鋰離子電池組的內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1、第37卷第2期2007年4月電池BATTERYBIMONTHLYVol137,No12Apr1,2007鋰離子電池組的內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計雷娟1,2,蔣新華1,2,解晶瑩1,2(11中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海200050;21中國科學(xué)院研究生院,北京100049)摘要:鋰離子電池組在應(yīng)用中需要對其內(nèi)阻進(jìn)行檢測。對電池的交流內(nèi)阻測量法進(jìn)行了改進(jìn),在串聯(lián)電池組內(nèi)阻的測量中引入了單體電池的內(nèi)阻測量法,設(shè)計了鋰離子電池組內(nèi)阻的在線檢測系統(tǒng)。通過鎖相放大技術(shù)及基準(zhǔn)電阻補(bǔ)償方法提高了測量的精度,誤差在10%以內(nèi)。關(guān)鍵詞:交流內(nèi)阻測量法;鋰離子電池組;內(nèi)阻測量;鎖相環(huán)電路中圖分類號:TM9

2、1219文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-1579(2007)02-0130-03ThedesignedofonlinedetectionsystemL,G12ying1,2(11ShanghaiofandationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China;1SchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)Abstract:ItwasnecessarytodetecttheinternalresistanceintheapplicationofLi2ionba

3、tteries1ACinternalresistancetestmethodofthebatterywasimproved1Theinternalresistancedetectionmethodforsinglebatterywasusedintheinternalresistancedetectionofbatteriesinseries,andtheLi2ionbatteriesinternalresistanceonlinedetectionsystemwasdesigned1Phaselockloopandbenchmarkresistancecompensatingtechnolo

4、gieswereusedtoimprovethedetectionprecision,theerrorwaslessthan10%1Li2ionbatteries;internalresistancedetection;phaselockloopcircuitKeywords:ACinternalresistancetestmethod;鋰離子電池的內(nèi)阻與容量有關(guān),根據(jù)電池內(nèi)阻的大小可判定電池的性能1。目前對電池內(nèi)阻的檢測基本上是針對單體電池,主要有兩種方式:直流放電法,在短時間內(nèi)給電池通很大的恒定直流電流,測量此時電池兩端的直流電壓,然后根據(jù)伏安法計算出電池的內(nèi)阻。這種方法比較簡單,但大電流

5、對電池有損傷,測量誤差比較大;交流壓降法,通過給電池通入恒定低頻交流電流(1kHz,50mA),對電池的交流電壓采樣,計算出電池的內(nèi)阻。這種方法測量速度快,對電池的損傷較小,但容易受到紋波等干擾,且連接線等因素會影響精度2。一些對電池組的內(nèi)阻進(jìn)行檢測的設(shè)計,主要是通過給每只單體電池并聯(lián)上一個直流放電內(nèi)阻的檢測裝置來實(shí)現(xiàn)3。這種方法減小了對電池的損傷,但電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對于串?dāng)?shù)較多的電池組并不適用。本文作者將交流內(nèi)阻測量法應(yīng)用于多串的鋰離子電池組中,通過對電池的循環(huán)檢測,實(shí)現(xiàn)整個電池組的內(nèi)阻測量;采用鎖相放大技術(shù)抑制干擾和噪聲,采用基準(zhǔn)電阻法減小了連接線等引起的系統(tǒng)誤差,提高了測量精度。作者簡介

6、:1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計以自制的10串鋰離子電池組(單只電池容量為5Ah)的內(nèi)阻檢測系統(tǒng)的設(shè)計為例,其測量原理圖如圖1所示。圖1交流內(nèi)阻測量法的原理圖Fig11TheschematicdiagramofACinternalresistancetestmethod通過低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生恒定的1kHz、50mA低頻交流電流I,由低頻交流恒流源通過RC橋式振蕩電路自激振蕩產(chǎn)雷娟(1982-),女,湖南人,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所碩士生,研究方向:鋰離子電池,本文聯(lián)系人;蔣新華(1976-),男,江蘇人,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生,研究方向:鋰離子電池;第2期雷娟,等:鋰離子電池

7、組的內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計淹沒,使測量精確度下降。131生交流恒壓,再通過V/I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為交流恒流。將交流恒流通入待測電池組。由于電池的內(nèi)阻Rz中存在容性分量,通過電池的電壓信號與注入的電流信號存在著相位差。通過將差分放大的電壓信號Us與采樣電阻Rf上的壓降Uf輸入到相敏檢波、低通濾波等電路中,得到電池的純阻性部分產(chǎn)生的壓降,將此電壓通過A/D轉(zhuǎn)換電路后,送入單片機(jī)進(jìn)行處理,所得值即為被測電池的內(nèi)阻。通過對電池組的自動循環(huán)檢測,完成對整個10串鋰離子電池組的內(nèi)阻的統(tǒng)一測量。111鎖相放大電路的設(shè)計利用ATMEL公司的調(diào)制解調(diào)芯片AD630對電池內(nèi)阻的測量信號進(jìn)行鎖相放大處理,這種方法不需要測

8、量相移就可以直接計算出內(nèi)阻(Rb),電路實(shí)現(xiàn)相對簡單,提高了測量精度。測量原理如圖2所示。圖3鋰離子電池組的循環(huán)檢測電路Fig13ThecycledetectioncircuitofLi2ionbatteries2相敏檢波電路Fig12PhasesensitivedetectioncircuitAD630輸入的電池電壓信號Us和參考信號Uf通過AD630實(shí)現(xiàn)相敏檢波,輸出Uo。放大電路采用三運(yùn)算放大器構(gòu)成,如圖4所示。其中:因此:f1t+<1)Us=|Rb|Bsin(2f2t+<2)Uf=RAsin(2(1)(2)f1-f2t+<1-<2cos2(3)2f1+f2t+&

9、lt;1+<2-cos2結(jié)果包括兩部分,分別為Us、Uf。Uo=圖4電壓差分放大電路Fig14Voltagedifferentialamplifiercircuit由于頻率相等,差頻分量即為直流,而和頻分量為倍頻。通過低通濾波濾除倍頻分量,輸出只包含直流分量的部分:(f1-f2)t+(<1-<2)Uo=cos2則有:|Rb|cos(<1-<2)=2Uo/(RfAB)(4)(5)經(jīng)過差分放大電路的電壓信號即為被測電池上壓降的放大信號。運(yùn)算放大器的高輸入阻抗,使得電壓檢測線路的漏電流極小,因此電容及開關(guān)電阻產(chǎn)生的壓差對檢測電路影響很小。采用這種對稱電路的方式,有效地抑

10、制了兩種信號的共模部分,進(jìn)一步減小了系統(tǒng)誤差。113基準(zhǔn)電阻補(bǔ)償設(shè)計其中:Rf為采樣電阻,A和B分別為對采樣電阻Rf和電池上的交流壓降信號的放大倍數(shù);f1、<1和f2、<2分別為電池上和采樣電阻Rf上的交流電壓信號的頻率和相位,f1=f2。Uo可以測得,Rf、A和B已知,因此電池的內(nèi)阻值可以計算出來。112串聯(lián)電池組循環(huán)檢測電路的設(shè)計為了避免測量的相位差影響系統(tǒng)的精度,采用由兩個基準(zhǔn)電阻Rc1、Rc2替換電池。保持恒流源的交流恒流不變,對兩個基準(zhǔn)電阻進(jìn)行同樣的阻值測試,得到采樣電壓Uoc1和Uoc2,則:(6)Uo/Uoc1=(R+Rx)/(Rc1+Rx)Uoc1/Uoc2=(Rc

11、1+Rx)/(Rc2+Rx)針對10串鋰離子電池組內(nèi)阻的循環(huán)檢測電路如圖3所示,通過單片機(jī)控制開關(guān)的通斷,實(shí)現(xiàn)對各只單體電池的測量。首先,同時導(dǎo)通開關(guān)S11、S21和S22,接通電池組B1。交流電流通過S11注入電池組,B1的電壓通過S21和S22測得,并送入交流差分放大電路,即可得到被測電池的電壓Ub;然后,導(dǎo)通S12、S22和S23,測量電池組B2,依次循環(huán),直到B10。10串電池組的端電壓在40V左右,需要在電池的輸出端串入隔直電容,使得通過的信號僅為交流電流通過電池產(chǎn)生的壓降。由于隔直電容上存在交流容抗Xc,若電容器C選擇不當(dāng),交流電流在輸入端的電容器上產(chǎn)生一個很大的壓降,致使電池的壓

12、降(7)(8)因此:R=(Rc1-Rc2)(Uo-Uoc2)/(Uoc1-Uoc2)+Rc2其中:Rx為測量線路的阻抗,直流電壓Uo、Uoc1和Uoc2值可通過A/D變換電路得到,而基準(zhǔn)電阻Rc1、Rc2的阻值已知。通過這種基準(zhǔn)電阻補(bǔ)償?shù)姆椒梢缘窒粲捎跍y量線路的阻抗Rx產(chǎn)生的誤差。采用不同基準(zhǔn)電阻對系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計,仿真結(jié)果如圖5所示?；鶞?zhǔn)電阻不同的取值對測量的誤差會產(chǎn)生很大的影響,由132電池BATTERYBIMONTHLY第37卷儲。選擇開關(guān)S0S1S2S3=0010,接通電池組B2,重復(fù)上述操作,直到電池組B10;然后對各電池組的采樣電壓進(jìn)行處理,根據(jù)測量環(huán)境調(diào)用相關(guān)函數(shù)計算Uoc1

13、和Uoc2值,再計算出電池的內(nèi)阻值Rb,并輸出顯示,然后單片機(jī)進(jìn)入低功耗工作模式,等待下一次的中斷操作。2結(jié)果與分析對10串鋰離子電池組進(jìn)行測量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,其中內(nèi)阻實(shí)際值由DK3000A型電池內(nèi)阻測試儀(哈爾濱產(chǎn))測圖5基準(zhǔn)電阻引起的測量誤差Fig15Detectionerrorcausedbythebasicresistance得。表1鋰離子電池組內(nèi)阻的測量結(jié)果Table1DetectionresultsoftheinternalresistanceofLi2ionbatteries電池組編號12489仿真結(jié)果可知:基準(zhǔn)電阻值與被測電池組的內(nèi)阻值越接近,誤差越小。綜合考慮以上兩種影

14、響因素以及被測電池組的內(nèi)阻和100m兩個電阻(誤正常值范圍,本實(shí)驗(yàn)中采用的是50m差為1%)為基準(zhǔn)電阻,基準(zhǔn)電阻引起的最大誤差在015%以內(nèi)。另外,由于各個通道電路的不同,需將基準(zhǔn)電阻分別代替10只電池進(jìn)行測量,將測得的10組結(jié)果存儲在單片機(jī)中,在以測量值/m2217114單片機(jī)控制本設(shè)計中對電池組內(nèi)阻的測量誤差在10%以內(nèi),分析誤差來源主要有:a1由于采用的是交流信號,對檢測線路產(chǎn)生紋波干擾,并整個系統(tǒng)的工作程序均由單片機(jī)控制,本實(shí)驗(yàn)采用的是ATMEL公司的89C51單片機(jī)。單片機(jī)主要對A/D轉(zhuǎn)換芯片且檢測信號很微弱,因此對測量結(jié)果有一定的影響,可以對電路板采用抗干擾設(shè)計,進(jìn)一步減小交流信號

15、的干擾。b1由于被測電池和基準(zhǔn)電阻測量時的接觸點(diǎn)不完全相同,和電池選通電路進(jìn)行控制。單片機(jī)的工作流程如圖6所示。存在因接觸電阻引起的誤差。通過實(shí)驗(yàn)可知,該因素對測量精度的影響較大,因此在內(nèi)阻的測量中需要使用專用的夾具。c1由于電池組測量采用的隔直電容上存在容抗,在一定程度上影響了內(nèi)阻的測量精度。雖然設(shè)計中選擇了容值盡可能大的電容,但其容抗還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測電池的內(nèi)阻值,使得電池組的內(nèi)阻測量精度低于單體電池的內(nèi)阻測量精度。3結(jié)論本文作者設(shè)計了10串鋰離子電池組的內(nèi)阻檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對電池組內(nèi)阻的實(shí)時在線檢測。該電路易于擴(kuò)展,可應(yīng)用于其他串?dāng)?shù)的電池組中。電路采用了鎖相環(huán)檢波電路、基準(zhǔn)電阻補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計,使得內(nèi)阻采樣更加精確。根據(jù)電池內(nèi)阻與容量之間的關(guān)系可以計算出電池組容量,方便了用戶在電池組的應(yīng)用過程中對電池性能的在線監(jiān)測。參考文獻(xiàn):1HUANGKe2long(黃可龍),LUZheng2zhong(呂正中),LIUSu2qin(劉素琴)1鋰離子電池容量損失原因分析J1BatteryBimonthly(電池),2001,31(3):142-14512LILi2wei(李立偉),ZOUJi2yan(鄒積巖)1基于交流測量法的蓄電圖6單片機(jī)的工作流程Fig16FlowchartofMCUworking當(dāng)外部電壓檢測電路檢測到電池的電壓到達(dá)設(shè)定電壓值時產(chǎn)生中斷,單片機(jī)響應(yīng)中斷后,先設(shè)置開關(guān)