萬用錶怎樣測試電池？

一种电池容量检测方法

技术领域

[0001 ] 本发明涉及一种电池容量检测方法，尤其是一种基于电池极化特性的电池容量检测方法。

背景技术

[0002] 随着动力电池材料技术的发展和在电动汽车领域的推广应用，动力电池组的测试工作在电池应用中必不可少。通过对动 力电池组的测试过程，可以完成电池组性能的综合评估。目前电池测试的参数包括电池的容量和内阻，内阻测试往往较为简单，即利用电流激励电池产生的电压变化得出，而电池的容量测试比较复杂，而且由于单次测试的容量可能存在一定误差，因此需要进行多次测量，时间较长，能耗较大，需要极大的人力物力成本。因此，面向应用的动力电池组容量测试方法研究对于动力电池组的测试意义重大，也是关系电池组输出性能的关键指标。

[0003] 目前使用的动力电池组容量的测试方法是全充全放法。全充全放法的过程比较简单，主要是采用恒流恒压的充电模式将动力电池组充至最高截止电压，然后恒流放电至最低电压，利用这个放电过程中放出的容量衡量电池的可用容量。然而由于电池容量测试存在误差，往往需要进行3次上述测试过程，然后对测量结果取平均值。

[0004] 申请号为200410049133. 4的中国专利申请公开了一种检测设备和方法：当电池供电设备工作在低负载模式下时，对电池放电电压进行A/D转换，并来自这样得到的数字信号来确定剩余电池容量，并且当电池供电设备工作在高负载模式下时，将电池放电电压与特定阈值电压进行比较，根据比较结果来运行中断处理以计算剩余电池容量。

[0005] 但是，由于现有技术的测试过程通常采用小倍率电流（一般小于0. 3CNA电流），因此进行一次充放电过程的时间大概为6个小时，因此进行3次全充全放的时间大概为18个小时，测试时间过长。此外，由于测试时间过长，造成测试过程中的大量能量损耗。因此，迫切需要一种快速识别电池容量的测试方法，这对于电池测试来说至关重要。

发明内容

[0006] 因此，本发明的目的在于提供一种电池容量快速检测方法，其可以快速识别电池容量。

[0007] 本申请的发明人进行了反复深入的研究，发现如下技术方案可以解决上述技术问题。

[0008] 一种电池容量检测方法，包括以下步骤：

[0009] I).获得充电的开路电压OCV-电池荷电状态SOC曲线，和直流内阻Rn ；

[0010] 2) •计算SOC变化率

[0011] 对电池进行I1电流下的恒流充电，通过采样系统获得此时的端电压、电流、和充电容量Ah，并在此过程中计算电池随SOC的变化率W，即：[0012]

[0013] Cn表示测试电池的额定容量；

[0014] 3).记录特征端电压Vtll,剩余电量SOC/

[0015] 当电池端电压随SOC的变化率VV < d时，其中，OmV/%< d < 0. 01mV/%，记录此时电池剩余容量数值SOC1 ’，测量此时的端电压Vtll ；

[0016] d表示特征点端电压变化率限值；

[0017] 4) •计算SOC变化率

[0018] 改变电流，对电池进行I2电流下的恒流充电,按照步骤2)的方法在此过程中测量计算电池端电压随SOC的变化率VV ；

[0019] 5).记录特征端电压余电量SOC2’

[0020] 当电池端电压随SOC的变化率VV < d时，其中，OmV/%< d < 0. 01mV/%，记录此时的极化电压电池剩余容量数值S0C2’，端电压Vtl2 ；

[0021 ] 6).计算SOC变化率所对应的端电压变化率

[0022] 计算AS0C = S0(V -SOC1'，根据电池的端电压对应出近似SOC区间，查OCV-SOC曲线获得A SOC对应的内电势电压变化A focv_soc ( A S0C)；

[0023] 7).计算极化等效内阻RPs。。

[0024] 根据公式

计算极化等效内阻Rpstc ；

[0025] 8).计算剩余容量SOC1

[0026] 根据SOC = focv_soc^ (V0-IccXRfi+IccXRpsoc)，计算得到SOC/时刻电池的准确剩余容量SOC1 ；

[0027] 9).继续充入一定容量A Ah,其中20% <y< 30%;

[0028] 10).获得 SOC2

[0029] 重复步骤I)〜8)，计算得到充入容量A Ah时刻后的电池准确剩余容量SOC2 ；

[0030] 11).计算实际容量Ca

[0031] 根据充电容量A AH与SOC的定义表达式

计算出电池的实际容

量CA。

[0032] 根据本发明所述的方法，其中，步骤3)和步骤5)分别采用万用表测量电池端电压。

[0033] 根据本发明所述的方法，其中，步骤I)包括如下过程：

[0034] 对待测电池进行ICnA电流下的恒流充电，在停止充电瞬间,测试电池的瞬时电压跌落过程；

[0035] 通过下式：

[0036]

[0037] 其中，V V1表示电流从ICnA变为0过程，电流变化前（ICnA电流下)的电池端电压、V1表示电流从ICnA变为0过程，电流变化后（0电流下）的电池端电压，得到直流内阻Rn。

[0038] 对待测电池进行ICnA电流下的恒流充电，每充入实际容量的5-10%，充分静置l-5h,测量充分静置后的开路电压OCV ；

[0039] 对待测电池进行恒流充电，在停止充电瞬间，测试电池端电压的恢复过程；当端电压恢复速度小于10mV/180s时，测量此时的电池端电压，即为电池的开路电压0CV，并记录此时的电池剩余容量SOC ；

[0040] 同理获得到整个容量区间内其他SOC点的OCV数值，从而绘制出整个容量区间内的OCV-SOC曲线。

[0041] 根据本发明所述的方法，步骤I)中，采用万用表测量充分静置后的开路电压0CV。

[0042] 根据本发明所述的方法，步骤I)包括如下过程：

[0043] 对待测电池进行ICnA电流下的恒流充电，在停止充电瞬间,测试电池的瞬时电压跌落过程；

[0044] 通过下式：

[0045] Rfi = (V0-V1VI,

[0046] 其中，V V1表示电流从ICnA变为0过程，电流变化前（ICnA电流下)的电池端电压、V1表示电流从ICnA变为0过程，电流变化后（0电流下）的电池端电压，得到直流内阻Rn。

[0047] 对待测电池进行ICnA电流下的恒流充电，每充入实际容量的5-10%，充分静置l-5h,测量充分静置后的开路电压OCV ；

[0048] 对待测电池进行恒流充电，在停止充电瞬间，测试电池端电压的恢复过程；当端电压恢复速度小于10mV/180s时，测量此时的电池端电压，即为电池的开路电压0CV，并记录此时的电池剩余容量SOC ；

[0049] 同理获得到整个容量区间内其他SOC点的OCV数值，从而绘制出整个容量区间内的OCV-SOC曲线。

[0050] 根据本发明所述的方法，步骤I)中，采用万用表测量充分静置后的端电压，即开路电压OCV。

[0051] 根据本发明所述的方法，步骤I)包括如下过程：

[0052] 对待测电池进行ICnA电流下的恒流充电，在停止充电瞬间,测试电池的瞬时电压跌落过程；

[0053] 通过下式：

[0054] Rfi = (Vtl-V1)/I，

[0055] 其中，V V1表示电流从ICnA变为0过程，电流变化前（ICnA电流下)的电池端电、压、V1表示电流从ICnA变为0过程，电流变化后（0电流下）的电池端电压，得到直流内阻Rn。

[0056] 对待测电池进行ICnA电流下的恒流充电，每充入实际容量的5-10%，充分静置l-5h,测量充分静置后的开路电压OCV ；

[0057] 对待测电池进行恒流充电，在停止充电瞬间，测试电池端电压的恢复过程；当端电压恢复速度小于10mV/180s时，测量此时的电池端电压，即为电池的开路电压0CV，并记录此时的电池剩余容量SOC ；[0058] 同理获得到整个容量区间内其他SOC点的OCV数值，从而绘制出整个容量区间内的OCV-SOC曲线。

[0059] 根据本发明所述的方法，步骤I)中，采用万用表测量充分静置后的端电压，即为开路电压OCV。

[0060] 根据本发明所述的方法，所述的电池为动力电池组。

[0061] 本发明方法主要用于电池（尤其是动力电池组）的容量测试，对比传统的全充全放测试方法，本发明提出的测试方法达到缩短电池容量时间、降低测试能耗的目的。 附图说明

[0062] 图I为极化电压SOC梯度的变化曲线；（a)不同初始电流建立的极化电压SOC梯度；(b)不同初始容量下的极化电压SOC梯度；(c)不同初始静置状态下极化电压SOC梯度(d)不同老化状态下的极化电压SOC梯度。

[0063] 图2为极化电压的SOC梯度特性曲线；(a)拐点时刻充电电流与极化电压的线性关系，（b)开路电压与SOC (OCV = f (SOC))。

[0064]图3为两阶梯电流变化下的极化特性曲线：其中（a)极化电压变化曲线，(b)电池端电压变化曲线。

[0065] 图4为估算算法流程图。

[0066] 图5为充电OCV-SOC曲线。

[0067] 图6为静止识别法原理图。

[0068] 图7为计算出电池的实际容量的图。

具体实施方式

[0069] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

[0070] 本发明提供一种电池容量的检测方法，基本原理如下：

[0071] 极化幅值拐点效应

[0072] 定义充电极化电压SOC梯度（即充电过程中极化电压随SOC的变化率）表达式为：

dV

[0073] L = ~L，

OSOC

[0074] 提取不同初始电流建立的极化电压测试的极化电压数值，计算得到极化电压SOC梯度的变化曲线参见图I。在时域范围内，不同初始电流、不同初始S0C、不同老化状态、不同初始静置时间条件下充电，同一时刻建立的极化电压幅值都不相同，然而极化电压的SOC梯度发生拐点的时刻对应的SOC数值几乎一致（约为3% )。而且当充入容量达到5%以后，极化电压的SOC梯度逐渐稳定且数值极小。通过上述分析可知，极化电压的SOC梯度具有拐点不变性。换言之，即使充电电流、初始容量、极化和SOC状态改变，极化电压随SOC的变化率始终存在拐点且拐点时刻的充入容量不变。

[0075] 初始极化状态和老化程度都是在初始充电过程中对极化电压叠加效应，不随SOC和电流变化而变化。[0076] 拐点时刻极化电压的幅值效应

[0077] 依据极化电压的SOC梯度特性，提取充入容量为3%时刻（即^; /&OC出现拐点）的极化电压数值Vpd参见图2。

[0078] 由图可知，在极化电压SOC梯度出现拐点时刻，极化电压的幅值表现出线性变化特性，数值与充电电流呈一次函数关系，同时利用OCV-SOC变化曲线可以获得电池的极化电压与此刻对应的S0C。

[0079] 本发明提供一种电池容量的检测方法，上述原理的应用方法如下：

[0080] 根据以上原理，在电池在充电过程中，用两个阶梯形式的充电电流对电池进行激励，根据极化电压的SOC梯度特性，则可知充电极化电压的SOC梯度必然存在拐点，且具有拐点一致性，同时在其他因素固定的前提下，充电极化电压拐点时刻的幅值与充电电流具有一次函数关系，即：

[0082] 定义等效阻抗RPs。。= K。由于不同电流建立的极化电压拐点幅值与Rps。。成正比关系，因此在SOC域范围内，等效阻抗RPs。。具有电阻特性。

[0083] 则在SOC1时刻用电流I1进行充电，拐点时刻对应的极化电压幅值为：

[0084] Vpdi = I1XRpsocl

[0085] 在SOC2时刻改变电流为12，再次发生拐点时刻对应的极化电压幅值为：

[0086] Vpd2 — I2X Rpsoc2

[0087] 在电池老化和初始极化状态一定的情况下，在10%〜70%范围内，相邻SOC点建立的极化电压幅值近似相等。因此，当SOC1 — SOC2情况下，即可忽略不同初始SOC对极化高频内阻的影响，认为Rpstrcl ^ Rpsoc2 = Rps。。，则SOC1时刻的高频等效内阻：

[0089] 利用极化电压的高频效应和SOC特性，可以在充电过程中利用两阶梯电流交替作用产生的极化电压拐点幅值变化求取极化电压在SOC域内的等效内阻RPs。。，进而求得拐点时刻的极化电压幅值（参见图3)。由图可知，在两阶梯充电电流脉冲作用下，极化电压必然出现拐点。如前所述，充电过程中端电压表达式为：

[0090]

[0091] 求导转化得到：

[0093]其中：

[0094] 表示电池端电压对SOC的变化率；

[0095] d0C^S0C)表示开路电压对S0c的变化率，呈现分段线性，且变化均匀（参见图

3)。

[0096] )表示直流内阻电压对soc的变化率；[0097]

表示极化高频等效内阻对SOC的变化率；

[0098] 由于内阻不变，当电流恒定或者阶跃变化时，则

呈现

线性特性，即：

[0099]

[0100] 则可认为： 、

[0101]

(c为常数）。

[0102] 由上述可推出，端电压梯度拐点与极化电压梯度拐点具有同步性。因此对不同电流作用下发生拐点时刻的端电压列写方程如下：

[0103]

[0104]其中，

[0105]

，可瞬时测量并计算获得。

[0106] A OCV ( A S0C)可通过开路电压与SOC (OCV = f (SOC))查表获得。

[0107] 在电流阶梯变化瞬时，电池端电压的变化（AVtj)是电池能量比电势的变化与电池能量过电势的变化之和，即：

[0108]

[0109] 即可得到此时刻动力电池组的SOC ：

[0110]

[0111] 根据充电容量A AH与SOC的定义可知：

[0112]

[0113] 因此，在充电过程中，只要选取两个SOC点采用两阶梯电流进行激励，即可通过两个SOC之间的积分容量（设备测量获得）与这两点SOC值（估算获得）对电池的总容量Ca进行估算，得到电池测试容量。由于充电容量AAH远小于电池的实际容量，因此充电时间较短，节省了测试过程的大量时间。

[0114] 本发明的电池容量检测方法的流程图参见图4，具体步骤如下：

[0115] I).获得充电OCV-SOC曲线和直流内阻Rn ；

[0116] 对待测电池进行ICnA电流下的充电，每充入实际容量的5%，充分静置2h，用万用表测试充分静置后的开路电压0CV(参见图5)。

[0117] 对待测电池进行恒流充电，在停止充电瞬间，测试电池的瞬时电压跌落和电池的恢复过程。

[0118] 综合考虑参数识别精度、静止时间和锂离子电池的24小时静止曲线，当端电压恢复速度小于10mV/180s则认为充分静止（参见图6)。可得到下式：

[0119] Rfi = (Vci-V1VI,即可得到直流内阻Rs2 ；[0120] 2).计算SOC变化率

[0121] 对电池进行I1电流下的恒流充电，通过采样系统获得此时的端电压、电流、Ah，并在此过程中计算电池端电压随SOC的变化率W，即：

(其中ASOC =7^x100). [0123] 3).记录特征端电压Vtll,剩余电量SOC/

[0124] 当电池端电压随SOC的变化率VV< d(0mV/%< d< 0. OlmV/% )时，记录此时电池剩余容量数值SOC/，用万用表测量此时的端电压Vtll ；

[0125] 4) •计算SOC变化率

[0126] 改变电流，对电池进行I2电流下的恒流充电，同2)在此过程中测量计算电池端电压随SOC的变化率VV ；

[0127] 5).记录特征端电压余电量SOC2’

[0128] 当电池端电压随SOC的变化率VV < d(0mV/%< d < 0. 01mV/% )时，记录此时的极化电压电池剩余容量数值SOC2 ’，端电压Vtl2 ；

[0129] 6).计算SOC变化率所对应的端电压变化率

[0130] 计算AS0C = S0(V -soc/，根据电池的端电压对应出近似SOC区间，查OCV-SOC曲线获得A SOC对应的端电压变化A focv_soc ( A S0C)；

[0131] I).计算极化等效内阻RPs。。

[0132]根据式~ ；-;

_

[0133] 8).计算剩余容量SOC1

[0134] 根据SOC = focv_soc^ (V0-IccX Rfi+IccX Rpsoc)，计算得到SOC/时刻动力电池组的准确剩余容量SOC1 ：

[0135] 9).继续充入一定容量

[0136] 10) •获得 SOC2

[0137] 同理重复I)〜8)计算得到充入容量AAh时刻后的动力电池组准确剩余容量SOC2 ；

[0138] 11).计算实际容量Ca

[0139] 根据充电容量A AH与SOC的定义表达式

计算出电池的实际容fiCA(参见图7)。

[0140] 对样本电池（锰酸锂电池，容量72Ah)实验数据参见下表。

[0141]

[0142] 取间隔20%的两个SOC点对电池进行两阶梯电流激励，可以对电池容量进行估算

可得电池容量为：

[0144] 由此得出上表。通过分析可知，电池的容量估算精度在2. 7%以内，则作为工程应

用即可以认为满足电池的容量测试需求。

[0145] 本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技

术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

[0146] 因此，本发明的目的在于提供一种电池容量快速检测方法，其可以快速识别电池容量。

[0147] 本申请的发明人进行了反复深入的研究，发现如下技术方案可以解决上述技术问题。