專利名稱：一種電池阻抗譜測試方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電池阻抗譜測試技術，特別涉及一種基于電流脈沖激勵和頻譜分析技術的電池阻抗譜測試技術。
背景技術：
近年來，采用內阻/電導測試技術對電池的荷電狀態(SOC)、電池健康狀態(SOH)進行簡單快速的測試方法已經得到了西方國家的廣泛認同，這項技術已經被國際電工委員會(IEEE)列為閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)的測試標準。
IEEE標準(1118-1996)上說明電池電導的測量是將已知頻率和振幅的交流電壓加到電池的兩端，然后測量所產生的電流。交流電導值就是與交流電壓同相的交流電流分量與交流電壓的比值明顯的電導值變化(下降大于20％)就意味著電池性能的變化。
目前行業中應用的電池內阻測量方法主要有以下兩種1、直流放電內阻測量法通過測試設備讓電池在短時間內(一般為2-3秒)強制通過一個很大的恒定直流電流，測量此時電池兩端的電壓，并按電壓的變化量和電流的變化量計算出當前的電池內阻。這種方法只能測量電池的直流內阻。
2、交流壓降內阻測量法在電池上施加一個固定頻率和固定幅值的電流，然后對其電壓響應進行采樣測量，由交流電流值和電壓值計算出電池的阻抗。由于電池的阻抗是頻率的函數，在不同的頻率下其阻抗是不同的，因此，要測量電池的阻抗頻譜就需要不斷的單調改變激勵電流的頻率，重復上述的測量過程，測試時間長、效率低。
近年來，國內外對電池的SOC、SOH與電池內阻的相關研究表明，電池的SOC、SOH與電池的阻抗有著內在的聯系和密切的相關性，如果能夠采用有效的技術和測量方法，對電池在不同頻率下的交流阻抗進行測量，特別是進行快速在線測量，對電池機理的研究、加工工藝和技術改進以及使用過程中的SOC、SOH的準確預測都有著重要的應用價值。
發明內容
發明目的本發明的目的是提供一種可在短時間內快速完成電池阻抗頻譜測試和分析的方法和系統。
技術方案為實現快速測試電池阻抗頻譜，本發明采用以下方法及系統一種電池阻抗譜測試方法，包括以下步驟(1)在被測量的電池上施加一方波或近似方波的電流激勵I(t)；(2)同步測量電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)；(3)用測量采集的電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)計算出多種頻率下的電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)的幅值頻譜I(ωk)、U(ωk)和相位頻譜φI(ωk)、φU(ωk)。
(4)根據I和U的頻譜即可計算出在多種頻率下的電池內阻抗Z0(ωk)＝U(ωk)/I(ωk)。從而可得出電池內阻抗的完整譜圖。
在步驟(3)中幅值頻譜和相位頻譜的計算方法是采用FFT(FastFourier Transform快速傅立葉變換)或小波分析技術計算F[I(t)]＝I(ejω)、F[U(t)]＝U(ejω)。
一種電池阻抗譜測試系統，包括控制和數據處理單元、高速同步采樣測量單元、電壓電流信號隔離調理單元、放電控制單元、可控放電單元。控制和數據處理單元控制高速同步采樣測量單元，并通過放電控制單元控制可控放電單元啟動和停止，根據高速同步采樣測量單元采集的電流和電壓信號完成阻抗頻譜的計算；電壓電流信號隔離調理單元采集電池的電流和電壓信號，并隔離調理后傳送給高速同步采樣測量單元；高速同步采樣測量單元對電流和電壓信號進行高速同步采集和緩存，并將采集的信號傳送給控制和數據處理單元，供控制和數據處理單元進行分析和處理，可控放電單元在放電控制單元的控制下，按設定的放電時間和電流幅值對電池進行放電。
其中，放電控制單元為一個或多個光電隔離耦合開關，接收控制和數據處理單元的控制信號，根據該控制信號控制可控放電單元。
其中，可控放電單元包括一個或多個由N溝道MOSFET和放電電阻組成放電負載，每個N溝道MOSFET和放電電阻組成放電負載由放電控制單元控制其接通或斷開放電負載。
有益效果1、可在短時間內快速完成電池阻抗頻譜測量和分析。放電時間一般為幾ms～幾百ms。大大提高了測量效率。
2、可通過調整放電時間來調整電流激勵的基波頻率，并通過FFT、數字濾波、小波分析等信號處理技術對某些頻段或頻點的內阻抗進行更為精確的測量和分析。
3、可利用電池在工作過程中的擱置間隙，在線完成電池阻抗譜的測量。
4、電池阻抗譜較之單一固定頻率下的電池阻抗，可更加全面的反映電池的SOC和SOH，為SOC和SOH的計算和預測提供了一種新的解決方法。
圖1為阻抗頻譜測量原理示意2為阻抗頻譜測量系統結構示意3為阻抗頻譜測量系統硬件結構示意4為阻抗頻譜測量算法軟件流程示意圖
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由各項權利要求限定。
1、測量基本原理電池實際上可將其等效于一個有源網絡，當在電池上施加某一頻率的電流激勵I(t)＝I0Sin(ωt)，則在電池的端電壓會有相應的響應U(t)＝U0Sin(ωt+ψ)。改變電流激勵I(t)的頻率ω，通過測量對應的端電壓響應U(t)，即可計算出電池在不同頻率下的內阻抗Z(ω)。
根據這一基本原理，本方案提出了一種新的電池內阻抗測量方法，測量原理如下在電池上施加一方波或近似方波的電流激勵I(t)，同步測量電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)，采用FFT(Fast Fourier Transform快速傅立葉變換)或小波分析技術F[I(t)]＝I(ejω)；F[U(t)]＝U(ejω)；可同時計算出多種頻率下的電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)的幅值頻譜I(ωk)、U(ωk)和相位頻譜φI(ωk)、φU(ωk)。
根據I和U的頻譜即可計算出在多種頻率下的電池內阻抗Z0(ωk)＝U(ωk)/I(ωk)。從而可得出電池內阻抗的完整譜圖。測量原理如圖1所示。
2、測量實現方法測量系統由控制和數據處理單元、高速同步采樣測量單元、可控放電單元構成。系統的結構如圖2所示，硬件組成如圖3所示。
(1)控制和數據處理單元采用嵌入式PC104CPU模塊，基本配置如下嵌入式Pentium(200，300MHz)CPU，128M內存，40GHD，640×480彩色LCD；VGA，USB，RS232串口、并口、鍵盤接口、實時時鐘；24位可編程數字I/O。
(2)電壓電流信號隔離調理單元一個PhotoMOS繼電器Ks，限流電阻R2，電壓保持電容CH，限流電阻的一端接檢測電池的正極，另一端與繼電器Ks的一極和電壓差分運算放大器AD620的正輸入連接，電壓保持電容CH的一極連接被檢測電池的負極，另一端連接繼電器Ks的另一極，并直接或通過一個防漏電阻R3連接到電壓差分運算放大器AD620的負輸入連接；分流器(R1s)的一端接被檢測電池的正極，并直接或通過電流信號電阻(R4)連接到電流差分運算放大器AD620的正輸入，另一端接可控放電單元的一極，并直接或通過電流信號電阻(R5)連接到電流差分運算放大器AD620的負輸入，可控放電單元的另一極連接被檢測電池的負極。
(3)高速同步采樣測量單元采用具有14位單端4路同步無相差200K A/D，±5V量程，32K字FIFO存儲器的USB2007數據采集模塊對經過信號隔離調理單元調理后的電壓和電流信號進行測量。
為提高電壓測量分辨率，在信號隔離調理單元中采用PhotoMOS繼電器KS、電池靜態電壓保持電容器CH和差分運算放大器AD620組成的電路對電池電壓動態響應增量ΔU(t)進行測量，其基本原理是在電池處于靜態(擱置狀態)時，控制KS使其導通，電池通過KS對保持電容CH進行充電，由于此時由CH和R3充電回路的RC常數為R3CH＝200Ω×5μF＝1ms，因此在10ms之內CH上的電壓VCH即可達到電池的靜態電壓U(0)；當開始對電池電壓動態響應增量ΔU(t)進行測量時，首先關斷KS，然后通過放電回路對電池施加一方波或近似方波的電流激勵I(t)，產生的電壓響應為U(t)，則ΔU(t)＝U(t)-VCH……(1)將ΔU(t)送AD620放大后送隔離運算放大器AD210，送給USB2007數據采集模塊AIN0。
對由PhotoMOS繼電器和保持電容CH漏電流所產生的ΔU(t)測量偏差可按下式進行修正ΔU(nTS)＝ΔUm(nTS)+nTSKdV……(2)(2)式中的TS為測量采樣周期；n為測量點數；ΔU(nTS)為修正后的ΔU(t)在nTS時刻的測量值；ΔUm(nTS)為未修正的ΔU(t)在nTS時刻的測量值。KdV為保持電容在保持期間的電壓下降速率，當PhotoMOS繼電器和保持電容CH確定后，KdV為一常數，KdV可在電池處于靜態時進行標定。
電流測量采用150A分流器R1s進行測量，分流器上mV級電壓信號送AD620放大后送隔離運算放大器AD210，送給USB2007數據采集模塊AIN1。
(4)可控放電單元硬件組成如圖3所示。
采用由8個N溝道MOSFET和放電電阻組成放電負載，由控制和數據處理單元的8位數字輸出口通過8個74LS04光電隔離后，控制8個MOSFET的導通和截止，并通過8個MOSFET導通和截止的組合實現放電電流的分級調整。
MOSFET K1、K2、......K8采用APT10M07JVFR，VDSS＝100V，ID＝225A，RDS(on)＝0.007Ω；放電電阻RL1、RL2、RL3、RL4、RL5、RL6、RL7、RL8分別為0.8Ω、0.4Ω、0.2Ω、0.1Ω、0.08Ω、0.04Ω、0.02Ω、0.01Ω，功率為200W。
通過調整MOSFET的導通和關斷時間，可調整電流方波激勵的時間，即調整基波的頻率，以進一步提高在該基波頻率下阻抗的測量精度。
3、數據采集和處理軟件流程軟件框圖如圖4所示。
本系統采用LabView虛擬儀器軟件平臺編制而成，軟件的主進程完成參數設置，測試啟動和測試過程控制、數據處理分析等任務；AD轉換線程控制USB2007數據采集模塊，完成電流和電壓的同步采樣。
4、具體測量過程如下控制和數據處理單元首先啟動高速同步采樣測量單元進行數據采集，然后啟動可控放電單元對被測電池進行放電，當達到放電時間時，關閉放電單元停止放電，然后再停止高速同步采樣測量單元的數據采集，控制和數據處理單元按本發明提出的測量基本原理對信號進行分析和處理，計算出電池的內阻抗頻譜。
權利要求
1.一種電池阻抗譜測試方法，包括以下步驟(1)在被測量的電池上施加一方波或近似方波的電流激勵I(t)；(2)同步測量電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)；(3)用測量采集的電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)計算出多種頻率下的電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)的幅值頻譜I(ωk)、U(ωk)和相位頻譜φI(ωk)、φU(ωk)；(4)根據I和U的頻譜計算出在多種頻率下的電池內阻抗Z0(ωk)＝U(ωk)/I(ωk)，得出電池內阻抗的完整譜圖。
2.如權利要求1所述的電池阻抗譜測試方法，其特征在于，在步驟(3)中幅值頻譜和相位頻譜的計算方法是采用FFT或小波分析技術計算F[I(t)]＝I(ejω)、F[U(t)]＝U(ejω)。
3.一種使用權利要求1或2所述方法的電池阻抗譜測試系統，其特征在于，包括控制和數據處理單元、高速同步采樣測量單元、電壓電流信號隔離調理單元、放電控制單元、可控放電單元，控制和數據處理單元控制高速同步采樣測量單元，并通過放電控制單元控制可控放電單元啟動和停止，根據高速同步采樣測量單元采集的電流和電壓信號完成阻抗頻譜的計算；電壓電流信號隔離調理單元采集電池的電流和電池電壓動態響應增量信號，并隔離調理后傳送給高速同步采樣測量單元；高速同步采樣測量單元對電流和電壓信號進行高速同步采集和緩存，并將采集的信號傳送給控制和數據處理單元，供控制和數據處理單元進行分析和處理，可控放電單元在放電控制單元的控制下，按設定的放電時間和電流幅值對電池進行放電。
4.如權利要求3所述的電池阻抗譜測試系統，其特征在于，所述的控制和數據處理單元為嵌入式PC104CPU模塊。
5.如權利要求3所述的電池阻抗譜測試系統，其特征在于，所述的高速同步采樣測量單元包括數據采集模塊，一個電壓差分運算放大器將隔離調理單元采集的電壓信號放大后傳送給電壓隔離運算放大器，電壓隔離運算放大器放大信號傳送給數據采集模塊；一個電流差分放大計算器，將隔離調理單元采集的電流信號放大后傳送給電流隔離運算放大器，電流隔離運算放大器放大信號傳送給數據采集模塊。
6.如權利要求3所述的電池阻抗譜測試系統，其特征在于，所述電壓電流信號隔離調理單元包括繼電器(Ks)，限流電阻(R2)，電壓保持電容(CH)，限流電阻的一端接檢測電池的正極，另一端與繼電器(Ks)的一極和電壓差分運算放大器的正輸入連接，電壓保持電容的一極連接被檢測電池的負極，另一端連接繼電器(Ks)的另一極，并直接或通過一個防漏電阻R3連接到電壓差分運算放大器的負輸入連接；分流器(R1s)的一端接被檢測電池的正極，并直接或通過電流信號電阻(R4)連接到電流差分運算放大器的正輸入，另一端接可控放電單元的一極，并直接或通過電流信號電阻(R5)連接到電流差分運算放大器的負輸入，可控放電單元的另一極連接被檢測電池的負極。
7.如權利要求3所述的電池阻抗譜測試系統，其特征在于，所述放電控制單元為一個或多個光電隔離耦合開關，接收控制和數據處理單元的控制信號，根據該控制信號控制可控放電單元。
8.如權利要求3所述的電池阻抗譜測試系統，其特征在于，所述可控放電單元包括一個或多個由N溝道MOSFET和放電電阻組成放電負載，每個N溝道MOSFET和放電電阻組成放電負載由放電控制單元控制其接通或斷開放電負載。
全文摘要
本發明涉及電池阻抗譜測試技術。本發明提供一種電池阻抗譜測試方法，在電池上施加電流激勵I(t)，通過同步測量電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)，計算出多種頻率下的電流激勵I(t)和端電壓響應U(t)的幅值頻譜I(ω
文檔編號G01R31/36GK1967270SQ20051008694
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月18日 優先權日2005年11月18日
發明者姜豐 申請人:北華大學, 吉林市北華電子技術開發有限責任公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
