一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术为一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置及方法，装置包括微处理器、交流小信号发生器、运算放大器、电压电流转换电路、信号调理电路、高速ADC采集电路、LCD液晶显示模块、上位机、可编程开关电路、多路复用开关电路和矩阵键盘模块；微控制器控制可编程开关电路将开关切换到电池组的待测量电池单体两端，当微控制器控制多路复用开关电路将开关切换到采样电阻两端，采集采样电阻两端的电压；当微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至可编程开关电路两端，采集待测量电池单体两端的电压。该装置能够在定频或扫频模式下在线测量锂离子电池的交流阻抗，对锂离子电池的工作状态进行在线监测，进而对锂离子电池进行安全预警。警。警。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置及方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池交流阻抗在线测量
，具体是一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置及方法。

技术介绍

[0002]由于锂离子电池具有比能量高等特点，使其被广泛用于新能源汽车以及电子产品领域。近年来，多起由于新能源汽车自燃而引起的事故，造成了极大的生命财产损失，其主要是由锂离子电池热失控、内短路等故障造成的，因此锂离子电池的安全问题也值得关注。
[0003]锂离子电池在特征频率下的交流阻抗是衡量锂离子电池状态的一个重要指标，当锂离子电池发生内短路、温度过高、电池老化等障故时，交流阻抗具有明显变化。此外，在低频激励信号下的交流阻抗与锂离子电池的荷电状态(State of Charge，SOC)具有密切关系，因此锂离子电池的交流阻抗也可以用于锂离子电池温度估计、SOC估计、健康状态(State of Health，SOH)估计等。
[0004]目前，测量锂离子电池交流阻抗的主要设备为电化学工作站，虽然测量精度较高，但是存在体积大、测量周期长、只能用于离线测量等缺点，而对于工作状态的锂离子电池则无法实时在线测量交流阻抗，因此本申请设计了一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置，可在线实时监测锂离子电池的交流阻抗，通过判断特征频率下的交流阻抗变化，配合电池管理系统(Battery Management System，BMS)实现锂离子电池发生故障前的安全预警，可以有效避免由于锂离子电池故障而导致的安全事故。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置及方法。
[0006]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案如下：
[0007]一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置，包括微处理器、交流小信号发生器、运算放大器、电压电流转换电路、信号调理电路、高速ADC采集电路、LCD液晶显示模块和上位机；其特征在于，该装置还包括可编程开关电路、多路复用开关电路和矩阵键盘模块；
[0008]电压电流转换电路与采样电阻的一端连接，采样电阻的另一端与可编程开关电路连接，采样电阻的两端还与多路复用开关电路连接，可编程开关电路同时与多路复用开关电路和电池组连接；微控制器控制可编程开关电路将开关切换至电池组的待测量电池单体两端，当微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至采样电阻两端，高速ADC采集电路采集采样电阻两端的电压；当微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至可编程开关电路两端，高速ADC采集电路采集待测量电池单体两端的电压；
[0009]矩阵键盘模块用于参数设置和装置不同工作模式的切换。
[0010]所述电压电流转换电路由两个运算放大器U1、U2、电容C1以及多个电阻构成；电阻R2的两端与运算放大器U1的反相输入端和输出端连接，运算放大器U1的同相输入端同时经
过电阻R1接地；
[0011]运算放大器U2、电容C1和电阻R6～R10构成HowLand压控交流恒流源，运算放大器U2的同相输入端通过电阻R3与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U2的输出端并联有电阻R6、R7、R8、R9，并联后的电阻与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与运算放大器U2的同相输入端连接；运算放大器U2的输出端与反相输入端之间连接电阻R10，电容C1与电阻R10并联，运算放大器U2的反相输入端经过电阻R4接地。
[0012]所述信号调理电路由去直流电路、仪表放大器U3、可编程增益放大器U4和滤波电路构成；其中，去直流电路包括电容C2、C3和电阻R11～R14，滤波电路包括电阻R15～R22、电容C4～C11和运算放大器U5，运算放大器U5包含两部分，分别用U5A和U5B表示；
[0013]信号调理电路输入的两路交流电压信号Vin1和Vin2分别从电容C2、C3输入到去直流电路中，电容C2经过电阻R13与仪表放大器U3的同相输入端连接，电容C3经过电阻R14与仪表放大器U3的反相输入端连接，电容C2同时经过电阻R11接地，电容C3同时经过电阻R12接地；仪表放大器U3的输出端与可编程增益放大器U4的输入端连接，可编程增益放大器U4的输出端依次连接电阻R15～R18，电阻R18同时与运算放大器U5的U5A部分的同相输入端连接，运算放大器U5的U5A部分的输出端与反相输入端连接，电容C4和C5并联后接入电阻R16的另一端与运算放大器U5的U5A部分的的反相输入端之间，电容C6和C7并联后一端接地，另一端与运算放大器U5的U5A部分的同相输入端连接；运算放大器U5的U5A部分的输出端依次连接电阻R19～R22，电阻R22同时与运算放大器U5的U5B部分的同相输入端连接，运算放大器U5的U5B部分的输出端与反相输入端连接，电容C8和C9并联后接入电阻R20的另一端和运算放大器U5的U5B部分的反相输入端连接，电容C10和C11并联后一端接地，另一端连接运算放大器U5的U5B部分的同相输入端。
[0014]本专利技术还提供一种锂离子电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，该方法包括以下内容：
[0015](1)定频模式：通过矩阵键盘模块将装置切换到定频模式，并设置测量频率、待测量电池单体的序号以及测量次数，LCD液晶显示模块显示装置的工作模式以及设置的参数；一键启动，微控制器控制可编程开关电路将开关切换至待测量电池单体两端；首先，微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至采样电阻两端，高速ADC采集电路采集采样电阻两端的电压并传输至微控制器；然后，微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至可编程开关电路两端，高速ADC采集电路采集待测量电池单体两端的电压并传输至微控制器；微控制器分析处理，得到该频率下待测量电池单体交流阻抗的幅值和相位；
[0016](2)扫频模式：通过矩阵键盘模块将装置切换到扫频模式，并设置起始频率和截止频率、待测量电池单体的序号以及采样点数，LCD液晶显示模块显示装置的工作模式以及设置的参数；一键启动，微控制器控制可编程开关电路将开关切换至待测量电池单体两端；首先，微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至采样电阻两端，高速ADC采集电路采集采样电阻两端的电压并传输至微控制器；然后，微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至可编程开关电路两端，高速ADC采集电路采集待测量电池单体两端的电压并传输至微控制器；微控制器分析处理，得到不同频率下待测量电池单体交流阻抗的幅值和相位；上位机拟合并实时显示EIS曲线。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]1、该装置的采样电阻同时与可编程开关电路和多路复用开关电路连接，可编程开关电路与电池组和多路复用开关电路连接，微控制器通过控制可编程开关电路将开关切换至电池组的待测量电池单体两端，解决了在线切换不同待测量电池单体的问题；微控制器通过控制多路复用开关电路将开关分别切换至采样电阻和可编程开关电路两端，实现采样电阻和待测量电池单体两端电压的采集，保证两次电压采集使用相同的回路，从而减小误差。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置，包括微处理器、交流小信号发生器、运算放大器、电压电流转换电路、信号调理电路、高速ADC采集电路、LCD液晶显示模块和上位机；其特征在于，该装置还包括可编程开关电路、多路复用开关电路和矩阵键盘模块；电压电流转换电路与采样电阻的一端连接，采样电阻的另一端与可编程开关电路连接，采样电阻的两端还与多路复用开关电路连接，可编程开关电路同时与多路复用开关电路和电池组连接；微控制器控制可编程开关电路将开关切换到电池组的待测量电池单体两端，当微控制器控制多路复用开关电路将开关切换到采样电阻两端，高速ADC采集电路采集采样电阻两端的电压；当微控制器控制多路复用开关电路将开关切换至可编程开关电路两端，高速ADC采集电路采集待测量电池单体两端的电压；矩阵键盘模块用于参数设置和装置不同工作模式的切换。2.根据权利要求1所述的锂离子电池交流阻抗在线测量装置，其特征在于，所述电压电流转换电路由两个运算放大器U1、U2、电容C1以及多个电阻构成；电阻R2的两端与运算放大器U1的反相输入端和输出端连接，运算放大器U1的同相输入端同时经过电阻R1接地；运算放大器U2、电容C1和电阻R6～R10构成HowLand压控交流恒流源，运算放大器U2的同相输入端通过电阻R3与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U2的输出端并联有电阻R6、R7、R8、R9，并联后的电阻与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与运算放大器U2的同相输入端连接；运算放大器U2的输出端与反相输入端之间连接电阻R10，电容C1与电阻R10并联，运算放大器U2的反相输入端经过电阻R4接地。3.根据权利要求1所述的锂离子电池交流阻抗在线测量装置，其特征在于，所述信号调理电路由去直流电路、仪表放大器U3、可编程增益放大器U4和滤波电路构成；其中，去直流电路包括电容C2、C3和电阻R11～R14，滤波电路包括电阻R15～R22、电容C4～C11和运算放大器U5，运算放大器U5包含两部分，分别用U5A和U5B表示；信号调理电路输入的两路交流电压信号Vin1和Vin2分别从电容C2、C3输入到去直流电路中，电容C2经过电阻R13与仪表放大器U3的同相输入端连接，电容C3经过电阻R14与仪表放大器U3的反相输入端连接，电容C2同时经过电阻R11接地，电容C3同时经过电阻R12接地；仪表放大器U3的输出端与可编程增益放大器U4的输入端连接，可编程增益放大器U4的输出端依次连接电阻R15～R18，电阻R18同时与运算放大器U5的U5A部分的同相输入端连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：张闯，杨浩，刘素贞，窦海明，金亮，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：