CN113495221B - 一种电池直流阻抗的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池直流阻抗的测试方法，通过采用两种不同的充放电倍率对电池进行充放电；然后通过计算得到充放电过程中设定SOC对应的开路电压，利用设定SOC对应的开路电压，进而计算出设定SOC对应的电池直流阻抗。本发明能够极大提高测试效率，缩减测试成本，减少设备的安装投入。

Description

一种电池直流阻抗的测试方法
技术领域
本发明属于电池测试技术领域，具体涉及一种电池直流阻抗的测试方法。
背景技术
随着绿色能源和环保理念的逐渐升级，动力锂离子电池产品近几年呈爆发式增长。为了确保锂离子动力电池的性能能够满足客户日常使用需求，需要对动力电池进行各种性能测试。其中，为了确定整车在运行时能否满足启动、爬坡和反馈策略的需求，需要对动力电池进行直流阻抗(Direct Current Resistance,DCR)测试。DCR测试是指对电池在某个荷电状态(State of charge,SOC)下充(放)电一定的时间内的平均电阻进行测试，具体过程如下：
首先测试某个SOC下的开路电压(open circuit voltage，OCV)，再以给定脉冲电流进行给定时间ms的脉冲充放电后得瞬时电压，然后按照下面的定义公式即可得到此SOC下以给定电流放电给定时间的DCR。
其中，OCVrest为某个SOC下的开路电压，Ums为以给定脉冲电流进行给定时间的脉冲充放电后得到的瞬时电压，Inc为给定脉冲电流。
目前，现有的DCR测试方法的整体过程如下：
1)确定要进行测试的是充电DCR还是放电DCR，确定需要测试的SOC点，通常条件下每隔5％SOC测试一次，例如100％SOC,95％SOC,……,10％SOC,5％SOC。确定测试温度，通常测试温度为25℃，35℃，45℃，15℃，0℃(只测试放电)，-10℃(只测试放电)，-20℃(只测试放电)等。确定进行DCR测试时的脉冲电流和时间，通常脉冲电流为1C，2C，4C，通常脉冲时间为30s，60s，90s。
2)使用0.5C～1.0C调整至相应的OCV，确定搁置时长，常温下搁置3h，高温(>25℃)下搁置12h，低温(<25℃)下搁置18h，待电压稳定后记录电压值，所得电压值即为此SOC下的OCV。
3)在该SOC下按给定的脉冲电流和时间进行脉冲充放电，记录脉冲充放电完成时的瞬间电压。
4)调整SOC进行下一个SOC点的DCR测试，在完成一个温度下的SOC-DCR测试后，进行下一个温度点SOC-DCR测试。
通过分析可知，现有的DCR测试方法存在以下问题：1测试时间较长：常温的SOC-DCR测试时长约为8天，高温的SOC-DCR测试时长约为16天，低温的SOC-DCR测试时长约为30天；2调整SOC时是按照充放电量进行的调整，多次调整后会有一定的偏差。总之，现有的DCR测试方法存在测试时间长、测试效率低，测试结果不准确的问题。
发明内容
本发明提供了一种电池直流阻抗的测试方法，用以解决现有的DCR测试方法测试时间长的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：
本技术方案提供了一种充电过程的电池直流阻抗的测试方法，步骤如下：
在设定测试温度下，采用至少两种不同的充电倍率对电池进行充电；
在充电过程中，记录在同一设定SOC下不同充电倍率对应的电压；
对同一设定SOC下的不同充电倍率及其对应的电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算充电倍率为零时的电压，并将充电倍率为零时的电压作为所述设定SOC下的开路电压；
根据设定SOC下的开路电压、脉冲充电电流以及脉冲充电结束时对应的开路电压，计算设定SOC下的电池直流阻抗，计算公式为：
其中，DCR为电池直流阻抗，OCVrest1为设定SOC下的开路电压，OCVms1为脉冲充电结束时对应的开路电压，InC1为脉冲充电电流，R1为脉冲充电结束时对应的开路电压的拟合直线在InC1处的斜率。
上述技术方案的有益效果为：采用不同的充电倍率对电池进行充电，根据充电深度相同的原理，对同一设定SOC下的不同充电倍率及其电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算充电倍率为零时的电压即为开路电压，进而通过公式推导得到充电过程中设定SOC下的DCR，使得DCR测试时间由实测的8-60天缩短到小于5天，能够极大提高测试效率，缩减测试成本，减少设备的安装投入。
进一步的，为了在缩短测试时间的同时减小测试误差，所述充电倍率的取值范围为0.33C～1.0C。
进一步的，为了缩短测试时间，采用两种或三种充电倍率对电池进行充电。
进一步的，为了在缩短测试时间的同时减小测试误差，采用0.33C和0.5C的充电倍率对电池进行充电；或者采用0.33C、0.5C和0.8C的充电倍率对电池进行充电。
本技术方案还提供了一种放电过程的电池直流阻抗的测试方法，步骤如下：
在设定测试温度下，采用至少两种不同的放电倍率对电池进行放电；
在放电过程中，记录在同一设定SOC下不同放电倍率对应的电压；
对同一设定SOC下的不同放电倍率及其对应的电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算放电倍率为零时的电压，并将放电倍率为零时的电压作为所述设定SOC下的开路电压；
根据设定SOC下的开路电压、脉冲放电电流以及脉冲放电结束时对应的开路电压，计算设定SOC下的电池直流阻抗，计算公式为：
其中，DCR为电池直流阻抗，OCVrest2设定SOC下的开路电压，OCVms2为脉冲放电结束时对应的开路电压，InC2为脉冲放电电流，R2为脉冲放电结束时对应的开路电压的拟合直线在InC2处的斜率。
上述技术方案的有益效果为：采用不同的放电倍率对电池进行放电，根据放电深度相同的原理，对同一设定SOC下的不同放电倍率及其电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算放电倍率为零时的电压即为开路电压，进而通过公式推导得到放电过程中设定SOC下的DCR，使得DCR测试时间由实测的8-60天缩短到小于5天，能够极大提高测试效率，缩减测试成本，减少设备的安装投入。
进一步的，为了在缩短测试时间的同时减小测试误差，所述放电倍率的取值范围为0.33C～1.0C。
进一步的，为了缩短测试时间，采用两种或三种放电倍率对电池进行放电。
进一步的，为了在缩短测试时间的同时减小测试误差，采用0.33C和0.5C的放电倍率对电池进行放电；或者采用0.33C、0.5C和0.8C的放电倍率对电池进行放电。
附图说明
图1是本发明的充电过程的电池直流阻抗的测试方法的流程图；
图2是本发明的充电过程SOC为50％时对应的拟合直线；
图3是本发明的放电过程的电池直流阻抗的测试方法的流程图；
图4是本发明的放电过程SOC为50％时对应的拟合直线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本实施例提供了一种电池直流阻抗的测试方法，通过采用不同的充放电倍率对电池进行充放电，对不同设定SOC下的充放电倍率及其对应的电压进行线性拟合，即可得到不同SOC下的OCV；根据设定SOC下的开路电压、脉冲充放电电流以及脉冲充放电结束时对应的开路电压，即可计算充放电过程中各设定SOC对应的电池直流阻抗。该电池直流阻抗的测试方法可以用于所有锂离子电池的电池直流阻抗测试，电池材料类型包括三元电池，磷酸铁锂电池，钴酸锂电池，电池类型包括软包电池，铝壳电池，圆柱电池等，通用性较强。
其中，该电池直流阻抗的测试方法包括两种情况：1、充电过程的电池直流阻抗的测试方法；2、放电过程的电池直流阻抗的测试方法。下面就充电过程和放电过程这两种情况，对该电池直流阻抗的测试方法进行详细介绍。
充电过程的电池直流阻抗的测试方法实施例：
本实施例提供了一种充电过程的电池直流阻抗的测试方法，其对应的流程图如图1所示，步骤如下：
(1)在设定测试温度25℃下，采用两种不同的充电倍率对电池进行充电，两种充电倍率分别为0.33C和0.5C，使电池的SOC从0上升到100％。在充电过程中，测量并记录电池在设定SOC下的电压，例如SOC分别达到5％、10％、15％、……、95％和100％时对应的电压。
(2)对电池达到同一设定SOC下时的充电倍率0.33C、充电倍率0.33C对应的电压以及充电倍率0.5C、充电倍率0.5C对应的电压行线性拟合，根据拟合出的直线计算充电倍率为零时的电压，并将充电倍率为零时的电压作为该设定SOC的开路电压。
其中，对于两个充电倍率0.33C和0.5C，其对应的两个充电电流分别记为I0.33C和I0.5C。倍率用“C”表示，用来表示电池充放电能力倍率，1C表示电池1小时完全充(放)电时电流强度，如标称为2200mA·h的电池在1C下放电1小时放电完成，此时该放电电流为2200mA。在分别采用充电倍率0.33C和0.5C给电池充电的过程中，当达到某一设定SOC时，两种充电倍率对应的电压分别记为U0.33C和U0.5C，此时对(I0.33C，U0.33C)和(I0.5C，U0.5C)进行线性拟合，得到充电电流-电压直线，也就是I-U直线。例如，在充电过程中，当SOC达到50％SOC时，对应拟合得到的I-U直线如图2所示。根据I-U直线，计算充电电流为零时的电压，该电压即为充电过程中当前设定SOC下的开路电压。这样，就可以得到不同设定SOC下的开路电压。
在电池充电过程中，对于设定SOC，当其对应的I-U直线在充电电流为零时所得到的电压为开路电压时，那么该I-U直线对应的的数学表达式可以表示为：
其中，OCVcharge为在充电过程中，电池在设定SOC下对应的开路电压，R1为斜率。
(3)在对电池进行DCR测试时，在充电过程中，设某一设定SOC下对应的开路电压为OCVrest1，以脉冲充电电流InC1充电设定充电时间tnc1，充电结束时得到对应的瞬时电压Ums1。可根据根据公式(1)中的DCR定义，求出该设定SOC下的DCR。
根据设定SOC，脉冲充电电流InC1和设定充电时间tnc1，可根据公式(3)求出脉冲充电后的SOCms1，
SOCms1＝SOC+(CInc1*ttnc1)/3600 (3)
其中，CInc1为将InC1转为倍率的对应值，1C(1倍率)等于1小时将电池充满电对应的电流；ttnc1为将tnc1转化为秒的对应值。
根据公式(2)可求出SOCms1下对应的开路电压OCVms1(即脉冲充电结束时对应的开路电压OCVms1)。结合公式(2)，对公式(1)中的DCR进行展开变换，则脉冲充电前对应设定SOC下的电池直流阻抗DCR的计算公式如下：
需要说明的，在上述的充电过程的电池直流阻抗的测试方法中，是以设定测试温度为25℃、两种不同的充电倍率为0.33C和0.5C为例进行说明的，作为其他的实施方式，可以根据测试需求来确定对应的测试温度，例如选择在35℃下进行测试；并且，在保证充电倍率的取值范围为0.33C～1.0C的情况下，两种充电倍率的大小也是可以改变的，例如采用0.5C和1C的充电倍率对电池进行充电，在每个设定SOC下仍然可以确定一条I-U直线，从而确定不同设定SOC下的开路电压。但是，充电倍率越大，测试时间越短，但误差会增大。
当然，作为其他的实施方式，也可以采用两种以上不同的充电倍率对电池进行充电，并测量和记录不同充电倍率下电池在设定SOC下的电压，并对得到的同一设定SOC下的多个充电倍率及其对应的电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算充电倍率为零时的电压，从而得到不同设定SOC下的开路电压，进而根据同一设定SOC下的开路电压，计算出各个设定SOC对应的DCR。例如，采用三种不同的充电倍率对电池进行充电，充电倍率分别为0.33C、0.5C和0.8C，对应的充电电流为I0.33C、I0.5C、I0.8C，分别记录充电过程中同一设定SOC下三种充电倍率对应的电压U0.33C、U0.5C、U0.8C，对(I0.33C，U0.33C)、(I0.5C，U0.5C)和(I0.8C，U0.8C)进行线性拟合，计算出各个设定SOC对应的开路电压，从而最终计算出各个设定SOC对应的DCR。在获取设定SOC下的开路电压的过程中，测试的充电倍率点越多，测试准确率越高，测试误差越小，但测试时长会增加。
放电过程的电池直流阻抗的测试方法实施例：
本实施例提供了一种放电过程的电池直流阻抗的测试方法，对应的流程图如图3所示，步骤如下：
1)在设定测试温度25℃下，采用两种不同的放电倍率对电池进行放电，两种放电倍率分别为0.33C和0.5C，使电池的SOC从100％下降到0。在放电过程中，测量并记录电池在设定SOC下的电压。
2)对电池达到同一设定SOC下时的放电倍率0.33C、放电倍率0.33C对应的电压以及放电倍率0.5C、放电倍率0.5C对应的电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算放电倍率为零时的电压，并将放电倍率为零时的电压作为该设定SOC的开路电压。例如，在电池放电过程中，当SOC达到50％SOC时，对应拟合得到的I-U直线如图4所示。
在电池放电过程中，对于设定SOC，当其对应的I-U直线在放电电流为零时所得到的电压为开路电压时，那么该I-U直线对应的的数学表达式可以表示为：
其中，I0′.33C、I0′.5C分别为放电倍率0.33C、0.5C对应的放电电流，U0′.33C、U0′.5C分别为达到同一设定SOC时放电倍率0.33C、0.5C对应的电压，OCVdischarge为在放电过程中，电池在设定SOC下对应的开路电压，R2为斜率。
3)在对电池进行DCR测试时，在放电过程中，设某一设定SOC下对应的开路电压为OCVrest2，以脉冲放电电流InC2放电设定放电时间tnc2，放电结束时得到对应的瞬时电压Ums2。据根据公式(1)中的DCR定义，求出该设定SOC下的DCR。
根据设定SOC，脉冲放电电流InC2和设定放电时间tnc2，可根据公式(6)求出脉冲充电后的SOCms2，
SOCms2＝SOC-(CInc2*ttnc2)/3600 (6)
其中，CInc2为将InC2转为倍率的对应值，1C(1倍率)等于1小时将电池放空对应的电流；ttnc2为将tnc2转化为秒的对应值。
根据公式(5)可求出SOCms2下对应的开路电压OCVms2(即脉冲放电结束时对应的开路电压OCVms2)。结合公式(5)，对公式(1)中的DCR进行展开变换，则脉冲放电前对应设定SOC下的电池直流阻抗DCR的计算公式如下：
对于该放电过程的电池直流阻抗的测试方法，其基本原理与上述的充电过程的电池直流阻抗的测试方法相同，唯一不同的是一个用于充电过程，一个用于放电过程。由于该充电过程的电池直流阻抗的测试方法已经在上述的充电过程的电池直流阻抗的测试方法实施例中进行了详细介绍，此处对放电过程的电池直流阻抗的测试方法不再进行赘述。
上述的电池直流阻抗的测试方法通过采用不同的充放电倍率对电池进行充放电，得到不同设定SOC下的开路电压，进而通过公式推导得到电池充放电过程中设定SOC下的DCR，使得DCR测试时间由实测的8-60天缩短到小于5天，能够极大提高测试效率，缩减测试成本，减少设备的安装投入。根据实际统计，该电池直流阻抗的测试方法所算的DCR与实际测得的极差小于5％，保证了测试的准确性。

Claims (8)

1.一种充电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，步骤如下：
在设定测试温度下，采用至少两种不同的充电倍率对电池进行充电；
在充电过程中，记录在同一设定SOC下不同充电倍率对应的电压；
对同一设定SOC下的不同充电倍率及其对应的电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算充电倍率为零时的电压，并将充电倍率为零时的电压作为所述设定SOC下的开路电压；
根据设定SOC下的开路电压、脉冲充电电流以及脉冲充电结束时对应的开路电压，计算设定SOC下的电池直流阻抗，计算公式为：
其中，DCR为电池直流阻抗，OCVrest1为设定SOC下的开路电压，OCVms1为脉冲充电结束时对应的开路电压，InC1为脉冲充电电流，R1为脉冲充电结束时对应的开路电压的拟合直线在InC1处的斜率。
2.根据权利要求1所述的充电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，所述充电倍率的取值范围为0.33C～1.0C。
3.根据权利要求1或2所述的充电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，采用两种或三种充电倍率对电池进行充电。
4.根据权利要求3所述的充电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，采用0.33C和0.5C的充电倍率对电池进行充电；或者采用0.33C、0.5C和0.8C的充电倍率对电池进行充电。
5.一种放电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，步骤如下：
在设定测试温度下，采用至少两种不同的放电倍率对电池进行放电；
在放电过程中，记录在同一设定SOC下不同放电倍率对应的电压；
对同一设定SOC下的不同放电倍率及其对应的电压进行线性拟合，根据拟合出的直线计算放电倍率为零时的电压，并将放电倍率为零时的电压作为所述设定SOC下的开路电压；
根据设定SOC下的开路电压、脉冲放电电流以及脉冲放电结束时对应的开路电压，计算设定SOC下的电池直流阻抗，计算公式为：
其中，DCR为电池直流阻抗，OCVrest2设定SOC下的开路电压，OCVms2为脉冲放电结束时对应的开路电压，InC2为脉冲放电电流，R2为脉冲放电结束时对应的开路电压的拟合直线在InC2处的斜率。
6.根据权利要求5所述的放电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，所述放电倍率的取值范围为0.33C～1.0C。
7.根据权利要求5或6所述的放电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，采用两种或三种放电倍率对电池进行放电。
8.根据权利要求7所述的放电过程的电池直流阻抗的测试方法，其特征在于，采用0.33C和0.5C的放电倍率对电池进行放电；或者采用0.33C、0.5C和0.8C的放电倍率对电池进行放电。
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