本發(fā)明涉及電池阻抗快速測量
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體說是一種鋰離子電池的eis快速測量方法，尤指通過方波、三角波等波形快速測量鋰離子電池eis的方法。
背景技術(shù)：
：能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力助推了電動汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池以單體電壓高、能量密度高、壽命長、無記憶效應(yīng)和無污染等優(yōu)點，成為電動汽車動力驅(qū)動的首選電池。鋰離子電池的性能檢測、狀態(tài)估計和安全預(yù)警一直是鋰離子電池使用過程需要重點解決的問題，但是在使用過程中，由于鋰離子電池運行工況復(fù)雜、測試數(shù)據(jù)有限，難以準確的判斷鋰離子電池狀態(tài)、評估鋰離子電池性能。在實驗室研究中，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的內(nèi)阻能夠在電池性能與狀態(tài)評估方面發(fā)揮重要的作用，例如，學(xué)者在進行soh(state-of-health)估計時，一般采用基于內(nèi)阻的soh定義。近年來，實驗室中電化學(xué)阻抗譜(electrochemicalimpedancespectroscopy,eis)技術(shù)在鋰離子電池和材料的檢測分析方面越來越重要，通過電化學(xué)分析技術(shù)不僅可以從鋰離子電池內(nèi)部微觀的反應(yīng)過程分析鋰離子電池阻抗的來源和產(chǎn)生機理，進而改善鋰離子電池的制備技術(shù)，提高鋰離子電池的性能；還可以通過電化學(xué)阻抗對鋰離子電池的狀態(tài)進行監(jiān)測，比如鋰離子電池的衰退原因分析、荷電狀態(tài)預(yù)測、熱失控監(jiān)測等。然而，由于傳統(tǒng)的eis測量需要高精度設(shè)備，在實際環(huán)境中很難進行測量，此外eis測量時間較長，因此開發(fā)工程上能夠可靠、準確、快速測試鋰離子電池eis的方法對在線評估鋰離子電池性能、狀態(tài)估計和安全預(yù)警顯得十分重要。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種鋰離子電池的eis快速測量方法，能夠改善現(xiàn)有技術(shù)中正弦電流測試eis測試慢、測試時間長、工程實現(xiàn)困難等問題。為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種鋰離子電池的eis快速測量方法，包括如下步驟：s1、根據(jù)實驗室測試的鋰離子電池阻抗，確定鋰離子電池在不同頻率下的響應(yīng)電壓的幅值范圍；s2、根據(jù)實驗室測試的鋰離子電池阻抗和響應(yīng)電壓的幅值范圍確定不同頻率下激勵方波電流的頻率和幅值，組成不同頻率、不同幅值的激勵方波電流譜；s3、對鋰離子電池施加方波電流，確定要施加的方波電流頻率，根據(jù)方波電流頻率依照采樣原則確定采樣頻率；根據(jù)采樣頻率對方波電流和響應(yīng)電壓進行采樣；s4、對采樣得到的方波電流和響應(yīng)電壓進行傅里葉分解，得到不同頻率下的方波電流信號頻譜和響應(yīng)電壓信號頻譜；s5、根據(jù)方波電流信號頻譜和響應(yīng)電壓信號頻譜，將對應(yīng)頻率的響應(yīng)電壓除以方波電流，得到該頻率下的阻抗；s6、根據(jù)響應(yīng)電壓信號頻譜的幅值篩選特征頻率點的阻抗，根據(jù)電化學(xué)阻抗譜的規(guī)律性去除某些頻率點的阻抗，進而得到鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜，即eis。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s1中，所述鋰離子電池在不同頻率下的響應(yīng)電壓的幅值范圍為5～30mv。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s3中，所述采樣原則為采樣頻率至少為方波電流頻率的20倍。在上方技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s6中，所述特征頻率點是指響應(yīng)電壓信號頻譜中幅值大于4mv的頻率點。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鋰離子電池是錳酸鋰動力電池、鈷酸鋰動力電池、鈦酸鋰動力電池、磷酸鐵鋰動力電池或三元材料動力電池。本發(fā)明所述的一種鋰離子電池的eis快速測量方法，具有以下有益效果：1、具有鋰離子電池eis測試速度快、測試時間短和工程易于實現(xiàn)等效果；2、施加特定幅值、特定頻率的方波電流，保證電流激勵能夠準確反映電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)過程，以便準確得到鋰離子電池eis；3、通過傅里葉變換得到不同正弦電壓和正弦電流信號，根據(jù)正弦電壓信號的幅值確定需要的有效頻率點的正弦電流和正弦電壓；4、將傅里葉變換后的有效頻率點的正弦電壓除以正弦電流，得到有效頻率點的阻抗，不同頻率點的阻抗組合成了eis；5、結(jié)合工程可實現(xiàn)的方波和傅里葉變換數(shù)學(xué)方法，快速得到eis，以實現(xiàn)對鋰離子電池電極界面化學(xué)過程準確測量的目標(biāo)；6、提供了一種工程上測試鋰離子電池eis方法，及時掌握鋰離子電池電極界面反應(yīng)特征，為鋰離子電池狀態(tài)估計、熱管理和安全預(yù)警提供依據(jù)。附圖說明本發(fā)明有如下附圖：圖1本發(fā)明所述方法的示意圖；圖2頻率200hz、幅值5a的方波電流與其激勵下的電池電壓圖；圖3頻率200hz、幅值5a的方波電流的頻譜圖；圖4方波電流激勵下電壓的頻譜圖；圖5方波激勵與正弦激勵下的nyquist圖；圖6方波激勵與正弦激勵下的實部阻抗bode圖；圖7方波激勵與正弦激勵下的虛部阻抗bode圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明所述的一種鋰離子電池的eis快速測量方法，包括如下步驟：s1、根據(jù)實驗室測試的鋰離子電池阻抗，確定鋰離子電池在不同頻率下的響應(yīng)電壓的幅值范圍；s2、根據(jù)實驗室測試的鋰離子電池阻抗和響應(yīng)電壓的幅值范圍確定不同頻率下激勵方波電流的頻率和幅值，組成不同頻率、不同幅值的激勵方波電流譜；s3、對鋰離子電池施加方波電流，確定要施加的方波電流頻率，根據(jù)方波電流頻率依照采樣原則確定采樣頻率；根據(jù)采樣頻率對方波電流和響應(yīng)電壓進行采樣；s4、對采樣得到的方波電流和響應(yīng)電壓進行傅里葉分解，得到不同頻率下的方波電流信號頻譜和響應(yīng)電壓信號頻譜；s5、根據(jù)方波電流信號頻譜和響應(yīng)電壓信號頻譜，將對應(yīng)頻率的響應(yīng)電壓除以方波電流，得到該頻率下的阻抗；s6、根據(jù)響應(yīng)電壓信號頻譜的幅值篩選特征頻率點的阻抗，根據(jù)電化學(xué)阻抗譜的規(guī)律性去除某些頻率點的阻抗，進而得到鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜，即eis。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s1中，所述鋰離子電池在不同頻率下的響應(yīng)電壓的幅值范圍為5～30mv。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s3中，所述采樣原則為采樣頻率至少為方波電流頻率的20倍。在上方技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s6中，所述特征頻率點是指響應(yīng)電壓信號頻譜中幅值大于4mv的頻率點。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鋰離子電池是錳酸鋰動力電池、鈷酸鋰動力電池、鈦酸鋰動力電池、磷酸鐵鋰動力電池或三元材料動力電池。以下具體實施例以新太行公司的磷酸鐵鋰材料動力電池為例進行說明。在鋰離子電池荷電狀態(tài)(soc)為50％時，分析鋰離子電池eis，明顯可知頻率越低鋰離子電池的阻抗幅值越大，在保證鋰離子電池的響應(yīng)電壓在一定范圍時，施加的方波電流應(yīng)當(dāng)是低頻時幅值小、高頻時幅值大。根據(jù)鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)特性，選擇如下表所示的特征頻率點的方波電流對鋰離子電池進行激勵。頻率(hz)0.010.020.080.20.828205080200400由于對稱的方波電流激勵在長時間尺度上看，沒有對鋰離子電池進行充放電，因此鋰離子電池的響應(yīng)電壓為極化電壓。極化電壓用于描述電池中的物理和化學(xué)過程，是由電解液中和電極材料固相中的物質(zhì)運輸限制、固相間的接觸阻礙和遲滯的電化學(xué)反應(yīng)引起的。鋰離子電池的極化電壓包括：活化過電勢、擴散極化電壓和歐姆壓降，從鋰離子電池外部看來，總的極化電壓，即總的過電勢，可表述為：△v＝uo-uocv(1)式(1)中，uo為鋰離子電池的端電壓，uocv為鋰離子電池的開路電壓。明顯地，極化電壓過大時，測試的阻抗將不再是靜態(tài)阻抗；極化電壓過小時，噪聲將很大，將淹沒有效信號，因此應(yīng)當(dāng)保證極化電壓在一定的范圍內(nèi)，根據(jù)給定的極化電壓計算得到可施加的方波電流：式(2)中，△vmax為最大的極化電壓，z、re、im分別為鋰離子電池的總阻抗、實部阻抗和虛部阻抗。根據(jù)實驗室測試的eis和確定的極化電壓范圍，依據(jù)式(2)計算不同頻率下的方波電流幅值；根據(jù)要測試的電流、電壓頻率依照采樣原則確定信號采樣頻率，對鋰離子電池施加不同頻率不同幅值的方波電流，采樣得到不同頻率的響應(yīng)電壓信號。圖2是施加的頻率200hz、幅值5a的方波電流與其激勵下的電池電壓信號，激勵電流是穩(wěn)定的方波信號，響應(yīng)的電壓信號是近似鋸齒波形狀的信號，響應(yīng)的電壓信號存在滯后性。任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示，選擇正弦函數(shù)與余弦函數(shù)作為基函數(shù)是因為它們是正交的，如公式(3)。方波則可分解為含有奇數(shù)頻次的正弦波，如公式(4)，而且高次諧波的幅值逐漸減少。那么當(dāng)對鋰離子電池施加一定頻率的方波電流后，測試其響應(yīng)電壓，分別對響應(yīng)電壓、方波電流進行傅里葉分解，得到不同頻率下的電流信號頻譜和電壓信號頻譜；在相同的頻率點將響應(yīng)電壓除以方波電流即可得到該頻率點的阻抗，不同頻率點的阻抗組成eis。對方波電流信號進行快速傅里葉(fft)變換，得到方波電流頻譜圖，如圖(3)所示。明顯地，基頻的幅值最大，其諧波逐漸減少，n次諧波其幅值為基波的n分之一；方波電流傅里葉分解后，得到頻譜只有基頻及其奇數(shù)倍頻的信號；諧波的頻率越高，其幅值越小，則越容易受外界信號干擾，其真實信號可能被噪聲信號淹沒。因此，應(yīng)當(dāng)盡量選擇較低頻率的諧波。這樣施加一個脈沖就可以得到好幾個正弦頻率下的阻抗，從而使得eis測試時間大大縮短。相應(yīng)地，對鋰離子電池的響應(yīng)電壓進行fft變換，得到響應(yīng)電壓頻譜圖如圖(4)所示，明顯地，基頻的幅值最大，其諧波逐漸減少，n次諧波其幅值為基波的n分之一，幅值較大的頻率點與方波的頻率點一致。將各個頻率點的電壓譜除以電流譜，即得到復(fù)數(shù)阻抗，得到的阻抗虛部與實部圖如圖(5)所示。方波eis與正弦eis趨勢基本一致，在大部分區(qū)域其值基本相同。在圓弧段附近，方波eis的虛部偏大。分析阻抗的實部，如圖(6)，除了低頻和高頻的兩端有些差異，其他區(qū)域?qū)嵅孔杩沟牟ㄌ貓D完全重合，表明由方波測試的eis較為準確，能夠反應(yīng)電池內(nèi)部反應(yīng)的阻礙情況。分析阻抗的虛部，如圖(7)，虛部阻抗的波特圖趨勢一致，高頻率段還有些誤差，但低頻段阻抗與eis基本一致，表明由方波測試的eis較為準確，能夠反應(yīng)電池內(nèi)部反應(yīng)的容性阻礙情況。總體上分析，方波eis與正弦eis基本相同，但實驗數(shù)據(jù)存在一些誤差，一方面可能是測試精度還有待提高，另一方面可能方波選取及測試方法有待改進。傳統(tǒng)正弦eis很難在實際工程上應(yīng)用，主要原因是實際中的正弦波激勵很難產(chǎn)生，相反地，方波激勵很容易產(chǎn)生，因此方波eis對于實際工程應(yīng)用具有重要意義。另一方面，傳統(tǒng)eis在不同頻率的正弦信號只包含該頻率的信息，而一個頻率下的方波信號卻包含其奇次頻率的所有信息，因此方波eis測試時間將會縮短，測試效率將會提高。測試的方波eis可用于實際車輛的鋰離子電池阻抗分析、功率預(yù)測及電化學(xué)性能分析，還可能應(yīng)用于soc、soh評估、電池溫度估計、電池自加熱方法和快速充電方法研究等。顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。當(dāng)前第1頁12