鋰離子電池組串聯(lián)阻抗匹配的研究

摘 要：本文以動態(tài)阻抗為基礎(chǔ)，改變串聯(lián)狀態(tài)，兼容現(xiàn)有電壓、內(nèi)阻、容量和K值匹配。采用“四線制”將特定頻點(diǎn)的正弦電流注入工作狀態(tài)的電池，獲取同頻的響應(yīng)電壓，通過設(shè)計(jì)“強(qiáng)直弱交無相移”電路對弱電壓響應(yīng)信號進(jìn)行高倍數(shù)放大，實(shí)現(xiàn)了電池動態(tài)阻抗的測量。本文的鋰離子電池組串聯(lián)阻抗匹配設(shè)計(jì)能夠提升充電速度和充電安全性，解決快充溫度過熱的問題。

關(guān)鍵詞：快充；智能手機(jī)；串聯(lián)；阻抗匹配；動態(tài)阻抗

中圖分類號：TN 86" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

手機(jī)電池快充市場不斷擴(kuò)大，快充技術(shù)得到普遍應(yīng)用，但手機(jī)體積有限，因此手機(jī)用鋰離子電池組的保護(hù)板體積均較小，在應(yīng)用快充的過程中，串聯(lián)使用電池成為一種加快充電速度并解決快充溫升高的業(yè)內(nèi)常規(guī)應(yīng)對方案。

1 動態(tài)阻抗基本理論知識

動態(tài)阻抗是一種分析電化學(xué)反應(yīng)和材料表面特性的重要技術(shù)。其基本原理是在交流電場下測量電化學(xué)系統(tǒng)中電極和電解液間的阻抗。當(dāng)電極表面有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，會引起電阻抗變化。這種變化可以反映出反應(yīng)的動力學(xué)特性和表面結(jié)構(gòu)等信息[1]。通過測量和分析電極電位和頻率變化，可以得到電解液中離子的傳輸速率、反應(yīng)物濃度和電荷轉(zhuǎn)移速率等參數(shù)，從而深入研究電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。

在動態(tài)阻抗測量中，電池系統(tǒng)被視為一個(gè)復(fù)雜的電路，包括電極、電解液和電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)。通過施加交流電場并測量電極和電解液間的電阻抗，可以得到復(fù)雜的阻抗譜[2]。該阻抗譜具有不同的元素響應(yīng)，例如電極電容、電極電解負(fù)電阻和電解負(fù)電阻等，從而獲得關(guān)于電池內(nèi)部反應(yīng)和性能的信息。

2 鋰離子電池組串聯(lián)阻抗匹配設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主控芯片通過數(shù)字信號處理器（DSP）對電流源進(jìn)行驅(qū)動控制，生成所需的正弦激勵(lì)電流ie，并從信號采集單元中獲取電池響應(yīng)電壓ur。同時(shí)，主控芯片也負(fù)責(zé)計(jì)算動態(tài)阻抗，以便進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理[3]。信號處理電路的作用是對采集的電池響應(yīng)信號進(jìn)行強(qiáng)直弱交無相移的分離和放大。通過該步驟，可以確保所采集的信號具有較高的精度和準(zhǔn)確性，為后續(xù)的分析和判斷提供可靠數(shù)據(jù)。通道切換單元用于測量多個(gè)電池單體，將選定電池的端電壓接入設(shè)備的響應(yīng)電壓ur輸入端。

2.2 獲取動態(tài)阻抗數(shù)據(jù)

以固定電壓帶載固定電流（例如1A）的方式，記錄不同電壓下的直流阻抗。如Table-1，具體方法如下。

第一步，開始測試前，將電池以0.2C/充電限制電壓的方式充電至0.02C截止，擱置2h，記錄此時(shí)電壓。該步驟的目的是讓電池達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，以便進(jìn)行后續(xù)測試。充電至0.02C截止是為了避免電池過度充電，造成安全問題。在擱置2h后記錄電池的電壓值，以便后面的測試使用。

第二步，將電池以1A放電，記錄放電前電壓V1，記錄放電第一秒時(shí)的電壓V2。然后電池繼續(xù)以1A放電，當(dāng)電池電壓顯示4.3V、4.25V、4.2V、4.15V、4.0V、3.85V、.7V、3.55V、3.4V、3.25V、3.2V、3.15V、3.1V、3.05V和3.0V時(shí)，記錄此時(shí)電壓S1，分別再擱置60min后，記錄電壓S2。在該步驟中，電池以1A的電流進(jìn)行放電，以獲取不同電壓下的直流阻抗數(shù)據(jù)。每當(dāng)電池的電壓降到特定值時(shí)，記錄下此時(shí)的電壓值，并將電池?cái)R置60min，以便電池達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。60min后，再次記錄電池的電壓值，以便計(jì)算直流阻抗數(shù)據(jù)。

第三步，計(jì)算各電壓點(diǎn)直流阻抗，分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

在該步驟中，利用記錄下的電壓值（包括V1和V2）計(jì)算出相應(yīng)的直流阻抗值。直流阻抗值可以通過計(jì)算電壓下電池產(chǎn)生的電流與電壓間的比值來得到。將這些數(shù)據(jù)記錄下來，以便后面的分析和處理。

第四步，將各帶載電壓點(diǎn)計(jì)算出來的R與帶載電壓相對應(yīng)，生成直流阻抗V-R曲線。此曲線即為動態(tài)阻抗數(shù)據(jù)[4]。在該步驟中，將計(jì)算得出的直流阻抗值與相應(yīng)的帶載電壓進(jìn)行匹配，生成一個(gè)直流阻抗-V曲線。該曲線將展示不同電壓下電池的直流阻抗數(shù)據(jù)，并可用于分析電池的性能和壽命。

2.3 電流源激勵(lì)

在測量過程中，激勵(lì)電流源產(chǎn)生頻率為fe的正弦電流ie，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（2）所示。

ie（t）=A·sin（2πfe·t） " （3）

式中：ie（t）是時(shí)間t時(shí)刻的激勵(lì)電流值；A是正弦激勵(lì)電流的幅值；fe是激勵(lì)電流的頻率；2π是一個(gè)常數(shù)（約等于6.28）。

根據(jù)線性測量原則分析，A的取值可以設(shè)定為1A。在測量過程中，正弦激勵(lì)電流的幅值為1A。根據(jù)具體的測量需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以調(diào)整A的取值。運(yùn)算過程是根據(jù)給定的頻率fe和時(shí)間t，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算計(jì)算出對應(yīng)時(shí)刻的激勵(lì)電流值ie。

將給定的時(shí)間t代入公式（2）中，計(jì)算出sin（2πfe×t）的值。將計(jì)算得到的值乘以幅值A(chǔ)，得到對應(yīng)時(shí)刻的激勵(lì)電流ie（t）。

2.4 強(qiáng)直弱交信號處理

在無線通信中，強(qiáng)信號和弱信號的處理方式是不同的。強(qiáng)信號通常指信號強(qiáng)度較高且接收信噪比較好的情況，而弱信號則是指信號強(qiáng)度較低且接收信噪比較差的情況。

對于強(qiáng)信號的處理，可以采用一些抗干擾技術(shù)，如信號調(diào)制和解調(diào)技術(shù)、前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)等，以提高信號的可靠性和抗干擾能力。此外，還可以采用動態(tài)功率控制和自適應(yīng)調(diào)制等技術(shù)，以適應(yīng)不同信道條件和用戶需求，提高系統(tǒng)的容量和性能。對于弱信號的處理，由于信號的強(qiáng)度較低且受噪聲干擾較大，傳統(tǒng)的信號處理方法可能無法有效提取有效的信息。因此需要采用一些增強(qiáng)信號的技術(shù)，如信號增益放大、噪聲濾波和信號重構(gòu)等，以提高弱信號的可檢測性和可辨識性。此外，還可以采用多天線接收技術(shù)、自適應(yīng)信號處理技術(shù)等提高信號的接收性能和魯棒性。

電流采集部分將激勵(lì)電流ie通過精密的采樣電阻Rs轉(zhuǎn)換為采樣電壓us，ie和us間存在如公式（3）所示的關(guān)系。

us=ie·Rs " "（4）

式中：us表示采樣電壓；ie表示激勵(lì)電流；Rs表示采樣電阻。

根據(jù)給出的條件，被測電池的阻抗與采樣電阻Rs應(yīng)保持同一數(shù)量級，即Rs=10mΩ。

將給定的激勵(lì)電流ie值代入公式（3），即us=ie×Rs。將采樣電阻Rs的值代入公式（3），即us=ie10mΩ。

2.5 動態(tài)阻抗匹配

根據(jù)2.2節(jié)獲得的V-R曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)如下條件進(jìn)行匹配。1）比較總放電時(shí)間，差別≤1%（扣除每個(gè)點(diǎn)1h的擱置時(shí)間后計(jì)算），對電池進(jìn)行測試時(shí)，還需要比較不同電壓點(diǎn)的總放電時(shí)間。為了減少誤差，計(jì)算總放電時(shí)間時(shí)會扣除每個(gè)電壓點(diǎn)1h的擱置時(shí)間。不同電壓點(diǎn)的總放電時(shí)間之間的差別應(yīng)該≤1%，相當(dāng)于要求電池的總?cè)萘空`差≤1%。通過這個(gè)指標(biāo)可以評估電池的一致性和穩(wěn)定性。2）半角各點(diǎn)的阻抗誤差，判定條件可根據(jù)電池的實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)整。如電池使用的最大電流為3A，電池可允許的最高電壓比充電限制電壓高50mV。此時(shí)可限制各點(diǎn)阻抗差＜16mΩ即可?？稍试S阻抗差如公式（5）所示。

（5）

式中：Vmax為電池可允許最高電壓（無安全風(fēng)險(xiǎn)，不損壞電池）；Vcharge為充電限制電壓；Imax為最大持續(xù)使用電流。

通過比較各電壓點(diǎn)的阻抗誤差，可以評估電池的質(zhì)量和性能及其在實(shí)際使用中的可靠性。根據(jù)電池的具體應(yīng)用情況，可以對阻抗差的判定條件進(jìn)行調(diào)整，以滿足特定的需求和要求。

2.6 動態(tài)阻抗應(yīng)用

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于多節(jié)串聯(lián)使用的電池，采用規(guī)范的方式獲得電池的動態(tài)阻抗，并對其進(jìn)行匹配，可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算阻抗和自動比對配對。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用見表1。

2.7 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證本方案的有效性，使用本方案設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行測量。具體步驟如下。將激勵(lì)電流ie通過精密的采樣電阻Rs轉(zhuǎn)換為采樣電壓us，使用合適的電壓采集裝置采集并記錄采樣電壓信號。根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)定頻率為1Hz～1kHz，逐個(gè)選擇頻率進(jìn)行測量。設(shè)定相應(yīng)的激勵(lì)電流ie并采集對應(yīng)的采樣電壓us。根據(jù)采樣電壓us和設(shè)定的激勵(lì)電流ie值，使用阻抗計(jì)算公式計(jì)算出每個(gè)頻率下的阻抗值。重復(fù)以上步驟，直到完成整個(gè)頻率范圍內(nèi)的測量。

然后使用通用的電化學(xué)阻抗譜測量設(shè)備進(jìn)行測量，具體步驟如下。按照設(shè)備說明書連接電化學(xué)阻抗譜測量設(shè)備，包括電流源和電壓測量部分。設(shè)定頻率為1Hz～1kHz，逐個(gè)選擇頻率進(jìn)行測量。設(shè)定相應(yīng)的激勵(lì)電流值，并采集對應(yīng)頻率下的電壓信號。根據(jù)采集的電壓信號和設(shè)定的激勵(lì)電流值，使用電化學(xué)阻抗譜測量設(shè)備內(nèi)部的算法，計(jì)算出每個(gè)頻率下的阻抗值。重復(fù)以上步驟，直到完成整個(gè)頻率范圍內(nèi)的測量。

最后將本方案設(shè)計(jì)的設(shè)備和通用的電化學(xué)阻抗譜測量設(shè)備測量出的10mΩ精密無感電阻在1Hz～1kHz下的阻抗結(jié)果進(jìn)行比較和分析，以驗(yàn)證本方案的有效性。10mΩ精密無感電阻如圖2所示。

在1Hz～1kHz的頻率段上，使用本方案設(shè)計(jì)的設(shè)備和通用的電化學(xué)阻抗譜測量設(shè)備對10mΩ精密無感電阻的阻抗，并將測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析。結(jié)果顯示，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，2臺設(shè)備的阻抗譜實(shí)部都保持在10mΩ附近，誤差不超過0.05mΩ，誤差率＜0.5%。該結(jié)果與理論預(yù)期相符合。基于該設(shè)計(jì)方案研發(fā)的動態(tài)阻抗測量設(shè)備具有較高的幅值精度，可以滿足實(shí)際使用需求。此外，該設(shè)備還能夠準(zhǔn)確測量電路元件的阻抗譜，為電路分析和故障診斷等方面的研究提供了有力支持。

為驗(yàn)證該設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用性能，選擇一塊容量為24Ah的磷酸鐵鋰方形鋁殼電池進(jìn)行測試。首先，利用該設(shè)備對該電池在1Hz～1kHz頻率范圍內(nèi)的阻抗進(jìn)行測量，具體步驟如下。連接電池與測量設(shè)備，并設(shè)置頻率范圍為1Hz～1kHz。其次，依次選擇頻率進(jìn)行測量，并記錄相應(yīng)頻率下的阻抗值。重復(fù)以上步驟，直到完成整個(gè)頻率范圍的測量。再次，使用通用的電化學(xué)阻抗譜測量設(shè)備對同一塊電池在1Hz～1kHz頻率范圍內(nèi)的阻抗進(jìn)行測量，具體步驟如下。按照設(shè)備說明書連接電化學(xué)阻抗譜測量設(shè)備，并設(shè)置頻率范圍為1Hz～1kHz。依次選擇頻率進(jìn)行測量，并記錄相應(yīng)頻率下的阻抗值。重復(fù)以上步驟，直到完成整個(gè)頻率范圍內(nèi)的測量。最后，將2臺設(shè)備測量得到的同一塊電池在1Hz～1kHz下的阻抗結(jié)果進(jìn)行比較和分析，以驗(yàn)證該設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和可靠性。通過比較2組測量結(jié)果，可以評估該設(shè)備對電池阻抗特性的測量能力，并驗(yàn)證其適用性。最終表明設(shè)計(jì)效果較好，精度較高。24Ah磷酸鐵鋰方形鋁殼電池如圖3所示。

如果將本設(shè)計(jì)投入量產(chǎn)，可在實(shí)際應(yīng)用中大幅提高串聯(lián)應(yīng)用的電池的安全性并延長電池的使用壽命。在電池串聯(lián)使用過程中，電池個(gè)體間的差異可能會導(dǎo)致電池鼓脹、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，會威脅人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。而本設(shè)計(jì)的實(shí)施可以減少這種安全隱患，提高產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性，并降低售后成本，提高產(chǎn)品的安全性和可靠性。

3 結(jié)語

在串聯(lián)電池組的應(yīng)用中，導(dǎo)入動態(tài)阻抗匹配可以有效降低電池在使用過程中過充的風(fēng)險(xiǎn)，并能有效提高串聯(lián)電池組應(yīng)用過程中的有效使用容量。同步應(yīng)用其周邊應(yīng)用，可以追溯串聯(lián)應(yīng)用電池信息，匹配可視化。采用系統(tǒng)化管控和數(shù)據(jù)處理方式可以降低匹配錯(cuò)誤并提供追溯能力。此外，該方法的設(shè)計(jì)成本較低，并能顯著提升產(chǎn)品的安全可靠性。

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