CN103376361A - 电池直流电阻评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池直流电阻评价系统，其包括测量二次电池的交流阻抗的阻抗测量装置和直流电阻值解析装置，所述直流电阻值解析装置基于所述阻抗测量装置的测量结果、根据所述二次电池的等效电路计算出的电路常数、包含于电池直流电阻测量条件的电流值以及作为开路电压值的OCV，计算出所述二次电池的响应电压，并且基于所述响应电压和所述电池直流电阻测量条件，计算出所述二次电池的内部直流电阻值。按照上述系统，不使用大容量的电源就可以短时间且有效地测量电池的直流电阻。

Description

电池直流电阻评价系统

关联申请：本申请主张2012年4月24日向日本专利局提交的特愿2012-098622号的优先权。

技术领域

本发明涉及一种电池直流电阻评价系统。

背景技术

例如用于混合动力汽车的二次电池的性能评价指标之一是电池内部的直流电阻（DCR；Direct Current Resistance）。例如由“日本电动车辆协会标准JEVS D714混合动力汽车用密闭形镍、氢电池的直流电阻计算方法”（非专利文献1）规定并公布了这种DCR的具体试验方法。

图12是表示以往的DCR测量系统的一个例子的框图。如图12所示，在作为测量对象的电池1上连接有充放电装置2和电压电流测量装置3。充放电装置2向电池1施加充放电脉冲。电压电流测量装置3对充放电装置2进行驱动控制。此外，当施加充放电脉冲时，电压电流测量装置3测量电池1的电压和电流。电压电流测量装置3与DCR解析装置4连接。

当测量具有上述结构的电池1的DCR时，充放电装置2向电池1施加规定电平的充放电电流脉冲。例如当电池1的额定容量为20Ah时，向电池1施加具有图13所示的序列波形的充放电电流脉冲。例如图14所示，电压电流测量装置3测量相对于放电电流ΔI的电池1的响应电压ΔV，所述放电电流ΔI与施加的电流脉冲对应。并且，DCR解析装置4通过计算上述响应电压ΔV除以放电电流ΔI得到的数值，来计算出DCR（=ΔV/ΔI）。

图15是表示DCR解析装置4的具体构成例的框图。如图15所示，通过输入部41，将包含测量时刻点的DCR测量条件和响应电压输入DCR运算部42。DCR运算部42基于所述算式DCR（=ΔV/ΔI），计算出由DCR测量条件指定的各测量时刻点的DCR。在此，ΔV是响应电压的下降幅度，ΔI是电流脉冲的电平。

在上述以往的DCR测量系统中，向电池1施加比较大的充放电脉冲。因此，在电池1的输出中出现的摄动也变大。其结果，有可能产生以下问题。

1）为了在向电池1施加充放电脉冲之后使电池1恢复成稳定状态，需要设置长的休止时间。如果未设置休止时间，则难以确保测量的再现性。由此，当采用以往的DCR测量系统、例如在电池的生产线上进行DCR检查时，检查时间变得很长。因此，生产性变差。

2）根据测量的电池1的容量采用大容量的电源。当采用大容量的电源时，测量结果容易受到例如从上述设备产生的噪声的影响。因此，为了稳定地进行测量，例如需要实施噪声对策。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种不采用大容量的电源就可以短时间且有效地进行测量的电池直流电阻评价系统。

本发明的电池直流电阻评价系统用于测量二次电池的内部直流电阻，其包括：阻抗测量装置，测量所述二次电池的交流阻抗；以及直流电阻值解析装置，其中，所述直流电阻值解析装置基于所述阻抗测量装置的测量结果、根据所述二次电池的等效电路计算出的电路常数、包含于电池直流电阻测量条件的电流值以及作为开路电压值的OCV，计算出所述二次电池的响应电压，并且基于所述响应电压和所述电池直流电阻测量条件，计算出所述二次电池的内部直流电阻值。

所述直流电阻值解析装置可以利用SOC-OCV表，对所述响应电压进行修正，所述SOC-OCV表通过边改变作为所述二次电池的充电状态的SOC、边测量所述OCV制作而成。

所述直流电阻值解析装置可以利用边改变温度边测量出的所述OCV，对所述响应电压进行修正。

所述等效电路可以具有串联的多个CPE。

所述直流电阻值解析装置可以利用边改变温度边测量出的所述二次电池的交流阻抗，对所述电路常数进行修正。

按照本发明的电池直流电阻评价系统，不使用大容量的电源就可以短时间且有效地测量电池的直流电阻。

附图说明

图1是表示本发明一种实施方式的电池直流电阻评价系统的框图。

图2是用于说明图1所示的评价系统的动作的图。

图3是用于说明图1所示的评价系统的动作的图。

图4A和图4B是用于说明图1所示的评价系统的动作的图。

图5是用于说明图1所示的评价系统的动作的图。

图6是表示本发明另一种实施方式的电池直流电阻评价系统的框图。

图7是用于说明图6所示的评价系统的动作的图。

图8A～图8E是用于说明图6所示的评价系统的动作的图。

图9是用于说明图6所示的评价系统的动作的图。

图10是用于说明图6所示的评价系统的动作的图。

图11A和图11B是表示本发明又一种实施方式的电池直流电阻评价系统的框图。

图12是表示以往的DCR测量系统的一个例子的框图。

图13是DCR测量时的充放电电流脉冲的序列波形的一个例子的图。

图14是DCR测量时的电压、电流的波形例的图。

图15是表示以往的DCR解析装置的具体构成例的框图。

具体实施方式

在下面的详细说明中，出于说明的目的，为了提供对所公开的实施方式的彻底的理解，提出了许多具体的细节。然而，显然可以在没有这些具体细节的前提下实施一个或更多的实施方式。在其它的情况下，为了简化制图，示意性地示出了公知的结构和装置。

下面，利用附图对本发明的一种实施方式进行详细说明。图1是表示本发明一种实施方式的电池直流电阻评价系统（本系统）的构成的框图。

如图1所示，本系统用于评价电池1的电气特性。本系统具有：DCR解析装置4、交流电源5和阻抗测量装置6。作为测量对象的电池1与交流电源5和阻抗测量装置6连接。

图1的本系统和图12的评价系统的不同点之一是本系统具有阻抗测量装置6，从而代替图12的评价系统的电压电流测量装置3。上述阻抗测量装置6测量作为电池1的电气特性的阻抗。将测量数据（阻抗数据）输入DCR解析装置4。

图2是表示图1中使用的DCR解析装置4的具体构成例的框图。如图2所示，DCR解析装置4具有：输入部44、SOC运算部45、电路常数运算部46、SOC-OCV运算部47、响应电压运算部48、DCR运算部42和输出部43。在DCR解析装置4中，阻抗数据、等效电路的数据、SOC-OCV表的数据和DCR测量条件的数据通过输入部44输出给各部。

电池直流电阻测量条件（DCR测量条件）包含向电池1施加的充放电脉冲的电流值（脉冲高度）和充放电脉冲的产生时间。SOC运算部45根据规定为DCR测量条件的充放电脉冲高度和脉冲产生时间，来计算电池1的充放电量。由此，计算出电池1的充电状态SOC（State of Charge）值。并且，将运算结果输出到SOC-OCV运算部47。SOC值的详细计算方法另行说明。

电路常数运算部46利用由阻抗测量装置6测量出的阻抗数据，来计算等效电路的最优电路常数。电路常数的详细计算方法另行说明。

SOC-OCV运算部47基于SOC-OCV表，来计算与SOC值对应的开路电压OCV（Open circuit voltage）值。OCV值的详细计算方法另行说明。

响应电压运算部48计算通过向电池1施加电流脉冲而得到的响应电压。具体地说，响应电压是与等效电路、电路常数、DCR测量条件和OCV值对应的值。根据向电池1的内部阻抗施加电流脉冲时产生的电压变化与内部电动势之和，计算出响应电压。响应电压的详细计算方法另行说明。

向DCR运算部42输入包含测量时刻点的DCR测量条件和响应电压。DCR运算部42基于运算式DCR（=ΔV/ΔI），计算出由DCR测量条件指定的各测量时刻点的DCR。在此，ΔV是响应电压的下降幅度，ΔI是电流脉冲的电平。

在详细说明上述计算方法之前，先对各数据进行说明。

图3是表示由阻抗测量装置6测量出的电池1的阻抗数据的一个例子的图。特性曲线CHa表示阻抗的测量结果。特性曲线CHb表示相位的测量结果。

图4A和图4B是等效电路的说明图。图4A是表示具体的等效电路例子的图。图4B是表示图4A所示的电路的各元件的具体电路常数的一个例子的列表。

图5是表示SOC-OCV表的具体例的图。通过如下方式制作上述表：边使电池1的SOC值在0～100%的范围内依次改变10%，边测量OCV值。

利用SOC运算部45并基于规定的DCR测量条件，计算出SOC值。SOC值是每个测量时间计算出的值。

由SOC-OCV运算部47计算出OCV值。OCV值是各测量时间的开路电压值。

由响应电压运算部48计算出响应电压。

对电池1的电气特性进行说明。

计算出作为OCV值的电池1的电动势。

电池1的内部阻抗与一个或多个电路元件的电路常数对应。由电路常数运算部46计算出各元件的电路常数。

[响应电压的计算]

如图6的等效电路所示，由以下的E1与E2之和表示电池1产生的响应电压E0。

a）内部电动势；E1

b）由内部阻抗引起的电压变化；E2

电动势的电压E1不依存于电流的施加状态。但是，电压E1因SOC而变化。一般来说，公知的是放电时电池的端子间电压下降。这种电压下降的原因在于内部阻抗、而不在于电流的施加状态。因此，通过测量电池1的OCV，可以确定电动势的电压E1。

内部阻抗由电池1的材质和构造确定。在向电池1施加电流时产生电压（与电动势相同方向的电压），电池1放电时，产生与电动势的电压相反方向的电压。即使是具有同一规格的电池，内部阻抗也存在个体差异。上述个体差异表现为DCR检查结果的差。

在本系统中，将电池1的电动势（图6的E1）与向电池1的内部阻抗施加电流时产生的电压变化（图6的E2）之和作为响应电压E0。

[由内部阻抗引起的电压变化]

计算出与时间t的电流（电流脉冲）X（t）对应的响应电压e（t）。

在本系统中，使用包含串联的电阻和多个RC并联电路的电路来对电池1的内部阻抗进行近似。即，电池1的内部阻抗是电阻与各RC并联电路的阻抗之和。

另一方面，内部阻抗的电压e（t）是各阻抗的电压之和。

例如，由以下的公式求出图7所示的串联电路的电压之和。

e（t）=e_A（t）+e_B（t）+e_C（t）

例如通过对复数区域s的电压E_A（s）进行拉普拉斯逆变换，求出e_A（t）。

其中，s=jω（ω是角频率）。

例如由以下公式求出E_A（s）。

E_A（s）=Z_A（s）×I（s）

Z_A（s）：s区域的阻抗

I（s）：s区域的电流

[电路常数的计算]

通过测量电池1的阻抗以及使用其数据使电路中的电路常数最优化，求出用于对内部阻抗进行近似的电路。

最优电路常数是使y-f（x）的平方和最小的电路常数x。利用最小平方法来求出电路常数x。在此，使阻抗数据为y，使阻抗的计算式为函数f（x）。在解法的算法中，例如可以使用高斯牛顿法或列文伯格-马夸尔特（Levenberg-Marquardt）法。

[s区域的电流]

在DCR评价中，向电池1施加的电流X（t）如图8A～图8E所示，是以时间为变量的充放电电流的阶跃函数X_k（t）之和。

X(t)＝ΣX_k(t)

并且，内部阻抗的电压e（t）是由各阶跃函数产生的响应电压e_k（t）之和。

e(t)＝Σe_k(t)

拉普拉斯变换具有线性。因此，可以通过在s区域求出由各阶跃函数产生的响应电压并进行累计，求出电压e（t）。

e(t)＝Σe_k(t)_＝Σ{L^-1[Z(s)×ΣI_k(s)]}

通过在时间区域对电流进行拉普拉斯变换来求出I_k（s）。例如，t=0时仅ΔI_k变化的电流利用阶跃函数表示为如下方式。

0：t＜0

ΔI_k：t≥0

通过使用单位阶跃函数u（t），表示为如下方式。

ΔI_k×u（t）

即，以下公式成立。

I_k（s）=L[ΔI_k×u（t）]=ΔI_k/s

图9是表示DCR测量的充放电电流和SOC变化之间关系的例子的图。在图9中，实线表示电流脉冲，虚线表示SOC。

[电阻的电压]

当电阻的电阻值为r时，由以下公式求出电阻的电压e_r（t）。

e_r（t）=r×X（t）

[RC电路的电压]

RC电路的阻抗为Z_rc（s）时，RC电路的电压e_rc（t）如下。

e_rc(t)＝Σe_rck(t)＝Z_rc(s)×ΣI_k(s)

当I_k（s）是在t=t_k时ΔI_k变化的电流的阶跃函数的情况下，以如下方式求出其响应电压Y_rck（T）。其中，T=t-t_k。

由于RC电路的阻抗Z_rc（s）是电阻R和具有静电容量C的RC并联电路的阻抗，所以能够以如下方式求出。

$Z_{\mathrm{rc}}\left(s\right)=\frac{R}{1+\mathrm{Rj\ωC}}=\frac{\frac{1}{C}}{S+\frac{1}{\mathrm{RC}}}$

此时，如果α=1/C、β=-1/RC，则Z(s）=α/（s-β）。由此，E_rck（s）表示为如下方式。

$E_{\mathrm{rck}}\left(s\right)=Z_{\mathrm{rc}}\left(s\right)\×I_k\left(s\right)=\{-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}\}\left\{\frac{-\mathrm{\β}}{\left\{s(s-\mathrm{\β})\right\}}\right\}{\mathrm{\ΔI}}_k$

$\frac{\mathrm{\β}}{s(s+\mathrm{\β})}$

根据拉普拉斯逆变换，而成为：

(1-e^(-βt))

由此，Y_rck（T）表示为以下公式。

$Y_{\mathrm{rck}}\left(T\right)=L^{-1}\left[E_{\mathrm{rck}}\left(s\right)\right]=(-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}})(1-e^{\mathrm{\βt}})\mathrm{\ΔI}$

[内部电动势]

图6所示的电池1的内部电动势（电压E1）由OCV值确定。通过以下的步骤，计算出上述OCV值。

1）计算由DCR充放电脉冲引起的SOC的变化。

2）计算由SOC的变化产生的OCV值。

[SOC计算]

在DCR测量中，向电池1施加充电脉冲或放电脉冲。因此，如图5所示，根据测量的进度，电池1的SOC发生变化。可以通过以下公式计算出时间t的SOC值。

$S\left(t\right)=S_0+\frac{{\∫}_0^{t}I\left(x\right)\mathrm{dx}}{C_{\max }}$

在此，S₀是SOC的初始值，C_max是电池1的最大容量。此外，I（x）是充放电电流。

对SOC的计算例进行说明。

电池1例如具有2400mAh的最大容量，其SOC为50%（1200mAh）。当以2400mA向上述电池1施加30秒的充电脉冲时，由以下公式计算出SOC。

{1200mAh+（2400mA×0.0083）}/2400mAh=0.5083

即，施加充电脉冲后的SOC为50.83%。

同样，电池1具有2400mAh的最大容量，其SOC为50%（1200mAh）。当以2400mA向上述电池1施加30秒的放电脉冲时，由以下公式计算出SOC。

{1200mAh+（-2400mA×0.0083）}/2400mAh=0.4917

即，施加放电脉冲后的SOC为49.17%。

[OCV值计算]

OCV因SOC而变化。因此，为了求出S（t）的OCV，首先边改变电池1的充电状态边测量OCV。由此，制作利用SOC来查表的OCV表。并且，与S（t）对应地参照上述OCV表。例如通过使用线性修正这样的计算法计算出中间值。

下面对OCV的计算例进行说明。

通过使用以下公式计算出时刻t=t_k的OCV值e（t_k）。其中，SOC值S（t_k）=50.83%，OCV₁是SOC为50%时的OCV值。OCV₂是SOC为60%时的OCV值。

$e\left(t_k\right)={\mathrm{OCV}}_1+\frac{{\mathrm{OCV}}_2-{\mathrm{OCV}}_1}{0.6-0.5}(S\left(t_k\right)-0.5)$

由上述公式得到的OCV值的运算结果为3.727V。并且，基于相同的公式，当SOC为49.17%时的OCV值是3.706V。

在本系统中，基于交流阻抗测量结果，推定电池的DCR测量结果。由此，本系统得到以下的效果。

1）在交流阻抗测量中，即使为了测量而施加的交流信号的振幅较小，也可以稳定地进行测量。由此，可以将电池1的输出中出现的摄动抑制成较小。

2）由此，可以不设置用于使电池1恢复到初始状态的待机时间。因此，可以缩短测量时间。因此，例如可以提高生产线的检查效率。

3）能够进行再现性良好的测量。

4）即使电源容量较小，也能够稳定地进行测量。

5）在交流阻抗测量中，对测量结果进行FFT处理。由此，仅使用作为解析对象的频率。因此，抑制了噪声等的影响。

另外，在上述实施例中，使用SOC作为用于OCV计算的参数。但是，上述参数并不限于SOC。上述参数也可以使用温度（电池温度或环境温度）。在这种情况下，事先边改变电池1的温度边测量OCV数据。根据上述OCV数据计算出与温度对应的OCV。由此，可以对响应电压进行修正。

此外，在OCV的计算中，也可以考虑电池的材料和/或构造，对温度表进行修正。

此外，用于OCV计算的参数也可以组合SOC以及温度和/或其他条件。

此外，等效电路也可以采用具有串联的多个CPE（Constant PhaseElement）的电路。CPE是能够表示由电池内部的物质扩散产生的阻抗的元件。CPE的阻抗Z使用常数P和T，通常以如下方式定义。

$Z=\frac{1}{{(j\·2\·\mathrm{\π}\·f)}^P\·T}$

P=0.5时，CPE的阻抗与由以下公式表示的瓦尔堡阻抗相等。

$Z_W=\frac{(1-j)\·W}{\sqrt{2\·\mathrm{\π}\·f_W}}$

与电阻或RC并联电路同样，求出等效电路中的CPE的电压。通过将该电压与等效电路其他部分的电压相加，能够求出内部电阻整体的响应电压。

[CPE的电压]

CPE的阻抗为Z_cpe（s）时，CPE的电压E_cpe（t）如下。

E_cpe=ΣE_cpek(t)＝Z_cpe(s)×ΣI_k(s)

当I_k（s）是t=t_k时仅ΔI_k变化的电流的阶跃函数时，能够通过以下方式求出其响应电压E_cpek（T）。其中，T=t-t_k。

CPE的阻抗使用常数P和Q，以如下方式定义。在此，P和Q是电池固有的特性，并用作电路常数。

$\frac{1}{\{Q\×{\mathrm{j\ω}}^p\}}$

由此，

$Z_{\mathrm{cpe}}\left(s\right)=\frac{1}{\{Q\×s^p\}}$

$E_{\mathrm{cpe}}\left(T\right)=L^{-1}[Z_{\mathrm{cpe}}\left(s\right)\×I_k\left(s\right)]=L^{-1}\left[\frac{{\mathrm{\ΔI}}_k}{\{Q\×s^{p+1}\}}\right]$

在此，使用以下的拉普拉斯逆变换。

$L^{-1}\left[\frac{1}{s^n}\right]=\frac{T^{n-1}}{\mathrm{\Γ}\left(n\right)}$

其中，n＞0，Γ（n）是伽马函数。由此，E_cpe（T）表示为以下公式。

$E_{\mathrm{cpe}}\left(T\right)=\frac{T^P}{Q\×\mathrm{\Γ}(P+1)}$

在确定电路常数时，也可以使用每个SOC的阻抗测量结果（SOC-阻抗数据）。图10是表示使用SOC-阻抗数据的DCR解析装置4具体构成例的框图。图10中与图2相同的部分采用相同的附图标记。SOC-电路常数表运算部49a基于从输入部44输入的SOC-阻抗数据表和等效电路数据，求出与各SOC的等效电路对应的电路常数。

具体地说，例如图11所示，通过利用SOC来查找各电路常数，来制作SOC-电路常数表。

SOC-电路常数运算部49b基于SOC-电路常数表和由SOC运算部45计算出的SOC值，来计算与SOC值对应的电路常数。

另外，在电路常数的运算中，例如基于各SOC的测量数据，以收敛在限制了参数的范围内的方式，使电路常数最优化。但是，改变特性的条件并不限于SOC。例如也可以将温度作为条件使特性变化。

如上所述，在本系统中，即使不使用大容量的电源，也可以短时间且有效地测量电阻。本系统例如适用于电池的生产线的DCR检查。

另外，本发明的电池直流电阻评价系统可以是以下第一～第五电池直流电阻评价系统（电池直流电阻评价装置）。第一电池直流电阻评价系统是测量二次电池的内部直流电阻的电池直流电阻评价系统，其特征在于设置有：阻抗测量装置，对测量对象电池的交流阻抗进行测量；以及直流电阻值解析装置，该直流电阻值解析装置基于上述阻抗测量装置的测量结果、根据选择的等效电路计算出的电路常数、电池直流电阻测量条件的电流值和开路电压值（OCV），计算所述测量对象电池的响应电压，并且计算内部直流电阻值。

第二电池直流电阻评价系统的特征在于，在第一电池直流电阻评价系统中，所述直流电阻值解析装置利用SOC-OCV表，对所述响应电压进行修正，所述SOC-OCV表通过边改变所述SOC边测量OCV数据制作而成。第三电池直流电阻评价系统的特征在于，在第一电池直流电阻评价系统中，所述直流电阻值解析装置利用边改变温度边测量出的OCV数据，对所述响应电压进行修正。

第四电池直流电阻评价系统的特征在于，在第一～第三的任意一个电池直流电阻评价系统中，所述等效电路使用串联有CPE的电路。第五电池直流电阻评价系统的特征在于，在第一～第四的任意一个电池直流电阻评价系统中，所述等效电路的电路常数利用边改变温度边测量出的阻抗数据，对所述电路常数进行修正。

按照第一～第四电池直流电阻评价系统，不使用大容量的电源就可以短时间且有效地测量电池的直流电阻。

出于示例和说明的目的已经给出了所述详细的说明。根据上面的教导，许多变形和改变都是可能的。所述的详细说明并非没有遗漏或者旨在限制在这里说明的主题。尽管已经通过文字以特有的结构特征和/或方法过程对所述主题进行了说明，但应当理解的是，权利要求书中所限定的主题不是必须限于所述的具体特征或者具体过程。更确切地说，将所述的具体特征和具体过程作为实施权利要求书的示例进行了说明。

Claims (7)

1.一种电池直流电阻评价系统，用于测量二次电池的内部直流电阻，其特征在于包括：

阻抗测量装置，测量所述二次电池的交流阻抗；以及

直流电阻值解析装置，其中，

所述直流电阻值解析装置基于所述阻抗测量装置的测量结果、根据所述二次电池的等效电路计算出的电路常数、包含于电池直流电阻测量条件的电流值以及作为开路电压值的OCV，计算出所述二次电池的响应电压，

并且基于所述响应电压和所述电池直流电阻测量条件，计算出所述二次电池的内部直流电阻值。

2.根据权利要求1所述的电池直流电阻评价系统，其特征在于，所述直流电阻值解析装置利用SOC-OCV表，对所述响应电压进行修正，所述SOC-OCV表通过边改变作为所述二次电池的充电状态的SOC、边测量所述OCV制作而成。

3.根据权利要求1所述的电池直流电阻评价系统，其特征在于，所述直流电阻值解析装置利用边改变温度边测量出的所述OCV，对所述响应电压进行修正。

4.根据权利要求1所述的电池直流电阻评价系统，其特征在于，所述等效电路具有串联的多个CPE。

5.根据权利要求2所述的电池直流电阻评价系统，其特征在于，所述等效电路具有串联的多个CPE。

6.根据权利要求3所述的电池直流电阻评价系统，其特征在于，所述等效电路具有串联的多个CPE。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的电池直流电阻评价系统，其特征在于，所述直流电阻值解析装置使用边改变温度边测量出的所述二次电池的交流阻抗，对所述电路常数进行修正。

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