CN106405424A - 锂离子电池剩余电量的计量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池剩余电量的计量方法和装置。该方法包括以下步骤：使锂离子电池在放电电流和放电时间下进行脉冲放电；获得锂离子电池未脉冲放电时和该脉冲放电时的电压差；以及根据上述的电压差来获取锂离子电池的剩余电量。

Description

锂离子电池剩余电量的计量方法和装置
技术领域
本发明主要涉及锂离子电池剩余电量的计量技术领域，尤其涉及一种锂离子电池剩余电量的计量方法和装置。
背景技术
随着智能手机、笔记本电脑等移动通讯产品的普及、电动交通工具的发展以及太阳能电池应用的需要，在更好的电池未出现以前，锂离子电池作为一种高能二次电池，其独特优势将会在很长一段时间得到广泛应用。在很多应用中，都需要实时了解锂离子电池剩余电量以估算电池的可用时间。
目前，已知的锂离子电池剩余电量计量方法主要有电荷累积法和开路电压法。电荷累积法是通过测量流入/流出电池的净电荷来估算电池剩余容量。该方法对流入/流出电池的总电流进行时间积分，得到流入/流出的电量，电池初始电量±流入/流出电量＝剩余电量。电池初始电量可以预置，也可在完整的充放电周期中进行学习更新。这种计量方法依赖电池初始电量，存在累积误差问题。
开路电压法是通过监视电池开路电压来获得剩余电量，这是因为电池端电压和剩余电量之间有一个确定的对应关系。但该方法的局限是该对应关系需要在电池开路静置相当长时间后才成立，只有这时通过测量电池空载时的开路电压才能获得相对准确的结果，但实际应用都需要在充放电过程中获取剩余电量。因此这种方法不适合用来实时计量电池剩余电量。
实际应用中有将两种方法进行改良或结合起来进行剩余电量评估的尝试，包括通过各种算法来提高评估的精度。这些技术包括模糊逻辑、卡尔曼滤波、神经网络、递归、自我学习等。但是，这些基于电荷累积法和开路电压法的评估，无法从根本上解决方法的固有缺陷，造成锂离子电池剩余电量计量的精确性低、稳定性差。
发明内容
本发明提出一种锂离子电池剩余电量的计量方法和装置，可以提高剩余电量的计量的精度和实时性。
本发明提出了一种锂离子电池剩余电量的计量方法，包括以下步骤：使锂离子电池在放电电流和放电时间下进行脉冲放电；获得锂离子电池未脉冲放电时和脉冲放电时的电压差；以及根据上述的电压差来获取锂离子电池的剩余电量。
根据本发明的一实施例，进行多次该脉冲放电且多次确定电压差，并计算多个电压差的平均值。
根据本发明的一实施例，多次该脉冲放电的放电时间相同。
根据本发明的一实施例，多次该脉冲放电的放电时间不同。
根据本发明的一实施例，多次该脉冲放电的放电电流相同。
根据本发明的一实施例，多次该脉冲放电的放电电流不同。
根据本发明的一实施例，根据该电压差来获取锂离子电池的剩余电量的步骤包括：将该电压差代入预先确定的电压差与锂离子电池的剩余电量的对应关系中，得到对应的锂离子电池的剩余电量。
本发明提出一种锂离子电池剩余电量的计量装置，包括：可控的导电路径，连接该锂离子电池的正极和负极以对该锂离子电池放电；电压检测器，连接该锂离子电池的正极和负极以获得锂离子电池的脉冲放电时与未脉冲放电时的电压差；控制单元，连接该导电路径和该电压检测器，该控制器配置为使锂离子电池在放电电流和放电时间下进行脉冲放电，且从该电压检测器获得该电压差；以及处理单元，连接该控制单元，根据该电压差确定锂离子电池的剩余电量。
根据本发明的一实施例，该可控的导电路径包括串联的电流源和开关，该开关连接该控制单元。
根据本发明的一实施例，该控制单元配置为进行多次该脉冲放电，该处理单元配置为多次确定该电压差，并计算多个电压差的平均值。
根据本发明的一实施例，该控制单元和该处理单元是集成为一体。
本发明还提出一种锂离子电池装置，包括锂离子电池，以及上述的锂离子电池剩余电量的计量装置。
本发明的上述技术方案对锂离子电池两端进行快速脉冲放电，此时锂离子电池正极的电子由于隔膜聚集在正极侧；同时从负极脱嵌的锂离子由于较大迁移率暂时聚集在负极侧。这样在锂离子电池内部形成瞬间内生电容，电容值C＝Q/Vc。其中Q为电容表面聚集的电荷；Vc为电容两端电压，也等于脉冲放电前后电池端的电压差。在同等测试环境下，电容值C保持不变，因此差分电压Vc和电容表面电荷Q成正比。在同等脉冲放电条件下，表面电荷Q的密度与负极锂离子密度成一一对应关系，因此差分电压Vc同负极锂离子密度存在一一对应关系。这时微观世界的负极锂离子密度正指示着宏观世界的电池剩余电量。由此通过脉冲放电-差分电压检测可以直接获得锂离子电池的剩余电量。
通过上述技术方案，本发明可以对锂离子电池剩余电量进行直接测量，实时性高，而且结构简单。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的锂离子电池剩余电量的计量装置电原理图。
图2是根据本发明一实施例的包含计量装置的锂离子电池装置结构图。
图3是根据本发明一实施例的锂离子电池剩余电量的计量方法流程图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
现有的锂离子电池剩余电量计量方法的实质是通过对电压、电流等状态量的测量值来进行间接估算，因此其计量精度有限。
本发明的实施例描述一种对锂离子电池的剩余电量进行计量的方式，可以将锂离子电池剩余电量作为一个物理量进行直接的测量。而且，这种方式能在锂离子电池使用的各个阶段进行实时测量。
图1是根据本发明一实施例的锂离子电池剩余电量的计量装置电原理图。参考图1所示，本实施例的计量装置包括电流源101、开关102、电压检测器103、控制单元104和处理单元105，用以计量锂离子电池120的剩余电量。在本实施例中，锂离子电池120可以由一个或者多个电池单元(cell)组成。电流源101、开关102串联连接在锂离子电池120的正极和负极之间，以组成一个可控的导电路径。在这一导电路径中，电流源101提供放电电流，开关102可在信号的控制下闭合，在一段时间内对锂离子电池120进行放电。可以理解，可控的导电路径可以有其他形式。电压检测器103能够检测锂离子电池120的电压，这体现为电池的正极和负极之间的电压。
控制单元104一方面连接由电流源101、开关102组成的导电路径，另一方面连接电压检测器103。控制器104配置为使锂离子电池120在放电电流和放电时间下进行脉冲放电，且获得锂离子电池120的未脉冲放电时的第一电压V0和放电时的第二电压V1之间的电压差。放电电流I取决于电流源101，放电时间t取决于开关104打开的时间，这两个数值都可以对控制器104是已知的，也可以是未知的。电流源101可以是恒定电流源，也可以是可变的电流源。当使用可变电流源时，控制单元104可连接到电流源101以控制放电电流的大小。控制器104可以发送脉冲控制信号给开关102，以控制开关102打开的时间。脉冲控制信号中使开关102打开的电平(例如高电平)具有很小的占空比。可以理解，为了检测剩余电量而进行的放电应尽可能小地改变电量，因此进行了时间较短的脉冲放电。当然，脉冲放电还考虑了锂离子电池内部的因素，这将在后文讨论。放电时间t可以有很大的选择范围，从几十纳秒到几百毫秒。通常来说，可将t控制在微秒级。
控制单元104连接电压检测器103，以便获得未脉冲放电时电压V0和放电时电压V1之间的电压差。电压检测器103可通过计算获得差分电压值，也可通过差分电压检测获得差分电压值。当差分电压检测获得差分电压值时，电压检测器103可以不必分别获得未脉冲放电时电压V0和放电时电压V1，而是直接获得电压差。
处理单元105连接控制单元104，用来根据电压差Vc确定锂离子电池120的剩余电量。在一实施例中，控制单元104和处理单元105可以是集成为一体。例如控制单元104和处理单元105集成在同一芯片上。
图2是根据本发明一实施例的包含计量装置的锂离子电池装置结构图。参考图2所示，锂离子电池装置包括锂离子电池120。典型的锂离子电池120包括正极121、负极122、电解液和隔膜123、正极电极124和负极电极125。当对电池进行充电时，正极121上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极122。负极122中有许多很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时，嵌在负极122中的锂离子脱出，又运动回正极121。回正极121的锂离子越多，放电容量越高。
当计量装置的开关102闭合产生脉冲放电时，电子无法穿透隔膜123而在正极121侧积聚；负极122侧脱嵌的锂离子由于较大的迁移率，尚没来得及穿透隔膜123而在负极122侧聚集。这样就在锂离子电池内部形成了一个瞬间内生电容C，假设其电压为Vc。未脉冲放电时，电压检测器103检测电池端电压VB的值为V0；脉冲放电时，由于瞬间内生电容C上的电压Vc的存在，电压检测器103检测电池端电压VB的值V1＝V0-Vc。由此，通过获得未脉冲放电时和脉冲放电时的电压差V0-V1，可获得电容C上的电压Vc。在同等测试环境下，电容值C保持不变，因此电压差Vc和电容表面电荷Q成正比。在同等脉冲放电条件下，表面电荷Q的密度与负极锂离子密度成一一对应关系，因此电压差Vc同负极锂离子密度存在一一对应关系。而微观的负极锂离子数密度正指示着宏观的电池剩余电量。由此通过电压差Vc可以准确地表征锂离子电池120的剩余电量。
在锂离子电池120生产后，可以通过测试预先获得电压差Vc与锂离子电池120的剩余电量之间的对应关系。这一对应关系可以通过表格或者拟合函数保存。在锂离子电池120使用过程中，通过上述的装置和方法得到电压差后，可将电压差代入预先确定的电压差与锂离子电池的剩余电量的对应关系中，得到对应的锂离子电池120的剩余电量。
此外，考虑到单次脉冲放电和测量的不稳定，控制单元104配置为可进行多次脉冲放电，处理单元105则配置为多次获得电压差，并计算多个电压差的平均值作为最终结果。在各次脉冲放电中，放电时间可以相同，也可以不相同。同样的，放电电流可以相同，也可以不相同。
如前所述，放电时间t可以控制在几十纳秒到几百毫秒。当然这并非限制，放电时间t的选取，除了考虑对电池电量影响较小外，还考虑到需要足够短以便使锂离子由于较大的迁移率，尚没来得及穿透隔膜123而暂时在负极122侧聚集。
本实施例的剩余电量计量方式与已知方式相比有明显的优势。首先，通过对差分电压Vc的计量，可以对锂离子电池剩余电量进行直接测量，这使得精确度明显提升。根据试验，这种计量方式可以将精确度从目前应用中的3％-8％提升到1％以内。对锂离子电池剩余电量计量来说这是非常不易的，而且意义重大，因为精确的剩余电量计量是电池管理***的基础，例如锂离子电池的单体电池不一致性较大，需要在准确测量电量的情况下进行均衡。其次，本实施例的计量方式可以在锂离子电池使用的各个阶段(包括进行放电时)进行实时测量。再者，本实施例的计量方式，结构非常简单，降低了装置成本。
图3是根据本发明一实施例的锂离子电池剩余电量的计量方法流程图。参考图3所示，归纳而言，本实施例的锂离子电池剩余电量的计量方法，包括以下步骤：
在步骤301，使锂离子电池在放电电流和放电时间下进行脉冲放电；
在步骤302，获得锂离子电池脉冲放电时和未脉冲放电时的电压差；
在步骤303，根据该电压差来获取锂离子电池的剩余电量。
本实施例的锂离子电池剩余电量的计量方法可以在前文所描述的计量装置中实施，然而也可以理解，本领域技术人员可以根据此计量方法的精神，在其他的计量装置中实施。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种锂离子电池剩余电量的计量方法，包括以下步骤：
使锂离子电池在放电电流和放电时间下进行脉冲放电；
获得锂离子电池未脉冲放电时和脉冲放电时的电压差；
根据该电压差来获取锂离子电池的剩余电量。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池剩余电量的计量方法，其特征在于，进行多次该脉冲放电且多次获得电压差，并计算多个电压差的平均值。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池剩余电量的计量方法，其特征在于，多次该脉冲放电的放电时间相同。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池剩余电量的计量方法，其特征在于，多次该脉冲放电的放电时间不同。
5.根据权利要求2所述的锂离子电池剩余电量的计量方法，其特征在于，多次该脉冲放电的放电电流相同。
6.根据权利要求2所述的锂离子电池剩余电量的计量方法，其特征在于，多次该脉冲放电的放电电流不同。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池剩余电量的计量方法，其特征在于，根据该电压差来获取锂离子电池的剩余电量的步骤包括：将该电压差代入预先确定的电压差与锂离子电池的剩余电量的对应关系中，得到对应的锂离子电池的剩余电量。
8.一种锂离子电池剩余电量的计量装置，包括：
可控的导电路径，连接该锂离子电池的正极和负极以对该锂离子电池脉冲放电；
电压检测器，连接该锂离子电池的正极和负极，以获得锂离子电池的脉冲放电时与未脉冲放电时的电压差；
控制单元，连接该导电路径和该电压检测器，该控制器配置为使锂离子电池在放电电流和放电时间下进行脉冲放电，且从该电压检测器获得该电压差；以及
处理单元，连接该控制单元，根据该电压差确定锂离子电池的剩余电量。
9.如权利要求8所述的锂离子电池剩余电量的计量装置，其特征在于，该可控的导电路径包括串联的电流源和开关，该开关连接该控制单元。
10.如权利要求8所述的锂离子电池剩余电量的计量装置，其特征在于，该控制单元配置为进行多次该脉冲放电，该处理单元配置为多次获得该电压差，并计算多个电压差的平均值。
11.如权利要求8所述的锂离子电池剩余电量的计量装置，其特征在于，该控制单元和该处理单元是集成为一体。
12.一种锂离子电池装置，包括锂离子电池，以及如权利要求8-11任一项所述的锂离子电池剩余电量的计量装置。
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