CN103884995A

CN103884995A - 一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法

Info

Publication number: CN103884995A
Application number: CN201410093233.0A
Authority: CN
Inventors: 谢晓峰; 顾敖大; 潘建欣; 丁晓莉; 王树博
Original assignee: YIXING QINGNENG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd; Tsinghua University
Current assignee: YIXING QINGNENG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd; Tsinghua University
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN103884995B

Abstract

本发明公开了属于电池测量技术范围的一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法，该系统包括电池模块、充电放电模块、交流扫频模块以及信号收集处理模块，利用充电放电回路的203三位开关的203c点与电池模块1的负极连接，再通过与203c点连接开关臂的选择，通过203a点使电池模块1的负极连接202电子负载和电池模块1的正极构成放电回路；本发明应用于二次电池的工作状态下的阻抗测试；可以对所述的二次电池组所包含的各个所述的单节二次电池进行多通道并行测量；测试出二次电池的欧姆内阻、电化学极化阻抗和浓差极化阻抗，对二次电池的阻抗分析，用于电池的充放电性能分析；对电池运行寿命估计，电池更加安全、稳定可靠的运行。

Description

一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法

技术领域

本发明属于电池测量技术范围，特别涉及一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法。

背景技术

二次电池，即可充放电的化学电源，如锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等，由于各种电池的电压平台与能量密度的不同，在电动汽车、动力电源、不间断应急电源、储能、手机、笔记本电脑等方面的应用越来越广泛。二次电池的阻抗，是电池的一个重要参数，可以用于电池的充放电性能分析、电池组的一致性分析、剩余容量估计、电池运行寿命估计、电池组的一致性分析和安全性能分析等。所以，准确快速测量出二次电池的阻抗具有重要意义。

电池的阻抗，可以分为欧姆内阻和极化阻抗。目前对二次电池的阻抗测量方法，主要分为直流测量法和交流法。直流法，例如专利CN101477149A(蓄电池内阻在线直流检测方法和系统)主要是利用二次电池在某一恒定电流值I₁充电或放电时测量端电压U₁，然后在另一恒定电流值I₂下测量电池端电压U₂，特别的，I₂可以为0，即电路由闭合状态变为断路状态，利用公式(1)计算电池的内阻，

R=(U₂-U₁)/(I₂-I₁) (1)

交流法，是通过对电池在开路状态下，电池两端加入一个交流电流信号，测量出电池的交流电压响应信号。根据交流信号源的不同，主要由方波交流信号和正弦交流信号。方波交流信号下的测量，又称为脉冲测量法，其内阻计算公式同公式（1）；正弦交流信号下的测量，又称为交流注入法或交流阻抗法，在某一特定的固定的频率下f的恒定交流信号I=I₀sin(2πft)对应的交流电压响应信号V=V₀sin(2πft+θ)，其中θ是相位差，利用公式（2）计算电池的阻抗，

Z=V/I （2）。

通常固定的频率f是电池阻抗频谱区间的高频位置，测量得到电池的高频阻抗部分，通常认为是电池的欧姆内阻。

直流法快速测量，可以在电池充电放电运行下测量，但缺陷在于，1）只能测量出电池的总阻抗，无法测量出电荷传递阻抗和浓差极化阻抗；2）假设了电池在两种不同的电流下充电和放电时的极化阻抗是相等的，因此测量结果准确性不高，只能用于粗略估计。脉冲法克服了直流法的缺陷2），在较小的方波变化周期内，电池的欧姆内阻能瞬间响应，而电池的极化阻抗来不及变化，因此，可以测量出电池的欧姆内阻，但无法测量出极化阻抗部分。而交流阻抗法能够测量出电池的高频阻抗部分，但是，只是在某一频率或者该频率附近下恒定频率的测量，无法测量电池的全部阻抗，而且现有方法都是在电池开路状态下测量，与电池在充电或放电的工作条件下测量结果存在一定的偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法，其特征在于，所述二次电池的阻抗测量系统包括电池模块、电池充电放电模块、电池交流扫频模块和信号收集处理模块构成；

所述电池充电放电模块，包括电子负载、201稳定电源及203三位开关组成，使电池能够达到充电或放电的正常工作状态；其中电子负载为一滑线电阻，电子负载的滑臂与信号收集处理模块连接；电子负载的一端与201稳定电源的正极和203三位开关的203a点连接；电子负载的另一端与电池模块的正极连接；201稳定电源的正极与信号收集处理模块连接，201稳定电源的负极与203三位开关的203b点连接，203三位开关的203d点为空位；203三位开关的203c点与电池模块的负极连接；

所述的交流扫频模块由301交流扫频仪或302开关连接组成；用于对电池在达到充电或放电的正常工作状态之后，对电池模块在不同的稳定频率下进行交流阻抗测量；其中，302开关与电池模块的负极连接，301交流扫频仪与电池模块的正极和信号收集处理模块连接；

所述的信号收集处理模块为top终端硬件、或是个人PC、或是软件程序模块；并以通讯线与电池模块的正极连接；用于收集并处理直流稳定电流值、直流稳定电压值、交流电流激励信号和交流电压响应信号；并用于绘制测量得到的阻抗图谱和所述的阻抗图谱趋势线；并用于分析得到所述二次电池的欧姆内阻、电化学极化阻抗和浓差极化阻抗。

所述电池模块包含铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池；电池既可以是单节二次电池，又可以是若干数量单节电池串联和并联构成的二次电池组。

一种用二次电池的阻抗测量系统的阻抗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.利用充电放电回路的双通开关，选择电池的正极和负极与外部电子负载连接，构成放电回路；或者电池的正极和负极与外部稳定电源以及外部电子负载连接，构成充电回路；

B.设置外部电子负载和外部稳定电源的参数，使电池达到测量所需要的直流恒定电流充电或者放电状态，并且记录此状态下的电池直流电压曲线；

C.再将交流扫频仪与电池的正极和负极连接，在某一稳定频率下，交流扫频仪产生并记录稳定的正弦交流激励信号，并检测此激励信号下的二次电池对应的交流电压响应信号；

D.将所述的交流电压响应信号除以所述的交流电流激励信号，得到某一稳定频率下的二次电池的阻抗值，其中，具体的阻抗值分为虚部阻抗和实部阻抗；

E.设定在另一个稳定的频率下，重复步骤C，得到另一稳定频率下的所述二次电池的正弦交流激励信号和对应的交流电压响应信号；

F.在另一个稳定的频率下，重复步骤D，得到另一稳定频率下的二次电池的阻抗值，以及对应的虚部阻抗和实部阻抗

G.以实部阻抗值为横坐标，虚部阻抗值为纵坐标，绘制不同的稳定频率下的所述的二次电池的阻抗图谱；并利用阻抗图谱、等效电路图和算法，分析得到电池的欧姆内阻阻值、电化学极化阻抗以及浓差极化阻抗；

H.不断的改变稳定频率的数值，重复步骤E和步骤F，得到一系列频率下的所述二次电池的阻抗值，以及对应的虚部阻抗和实部阻抗值；并在所述的阻抗图谱上描点，直至所述的阻抗图谱上面的点能够勾勒出电池的阻抗图谱趋势线。

所述稳定的频率值范围为1Hz-1000Hz，在需要设定合适的频率值之前，还需要选定频率测量点；

所述稳定的频率值范围为0.01Hz-20000Hz，在更广的频率范围内，选择合理的频率测量点的数量，以及设定频率数值；实现得到较好的阻抗图谱和阻抗图谱趋势线；但是过多的频率测量点，得到足够密集的所述阻抗图谱，将增加总体测量时间；过少的频率测量点，又不能完整的反映出所述的阻抗图谱趋势线；实际在测量频率范围内，对频率取对数，然后在对数化的频率变化线上，每个单位长度上平均采集4-6个点，然后反推出需要设定的所述设定频率值就能满足要求，

所述步骤B中设定的直流稳定电流值的取值范围，由电池的容量决定，设定在电池以0.01C倍率至0.5C倍率充电或者放电的数值范围。

所述步骤C和步奏E中设定的交流激励电流信号的幅值，为所述的直流稳定电流值的5%-15%，过小的交流激励电流信号的幅值，会使得测量电信号噪音在检测到的所述的交流电压响应信号中占的比例变大，带来一定的误差；过大的交流激励电流信号的幅值，则会影响到电池以所述的直流稳定电流值的充电或者放电的正常工作状态。

本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明具备二次电池充电或放电工作状态下的阻抗测试功能，应用于二次电池的工作状态下的阻抗测试；可以对所述的二次电池组所包含的各个所述的单节二次电池进行多通道并行测量；可以测试出二次电池的欧姆内阻、电化学极化阻抗和浓差极化阻抗，可以对二次电池的阻抗分析，用于电池的充放电性能分析；分析电池全部阻抗中各部分阻抗的比例构成，指导电池性能提升方向；还可以分析检测二次电池的当前电压与荷电状态，用于剩余容量估计；对电池组做一致性分析，寻找出导致电池组性能下降的若干块单片电池。对电池运行寿命估计等。总之，更好的使得二次电池在电动汽车、动力电源、储能、可移动电源等领域更加安全的、高性能的和稳定可靠的运行。

附图说明

图1为二次电池工况下阻抗测试的装置连接图。

图2为示出了根据第一实施例的阻抗测试结果的阻抗图谱。

图3为示出了根据第二实施例的阻抗测试结果的阻抗图谱。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法。下面参考附图详细说明本发明实施例的二次电池在充电或放电工作状态下的阻抗测量的方法和系统。

图1所示为二次电池工况下阻抗测试的装置连接图。图中，二次电池的阻抗测量系统包括电池模块1、电池充电放电模块2、电池交流扫频模块3和信号收集处理模块4构成；

所述电池充电放电模块，包括202电子负载、201稳定电源及203三位开关组成，使电池能够达到充电或放电的正常工作状态；其中202电子负载为一滑线电阻，202电子负载的滑臂与信号收集处理模块4连接；202电子负载的一端与201稳定电源的正极和203三位开关的203a点连接；202电子负载的另一端与电池模块1的正极连接；201稳定电源的正极与信号收集处理模块4连接，201稳定电源的负极与203三位开关的203b点连接，203三位开关的203d点为空位；203三位开关的203c点与电池模块1的负极连接；

所述的交流扫频模块由301交流扫频仪或302开关连接组成；用于对电池在达到充电或放电的正常工作状态之后，对电池模块在不同的稳定频率下进行交流阻抗测量；其中，302开关与电池模块1的负极连接，301交流扫频仪与电池模块1的正极和信号收集处理模块4连接；

所述的信号收集处理模块为top终端硬件、或是个人PC、或是软件程序模块；并以通讯线与电池模块1的正极连接；用于收集并处理直流稳定电流值、直流稳定电压值、交流电流激励信号和交流电压响应信号；并用于绘制测量得到的阻抗图谱和所述的阻抗图谱趋势线；并用于分析得到所述二次电池的欧姆内阻、电化学极化阻抗和浓差极化阻抗。

二次电池的阻抗测量系统的工作原理是利用充电放电回路的203三位开关的203c点与电池模块1的负极连接，再通过与203c点连接开关臂的选择，通过203a点使电池模块1的负极连接202电子负载和电池模块1的正极构成放电回路；或者电池模块1的负极通过203b点连接201稳定电源、202电子负载与电池模块1的正极构成充电回路；以具体实施例说明。

下面的描述以铅酸电池电池组为例，但是，对于本发明实施例的阐述，本技术领域的技术人员应该理解，这些实施例只是示例型的，并不仅限于此，并不用于限制本发明的的范围，而是还可以应用于其他所有二次电池及其串联并联构成的电池组。

实施例一二次电池在充电运行过程下的交流阻抗测试方法，

如图1所示，本实施例包括电池模块1、充电放电模块2、交流扫频模块3和信号收集处理模块4。充电模块2中的203三位开关的203c点连接电池模块1的负极，通过203b点连接201稳定电源、202电子负载与电池模块1的正极构成一个完整的直流充电回路；所述交流扫频模块3中所含的302开关闭合，使得电池模块1、301交流扫频仪和302开关构成一个交流测试回路。所述的信号收集处理模块4，对所述的201稳定电源和202电子负载进行控制，使得电池模块1在所规定的稳定的直流恒流充电运行，对所述的301交流扫频仪进行控制，使得电池模块1产生所规定的测试用的交流电流信号，对所述201稳定电源、202电子负载和301交流扫频仪进行测量，并记录电池模块1的电压和电流信号数据。

根据实施例一的交流阻抗测试时，电池模块1与充电放电模块2连接，使得电池模块1能够在稳定的直流充电状态下运行；另一方面电池模块1又同时与交流扫频模块3连接，使得电池模块1在交流信号下进行阻抗测试。直流电流运行和交流电流测试两者不相互干扰，因此，本测试系统和方法是能够准确的测试出电池在工作运行时的交流阻抗。图2为使用本发明的测试系统和方法，对一个额定电压为12V和额定容量为4Ah铅酸电池组，以0.05倍率（0.05C）充电运行时，以直流电流的10%作为交流测试信号的幅值，从频率为20000Hz扫频到0.02Hz的条件下，所测试得到的交流阻抗图谱。从图上可以具体看出欧姆内阻，正极反应阻抗弧和负极反应阻抗弧等信息，至于具体的图谱解谱，已有大量可靠的方法可以运用，不在本发明所讨论关系的范围内，在此不作过多描述。

实施例二二次电池在放电运行过程下的交流阻抗测试方法

如图1所示，本实施例包括电池模块1、充电放电模块2、交流扫频模块3和信号收集处理模块4。充电模块2中的203三位开关的203c点连接电池模块1的负极，通过203三位开关的203a点使电池模块1的负极连接202电子负载和电池模块1的正极构成一个完整的直流放电回路；所述交流扫频模块3中所含的302开关闭合，使得电池模块1、301交流扫频仪和302开关构成一个交流测试回路。所述的信号收集处理模块4，对所述的202电子负载进行控制，使得电池模块1在所规定的稳定的直流恒流充电运行，对所述的301交流扫频仪进行控制，使得电池模块1产生所规定的测试使用的交流电流信号，对所述的202电子负载和301交流扫频仪进行测量并记录所述的电池模块1的电压和电流信号数据。

类似的，根据第二实施例的交流阻抗测试，也能保证本发明能够准确的测试出电池在工作运行时的交流阻抗。图3示出的是一个额定电压为12V和额定容量为4Ah铅酸电池组，以0.05倍率（0.05C）充电运行时，以直流电流的10%作为交流测试信号的幅值，从频率为20000Hz扫频到0.02Hz的条件下，所测试得到的交流阻抗图谱。

根据实施例一和二实施例二的交流阻抗测试，能确定对二次电池在充放电工况下的交流阻抗测试，并得到二次电池的阻抗分析。

实施例三

除了上述实施例一、二之外，本发明还可以进行各种修改。

例如，在上述实施例中，本发明是应用到交流阻抗测试，但是本发明的概念还可以应用到根据交流扫频仪的设置，将交流正弦信号，改为方波信号，控制方波信号的周期时间在毫秒级的时间段内，是可以实时测试出电池的欧姆阻抗的。换句话说，在此种实施例中，本发明的测试系统是可以实现直流测试所需系统的功能的。

在上述实施例中，是用于测试二次电池在充电或者放电运行下的阻抗测试系统和方法，但是本发明的测试系统不限于用于二次电池在充电或者放电运行下的阻抗测试系统和方法，还可以用于在通常的电池处于开路下的阻抗测试方法，仅将图2中所述的203三位开关的203d连接端保持在该位置，不与203a或203c连接端形成回路，就可以实现。

Claims

1.一种二次电池的阻抗测量系统，其特征在于，所述二次电池的阻抗测量系统包括电池模块、电池充电放电模块、电池交流扫频模块和信号收集处理模块构成；

2.根据权利要求1所述一种二次电池的阻抗测量系统，其特征在于，所述电池模块包含铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池；电池既可以是单节二次电池，又可以是若干数量单节电池串联和并联构成的二次电池组。

3.一种用二次电池的阻抗测量系统的阻抗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

F.在另一个稳定的频率下，重复步骤D，得到另一稳定频率下的二次电池的阻抗值，以及对应的虚部阻抗和实部阻抗；

4.根据权利要求3所述用二次电池的阻抗测量系统的阻抗测量方法，其特征在于，所述稳定的频率值范围为1Hz-1000Hz，在需要设定合适的频率值之前，还需要选定频率测量点。

5.根据权利要求3所述用二次电池的阻抗测量系统的阻抗测量方法，其特征在于，所述稳定的频率值范围为0.01Hz-20000Hz，在更广的频率范围内，选择合理的频率测量点的数量，以及设定频率数值；实现得到较好的阻抗图谱和阻抗图谱趋势线；但是过多的频率测量点，得到足够密集的所述阻抗图谱，将增加总体测量时间；过少的频率测量点，又不能完整的反映出所述的阻抗图谱趋势线；实际在测量频率范围内，对频率取对数，然后在对数化的频率变化线上，每个单位长度上平均采集4-6个点，然后反推出需要设定的所述设定频率值就能满足要求。

6.根据权利要求3所述用二次电池的阻抗测量系统的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤B中设定的直流稳定电流值的取值范围，由电池的容量决定，设定在电池以0.01C倍率至0.5C倍率充电或者放电的数值范围。

7.根据权利要求3所述用二次电池的阻抗测量系统的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤C和步奏E中设定的交流激励电流信号的幅值，为所述的直流稳定电流值的5%-15%，过小的交流激励电流信号的幅值，会使得测量电信号噪音在检测到的所述的交流电压响应信号中占的比例变大，带来一定的误差；过大的交流激励电流信号的幅值，则会影响到电池以所述的直流稳定电流值的充电或者放电的正常工作状态。