一种锂离子电池的电化学阻抗谱数据校准电路及方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池检测领域，尤其涉及一种锂离子电池的电化学阻抗谱数据校准电路及方法。

背景技术

随着新能源的快速发展，锂离子电池应用越来越广泛，目前主要通过监控锂离子电池的电化学阻抗谱数据反馈锂离子电池的内部核心化学状态。锂离子电池的电化学阻抗谱数据的监控是通过给锂离子电池施加一个变频率的小振幅的交流信号，测定锂离子电池内部等效电路的构成以及各元件的大小，进而定量分析电化学系统的结构、电极过程的性质等。对于测量大容量锂离子电池，由于金属集流体比较长，通常采用绕卷工艺制成，这导致在中高频信号激励下，锂离子电池会产生寄生电感效应，该寄生电感值效应会使得测量的电化学阻抗谱数据偏离实际锂离子电池的电化学阻抗谱数据，降低大容量锂离子电池的电化学阻抗谱数据的可靠性。

由上述可知，大容量锂离子电池在中高频信号激励下，如何获取准确的寄生电感值，并对电化学阻抗谱数据进行校准是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种校准锂离子电池电化学阻抗谱数据的技术方案，通过电源控制单元对储能单元的充放电状态进行切换控制，先对储能单元充电到预设电压阈值，再使得储能单元处于放电状态，获取放电状态的已知参数，根据预设电压阈值和已知参数计算锂离子电池的寄生电感值，基于寄生电感值校准中高频响应下的电化学阻抗谱数据，解决大容量电池在中高频信号激励时，电化学阻抗谱数据偏离实际值的问题，使得到的电化学阻抗谱数据精度更准确。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种锂离子电池的电化学阻抗谱数据校准电路，包括：

储能单元，用于存储电量和释放电量；电池等效单元，用于等效所述锂离子电池的内部电路；电源控制单元，用于对所述储能单元的充放电状态进行切换控制；标准等效电路单元，为所述校准电路提供参考数据；通过所述电源控制单元使所述储能单元处于充电状态，以使储能单元达到预设电压阈值之后，再通过所述电源控制单元使所述储能单元处于放电状态，获取所述放电状态下的已知参数，根据所述预设电压阈值和所述已知参数计算所述锂离子电池的寄生电感值，基于所述寄生电感值校准所述电化学阻抗谱数据。

可选地，所述电源控制单元包括直流恒压源、第一PMOS管及第二PMOS管，所述直流恒压源的正极接所述第一PMOS管的漏极，所述第一PMOS管的栅极接充电信号，所述第一PMOS管的源极接所述第二PMOS管的漏极，所述第一PMOS管的源极还接寄生电感的一端，所述第二PMOS管的栅极接放电信号，所述第二PMOS管的源极接所述直流恒压源的负极，所述第二PMOS管的源极还接第一电感的一端。

可选地，所述电池等效单元包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、等效恒压源及所述寄生电感，所述寄生电感的一端接所述第一PMOS管的源极，所述寄生电感的一端还接所述第二PMOS管的漏极，所述寄生电感的另一端接所述第一电容的一端，所述第一电容的一端还接所述第一电阻的一端，所述第一电容的另一端接所述第一电阻的另一端，所述第一电容的另一端还接所述第二电容的一端，所述第二电容的一端还接所述第二电阻的一端，所述第二电容的另一端接所述第二电阻的另一端，所述第二电容的另一端还接所述等效恒压源的负极，所述等效恒压源的正极接第三电容的一端。

可选地，标准等效电路单元包括所述第一电感及第三电阻，所述第一电感的一端接所述第二PMOS管的源极，所述第一电感的一端还接所述直流恒压源的负极，所述第一电感的另一端接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接所述第三电容的另一端。

可选地，所述储能单元包括所述第三电容，所述第三电容的一端接所述等效恒压源的正极，所述第三电容的另一端接所述第三电阻的另一端。

可选地，所述校准电路还包括第一电压表，所述第一电压表的负极接所述电源控制单元与所述电池等效单元的公共端，所述第一电压表的正极接所述储能单元与所述标准等效电路单元的公共端。

可选地，所述校准电路还包括第二电压表，所述第二电压表的负极接所述电源控制单元与所述标准等效电路单元的公共端，所述第二电压表的正极接所述储能单元与所述标准等效电路单元的公共端。

一种校准锂离子电池的电化学阻抗谱数据方法，包括：

对所述储能单元进行充电，使得所述储能单元达到所述预设电压阈值，再对所述储能单元进行放电，获取放电状态下的已知参数；

通过所述预设电压阈值和所述已知参数计算寄生电感值，根据所述寄生电感值对所述电化学阻抗谱数据进行校准。

可选地，对所述储能单元进行充电和放电控制包括：当所述充电信号为低电平且所述放电信号为高电平时，所述第一PMOS管的导通且所述第二PMOS管截止，通过所述直流恒压源对所述储能单元进行充电；当所述充电信号为高电平且所述放电信号为低电平时，所述第一PMOS管的截止且所述第二PMOS管导通，通过所述储能单元对放电串联回路进行放电。

可选地，所述通过所述预设电压阈值和所述已知参数计算寄生电感值的步骤，包括：对所述储能单元进行充电，使得所述储能单元电压达到所述预设电压阈值之后，控制所述储能单元进行放电，获取所述放电状态下的所述已知参数，所述已知参数包括第一电感值、等效恒压源电压值、第一电压表值及第二电压表值；基于所述串联回路电流相等特性，根据所述预设电压阈值和所述已知参数计算所述寄生电感值。

本发明提供一种校准锂离子电池的电化学阻抗谱数据的技术方案，该方案通过所述电源控制单元对所述储能单元进行充电，使得所述储能单元电压达到预设电压阈值，再通过所述电源控制单元使得所述储能单元处于放电状态，获取放电状态下的已知参数，根据所述预设电压阈值和所述已知参数计算所述锂离子电池的寄生电感值，基于所述寄生电感值校准电化学阻抗谱数据。在中高频信号激励时，本发明通过对储能单元充放电状态的控制，得到充电状态的预设电压阈值和放电状态的已知参数，计算大容量锂离子电池的寄生电感值，校准大容量锂离子电池的电化学阻抗谱数据，去除大容量电池的电化学阻数据抗谱的干扰因素，提高电化学阻抗谱数据的精度。

附图说明

图1是本发明实施例中锂离子电池的电化学阻抗谱数据校准电路的框图；

图2是本发明实施例中测量电化学阻抗谱数据时锂离子电池内部等效电路图；

图3是本发明实施例中校准锂离子电池的电化学阻抗谱数据的电路图；

图4是本发明实施例中电化学阻抗谱数据校正对比曲线。

附图标记说明：

①-寄生电感；②-锂离子电池等效电路；③-电源控制单元；④-电池等效单元；⑤-储能单元；⑥-标准等效电路单元。

具体实施方式

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。需说明的是，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。

发明人研究发现，现有技术中主要通过电化学阻抗谱数据监控锂离子电池的内部反应状态，但是一些大容量的锂离子电池，比如18650锂离子电池组、软包锂离子电池，大容量的金属集流体较长，其工艺一般由绕卷工艺制成，大容量电池在中高频信号激励时，会产生寄生电感效应，使得测出的电化学阻抗谱数据会偏离实际的锂离子电池产生的电化学阻抗谱数据，降低电化学阻抗谱数据的可靠性。

基于以上现有技术的缺点，本发明提供了一种校准锂离子电池的电化学阻抗谱数据的技术方案，通过电源控制单元使储能单元处于充电状态，让储能单元充电到预设电压阈值，再通过电源控制单元使储能单元处于放电状态，获取放电状态下的已知参数，根据预设电压阈值和已知参数计算锂离子电池的寄生电感值并校准电化学阻抗谱数据。通过寄生电感值去除电化学阻抗谱数据的干扰信息，提高在中高频信号下的电化学阻抗谱数据的精度。

如图1所示，本发明实施例提供一种锂离子电池的电化学阻抗谱数据校准电路，其包括：

储能单元，用于存储电量和释放电量；电池等效单元，用于等效锂离子电池的内部电路；电源控制单元，用于对储能单元的充放电状态进行切换控制；标准等效电路单元，为校准电路提供参考数据；通过电源控制单元使储能单元处于充电状态，以使储能单元达到预设电压阈值之后，再通过电源控制单元使储能单元处于放电状态，获取放电状态下的已知参数，根据预设电压阈值和已知参数计算锂离子电池的寄生电感值，基于寄生电感值校准电化学阻抗谱数据。

详细地，锂离子电池在测量电化学阻抗谱数据时的等效电路模型如图2所示，其中，虚线框①中电路为锂离子电池在测量电化学阻抗谱时表现出的寄生电感，虚线框②中电路为锂离子电池内部电化学过程等效电路。由于流经电池的总电流与流经电感的电流相等，因此在等效电路中Lx与容性电路为串联关系。

设虚线框②中的阻抗为有效阻抗，设为Z(ω)：

Z(ω)＝A(ω)+jB(ω) (1)

由于寄生电感影响，真实测出的阻抗Z'(ω)为：

Z'(ω)＝A'(ω)+jB'(ω)＝jωL

因此，为了获得有效阻抗Z(ω)，需要按式(3-4)进行校正：

A(ω)＝A'(ω) (3)

B(ω)＝B'(ω)-ω·L

由(4)式可知，对测量值校正的关键是获得寄生电感Lx准确值，本发明设计的校准电路可以计算寄生电感值L

详细地，如图3所示，电源控制单元包括直流恒压源DC、第一PMOS管Q

详细地，如图3所示，电池等效单元包括第一电容C

详细地，如图3所示，标准等效电路单元包括第一电感L

详细地，如图3所示，储能单元包括第三电容C

详细地，如图3所示，该校准电路还包括第一电压表U

详细地，如图3所示，该校准电路还包括第二电压表U

详细地，如图1－图3所示的锂离子电池的电化学阻抗谱数据校准电路的具体工作原理如下：

1)、第一阶段，电源控制单元中的第一PMOS管Q

2)、第二阶段，电源控制单元中的第一PMOS管Q

设串联回路中的电流为i，那么U

U

由于电感L

由式(7-8)可以得出

即

联立方程(3，4，10)，最终可以得到阻抗的校正方法为：

A(ω)＝A'(ω) (11)

通过本发明的校准电路计算锂离子电池的寄生电感值后，得到校正阻抗的公式(12)，图4是通过本校准电路对锂离子电池的电化学阻抗谱数据进行校正对比曲线，通过对数据的校正，寄生电感效应得到有效的消除。

本发明还提供了一种校准锂离子电池电化学阻抗谱数据方法，其包括：

S1、提供上述锂离子电池的电化学阻抗谱数据校准电路；

S2、对储能单元进行充电，使得储能单元达到预设电压阈值，再对储能单元进行放电，获取放电状态下的已知参数；

详细地，对储能单元C

S3、通过预设电压阈值U

详细地，通过预设电压阈值U

本发明的实施例清楚地描述了，通过电源控制单元使得储能单元处于充电状态，并将储能单元充电到预设电压阈值后，通过电源控制单元控制储能单元进行放电，获取放电回路的已知参数，根据预设电压阈值和已知参数计算寄生电感值，基于寄生电感值校准锂离子电池的电化学阻抗数据。本发明能计算出准确的寄生电感值，通过寄生电感值可以消除在中高频信号激励时所产生的寄生电感效应，校准大容量电池在中高频响应时的电化学阻抗谱数据，为研究锂离子电池的内部化学反应提供了可靠的电化学阻抗谱数据。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。