数量激增。作为后备电源最后一个环节，做到对蓄电池在线质量状态的准确了解不仅是使蓄电池能够提供稳定后备支持能力的重要保证和依据，而且有利于蓄电池资源进行优化整合。 锂离子动力电池随着使用时间和循环次数的增加，都会逐步的老化，其老化原因主要是由于电极集流体氧化、电解液分解、活性物质脱落等，造成电池无法继续保持良好的电量输出。通过电池健康状态的估算，为电池的维护更换提供依据。国际电工协会(IEEE1118-1996)规定，当电池的容量下降到电池标称容量的80%时为落后电池，就需要更换电池，健康状态用SOH表示,其计算公式为SOH=(当前容量-标称容量)/标称容量。由于容量测试方法耗时较长，国际电工协会在(IEEE1118-2005)中规定，明显的电池内阻值变化意味着电池的性能变坏。其计算公式为SOH=(当前的动态内阻值-初始内部阻值)/初始内部阻值。目前电池健康状态的主要测试方法和系统包括一下几种(I)内阻测试方法。内阻与容量的相关性是当电池的内阻大于初始值(基值)的25%时，电池将无法通过容量测试。当电池的内阻大于初始值的2倍时，电池的容量将在其额定容量的80%以下。基于此推出的蓄电池内阻测试仪主要采用了国际流行的异频法(交流测试法)测试，通过给蓄电池加一特定交流信号(I)，然后用高性能带通滤波器检测蓄电池内阻上的压降(U)，R = U/I。内阻方法测试方便，不论蓄电池是否充满电，均可测试。可以在线测试，也可以离线测试，测试速度快，适于大范围测试。但该方法测试所得的内阻和容量的关系参数，是基于铅酸蓄电池，不是针对锂离子动力电池，该测试参数不适合于锂离子动力电池。内阻测试方法测试得到的，只是电池的内部集流体金属导体之间的电阻，不能得到锂离子动力电池内部的实际集流体和活性物质材料之间的阻值，活性物质材料和电解液之间的阻值，电解液和隔膜之间的阻值，锂离子在电解液工作过程中的迁移阻值。故该方法不能准确的测得锂离子动力电池的实际内部阻值大小。(2)实际容量测试方法。通过一定的电流⑴对蓄电池进行放电到蓄电池的最低允许电压所用的时间(T)，Q= I*T推算出蓄电池的实际容量。通过电池的实际容量和初始容量的比值来推算电池的健康状态。该方法只能离线测试，要拆下蓄电池工作量很大；测试过程中，首先必须使待测蓄电池先充满电，然后才能开始放电测试，充电和放电过程中需要大量的时间。该方法不适合锂离子动力电池健康状态的在线测量，且不适合快速测量。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中的不足而完成的，本发明的目的是提供结构简单、专门针对锂离子电池、可以准确地在线快速测定锂离子动力电池实际内部阻值和内部各化学组分的阻抗并确定锂离子电池实际状况的锂离子电池健康状态估算系统。本发明的锂离子电池健康状态估算系统，包括单片机中央控制模块、输出交流脉冲的交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块，所述单片机中央控制模块分别与交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块连接，所述交流脉冲输出模块和所述电池模块连接，所述电池模块为锂离子动力电池。
本发明的锂离子电池健康状态估算系统还可以是所述交流脉冲输出模块分别对与其连接的电池模块输出两种频率的交流脉冲信号。所述交流脉冲输出模块分别对与其连接的电池模块输出5963Hz和3Hz频率的交流脉冲信号。所述单片机中央控制模块包括数据接收部分、数据分析部分、数据处理部分和结果发送部分，所述数据接收部分与电池模块连接用于接收电池模块针对交流脉冲输出的交流脉冲信号作出的响应信号数据，所述数据分析部分与所述数据接收部分连接用于分析接收到的响应信号数据，所述数据处理部分与所述数据分析部分连接用于对分析后响应信号数据进行处理，所述结果发送部分分别与数据处理部分和显示模块连接用于将数据处理的结果显示在显示模块中。所述交流脉冲输出模块包括高速DA数据转换部分、高频运算放大器和高频三极管，所述高频为频率在6MHz以上，所述高速DA数据转换部分与所述单片机中央控制模块输出端连接，所述高速DA数据转换部分分别与高频运算放大器和高频三极管连接。所述单片机中央控制模块为pIC高单频片机，所述电池模块与所述单片机中央控制模块的数据接收部分连接。所述显示模块为液晶显示屏或LED指示灯，所述显示模块与所述单片机中央控制模块的结果发送部分连接。本发明的锂离子电池健康状态估算系统，包括单片机中央控制模块、输出交流脉冲的交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块，所述单片机中央控制模块分别与交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块连接，所述交流脉冲输出模块和所述电池模块连接，所述电池模块为锂离子动力电池。这样，使用时，单片机中央控制模块控制交流脉冲输出模块对电池模块输出不同频率的交流脉冲信号，电池模块对不同的交流脉冲信号作出不同的响应信号，这些不同的响应信号发送至单片机中央控制模块，单片机中央控制模块对上述响应信号数据进行接收、分析和处理得出估算的锂离子电池健康状况并发送至显示模块显示出来。因此相对于现有技术的优点是结构简单、专门针对锂离子电池、可以准确地在线快速测定锂离子动力电池实际内部阻值和内部各化学组分的阻抗并确定锂离子电池实际状况。
本发明的另一个发明目的是提供使用上述的锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法。该方法从锂离子电池的最底层电化学信息入手估算，更加接近电池实际状况，而且可以在线快速测量和估算。本发明的使用锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法，包括以下步骤A、将电池模块安装在锂离子电池健康状态估算系统内，将其与所述单片机中央控制模块和电池模块分别连接；B、所述单片机中央控制模块控制所述交流脉冲输出模块向所述电池模块输出5963Hz和3Hz的交流脉冲信号；C、所述电池模块针对B步骤的交流脉冲信号发出响应并将该响应信号传数据输至单片机中央控制模块，所述单片机中央控制模块接收该响应信号数据并分析5963Hz测 得的响应信号，通过处理得到电池健康状态的估算值；D、所述单片机中央控制模块将处理后的结果发送至与所述其连接的显示模块上显示电池健康状态的估算值。本发明的使用锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法通过上述步骤可以快速在线测量并得出锂离子电池的真实实际的健康状态，结果准确性闻。
图I本发明锂离子电池健康状态估算系统实施例示意图。图2本发明锂离子电池健康状态估算系统实施例锂离子电池内部阻抗的等效电路图。图号说明I…单片机中央控制模块2…交流脉冲输出模块3…电池模块4…显示模块
具体实施例方式下面结合附图的图I至图2对本发明的锂离子电池健康状态估算系统以及使用该系统对锂离子电池健康状态估算的方法作进一步详细说明。本发明的锂离子电池健康状态估算系统，请参考图I至图2，包括单片机中央控制模块I、输出交流脉冲的交流脉冲输出模块2、电池模块3和显示模块4，所述单片机中央控制模块I分别与交流脉冲输出模块2、电池模块3和显示模块4连接，所述交流脉冲输出模块2和所述电池模块3连接，所述电池模块3为锂离子动力电池。这样，使用时，单片机中央控制模块I控制交流脉冲输出模块2对电池模块3输出不同频率的交流脉冲信号，电池模块3对不同的交流脉冲信号作出不同的响应信号，这些不同的响应信号发送至单片机中央控制模块1，单片机中央控制模块I对上述响应信号数据进行接收、分析和处理得出估算的锂离子电池健康状况并发送至显示模块4显示出来。本发明的原理为锂离子动力电池即电池模块3，在使用过程中，其功能相当于一个电解池。当对电池模块3进行交流阻抗测量，不同频率的交流脉冲通过电解池(电池模块3)时，电解池(电池模块3)内部的各个组分对交流电会产生不同的响应。由于使用小幅度对称交流电对电极极化，当频率足够高时，以致每半周期所持续的时间很短，不致引起严重的浓差极化及表面状态变化。而且在电极上交替地出现阳极过程的阴极过程，即使测量讯号长时间作用于电解池(电池模块3)，也不会导致极化现阶段象的积累性发展。所以不同频率的交流脉冲电流通过作为电池模块3的锂离子电池内部时，正极集流体和活性物质材料之间，活性物质材料和电解液之间，电解液和隔膜之间，电解液和负极材料之间，负极材料和负极集流体之间，可以测得不同的响应，由此根据不同的响应信号输送至单片机中央控制模块1，单片机中央控制模块I分析得出电池内部的各组分阻抗。锂离子电池(电池模块3)内部阻抗分析得出其简化电路图如图2所，在图2中Rct表示电荷转移电阻，与电子转移速度的负数成正比。转移速度越快，电阻越小。Cd表示双电层电容。Rs表示溶液电阻。Zw表示Warburg阻抗,传质过程限制的电阻。通过大量的实验数据得出，锂离子动力电池(电池模块3)在老化过程中，可以通过Rct和Rs的变化来推算锂离子动力电池的损耗程度。实验数据显示，当输出5963Hz的交流脉冲信号时，可以得到锂离子动力电池的Rs，当输出3Hz的交流脉冲信号时，所得到的值减去Rs的值可得到Rct的值。因此相对于现有技术的优点是结构简单、专门针对锂离子电池、可以准确地在线快速测定锂离子动力电池实际内部阻值和内部各化学组分的阻抗并 确定锂离子电池实际状况。具体分析本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果渗透至锂离子电池内部，从电池模块3即锂离子电池的最底层电化学信息入手估算锂离子电池的健康状态。现有的电池内阻测量方式，得到的只是电池内部导体的电阻，不能得到电池内部各化学组分的阻抗。本发明通过交流阻抗的测量方式，输出不同的交流脉冲信号，分析得出电池的内部各化学组分的阻抗大小，使估算系统估算出来的值更接近真实工作中的电池，更符合电池实际。本发明的锂离子电池健康状态估算系统，请参考图I至图2，在前面技术方案的基础上具体可以是所述交流脉冲输出模块2分别对与其连接的电池模块3输出两种频率的交流脉冲信号。这样的优点是输出两个不同频率的交流脉冲信号，筛选出Rs和Rct作为估算的参数，保证系统估算锂离子电池健康状况的准确性。通过对复杂的电池内部化学系统测试得到大量的实验数据分析，挑选出Rs和Rct这两个特征值作为锂离子动力电池健康状态估算的参数。通过公式，使Rs参数和Rct两个参数在估算过程中相互独立又相互影响，将估算结果分成5个等级，使估算结果更准确，降低估算误差。进一步优选的技术方案为所述交流脉冲输出模块2分别对与其连接的电池模块3输出5963Hz和3Hz频率的交流脉冲信号。高频率的交流脉冲信号，得到的是锂离子电池的电子转移阻抗，低频率的交流脉冲信号，得到的是锂离子电池的传质阻抗，经过实验数据统计得出，在5963Hz的高频中，可以得到Rs的起始点，在3Hz的低频中，可以得到Rs+Rct的值的节点，经过数据处理后，可以得到Rct的值。进一步优选的技术方案为所述单片机中央控制模块I包括数据接收部分、数据分析部分、数据处理部分和结果发送部分，所述数据接收部分与电池模块3连接用于接收电池模块3针对交流脉冲输出的交流脉冲信号作出的响应信号数据，所述数据分析部分与所述数据接收部分连接用于分析接收到的响应信号数据，所述数据处理部分与所述数据分析部分连接用于对分析后响应信号数据进行处理，所述结果发送部分分别与数据处理部分和显示模块4连接用于将数据处理的结果显示在显示模块4中。这样，保证单片机中央控制模块I可以对电池模块3输送到的响应信号数据进行接受、分析和处理，保证估算出被测试的锂离子电池健康状态。更进一步优选的技术方案是在前面技术方案的基础上所述交流脉冲输出模块2包括高速DA数据转换部分、高频运算放大器和高频三极管，所述高频为频率在6MHz以上，所述高速DA数据转换部分与所述单片机中央控制模块I输出端连接，所述高速DA数据转换部分分别与高频运算放大器和高频三极管连接。这样的优点是通过单片机中央控制模块I控制DA数据转换部分对电池模块3实时输出不同频率的交流脉冲，响应信号输入单片机中央控制模块I进行实时估算，将得到的估算值实时传输给显示模块4显示，实现锂离子电池健康状态的实时在线估算和快速测量。还可以是所述单片机中央控制模块I为PIC高频单片机，所述电池模块3与所述单片机中央控制模块I的数据接收部分连接。Pic高频单片机，能控制高速DA，并对测试得到的高频响应信号进行及时的数据处理，防止出现数据处理滞后，其他高频系列单片机同样可以使用。使用PIC高频单片机的优点是数据处理速度快，控制高速DA完全没有问题。另外，还可以是所述显示模块4为液晶显示屏或LED指示灯，所述显示模块4与所述单片机中央控制模块I的结果发送部分连接。 本发明还保护使用上述的锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法，包括以下步骤A、将电池模块3安装在锂离子电池健康状态估算系统内，将其与所述单片机中央控制模块I和电池模块3分别连接；B、所述单片机中央控制模块I控制所述交流脉冲输出模块2向所述电池模块3输出5963Hz和3Hz的交流脉冲信号；C、所述电池模块3针对B步骤的交流脉冲信号发出响应并将该响应信号传数据输至单片机中央控制模块1，所述单片机中央控制模块I接收该响应信号数据并分析5963HZ测得的响应信号，通过处理得到电池健康状态的估算值；D、所述单片机中央控制模块I将处理后的结果发送至与所述其连接的显示模块4上显示电池健康状态的估算值。本发明的使用锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法通过上述步骤可以快速在线测量并得出锂离子电池的真实实际的健康状态，结果准确性闻。本发明的使用锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法，在前面技术方案的基础上还可以是所述C步骤中数据分析和处理过程为5963Hz测得的响应信号，通过处理得到锂离子电池内部的Rs阻抗，3Hz测得的响应信号，通过处理得到的值减去Rs的值得到锂离子电池内部的Ret。将锂离子动力电池出厂第一次装机使用测得的Rs值作为锂离子动力电池Rs的初始值，用Rs初表示，将锂离子动力电池出厂第一次装机使用测得的Rct值作为锂离子动力电池的Rct初始值，用Rcttt表示。则使用如下的计算公式计算
权利要求
1.锂离子电池健康状态估算系统，其特征在于包括单片机中央控制模块、输出交流脉冲的交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块，所述单片机中央控制模块分别与交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块连接，所述交流脉冲输出模块和所述电池模块连接，所述电池模块为锂离子动力电池。
2.根据权利要求I所述的锂离子电池健康状态估算系统，其特征在于所述交流脉冲输出模块分别对与其连接的电池模块输出两种频率的交流脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池健康状态估算系统，其特征在于所述交流脉冲输出模块分别对与其连接的电池模块输出5963Hz和3Hz频率的交流脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池健康状态估算系统，其特征在于所述单片机中央控制模块包括数据接收部分、数据分析部分、数据处理部分和结果发送部分，所述数据接收部分与电池模块连接用于接收电池模块针对交流脉冲输出的交流脉冲信号作出的响应信号数据，所述数据分析部分与所述数据接收部分连接用于分析接收到的响应信号数据，所述数据处理部分与所述数据分析部分连接用于对分析后响应信号数据进行处理，所述结果发送部分分别与数据处理部分和显示模块连接用于将数据处理的结果显示在显示模块中。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池健康状态估算系统，其特征在于所述交流脉冲输出模块包括高速DA数据转换部分、高频运算放大器和高频三极管，所述高频为频率在6MHz以上，所述高速DA数据转换部分与所述单片机中央控制模块输出端连接，所述高速DA数据转换部分分别与高频运算放大器和高频三极管连接。
6.根据权利要求4所述的锂离子电池健康状态估算系统，其特征在于所述单片机中央控制模块为PIC高单频片机，所述电池模块与所述单片机中央控制模块的数据接收部分连接。
7.根据权利要求4所述的锂离子电池健康状态估算系统，其特征在于所述显示模块为液晶显示屏或LED指示灯，所述显示模块与所述单片机中央控制模块的结果发送部分连接。
8.使用权利要求I至7任意一权利要求所述的锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法，其特征在于包括以下步骤 A、将电池模块安装在锂离子电池健康状态估算系统内，将其与所述单片机中央控制模块和电池模块分别连接； B、所述单片机中央控制模块控制所述交流脉冲输出模块向所述电池模块输出5963Hz和3Hz的交流脉冲信号； C、所述电池模块针对B步骤的交流脉冲信号发出响应并将该响应信号传数据输至单片机中央控制模块，所述单片机中央控制模块接收该响应信号数据并分析5963Hz测得的响应信号，通过处理得到电池健康状态的估算值； D、所述单片机中央控制模块将处理后的结果发送至与所述其连接的显示模块上显示电池健康状态的估算值。
9.根据权利要求8所述的使用锂离子电池健康状态估算系统对锂离子电池健康状态估算的方法，其特征在于所述C步骤中数据分析和处理过程为5963Hz测得的响应信号，通过处理得到锂离子电池内部的Rs阻抗，3Hz测得的响应信号，通过处理得到的值减去Rs的值得到锂离子电池内部的Ret。将锂离子动力电池出厂第一次装机使用测得的Rs值作为锂离子动力电池Rs的初始值，用Rs初表示，将锂离子动力电池出厂第一次装机使用测得的Rct值作为锂离子动力电池的Rct初始值，用Rcttt表示。则使用如下的计算公式计算
全文摘要
本发明公开了锂离子电池健康状态估算系统和使用该系统对锂离子电池健康状态估算的方法，其中锂离子电池健康状态估算系统包括单片机中央控制模块、输出交流脉冲的交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块，所述单片机中央控制模块分别与交流脉冲输出模块、电池模块和显示模块连接，所述交流脉冲输出模块和所述电池模块连接，所述电池模块为锂离子动力电池。本发明的锂离子电池健康状态估算系统结构简单、专门针对锂离子电池、可以准确地在线快速测定锂离子动力电池实际内部阻值和内部各化学组分的阻抗并确定锂离子电池实际状况。
文档编号G01R31/36GK102854394SQ20121031708
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者李小平, 邱显焕, 李伟善, 蔡燕凤 申请人:华南师范大学