專利名稱：電池測定方法和電池測定裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及適合在測定如鋰離子電池或類似物的各種二次電池中使用的電池測定方法和電池測定裝置。
在現有技術中，廣泛使用鎳鎬電池作為二次電池，但最近研制如鋰離子電池、鎳氫電池等的電池作為高性能電池，而且現在仍要進行此種電池的改進。在這種情況下，當研制或改進此種二次電池時，需要測定電池特性，該電池特性通過連接電池到測定裝置所獲得。
而且，在已知其特性的二次電池情況下，由于電池使用的結果，存在要知道電池現在狀態的情況。例如，當電池重復使用多次，存在其可充電容量降低情況。這樣，為了知道電池容量降低到何種程度，必須通過連接電池到測定裝置來測定如可充電容量或類似物這樣的特性。
順便說說，在現有電池測定裝置中，通過實際對電池充放電從電池電壓和充放電電流的變化測定連接的二次電池的特性，但是也存在由簡單地進行充放電電池不能正確測定電池的特性的情況。
也就是說，當開始充電時，例如需要判斷用于測定的連接電池是否是正負極端短路的所謂短路電池。在充電開始后電壓沒有立刻升到參考電壓的電池通常判斷成短路電池。然而，實際上，甚至由此方法判斷成短路電池的電池中，因為僅由于過放電或類似情況異常地降低了電池電壓，也存在依據一方法能恢復到正常電池的電池。所以說沒能正確測定此電池。
而且，由現有測定裝置難以檢測所謂微短路的現象，微短路是上述電池中內部短路狀態的一種。也就是說，因為侵入外來物質以及出現稱作枝晶的樹枝狀晶體，二次電池變成微短路狀態電池。對微短路電池，電池電壓一旦由正常充電升高到與滿充電電壓相應的電壓，但如果擱置此電池，它的電壓下降比擱置正常電池時出現的自放電導致的電壓下降更快。即使一般認為電壓下降比自放電快，然而，此類電池電壓的下降是花費幾天出現的現象。因此，通過把電池連接到現有測定裝置僅2或3小時是不可能檢測微短路電池。
在象鋰離子電池的二次電池的情況下，如果充電電池到它的滿充電，由監電池電壓和充電電流的普通充電器完成，并且當分別達到預定電壓和預定電流時，判斷電池充滿并停止充電。然而，由于上述原因，通過簡單判斷和控制充電時的電壓以及電流，雖然電池接近滿充電，但是電池未必控制在滿充電的正確狀態。所以為了使測定裝置正確測定電池特性，需要更精確的方法。
鑒于這些要點，本發明目的是正確進行電池測定。
根據本發明的第一方面，測定通過充電能重復使用的二次電池特性的電池測定方法包括在開始電池的預定第一充電操作后檢測電池電壓的步驟；如果檢測的電池電壓小于參考電壓，繼續與預定第一充電操作不同的第二充電操作的步驟；以及然后測定電池狀態的步驟。
根據本發明的第二方面，測定通過充電能重復使用的二次電池特性的電池測定方法包括因為停止電池的充電或放電，在第一預定時間周期已過之后進行第一電池電壓檢測的步驟；在第二預定時間周期已過之后完成第二電池電壓檢測的步驟；以及如果第一和第二檢測結果之間的差值不小于預定值，估計內部短路出現在電池中的步驟。
根據本發明的第三方面，測定通過充電能重復使用的二次電池特性的電池測定裝置包括在開始電池的預定第一充電操作后檢測電池電壓的裝置；如果檢測的電池電壓小于參考電壓，用于繼續與預定第一充電操作不同的第二充電操作的裝置；以及用于測定電池狀態的裝置。
圖1是根據本發明的一實施例表示測定裝置布置的方框圖；圖2是根據上述實施例表示短路電池的檢測方法的流程圖；圖3是表示直到電池完全充電時電池充電過程流程圖；圖4是根據此實施例表示直到電池完全充電時電池電壓變化例子的特性曲線；圖5是根據前面實施例表示檢測微短路電池的方法的流程圖；圖6是根據前面實施例表示當檢測微短路時電壓變化例子的特性曲線。
下面將參照
根據本發明一實施例的電池測定方法和電池測定裝置。
圖1是根據此例子表示電池測定裝置的整體構成的方框圖。
作為要測量物體的測定電池1(在此例子中使用鋰離子電池)裝在此電池測定裝置上，充放電電路2連接至加裝的測定電池1。基于后面將描述的控制單元5的控制，充電與放電電路2就能對電池1充電，并且同時能完成從電池1到充放電電路2的放電。這樣，本例子的充放電電路2設置有恒電壓電路和恒電流電路，因此，就能完成在對如鋰離子電池或類似物這樣的二次電池充電時所必須的恒電壓充電和恒電流充電。然后，電池電壓檢測電路3并聯到電池1，充電與放電電流檢測電路4連接到在充放電電路2和電池1之間的充電電流路徑(放電電流路徑)。再后，在每個檢測電路3，4中檢測的數據供給控制單元5，控制單元5是此電池測定裝置的系統控制器。
控制單元5是由計算機裝置組成，該計算機裝置連接至控制程序存儲單元6，控制程序存儲單元6由裝載有預定存儲介質(磁盤、光盤、磁光盤或類似物)的存儲裝置或如半導體存儲器和IC卡或類似物的固定存儲裝置構成。并且，基于在存儲單元6中存儲的控制程序，控制單元5通過充放電電路2，并判斷在電池電壓檢測電路3和充放電電流檢測電路4中的檢測狀態而控制充電和放電。在這種情況下，在控制單元5中設置有處理單元，處理單元完成設定由控制程序指示電壓值的參考電壓的處理以及比較此設定參考電壓與電池電壓檢測電路3中檢測的電池電壓的處理，并基于比較結果，對充放電或類似情況的控制將進行編程。而且，本例子的控制單元5具有計算時間通過的計時器功能。
而且，控制單元5連接至指示測定程序開始的鍵7以及顯示測定結果的顯示單元8。
接著，通過使用本例子的測定裝置將描述測定是二次電池(鋰離子電池)的此測定電池1的過程。依據控制單元5的控制執行此后描述的每個程序并且按照在控制程序存儲單元6中存儲的控制程序進行控制。
首先，參考圖2中的流程圖將描述通過完成此測定電池1的高速率充電進行測定的過程，高速率充電是用1C的相當大電流對此測定電池1充電(即，用能夠在約1小時內把電池充電到額定容量的電流充電)。在進行高速率充電時的情況下，開始初始充電程序(步驟101)。在此初始充電中，用來自充放電電路2的比較小電流(例如，電流在50mA至150mA的范圍內，優選約50mA)進行充電。在開始初始充電后，由電池電壓檢測電路3測量電池電壓(步驟102)。此時，判斷電池電壓是否高于參考電壓V1(步驟103)。參考電壓V1設定成一電壓值，該電壓值稍高于例如此時裝載的測定電池1的放電截止電壓。
然后，當在步驟103中檢測到電池電壓超過參考電壓V1時，控制單元5判斷能進行高速率充電，并設置充放電電路2在高速率充電模式以開始高速率充電(步驟105)。這里所提及的高速率充電是用幾乎1C的比較大電流充電(即，用在1小時內能夠把電池充電到約額定容量的充電電流充電)。
然后，在從步驟101開始初始充電的時間約1小時過去后在103中判斷電池電壓沒有超過參考電壓V1時，進行短時間(至少大于1秒，優選約1分鐘)約1C的高速率充電(步驟106)。接著，判斷通過短時間高速率充電，電池電壓是否超過參考電壓V1(步驟107)。這里，當電池電壓超過參考電壓V1時，程序移至步驟104以判斷電池是能以高速率充電的電池(即，判斷電池至少不是短路電池)并且移至步驟105中的高速率充電模式。
然后，在甚至通過步驟106的高速率充電，電池電壓仍沒有超過參考電壓V1的情況下，判斷此測定電池1是短路電池(步驟108)。這時，完成停止由充放電電路2的充電等，并用字母或類似物在顯示單元8上顯示測定電池是異常電池(短路電池)(步驟109)。
如上所述，甚至當在初始充電程序中電池電壓沒有達到預定值時，也能判斷測定電池是否是通過步驟106在短時間期間內能恢復到正常電池的電池，并判斷測定電池是否是在真正短路狀態的電池。
接著，參照圖3的流程圖將說明由這種程序判斷測定電池正常之后當高速率充電模式就位時停止高速率充電的程序。這里，當滿充電時具有8.4V電池電壓的鋰離子電池用作測定電池1，并且在高速率充電時作為來自充放電電路2的充電電壓，8.5V提供給電池1。
首先，當以高速率充電模式開始充電時(步驟111)，測量電池電壓(步驟112)并判斷電池電壓是否大于84V(步驟113)。在電池電壓不大于8.4V的情況下，重復進行在步驟112中的測量和在113中的判斷。然后，當根據步驟113的判斷確定電池電壓高于8.4V時，停止由充電與放電電路2的充電(步驟114)并且程序繼續到充電暫停模式(步驟115)。當充電暫停模式就位時，啟動在控制單元5中準備的計時器功能單元，并且程序等待從計時器功能單元的計數表示的充電暫停模式經過的預定時間(步驟116)。此后，測量電池電壓(步驟117)。至于電池電壓的測量，它是在沒有從充電與放電電路2中提供充電電流的狀態下測量，所以是測量電池1的開路電壓。
在測量電池1的開路電壓中判斷電池電壓是否大于8.4V(步驟118)。這里，如果電池電壓大于8.4V，程序回到步驟115中的充電暫停模式，并且在計時器功能單元計算的每個預定時間處進行電池電壓的測量。此后，如果在步驟118中判斷電池電壓不大于8.4V，恢復高速率充電(步驟119)。在恢復高速率充電后，程序返回步驟112，并在繼續高速率充電的同時進行電池電壓的測量。
然后，當在充電暫停模式后在步驟118中判斷電池電壓大于8.4V的情況持續預定次數(也就是說，電池電壓持續保持8.4V的情況)時，判定電池1充電到它的滿電壓，并結束以高速率充電模式的充電程序。
以此方式，因為充電過程以高速率充電模式進行，所以對電池1充電直至電池電壓正確地變成8.4V，8.4V是完全充電時的電壓，從而能夠由高速率充電把測定電池1正確地充電到它的滿充電并且正確測定如它的充電容量等。圖4是表示當根據圖3的流程圖進行高速率充電時電池電壓變化例子的曲線。當用設定成8.4V的充電電壓和設定成相應于1C的電流值的充電電流開始高速率充電時，電池電壓Va迅速升高并超過8.4V。此時變成充電電流供給中斷的暫停時間t0，電池電壓暫時升高到稍高于8.4V。然而，如果電池沒達到滿充電電池狀態，在預定時間過去后電池電壓降到低于8.4V。此時，通過程序從步驟118移至步驟119恢復充電，對電池充電直至電池電壓Va超過8.4V。
以這種方式進行的充電過程，一旦電池電壓達到8.4V后，間歇地重復短時間的高速率充電。電池電壓繞8.4V中心上下波動并且虛線表示的充電暫停時間t0逐漸變得更短，最后把電池充電到它的滿充電。因此，是電池滿充電時的電池電壓84V連續。
接著，參照圖5中的流程圖將說明檢測此測定電池1微短路的程序。首先，將描述使用如上所述滿充電(或達到一定容量)的測定電池1的微短路檢測程序。在這種情況下，由充電與放電電路2開始測定電池1的放電(步驟121)，并判斷電池電壓檢測電路3檢測的電池電壓是否變成接近放電截止電壓的預定電壓值V0(例如，該值稍高于放電截止電壓)(步驟122)，以及繼續放電直到電池電壓變成此預定電壓值V0。
然后，當測定電池1的電壓變成此預定電壓值V0時，程序在沒進行充電與放電的狀態下暫停第一時間間隔(例如，1小時)(步驟123)。在第一時間間隔結束后，進行電池電壓的測量(步驟124)，這里測量的電壓值稱做V2并存儲在控制單元5中。
然后，程序在沒有充電與放電的狀態下暫停第二時間間隔(例如，2小時)(步驟125)。然后，在第二時間間隔結束后，測量電池電壓(步驟126)，在此測量的電壓值稱做V3并存儲在控制單元5。
然后，在控制單元5中計算存儲的電壓值V2和V3之間的差值。具體地說，計算V2-V3(步驟127)。然后，判斷電壓差是否小于或不小于由控制程序預先設定的基準電壓差(步驟128)。這里，如果差值小于基準電壓差，測定電池1判斷成正常電池(步驟129)。如果需要的話，程序移至高速率充電模式并對測定電池充電直到它的滿電壓(或到預定容量)(步驟130)。
當在步驟128中判斷電壓差超過基準電壓差時，判斷此時的測定電池1是微短路電池(步驟131)并使顯示單元8用字母顯示此測定電池1是微短路出現的異常電池(步驟132)。
圖6是表示以此方式處理的電池電壓變化的一例子的曲線。對測定電壓放電直至它的電池電壓Vb達到預定V0，在電池電壓Vb達到預定電池電壓V0的時刻t1時停止由充電與放電電路2的放電。此外，如果沒有停止放電，電池電壓接近0V，如圖6虛線所示的那樣。
當在時刻t1停止放電時，電池電壓Vb從預定電壓V0稍微升高，并在此后由于電池的自放電隨著時間逐漸降低。這里，在從時刻t1處停止放電經過第一時間間隔ta(例如，1小時)后的時刻t2處，測量電池電壓V2。然后，在從測量電壓V2經過第二時間間隔tb(例如，2小時)后的時刻t3處，測量電池電壓V3。然后，通過測量其間的差值，測定電池判斷成沒有微短路的正常電池。
例如，在微短路電池的情況下，從時刻t2到時刻t3的電壓降低變成稍大于自放電的降低，象圖6中虛線所示特性V01那樣。V2-V3的電壓差超過基準電壓差，那么測定電池判斷成微短路出現的異常電池。能檢測微短路電池的原因是由于在放電截止電壓附近電池電壓降低，電壓值的降低顯得相對地大。例如，在幾乎滿充電的電池電壓的情況下，不能在此范圍的時間間隔內檢測微短路電池。
而且，在圖5的流程圖中從步驟121到步驟123的程序是當電池電壓大于放電截止電壓附近的預定電壓V0時的程序，但當電池電壓由于無法解釋的因素低于此電壓值V0時，建議象圖6的特性曲線中由兩點劃線表示的電壓VC那樣通過對電池充電使電池電壓升高到此電壓V0后再進行檢測微短路的程序。也就是說，如圖5的流程圖所示，在步驟141中開始充電后，判斷電池是否充電到放電截止電壓附近的電壓值V0(步驟142)，當電池電壓升到電壓值V0時，程序移至步驟123并移至使電池暫停第一時間間隔的程序。此后，根據上述圖5中的流程圖進行檢測微短路的程序。通過以此方式的程序，對具有極低電池電壓的測定電池能進行微短路的檢測程序。
在根據圖5的流程圖的檢測程序中，在檢測V2-V3的電壓差后依據此差值判斷是否有微短路出現的同時，也能例如通過把電壓值V3與基準值相比較來判斷是否有微短路出現，從停止充電與放電的時刻t0起經過3小時后測量電池電壓時獲得電壓值V3。
正如到此為止所述的，通過使用本例子的測定裝置來完成二次電池的測定，能正確檢測短路電池及微短路電池，也能在充電時精確地對二次電池充電直到滿充電。在本例子的情況下，因為依據在控制程序存儲單元6中存儲的控制程序來完成在控制單元6中進行的相應測定程序，所以僅通過使存儲在控制程序存儲單元6的控制程序變成相應程序，就能容易地使測定裝置構成測定動作，完成本例子的測定操作。例如，在控制程序存儲在磁盤中的情況下，僅通過用相應的盤代替磁盤就能解決此情況，因此現有測定裝置就能變成能夠容易進行本實施例動作的測定裝置。
而且，當經受測定的電池特性變化時，例如，當測定具有不同額定電壓和不同充電電流值的電池時，僅通過替換控制程序，在控制程序中基準電壓值或類似物設置成對應于電池，就能容易地解決要測定的電池種類的變化。
在上述實施例中，已描述了關于使用鋰離子電池作二次電池進行充電與放電的情況，當然，本發明也能應用于測定其它二次電池。
根據本發明電池測定方法，通過從對電池進行充電或停止電池的充電時的時間起經過預定時間后檢測和判斷電池電壓就能正確測定電池的狀態。
在這種情況下，通過對電池電壓低于參考電壓的電池高速率充電預定時間以及當電池電壓達到參考電壓時判斷電池是正常電池后繼續高速率充電，就能正確判斷短路電池，當電池不是短路電池時，進行由高速率充電時電池快速充電的程序。
而且，當通過充電，電池電壓達到參考電壓時或者當通過放電，電池電壓達到參考電壓時，停止充電或放電，并在從停止起經過預定時間后檢測電池電壓以及當電池電壓低于預定電壓時，通過判斷此電池是微短路出現的電池就能在短的時間間隔內判斷微短路。
而且，在判斷微短路的情況下，在從停止充電或放電起經過第一預定時間間隔后進行第一電池電壓檢測，以及從第一電池電壓檢測起經過第二預定時間間隔后進行第二電池電壓檢測，當首次檢測的電池電壓和第二次檢測的電池電壓之間的電壓差大于預定電壓時，通過判斷此電池是微短路出現的電池，通過判斷電壓差就能容易檢測電池的微短路。
當檢測到電池電壓通過持續高速率充電變得高于較接近滿充電狀態的參考電壓時，停止充電，在恢復充電前等待直到檢測的電池電壓低于較接近滿充電的參考電壓，能以滿充電的狀態對電池正確充電并正確測定電池的電壓容量等。
而且，根據本發明的電池測定裝置，通過經過預定時間間隔后檢測電池電壓和判斷電池電壓，就能獲得正確測定電池狀態的測定裝置。
在這種情況下，提供一參考電壓，用于在參考電壓提供裝置中設定與電池放電截止電壓相對應的電壓，當在比較裝置中判斷電池電壓降至低于放電截止電壓附近的預定參考電壓時，進行預定時間間隔的高速率充電。當在比較裝置中判斷電池電壓通過預定時間間隔的高速率充電而超過參考電壓時，執行繼續高速率充電的控制，然后正確判斷短路電池，當電池不是短路電池時，執行由高速率充電快速對電池充電的程序，并適當地做出初始充電狀態下的電池測定。
而且，至于在參考電壓設定裝置中要設定的參考電壓，提供在電池放電截止電壓附近的預定電壓，并且當在比較裝置中判斷電池電壓達到放電截止電壓附近的預定參考電壓時，停止充電或放電。在從停止充電或放電起經過預定時間間隔后檢測電池電壓，當檢測的電池電壓低于預定電壓時，通過判斷此電池是微短路出現的電池，在比較短的時間內正確進行微短路電池的檢測。
而且，在檢測微短路電池的時候，當確定從停止充電或放電起經過第一預定時間時，檢測電池電壓，以便當確定經過第二預定時間時檢測電池電壓。確定在電池的兩個檢測值之間的差值，如果差值大于預定電壓，判斷此電池是微短路出現的電池。那么，由電壓的差值能容易而正確地檢測微短路電池。
而且，至于在參考電壓設定裝置中要設定的參考電壓，提供在滿充電的電池電壓附近的預定電壓，當在比較裝置中通過比較檢測到電池電壓通過持續高速率充電變成高于參考電壓時，停止充電以等待。當檢測到電池電壓變成低于參考電壓時，執行恢復充電的控制，從而對電池充電直到電池被正確滿充電，獲得能夠正確測定充電容量或類似物的測定裝置。
已參照附圖描述了本發明的優選實施例，應當明白本發明不局限于上述實施例，本領域技術人員能作出各種變化和修改，而不脫離附加權利要求所限定的本發明精神或范圍。
權利要求
1.測定通過充電能重復使用的二次電池特性的電池測定方法，包括步驟在啟動所述電池的預定第一充電操作后，檢測電池電壓；如果檢測的電池電壓小于參考電壓，繼續第二充電操作，第二充電操作不同于所述預定第一充電操作；以及測定所述電池的狀態。
2.根據權利要求1的電池測定方法，其特征在于如果執行所述第二充電操作預定時間周期后電池電壓小于參考電壓，那么估計內部短路出現在所述電池內。
3.根據權利要求1的電池測定方法，其特征在于如果執行所述第二充電操作預定時間周期后電池電壓達到參考電壓，那么判定能繼續所述的第二充電操作。
4.根據權利要求3的電池測定方法，其特征在于如果測定內部短路出現，那么顯示所述電池是異常電池。
5.如權利要求1的電池測定方法，其特征在于所述第二充電操作是用比預定值大的電流值對電池充電的充電操作。
6.測定通過充電能重復使用的二次電池特性的電池測定方法，包括步驟從停止電池的充電或放電以后在第一預定時間周期經過后進行第一電池電壓檢測；在第二預定時間周期經過后進行第二電池電壓檢測；以及如果所述第一和第二檢測結果之間的差值超過預定值，那么判定內部短路出現在所述電池內。
7.根據權利要求6的電池測定方法，其特征在于如果判定內部短路出現，那么指示所述電池是異常電池。
8.根據權利要求6的電池測定方法，還包括步驟在繼續所述第二充電操作的同時，當檢測到電池電壓變得比近似于滿充電電壓的參考電壓高時停止所述第二充電操作；以及當檢測到電池電壓變得比近似于滿充電電壓的所述參考電壓低時又啟動所述第二充電操作。
9.測定通過充電能重復使用的二次電池特性的電池測定裝置，包括在啟動所述電池的預定第一充電操作后檢測電池電壓的裝置；如果檢測的電池電壓比參考電壓小，用于繼續與所述預定第一充電操作不同的第二充電操作的裝置；及用于測定所述電池狀態的裝置
10.根據權利要求9的電池測定裝置，其特征在于一裝置設置成如果在執行所述第二充電操作預定時間周期后電池電壓仍小于參考電壓，那么判定內部短路出現。
11.根據權利要求9的電池測定裝置，其特征在于一裝置設置成如果在執行所述第二充電操作預定時間周期后電池電壓達到參考電壓，那么判定將繼續所述第二充電操作。
12.根據權利要求11的電池測定裝置，其特征在于設置一顯示裝置，這樣，如果測定內部短路出現，那么在所述顯示裝置上顯示所述電池是異常電池。
13.根據權利要求9的電池測定裝置，其特征在于所速第二充電操作是用比預定值大的電流值對電池充電的充電操作。
14.測定通過充電能重復使用的二次電池特性的電池測定裝置，包括從停止電池的充電或放電起在第一預定時間周期經過后進行第一電池電壓檢測的裝置；在第二預定時間周期經過后進行第二電池電壓檢測的裝置；如果在所述第一和第二檢測結果之間的差值超過預定值，用于判定內部短路出現在所述電池內的裝置。
15.根據權利要求14的電池測定裝置，其特征在于設置一顯示裝置，這樣，如果判定內部短路出現，那么在所述顯示裝置上顯示所述電池是異常電池。
16.根據權利要求14的電池測定裝置，還包括在繼續所述第二充電操作的同時，當檢測到電池電壓變得比近似于滿充電電壓的參考電壓高時停止所述第二充電操作的裝置；以及當檢測到電池電壓變得比近似于滿充電電壓的所述參考電壓低時又啟動所述第二充電操作的裝置。
全文摘要
本發明的電池測定方法包括步驟:在開始電池的預定第一充電操作后檢測電池電壓;如果檢測的電池電壓小于參考電壓,繼續與預定第一充電操作不同的第二充電操作;以及測定電池狀態。而且,本發明的電池測定方法是一個測定通過充電能重復使用的二次電池特性的方法并包括步驟:從停止電池的充電或放電后在第一預定時間周期經過后進行第一電池電壓檢測;在第二預定時間周期經過后進行第二電池電壓檢測;以及如果第一和第二檢測結果之間的差值不小于預定值,那么判定內部短路出現在電池內。
文檔編號G01R31/36GK1174441SQ97117458
公開日1998年2月25日 申請日期1997年6月24日 優先權日1996年6月24日
發明者丈井敏孝, 永井民次, 鈴木邦治 申請人:索尼公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
