CN103134987A - 一种基于电池电极热效应的电池内阻状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锂电池电极热效应的电池内阻状态检测方法，通过双温度传感器剔除电极周围环境温度的影响，经取样电阻实时检测负载电流的变化，根据锂电池工作过程中的电流-温度曲线分析电流-温度特征，由处理器处理后给出电池内阻状态和老化情况的评判，为电池管理系统提供实时的电池内阻参数，本发明测量过程简单、外接器件少、评判直接。

Description

一种基于电池电极热效应的电池内阻状态检测方法

技术领域

本发明属于电池检测领域，特别涉及一种基于电池电极热效应的电池内阻状态检测方法。

背景技术

电池管理系统(BMS)设计中，除了电池充放电电流、电池端电压等外特征参数以外，电池内阻也是衡量电池工作状态和使用寿命的重要参数。一般锂电池内阻主要由欧姆内阻和极化内阻组成，电池内阻的变化主要由欧姆内阻引起。在评估锂电池使用寿命和性能优劣时，通常采用欧姆内阻作为实际测量参数。经验表明，一旦电池内阻增加至高于其标称阻值25%时，电池供电能力已经显著下降；高于50%时，供电能力已经不可靠。因此，检测电池内阻状态是确保电池可靠工作的重要手段。

常规的电池内阻检测方法主要有直流放电法和交流注入法，其他还有密度法和开路电压法，后两种方法由于不太适合锂电池内阻测量，这里不做赘述。IEC896.2-1995、IEC61960-2003规定直流放电法是通过对电池进行2次大小不同的大电流放电，测量电池上的电压降，通过欧姆定律来计算电池内阻，一般适用于静态、离线的内阻测量，其大电流放电特性限制了该方法的使用；IEC61960-2003同时规定了交流注入法处理过程，通过在电池两端施加1kHz±0.1Hz的电流信号，对电池两端的电压响应及其相位差进行处理来计算电池内阻，该方法适用于在线测量，但需要额外的信号发生电路，测量过程复杂，不利于降低成本。专利申请CN1727909A通过电感放电检测蓄电池内阻，其过程类似于开路电压法；专利申请CN1818684A通过对比特定电阻和待测电池两端对特定电流的响应，计算电池内阻，方法属于交流注入法；专利申请CN102262184A通过采用双基准电阻校准，对交流注入法的抗干扰性进行改进；专利申请CN102216793A通过测量、复现负载电流、电压，经数据处理后实现电池内阻估计，方法复杂。

发明内容

本发明是针对锂电池工作状态检测中，常规内阻检测方法过于复杂、在线检测能力弱、干扰因素多、成本难以降低的问题，提出的一种基于锂电池电极热效应的电池内阻状态检测方法。

一种基于锂电池电极热效应的电池内阻状态检测方法，包括如下步骤：

步骤1、首先运行自检程序，完成内部基准电压值比对、温度校准参数初始化、电池内阻电加热等效散热系数K的初始化、变量的初始赋值，设定电池等效内阻为r；

步骤2、通过取样电阻采集电池充放电电流I，通过NTC热敏电阻采集电池电极温度T_P和环境温度T_E，判断电极温度、环境温度值是否稳定，且波动值小于±0.5℃,若温度、电流处于稳定状态，进入步骤3，否则返回步骤2；

步骤3、将第i次采样的数据T_P、T_E、I代入公式r＝K·(T_P-T_E)/I²中，其中，K为预设的电池内阻电加热等效散热系数，或代入公式

中，其中，为电池平均等效内阻，为电池电极温度的平均值、

为电池电流平方的平均值，计算得到第i次采样的等效内阻r[i]；若内阻采样次数i达到预设值N,则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、取等效内阻的平均值以此作为当前电池等效内阻的输出值。

本发明涉及一种锂电池工作状态的检测方法，特别涉及一种锂电池电极热效应式的内阻在线检测方法，通过双温度传感器剔除电极周围环境温度的影响，经取样电阻实时检测负载电流的变化，根据锂电池工作过程中的电流-温度曲线分析电流-温度特征，由处理器处理后给出电池内阻状态和老化情况的评判，为电池管理系统提供实时的电池内阻参数，本发明测量过程简单、外接器件少、评判直接。

附图说明

图1为本发明的工作流程示意图；

图2为本发明电极热效应式电池内阻状态检测装置结构图；

图3为本发明电极热效应式电池内阻状态检测装置电流辨向判断及放大电路图；

图4为本发明电极热效应式电池内阻状态检测装置电池测温传感器布局图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

如图2所示，本发明在硬件上由处理器单元(单片机)1、取样电阻2、电流辨向判断及放大电路3、电极温度传感器电路4、环境温度传感器电路5、内阻指示电路6、通信电路7、充电接口9、放电接口8组成。

图2是锂电池充电电流和放电电流的测量过程，通过运放3-1、运放3-2构成两个差动运放，分别放大取样电阻2两端的电压差、并抑制共模电压。当锂电池处于充电状态时，运放3-1输出与充电电流成比例的正电压供单片机1采集，此时运放3-2输出0电平；当锂电池处于放电状态时，运放3-2输出与放电电流成比例的正电压供单片机1采集，此时运放3-1输出0电平。对比运放3-1、运放3-2输出状态可以判断电池处于充电状态、放电状态还是无功率输出状态。

图3为热敏电阻采集温度时的布局图，电极温度传感器电路4中的NTC热敏电阻实际布置在锂电池正极A点，通过导热硅胶与电极紧密接触，负责采集锂电池电极温度，经电阻分压后输出温度信号给单片机1采集用；环境温度传感器电路5中的NTC热敏电阻实际布置在距离锂电池1cm处的开阔场合，负责采集电池周边环境温度，经电阻

分压后输出温度信号给单片机1采集用。

电池正常工作时，因充放电电流产生的电池等效内阻电加热功率为P＝I²r    （1)，

根据电加热原理，可知

P＝η(P₁+P₂+P₃+P₄+P₅)            (2)

其中，η为电加热效率、P₁为电池介质升温功率、P₂为电池电极材料升温功率、P₃为电池密封材料升温功率、P₄为电池电极材料表面热损失功率、P₅为电池密封材料表面热损失功率。

一般而言，

$P_1=\frac{m_1\·C_1\·(T_P-T_E)}{t}---\left(3\right)$

其中，m₁为电池介质质量，C₁为电池介质比热，t为加热时间，T_P为电池电极温度，T_E为电池周围环境温度；

$P_2=\frac{m_2\·C_2\·(T_P-T_E)}{t}---\left(4\right)$

其中，m₂为电池电极材料质量，C₂为电池电极材料比热，t为加热时间；

$P_3=\frac{m_3\·C_3\·(T_S-T_E)}{t}---\left(5\right)$

其中，m₃为电池密封材料质量，C₃为电池密封材料比热，t为加热时间，T_S为电池密封材料表面温度；

$P_4=\frac{k_1\·S_1\·{\mathrm{\λ}}_1\·(T_P-T_E)}{{\mathrm{\δ}}_1}---\left(6\right)$

其中，k₁为电池电极材料散热系数修正值，S₁为电池电极材料散热面积，λ₁为电极材料导热系数，δ₁为电池电极材料等效厚度；

$P_5=\frac{k_2\·S_2\·{\mathrm{\λ}}_2\·(T_S-T_E)}{{\mathrm{\δ}}_2}---\left(7\right)$

其中，k₂为电池密封材料散热系数修正值，S₂为密封材料散热面积，λ₂为密封材料导热系数，δ₂为密封材料等效厚度；

对于电池系统来讲，加热时间t也称为电池工作时间，此时间一般为几十分钟到几小时，且电池所用材料质量、热容数值均比较小，此时，

$\frac{m_1\&CenterDot;C_1}{t}<<T_P-T_E---\left(8\right)$

$\frac{m_2\&CenterDot;C_2}{t}<<T_P-T_E---\left(9\right)$

$\frac{m_a\&CenterDot;C_a}{t}<<T_S-T_E---\left(10\right)$

考虑公式(8)~(10)，电池热平衡后公式(2)可变形为

$P=\mathrm{\&eta;}[\frac{k_1\&CenterDot;S_1\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&delta;}}_1}\&CenterDot;(T_P-T_E)+\frac{k_2\&CenterDot;S_2\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_2}{{\mathrm{\&delta;}}_2}\&CenterDot;(T_S-T_E)]---\left(11\right)$

由电极热效应求取电池等效内阻，将公式(11)的系数变形为

P＝K₁·(T_P-T_E)+K₂·(T_S-T_E)(12)

其中， $K_1=\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;\frac{k_1\&CenterDot;S_1\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_1}{{\mathrm{\&delta;}}_1},$ $K_2=\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;\frac{k_2\&CenterDot;S_2\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_2}{{\mathrm{\&delta;}}_2},$

为求出电池等效内阻r，将公式(1)带入公式(12),则公式(12)变形为

$r=K_1\&CenterDot;\frac{T_P-T_E}{I^2}+K_2\&CenterDot;\frac{T_S-T_E}{I^2}---\left(13\right)$

设

公式(13)可变形为

$r=(K_1+{\mathrm{\&alpha;K}}_2)\&CenterDot;\frac{T_P-T_E}{I^2}---\left(14\right)$

电池工作时，电极温度和电池密封材料表面温度差最终一般不大，α≈1，设K＝K₁+αK₂，公式(14)可变形为

r＝K·(T_P-T_E)/I²(15)

其中，K为电池内阻电加热等效散热系数，通过试验可以标定其大小。

电池工作一段时间后，由于电加热原理和热平衡过程，电池电极温度和环境温度一般处于稳定状态，根据测量得到的稳定电极温度值T_P和环境温度T_E，经公式(15)运算后，就可以评估电池等效内阻r。

对于电池负载不断变化、电流处于波动的工作情况，公式(15)可变形为

$\stackrel{\&OverBar;}{r}=K\&CenterDot;(\stackrel{\&OverBar;}{T_P}-T_E)/\stackrel{\&OverBar;}{I^2}---\left(16\right)$

其中，

为电池平均等效内阻，

为电池电极温度的平均值、

为电池电流平方的平均值。

由于加热过程是一个较为缓慢的热传导过程，温度的测量具有较大的滞后性，所以温度采集以电池工作后温度稳定且波动值小于±0.5℃时的温度作为稳态温度使用，根据电流负载波动情况分别代入公式(15)或公式(16)中进行电池等效内阻求解，电流波动状态的判断根据试验情况由用户设定。

如图1所示，本发明一种基于锂电池电极热效应的电池内阻状态检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1、首先运行自检程序，完成内部基准电压值比对、温度校准参数初始化、电池内阻电加热等效散热系数K的初始化、变量的初始赋值，设定电池等效内阻为r；

步骤2、通过取样电阻采集电池充放电电流I，通过NTC热敏电阻采集电池电极温度T_P和环境温度T_E，判断电极温度、环境温度值是否稳定，且波动值小于±0.5℃,判断方法为每隔1分钟采样一次电极温度和环境温度外加一次放电电流，获得10个电极温度T_P[1]…T_P[10]和10个环境温度T_E[1]…T_E[10]，还有10个放电电流I[1]…I[10]，取平均值 $T_P={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{10}{T}_P\left[i\right]/10,$ $T_E={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{10}{T}_E\left[i\right]/10$ 和 $I={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^{10}I\left[i\right]/10,$ 得到标准差

如果电极温度和环境温度的一倍标准差

电流的标准差σ₁小于设定阈值，建议设置为2mA，则表示此时温度、电流处于稳定状态，进入步骤3，否则返回步骤2；

步骤3、将第i次采样的数据T_P、T_E、I代入公式r＝K·(T_P-T_E)/I²中，其中，K为预设的电池内阻电加热等效散热系数，或根据用户的电流历史数据判断后，代入公式

中，其中，

为电池平均等效内阻，为电池电极温度的平均值、

为电池电流平方的平均值，计算得到第i次采样的等效内阻r[i]；若内阻采样次数i达到预设值N,则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、取等效内阻的平均值

以此作为当前电池等效内阻的输出值进行档位比较后送LED指示。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于锂电池电极热效应的电池内阻状态检测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、首先运行自检程序，完成内部基准电压值比对、温度校准参数初始化、电池内阻电加热等效散热系数K的初始化、变量的初始赋值，设定电池等效内阻为r；

步骤2、通过取样电阻采集电池充放电电流I，通过NTC热敏电阻采集电池电极温度T_P和环境温度T_E，判断电极温度、环境温度值是否稳定，且波动值小于±0.5℃,若温度、电流处于稳定状态，进入步骤3，否则返回步骤2；

步骤3、将第i次采样的数据T_P、T_E、I代入公式r＝K·(T_P-T_E)/I²中，其中，K为预设的电池内阻电加热等效散热系数，或代入公式中，其中，

为电池平均等效内阻，

为电池电极温度的平均值、

为电池电流平方的平均值，计算得到第i次采样的等效内阻r[i]；若内阻采样次数i达到预设值N,则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4、取等效内阻的平均值

以此作为当前电池等效内阻的输出值。

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