鋰電池容量的快速檢測方法
2023-06-21 11:14:36
專利名稱：：鋰電池容量的快速檢測方法
技術領域：
：本發明涉及一種鋰電池容量的檢測方法。技術背景評價電池的質量有多項技術指標，其中電池的容量是重要的技術指標之一。電池容量的大小將直接關係到電池在經過一次標準充電(QB/T2502—2000)後能夠使用的時間長短。以鋰離子電池為例；鋰(離子)電池無論是在生產過程中，還是在市場流通銷售過程中，人們都對電池的容量給予關注、檢測、監督。評價鋰離子電池容量的標準一般參照我國現行的兩個標準中的規定1、QB/T2502—2000鋰離子蓄電池總規範；2、GB/T18287—2000蜂窩電話鋰離子電池總規範。電池容量標準檢測的兩種方法如下1、0.2C5A電流放電容量測試，在環境溫度(20°C±5°C)的條件下，對電池以0.2C5A恆流充電至限制電壓後恆壓充電直至充電電流小於0.01C5A，放置時間不小於l小時，對電池以0.2C5A恆流放電直至終止電壓，其放電時間不少於5小時。2、1CsA電流放電容量測試，在環境溫度(2(TC土5。C)的條件下，對電池以lCsA恆流充電至限制電壓後恆壓充電直至充電電流小於或等於0.01C5A，最長時間不超過8小時，停止充電，電池放置不小於l小時後，以1C5A電流放電，放電時間不小於51分鐘。上述兩種對電池容量的檢測所需的時間都比較長，第一種測試方法需要的時間一般不少於8小時，第二種測試方法所需的測試時間最少不低於3小時。
發明內容本發明的目的在於提供一種測試時間短的鋰電池容量的快速檢測方法。為了實現上述目的，本發明的技術方案是鋰電池容量的快速檢測方法，其特徵在於:根據鋰電池容量的充、放電的曲線，對鋰電池容量的進行快速檢測。鋰電池容量的快速檢測方法，它包括如下步驟-1)、當需測量某一類鋰電池的容量時，取一批這類鋰電池製作1CsA標準方法測試鋰電池容量的充、放電的曲線示意圖其中，鋰電池的放電曲線分為三個階段，(1)、上拐點前曲線段，即tl放電時間段，(2)、直線段，即tx時間放電段，也叫平臺段，(3)、下拐點曲線段，即t3放電時間段；VI表示放電平臺起始電壓，tl表示進入平臺前放電時間，V2表示t2時間放電時刻電壓，t2表示5分鐘放電時間，V3表示放電平臺終止電壓，tx表示計算出的直線段放電時間，t3表示離開平臺後放電時間；!放電的時間T與放電電流I的乘積就等於電池的放電容量，容量單位用毫安時或安時表示；2)、通過對上述一批鋰電池進行測試後，採用概率統計的方法可以得到該批鋰電池的放電平臺起始電壓的平均值VI，、放電平臺終止電壓的平均值V3f和離開平臺後放電時間的平均值t3^具體方法是首先取一批鋰電池採用標準方法測試容量，測試過程中放電電壓的變化及相對應的時間每隔12秒被記錄一次；在一系列的記錄數據中首先查出各個鋰電池3.6V—3.5V的放電平臺的斜率，根據放電平臺斜率確定每一電池的放電平臺終止電壓V3、放電平臺起始電壓VI，測試出離開平臺後放電時間t3;然後取平均值，得該批鋰電池的放電平臺起始電壓的平均值V1"放電平臺終止電壓的平均值V3申和離開平臺後放電時間的平均值t3"作為這類鋰電池所有單個鋰電池的放電平臺起始電壓VI、放電平臺終止電壓V3和離開平臺後放電時間t3;3)、實際檢測出平臺前放電時間tl，確定放電平臺段斜率；將需要進行測試的鋰電池在1CsA電流的條件下進行恆流、恆壓充電，恆定電壓為4.20V，至充電電流為0.01C5A，此時認為鋰電池充電完畢；然後用lCsA電流進行放電，鋰電池在放電過程中當進入放電平臺段，即曲線的電平臺起始電壓V1時，記錄平臺前放電時間tl，其放電平臺起始電壓VI為已知的放電平臺起始電壓的平均值VI￥的值；繼續將電池放電5分鐘，從而得到放電過程中t2時間放電時刻電壓V2，由此可以計算出鋰電池放電平臺斜率a，見式(1)tga=Vl-V2/t2,(1)其中t2二5分鐘；4)、根據直線段的斜率'，計算出直線段放電時間tx;在步驟3)檢測中得到了直線段的斜率，而放電平臺終止電壓V3為已知的放電平臺終止電壓的平均值V3，的值，線段放電時間tx的放電時間可由式(2)計算tx=(Vl-V3)/tga(2)經過計算後得到了線段放電時間tx;平臺前放電時間tl是實際測試得到，根據計算得到直線段放電時間tx，離開平臺後放電時間t3是已知的離開平臺後放電時間的平均值t3平的值，從而得到鋰電池的總放電時間T，得到鋰電池的放電容量C，C=TXI=(tl+tx+t3)XI將式(1)，(2)代入後可得；C=[tl+(V1-V3/V1-V2)t2+t3]XI(3)。本發明採用上述方法，只需取所需檢測的某一類鋰電池的部分(即一批，一般取100隻)，測試出這一批鋰電池的放電平臺起始電壓V1、放電平臺終止電壓V3和離開平臺後放電時間t3，用概率統計方法得該批鋰電池的放電平臺起始電壓的平均值V1申、放電平臺終止電壓的平均值V3申和離開平臺後放電時間的平均值t3￥,作為這類鋰電池所有單個鋰電池的放電平臺起始電壓VI、放電平臺終止電壓V3和離開平臺後放電時間t3。當採用快速測量這一類鋰電池某一電池的容量時，實際測試得到V2，通過計算得到斜率(VI已知，概率統計方法得到V1)，再計算得到tx;tl是實際測試得到(到達V1時的時間，VI已知，概率統計方法得到V1)，從而得到了鋰電池的總放電時間T(tl+tx+t3)，最後得到鋰電池的放電容量C[見式(3)]。由圖1可知當採用快速方法測試電池容量時，由於概率統計方法預先己知該批電池的下拐點電壓V3和離開平臺後放電時間t3，因此對電池的測試只需要進行到t2時間段,測試結束。其時間大約是標準方法測試時間的1/4。圖1是正常情況下充、放電的曲線示意圖圖2是不同容量電池的放電曲線比較示意中Vl-放電平臺起始電壓；tl-進入平臺前放電時間(或稱上拐點放電時間)；V2-t2時間放電時刻電壓；t2-5分鐘放電時間；V3-放電平臺終止電壓；tX-直線段放電時間(或稱平臺放電時間)；t3-離開平臺後放電時間(或稱下拐點放電時間)。具體實施方式鋰電池容量的快速檢測方法，根據鋰電池容量的充、放電的曲線，對鋰電池容量的進行快速檢測。一、鋰電池容量的實質(以鋰離子電池為例)1、能量的轉換鋰離子電池的化學能與物理能之間的可逆轉換不同於鎳鎘、鎳氫電池，在電池的正、負極板上所發生的不是氧化還原反應，而是一種鋰離子濃差的變化。充電時，正極板上的鋰離子從正極脫嵌通過電解質、隔膜，嵌入到負極層狀結構的碳材料層間，負極處於富鋰態，正極處於貧鋰態。放電則是相反。當電池的正極材料是LiCo02，負極材料是層狀石墨時，鋰離子電池的充、放電的化學表達式為充電LiCo02+6CLil-x+Co02+LixC6放電由上式可見鋰離子電池能量的轉換實際上就是鋰離子在電池正、負極板之間的轉移。反應正向進行吸收能量，反向進行放出能量。2、電池容量電池在放電過程中活性物質能夠從負極層狀結構的碳材料層間脫嵌到正極板的量決定了電池的放電容量。在實際電池的生產過程中，電池的容量一般分標稱容量和實際容量。標稱容量是指製造商在電池出廠時確保電池容量的最低值，實際容量是指電池在規定的條件下的實際放電容量。電池製造商在設計、生產電池時除了根據正負極材料的理論容量配料外，還要考慮極片的厚度、電液的極化、水分的含量、極耳的接觸電阻、電池內部微短路等等影響電池容量的因數。電池做成後，必須要經過電池容量檢測才能夠確定電池的實際容量能否達到標稱容量。二、離子電池的充、放電特性1、充電特性鋰離子電池的充電過程一般要經歷兩個階段，由恆流充電階段轉為恆壓充電階段。按照GB18287—2000的標準恆流充電的電流設定在0.2C5A或1C5A。由於電池生產的源材料不同、電池巻饒成型尺寸不同和內阻的原因，在0.2CsA和1CsA的電流充電狀態下，電池恆流充電曲線的斜率是不同的。正常情況下充、放電的曲線示意圖見圖h2、放電特性鋰離子電池的放電曲線可以分為三個階段，從圖l上看1、上拐點前曲線段(tl放電時間段)，2、直線段(tx時間放電段，也叫平臺段)，3、下拐點曲線段(t3放電時間段)。當採用0.2CsA或1C5A的電流放電，總放電的時間(T)與放電電流的乘積就等於電池的放電容量，容量單位用毫安時(mAh)或安時(Ah)表示。一個電池做成後，用0.2CsA或lC5A電流放電測試電池充、放電特性，在一段時間內電池的放電曲線是一定的，重複性比較好。三、鋰離子電池容量的快速檢測1、快速檢測方法的提出電池容量的檢測目前都是按照GB18287—2000或QB/T2502—2000鋰離子蓄電池總規範的標準在0.2C5A或1C5A電流的條件下進行檢測。如果用0.2C5A電流檢測，測試一隻電池所需時間約6—8小時，用1CsA電流測試所需時間約3—4小時。因此電池生產廠家在電池的生產工藝過程中，必須配備大量的測試設備，佔用較大的廠房面積。同時為了保持測試環境的溫度，必須在測試環境安裝空調設備，上述的測試方法消耗的電量大。在整個電池的生產工藝過程中，電池容量的測試要花費較長的時間，同時是一項大的人力，物力的投資，能不能用一種快速的測試方法來代替傳統的測試方法呢？經過長期研究，結果是肯定的。2、根據電池充、放電曲線測試電池的容量電池在充、放電時，電壓隨時間變化有一個充、放電曲線。由於這種曲線關係在一定的條件下是一條重複性比較好的曲線，根據這一特點，研究出了一套電池容量快速測試的方法。由圖1可以看出在電池的放電曲線段分為三個階段上拐點前曲線段、直線段和下拐點曲線段。只要得到電池放電曲線段的總時間(T)，就可以得到該電池在一定放電電流I情況下的容量。1)、當需測量某一類鋰電池的容量時，取一批這類鋰電池製作1CsA標準方法測試鋰電池容量的充、放電的曲線示意圖其中，鋰電池的放電曲線分為三個階段，(1)、上拐點前曲線段，即tl放電時間段，(2)、直線段，即tx時間放電段，也叫平臺段，(3)、下拐點曲線段，即t3放電時間段；VI表示放電平臺起始電壓，tl表示進入平臺前放電時間，V2表示t2時間放電時刻電壓，t2表示5分鐘放電時間，V3表示放電平臺終止電壓，tx表示計算出的直線段放電時間，t3表示離開平臺後放電時間；總放電的時間T與放電電流I的乘積就等於電池的放電容量，容量單位用毫安時或安時表示；2)、通過對上述一批鋰電池進行測試後，採用概率統計的方法可以得到該批鋰電池的放電平臺起始電壓的平均值VI"放電平臺終止電壓的平均值V3申和離開平臺後放電時間的平均值t3，；具體方法是首先取一批鋰電池採用標準方法測試容量，測試過程中放電電壓的變化及相對應的時間每隔12秒被記錄一次；在一系列的記錄數據中首先查出各個鋰電池3.6V—3.5V的放電平臺的斜率，根據放電平臺斜率確定每一電池的放電平臺終止電壓V3、放電平臺起始電壓VI，測試出離開平臺後放電時間t3;然後取平均值，得該批鋰電池的放電平臺起始電壓的平均值VI"放電平臺終止電壓的平均值V3申和離開平臺後放電時間的平均值t3，，作為這類鋰電池所有單個鋰電池的放電平臺起始電壓VI、放電平臺終止電壓V3和離開平臺後放電時間t3;3)、實際檢測出平臺前放電時間tl，確定放電平臺段斜率；將需要進行測試的鋰電池在1C5A電流的條件下進行恆流、恆壓充電，恆定電壓為4.20V，(電池在充電過程中，當電池電壓達到4.0V時用1CsA電流放電200毫秒，得到電池瞬間放電壓降AV，稱為電池的放電能力。)至充電電流為0.01C5A，此時認為鋰電池充電完畢；然後用1C5A電流進行放電，鋰電池在放電過程中當進入放電平臺段，即曲線的電平臺起始電壓V1時，記錄平臺前放電時間tl，其放電平臺起始電壓V1為已知的放電平臺起始電壓的平均值VI￥的值；繼續將電池放電5分鐘，從而得到放電過程中t2時間放電時刻電壓V2，由此可以計算出鋰電池放電平臺斜率a，見式(1)tga=Vl-V2/t2，(1)其中t2-5分鐘；4)、根據直線段的斜率，計算出直線段放電時間tx;在步驟3)檢測中得到了直線段的斜率，而放電平臺終止電壓V3為已知的放電平臺終止電壓的平均值V3^的值，線段放電時間tx的放電時間可由式(2)計算tx=(VI-V3)/tga(2)經過計算後得到了線段放電時間tx;平臺前放電時間tl是實際測試得到，根據計算得到直線段放電時間tx，離開平臺後放電時間t3是已知的離開平臺後放電時間的平均值t3￥的值，從而得到鋰電池的總放電時間T，得到鋰電池的放電容量C，C=TXI=(tl+tx+t3)XI將式(1)，(2)代入後可得；O[tl+(VI-V3/V1-V2)t2+t3]XI(3)。3、VI￥、V3，和t3"可作為這類鋰電池所有單個鋰電池的放電平臺起始電壓V1、放電平臺終止電壓V3和離開平臺後放電時間t3的分析經過實驗證明，當一類電池生產的源材料、工藝、及外型尺寸確定後，放電平臺起始電壓V1、放電平臺終止電壓V3和離開平臺後放電時間t3值相對比較集中。因此電池放電曲線中上拐點的放電平臺起始電壓VI會分布在某一個範圍，設此範圍是Via—Vle,同理下放電平臺終止電壓V3和下離開平臺後放電時間t3也是一個範圍，設此範圍是V3a—V3e和t3a—t3e,在利用式(3)進行電池容量的快速測試時應該如何確定VI、V3、和t3;為了討論方便將放電曲線的平臺段假設為理想斜線，見圖2，在Vla—Vle範圍中，令Vla〉Vlb〉Vlc〉Vld〉Vle，在V3a—V3e和t3a—t3e範圍中，分別計算出平均值V3平和t3平。由圖2可知在V1的範圍內，當V1的取值越大，得到的計算平臺的斜率越大，放電容量偏小。反之平臺斜率越小，放電容量偏大。由此而影響到放電電壓到達V3時，tl+tx的時間段發生差異，如果將t3，代入式(3)中，可以發現放電平臺的斜率將直接影響放電的總時間T。在進行電池容量的快速測試時是這樣處理的；在運用式(3)時將V3y和t3，直接代入，在記錄的數據中取不同的Via—Vle將會得到5條不同的電池放電平臺的斜率，從而得到5個大小不同的電池放電容量。在最後確定該電池的放電容量值時如何從5個不同的容量中取值呢？知道電池的容量和電池的瞬時放電能力成正比例的，根據這一原理，利用放電能力測試的範圍值(在步驟2的3中己經進行)確定電池容量，完成電池容量的快速測試。在實際的運用中整個測試時間為15—20分鐘，測試誤差為1%。表1是部分對標稱容量800毫安時電池快速測試的記錄表格。表ltableseeoriginaldocumentpage7快速測試容量的誤差分析a、誤差的來源；標準測試中在利用式(3)計算時，V3和t3採用的是平均值，然後利用該值在容量已知的前提下反算符合己知容量的Vl-V2，實際上是在尋找符合已知容量的放電平臺的斜率。在快速電池容量測試時是利用標準測試得到的斜率的範圍來計算容量的，因此在這個範圍內選取放電平臺斜率如果選取發生誤差，就會帶來測試結果的誤差。b、誤差的大小在確定電池符合已知電池容量的平臺斜率時，取Via-V2a=AVa、Vlb-V2b:AVb、Vic-V2c=AVc、Vld-V2d=AVd、Vle_V2e=AVe;並且AVa、AVb、厶Vc、AVd、AVe成等差數列，差值=1，經過實驗證明當電池容量為1000毫安時，其計算容量基本成等差數列，差值=10毫安時。由此可知在計算電池容量時，根據電池的放電能力參數，AV的取值以AVc為中間值，限制在AVb、AVc、AVd之間，測試的誤差範圍土10毫安時。隨著電池容量的不同，誤差會發生變化，變化趨勢與容量基本成比例。c、誤差的處理；軟體上是這樣處理的，當測試的誤差範圍士10毫安時以內，認為結果有效，如果超出誤差允許值，軟體會將該電池的測試結果判為無效，電池進入標準測試。四、利用電池放電曲線快速測試電池容量方法的多樣化上述利用鋰電池的放電曲線快速測試電池的容量方法只是其中之一。利用鋰電池放電曲線快速測試電池的容量途徑是多樣的，下面將描述另外一種利用鋰電池放電曲線快速測試電池容量的方法；1、鋰電池放電的特徵數據獲取；首先通過標準測試方法得到鋰電池放電平臺終止電壓V3、離開平臺後放電時間t3和放電平臺斜率a。取某一類鋰電池的部分(即一批)電池，採用lCsA電流，標準方法測試電池的容量。按照電池的技術要求確定電池的充電限制電壓和放電終止電壓。在放電過程中，每隔12秒記錄一次時間和電壓。根據第一種方法中的概率統計法得到t3^V3￥，然後根據實際測試得到的電池容量由(3)式在放電記錄數據中尋找符合實際測試得到容量的tl、V1和V2。由式(1)式可知電池的放電斜率tga=Vl-V2/t2,通過對該批電池測試後，可以得到該批電池放電斜率分布的範圍。一般取4個值記錄下來作為快速測試時參數。2、利用特徵數據快速測試鋰電池的容量；在第一步驟操作完成後，計算機會自動記錄下該批電池的V3，、t3申和4個tgd。快速測試的方法是；電池在充電過程中，當電池電壓達到4.0V時用lCsA電流放電200毫秒，得到電池瞬間放電壓降AV，稱為電池的放電能力。充電完畢後，進入lCsA電流的標準放電，時間設定在20分鐘。放電階段每隔12秒鐘同樣記錄下放電時間和電壓。20分鐘完畢，利用3式以及該批電池的V3"T3^和4個tga可以得到4個快速測試的電池放電容量。3、鋰電池放電容量的最後確定；由於在第二步驟中得到了4個快速測試的電池放電容量，顯然是不能最後完成測試要求。因此在軟體處理中根據測試到的電池放電能力的參數來取捨相應的容量值。通過以上三個步驟同樣可以達到根據電池放電曲線達到快速測試電池的放電容量目的。權利要求1.鋰電池容量的快速檢測方法，其特徵在於根據鋰電池容量的充、放電的曲線，對鋰電池容量的進行快速檢測。2.根據權利要求l所述的鋰電池容量的快速檢測方法，其特徵在於它包括如下步驟-1)、當需測量某一類鋰電池的容量時，取一批這類鋰電池製作lCsA標準方法測試鋰電池容量的充、放電的曲線示意圖其中，鋰電池的放電曲線分為三個階段，(1)、上拐點前曲線段，即tl放電時間段，(2)、直線段，即tx時間放電段，也叫平臺段，(3)、下拐點曲線段，即t3放電時間段；VI表示放電平臺起始電壓，tl表示進入平臺前放電時間，V2表示t2時間放電時刻電壓，t2表示5分鐘放電時間，V3表示放電平臺終止電壓，tx表示計算出的直線段放電時間，t3表示離開平臺後放電時間；一總放電的時間T與放電電流I的乘積就等於電池的放電容量，容量單位用毫安時或安時表示；2)、通過對上述一批鋰電池進行測試後，採用概率統計的方法可以得到該批鋰電池的放電平臺起始電壓的平均值VI￥、放電平臺終止電壓的平均值V3，和離開平臺後放電時間的平均值t3^;該批鋰電池的放電平臺起始電壓的平均值V1，、放電平臺終止電壓的平均值V3平和離開平臺後放電時間的平均值t3￥，作為這類鋰電池所有單個鋰電池的放電平臺起始電壓VI、放電平臺終止電壓V3和離開平臺後放電時間t3;3)、實際檢測出平臺前放電時間tl，確定放電平臺段斜率；將需要進行測試的鋰電池在1C5A電流的條件下進行恆流、恆壓充電，恆定電壓為4.20V，至充電電流為O.OIUA，此時認為鋰電池充電完畢；然後用1CsA電流進行放電，鋰電池在放電過程中當進入放電平臺段，即曲線的電平臺起始電壓V1時，記錄平臺前放電時間tl，其放電平臺起始電壓VI為已知的放電平臺起始電壓的平均值V1，的值；繼續將電池放電5分鐘，從而得到放電過程中t2時間放電時刻電壓V2，由此可以計算出鋰電池放電平臺斜率a，見式(1)formulaseeoriginaldocumentpage2(1)其中12=5分鐘；4)、根據直線段的斜率，計算出直線段放電時間tx;在步驟3)檢測中得到了直線段的斜率，而放電平臺終止電壓V3為已知的放電平臺終止電壓的平均值V3，的值，線段放電時間tx的放電時間可由式(2)計算formulaseeoriginaldocumentpage2(2)經過計算後得到了線段放電時間tx;平臺前放電時間tl是實際測試得到，根據計算得到直線段放電時間tx，離開平臺後放電時間t3是已知的離開平臺後放電時間的平均值t3￥的值，從而得到鋰電池的總放電時間T，得到鋰電池的放電容量C，formulaseeoriginaldocumentpage2將式(1)，(2)代入後可得；formulaseeoriginaldocumentpage2全文摘要本發明涉及一種鋰電池容量的檢測方法。鋰電池容量的快速檢測方法，其特徵在於根據鋰電池容量的充、放電的曲線，對鋰電池容量的進行快速檢測。本發明具有測試時間短的特點。文檔編號G01R31/36GK101101323SQ20071005280公開日2008年1月9日申請日期2007年7月23日優先權日2007年7月23日發明者周漢文,浩林,祝詒沿申請人:周漢文;林浩;祝詒沿