CN103149444B - 一种电芯内阻测量方法及电芯匹配方法 - Google Patents

一种电芯内阻测量方法及电芯匹配方法 Download PDF

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本发明提供了一种电芯内阻测量方法及电芯匹配方法，以在不损伤电池的情况下提高电芯内阻测试以及匹配的精度。该电芯内阻测量方法，包括：使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号；获取与所述多个交流刺激信号一一对应的多个响应信号；根据与每个所述频率对应的交流刺激信号和响应信号，计算所述待测电芯在每个所述频率下的内阻。本发明提高了内阻测试的准确性，并实现了对电芯内阻的精确配组。

Description

一种电芯内阻测量方法及电芯匹配方法
技术领域
本发明属于电子领域，特别涉及一种电芯内阻测量方法及电芯匹配方法。
背景技术
电芯内阻是衡量电芯性能的重要技术指标，其不仅可反映电芯的荷电状态(电量)及使用中的性能衰减情况，更是影响电芯充放电特性及效率的重要因素。在需要多节电芯串并组合使用的情况下(如笔记本电脑用电池组及动力汽车用电池组)，电芯的内阻将直接决定其分流及分压状况，当电芯之间的内阻偏差较大时(或在电池组使用过程中偏差逐渐变大时)，就会发生充放电时各电芯状态的不均衡，从而使某些电芯提前劣化，并最终导致整个电池组失效。为了避免这种不均衡的发生，在将多颗电芯组合成电池组时，需对其进行内阻测量及匹配，使同一电池组内电芯的内阻尽可能接近。目前广泛应用于电芯内阻测量的方法主要有两种：直流瞬间放电法及交流注入法。
直流瞬间放电法是使待测电芯在瞬间放出一个负载电流，同时测定电芯电压在放电前后的变化，通过欧姆定律得出电芯的内阻值，根据理论推算外接负载阻值与电芯内阻接近时，测得的结果误差最小，这就使得该负载电流很大(一般为电池额定容量的10倍以上)，如此大的电流一方面可能对电芯造成不可逆的损伤；另一方面因与电芯的日常使用状况差别较大，测得结果可能难以准确反映电芯在日常使用时的状况。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种电芯内阻测量方法及电芯匹配方法，在不损伤电池的情况下提高电芯内阻测试以及匹配的精度。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种电芯内阻测量方法，包括：
使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号；
获取与所述多个交流刺激信号一一对应的多个响应信号；
根据与每个所述频率对应的交流刺激信号和响应信号，计算所述待测电芯在每个所述频率下的内阻。
上述的电芯内阻测量方法，其中，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最大值超过第一预设门限，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最小值低于第二预设门限。
上述的电芯内阻测量方法，其中，还包括：
计算所有频率中的除最大频率之外的第一频率对应的第二阻抗；
其中，第一频率对应的第二阻抗为第一频率对应的内阻与本体阻抗的差值，所述本体阻抗为所有频率中的最大频率对应的内阻。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种电芯匹配方法，包括：
获取每个待测电芯在不同频率下的内阻；
依据待测电芯在不同频率下的内阻进行电芯匹配；
其中获取每个待测电芯在不同频率下的内阻的步骤具体包括：
使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号；
获取与所述多个交流刺激信号一一对应的多个响应信号；
根据与每个所述频率对应的交流刺激信号和响应信号，计算所述电芯在每个所述频率下的内阻。
上述的电芯匹配方法，其中，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最大值超过第一预设门限，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最小值低于第二预设门限。
上述的电芯匹配方法，其中，获取每个电芯在不同频率下的内阻的步骤还包括：
计算所有频率中的除最大频率之外的第一频率对应的第二阻抗；
其中，第一频率对应的第二阻抗为第一频率对应的内阻与本体阻抗的差值，所述本体阻抗为所有频率中的最大频率对应的内阻；
所述依据待测电芯在不同频率下的内阻进行电芯匹配的步骤中具体根据所述本体阻抗和第一频率对应的第二阻抗进行电芯匹配。
本发明实施例中，通过向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号，并获取与之对应的响应信号，在得到该刺激信号和响应信号后，根据欧姆定律计算所述待测电芯在每个所述频率下的内阻。由于本发明实施例使用的是交流刺激信号，因此不会导致很大的负载电流，不会对电池造成损伤。同时，本发明实施例中通过在不同频率下分别进行测试，可以得到与不同频率对应的内阻值，因此上述的内阻测试结果相对于单纯使用高频率交流刺激信号得到的测试结果相比，其不但考虑到了电芯的本体阻抗，还考虑到了不同频率下电化学反应时电荷传递的阻抗、电极与电解质界面形成的双电层电容以及化学反应发生时离子向特定电极扩散所受到的阻力等因素对内阻的影响，因此测试结果更加准确。
由于电芯内部电化学系统的复杂性(内阻等效电路由多个电化学器件组成)，电芯在不同频率下的内阻值是不同的，通过比较各电芯在不同频率下的内阻值，可间接对组成电芯内阻的各电化学器件阻值进行比较(如在高频段比较的是电芯的阻抗，在低频段可比较电芯的第二阻抗)，从而对电芯在实际使用中起作用的各等效电化学器件进行对比匹配，实现了对电芯内阻的精确配组。
附图说明
图1为本发明实施例的电芯内阻测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的电芯的等效电路示意图；
图3为本发明实施例中使用的阶跃频率信号示意图；
图4为本发明实施例的电芯匹配方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例中，通过使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号，并依据响应信号和刺激信号得到不同频率下的内阻，进而可以利用该不同频率下的内阻进行匹配，提高了匹配的精确度。
如图1所示，本发明实施例的电芯内阻测量方法包括：
步骤11，使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号；
步骤12，获取与所述多个交流刺激信号一一对应的多个响应信号；
步骤13，根据与每个所述频率对应的交流刺激信号和响应信号，计算所述待测电芯在每个所述频率下的内阻。
本发明实施例中，通过向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号，并获取与之对应的响应信号，在得到该刺激信号和响应信号后，根据欧姆定律计算所述待测电芯在每个所述频率下的内阻。由于本发明实施例使用的是交流刺激信号，因此不会导致很大的负载电流，不会对电池造成损伤。同时，本发明实施例中通过在不同频率下分别进行测试，可以得到与不同频率对应的内阻值，使得在电芯匹配阶段可以依据不同频率对应的内阻值进行匹配，也可以提高匹配的精度。
而同时，本发明实施例中以阶跃的几个频率段代替连续的频率域对电芯内阻进行测定，将电芯在高频下时测得的内阻值近似的看为电芯的本体阻抗(即电极、电解液、隔膜等总体形成的电阻)。并以测得的本体阻抗为基准，对比电芯在几个相对较低的频段测得的内阻值，并利用第二阻抗对频率的响应关系，实现对电容器件的分辨。
举例说明如下。
由于电芯内部化学、电化学反应的复杂性，在进行内阻测定时将其简单看成理想电源与纯电阻的串联电路是不准确的。电芯的实际等效电路既包含了电阻成分又包含了电容成分，并且两者之间存在着一定的串并联关系。电化学理论中经典的电芯内阻等效电路如图2所示。
其中R1代表电芯的本体阻抗(即电极、电解液、隔膜等总体形成的电阻)，R2代表电化学反应时电荷传递的阻抗(化学反应产生的阻力)，Q1代表电极与电解质界面形成的双电层电容，Q2代表反应发生时离子向特定电极扩散所受到的阻力。
考虑到电容在高频电流的作用下表现为短路的特性，因此利用本发明实施例子的方法，首先所述多个交流刺激信号对应的频率中的最大值超过第一预设门限(如1KHz)。
在上述高频交流信号的作用下，图2所示的电路中由于Q1和Q2的短路，即图2所示的电路简化为仅剩下R1的电路，此时即可依据刺激信号和响应信号以及欧姆定律计算所述待测电芯在高频率下的内阻。
当R1测定之后，此时可以降低刺激信号的频率继续测试。
当刺激信号的频率降低到一定程度(如低于第二预设门限，如100Hz或50Hz或10Hz等)之后，Q1和Q2不再表现为短路，此时，此时依然可以依据刺激信号和响应信号以及欧姆定律计算所述待测电芯在当前频率下的内阻。但由于此时Q1和Q2不再表现为短路，因此，当前频率下测试得到的内阻与高频率下的内阻的差值已经可以表现由于R2、Q1和Q2所带来的内阻变化。
则通过上述方法得到的内阻测试结果如下：
频率 内阻
f1(大于第一预设门限) R1
f2 R2
...... ...
fn Rn
上述的测试结果中，R1即代表电芯的本体阻抗，而R2、...、Rn与R1的差值即代表了由于R2、Q1和Q2在不同频率下带来的内阻变化。
因此上述的内阻测试结果相对于单纯使用高频率交流刺激信号得到的测试结果相比，其不但考虑到了电芯的本体阻抗，还考虑到了不同频率下电化学反应时电荷传递的阻抗、电极与电解质界面形成的双电层电容以及化学反应发生时离子向特定电极扩散所受到的阻力等因素对内阻的影响，因此测试结果更加准确。
上述的实施例中，仅仅以不同频率下对应的内阻作为测试结果，但为了使得测试结果更加直观，在本发明具体实施例中，还可以依据上述的测试数据得到与频率对应的第二阻抗，这种情况下，本发明实施例的电芯内阻测量方法，还包括：
计算所有频率中的除最大频率之外的第一频率对应的容抗；
其中，第一频率对应的第二阻抗为第一频率对应的内阻与本体阻抗的差值，所述本体阻抗为所有频率中的最大频率对应的内阻。
以下述的测试结果说明如下。
频率 内阻
f1(大于第一预设门限) R1
f2 R2
...... ...
fn Rn
则f1对应的第二阻抗为|R2-R1|，......，fn对应的第二阻抗为|Rn-R1|。
当然，上述的测试过程到底使用多少个频率可以根据实际需要来设置，如果需要比较准确的结果，则频率可以设置多一些，如图3所示，为其中一种频率分段情况。
结合图3所示，本发明实施例的方法在测试过程中，在第一个时间段使用1000Hz左右的频率的交流刺激信号来进行测试，得到代表电芯的本体阻抗的内阻，而在第2个时间段-第6个时间段，分别使用800Hz、600Hz、400Hz、200Hz、100Hz左右的频率的交流刺激信号来进行测试，这5个时间段内，由于频率远低于1000Hz，此时Q1和Q2不再表现为短路形式，因此这5个时间段内测得的内阻不但包含了电芯的本体阻抗，还包括了图2所示的R2、Q1和Q2所带来的内阻。
因此，本发明实施例的方法得到的内阻测试结果中不但体现了电芯在高频下的内阻，还包括了电芯在低频状况下的内阻，也就是说体现了内阻与频率的变化关系，因此相对比较准确。
当然，如果不要求太高的准确度，则本发明具体实施例的测试方法也可以仅使用图3中第2个时间段-第6个时间段中的刺激信号中的一部分即可。
本发明实施例中，在离散的多个频率段，通过交流注入法测量电芯内阻，可以得到电芯对不同频率的交流扰动的响应信号，进而可以根据欧姆定律得到电芯在一系列频率下的内阻值，最终得到的内阻测量结果不但考虑到了电芯的电阻因素带来的内阻，还考虑到了电芯中电容特征带来的内阻，因此测试结果更加准确。
同时，本发明实施例的方法仅在离散的多个频率段进行测试，因此其测试时间较短，可实现快速测量及反馈。
本发明实施例的电芯匹配方法，如图4所示，包括：
步骤41，获取每个待测电芯在不同频率下的内阻；
步骤42，依据待测电芯在不同频率下的内阻进行电芯匹配；
其中步骤41具体包括：
步骤411，使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号；
步骤412，获取与所述多个交流刺激信号一一对应的多个响应信号；
步骤413，根据与每个所述频率对应的交流刺激信号和响应信号，计算所述电芯在每个所述频率下的内阻。
下面对本发明实施例的上述匹配方法举例说明如下。
假定按照上述的步骤41得到的测试结果如下：
通过测试方法得到上述的N个电芯各自的测试结果之后，即可按照如下的流程进行匹配：
首先将频率f1对应的内阻的差值在预设差值范围(如Δ1)之内的电芯分为1组，此时可以依据频率f1对应的内阻将电芯匹配为多组，每一组电芯中，任意两个电芯的R1的差值在门限之内；
在根据频率f1对应的内阻进行第一次匹配之后，即可对第一次匹配后得到的每一个电芯分组进行进一步匹配，此时即可根据f2-fn对应的内阻中的一个或多个的差值进行第二次匹配。
由于电芯内部电化学系统的复杂性(内阻等效电路由多个电化学器件组成)，电芯在不同频率下的内阻值是不同的，通过比较各电芯在不同频率下的内阻值，可间接对组成电芯内阻的各电化学器件阻值进行比较(如在高频段比较的是电芯的阻抗，在低频段可比较电芯的第二阻抗)，从而对电芯在实际使用中起作用的各等效电化学器件进行对比匹配，实现对电芯内阻的精确配组。
当然，上述的电芯匹配方法，每一次测试电芯内阻所使用的多个交流刺激信号中，对应的频率中的最大值超过第一预设门限，以得到电芯的本体阻抗，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最小值低于第二预设门限，以充分体现R2、Q1和Q2对内阻的影响。
当然，上述直接使用电阻进行匹配，当然也可以根据阻抗的变化得到第二阻抗，并依据第二阻抗进行匹配，这种方式下，获取每个电芯在不同频率下的内阻的步骤还包括：
计算所有频率中的除最大频率之外的第一频率对应的第二阻抗；
其中，第一频率对应的第二阻抗为第一频率对应的内阻与本体阻抗的差值，所述本体阻抗为所有频率中的最大频率对应的内阻；
所述依据待测电芯在不同频率下的内阻进行电芯匹配的步骤中具体根据所述本体阻抗和第一频率对应的第二阻抗进行电芯匹配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电芯内阻测量方法，其特征在于，包括：
使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号；
获取与所述多个交流刺激信号一一对应的多个响应信号；
根据与每个所述频率对应的交流刺激信号和响应信号，计算所述待测电芯在每个所述频率下的内阻；
计算所有频率中的除最大频率之外的第一频率对应的第二阻抗，其中，第一频率对应的第二阻抗为第一频率对应的内阻与本体阻抗的差值，所述本体阻抗为所有频率中的最大频率对应的内阻。
2.根据权利要求1所述的电芯内阻测量方法，其特征在于，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最大值超过第一预设门限，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最小值低于第二预设门限。
3.一种电芯匹配方法，其特征在于，包括：
获取每个待测电芯在不同频率下的内阻；
依据待测电芯在不同频率下的内阻进行电芯匹配，包括：根据本体阻抗和第一频率对应的第二阻抗进行电芯匹配；
其中获取每个待测电芯在不同频率下的内阻的步骤具体包括：
使用交流源向待测电芯发送频率不同的多个交流刺激信号；
获取与所述多个交流刺激信号一一对应的多个响应信号；
根据与每个所述频率对应的交流刺激信号和响应信号，计算所述电芯在每个所述频率下的内阻；
计算所有频率中的除最大频率之外的第一频率对应的第二阻抗，其中，第一频率对应的第二阻抗为第一频率对应的内阻与本体阻抗的差值，所述本体阻抗为所有频率中的最大频率对应的内阻。
4.根据权利要求3所述的电芯匹配方法，其特征在于，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最大值超过第一预设门限，所述多个交流刺激信号对应的频率中的最小值低于第二预设门限。
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