专利名称：锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法
技术领域：
本发明属于锂离子二次电池容量检测技术，尤其涉及一种锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法。
背景技术：
锂离子二次电池具有电压高、比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上如移动电话、数码摄像机和手提电脑得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车、电动工具等大中型电动设备以及电站和应急备用电源等方面。因此对锂离子二次电池的性能要求越来越高。特别是将锂离子二次电池作为应急备用电源的时候，对电池经若干时间使用后容量衰减情况的把握更加重要。但在作为应急电源使用时,采取放电至100%D0D (Depth ofDischarge放电深度)的测定方法将会使电源在一段时间内失去应急的效用且浪费时间、能源与经费。电池完全放电(即放电至100%D0D)的方法测定电池容量，也就是将电池放电至生产商规定的放电电压或电流的最低值。如果在电池完全放电后，刚好断电，则应急电源无法供电，也就无法起到应急的效用。专利申请号:201010265668.0公开一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法和系统。该方法通过记录充电过程中电流值和充电所用的时间，采用安时积分法计算锂离子二次电池开始放电时的总的可用容量，从而得到锂离子二次电池总的可用容量的值A;记录放电过程中开路电压和电压降通过电压降AV来选择计算剩余可用容量百分率所用的曲线函数，得到锂离子二次电池剩余可用容量的百分率a;利用温度与剩余可用SOC之间的关系，得到当前温度下电池剩余可用容量SOC的使用效率；所有电池的A*a*相加即为锂离子二次电池组的剩余可用容量。实现该方法的系统为包含用于监测电池组信息的电压、电流和温度监控模块，此监控模块将监测到的信息反馈至MCU，MCU将估算得到的锂离子动力电池组剩余可用容量输出。该专利缺点1.以A来估算电池的总容量不准确，忽略了充放电效率的问题。即充进电池的电量并不等于电池能放出的电量。2.电池电压V与电池的剩余容量是非线性的关系；且在电池使用过程中，电池的电压-放电容量曲线会产生变化,故用电压值V来估算容量并不精确。申请号:201210488606.5公开了一种锂离子二次电池的电池容量快速检测方法，包括步骤:第一步:选取全部电池中的任意数目作为样本电池组，然后测量样本电池组中每个电池的实际放电容量；第二步:测量样本电池组中每个电池的开路电压；第三步:根据样本电池组中每个电池的实际放电容量和开路电压，获得实际放电容量和开路电压之间的对应关系；第四步:对于除样本电池组之外剩下的每个电池分别测量开路电压；第五步:根据每个电池的实际放电容量和开路电压之间的对应关系，获得剩下每个电池的实际放电容量。该项发明可以对多个锂离子二次电池在不同条件下实际放电容量进行高效、快捷地检测。该专利缺点1.由于制造的一致性无法保证，不同的样本间肯定会存在差异。且在有差异的情况下用测定的样本去标定未测定的测量对象必然不准确。2.电池电压V与电池的剩余容量是非线性的关系；且在电池使用过程中，电池的电压-放电容量曲线会产生变化，故用电压值V来估算容量并不精确。3.该方法需将样本完全放电以标定放电容量，不利于应急使用。且产生能量、经费的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，通过测量锂离子二次电池的剩余容量及某温度下的交流内阻，比照交流内阻-放电容量拟合曲线，得出电池当时的容量衰减程度，估算电池容量。无需采用电池放电0%至100%D0D的常规方法，即可估算电池容量衰减程度。本发明为实现上述目的，采用以下技术方案:一种锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，包括以下步骤，I)在选定的荷电状态以及选定的温度条件下，针对待测锂离子二次电池若干次采集其交流内阻数据和放电深度从0%到100%的放电容量数据；2)将采集到的交流内阻与放电容量数据录入电脑中，通过数据处理，得到交流内阻与放电容量的交流内阻-放电容量拟合曲线；3)测锂离子二次电池在日后的使用过程中，需要测定其经过一段时间衰减后的容量时，只需测量与之前采集交流内阻时相同的荷电状态、相同温度时，以相同频率测量的交流内阻；4)将测得的交流内阻对照之前的交流内阻-放电容量拟合曲线，即可得到电池在裳减后的各量。所述测量锂离子二次电池交流内阻时使用的交流频率定义在700至1300Hz。所述锂离子二次电池在固定测量频率、固定温度以及固定荷电状态条件下测定的交流内阻与衰减后容量呈线性关系的拟合曲线。所述采集锂离子二次电池的交流内阻及放电容量数据的次数至少两次。有益效果:与现有技术相比，通过测量锂离子二次电池的剩余容量及一定的温度条件下的交流内阻，通过数据处理得到内阻与容量的呈线性关系的拟合曲线；锂离子二次电池使用过程中，当需要测定锂离子二次电池经过一段时间衰减后的容量时，只需在与之前采集锂离子二次电池相同的SOC状态、温度及以相同频率的条件下测量，采集到的交流内阻与之前的交流内阻-放电容量拟合曲线对照比较，即可得到电池在衰减后的容量。依据交流内阻与电池容量的线性关系，对容量进行估算，避免了由多次充放电造成的时间、能源与经费方面的浪费，同时可以获得较高的检测速度与精度。尤其是适用于聚合物以及方形锂离子二次电池，避免了多次充放电检测所带来的时间、经费、能源上的浪费，可以获得较高的检测速度与精度。
图1是锂离子二次电池正常充放电示意图；图2是锂离子二次电池经过一段时间衰减后的状态示意图；图3是实施例1的交流内阻-放电容量曲线图；图4是实施例2的交流内阻-放电容量曲线图；图5是实施例3的交流内阻-放电容量曲线图。
具体实施例方式下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式
。本发明提供一种锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，包括以下步骤，I)在选定的荷电状态以及选定的温度条件下，针对待测锂离子二次电池若干次(至少两次)地采集其交流内阻数据和放电深度从0%到100%的放电容量数据；2)将采集到的交流内阻与放电容量数据录入电脑中，通过数据处理，得到交流内阻与放电容量的交流内阻-放电容量拟合曲线；3)测锂离子二次电池在日后的使用过程中，需要测定其经过一段时间衰减后的容量时，只需测量与之前采集交流内阻时相同的荷电状态、相同温度时，以相同频率测量的交流内阻；4)将测得的交流内阻对照之前的交流内阻-放电容量拟合曲线，即可得到电池在裳减后的各量。所述测量锂离子二次电池交流内阻时使用的交流频率定义在700至1300Hz。所述锂离子二次电池在固定测量频率、固定温度以及固定荷电状态条件下测定的交流内阻与衰减后容量呈线性关系的拟合曲线。理论分析如图1所示，为锂离子二次电池正常充放电示意图。如图所示，N为负极，P为正极、X为锂离子、G为隔膜。如图2所示，在重复充放电使用或经过`一段时间的存储过后，因为在负极表面生成含有Li的薄膜M而形成电池性能衰减。设由此造成的容量损失为Q。设薄膜M的厚度为t，薄膜中Li的密度为d (此处将薄膜M视为材质均匀的物质)，S为沿Y-Y线切断后的横截面积。则有式①Q=dXtXS......①测得的锂离子二次电池交流阻抗Rac可以为认为由负极表面生成的薄膜的阻抗Rfilm与其他阻抗R ^共同构成。用式②表示Rac = R film + R O ……②此处的Rac为电池被施加一定频率的交流电压与交流电流所测得的交流阻抗。此时，R ^可视为为常数。对负极表面生成的薄膜进行以下的设定，含有Li的薄膜M的电阻率为P (此处将薄膜M视为材质均匀的物质)，薄膜的厚度为t，其横截面积为3，则1^ film可由式③表示R film = P.t / S......③由式①②③，Rac 一 Rfilm+Ro(带入式3) ~(带入式I) = TTx
SSd
= ^-X Q + R (其中 P，S，d，R0 都是常数)即Rac = AXQ+B (A, B 为常数)可知二次电池的交流阻抗R AC与容量损失Q的关系可表示为式④R Ac = A X Q + B......④其中A，B皆为常数。即测得的交流阻抗与容量损失呈线性关系。设电池初始容量为Qtl,经衰减后的容量为Qrest,则有Qrest=Q0-Q ……⑤而Qci也是一个 常数，所以电池衰减后的剩余容量Qrest与交流阻抗Rac也呈线性关系O因公式中的参数P，S，d，Rtl，都与温度、SOC状态、测量电池交流内阻时所施加的频率有关，所以在测量时，要尽量保证测量电池时的温度、SOC状态以及所用交流频率一致。这样才能使得根据测量的交流内阻推导出的容量值比较准确。本发明对被测电池选定的温度以及SOC状态没有特殊要求。只需在测量时，保证与之前预先测量的温度、SOC状态相同即可。制作拟合曲线时，数据的测量并非必须在锂离子二次电池刚刚制成的成品时进行，也可以在使用或存储的中途测量、取点、制图。实施例1选用标称容量为16.5Ah的锂离子二次电池(即1C=16.5A)。在25°C条件下，使用IC电流恒流充电至3.65V，再恒压充电至电流减小到1C/20 (即0.825A)时充电截止。将此时的充电状态定义为100%S0C，即0%放电深度(D印th of discharge缩写D0D)。使用IC电流放电至2.0V时，放电截止，此时的状态定义为100%D0D，即0%S0C。将IC循环定义为“将电池放电至100%D0D，休眠2min，之后再充电至100%S0C，休眠2min”的过程。本实施例的电池在循环测试过程的中途，分别在第O次(即循环前)、21次、49次、98次循环后，在25°C条件下，使用频率为1000Hz的测量设备测量并记录了当时电池的交流内阻，取X轴为交流内阻值，Y轴为衰减后的容量值，做散点图并通过数据处理软件(本实验中采用Excel与MiniTab)拟合出线性曲线。如图3所示测量值与散点的交流内阻-放电容量曲线图，(循环后内阻VS容量)其中“计算容量”为根据拟合的交流内阻-放电容量直线，不同的交流内阻值Ra。在拟合直线上对应的容量值。“实际容量”为测量电池内阻前最后一次由0%D0D放电至100%D0D的放电容量。“偏差”为二者差值与实际容量的比值。
循环次数交流内阻/m I实际容量/Ah 计算容量/Ah 偏差
__O____
O3.77916.52116.520 | 0.008%
权利要求
1.一种锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，其特征是:包括以下步骤， 1)在选定的荷电状态以及选定的温度条件下，针对待测锂离子二次电池若干次采集其交流内阻数据和放电深度从0%到100%的放电容量数据； 2)将采集到的交流内阻与放电容量数据录入电脑中，通过数据处理，得到交流内阻与放电容量的交流内阻-放电容量拟合曲线； 3)测锂离子二次电池在日后的使用过程中，需要测定其经过一段时间衰减后的容量时，只需测量与之前采集交流内阻时相同的荷电状态、相同温度时，以相同频率测量的交流内阻； 4)将测得的交流内阻对照之前的交流内阻-放电容量拟合曲线，即可得到电池在衰减后的容量。
2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，其特征是:所述测量锂离子二次电池交流内阻时使用的交流频率定义在700至1300Hz。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，其特征是:所述锂离子二次电池在固定测量频率、固定温度以及固定荷电状态条件下测定的交流内阻与衰减后容量呈线性关系的拟合曲线。
4.根据权利要求3所述的锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，其特征是:所述采集锂离子二次电池的交流内阻及放电容量数据的次数至少两次。
全文摘要
本发明涉及一种锂离子二次电池经过衰减后的容量检测方法，包括以下步骤，在选定的荷电状态及温度条件下，对锂离子二次电池若干次采集交流内阻和放电容量；将采集到的交流内阻与放电容量数据通过数据处理，得到交流内阻与放电容量的交流内阻-放电容量拟合曲线；需要测定锂离子二次电池衰减后的容量时，只需测量与之前采集交流内阻时相同的荷电状态、相同温度时，以相同频率测量的交流内阻；将测得的交流内阻对照之前的交流内阻-放电容量拟合曲线，即可得到电池在衰减后的容量。有益效果依据交流内阻与电池容量的线性关系，对容量进行估算，避免了由多次充放电造成的时间、能源与经费方面的浪费，同时可以获得较高的检测速度与精度。
文档编号G01R31/36GK103163478SQ201310098098
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者刁志中, 高飞, 张娜 申请人:天津力神电池股份有限公司