CN104181395A

CN104181395A - 一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置

Info

Publication number: CN104181395A
Application number: CN201410421581.6A
Authority: CN
Inventors: 魏学哲; 戴海峰; 王学远; 王振世; 朱建功; 房乔华
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2014-12-03

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，包括动力电池组和电源激励组件，所述的动力电池组由一个电池组单体模块或多个并联的电池组单体模块组成，每个电池组单体模块由多个电池组单体模块联组成，其特征在于，该测量装置还包括电池管理组件，所述的电池管理组件包括单体电压测量模块、信号处理和控制模块、通信模块，所述的信号处理和控制模块通过通信模块与单体电压测量模块连接，当进行单体阻抗测量时，电源激励组件产生定频交变电流，单体电压测量模块分别测得电池组单体模块中各单体的电压，通过通信模块传到信号处理和控制模块中进行计算得出每个电池组单体的交流阻抗。与现有技术相比，本发明具有快速、简便、准确等优点。

Description

一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置

技术领域

本发明涉及电池组单体测量领域，尤其是涉及一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置。

背景技术

由于锂离子电池相比于铅酸电池高能量密度、长循环寿命以及相比于镍氢电池的无记忆效应等优点，目前在动力电池中应用愈加广泛。在交通工具应用场合，对车载动力电池包的安全性、可靠性有非常高的要求，能够及时准确的得知动力电池的当前寿命状态、功率特性估计、电池工作温度分布和进行热失效预测等具有非常重要的意义。而上述特性均与锂离子动力电池的内阻有极大关系，因此能够准确地进行锂离子动力电池组的内阻测量至关重要。

目前，锂动力电池的阻抗测量相比于阻抗估计可靠性和精确性更加高。比较成熟的测量方法是在单体电池上采用的交流阻抗法(EIS)，适用于实验室的原理性研究应用场合。但是对于实车下整包电池的应用场合，在仍然使用实验室使用的交流阻抗法的情况下，由于一次只能对一个或几个单体进行测量使得必须加入机械开关进行切换对各个单体电池进行选通等因素的限制，使得锂离子电池阻抗测量应用在实车和整包电池上一直受到限制，亟需引入新方法来克服传统方法对实车整包电池内阻测量方法的限制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速、简便、准确的锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，包括动力电池组和电源激励组件，所述的动力电池组与电源激励组件连接，所述的动力电池组由一个电池组单体模块或多个并联的电池组单体模块组成，每个电池组单体模块由多个电池组单体模块联组成，其特征在于，该测量装置还包括电池管理组件，所述的电池管理组件包括单体电压测量模块、信号处理和控制模块、通信模块，所述的信号处理和控制模块通过通信模块与单体电压测量模块连接，所述的信号处理和控制模块与电源激励组件连接，当进行单体交流阻抗测量时，电源激励组件产生定频交变电流，单体电压测量模块分别测得电池组单体模块中各单体的电压，通过通信模块传到信号处理和控制模块中进行计算得出每个电池组单体的交流阻抗。

所述的电池管理组件还包括电器选通模块，所述的电器选通模块包括多个开关，所述的开关与电池组单体模块串联。

当进行单体交流阻抗直接选通测量时，所述的电器选通模块通过开关选择被测的电池组单体模块，单体的交流阻抗Z₁的计算式为：

i₁＝i_IN

Z_{1} = \frac{u_{1}}{i_{1}}

其中，i_IN为交变励磁电流，u₁为单体电压测量模块测得的单体电压，i₁为通过被测的电池组单体模块的电流。

所述的电池管理组件还包括标准阻抗模块，所述的标准阻抗模块包括多个标准阻抗，所述的标准阻抗与电池组单体模块串联。

当进行标准阻抗接入测量时，通过在电池组单体模块接入已知的标准阻抗来计算单体的交流阻抗，单体的交流阻抗Z₂的计算式为

\{\begin{matrix} i_{2} \cdot Z_{2} = u_{2} \\ i_{2} \cdot Z_{s 0} = u_{s 0} \end{matrix}

Z_{2} = \frac{u_{2}}{u_{s 0}} \cdot Z_{s 0}

其中u_s0、u₂为单体电压测量模块测得的标准阻抗和待测单体两端的电压，i₂为被测单体所在电池组单体模块的电流，Z_s0为标准阻抗的阻值，Z₂为待测单体的阻值。

所述的电源激励组件包括交流电压发生模块和交流电流源发生模块，所述的交流电压发生模块与信号处理和控制模块连接，所述的交流电流源发生模块与电池组单体模块连接。

所述的信号处理和控制模块包括数字信号处理单元和电控单元。

所述的通信模块采用CAN通信方式。

所述的单体电压测量模块和通信模块为动力电池组中的BMS组件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明单体阻抗测量装置是基于整包电池的BMS单体电压测量模块的，直接使用BMS中单体电池电压测量电路进行正弦电流激励下的每个单体的响应电压的测量，不需要额外的电压测量模块，成本低、测量结构紧凑、容易实现。

二、本发明通过在串路上接入标准阻抗可避免使用选通开关或继电器，使整个测量系统可靠性更高、结构更加紧凑。

三、本发明的电池组单体交流阻抗测量装置可测量各串路上单体电池之间的相对阻抗，从而进行电池包的状态检测和故障诊断，为电池管理提供依据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为直接选通测量的装置结构示意图；

图3为标准阻抗接入测量的装置结构示意图；

图4为适用于单串电池包的绝对阻抗测量示意图。

其中，1、交流电压发生模块，2、交流电流源发生模块，3、单体电压测量模块，4、控制模块，5、通信模块，6、电器选通模块，7、标准阻抗模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，包括动力电池组和电源激励组件，动力电池组与电源激励组件连接，动力电池组由一个电池组单体模块或多个并联的电池组单体模块组成，每个电池组单体模块由多个电池组单体模块联组成，其特征在于，该测量装置还包括电池管理组件，电池管理组件包括单体电压测量模块3、信号处理和控制模块4、通信模块5，信号处理和控制模块4通过通信模块5与单体电压测量模块3连接，信号处理和控制模块4与电源激励组件连接；

当进行单体交流阻抗测量时，电源激励组件产生定频交变电流，单体电压测量模块3分别测得电池组单体模块中各单体的电压，通过通信模块5传到信号处理和控制模块4中进行计算得出每个电池组单体的交流阻抗。

电源激励组件包括交流电压发生模块1和交流电流源发生模块2，交流电压发生模块1与信号处理和控制模块4连接，交流电流源发生模块2与电池组单体模块连接。

信号处理和控制模块4包括数字信号处理单元和电控单元。

通信模块5采用CAN通信方式。

单体电压测量模块3和通信模块5为动力电池组的BMS组件。

所述动力电池包单体相对阻抗测量方案的核心部分为定频交变激励电流的产生、单体电池响应电压的采样测量以及各单体响应电压的相位差和幅值比的计算。当进行测量时，交流电压发生模块1和信号处理和控制模块4通信，由信号处理和控制模块4决定激励的频率，由交流电压发生模块1使用DDS等方式产生该频率的激励交变电压。交变电压在交流电流源发生模块2的作用下转化为幅值一定的交变激励电流后通过滤波器，最终作用到电池包的正负极上。单体电池响应电压的采样测量由电池管理系统中已有的单体电池电压测量模块单体电压测量模块3测量。单体电压测量模块3同时测量若干路电池的响应电压，在一个单体上进行一个激励周期内的n次采样后再对下一个单体进行采样，期间产生的数据通过BMS中的CAN总线传至信号处理和控制模块4。信号处理和控制模块4进行各单体响应电压的相位差和幅值比的计算，相位差通过互相关法、直接相移法等进行相位差的计算，并按照下述原理进行各单体或与标准阻抗的相对阻抗和绝对阻抗的计算。

本发明所述的阻抗测量方法可进行整包电池的相对阻抗和绝对阻抗测量与计算，既可以采用直接选通测量方法也可以采用接入标准阻抗方法进行单体电池阻抗的测量，具体选择可根据实际需求。

(1)直接选通测量

如图2所示，图为直接选通测量的装置结构示意图，电池管理组件还包括电器选通模块6，电器选通模块6包括多个开关，开关与电池组单体模块串联。当进行单体交流阻抗直接选通测量时，电器选通模块6通过开关选择被测的电池组单体模块，单体的交流阻抗Z₁的计算式为：

i₁＝i_IN

Z_{1} = \frac{u_{1}}{i_{1}}

其中，i_IN为交变励磁电流，u₁为单体电压测量模块3测得的单体电压，i₁为通过被测的电池组单体模块的电流。

(2)标准阻抗接入测量

如图3所示，图为标准阻抗接入测量的装置结构示意图，电池管理组件还包括标准阻抗模块7，标准阻抗模块7包括多个标准阻抗，标准阻抗与电池组单体模块串联，当进行标准阻抗接入测量时，通过在电池组单体模块接入已知的标准阻抗来计算单体的交流阻抗，单体的交流阻抗Z₂的计算式为：

\{\begin{matrix} i_{2} \cdot Z_{2} = u_{2} \\ i_{2} \cdot Z_{s 0} = u_{s 0} \end{matrix}

Z_{2} = \frac{u_{2}}{u_{s 0}} \cdot Z_{s 0}

其中u_s0、u₂为单体电压测量模块3测得的标准阻抗和待测单体两端的电压，i₂为被测单体所在电池组单体模块的电流，Z_s0为标准阻抗的阻值，Z₂为待测单体的阻值。

Claims

1.一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，包括动力电池组和电源激励组件，所述的动力电池组与电源激励组件连接，所述的动力电池组由一个电池组单体模块或多个并联的电池组单体模块组成，每个电池组单体模块由多个电池组单体模块联组成，其特征在于，该测量装置还包括电池管理组件，所述的电池管理组件包括单体电压测量模块(3)、信号处理和控制模块(4)、通信模块(5)，所述的信号处理和控制模块(4)通过通信模块(5)与单体电压测量模块(3)连接，所述的信号处理和控制模块(4)与电源激励组件连接；

当进行单体交流阻抗测量时，电源激励组件产生定频交变电流，单体电压测量模块(3)分别测得电池组单体模块中各单体的电压，通过通信模块(5)传到信号处理和控制模块(4)中进行计算得出每个电池组单体的交流阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，所述的电池管理组件还包括电器选通模块(6)，所述的电器选通模块(6)包括多个开关，所述的开关与电池组单体模块串联。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，当进行单体交流阻抗直接选通测量时，所述的电器选通模块(6)通过开关选择被测的电池组单体模块，单体的交流阻抗Z₁的计算式为：

i₁＝i_IN

Z_{1} = \frac{u_{1}}{i_{1}}

其中，i_IN为交变励磁电流，u₁为单体电压测量模块(3)测得的单体电压，i₁为通过被测的电池组单体模块的电流。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，所述的电池管理组件还包括标准阻抗模块(7)，所述的标准阻抗模块(7)包括多个标准阻抗，所述的标准阻抗与电池组单体模块串联。

5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，当进行标准阻抗接入测量时，通过在电池组单体模块接入已知的标准阻抗来计算单体的交流阻抗，单体的交流阻抗Z₂的计算式为

\{\begin{matrix} i_{2} \cdot Z_{2} = u_{2} \\ i_{2} \cdot Z_{s 0} = u_{s 0} \end{matrix}

Z_{2} = \frac{u_{2}}{u_{s 0}} \cdot Z_{s 0}

其中u_s0、u₂为单体电压测量模块(3)测得的标准阻抗和待测单体两端的电压，i₂为被测单体所在电池组单体模块的电流，Z_s0为标准阻抗的阻值，Z₂为待测单体的阻值。

6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，所述的电源激励组件包括交流电压发生模块(1)和交流电流源发生模块(2)，所述的交流电压发生模块(1)与信号处理和控制模块(4)连接，所述的交流电流源发生模块(2)与电池组单体模块连接。

7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，所述的信号处理和控制模块(4)包括数字信号处理单元和电控单元。

8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，所述的通信模块(5)采用CAN通信方式。

9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体交流阻抗的测量装置，其特征在于，所述的单体电压测量模块(3)和通信模块(5)为动力电池组的BMS组件。