一种锂电池芯温在线监测系统及方法

1.本发明涉及锂电池状态在线监测领域，尤其是涉及一种锂电池芯温在线监测系统及方法。


背景技术：

2.锂电池具有能量密度高、循环寿命好、没有记忆效应等一系列优点，被广泛应用于新能源汽车、储能站和各类消费电子设备中，在实际系统中，锂电池温度的剧烈变化是引发各类安全事故的主要原因，此外，温度还会影响锂电池的材料活性与充放电性能，改变电池的最大可用容量，因此，对锂电池温度实施在线监测尤为重要。
3.锂电池温度的在线监测通常指电池内部芯温的在线监测，一般而言，现在常用锂电池中低频段(《10khz)的电化学阻抗谱的温敏特性来在线估计芯温，然而，由于锂电池内部离子活性具有阿瑞利乌斯(arrhenius)特性，导致中低频阻抗温敏特性存在非线性、高温区不敏感的问题，不利于在高温区对锂电池实施暂态过温保护，因此需要提出一种利用锂电池高频电阻(》10khz)温敏特性的锂电池芯温在线监测的系统和方法，使其具有对高温区敏感的特性。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锂电池芯温在线监测系统及方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种锂电池芯温在线监测系统，该系统包括：
7.正弦信号注入源：用以向被测锂电池注入高频正弦电压或电流信号；
8.隔直电容：位于正弦信号注入源与被测锂电池之间，用以被测锂电池的高压直流电压对正弦信号注入源的影响；
9.高速ad采集及调理模块：用以采集被测锂电池的高频电压v
bat
和高频电流i
bat
信号，并通过调理电路对采集到的信号进行调理；
10.阻抗计算模块：用以对高频电压v
bat
和高频电流i
bat
进行计算得到电池高频电阻r
hf
；
11.温敏特性模块：根据计算得到的电池高频电阻r
hf
通过预先标定的温敏特性曲线t
core
＝f(r
hf
)查表得到对应的锂电池芯温。
12.所述的通过调理电路对采集到的信号进行调理包括滤波和调幅。
13.所述的正弦信号注入源向被测锂电池注入的高频正弦电压或电流信号的频率在10khz～1mhz频段范围内。
14.一种锂电池芯温在线监测方法，包括以下步骤：
15.1)在初始化准备阶段设置注入高频正弦信号的频率与幅值参数；
16.2)向待测锂电池注入高频电压或电流信号；
17.3)在线检测电池电压v
bat
和电池电流i
bat
，并进行信号调理；
18.4)利用电池高频电压v
bat
的幅值v
bat
、电池高频电流i
bat
的幅值i
bat
以及它们之间的相位差θ，计算待测锂电池的高频电阻r
hf
；
19.5)根据在线检测到的电池高频电阻r
hf
，查表预先标定的温敏特性t
core
＝f(r
hf
)获得电池内部芯温t
core
。
20.所述的步骤1)中，注入高频正弦信号的频率在10khz～1mhz频段范围内。
21.所述的步骤4)中，待测锂电池的高频电阻r
hf
的计算式为：
22.r
hf
＝v
bat
/i
bat
*cos(θ)。
23.所述的步骤5)中，预先标定的温敏特性t
core
＝f(r
hf
)中，对于频率在10khz～1mhz频段范围内的高频正弦信号，锂电池芯温t
core
与高频电阻r
hf
之间呈线性关系。
24.所述的锂电池芯温t
core
在60℃以上的高温区具有高灵敏度。
25.所述的步骤5)中，通过在线注入实验获取预先标定的温敏特性，具体为：
26.将锂电池组置于油浴锅内加热至不同的温度，且每个温度点保持2小时，利用热平衡原理使锂电池芯温等于油浴温度，在不同温度下，启动高频交流信号源以1s为间隔周期向锂电池组内注入一个240khz 50mv的高频交流电压小信号，获取锂电池组的端电压v’bat
和响应电流i'
bat
，通过数学分析得到电池端电压的幅值v’bat
和响应电流的幅值i’bat
以及两者的相位差θ，再计算电池高频电阻r
hf
＝v’bat
/i’bat
*cos(θ)，完成标定。
27.在标定温敏特性过程中，在每个温度点进行多次测量，最后以平均值的形式得到高频电阻r
hf
。
28.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
29.一、高温区温度灵敏度高：锂电池高频内阻在60℃以上的高温区具有较高的灵敏度，本发明利用该特性能够实现在高温区有效监测锂电池内部芯温实现电池暂态过温保护。
30.二、温敏特性线性度好：由于锂电池高频内阻的温敏特性具有较好的线性度，本发明利用10khz～500khz频段的锂电池高频内阻作为温敏参数测量锂电池芯温，有利于温敏特性的标定以及在线快速简单准确的估算锂电池内部芯温。
附图说明
31.图1为本发明锂电池芯温在线监测系统的结构示意图。
32.图2为本发明锂电池芯温在线监测方法的流程图。
33.图3为高频信号注入时电池组的端电流与电压。
34.图4为锂电池高频内阻温敏特性r
hf
＝f(t
core
)。
35.图5为锂电池低频内阻温敏特性r
lf
＝f(t
core
)。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
37.如图1所示，本发明提出一种利用锂电池高频阻抗温敏特性的芯温在线监测系统，该系统由正弦信号注入源、隔直电容、高速ad采集及调理模块、阻抗计算模块和温敏特性模块组成，下面对各部分进行详细说明：
38.正弦信号注入源：用以向被测锂电池注入高频正弦电压或电流小信号，信号频率在10khz～1mhz频段范围；
39.隔直电容：位于正弦信号注入源与被测锂电池之间，用以隔离锂电池组高压直流电压对正弦信号注入源的影响；
40.高速ad采集及调理模块：用以采集电池高频电压v
bat
和电池高频电流i
bat
信号，通过调理电路对采集到的信号进行调理，如滤波、调幅；
41.阻抗计算模块：对电池高频电压v
bat
和电池高频电流i
bat
进行计算处理，得到电池高频电阻r
hf
；
42.温敏特性模块：通过预先标定的温敏特性曲线t
core
＝f(r
hf
)查表得到对应的锂电池芯温。
43.基于上述芯温在线监测系统，本发明还提出一种利用锂电池高频阻抗温敏特性的芯温在线监测方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
44.1)在初始化准备阶段设置注入高频正弦信号的频率与幅值参数(频率在10khz～1mhz频段)；
45.2)启动正弦信号注入源注入高频电压或电流信号；
46.3)通过高速ad采集及调理模块检测高频电池电压v
bat
和高频电池电流i
bat
，并进行信号调理；
47.4)利用电池高频电压v
bat
的幅值v
bat
、电池高频电流i
bat
的幅值i
bat
以及它们之间的相位差θ，计算电池的高频电阻r
hf
＝v
bat
/i
bat
*cos(θ)；
48.5)根据在线检测到的电池高频电阻r
hf
，查表预先标定的温敏特性t
core
＝f(r
hf
)获得电池内部芯温t
core
。
49.实施例
50.本例中搭建一套24v/480w的锂电池系统(锂电池组由6串2并松下18650ga三元锂离子电池组成)，注入源采用rigol信号发生器，ad采样设备采用pico虚拟示波器，系统结构与图1一致。
51.在线注入实验过程中，将锂电池组置于油浴锅内加热至不同的温度，每个温度点保持2小时，利用热平衡原理使得电池芯温等于油浴温度，在不同温度下，启动高频交流信号源以1s为间隔周期往锂电池组内注入一个240khz 50mv的高频交流电压小信号，处理器通过高速ad采集及调理模块捕获锂电池组端电压v
bat
和响应电流i
bat
，如图3所示，通过数学分析得到电池端电压的幅值v
bat
和响应电流的幅值i
bat
以及两者的相位差θ，再计算电池高频电阻r
hf
＝v
bat
/i
bat
*cos(θ)，在每个温度点进行多次测量，最后以平均值的形式得到r
hf
，实验结果如图4所示，可见，锂电池高频电阻从常温区到高温区一直保持非常线性的温敏特性，对比如图5所示的传统锂电池低频电阻温敏特性，高频电阻除了有良好的线性特性外，对温度的敏感度更高，变化率更大，特别体现在高温区，适合锂电池的暂态过温保护，具有工程应用价值。