CN109270472A - 一种锂电池在线监测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂电池在线监测的方法及装置，所述电池内阻测量方法为：生成恒定的正弦波信号；采用所述恒定的正弦波信号经过四线制的连接方式，在电池后端，与内阻测试并联的通道上加入对电池内阻信号的校正电路，对10mΩ的标准电阻进行测试，得到需要的内阻校正曲线；通过差分放大电路，放大得到的内阻交流电压信号；对得到的交流电压信号进行滤波，得到频率为1KHz的交流电压信号；对所述交流信号经过半波整流，得到测试电压的有效值；MCU根据A/D转换器采集到的电压值，得出内阻值。

Description

一种锂电池在线监测的方法及装置

技术领域

本发明涉及电池检测技术领域，具体涉及一种锂电池在线监测的方法及装置。

背景技术

锂电池作为一种供电方便、安全可靠的直流电源，在人们的生产生活中有着广泛应用。但是由于锂电池在工作时常常会出现欠充、过充的现象，导致电池容量下降，影响设备的正常运转，因此及时得监测锂电池容量来加以维护有着重要的意义。

随着嵌入式技术的发展，对锂电池检测技术的研究也越来越深入。近几年来，市场上针对锂电池检测也已有一些成品，其功能包括检测单体电池的内阻、温度、电压，有些还能估计电池组的剩余容量。迄今为止，锂电池电池容量的检测方法主要有以下几种：(1)核对放电法；即100％的深度放电，虽然其有测试结果准确可靠的优点，缺点也很突出，放电时间长，风险大，锂电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，效率低。(2)密度法；锂电池剩余容量和其内部电解液密度密切相关，通过测量电解液的密度值，可间接推算其剩余电量，但在电池使用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，上述三种物质的比例发生较大差异，从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。

锂电池剩余容量(SOC)数学模型探讨和在线测试仪的开发一文中提出了铅酸的SOC与锂电池端电压、充放电电流、初始电液比重、环境温度等物理化学参数之间关系的数学模型，基于这个数学模型，就可通过测量锂电池充放电过程中的各个物理参数得知蓄电池的当前容量。基于这样的原理，开发出了锂电池容量在线测试仪，经过与大量的实测充放电数据对比，证明该文提出的数学模型能够较准确地表达锂电池充放电过程中端电压和容量之间的关系，并能够很好地反映各个物理化学参数对充放电过程中端电压的影响；但是在实际过程中，SOC数学模型建立难度大，周期长，对于不同的锂电池需要重新建立，不利于产品的进一步推广。

实验研究证明，锂电池的电导(电阻)与其电池容量具有很高的相关性，因而通过测量锂电池的内阻来推算其容量的方法现在也被广泛应用，其实现手段主要有两种，直流放电法和交流阻抗法。直流放电法是对锂电池进行瞬间大电流放电，然后测量电池两端的瞬间压降，其缺点是电池组必须脱离系统，无法在线测量，而且瞬间大电流放电会对电池组造成较大冲击，影响电池使用。交流阻抗法以小幅值的正弦波电流或者电压信号作为激励源，注入锂电池，通过测定其响应信号来推算电池内阻。优点是可在线测量且对电池性能基本无影响，缺点是产生稳定激励信号以及准确获取电路响应信号的装置都比较复杂，实际操作上较为困难。

基于交流阻抗法的锂电池内阻测量一文中用精密电阻和电池构成串联电路，采用交流注入法对锂电池注入微弱正弦波信号.通过对输出响应进行一系列的滤波、正峰值检测、放大以及AD转换和采集，然后根据测量到的精密电阻和电池上的电压比来推算电池内阻，其采取的交流频率为20Hz，所以此时电池上的电阻模型包含极化电阻，而极化电阻的值与电池容量无关，即引入了无关参量，限制了测量精度的提高。

锂电池常年处于无人看守的状态，对其健康状态的持续监控变得非常重要，目前储能项目应用的锂电池的健康状态主要是通过定期手动测试内阻，K值，或者通过安时积分计算容量来评估衰减状态。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供锂电池在线监测的方法与设备，当电芯老化严重时能够及时报警，进行电芯更换。

一种锂电池在线监测的方法，包括：通过一种电池内阻测量方法和一种电池K值测量方法对锂电池在线监测。

上述电池内阻测量方法为：

正弦信号发生器产生正弦波信号；

上述正弦波信号经过耦合驱动电路，得到恒定的正弦波信号；

再经过一个四线制的连接方式，在电池后端，与内阻测试并联的通道上又加入了对电池内阻信号的校正电路，对10mΩ的标准电阻进行测试，得到需要的内阻校正曲线；

对内阻信号进行调理，通过差分放大电路，放大得到的微弱内阻交流电压信号；

对得到的交流电压信号进行滤波，得到频率为IKHz的交流电压；

经过半波整流，得到测试电压的有效值；

最后MCU根据A/D转换器采集到的电压值，得出真实的内阻值。

电池K值测量方法为：

通过时钟电路记录某簇电池组A闲置8小时后，通过电池单体电压测量电路记录电池组A内所有单体电压Van其中，A表示电池组A,n代表组内第n个电芯，时钟电路记录电池组A闲置16小时后，通过电池单体电压测量电路记录其电压VAn’，MCU进行运算得到K值，K值＝(VAn-VAn’)/(16-8)。

一种锂电池在线监测的装置，包括电池内阻测量电流的装置和电池K值测量装置。

电池内阻测量电流的装置包括依次连接的正弦信号发生器、耦合驱动电路、差分滤波电路、锁相放大电路、滤波整流电路、MCU电路；上述正弦信号发生器，用于输出1KHz，1mA正弦信号；耦合驱动电路，用于将正弦信号发生器输入的1KHz，1mA正弦信号功率进行放大，输出1KHz，50mA恒流正弦信号给电池和采样电阻；差分滤波电路；用于将采集的交流信号提高分辨率和降低噪声，使调理后输出信号的最大值和MCU的最大输入值相等；锁相放大电路；用于将检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰；滤波整流电路；用于对放大后的信号进行滤波处理；MCU电路；用于根据A/D转换器采集到的电压值，得出真实的内阻值。

电池K值测量装置包括电池单体电压测量电路，时钟电路，MCU电路；电池单体电压测量电路，用于测量电池单体电压；时钟电路，用于精确记录时间；MCU电路；进行运算得到K值。

本发明的有益效果是：1)筛选内部微短路电芯：极片上的颗粒或微量金属残渣、隔膜上的微小缺陷、电芯在组装过程中引入的粉尘等，都会造成电芯内部微短路。对于微短路电芯，仅通过容量及一次电压是无法完成筛选的，因此必须引入内阻测试、K值测试：通过精确计算其电压降速率来判断电芯是否存在微短路情况。

2)避免电芯长期存储之后电压降低太多：内阻、K值是电芯电压降速率的定量描述，内阻、K值过大，说明电芯电压降速度太快。这样的电芯出货给客户，如果客户无法及时出货给到终端，那么电芯的电压一致性会随着时间的推移变的越来越差，长期存储后甚至无法满足设备开机等基本功能，这显然是终端客户无法接受的。

3)辅助筛选其它性能不良电芯：当电芯内阻、K值较大时，其便存在腐蚀气账或循环不良的可能。前者的原因是铝塑膜封装不良，这类不良是可能通过内阻、K值测试筛选的；后者的原因是电芯内部微短路，循环过程中不停地发生副反应从而造成电解液过早消耗干、电芯循环跳水。

附图说明

图1为本一种锂电池在线监测的方法的电路连接示意图；

图2为本发明的四线制的连接方式的结构示意图；

图3为正弦信号发生器电路图；

图4为耦合驱动电路图；

图5为差分滤波电路图；

图6为锁相放大电路图；

图7为滤波整流电路图；

图8为电池单体电压测量电路图；

图9为时钟电路图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定装备结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

如图1所示，一种锂电池在线监测的方法，包括：通过一种电池内阻测量方法和一种电池K值测量方法对锂电池在线监测。

上述电池内阻测量方法为：

(1)正弦信号发生器产生正弦波信号；

(2)上述正弦波信号经过耦合驱动电路，得到恒定的正弦波信号；

(3)再经过一个四线制的连接方式，在电池后端，与内阻测试并联的通道上又加入了对电池内阻信号的校正电路，对10mΩ的标准电阻进行测试，得到需要的内阻校正曲线；

(4)对内阻信号进行调理，通过差分放大电路，放大得到的微弱内阻交流电压信号；

(5)对得到的交流电压信号进行滤波，得到频率为IKHz的交流电压；

(6)经过半波整流，得到测试电压的有效值；

(7)最后MCU根据A/D转换器采集到的电压值，得出真实的内阻值。

电池K值测量方法为：

通过时钟电路记录某簇电池组A闲置8小时后，通过电池单体电压测量电路记录电池组A内所有单体电压Van其中，A表示电池组A,n代表组内第n个电芯，时钟电路记录电池组A闲置16小时后，通过电池单体电压测量电路记录其电压VAn’，MCU进行运算得到K值，K值＝(VAn-VAn’)/T，其中T为闲置的时间差。

如图2-8所示，一种锂电池在线监测的装置，包括电池内阻测量电流的装置和电池K值测量装置。

电池内阻测量电流的装置包括依次连接的正弦信号发生器、耦合驱动电路、差分滤波电路、锁相放大电路、滤波整流电路、MCU电路；

上述正弦信号发生器，用于输出1KHz，1mA正弦信号；正弦信号发生器采用ICL8038芯片，通过芯片内部触发器比较器的状态翻转，利用二极管的非线性特性，可将三角波信号的上升或下降逐次逼近转换成正弦波的斜率，输出1KHz，1mA正弦信号。

耦合驱动电路，用于将正弦信号发生器输入的1KHz，1mA正弦信号功率进行放大，输出1KHz，50mA恒流正弦信号给电池和采样电阻；耦合驱动电路采用OPA552和LM358组成双运放恒流源电路，将正弦信号发生器输入的1KHz，1mA正弦信号功率进行放大，输出1KHz，50mA恒流正弦信号给电池和采样电阻。

由于电池内阻属于微小信号，所采集的交流信号需要用差分滤波电路进行放大，提高分辨率和降低噪声，也使调理后输出信号的最大值和MCU的最大输入值相等。

差分滤波电路；用于将采集的交流信号提高分辨率和降低噪声，使调理后输出信号的最大值和MCU的最大输入值相等；同时差分滤波电路起到校正电路的作用。

锁相放大电路；用于将检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰；锁相放大电路采用AD630芯片，AD630芯片由一个相敏检测器件和一个低通滤波器构成。由于被检测的信号很微弱，而噪声和干扰却很强，所以被检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰。利用参考信号频率和输入信号频率相关，与噪声不相关，从而从噪声中提取有用信号。相敏检测的作用是对输入信号和参考信号进行乘法运算，再经过低通滤波作用为滤除高频成份，使得等效带宽变窄，从而提取出噪声中的微弱信号。其中参考信号的作用是为参考通道提供一个与输入信号同频率的正弦波。

滤波整流电路；用于对放大后的信号进行滤波处理；由于采集信号中夹杂着众多的噪声，在经过前置放大时这些信号都被放大，为此需要对放大后的信号进行滤波处理。根据交流信号的频率，本发明设计带通滤波器的通频带为0.4KH-3KHz，通过频率特性平坦而误差小，衰减特性的截止特性陡峭而衰减量大，信号波形失真小。

MCU电路；用于根据A/D转换器采集到的电压值，得出真实的内阻值。

电池K值测量装置包括电池单体电压测量电路，时钟电路，MCU电路；

电池单体电压测量电路，用于测量电池单体电压；单体电压采集电路由电池电压测量芯片LTC6811和相关外围电路组成，其具内置噪声滤波器ΔΣ转换器，测量误差为1mV。此款芯片可以同时采集12串电池电压信号，采集到的电压信号通过隔离变压器和信号解耦模块传输给MCU。

时钟电路，用于精确记录时间；MCU电路；进行运算得到K值。时钟电路采用SD2405芯片，SD240是一种具有内置晶振、NVSRAM、IIC串行接口的高精度实时时钟芯片，内置晶振及数字温度补偿，实现在常温及宽温范围内不需用户干预、全自动、高可靠计时功能；SD2500可保证时钟精度为±5ppm，即年误差小于2.6分钟。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种锂电池在线监测的方法，其特征在于，包括：通过电池内阻测量和对所述锂电池K值测量的过程中，采用同一个MCU电路控制所述测量过程，并在线监测测量结果。

2.根据权利要求1所述的锂电池在线监测的方法，其特征在于，所述电池内阻测量方法为：

生成恒定的正弦波信号；

采用所述恒定的正弦波信号经过四线制的连接方式，在电池后端，与内阻测试并联的通道上加入对电池内阻信号的校正电路，对10mΩ的标准电阻进行测试，得到需要的内阻校正曲线；

通过差分放大电路，放大得到的内阻交流电压信号；

对得到的交流电压信号进行滤波，得到频率为1KHz的交流电压信号；

对所述交流信号经过半波整流，得到测试电压的有效值；

MCU根据A/D转换器采集到的电压值，得出内阻值。

3.根据权利要求1所述的锂电池在线监测的方法，其特征在于，电池K值测量方法为：

通过时钟电路记录电池组A闲置8小时后，通过电池单体电压测量电路记录电池组内所有单体电压Van其中，a表示电池组，n代表电池组内第n个电芯，时钟电路记录电池组闲置16小时后，通过电池单体电压测量电路记录其电压Van’，MCU进行运算得到K值。

4.根据权利要求3所述的锂电池在线监测的方法，其特征在于，上述K值＝(Van-Van’)/T，其中T为闲置时间差。

5.一种锂电池在线监测的装置，其特征在于，包括电池内阻测量电流的装置和电池K值测量装置。

6.根据权利要求5所述的所述锂电池在线监测的装置，其特征在于，电池内阻测量电流的装置包括依次连接的正弦信号发生器、耦合驱动电路、差分滤波电路、锁相放大电路、滤波整流电路和MCU电路；

所述正弦信号发生器，用于输出1KHz，1mA正弦信号；

所述耦合驱动电路，用于将正弦信号发生器输入的1KHz，1mA正弦信号功率进行放大，输出1KHz，50mA恒流正弦信号给电池和采样电阻；

所述耦合驱动电路，用于将正弦信号发生器输入的1KHz，1mA正弦信号功率进行放大，输出1KHz，50mA恒流正弦信号给电池和采样电阻；

所述差分滤波电路，用于将采集的交流信号提高分辨率和降低噪声，使调理后输出信号的最大值和MCU的最大输入值相等；

所述锁相放大电路，用于将检测的信号应进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰；

所述滤波整流电路；用于对放大后的信号进行滤波处理；

所述MCU电路；用于根据A/D转换器采集到的电压值，得出真实的内阻值。

7.根据权利要求6所述的所述锂电池在线监测的装置，其特征在于，所述正弦信号发生器采用ICL8038芯片；

所述耦合驱动电路采用OPA552和LM358组成双运放恒流源电路。

8.根据权利要求6所述的所述锂电池在线监测的装置，其特征在于，所述锁相放大电路采用AD630芯片，所述AD630芯片由一个相敏检测器件和一个低通滤波器构成。

9.根据权利要求5所述的所述锂电池在线监测的装置，其特征在于，所述电池K值测量装置包括电池单体电压测量电路，时钟电路和MCU电路；

所述电池单体电压测量电路，用于测量电池单体电压；

所述时钟电路，用于精确记录时间；

所述MCU电路；进行运算得到K值。

10.根据权利要求9所述的所述锂电池在线监测的装置，其特征在于，所述单体电压采集电路由电池电压测量芯片LTC6811和相关外围电路组成，其内置晶振及数字温度补偿置噪声滤波器ΔΣ转换器；所述时钟电路采用SD2405芯片，SD240是一种具有内置晶振、NVSRAM、IIC串行接口的高精度实时时钟芯片。