基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法技术

本发明专利技术属于电池阻抗快速测量技术领域，涉及一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，包括基于锂离子电池电化学反应特性和实际需要确定合适的阶梯波阶梯数以及电流幅值；对锂离子电池施加合适频率范围的阶梯波电流，对采样得到的阶梯波电流和响应电压进行正弦拟合，得到所需低频段的阻抗值，进而组成锂离子电池的低频段电化学阻抗谱，即低频段EIS。该低频段EIS在线测量方法能够准确反应锂离子电池的低频段阻抗信息；具有锂离子电池低频段EIS测试结果精度高，工程易于实现等效果，为电池健康状态快速评估和安全预警提供有效技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法
本专利技术属于电池阻抗快速测量
，涉及一种基于阶梯波的锂离子电池EIS(电化学阻抗谱，ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy)低频段在线测量方法，尤其涉及一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线高精度测量方法。
技术介绍
锂离子电池的性能检测、状态评估和安全预警一直是锂离子电池使用过程中需要重点解决的问题，但在实际使用过程中，由于锂离子电池运行工况复杂、测试数据有限，难以准确地判断锂离子电池的状态、评估锂离子电池的性能。在实验室研究中，发现通过分析电化学阻抗谱的低频段数据，可以得到较多重要的电池性能与状态信息。尤其是在实现锂离子电池健康状态快速评估，容量跳水预警和热失控预警时，电化学阻抗谱的低频段数据显得更为重要。然而，传统的EIS测量方法由于需要专门的设备输出正弦波激励，因此在实际应用中很难实现；目前工程上已有的方波测量EIS方法，是通过对方波进行分解的方式得到相应的正弦波。由于分解后得到的谐波幅值和基波幅值存在差异，在EIS低频段的误差相对较大，因此进一步提高测量精度变得十分必要。阶梯波与正弦波激励更为接近，各频率的幅值一致，从机理上优于方波；而且用充电机设备可以输出所需工况，采样频率要求不高，易于工程实现。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线高精度测量方法，能够改善现有技术在工程中无法实现锂离子电池EIS低频段的在线高精度测量和正弦电流测试EIS等问题。为达到以上目的，本专利技术专利采用如下技术方案：一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，包括如下步骤：S1、根据公式(1)将电化学阻抗谱测试所需的正弦波电流等效为阶梯波电流，确定一个周期正弦波电流对应阶梯波电流的阶梯数N，yn＝Asin((n-1)H+H/2)(1)其中，yn表示第n个阶梯的电流幅值，A表示电化学阻抗谱测试的电流幅值，n＝1,2,3,…,N，表示阶梯波电流中的第几个阶梯，N表示阶梯数，H由公式(2)计算，H＝2π/N(2)；S2、根据所需等效的电化学阻抗谱测试的正弦波电流幅值，确定阶梯波电流中每一个阶梯的电流幅值，即y1,y2,…,yn；S3、对锂离子电池施加阶梯波电流，根据实际需要确定施加阶梯波电流的频率范围，计算每一个频率下施加阶梯波电流的总时间T，进而确定不同频率下阶梯波电流中每一个阶梯的电流持续时间t，将每个频率下的阶梯波电流组合后得到变频阶梯波电流谱；S4、对锂离子电池施加变频阶梯波电流谱，根据采样定理选取合适的采样频率，对阶梯波电流和阶梯波响应电压进行采样，随着采样设备的采样频率的提高，所述阶梯波电流的频率范围可以向上拓展；S5、将采样得到的不同频率下的阶梯波电流和阶梯波响应电压分别进行正弦拟合，得到不同频率下拟合的正弦电流和正弦响应电压；S6、将对应频率下拟合后的锂离子电池正弦响应电压除以正弦电流，得到该频率下的复数阻抗，进而组合不同频率下的阻抗值得到低频段的电化学阻抗谱。在上述技术方案的基础上，步骤S1中，所述N一般取10即可，即10个相同间隔。N取值越大，阶梯波电流等效为正弦波电流的效果越好，但阶梯数N越大，对应每一个阶梯的电流持续时间t就会越小，不利于实际应用；若N取值太小，就无法等效正弦波电流。在上述技术方案的基础上，在步骤S3中，若阶梯波电流的频率为f，则阶梯波电流的总时间T由公式(3)计算，T＝1/f(3)对应该频率下每一个阶梯的电流持续时间t由公式(4)计算，t＝T/N(4)。在上述技术方案的基础上，所述阶梯波响应电压为锂离子电池受到阶梯波电流激励后，锂离子电池电压的变化值ΔU，其表达式如式(5)所示，ΔU＝UO-UOCV(5)其中，UO为锂离子电池受到阶梯波电流激励后的端电压，UOCV为锂离子电池的开路电压。在上述技术方案的基础上，步骤S6所述得到该频率下的复数阻抗的公式如式(6)、(7)和(8)所示，Re＝Z·sinθ(7)Im＝Z·cosθ(8)其中，ΔU为正弦响应电压的幅值，即锂离子电池电压的变化值ΔU、为正弦响应电压的相角、I为正弦电流的幅值、α为正弦电流的相角，Z为阻抗，θ为阻抗角、Re为阻抗实部，Im为阻抗虚部。在上述技术方案的基础上，所述ΔU、I和α均通过步骤S5所述拟合的正弦电流和正弦响应电压数据获得。在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池为锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。本专利技术所述的一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线高精度测量方法，具有以下有益技术效果：1、通过阶梯波电流进行EIS低频段测试，能够从机理上更好地等效正弦波EIS测试，相比方波EIS测试得到的正弦波更为精准，同时没有了傅里叶分解的处理过程，减少了计算误差，精度更高；2、提供了一种工程上在线测试锂离子电池EIS低频段的方法，在线实时掌握锂离子电池的韦伯阻抗信息，为锂离子电池健康状态快速评估和安全预警提供有效方法和数据支撑；4、在低频段进行基于阶梯波的锂离子电池EIS测量方法，采样频率要求不高，数据量不大，非常适合在线实时测量，尤其非常适合应用于实际车辆的锂离子电池电化学性能检测、健康状态快速评估和安全预警等。附图说明本专利技术有如下附图：图1本专利技术所述方法的流程示意图；图2频率为0.5Hz、等效正弦电流波幅值为8A的阶梯波电流与其激励下的锂离子电池响应电压曲线示意图；图3频率为0.5Hz、等效正弦电流波幅值为8A的阶梯波电流与其激励下的锂离子电池响应电压的正弦拟合曲线示意图；图4阶梯波激励与正弦激励下的Nyquist图；图5阶梯波激励与正弦激励下的实部阻抗Bode图；图6阶梯波激励与正弦激励下的虚部阻抗Bode图；图7阶梯波激励、方波激励与正弦波激励下低频段的Nyqusit对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做进一步详细说明。如图1所示，本专利技术所述的一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，包括如下步骤：S1、根据公式(1)将电化学阻抗谱测试所需的正弦波电流等效为阶梯波电流，确定一个周期正弦波电流对应阶梯波电流的阶梯数N，yn＝Asin((n-1)H+H/2)(1)其中，yn表示第n个阶梯的电流幅值，A表示电化学阻抗谱测试的电流幅值，n＝1,2,3,…,N，表示阶梯波电流中的第几个阶梯，N表示阶梯数，H由公式(2)计算，H＝2π/N(2)S2、根据所需等效的电化学阻抗谱测试的正弦波电流幅值，确定阶梯波电流中每一个阶梯的电流幅值，即y1,y2,…,yn；S3、对锂离子电池施加阶梯波电流，根据实际需要确定施加阶梯波电流的频率范围，即图1所示，确定EIS测试频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、根据公式(1)将电化学阻抗谱测试的正弦波电流等效为阶梯波电流，确定一个周期正弦波电流对应阶梯波电流的阶梯数N，/ny

【技术特征摘要】
1.一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据公式(1)将电化学阻抗谱测试的正弦波电流等效为阶梯波电流，确定一个周期正弦波电流对应阶梯波电流的阶梯数N，
yn＝Asin((n-1)H+H/2)(1)
其中，yn表示第n个阶梯的电流幅值，A表示电化学阻抗谱测试的电流幅值，n＝1,2,3,…,N，表示阶梯波电流中的第几个阶梯，N表示阶梯数，H由公式(2)计算，
H＝2π/N(2)；
S2、根据电化学阻抗谱测试的正弦波电流幅值，确定阶梯波电流中每一个阶梯的电流幅值；
S3、对锂离子电池施加阶梯波电流，根据实际需要确定施加阶梯波电流的频率范围，计算每一个频率下施加阶梯波电流的总时间T，进而确定不同频率下阶梯波电流中每一个阶梯的电流持续时间t，将每个频率下的阶梯波电流组合后得到变频阶梯波电流谱；
S4、对锂离子电池施加变频阶梯波电流谱，根据采样定理选取合适的采样频率，对阶梯波电流和阶梯波响应电压进行采样；
S5、将采样得到的不同频率下的阶梯波电流和阶梯波响应电压分别进行正弦拟合，得到不同频率下拟合的正弦电流和正弦响应电压；
S6、将对应频率下拟合后的锂离子电池正弦响应电压除以正弦电流，得到该频率下的复数阻抗，进而组合不同频率下的阻抗值得到低频段的电化学阻抗谱。


2.如权利要求1所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于：步骤S1中，所述N取10。


3.如权利要求1所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于：在步骤S3中，若阶梯波电流的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丙香，王家驹，苏晓佳，张维戈，何锡添，吴健，张言茹，周兴振，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11