CN112505566A - 一种电池充放电过程动态阻抗判断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池充放电过程动态阻抗判断系统及方法，其中：系统包括充电检测模块、放电检测模块、计算单元、判断单元，所述充电检测模块用于检测电池充电能量数据，所述放电检测模块用于检测电池放电能量数据，所述充电检测模块、放电检测模块的输出端分别连接至计算单元，所述计算单元用于根据充电能量数据和放电能量数据计算出表征阻抗大小的电池阻抗指数，所述判断单元用于根据计算单元计算的电池阻抗指数来判断动态阻抗的状态。本发明可以通过定性的测量参数做到快速的计算标准电池阻抗的电池阻抗系数，从而可以做到快速对电池进行阻抗的判断检测。

Description

一种电池充放电过程动态阻抗判断系统及方法

技术领域

本发明涉及电池检测领域，特别涉及一种电池充放电过程动态阻抗判断系统及方法。

背景技术

自锂离子电池发明以来，由于其具有比能量大、寿命长、自放电小，无记忆效应、以及对环境污染小等优点，成为目前最有前途和竞争力的二次电池。随着锂电池生产技术的不断提升，成本的不断压缩，近几年锂电池被广泛的应用到动力、消费、和储能等诸多领域。

对于锂离子电池而言，其在充放电过程中的阻抗(含欧姆极化、电化学极化和浓差极化)是一项重要指标。电池阻抗影响电池性能的方方面面，例如：增加电池温升，减少电池寿命，甚至可以导致电池安全问题。因此，在电池开发和使用过程中监控电池阻抗极为重要。

监控电池阻抗的方法通常有以下几种：

1)内阻仪测量电池内阻，该方法通常只能测得电池的欧姆阻抗，无法测得电池的电化学极化和浓差极化，是一种在电池静态状态时简单表征电池阻抗的方法，具有较大片面性。

2)电化学工作站测量电池的交流阻抗，该方法可以较为全面的测得电池的欧姆极化、电化学极化和浓差极化带来的阻抗，但电化学工作站价格较为昂贵，操作较为精细和繁琐，要求测试人员有较高的电化学专业知识，对于普通的电池企业而言，该方法代价偏高。

3)通过混合功率脉冲特性(HPPC)测试计算电池的直流阻抗，该方法通过测试设备对电池在不同soc状态下施加大电流脉冲I，记录电池电压在短时间内的变化△V，并根据公式R＝△V/I计算得来。该方法同样需要较为精密的测试设备，需要专业性较强的测试人员，且测试时间长，数据处理过程复杂。同时该方法测得的数据是电池模拟电池静态状态时的直流阻抗，并不能涵盖其他类型阻抗，结果具有较大片面性。

综上，当前几种阻抗测量方法各有缺陷，均不适用于电池在动态充放电过程中综合阻抗的判断，无法给出电池的阻抗判断。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电池充放电过程动态阻抗判断系统及方法，通过该方法可以简单高效的对阻抗进行定行判断，从而实现对于阻抗的检测判断。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电池充放电过程动态阻抗判断系统，包括充电检测模块、放电检测模块、计算单元、判断单元，所述充电检测模块用于检测电池充电能量数据，所述放电检测模块用于检测电池放电能量数据，所述充电检测模块、放电检测模块的输出端分别连接至计算单元，所述计算单元用于根据充电能量数据和放电能量数据计算出表征阻抗大小的电池阻抗指数，所述判断单元用于根据计算单元计算的电池阻抗指数来判断动态阻抗的状态。

所述电池阻抗指数计算方式为放电能量与充电能量的比值。

所述充电检测模块、放电检测模块检测的充电能量和放电能量为电池的一个完整充放电流程中对应的充电能量和放电能量。

所述判断单元根据电池阻抗系数的大小判断电池阻抗的大小。

预先设置电池阻抗系数阈值，所述判断单元根据电池阻抗系数与电池阻抗系数阈值的大小判断阻抗是否满足要求或者所述判断单元根据现先标定的阻抗系数对应的阻抗状态对照表来判断阻抗的大小。

一种电池充放电过程动态阻抗判断方法，包括如下步骤：

分别计算从充电开始到充电结束过程中电池充入的能量值Ec以及从放电开始到放电结束时电池放电放出的能量值Ed；

计算电池阻抗指数D＝Ed/Ec；

用电池阻抗指数来表征电池阻抗的大小和/或根据电池阻抗系数大小来判断电池阻抗是否满足要求。

计算的电池充入能量值Ec和电池放出的能量值Ed是一个完整充放电过程中的充入能量和放电过程中的放出能量。

在计算从充电开始到充电结束过程中电池充入的能量值Ec中，充电开始即电池电量为零时，充电结束为电池电量充满时。

在计算放电开始到放电结束时电池放电放出的能量值Ed中，放电开始到放电结束是指电池电量由满电放电至空电。

在电池在工作或测试工况下且包含一个完整的充放电过程时计算出的电池阻抗指数作为判断电池阻抗的计算值。

本发明的优点在于：可以通过定性的测量参数做到快速的计算标准电池阻抗的电池阻抗系数，从而可以做到快速对电池进行阻抗的判断检测，且可以在电池的任何包括完整充放电过程的工况下进行，适应性强，可靠方便且成本低，涉及的元件较少，结构简单，计算方便。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明系统结构原理图；

图2为本发明25℃时三元锂离子电池的电池阻抗指数与循环次数的关系图

图3为本发明45℃时三元锂离子电池的电池阻抗指数与循环次数的关系图

图4为本发明不同放电倍率时三元锂离子电池的电池阻抗指数与放电倍率的关系图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明意图提供一种简单快捷、成本低、且能监控电池在动态充放电过程中综合阻抗的新方法。

如图1所示，一种电池充放电过程动态阻抗的判断系统，该充放电过程可以是实验测试时的充放电过程，也可以是在电池正常工作时的充放电过程。系统具体包括充电检测模块、放电检测模块、计算单元、判断单元；

充电检测模块用于检测电池充电能量数据Ec，放电检测模块用于检测电池放电能量数据Ed，可以直接采集能量数据，能量是指冲入的电能和放出的电能，单位为WH，不是电量的mah。

充电检测模块、放电检测模块的输出端分别连接至计算单元，计算单元用于根据充电能量数据和放电能量数据计算出表征阻抗大小的电池阻抗指数，计算单元通过预先设置的能量的计算方法计算出对应的能量数据，可以采用具有数据计算处理功能的芯片来实现。

判断单元用于根据计算单元计算的电池阻抗指数来判断动态阻抗的状态。判断单元主要根据计算的标准阻抗大小的电池阻抗指数来对电池阻抗进行定性定量的判断，其中电池阻抗指数的计算方法为：放电能量与充电能量的比值。

当比值越大则阻抗越小，比值越小则阻抗越大，从而可以进行定性判断阻抗大小，而且可以预先设置电池阻抗系数阈值，判断单元根据电池阻抗系数与电池阻抗系数阈值的大小判断阻抗是否满足要求，当大于预先设置的阈值时，则判断阻抗满足要求，若小于设定阈值，则判断不符合要求；或者判断单元根据现先标定的阻抗系数对应的阻抗状态对照表来判断阻抗的大小，一般可以通过预先标定同一类型、性能参数的电池的阻抗指数与阻抗之间的对应关系，来转换成阻抗-阻抗指数，进而给出一定的阻抗判断。判断单元主要采用具有数据处理判断的控制器来实现。

充电检测模块、放电检测模块检测的充电能量和放电能量为电池的一个完整充放电流程中对应的充电能量和放电能量。就是说当通过测试工况下进行阻抗测试时，则采集及计算的Ec、Ed为同一个充放电过程中以及放电过程中的充电能量和放电能量；若处于电池工作状态时，则为电池用完电后开始充电进行能量计算直至充电截至；当充电截止完成后开始放电，直至放电截止中间未出现充电，这一过程中的放电能量作为Ed；若中间不满足要求，则不进行阻抗系数的计算或计算值舍弃。在电池正常工作时，通过电池管理系统来监控和实现上述系统中的检测、计算以及对于是否处于一个充放电过程进行判断。

一种电池充放电过程动态阻抗判断方法，包括如下步骤：

分别计算从充电开始到充电结束过程中电池充入的能量值Ec以及从放电开始到放电结束时电池放电放出的能量值Ed；

计算电池阻抗指数D＝Ed/Ec；

用电池阻抗指数来表征电池阻抗的大小和/或根据电池阻抗系数大小来判断电池阻抗是否满足要求。

计算的电池充入能量值Ec和电池放出的能量值Ed是一个完整充放电过程中的充入能量和放电过程中的充入能量。在计算从充电开始到充电结束过程中电池充入的能量值Ec中，充电开始即电池电量为零时，充电结束为电池电量充满时。在计算放电开始到放电结束时电池放电放出的能量值Ed中，放电开始到放电结束是指电池由满电放电至空电(截至)。

在电池在工作或测试工况下且包含一个完整的充放电过程时计算出的电池阻抗指数作为判断电池阻抗的计算值。若不是一个完整的充放电过程，不进行阻抗系数的计算或计算值舍弃。

本申请测试判断方法可以在电池进行参数测试时同步进行或者可以在电池正常工作充放电时进行，主要满足从空电到充满电以及从充满电到空电这一流程即可。以测试工况进行介绍：

1、选取某型号电池进行测试，测试可参考国标或企业规定，测试可以是循环寿命测试、充放电倍率测试、高低温性能测试或其他测试，但测试必须至少包含一个完整的充放电步骤。

2、根据1中所测电池的数据，取充电结束电池充入的能量值Ec及放电结束电池放出的能量值Ed，则电池阻抗指数D＝Ed/Ec，电池阻抗指数即代表电池阻抗的大小：D越大，电池阻抗越小，D越小，电池阻抗越大。可以根据阻抗系数来表征阻抗大小，从而进行判断。

本发明优点包括：1)本发明通过每个充放电过程中放电能量与充电能量的比值作为电池阻抗指数，具有普遍性，适用于各类二次电池。2)本发明测试成本低，数据收集和处理简单，易于推广应用，不需要购置额外的设备，普遍适用于当前的所有充放电设备。3)本发明监控过程中，不需要暂停测试，保持了性能测试的连贯性，避免了中断测试带来的异常可能。4)本发明可大幅节省目前评价阻抗所需的时间和人力、物力。5)本发明可避免内阻仪和HPPC测试方法带来的阻抗片面性，给出判断电池动态综合阻抗的依据，并可在高低温测试、倍率测试、循环测试等诸多测试中应用。6)本发明可指导电动汽车、电动工具、储能领域等所有二次电池使用过程中的电池更换，保障其良好运行，同时也有利于规避安全隐患。

本发明通过每个充放电后放电能量值与充电能量值之比作图来判断电池动态充放电过程中的阻抗大小，为了实现验证操作，本申请进行了实验：

验证1：选取三种不同型号三元锂离子电池电池A、电池B、电池C电池进行25℃1C/1C充放电循环。如图1所示，根据放电能量与充电能量计算电池每次循环过程中的电池阻抗指数D并作为纵坐标，循环次数为横坐标作图，选取前10次充放电数据。图2所示，电池阻抗指数D的大小关系为：电池B＞电池A＞电池C，同时通过传统方式计算得到的电池阻抗的大小为：电池阻抗电池C＞电池A＞电池B，则可以看出两者基本一致，而且本申请测试更加快速方便。而由本申请的方法计算基本可以预测循环后期电池衰减C最快，B最慢，同时相同环境下使用时电池C的温升最大，B最小，本申请通过实验进行验证也满足这一推测。而且由于同时电池A与电池B的电池阻抗指数D波动较大，而电池C波动较小，可以推测电池A与电池B所处环境温度不稳定，而电池C所处环境温度较稳定，在实验过程中记录各电池的温度波动，也可以验证基于本申请的阻抗系数的可靠性。

验证2：选取三种不同型号三元锂离子电池电池A、电池B、电池C电池进行45℃1C/1C充放电循环。如图3所示，根据放电能量与充电能量计算电池每次循环过程中的电池阻抗指数D并作为纵坐标，循环次数为横坐标作图，选取前10次充放电数据。图3所示，电池阻抗指数D的大小关系为：电池B＞电池A＞电池C，即电池阻抗电池C＞电池A＞电池B，则基本可以预测循环后期电池衰减C最快，B最慢，同时相同环境下使用时电池C的温升最大，B最小。同时，随着循环进行三个电池的阻抗指数D比较稳定，证明环境温度与内部电化学体系均未发生变化。可以验证阻抗系数对于判断阻抗的科学性。

验证3：选取某型号锂离子电池进行0.33C、0.5C、1C、2C、3C倍率放电测试(充电倍率相同)。如图4所示，根据放电能量与充电能量计算电池每个倍率放电过程中的电池阻抗指数D并作为纵坐标，放电倍率作为横坐标。图4所示，电池阻抗指数D的大小关系为：0.33C＞0.5C＞1C≈2C＞3C。证明大倍率放电时电池阻抗较大，同时该电池在1C和2C放电时的阻抗相近。由此可见阻抗系数对应的推测结果与实际上的阻抗是相同的，也就是说通过阻抗系数可以代替阻抗来进行判断阻抗数值。

综上所述，通过对比分析电池阻抗指数D可以有效预判电池动态充放电过程中的阻抗情况。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池充放电过程动态阻抗判断系统，其特征在于：包括充电检测模块、放电检测模块、计算单元、判断单元，所述充电检测模块用于检测电池充电能量数据，所述放电检测模块用于检测电池放电能量数据，所述充电检测模块、放电检测模块的输出端分别连接至计算单元，所述计算单元用于根据充电能量数据和放电能量数据计算出表征阻抗大小的电池阻抗指数，所述判断单元用于根据计算单元计算的电池阻抗指数来判断动态阻抗的状态。

2.如权利要求1所述的一种电池充放电过程动态阻抗判断系统，其特征在于：所述电池阻抗指数计算方式为放电能量与充电能量的比值。

3.如权利要求1所述的一种电池充放电过程动态阻抗判断系统，其特征在于：所述充电检测模块、放电检测模块检测的充电能量和放电能量为电池的一个完整充放电流程中对应的充电能量和放电能量。

4.如权利要求1所述的一种电池充放电过程动态阻抗判断系统，其特征在于：所述判断单元根据电池阻抗系数的大小判断电池阻抗的大小。

5.如权利要求1或4所述的一种电池充放电过程动态阻抗判断系统，其特征在于：预先设置电池阻抗系数阈值，所述判断单元根据电池阻抗系数与电池阻抗系数阈值的大小判断阻抗是否满足要求或者所述判断单元根据现先标定的阻抗系数对应的阻抗状态对照表来判断阻抗的大小。

6.一种电池充放电过程动态阻抗判断方法，其特征在于：包括如下步骤：

分别计算从充电开始到充电结束过程中电池充入的能量值Ec以及从放电开始到放电结束时电池放电放出的能量值Ed；

计算电池阻抗指数D＝Ed/Ec；

用电池阻抗指数来表征电池阻抗的大小和/或根据电池阻抗系数大小来判断电池阻抗是否满足要求。

7.如权利要求6所述的一种电池充放电过程中动态阻抗判断方法，其特征在于：计算的电池充入能量值Ec和电池放出的能量值Ed是一个完整充放电过程中的充入能量和放电过程中的放出能量。

8.如权利要求6所述的一种电池充放电过程中动态阻抗判断方法，其特征在于：在计算从充电开始到充电结束过程中电池充入的能量值Ec中，充电开始即电池电量为零时，充电结束为电池电量充满时。

9.如权利要求6所述的一种电池充放电过程中动态阻抗判断方法，其特征在于：在计算放电开始到放电结束时电池放电放出的能量值Ed中，放电开始到放电结束是指电池电量由满电放电至截至空电。

10.如权利要求6所述的一种电池充放电过程中动态阻抗判断方法，其特征在于：在电池在工作或测试工况下且包含一个完整的充放电过程时计算出的电池阻抗指数作为判断电池阻抗的计算值。

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