鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 慶，李 敬,胡鴻志,管 芳，周雁亨

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

0 引言

隨著消費(fèi)電子和電動(dòng)汽車等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋰離子電池的市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。鋰離子電池內(nèi)阻是衡量鋰離子電池健康狀態(tài)的重要指標(biāo)[1]。鋰離子電池電壓和內(nèi)阻等參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量，是電池壽命和健康狀態(tài)評(píng)估、管理的重要先決條件[2]。

電池內(nèi)阻指電池在工作狀態(tài)下，電流流經(jīng)電池內(nèi)部所受到的阻力。通常鋰離子電池的內(nèi)阻非常小，只有mΩ級(jí)，由于鋰離子電池兩端存在直流電壓，導(dǎo)致普通電表無法直接測(cè)量得到其內(nèi)阻。目前測(cè)量鋰離子電池內(nèi)阻的方法主要有密度法、直流放電法、交流注入法、電化學(xué)阻抗譜法。密度法需要測(cè)量電池內(nèi)電解液的密度[3]，而鋰離子電池是密閉的，此方法難以應(yīng)用于鋰離子電池測(cè)試。直流放電法是在短時(shí)間進(jìn)行大電流放電，利用歐姆定律得到內(nèi)阻值，此方法更適用于大容量電池。交流注入法是給電池施加一個(gè)確定頻率和確定幅值的交流信號(hào)，通過測(cè)量電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)和電流信號(hào)獲取內(nèi)阻值。此種方法適用于幾乎所有鋰離子電池，但測(cè)量結(jié)果易受紋波電流、諧波電流等因素的干擾，要求測(cè)量系統(tǒng)具有高抗干擾能力。電化學(xué)阻抗譜法是在交流注入法的基礎(chǔ)上，將頻率擴(kuò)展，從低頻到高頻，通過阻抗譜來分析鋰離子電池的阻抗，此方法相較于其他方法可獲得電池內(nèi)部更加具體的阻抗信息，但整個(gè)的測(cè)量過程相對(duì)復(fù)雜繁瑣，測(cè)量耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

本文在交流注入法的基礎(chǔ)上，利用開爾文四線檢測(cè)法、交直流分離法以及微弱信號(hào)檢測(cè)的相關(guān)方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，利用微處理器采集并處理數(shù)據(jù)來獲得鋰離子電池的阻抗信息，通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和保存。

1 鋰離子電池阻抗測(cè)量原理及方案

1.1 鋰離子電池阻抗測(cè)量原理

鋰離子電池內(nèi)阻由歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩類組成[4]。歐姆內(nèi)阻在恒溫下基本保持不變，主要由電極材料、電解液、隔膜電阻和集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻會(huì)隨著電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的極化水平發(fā)生波動(dòng)。

將鋰離子電池看成一個(gè)系統(tǒng)，給鋰離子電池輸入一個(gè)確定頻率、確定幅值的小幅度正弦信號(hào)，如圖1所示，通過測(cè)量電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)和電流信號(hào)來計(jì)算獲取電池的內(nèi)阻值。

圖1 交流注入法測(cè)量示意圖

假設(shè)輸入電池內(nèi)的交流電流信號(hào)為

ii(t)=IACsin(2πft+φ0)

(1)

研究表明當(dāng)鋰離子電池輸入不同頻率的正弦信號(hào)，鋰離子電池對(duì)外表現(xiàn)為感性或容性，因此鋰離子電池兩端的交流電壓信號(hào)和交流電流信號(hào)存在相位差，本系統(tǒng)給鋰電池輸入頻率為1 kHz的交流信號(hào),電池對(duì)外表現(xiàn)為容性，因此鋰離子電池兩端的電壓相位滯后于電流信號(hào)，鋰離子電池兩端的電壓響應(yīng)為

uo(t)=UACsin(2πft+φ1)

(2)

鋰離子電池兩端的電流信號(hào)為

io(t)=IACsin(2πft+φ2)

(3)

則阻抗為

Z=uo(t)/i(t)

(4)

阻抗的實(shí)部為

Re[Z]=|Z|cosφ=(UAC/IAC)cosφ

(5)

式中φ為相位差，φ=φ1-φ2。

阻抗的虛部為

Im[Z]=|Z|sinφ=(UAC/IAC)sinφ

(6)

1.2 開爾文四線檢測(cè)法

由于鋰離子電池內(nèi)阻很小，因此與鋰離子電池連接的引線電阻以及鋰離子電池之間的接觸電阻不能忽略，為消除引線電阻和接觸電阻給鋰離子電池的后續(xù)測(cè)量電路帶來的測(cè)量誤差，本系統(tǒng)采用開爾文四線檢測(cè)(也稱四線法)，如圖2所示。由于電流回路和電壓測(cè)量回路是獨(dú)立分開的，流經(jīng)電壓測(cè)量回路的電流很小，近似為零，因此消除了引線電阻和接觸電阻，而且對(duì)于熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的影響顯著減少。

圖2 開爾文四線檢測(cè)法

1.3 交流小信號(hào)提取

鋰離子電池可以看作是一個(gè)有源電阻，大部分動(dòng)力型鋰離子電池正常情況下的直流電壓在3 V以上，而在電池兩端產(chǎn)生的交流電壓響應(yīng)信號(hào)只有mV級(jí)，相當(dāng)于在一個(gè)mV級(jí)的交流信號(hào)上疊加一個(gè)3 V左右的直流偏置,因此需要將交流小信號(hào)從交直流混合信號(hào)中分離出來。傳統(tǒng)方法常采用電容直接隔離，但電容對(duì)微小信號(hào)有衰減；此外還有濾波法，其中無源濾波只能濾除約80%的諧波成分，而有源濾波也難以完全消除直流偏置[5]。本系統(tǒng)采取的方案是將鋰離子電池輸出的交直流混合信號(hào)與其有效值相減，得到交流小信號(hào)，原理如圖3所示。

圖3 交流小信號(hào)提取

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)假設(shè)直流信號(hào)Udc為3.7 V，交流信號(hào)幅值A(chǔ)ac為20 mV,則輸入信號(hào)為

uin=Udc+uac

(7)

混合信號(hào)有效值計(jì)算公式為

(8)

(9)

將各自變量代入式(9)得:

(10)

混合信號(hào)有效值與直流信號(hào)的相對(duì)誤差為

(11)

因此在誤差允許的范圍內(nèi)，可以將混合信號(hào)有效值與直流信號(hào)等價(jià)。

1.4 鋰離子電池阻抗測(cè)量方案

本文采用的是NCR18650動(dòng)力型鋰離子電池，該電池容量為2 900 mAh,標(biāo)壓3.7 V,滿壓4.2 V。鋰離子電池內(nèi)阻只有mΩ級(jí)，電池的電壓響應(yīng)也只有mV級(jí)。本文采用的交流輸入信號(hào)頻率為1 kHz,交流電流幅值為0.5 A?？傮w測(cè)量方案如圖4所示。

圖4 鋰離子電池阻抗測(cè)量方案

交流恒流源產(chǎn)生幅值恒定的交流電流，輸入給鋰離子電池，通過檢測(cè)鋰離子電池兩端電壓信號(hào)與電流信號(hào)的幅度比和相位差，經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理獲得鋰離子電池的阻抗信息。鋰離子電池輸出的電流信號(hào)是利用采樣電阻的電壓信號(hào)間接獲取，因?yàn)殡娮璧碾妷喉憫?yīng)與流過的電流同相。在檢測(cè)采樣電阻兩端的電壓信號(hào)時(shí)加入了兩極跟隨器，同時(shí)利用相同的運(yùn)放作跟隨器，目的是保持與鋰離子電池兩端電壓信號(hào)的時(shí)延同步。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 交流恒流源設(shè)計(jì)

交流恒流源是為鋰離子電池提供一個(gè)幅值恒定的交流電流信號(hào)。其電路設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

圖5 交流恒流源電路原理圖

鋰離子電池阻抗非常小，且存在很大的直流偏置，因此向鋰離子電池注入的交流恒流信號(hào)幅值不能太小，否則在電池兩端產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)會(huì)被淹沒在噪聲中[6]。本文綜合各方面考慮，在不影響鋰離子電池健康狀態(tài)的情況下，在電壓-電流轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)，其輸出交流電流幅值最高為3 A，可滿足測(cè)量需求。

由于交流恒流源輸出電流較大，在設(shè)計(jì)電路時(shí),運(yùn)算放大器A1采用的是TDA2030A功率放大器，A2采用的是普通運(yùn)算放大器，電阻RO以及負(fù)載電阻RL采用大功率精密電阻。圖5中，A1、A2均引入了負(fù)反饋，前者構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，后者構(gòu)成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R，因此

uO2=uP2

(12)

(13)

uP1=0.5uI+0.5uP2

(14)

(15)

將式(14)帶入式(15)可得RO上的電壓：

uRO=uO1-uP2=uI

(16)

所以

(17)

2.2 交流小信號(hào)提取電路設(shè)計(jì)

交流小信號(hào)提取非常關(guān)鍵的一步就是消除交流信號(hào)中的直流偏置，本設(shè)計(jì)通過將鋰離子電池兩端的交直流混合信號(hào)與其有效值相減來消除直流信號(hào)，采用的芯片是AD637,其有效值轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 有效值轉(zhuǎn)換電路原理圖

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的交流小信號(hào)提取方法切實(shí)可行。鋰離子電池兩端帶有直流偏置的交流信號(hào)波形如圖7所示，圖中每個(gè)柵格為1 V，該交流信號(hào)的直流偏置在3.7 V左右。

圖7 含有直流偏置的交流信號(hào)

通過有效值轉(zhuǎn)換，運(yùn)用減法運(yùn)算消除直流信號(hào)，得到交流小信號(hào)，其波形如圖8所示,圖中每個(gè)柵格為20 mV。從圖8可以看出，交流小信號(hào)中的直流偏置已被消除。

圖8 交流信號(hào)

2.3 幅相檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

幅相檢測(cè)電路是檢測(cè)鋰離子電池兩端信號(hào)和采樣電阻兩端信號(hào)之間的幅度比和相位差。本文將18650鋰離子電池作為研究對(duì)象，對(duì)18650鋰離子電池兩端信號(hào)和采樣電阻兩端信號(hào)經(jīng)過提取、濾波等處理后輸入到幅相檢測(cè)電路的信號(hào)如圖9所示。

圖9 幅相檢測(cè)電路輸入信號(hào)

在圖9中，波形①是采樣電阻兩端經(jīng)過處理之后的信號(hào)，波形②是鋰離子電池兩端經(jīng)過處理之后的信號(hào)。然后將2路信號(hào)送入幅相檢測(cè)電路進(jìn)行檢測(cè)。幅相檢測(cè)采用的芯片是AD8302,該芯片可以同時(shí)檢測(cè)2路信號(hào)之間的幅度比和相位差，本設(shè)計(jì)采用的信號(hào)頻率為1 kHz,屬于低頻信號(hào)，需要對(duì)其外圍電路的電容參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整才可得到正確的輸出值。其中幅相檢測(cè)電路原理圖如圖10所示。

圖10 幅相檢測(cè)電路原理圖

幅相檢測(cè)電路采集到的電壓信號(hào)需要先進(jìn)行幅度比和相位差轉(zhuǎn)換。其中增益測(cè)量模式下的理想傳輸特性如圖11所示。

圖11 增益測(cè)量模式下的理想傳輸特性

從圖11可以看出，電壓正比于幅度比，AD8302芯片的幅度比測(cè)量范圍為-30～30 dB。其計(jì)算公式為

(18)

20log(UINPA/UINPB)=A

(19)

式中：A為幅度比；X為測(cè)量電壓，且X≤1.8 V；UINPA、UINPB為信號(hào)輸入電壓。

相位測(cè)量模式下的理想傳輸特性如圖12所示,相位差測(cè)量范圍為-180°～180°。

圖12 相位測(cè)量模式下的理想傳輸特性

相位差計(jì)算公式為

±(1.8-U)/0.01=φ

(20)

式中：U為電壓值；φ為相位差。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理和保存，其設(shè)計(jì)流程如圖13所示。采用STM32微處理器對(duì)測(cè)量電路的輸出信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，然后將處理之后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和保存。

圖13 軟件設(shè)計(jì)流程

上位機(jī)采用LabVIEW編程設(shè)計(jì)，上位機(jī)界面如圖14所示。

圖14 上位機(jī)界面

上位機(jī)功能主要包括串口通信、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。人機(jī)交互是對(duì)鋰離子電池的內(nèi)阻、相位差、阻抗實(shí)部、阻抗虛部、電壓實(shí)時(shí)顯示，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到文本文檔，供歷史查閱及數(shù)據(jù)分析。

4 測(cè)量分析

按照文中的設(shè)計(jì)方案制作了一套鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)實(shí)物圖

使用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)NCR18650型鋰離子電池的電阻、電壓等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 鋰離子電池參數(shù)測(cè)量結(jié)果

將本文鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，與BT510 BATTERY ANALYZER進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mΩ

從表2可以看出，本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池內(nèi)阻的測(cè)量值與BT510 的測(cè)量誤差小于1 mΩ。另外，使用內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)對(duì)多節(jié)18650型鋰離子電池不同SOC狀態(tài)進(jìn)行了內(nèi)阻測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖16所示。從圖16可以看出，鋰離子電池在不同SOC狀態(tài)下內(nèi)阻在1 mΩ內(nèi)波動(dòng)，說明該鋰離子電池健康狀態(tài)良好。

圖16 鋰離子電池不同SOC下內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋰離子電池內(nèi)阻、電壓等參數(shù)的精確測(cè)量，與商用高精度內(nèi)阻測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差小于1 mΩ。而且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠、測(cè)量速度快，測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)保存，方便歷史查詢及對(duì)其健康狀態(tài)的研究。