一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试方法、装置和系统

本发明涉及动力电池领域，特别是涉及一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试方法、装置和系统。

背景技术：

随着全球市场电动汽车商品化步伐的日益加快，对高功率和高能量动力电池需求迅速增加，对电池的性能要求越来越高。动力电池在使用一段时间后，动力性能都会发生劣化，因此动力电池的功率特性测试和评估就显得非常重要了。为保证电池基本性能水平、获得电池基本数据，相关的测试方法必不可少。

目前，在电动汽车、电动工具等领域动力电池的应用都是多个电池构成电池系统进行工作。电池系统由多个电池模块组成，电池模块又由多个电池单体组成。因此电池的一致性是描述动力电池系统性能的重要参数。

根据动力电池的电化学工作原理，当有不同的信号输入时，电池作为一种电化学体系，电池内部会产生电化学反应，反应的特征代表了电池的特性。可以在在很大程度上反映电池内部的多种特性参数，包括电池材料构成、电池的容量、功率特性、内阻、电池健康状态等。以不同的信号电流对电池进行激励，根据测量的电池电压的响应参数，分析计算所需要的动力电池性能参数。分析计算的方法可以采用自动控制领域的微分、积分、相关分析算法、梯度法等优化算法来确定电池的内部参数，达到测试电池性能的目的。

动力电池的功率特性是评估动力电池性能的重要指标，是描述电池寿命的重要参数，目前，应用广泛的功率特性的测试方法有很多，主流的几种包括：国内使用广泛的对电池进行大倍率的脉冲放电试验、日本的jevs试验和美国的hppc试验。采用大倍率的脉冲放电试验，用放电电流乘以放电电压，从而计算电池的功率特性，但该方法不能准确确定采用多大的电流放电才能更客观的反映电池实际功率水平，另外，这种方法可能会出现试验过程与实际应用不符合的情况；采用jevs法试验，可避免单一电流造成的结果偏差，但没有考虑高倍率充放电电流下电池功率特性变化；采用hppc试验，兼顾中低倍率和高倍率充放电电流下的电压响应特性，但采用某一电流表征电池功率特性能力会有单一电流造成的结果偏差问题。

由于功率特性测试需要在大电流情况下测试动力电池的功率性能，需要测试动力电池的输出电压，目前的测试方法结果会出现偏差，成为行业长期难以解决的技术难题。

动力电池是一个复杂的电化学系统，在使用一段时间后，都会发生劣化现象，目前电动汽车的国家标准定为5年或20万公里，运行中的动力电池是否能达到标准，质量较好的动力电池是否5年后还能继续使用，这些都是电动汽车行业和动力电池行业急需解决的重大技术问题。本发明为了解决现有技术中存在的问题，采用锯齿波激励测试锂动力电池的功率特性，为动力电池的梯次利用和回收拆解提供科学的测试数据。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试方法、装置和系统，应用于各种电池的梯次利用过程中功率特性测试评估，为动力电池的分选提供了有效依据，提高了电池的使用寿命，保证电池具有良好的一致性。

本发明第一方面提供了一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试方法，具体包括：

放电步骤，使待测电池以持续减小的脉冲电流放电，每个放电脉冲电流持续一定放电时间；

静置步骤，使待测电池静置；

充电步骤，使待测电池以持续增大的脉冲电流充电，每个放电脉冲电流持续一定放电时间，充电步骤的脉冲电流为放电步骤中的脉冲电流的倒序；

功率特性计算步骤，计算相同电流的放电情况和充电情况时的端电压差的变化量，并求所有所述变化量的平方的和，对所述平方的和开平方得到功率特性的值，该值越接近零，说明功率特性越好，反之，说明功率特性越差。

进一步的，放电步骤中每个脉冲电流持续的放电时间相同。

进一步的，充电步骤中每个脉冲电流持续的充电时间与放电步骤中相同脉冲电流持续的放电时间相同。

进一步的，所述静置步骤的持续时间与放电步骤中每个脉冲电流持续的放电时间相同。

进一步的，放电步骤进行前，待测电池的soc数值不低于10％。

进一步的，所述待测电池为单体电池或电池串并联组成的电池模块，待测电池的种类为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池或工作原理基于化学电源技术的其他电池。

进一步的，所述放电步骤中，相邻两脉冲电流的差相同。

进一步的，所述端电压差为在放电步骤中或充电步骤中，脉冲电流变化后一时刻的端电压和脉冲电流变化前一时刻的端电压的差值。

本发明第二方面提供了一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试装置，包括：

放电模块，使待测电池以持续减小的脉冲电流放电，每个放电脉冲电流持续一定放电时间；

静置步骤，使待测电池静置；

充电模块，使待测电池以持续增大的脉冲电流充电，每个放电脉冲电流持续一定放电时间，充电步骤的脉冲电流为放电步骤中的脉冲电流的倒序；

功率计算模块，计算相同电流的放电情况和充电情况时的端电压差的变化量，并求所有所述变化量的平方的和，对所述平方的和开平方得到功率特性的值，该值越接近零，说明功率特性越好，反之，说明功率特性越差。

本发明第三方面提供了一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试系统，包括电池包，包括处理器和存储器，所述处理器配置为经由执行可执行指令来执本发明所述的一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试方法；

所述存储器用以存储所述处理器的所述可执行指令。

进一步的，所述采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试系统还包括充放电源、电压采集装置和显示装置。

如上所述，本发明具有如下效果：

本发明的技术特征是采用锯齿波激励对动力电池模块进行功率特性测试，采用电池充放电源对电池模块进行瞬间大电流放电和充电，高速采集电池模块的端电压差，通过分析计算得到动力电池的端电压差的变化量，从而反应动力电池的功率特性。

1、采用锯齿波激励对动力电池模块进行功率特性测试，避免了单一电流造成的结果偏差，兼顾了中低倍率及高倍率充电或放电电流下的电压响应特性，提高了功率特性测试的准确性；

2、相比传统的电池功率特性测试方法，测试方式灵活，可以根据需要随时设定测试时间，可以几分钟内完成高精度的功率特性测试。

3、本发明的功率测试装置及系统的能量消耗小，不需要采用大功率恒流源对动力电池进行充放电操作，节省大量电能，达到节能减排的效果。

4、本发明的测试系统，可以全面体现电池内部参数及电池特性，保证动力电池功率性能测试评估的准确性。

附图说明

图1为本发明具体实施例动力电池功率特性测试方法流程图；

图2为本发明具体实施例的测试系统的结构原理图；

图3为本发明具体实施例的充放电电流特性曲线；

图4为本发明具体实施例的充放电电压特性曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例的一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试方法，具体包括如下步骤：

s1、放电步骤，使待测电池以持续减小的脉冲电流放电，每个脉冲电流持续的时间相同，并且相邻两脉冲电流的差相同。本实施例中，根据hppc复合脉冲实验标准手册中指定的测试电力大小设定放电步骤中的放电脉冲电流依次为8c、7c、6c、5c、4c、3c、2c和1c的倍率电流，即放电步骤中的电流依次为8800ma、7700ma、6600ma、5500ma、4400ma、3300ma、2200ma和1100ma，每个放点脉冲电流的放电时间为10s。

放电步骤进行前，确保电池的soc数值不低于10％，这样可以保证放电过程的充分进行，当电池soc数值在10-100％之间时，进行实验过程中，放电步骤和充电步骤都可以正常进行。

s2、静置步骤，使待测电池静置；静置步骤的持续时间与放电步骤中每个脉冲电流持续的时间相同，也为10s。

s3、充电步骤，使待测电池以持续增大的脉冲电流充电，充电步骤的脉冲电流为放电步骤中的脉冲电流的倒序，即充电步骤总充电脉冲电流依次为1c、2c、3c、4c、5c、6c、7c、8c的倍率电流，即充电步骤中的电流依次为1100ma、2200ma、3300ma、4400ma、5500ma、6600ma、7700ma和8800ma，充电步骤中每个脉冲电流持续的时间与放电步骤中每个脉冲电流持续时间相同，均为10s。

根据现有电池的功率特性可知，电池在接收充电的能力略小于放电的能力，接收充电的能力与放电能力的决定因素为电池的soc数值，当电池的soc数值越低，其接收充电的能力越强，soc数值越高，电池接受放电的鞥哪里越强，本实施例的测试过程采用先放电再充电的方式，在放电过程中，先以最大电流进行放电，然后逐渐减小放电脉冲电流使电池持续放电，充电过程中，先以小电流进行充电，然后逐渐增大充电脉冲电流使其逐渐充电，一方面可以避免突然的大电流充电使电池发生危险的问题；另一方面，当以大电流充电时，电池无法完全吸收能量，但在放电过程中，电池的却可以正常释放能量，这样不仅由于能量不能完全吸收造成浪费，还会出现充放电过程中能量吸收和释放存在不一致的数值较大，导致测量方法的测量误差增大。本实施例采充电过程中的电流逐渐增大，可以防止突然的大电流充电，有利于电池的安全性。

本实施例的放电过程和充电过程中采用的脉冲电流根据hppc复合脉冲实验标准手册设定，在实际测量过程中，可以根据不同的电池特性进行设计，但前提是要保证电池充电过程中，在保证电池安全性和能量吸收效率的情况下，充电电流要由小电流逐渐增加。

本实施例根据步骤s1至步骤s3，得到如图3和图4所示的充放电电流特性曲线和充放电电压特性曲线，由图3可见本实施例的具体的充电过程为：在t1时刻以8c的电流对待测电池进行放电，放电时间为10s；在t2时刻以7c的电流对待测电池进行放电，放电时间10s，在t3时刻以6c的电流对待测电池进行放电，放电时间10s，在t4时刻以5c的电流对待测电池进行放电，放电时间10s，在t5时刻以4c的电流对待测电池进行放电，放电时间10s，在t6时刻以3c的电流对待测电池进行放电，放电时间10s，在t7时刻以2c的电流对待测电池进行放电，放电时间10s，在t8时刻以1c的电流对待测电池进行放电，放电时间10s。

在t9时刻待测电池静置，静置时间10s，后进入充电过程。

所述充电过程包括：

在t10时刻以1c的电流对待测电池进行充电，充电时间10s，在t11时刻以2c电流对待测电池进行充电，充电时间10s，在t12时刻以3c的电流对待测电池进行充电，充电时间10s，在t13时刻以4c的电流对待测电池进行充电，充电时间10s，在t14时刻以5c的电流对待测电池进行充电，充电时间10s，在t15时刻以6c的电流对待测电池进行充电，充电时间10s，在t16时刻以7c的电流对待测电池进行充电，充电时间10s，在t17时刻以8c的电流对待测电池进行充电，充电时间10此时充电过程结束，进入步骤s4。

s4、功率特性计算步骤，计算相同电流的放电情况和充电情况时的端电压差的变化量，并求所有所述变化量的平方的和，对所述平方的和开平方得到功率特性的值，该值越接近零，说明功率特性越好，反之，说明功率特性越差，结合图4，具体功率特性计算过程包括：

s41，计算各放电电流变化时刻的端电压差，具体为：

在t1时刻以8c的电流对待测电池进行放电，放电时间为10s；在t2时刻切换至以7c的电流对待测电池进行放电，将待测电池在t2时刻的前一次电压采样值记为u1，待测电池在t2时刻的电压采样值记为u2，可得待测电池的从8c倍放电到7c倍电流放电时的端电压差△u1＝u2-u1。

在具体测量过程中，放电持续时间10s中内，通常会进行多次电压采集，因此会有该时间段内多个电压数值，为了使计算结果更为准确，所以，本实施例所述的“前一次”是指最后一组没有电流的电压的采样值，若采集到电压的同时可也采集到了电流，说明t2时刻已过，前一组只采集到电压没有电流的数据为有效电压数据，即为u1。

在t3时刻以6c的电流对待测电池进行放电，将待测电池在t3时刻的前一次电压采样值记为u3，待测电池在t3时刻的电压采样值记为u4，可得待测电池的从7c倍放电到6c倍电流放电时的端电压差△u2＝u4-u3。

在t4时刻以5c的电流对待测电池进行放电，将待测电池在t4时刻的前一次电压采样值记为u5，待测电池在t4时刻的电压采样值记为u6，可得待测电池的从6c倍放电到5c倍电流放电时的端电压差△u3＝u6-u5。

在t5时刻以4c的电流对待测电池进行放电，将待测电池在t5时刻的前一次电压采样值记为u7，待测电池在t5时刻的电压采样值记为u8，可得待测电池的从5c倍放电到4c倍电流放电时的端电压差△u4＝u8-u7。

在t6时刻以3c的电流对待测电池进行放电，将待测电池在t6时刻的前一次电压采样值记为u9，待测电池在t6时刻的电压采样值记为u10，可得待测电池的从4c倍放电到3c倍电流放电时的端电压差△u5＝u10-u9。

在t7时刻以2c的电流对待测电池进行放电，将待测电池在t7时刻的前一次电压采样值记为u11，待测电池在t7时刻的电压采样值记为u12，可得待测电池的从3c倍放电到2c倍电流放电时的端电压差△u6＝u12-u11。

在t8时刻以1c的电流对待测电池进行放电，将待测电池在t8时刻的前一次电压采样值记为u13，待测电池在t8时刻的电压采样值记为u14，可得待测电池的从2c倍放电到1c倍电流放电时的端电压差△u7＝u14-u13。

在t9时刻待测电池静置，静置时间10s，后进入充电过程。设待测电池在t9时刻的前一次电压采样值记为u15，待测电池在t9时刻的电压采样值记为u16，可得待测电池的从1c倍放电到静置时的端电压差△u8＝u16-u15。

s43，计算充电过程中充电电流变化时刻的端电压差；

在t10时刻以1c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t10时刻的前一次电压采样值记为u17，待测电池在t10时刻的电压采样值记为u18，可得待测电池的从静置到1c倍电流充电时的端电压差△u9＝u18-u17。

在t11时刻以2c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t11时刻的前一次电压采样值记为u19，待测电池在t11时刻的电压采样值记为u20，可得待测电池的从1c倍电流到2c倍电流充电时的端电压差△u10＝u20-u19。

在t12时刻以3c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t12时刻的前一次电压采样值记为u21，待测电池在t12时刻的电压采样值记为u22，可得待测电池的从2c倍电流到3c倍电流充电时的端电压差△u11＝u22-u21。

在t13时刻以4c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t13时刻的前一次电压采样值记为u23，待测电池在t13时刻的电压采样值记为u24，可得待测电池的从3c倍电流到4c倍电流充电时的端电压差△u12＝u24-u23。

在t14时刻以5c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t14时刻的前一次电压采样值记为u25，待测电池在t14时刻的电压采样值记为u26，可得待测电池的从4c倍电流到5c倍电流充电时的端电压差△u13＝u26-u25。

在t15时刻以6c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t15时刻的前一次电压采样值记为u27，待测电池在t15时刻的电压采样值记为u28，可得待测电池的从5c倍电流到6c倍电流充电时的端电压差△u14＝u28-u27。

在t16时刻以7c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t16时刻的前一次电压采样值记为u29，待测电池在t16时刻的电压采样值记为u30，可得待测电池的从6c倍电流到7c倍电流充电时的端电压差△u15＝u30-u29。

在t17时刻以8c的电流对待测电池进行充电，将待测电池在t17时刻的前一次电压采样值记为u31，待测电池在t17时刻的电压采样值记为u32，可得待测电池的从7c倍电流到8c倍电流充电时的端电压差△u16＝u32-u31。

s44，根据下式计算功率特性p；

p＝[(△u1-△u16)²+(△u2-△u15)²+(△u3-△u14)²+(△u4-△u13)²+(△u5-△u12)²+(△u6-△u11)²+(△u7-△u10)²+(△u8-△u9)²]^1/2。

一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试装置，包括：

放电模块，使待测电池以持续减小的脉冲电流放电；

静置步骤，使待测电池静置；

充电模块，使待测电池以持续增大的脉冲电流充电；充电步骤的脉冲电流为放电步骤中的脉冲电流的倒序；

功率计算模块，计算相同电流的放电情况和充电情况时的端电压差的变化量，并求所有所述变化量的平方的和得到功率特性的值，该值越接近零，说明功率特性越好，反之，说明功率特性越差。

如图2所示，本实施例的一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试系统，包括电池包100，充放电源200、电压采集装置、显示装置500、处理器300和存储器400，所述处理器配置为经由执行可执行指令来执行本实施例所述的一种采用锯齿波激励的锂动力电池功率特性测试方法；所述存储器用以存储所述处理器的所述可执行指令，在测试过程中，电池包100、充放电源200、单片机300、存储器400和显示系统500组成。待测电池是动力电池模块100，由单片机300控制电池充放电源200控制全部功率特性测试功能的实现

在测试过程中，单片机300发出控制信号使电池充放电源200对动力电池模块大电流放电，分别以不同倍率的放电电流i对动力电池模块进行放电，与此同时电池充放电源200采集动力电池模块100的端电压u。静置一定时间后，单片机300发出控制信号使电池充放电源200对动力电池模块大电流充电，分别以不同倍率的充电电流i对动力电池模块进行充电。与此同时电池充放电源200采集动力电池模块100的端电压u。

本实施例采用电池充放电源对电池模块进行瞬间大电流放电和充电，高速采集电池模块的端电压变化，通过分析计算得到动力电池的端电压变化，从而反应动力电池的功率特性。所述具体的电池包100为1865032v/1100mah磷酸铁锂电池模块，充放电源200可以是dc/dc电路、线性电源、开关电源等对电池模块进行充放电，本实施例采用国产ct2001b通用电池充放电测试仪；

处理器300可以是msp430单片机、51单片机、dsp、tms单片机、stm32单片机、pic单片机、avr单片机、stc单片机、freescale系列单片机等控制电池充放电源的充放电。单片机可以通过串口或总线的方式与充放电源连接，本实施例采用430单片机；

存储器400可以是sd、usb、e²rom等数据存储装置，本实施例采用usb存储方式的装置；

显示装置500可以是台式机、笔记本电脑、led液晶显示屏及um12864液晶显示屏等，用于显示电池模块的电压、电流、报警信号、放电时间、容量；

显示装置500与处理器300采用rs232、rs485、rs422串行通讯接口或以太网传输或者can总线传输连接。所述处理器300的输出分别与充放电电源200、存储器400、显示系统500相连；充放电电源200与电池包100相连；处理器300的输入与电池模块100输出相连。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。