本發(fā)明主要涉及鋰離子電池剩余電量的計量技術領域，尤其涉及一種鋰離子電池剩余電量的計量方法和裝置。

背景技術：

隨著智能手機、筆記本電腦等移動通訊產(chǎn)品的普及、電動交通工具的發(fā)展以及太陽能電池應用的需要，在更好的電池未出現(xiàn)以前，鋰離子電池作為一種高能二次電池，其獨特優(yōu)勢將會在很長一段時間得到廣泛應用。在很多應用中，都需要實時了解鋰離子電池剩余電量以估算電池的可用時間。

目前，已知的鋰離子電池剩余電量計量方法主要有電荷累積法和開路電壓法。電荷累積法是通過測量流入/流出電池的凈電荷來估算電池剩余容量。該方法對流入/流出電池的總電流進行時間積分，得到流入/流出的電量，電池初始電量±流入/流出電量＝剩余電量。電池初始電量可以預置，也可在完整的充放電周期中進行學習更新。這種計量方法依賴電池初始電量，存在累積誤差問題。

開路電壓法是通過監(jiān)視電池開路電壓來獲得剩余電量，這是因為電池端電壓和剩余電量之間有一個確定的對應關系。但該方法的局限是該對應關系需要在電池開路靜置相當長時間后才成立，只有這時通過測量電池空載時的開路電壓才能獲得相對準確的結果，但實際應用都需要在充放電過程中獲取剩余電量。因此這種方法不適合用來實時計量電池剩余電量。

實際應用中有將兩種方法進行改良或結合起來進行剩余電量評估的嘗試，包括通過各種算法來提高評估的精度。這些技術包括模糊邏輯、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡、遞歸、自我學習等。但是，這些基于電荷累積法和開路電壓法的評估，無法從根本上解決方法的固有缺陷，造成鋰離子電池剩余電量計量的精確性低、穩(wěn)定性差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種鋰離子電池剩余電量的計量方法和裝置，可以提高剩余電量的計量的精度和實時性。

本發(fā)明提出了一種鋰離子電池剩余電量的計量方法，包括以下步驟：使鋰離子電池在放電電流和放電時間下進行脈沖放電；獲得鋰離子電池未脈沖放電時和脈沖放電時的電壓差；以及根據(jù)上述的電壓差來獲取鋰離子電池的剩余電量。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，進行多次該脈沖放電且多次確定電壓差，并計算多個電壓差的平均值。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，多次該脈沖放電的放電時間相同。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，多次該脈沖放電的放電時間不同。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，多次該脈沖放電的放電電流相同。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，多次該脈沖放電的放電電流不同。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，根據(jù)該電壓差來獲取鋰離子電池的剩余電量的步驟包括：將該電壓差代入預先確定的電壓差與鋰離子電池的剩余電量的對應關系中，得到對應的鋰離子電池的剩余電量。

本發(fā)明提出一種鋰離子電池剩余電量的計量裝置，包括：可控的導電路徑，連接該鋰離子電池的正極和負極以對該鋰離子電池放電；電壓檢測器，連接該鋰離子電池的正極和負極以獲得鋰離子電池的脈沖放電時與未脈沖放電時的電壓差；控制單元，連接該導電路徑和該電壓檢測器，該控制器配置為使鋰離子電池在放電電流和放電時間下進行脈沖放電，且從該電壓檢測器獲得該電壓差；以及處理單元，連接該控制單元，根據(jù)該電壓差確定鋰離子電池的剩余電量。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該可控的導電路徑包括串聯(lián)的電流源和開關，該開關連接該控制單元。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該控制單元配置為進行多次該脈沖放電，該處理單元配置為多次確定該電壓差，并計算多個電壓差的平均值。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該控制單元和該處理單元是集成為一體。

本發(fā)明還提出一種鋰離子電池裝置，包括鋰離子電池，以及上述的鋰離子電池剩余電量的計量裝置。

本發(fā)明的上述技術方案對鋰離子電池兩端進行快速脈沖放電，此時鋰離子電池正極的電子由于隔膜聚集在正極側(cè)；同時從負極脫嵌的鋰離子由于較大遷移率暫時聚集在負極側(cè)。這樣在鋰離子電池內(nèi)部形成瞬間內(nèi)生電容，電容值C＝Q/V_c。其中Q為電容表面聚集的電荷；V_c為電容兩端電壓，也等于脈沖放電前后電池端的電壓差。在同等測試環(huán)境下，電容值C保持不變，因此差分電壓V_c和電容表面電荷Q成正比。在同等脈沖放電條件下，表面電荷Q的密度與負極鋰離子密度成一一對應關系，因此差分電壓V_c同負極鋰離子密度存在一一對應關系。這時微觀世界的負極鋰離子密度正指示著宏觀世界的電池剩余電量。由此通過脈沖放電-差分電壓檢測可以直接獲得鋰離子電池的剩余電量。

通過上述技術方案，本發(fā)明可以對鋰離子電池剩余電量進行直接測量，實時性高，而且結構簡單。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的鋰離子電池剩余電量的計量裝置電原理圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的包含計量裝置的鋰離子電池裝置結構圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的鋰離子電池剩余電量的計量方法流程圖。

具體實施方式

為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作詳細說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其它不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。

現(xiàn)有的鋰離子電池剩余電量計量方法的實質(zhì)是通過對電壓、電流等狀態(tài)量的測量值來進行間接估算，因此其計量精度有限。

本發(fā)明的實施例描述一種對鋰離子電池的剩余電量進行計量的方式，可以將鋰離子電池剩余電量作為一個物理量進行直接的測量。而且，這種方式能在鋰離子電池使用的各個階段進行實時測量。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的鋰離子電池剩余電量的計量裝置電原理圖。參考圖1所示，本實施例的計量裝置包括電流源101、開關102、電壓檢測器103、控制單元104和處理單元105，用以計量鋰離子電池120的剩余電量。在本實施例中，鋰離子電池120可以由一個或者多個電池單元(cell)組成。電流源101、開關102串聯(lián)連接在鋰離子電池120的正極和負極之間，以組成一個可控的導電路徑。在這一導電路徑中，電流源101提供放電電流，開關102可在信號的控制下閉合，在一段時間內(nèi)對鋰離子電池120進行放電?？梢岳斫?，可控的導電路徑可以有其他形式。電壓檢測器103能夠檢測鋰離子電池120的電壓，這體現(xiàn)為電池的正極和負極之間的電壓。

控制單元104一方面連接由電流源101、開關102組成的導電路徑，另一方面連接電壓檢測器103?？刂破?04配置為使鋰離子電池120在放電電流和放電時間下進行脈沖放電，且獲得鋰離子電池120的未脈沖放電時的第一電壓V₀和放電時的第二電壓V₁之間的電壓差。放電電流I取決于電流源101，放電時間t取決于開關104打開的時間，這兩個數(shù)值都可以對控制器104是已知的，也可以是未知的。電流源101可以是恒定電流源，也可以是可變的電流源。當使用可變電流源時，控制單元104可連接到電流源101以控制放電電流的大小。控制器104可以發(fā)送脈沖控制信號給開關102，以控制開關102打開的時間。脈沖控制信號中使開關102打開的電平(例如高電平)具有很小的占空比?？梢岳斫?，為了檢測剩余電量而進行的放電應盡可能小地改變電量，因此進行了時間較短的脈沖放電。當然，脈沖放電還考慮了鋰離子電池內(nèi)部的因素，這將在后文討論。放電時間t可以有很大的選擇范圍，從幾十納秒到幾百毫秒。通常來說，可將t控制在微秒級。

控制單元104連接電壓檢測器103，以便獲得未脈沖放電時電壓V₀和放電時電壓V₁之間的電壓差。電壓檢測器103可通過計算獲得差分電壓值，也可通過差分電壓檢測獲得差分電壓值。當差分電壓檢測獲得差分電壓值時，電壓檢測器103可以不必分別獲得未脈沖放電時電壓V₀和放電時電壓V₁，而是直接獲得電壓差。

處理單元105連接控制單元104，用來根據(jù)電壓差V_c確定鋰離子電池120的剩余電量。在一實施例中，控制單元104和處理單元105可以是集成為一體。例如控制單元104和處理單元105集成在同一芯片上。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施例的包含計量裝置的鋰離子電池裝置結構圖。參考圖2所示，鋰離子電池裝置包括鋰離子電池120。典型的鋰離子電池120包括正極121、負極122、電解液和隔膜123、正極電極124和負極電極125。當對電池進行充電時，正極121上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極122。負極122中有許多很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時，嵌在負極122中的鋰離子脫出，又運動回正極121?；卣龢O121的鋰離子越多，放電容量越高。

當計量裝置的開關102閉合產(chǎn)生脈沖放電時，電子無法穿透隔膜123而在正極121側(cè)積聚；負極122側(cè)脫嵌的鋰離子由于較大的遷移率，尚沒來得及穿透隔膜123而在負極122側(cè)聚集。這樣就在鋰離子電池內(nèi)部形成了一個瞬間內(nèi)生電容C，假設其電壓為V_c。未脈沖放電時，電壓檢測器103檢測電池端電壓V_B的值為V₀；脈沖放電時，由于瞬間內(nèi)生電容C上的電壓V_c的存在，電壓檢測器103檢測電池端電壓V_B的值V₁＝V₀-V_c。由此，通過獲得未脈沖放電時和脈沖放電時的電壓差V₀-V₁，可獲得電容C上的電壓V_c。在同等測試環(huán)境下，電容值C保持不變，因此電壓差V_c和電容表面電荷Q成正比。在同等脈沖放電條件下，表面電荷Q的密度與負極鋰離子密度成一一對應關系，因此電壓差V_c同負極鋰離子密度存在一一對應關系。而微觀的負極鋰離子數(shù)密度正指示著宏觀的電池剩余電量。由此通過電壓差V_c可以準確地表征鋰離子電池120的剩余電量。

在鋰離子電池120生產(chǎn)后，可以通過測試預先獲得電壓差V_c與鋰離子電池120的剩余電量之間的對應關系。這一對應關系可以通過表格或者擬合函數(shù)保存。在鋰離子電池120使用過程中，通過上述的裝置和方法得到電壓差后，可將電壓差代入預先確定的電壓差與鋰離子電池的剩余電量的對應關系中，得到對應的鋰離子電池120的剩余電量。

此外，考慮到單次脈沖放電和測量的不穩(wěn)定，控制單元104配置為可進行多次脈沖放電，處理單元105則配置為多次獲得電壓差，并計算多個電壓差的平均值作為最終結果。在各次脈沖放電中，放電時間可以相同，也可以不相同。同樣的，放電電流可以相同，也可以不相同。

如前所述，放電時間t可以控制在幾十納秒到幾百毫秒。當然這并非限制，放電時間t的選取，除了考慮對電池電量影響較小外，還考慮到需要足夠短以便使鋰離子由于較大的遷移率，尚沒來得及穿透隔膜123而暫時在負極122側(cè)聚集。

本實施例的剩余電量計量方式與已知方式相比有明顯的優(yōu)勢。首先，通過對差分電壓V_c的計量，可以對鋰離子電池剩余電量進行直接測量，這使得精確度明顯提升。根據(jù)試驗，這種計量方式可以將精確度從目前應用中的3％-8％提升到1％以內(nèi)。對鋰離子電池剩余電量計量來說這是非常不易的，而且意義重大，因為精確的剩余電量計量是電池管理系統(tǒng)的基礎，例如鋰離子電池的單體電池不一致性較大，需要在準確測量電量的情況下進行均衡。其次，本實施例的計量方式可以在鋰離子電池使用的各個階段(包括進行放電時)進行實時測量。再者，本實施例的計量方式，結構非常簡單，降低了裝置成本。

圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的鋰離子電池剩余電量的計量方法流程圖。參考圖3所示，歸納而言，本實施例的鋰離子電池剩余電量的計量方法，包括以下步驟：

在步驟301，使鋰離子電池在放電電流和放電時間下進行脈沖放電；

在步驟302，獲得鋰離子電池脈沖放電時和未脈沖放電時的電壓差；

在步驟303，根據(jù)該電壓差來獲取鋰離子電池的剩余電量。

本實施例的鋰離子電池剩余電量的計量方法可以在前文所描述的計量裝置中實施，然而也可以理解，本領域技術人員可以根據(jù)此計量方法的精神，在其他的計量裝置中實施。

雖然本發(fā)明已參照當前的具體實施例來描述，但是本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，在沒有脫離本發(fā)明精神的情況下還可作出各種等效的變化或替換，因此，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)對上述實施例的變化、變型都將落在本申請的權利要求書的范圍內(nèi)。