一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种二次电池的阻抗测量系统和阻抗测量方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的有益效果是与现有技术相比，本专利技术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，指导电池性本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。...

【技术特征摘要】
1.一种二次电池的阻抗测量系统，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；其电池充电放电模块由电子负载、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；其特征在于，所述的交流扫频模块由301交流扫频仪和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；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。2.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晓峰，顾敖大，潘建欣，丁晓莉，王树博，
申请(专利权)人：清华大学，宜兴市清能新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11