一种锂电池原位在线快速EIS检测方法及装置

一种锂电池原位在线快速eis检测方法及装置
技术领域
1.本发明属于电池阻抗快速测量技术领域，涉及一种锂电池原位在线快速eis检测方法及装置。


背景技术：

2.eis作为一种重要的电化学检测手段，能反应锂电池在宽频范围内的阻抗特性，其通常与电池的状态有关，包括荷电状态(state of charge,soc)，健康状态(state of health,soh)，内部温度(t
in
)等。传统的eis检测通常使用电化学工作站，在0.01hz-1khz频率范围内采用频率扫描方式检测。锂电池eis曲线可以由下式计算：
[0003][0004][0005]
其中|z|表示锂电池内部阻抗的模值，u表示响应电压信号，i表示激励电流信号，表示电流与电压之间的相位差。由上式可知，为得到频率为f的正弦激励信号作用下的锂电池内部阻抗信息，应准确获取响应电压幅值u、激励电流幅值i以及电流电压相位差最后通过计算得到阻抗的实部与虚部，并且以实部为横轴、虚部为纵轴可以绘制如图1所示的锂电池eis曲线。
[0006]
为将宽频阻抗信息推广并应用于电池状态的现场评估，学者们开展了大量的研究工作。carkhuff提出利用电流作为激励信号获得电池的阻抗信息，但受限于低频检测效率，目前仅能实现1hz-500hz范围的单频或多频阻抗检测；耿等人提出利用300hz，60hz和1hz下的阻抗信息，结合神经网络算法估算退役电池的soh；raijmakers提出一种基于零截距频率(zero intercept frequency,zif)阻抗反映电池温度的方法。这些研究大多在1hz及以上的频率下获得电池的阻抗信息。
[0007]
研究表明低频段(0.01hz-2hz)的eis曲线携带了大量的电池特征信息，包括离子扩散状态等动力学特征。这些特征又与电池的荷电状态、电极材料、电解质的老化程度以及循环寿命等关键状态紧密相关。由于锂电池的低频段通常相对较宽，eis检测频率范围通常在0.01hz-1khz，且采用逐频扫描的方式进行检测。为了保证测试的准确性与可靠性，每个频率下的阻抗特性通常是由多次测量取平均值获得，而单次测量中通常会发出多个周期的激励信号并截取相对稳定的数个周期进行计算。而低频段信号周期较长，采用该方法会导致储能电池的eis检测时间较长，完整测量一次eis需要数十分钟，无法对储能电池的宽频阻抗信息进行实时跟踪。另一方面，检测时间过长会导致储能电池状态在检测期间不满足不变性要求，特别是在恒流充放电期间，会造成eis曲线紊乱，降低检测精度。


技术实现要素：

[0008]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂电池原位在线快速eis检测方法及装置，
通过采用特定的激励信号达到对储能电池的快速eis检测，并且保证了检测过程中锂电池内部电化学反应的阻抗响应保持在线性区间。
[0009]
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0010]
方案一、一种锂电池原位在线快速eis检测方法，具体包括以下步骤：
[0011]
s1、产生多频混合非标准正弦激励信号；
[0012]
s2、将多频混合非标准正弦激励信号转换为电流信号，并作用于锂电池；
[0013]
s3、采集锂电池的电压响应信号以及回路电流信号；
[0014]
s4、电压响应信号和回路电流信号经过数字滤波后进行傅里叶变换；
[0015]
s5、分别计算电压响应信号和回路电流信号的阻抗模值，进而计算实部和虚部；
[0016]
s6、根据实部和虚部绘制奈奎斯特图。
[0017]
进一步，步骤s1中，多频混合非标准正弦激励信号由有限个不同频率信号叠加形成，混合的频率范围为0.01～10hz。激励信号可表示为：
[0018][0019]
式中，e(n)表示多频混合非标准正弦激励信号，p表示频率个数，ak表示幅值，f0表示基频频率，fs表示采样率，表示相位，n表示采样点数。
[0020]
进一步，各个叠加的信号都需要具有整数个周期。
[0021]
进一步，基频频率f0为信号频率分辨率δf的整数倍，所述信号频率分辨率具体为：
[0022][0023]
式中，t表示非标准正弦激励信号的周期。
[0024]
进一步，该方法检测时间由基频频率决定，如下式所示：
[0025][0026]
式中，t表示检测时间，m表示周期数，f0表示基频频率，fn表示频率成分。
[0027]
进一步，步骤s3中，对储能电池的电压响应信号和回路电流信号的采集为多通道同步采集，即分别采集每个储能电池的电压响应信号和回路电流信号。
[0028]
进一步，分别对各储能电池的电压响应信号和回路电流信号进行傅里叶变换，并计算阻抗模值，再计算实部和虚部，根据实部和虚部绘制各储能电池的奈奎斯特图。
[0029]
方案二、一种锂电池原位在线快速eis检测装置，包括上位机、电压信号发生器、v/i转换器、i/v转换器和信号采集器；
[0030]
其中上位机、电压信号发生器、v/i转换器依次连接；所述v/i转换器和i/v转换器分别与储能电池连接；所述信号采集器分别与储能电池、i/v转换器和上位机连接；
[0031]
上位机用于控制电压信号发生器产生非标准正弦激励信号，还用于对信号采集器的数据进行数字滤波、傅里叶变换、阻抗模值计算以及绘制奈奎斯特图；
[0032]
v/i转换器用于将电压信号发生器产生的激励信号转换为电流激励信号，并输入储能电池；
[0033]
i/v转换器用于采集储能电池的回路电流信号；
[0034]
信号采集器用于分别采集储能电池的电压响应信号和i/v转换器的输出信号，并将采集的信号输出至上位机。
[0035]
本发明的有益效果在于：本发明采用信号叠加形成的多频混合非标准正弦激励信号作为激励信号，能够大幅缩短锂电池eis检测在低频段所需要的时间，并且极大的提升了检测精确度；另一方面，本发明在信号采集方面采用多通道采集，因此能够同时对多个锂电池进行原位eis检测，对于实现储能电站大规模锂电池的原位检测具有重要意义。
[0036]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0038]
图1为锂电池eis曲线；
[0039]
图2为多频混合非标准正弦激励信号；
[0040]
图3为调制前、后的激励信号；
[0041]
图4为本发明原位在线快速eis检测流程图；
[0042]
图5为多通道采集示意图；
[0043]
图6为采集到的回路电流信号和电压响应信号；
[0044]
图7为滤波后的电压响应信号和回路电流信号；
[0045]
图8为eis检测装置结构示意图；
[0046]
图9为与札纳电化学工作站的检测结果对比图；
[0047]
图10为不同开路电压下锂电池的eis检测结果；
[0048]
图11为连续重复测试结果图。
具体实施方式
[0049]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0050]
请参阅图2～图11，为一种锂电池原位在线快速eis检测方法及装置。
[0051]
传统的eis检测时间过长是由于低频下采用频率扫描的方式，即每一个频率进行单独测试，每个频率至少施加一个周期的信号才能正确计算阻抗的相位和幅值信息，导致花费时间过长。
[0052]
因此本发明为克服传统扫频方法在低频段测试效率低的问题，考虑将激励信号由固定频率的正弦信号更改为包含多频成分的时域信号，从而达到加速测试的目的。对满足
狄里赫利条件的任意信号s(n)，可进行离散傅里叶级数展开，如下式：
[0053][0054]
信号s(n)总是包含n个独立谐波分量，即基频与n-1个各次谐波，对于标准正弦信号，仅仅在对应频率的幅值不为0。因此，为了提高eis低频段检测效率，可将基频及其各次谐波叠加形成激励信号e(n)，则响应信号中同样包含对应的频率成分，对不同频率点的eis进行同步测试，通过dft可计算各频率下的幅值和相位信息。由下式可得到复频域阻抗：
[0055][0056]
其中|ef|和|if|分别表示电压、电流信号的各频率成分的幅值，和分别表示各频率成分电压、电流信号的相位。若基频为f0，采样点数为n，激励信号周期为t，则信号频率分辨率可表示为：
[0057][0058]
由于激励信号e(n)总是包含基频与n-1个各次谐波，因此基频频率应为信号频率分辨率的整数倍，即f0＝nδf，叠加的信号通常具有整数个周期，能够有效减少栅栏效应，避免出现频谱泄露等问题。多频混合的非标准正弦激励信号e(n)可表示为：
[0059][0060]
其中fs为采样率，k为频率序列数，p为频率个数，ak、分别表示幅值、相位。
[0061]
基于本发明的eis检测时间t由基频信号频率决定，若m为周期数，则检测时间t可表示为：
[0062][0063]
式中fk表示叠加信号中的频率成分，由上式知，在0.01hz～1khz频率范围内，若f0＝0.01，m＝1，则检测时间为100s，激励信号中包含了数个0.01hz以上的信号成分，频率越高，周期数增加，不仅保证了频率成分丰富，而且0.01hz以上频率成分具有多个稳定周期，而检测时间仅100s，极大的提升了检测速度。
[0064]
针对eis检测低频段耗时极长的问题，在0.01hz～0.2hz的频段内采用本发明提出的快速检测方法，高频区因耗时短采用扫频方式检测，并在高频范围测试结束后与快速测试的低频段测试结果进行拼接，得到完整频率范围的eis曲线。
[0065]
在本实施例中，由于0.01hz的周期过长，因此选取0.02hz作为基频频率，叠加信号的频率均为0.02的倍数，最大叠加频率为0.18hz，则p＝9，激励信号如图2所示。由激励信号表达式可知，若对不同频率的幅值ak与相位进行设计，理论上可以很好控制该多频混合信号的幅值与均匀程度。如图3所示，一方面，若固定幅值，仅调制相位能获得分布更加均匀，各频率成分幅值更大的激励信号，图中未调制信号ak＝0.75，调制后信号ak＝1，另一方面，考虑到在不同频段范围内锂
电池阻抗的变化情况，可将较大频率成分的幅值适当增大以更好的激发相应频率下的eis特性。同时为了保证锂电池内部电化学反应的阻抗响应保持在线性区间，需控制激励信号最大值，使响应电压幅值不超过20mv，且为保证输出信号光滑，应尽可能使采样率fs足够大。
[0066]
如图4所示，结合前述对本发明检测方法进行说明：
[0067]
(1)信号输出与采集
[0068]
本发明通过上位机程序驱动电压信号发生器产生多频混合非标准正弦激励信号和频率扫描信号。本实施例中上位机程序采用labview开发，能够实时采集、分析、显示和管理测量数据。电压信号发生器采用ni6356信号采集卡，精度为16位。激励信号经发生器输出后，由v/i转换器转换为电流信号作用于锂电池：一个ni采集卡对多个v/i转换器发出电压信号，每个v/i转换器都将该信号转换为电流信号输入单独的一个电池电芯中。v/i转换器可选用opa549功率放大器，由两个开关电源串联形成正负电源供电。
[0069]
通过信号采集器对锂电池的回路电流信号与响应电压信号进行同步采集。针对储能电站锂离子电池数量较多，因此采用多通道同步采集的方式，分别采集每个锂电池的回路电流信号与响应电压信号，如图5所示，图中v
battery
表示锂电池的响应电压，i
battery
表示回路电流，v
out
表示电压激励。本实施例中，信号采集器采用smacq5711信号采集卡，精度为16位，可同时采集8路信号，每一路采集一个锂电池电芯的电压响应信号。对于回路电流信号，需要先经过i/v转换器将电流信号转换为电压信号后，由信号采集器采集，i/v转换器可选用1ω的精密功率电阻。采集得到的回路电流信号和电压响应信号分别如图6左、右图所示。
[0070]
(2)滤波处理
[0071]
从图6中可看出，电压响应信号的信噪比受到较大的影响，其中最大干扰信号幅值约为20mv，均为高频干扰信号，因此将响应信号通过低通数字滤波器，其截止频率为10hz，能有效提升信号的幅频特性和相频特性质量。同时为了补偿低通数字滤波器造成的相位误差，将回路电流信号通过性能参数相同的低通数字滤波器，能够有效减小相位误差。经过滤波后的电压响应信号与回路电流信号如图7所示。
[0072]
(3)数据处理、绘制eis曲线
[0073]
由于激励信号在低频和高频段都具有明显的频率特性，因此对各锂电池的响应电压信号和回路电流信号分别进行傅里叶变换计算信号的幅频特性和相频特性。其中傅里叶变换为：
[0074][0075][0076]
其中v
battery
是指锂电池的电压响应信号，i
battery
是指锂电池回路电流信号。
[0077]
计算阻抗：计算阻抗：分别表示响应信号与回路电流信号的相位；计算阻抗模值：计算相位差：由前式可得实部虚部
然后根据实部和虚部绘制奈奎斯特图得到各锂电池的eis曲线。该部分在上位机中完成。
[0078]
此外本发明还应用于0.01hz～10hz频段内的eis检测，对于该频段的检测方式为分组检测，具体为：在0.01hz～10hz频段范围内，按照每十倍频为一组的方式将该频段分为三组，即0.01hz～0.1hz为一组，0.1hz～1hz为一组，1hz～10hz为一组，在各组中均产生一多频混合非标准正弦激励信号，进行分组检测。其中0.1hz～1hz频段内，基频频率采用0.1hz；1hz～10hz频段内，基频为1hz。而对于10hz以上的频率范围，则采用频率扫描的方式检测。
[0079]
结合前述，本发明的另一方案：一种锂电池原位在线快速eis检测装置，如图8所示，包括上位机、电压信号发生器、v/i转换器、i/v转换器和信号采集器。其中上位机、电压信号发生器、v/i转换器依次连接；v/i转换器和i/v转换器分别与储能电池连接；信号采集器分别与储能电池、i/v转换器和上位机连接。
[0080]
上位机用于控制电压信号发生器产生非标准正弦激励信号，还用于对信号采集器的数据进行数字滤波、傅里叶变换、阻抗模值计算以及绘制奈奎斯特图。v/i转换器用于将电压信号发生器产生的激励信号转换为电流激励信号，并输入锂电池。i/v转换器用于采集锂电池的回路电流信号。信号采集器用于分别采集锂电池的电压响应信号和i/v转换器的输出信号，并将采集的信号输出至上位机。
[0081]
本实施例采用了德国札纳电化学工作站(zahner)对相同环境下的锂电池进行了eis检测，并与本发明的测试结果进行了对比，如图9所示，从图中可以看出，本发明与zahner的检测结果比较相符。在检测时间方面，zahner检测时间为30分钟，频率范围为0.01hz～1khz，检测点数为39点；而本发明检测时间为120s，检测点数为50点。
[0082]
本实施例在不同开路电压下对锂电池进行了eis检测，结果如图10所示。此外本实施例还在相同环境状态下进行了5次重复性测试，测试频率为0.02hz～1khz，结果如图11所示，从图中可看出5次测试的eis曲线基本重合，最大误差在低频0.3hz处，实部测量标准差为0.03167mω。
[0083]
综上所述，本发明在检测速度与检测精度上具有明显优势，同时采用电流源激励，适用于锂电池的原位在线快速检测，能实时对多个锂电池在充电或静默状态进行多频阻抗特性跟踪，获取锂电池eis曲线。
[0084]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。