基于LTC6804的鋰離子電池阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計

蔣 晶，魏學(xué)哲，王學(xué)遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804)

基于LTC6804的鋰離子電池阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計

蔣 晶，魏學(xué)哲，王學(xué)遠(yuǎn)

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804)

在對鋰離子電池內(nèi)部溫度、壽命等狀態(tài)估計中，常需要獲得1～100 Hz下電池的阻抗信息。采用現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)使用的LTC6804模塊，基于數(shù)字鎖相放大器原理設(shè)計了一套串聯(lián)電池組阻抗在線測量系統(tǒng)，針對LTC6804設(shè)計電流采樣電路，并對相關(guān)運算算法進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，簡化了硬件電路的設(shè)計及阻抗計算的過程，保證了阻抗測量的精度，阻抗模和阻抗角測量的誤差均在5%以內(nèi)，能夠較好地適用于在線阻抗測量與電池溫度估計等實際應(yīng)用中。

阻抗測量；鎖相放大器；電壓電流采樣

鋰離子電池內(nèi)阻和阻抗是電池最為重要的參數(shù)之一，它是表征電池壽命及電池運行狀態(tài)的重要參數(shù)[1]，是衡量電子和離子在電極內(nèi)傳輸難易程度的主要標(biāo)志。阻抗測量在電池及電芯的研發(fā)、生產(chǎn)、使用過程中都有非常重要的意義。在使用過程中，阻抗能夠反映電池的健康狀態(tài)，并且可以通過阻抗來預(yù)測電池壽命。也可以通過獲得阻抗角和阻抗模來估計電池的內(nèi)部溫度[2]。準(zhǔn)確測量電池內(nèi)阻是電池管理系統(tǒng)及實際應(yīng)用的客觀要求[3]。

常用阻抗測量方法有以下幾種：(1)用響應(yīng)電壓幅值比激勵電流幅值得到阻抗模，計算電壓幅值和電流幅值出現(xiàn)時間差，得到阻抗角；(2)FFT方法。但FFT存在柵欄效應(yīng)和泄漏現(xiàn)象，使算出的信號參數(shù)即頻率、幅值和相位不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無法滿足阻抗計算精度要求[4]；(3)相關(guān)運算方法。由于電池內(nèi)阻很小，在實際測量中，干擾和噪聲對它的影響很大。數(shù)字鎖相放大器(DLIA)以相關(guān)檢測為基礎(chǔ)，能極大地抑制噪聲，提高檢測信噪比，中心頻率穩(wěn)定，通頻帶窄，品質(zhì)因數(shù)高，擁有強(qiáng)大的信號提取能力[5]。

本文首先對數(shù)字鎖相放大器阻抗測量進(jìn)行了仿真設(shè)計，再對阻抗測量系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計，包括整體方案和軟件算法改進(jìn)，最后對串聯(lián)電池組進(jìn)行阻抗測量，分析測量結(jié)果及誤差原因。

1 數(shù)字鎖相放大器測阻抗的仿真設(shè)計

1.1 算法設(shè)計

根據(jù)文獻(xiàn)記載[6]，電池的響應(yīng)電壓一般不能超過5～10 mV，屬于微弱信號的范疇，易受到干擾和噪聲的影響。數(shù)字鎖相放大器(DLIA)是內(nèi)阻測量的核心部分，它以相關(guān)檢測為基礎(chǔ)，利用參考信號頻率和輸入有用信號頻率相關(guān)，與非同頻噪聲不相關(guān)，從而從噪聲中提取有用信號。基于鎖相放大器測量的基本原理，提出直接將電流信號作為同相參考信號，通過正交算法得到反相參考信號，再進(jìn)行阻抗計算。電池阻抗的測量原理如圖1所示。

圖1 阻抗測量原理

1.2 基于DLIA阻抗測量Simulink仿真驗證

為了驗證數(shù)字鎖相放大器在電池內(nèi)阻測量中能有效地抑制干擾和噪聲，提高測量精度，在Simulink中搭建如圖2所示的模型。ExcitationSource模塊產(chǎn)生一個正弦激勵電流對電池進(jìn)行激勵，電池模塊采用常用的二階RC等效電路模型。在DLIA模塊中，將正弦激勵電流直接作為參考信號與電池響應(yīng)電壓進(jìn)行相關(guān)運算。由于在實際應(yīng)用中，常使用1～100 Hz下的阻抗信息進(jìn)行電池的溫度估計，因此設(shè)定測試條件為：1～100 Hz激勵頻率，250～1 500 Hz采樣頻率，10～60 dB信噪比。以此來分析不同激勵頻率和信噪比下，阻抗計算的準(zhǔn)確程度。

圖2 基于DLIA阻抗測量系統(tǒng)Simulink模型

(1)不同激勵頻率對阻抗計算誤差的影響

圖3為SNR=30dB，1 kHz采樣頻率，不同激勵頻率對阻抗計算誤差影響情況。可見在1～100 Hz激勵頻率內(nèi)，阻抗模測量誤差在0.5%以內(nèi)，阻抗角測量誤差在2%以內(nèi)。

圖3 不同激勵頻率對阻抗計算誤差影響情況

(2)信噪比對阻抗計算誤差及穩(wěn)定時間的影響

圖4為1 kHz采樣頻率，50 Hz激勵頻率，不同信噪比對阻抗計算誤差的影響情況。由圖可知，在低信噪比下，阻抗計算仍有較高的精度。當(dāng)SNR=10 dB時，阻抗模和阻抗角相對誤差為1.8%和8%。

圖4 不同信噪比對阻抗計算誤差的影響

(3)電流截波采樣對阻抗計算的影響

采用上述Simulink模型，設(shè)置測試條件為10 Hz激勵頻率，400 Hz采樣頻率，對電流進(jìn)行截波后再進(jìn)行阻抗計算的結(jié)果。如圖5所示為電流截波采樣、電流正交及電壓采樣去直流偏置后的波形圖。

圖5 電流截波采樣、電流正交及電壓采樣去直流偏置后的波形圖

經(jīng)過相關(guān)運算算出阻抗模和阻抗角，發(fā)現(xiàn)電流截波采樣對阻抗角的計算沒有影響，而阻抗模的值是真實值的一半。下面對上述結(jié)論進(jìn)行理論分析。設(shè)總采樣點數(shù)為，q為采樣周期數(shù)。輸入待測信號即電池響應(yīng)電壓信號為：，通過采樣 (采樣頻率采樣步長得到：

同相相關(guān)運算結(jié)果：

A/B為理論阻抗模真值，因此通過對電流截波采樣，對阻抗角計算結(jié)果沒有影響，而阻抗模減小一倍。

用數(shù)字鎖相放大測量電池內(nèi)阻，能夠有效地去除噪聲的影響，準(zhǔn)確地測量電池內(nèi)阻。本文將電流信號直接作為參考信號，并且對電流信號進(jìn)行截波處理后直接作為相關(guān)運算的同相參考信號，通過仿真和理論分析驗證其有效性，能夠簡化阻抗測量系統(tǒng)硬件設(shè)計，利于實現(xiàn)阻抗的車載測量。

2 阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體方案設(shè)計

電池參數(shù)的采集是電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為荷電狀態(tài)估算、均衡控制、故障診斷等提供基礎(chǔ)。本方案采用電池管理系統(tǒng)中常用的單體電池監(jiān)控芯片LTC68xx進(jìn)行電池響應(yīng)電壓及其激勵電流的測量。LTC6804是多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器，可同時測量多達(dá)12個串接電池的電壓，并且最大總測量誤差為1.2 mV，測量范圍為0～5 V，可在290 μs之內(nèi)完成系統(tǒng)中所有電池的測量，并可選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以實現(xiàn)高噪聲抑制。LTC6804有5個通用的I/O或模擬輸入口，若將電流傳感器接至該口，即可實現(xiàn)電池電壓和電流的同步測量。LTC6804提供ISOSPI和SPI兩種通信模式，最大通信速率為1 Mbps[7]。

由于LTC6804內(nèi)置的AD電路不能承受負(fù)電壓，而電池的激勵電流信號為正負(fù)交替的正弦信號，因此將電流信號放大后經(jīng)過截波電路再輸入LTC6804進(jìn)行測量。如圖6所示為阻抗測量整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)由電池電壓電流采集模塊、控制模塊和通信模塊組成。采用LTC6804對電池模塊的12節(jié)單體電壓、總電壓和電流進(jìn)行采集，在采集轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過SPI總線傳輸?shù)娇刂菩酒琓MS320F2812。采用運算放大器和截波電路對電流信號進(jìn)行信號處理再輸入到LTC6804。 TMS320F2812作為控制芯片，一方面通過SPI與LTC6804之間進(jìn)行通信，發(fā)送電壓電流采集指令，并讀回采集的電流電壓值。同時通過CAN總線將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈涌刂破鳌?/p>

圖6 阻抗測量整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 改進(jìn)的相關(guān)算法設(shè)計

正弦激勵電流信號源輸出信號對電池進(jìn)行激勵，在電池兩端采樣得到電池的響應(yīng)電壓。將正弦激勵電流信號直接作為同相參考信號，通過對電流信號進(jìn)行軟件算法移相90°處理或者在電流信號調(diào)理模塊中添加90°移相電路，直接得到正交參考信號，相比于現(xiàn)有的鎖相放大器阻抗計算方法，需要額外產(chǎn)生同相參考信號和反相參考信號，分別求得待測的響應(yīng)電壓信號和激勵電流信號，再計算得到電池的交流阻抗，本文所述方法只需要一次相關(guān)運算便能求得電池的阻抗模和阻抗角，因此可以大量簡化阻抗計算算法。通過將激勵電流信號直接作為參考信號，一方面可以保證待測信號與參考信號同頻，滿足相關(guān)算法的要求，另一方面，通過與待測電壓信號進(jìn)行相關(guān)運算，可以直接得到電池阻抗的幅值和相位信息。

本文采用軟件算法實現(xiàn)參考電流信號的移相處理，通過AD采樣得到電池的電流信號后傳輸給DSP直接作為同相參考信號，再通過正交算法，得到反相參考信號。圖7所示為阻抗測量軟件算法流程圖。

圖7 阻抗測量軟件算法流程圖

2.3 適于LTC6804的電流采集方案

由于LTC6804不能承受負(fù)電壓，因此對電流信號進(jìn)行半波整流，保證輸入到LTC6804的電流信號始終為正。因阻抗計算直接采用電流信號作為參考信號，因此在對電流信號進(jìn)行處理時必須保證電流頻率不變，所以對電流信號采用截波處理。如圖8所示，利用二極管單向?qū)ǎ瑢﹄娏鬟M(jìn)行截波處理。

圖8 電流截波電路

3 阻抗測量結(jié)果與誤差分析

3.1 阻抗計算結(jié)果

被測電池模塊由四節(jié)標(biāo)稱電壓3.6 V、額定容量3 450 mAh的三元NCR18650鋰離子電池組成，串聯(lián)電池組電池盒及四節(jié)串聯(lián)電池連接方式如圖 9所示，Cell0+，Cell1+，Cell2+，Cell3+分別表示4節(jié)電池的正極。電池阻抗的參考值采用東揚(yáng)精測多通道澤康測量儀BA500-50 BATTERY ANALYZER對串聯(lián)電池模塊進(jìn)行阻抗測量，激勵電流頻率為10 Hz，電流幅值為2 A。

圖9 串聯(lián)電池組電池盒及電池組連接方式示意圖

采用本文設(shè)計的阻抗測量系統(tǒng)，采樣頻率設(shè)為200 Hz，將Cell0+，Cell1+，Cell2+，Cell3+接入LTC6804的 C1，C2，C11，C12，Cell0-接入LTC6804的C0。電流采樣采用上述截波電路后輸入到LTC6804的GPIO1。所設(shè)計的系統(tǒng)阻抗測量結(jié)果如圖10所示，可見，4節(jié)串聯(lián)電池的阻抗模測量誤差均在5%以內(nèi)，而阻抗角的誤差非常大，下面對阻抗角誤差進(jìn)行分析。

圖10 串聯(lián)電池組阻抗測量結(jié)果

3.2 阻抗角誤差分析

在LTC6804采集電流電壓的系統(tǒng)中，存在電流電壓采樣不同步問題。由LTC6804數(shù)據(jù)手冊可知，4節(jié)電池電壓與電流采樣不同步如表1所示。下面對不同步時間對相關(guān)運算的影響進(jìn)行理論分析。

通過將激勵電流進(jìn)行移相得到正交參考信號：

接下來進(jìn)行相關(guān)運算：

阻抗幅值：，因此延時對阻抗幅值計算的結(jié)果沒有影響。

阻抗相位角，如式(10)所示：

因此，為了滿足阻抗計算的精度要求，電流或電壓延時對阻抗計算的影響與待測信號的周期之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。延時對阻抗角計算誤差呈周期性變化，周期為待測信號周期的一半。延時對阻抗計算的影響結(jié)果可以量化，因此可以通過算法主動去除延時的影響。根據(jù)式(10)，當(dāng)電壓超前電流時為正，電壓滯后電流時為負(fù)，量化不同步對阻抗角計算的誤差如表1所示。

表1 電壓電流測量不同步對阻抗角的影響

由表1可見，電壓電流不同步對阻抗角測量的影響非常大，由式可知，當(dāng)延時時間增大，采樣頻率很高的時候，對阻抗角測量的影響就非常明顯。通過量化不同步時間對阻抗角計算的影響，對阻抗角測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的阻抗角及阻抗角參考值、相對誤差如圖11所示。

本文設(shè)計的串聯(lián)電池組阻抗測量軟件系統(tǒng)中，對阻抗角的測量結(jié)果進(jìn)行了相位補(bǔ)償，最終阻抗測量結(jié)果如圖12、圖13所示。

可見該串聯(lián)電池組阻抗測量系統(tǒng)，阻抗模阻抗角的測量誤差均在5%以內(nèi)。進(jìn)一步分析，造成測量誤差的原因發(fā)現(xiàn)，本實驗采用的串聯(lián)電池組盒對阻抗測量結(jié)果有較大影響。采用設(shè)備進(jìn)行阻抗測量的時候，每節(jié)單體的正負(fù)極直接接入設(shè)備的采樣通道，而LTC6804只接入串聯(lián)電池組每節(jié)電池的正極，因此沒有考慮兩節(jié)電池之間連接導(dǎo)線的內(nèi)阻，即圖9中AB、CD、EF段的內(nèi)阻。

圖11 補(bǔ)償后的阻抗角及阻抗角參考值、相對誤差

圖12 阻抗模測量誤差

圖13 補(bǔ)償后的阻抗角測量誤差

4 總結(jié)與展望

本文設(shè)計的基于數(shù)字鎖相放大器阻抗計算和LTC6804與DSP結(jié)合的電壓電流采集系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地獲得電池的阻抗，不僅能夠有效減弱干擾和噪聲的影響，對電流進(jìn)行截波處理，降低了AD采樣復(fù)雜度并且量化了電壓電流采樣不同步對阻抗計算的影響。同時將正弦激勵電流直接作為參考信號，簡化了阻抗計算。通過仿真實驗，驗證了阻抗計算算法的可靠性。利用本文設(shè)計阻抗測試系統(tǒng)精確得到電池的阻抗模和阻抗角，可以應(yīng)用到電池壽命、溫度、荷電狀態(tài)估計實驗中。考慮到LTC6804模塊電流電壓同步采樣的最高頻率為200 Hz，因此限制了對串聯(lián)模塊高頻下的阻抗測量。基于本文提出的阻抗測量算法，可以采用高速高精度AD，實現(xiàn)更寬頻率范圍的串聯(lián)電池組的阻抗測量。

[1]HUNG M H.State-of-charge and state-of-health estimation for lithium-ion batteries based on dynamic impedance technique[J].Journal of Power Sources，2014，268：861-873.

[2]ZHU J G，SUN Z C，WEI X Z，et al.A new lithium-ion battery internal temperature on-line estimate method based on electrochemical impedance spectroscopy measurement[J].Journal of Power Sources，2015，274：990-1 004.

[3]劉文輝，趙鴻燕.基于信號分解的電池交流阻抗測量方法[J].電測與儀表，2011，48(3)：25-28.

[4]張伏生，耿中行.電力系統(tǒng)諧波分析的高精度FFT算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，1999，19(3)：63-66.

[5]宋改青，董有爾.鎖相放大器在電池內(nèi)阻測量中的應(yīng)用[J].物理測試，2006，24(2)：57-59.

[6]RODRIGUES S，MUNICHANDRAIAH N，SHUKLA A K.AC impedance and state of charge analysis of a sealed lithium-ion rechargeable battery[J].Solid State Electrochem，1999(3)：397-405.

[7]劉謙，何明前，范世軍，等.基于LTC6804的電池參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2015(1)：144-145.

圖9 不同導(dǎo)熱系數(shù)的截面1-2-3-4的最高溫度和最大溫差Δ

4 結(jié)論

提高了電池表面對流換熱系數(shù)，電池散熱效果改善明顯；熱輻射對電池散熱有影響，可考慮采用合適工藝對電池外殼進(jìn)行加工處理以提高其熱輻射系數(shù)；外殼厚度對電池內(nèi)部溫度場有影響，分析時需結(jié)合綜合其他因素分析電池散熱效果；提高導(dǎo)熱系數(shù)可改善電池散熱能力。目前鋰電池外殼材料一般采用不銹鋼和鋁兩種材料，在綜合考慮重量、成本、工藝等因素，設(shè)計時優(yōu)先選用鋁作為電池外殼材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]SATO N，YAGI K.Thermal behavior analysis of nickel metal hy dride batteries vehicles[J].J SAE Review，2000，21：208-209.

[2]BERNADI D，PAWLIKOWSIKI E，NEWMAN J T.A general energy balance for battery system[J].J Electrochem Society，1985，132(1)：5-12.

[3]王峰，李茂德.電池?zé)嵝?yīng)分析[J].電源技術(shù)，2010，34(3)：288-291.

[4]李騰，林成濤，陳全世.鋰離子電池?zé)崮Ｐ脱芯窟M(jìn)展[J].電源技術(shù)，2009，33：927-930.

[5]林成濤，李騰，陳全世.錳酸鋰動力蓄電池散熱影響因素分析[J].兵工學(xué)報，2010，31(1)：89-93.

[6]張遙，白楊，劉興江.動力用鋰離子電池?zé)岱抡娣治鯷J].電源技術(shù)，2008，32(7)：461-463.

[7]王松蕊，付亞娟.鋰離子電池溫度變化熱模擬研究[J].電源技術(shù)，2010，34(1)：41-44.

[8]CHEN S C，WAN C C，WANG Y Y.Thermal analysis of lithiumion batteries[J].J Power Sources，2005，140(1)：111-124.

Lithium ion battery impedance measurement system based on LTC6804

To estimate the internal temperature,life and other state condition of battery,it was often required to obtain the battery impedance information under 1-100Hz frequency.An impedance measurement system for series battery based on existing battery management modules LTC6804 and digital-lock-in amplifier was designed.The current sampling circuit was designed and the correlation calculation algorithm was improved appropriately so as to simplify the hardware design and impedance calculation.With this impedance measurement system,the impedance module and angel error were within 5%,which could be able to apply to on-line impedance measurement and other practical applications such as battery impedance estimation.

impedance measurement;lock-in amplifier;voltage/current sampling

TM912.9

A

1002-087X(2016)12-2327-05

2016-05-12

蔣晶(1992—)，女，湖南省人，碩士生，主要研究方向為鋰離子電池管理系統(tǒng)。