一种锂离子电池的EIS快速测量方法与流程

本发明涉及电池阻抗快速测量
技术领域：
，具体说是一种锂离子电池的eis快速测量方法，尤指通过方波、三角波等波形快速测量锂离子电池eis的方法。
背景技术：
：能源紧缺和环境污染的双重压力助推了电动汽车的快速发展，锂离子电池以单体电压高、能量密度高、寿命长、无记忆效应和无污染等优点，成为电动汽车动力驱动的首选电池。锂离子电池的性能检测、状态估计和安全预警一直是锂离子电池使用过程需要重点解决的问题，但是在使用过程中，由于锂离子电池运行工况复杂、测试数据有限，难以准确的判断锂离子电池状态、评估锂离子电池性能。在实验室研究中，发现锂离子电池的内阻能够在电池性能与状态评估方面发挥重要的作用，例如，学者在进行soh(state-of-health)估计时，一般采用基于内阻的soh定义。近年来，实验室中电化学阻抗谱(electrochemicalimpedancespectroscopy,eis)技术在锂离子电池和材料的检测分析方面越来越重要，通过电化学分析技术不仅可以从锂离子电池内部微观的反应过程分析锂离子电池阻抗的来源和产生机理，进而改善锂离子电池的制备技术，提高锂离子电池的性能；还可以通过电化学阻抗对锂离子电池的状态进行监测，比如锂离子电池的衰退原因分析、荷电状态预测、热失控监测等。然而，由于传统的eis测量需要高精度设备，在实际环境中很难进行测量，此外eis测量时间较长，因此开发工程上能够可靠、准确、快速测试锂离子电池eis的方法对在线评估锂离子电池性能、状态估计和安全预警显得十分重要。技术实现要素：针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂离子电池的eis快速测量方法，能够改善现有技术中正弦电流测试eis测试慢、测试时间长、工程实现困难等问题。为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种锂离子电池的eis快速测量方法，包括如下步骤：s1、根据实验室测试的锂离子电池阻抗，确定锂离子电池在不同频率下的响应电压的幅值范围；s2、根据实验室测试的锂离子电池阻抗和响应电压的幅值范围确定不同频率下激励方波电流的频率和幅值，组成不同频率、不同幅值的激励方波电流谱；s3、对锂离子电池施加方波电流，确定要施加的方波电流频率，根据方波电流频率依照采样原则确定采样频率；根据采样频率对方波电流和响应电压进行采样；s4、对采样得到的方波电流和响应电压进行傅里叶分解，得到不同频率下的方波电流信号频谱和响应电压信号频谱；s5、根据方波电流信号频谱和响应电压信号频谱，将对应频率的响应电压除以方波电流，得到该频率下的阻抗；s6、根据响应电压信号频谱的幅值筛选特征频率点的阻抗，根据电化学阻抗谱的规律性去除某些频率点的阻抗，进而得到锂离子电池的电化学阻抗谱，即eis。在上述技术方案的基础上，步骤s1中，所述锂离子电池在不同频率下的响应电压的幅值范围为5～30mv。在上述技术方案的基础上，步骤s3中，所述采样原则为采样频率至少为方波电流频率的20倍。在上方技术方案的基础上，步骤s6中，所述特征频率点是指响应电压信号频谱中幅值大于4mv的频率点。在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、钛酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。本发明所述的一种锂离子电池的eis快速测量方法，具有以下有益效果：1、具有锂离子电池eis测试速度快、测试时间短和工程易于实现等效果；2、施加特定幅值、特定频率的方波电流，保证电流激励能够准确反映电池内部的化学反应过程，以便准确得到锂离子电池eis；3、通过傅里叶变换得到不同正弦电压和正弦电流信号，根据正弦电压信号的幅值确定需要的有效频率点的正弦电流和正弦电压；4、将傅里叶变换后的有效频率点的正弦电压除以正弦电流，得到有效频率点的阻抗，不同频率点的阻抗组合成了eis；5、结合工程可实现的方波和傅里叶变换数学方法，快速得到eis，以实现对锂离子电池电极界面化学过程准确测量的目标；6、提供了一种工程上测试锂离子电池eis方法，及时掌握锂离子电池电极界面反应特征，为锂离子电池状态估计、热管理和安全预警提供依据。附图说明本发明有如下附图：图1本发明所述方法的示意图；图2频率200hz、幅值5a的方波电流与其激励下的电池电压图；图3频率200hz、幅值5a的方波电流的频谱图；图4方波电流激励下电压的频谱图；图5方波激励与正弦激励下的nyquist图；图6方波激励与正弦激励下的实部阻抗bode图；图7方波激励与正弦激励下的虚部阻抗bode图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明所述的一种锂离子电池的eis快速测量方法，包括如下步骤：s1、根据实验室测试的锂离子电池阻抗，确定锂离子电池在不同频率下的响应电压的幅值范围；s2、根据实验室测试的锂离子电池阻抗和响应电压的幅值范围确定不同频率下激励方波电流的频率和幅值，组成不同频率、不同幅值的激励方波电流谱；s3、对锂离子电池施加方波电流，确定要施加的方波电流频率，根据方波电流频率依照采样原则确定采样频率；根据采样频率对方波电流和响应电压进行采样；s4、对采样得到的方波电流和响应电压进行傅里叶分解，得到不同频率下的方波电流信号频谱和响应电压信号频谱；s5、根据方波电流信号频谱和响应电压信号频谱，将对应频率的响应电压除以方波电流，得到该频率下的阻抗；s6、根据响应电压信号频谱的幅值筛选特征频率点的阻抗，根据电化学阻抗谱的规律性去除某些频率点的阻抗，进而得到锂离子电池的电化学阻抗谱，即eis。在上述技术方案的基础上，步骤s1中，所述锂离子电池在不同频率下的响应电压的幅值范围为5～30mv。在上述技术方案的基础上，步骤s3中，所述采样原则为采样频率至少为方波电流频率的20倍。在上方技术方案的基础上，步骤s6中，所述特征频率点是指响应电压信号频谱中幅值大于4mv的频率点。在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、钛酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。以下具体实施例以新太行公司的磷酸铁锂材料动力电池为例进行说明。在锂离子电池荷电状态(soc)为50％时，分析锂离子电池eis，明显可知频率越低锂离子电池的阻抗幅值越大，在保证锂离子电池的响应电压在一定范围时，施加的方波电流应当是低频时幅值小、高频时幅值大。根据锂离子电池的电化学反应特性，选择如下表所示的特征频率点的方波电流对锂离子电池进行激励。频率(hz)0.010.020.080.20.828205080200400由于对称的方波电流激励在长时间尺度上看，没有对锂离子电池进行充放电，因此锂离子电池的响应电压为极化电压。极化电压用于描述电池中的物理和化学过程，是由电解液中和电极材料固相中的物质运输限制、固相间的接触阻碍和迟滞的电化学反应引起的。锂离子电池的极化电压包括：活化过电势、扩散极化电压和欧姆压降，从锂离子电池外部看来，总的极化电压，即总的过电势，可表述为：△v＝uo-uocv(1)式(1)中，uo为锂离子电池的端电压，uocv为锂离子电池的开路电压。明显地，极化电压过大时，测试的阻抗将不再是静态阻抗；极化电压过小时，噪声将很大，将淹没有效信号，因此应当保证极化电压在一定的范围内，根据给定的极化电压计算得到可施加的方波电流：式(2)中，△vmax为最大的极化电压，z、re、im分别为锂离子电池的总阻抗、实部阻抗和虚部阻抗。根据实验室测试的eis和确定的极化电压范围，依据式(2)计算不同频率下的方波电流幅值；根据要测试的电流、电压频率依照采样原则确定信号采样频率，对锂离子电池施加不同频率不同幅值的方波电流，采样得到不同频率的响应电压信号。图2是施加的频率200hz、幅值5a的方波电流与其激励下的电池电压信号，激励电流是稳定的方波信号，响应的电压信号是近似锯齿波形状的信号，响应的电压信号存在滞后性。任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的，如公式(3)。方波则可分解为含有奇数频次的正弦波，如公式(4)，而且高次谐波的幅值逐渐减少。那么当对锂离子电池施加一定频率的方波电流后，测试其响应电压，分别对响应电压、方波电流进行傅里叶分解，得到不同频率下的电流信号频谱和电压信号频谱；在相同的频率点将响应电压除以方波电流即可得到该频率点的阻抗，不同频率点的阻抗组成eis。对方波电流信号进行快速傅里叶(fft)变换，得到方波电流频谱图，如图(3)所示。明显地，基频的幅值最大，其谐波逐渐减少，n次谐波其幅值为基波的n分之一；方波电流傅里叶分解后，得到频谱只有基频及其奇数倍频的信号；谐波的频率越高，其幅值越小，则越容易受外界信号干扰，其真实信号可能被噪声信号淹没。因此，应当尽量选择较低频率的谐波。这样施加一个脉冲就可以得到好几个正弦频率下的阻抗，从而使得eis测试时间大大缩短。相应地，对锂离子电池的响应电压进行fft变换，得到响应电压频谱图如图(4)所示，明显地，基频的幅值最大，其谐波逐渐减少，n次谐波其幅值为基波的n分之一，幅值较大的频率点与方波的频率点一致。将各个频率点的电压谱除以电流谱，即得到复数阻抗，得到的阻抗虚部与实部图如图(5)所示。方波eis与正弦eis趋势基本一致，在大部分区域其值基本相同。在圆弧段附近，方波eis的虚部偏大。分析阻抗的实部，如图(6)，除了低频和高频的两端有些差异，其他区域实部阻抗的波特图完全重合，表明由方波测试的eis较为准确，能够反应电池内部反应的阻碍情况。分析阻抗的虚部，如图(7)，虚部阻抗的波特图趋势一致，高频率段还有些误差，但低频段阻抗与eis基本一致，表明由方波测试的eis较为准确，能够反应电池内部反应的容性阻碍情况。总体上分析，方波eis与正弦eis基本相同，但实验数据存在一些误差，一方面可能是测试精度还有待提高，另一方面可能方波选取及测试方法有待改进。传统正弦eis很难在实际工程上应用，主要原因是实际中的正弦波激励很难产生，相反地，方波激励很容易产生，因此方波eis对于实际工程应用具有重要意义。另一方面，传统eis在不同频率的正弦信号只包含该频率的信息，而一个频率下的方波信号却包含其奇次频率的所有信息，因此方波eis测试时间将会缩短，测试效率将会提高。测试的方波eis可用于实际车辆的锂离子电池阻抗分析、功率预测及电化学性能分析，还可能应用于soc、soh评估、电池温度估计、电池自加热方法和快速充电方法研究等。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。当前第1页12