鋰離子電池內阻和阻抗是電池最為重要的參數之一，它是表征電池壽命及電池運行狀態(tài)的重要參數，是衡量電子和離子在電極內傳輸難易程度的重要標志。阻抗測量在電池及電芯的研發(fā)、生產、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部溫度。準確測量電池內阻是電池管理系統(tǒng)及實際應用的客觀要求。

常用阻抗測量方法有以下幾種：

(1)用響應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時間差，得到阻抗角;

(2)FFT方法。但FFT存在柵欄效應和泄漏現象，使算出的信號參數即頻率、幅值和相位不準，尤其是相位誤差很大，無法滿足阻抗計算精度要求;

(3)相關運算方法。由于電池內阻很小，在實際測量中，干擾和噪聲對它的影響很大。數字鎖相放大器(DLIA)以相關檢測為基礎，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，品質因數高，擁有強大的信號提取能力。

本文首先對數字鎖相放大器阻抗測量進行了仿真設計，再對阻抗測量系統(tǒng)進行整體設計，包括整體方法和軟件算法改進，最后對串聯電池組進行阻抗測量，分析測量結果及誤差原因。

1、數字鎖相放大器測阻抗的仿真設計

1.1、算法設計

電池的響應電壓一般不能超過5~10mV，屬于微弱信號的范疇，易受到干擾和噪聲的影響。數字鎖相放大器(DLIA)是內阻測量的核心部分，它以相關檢測為基礎，利用參考信號頻率和輸入有用信號頻率相關，與非同頻噪聲不相關，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

為了驗證數字鎖相放大器在電池內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。ExcitaonSource模塊出現一個正弦激勵電流對電池進行激勵，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電壓進行相關運算。由于在實際應用中，常使用1～100Hz下的阻抗信息進行電池的溫度估計，因此設定測試條件為：1～100Hz激勵頻率，250～1500Hz采樣頻率，10～60dB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，1kHz采樣頻率，不同激勵頻率對阻抗計算誤差影響情況?？梢娫?～100Hz激勵頻率內，阻抗模測量誤差在0.5%以內，阻抗角測量誤差在2%以內。

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)按時間的影響

圖4為1kHz采樣頻率，50Hz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SNR=10dB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，設置測試條件為10Hz激勵頻率，400Hz采樣頻率，對電流進行截波后再進行阻抗計算的結果。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

經過相關運算算出阻抗模和阻抗角，發(fā)現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。下面對上述結論進行理論分析。設總采樣點數為M=qxN，q為采樣周期數。輸入待測信號即電池響應電壓信號為：U=Asin(2pft+φ)，通過采樣(采樣頻率fs=Nf采樣步長Ts=1/fs=1/Nf)得到：

由于對電流進行截波采樣，因此k的取值如式(3)所示。因此最終同相相關運算的結果小一半。同理反相相關運算結果為RUIo=[(AB/2)sinφ]/2。阻抗運算結果為：

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

用數字鎖相放大測量電池內阻，能夠有效地去除噪聲的影響，準確地測量電池內阻。本文將電流信號直接作為參考信號，并且對電流信號進行截波處理后直接作為相關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)硬件設計，利于實現阻抗的車載測量。

2、阻抗測量系統(tǒng)設計

2.1、整體方法設計

電池參數的采集是電池管理系統(tǒng)的基礎，為荷電狀態(tài)估算、均衡控制、故障診斷等供應基礎。本方法采用電池管理系統(tǒng)中常用的單體電池監(jiān)控芯片LTC68xx進行電池響應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12個串接電池的電壓，并且最大總測量誤差為1.2mV，測量范圍為0～5V，可在290ms之內完成系統(tǒng)中所有電池的測量，并可選擇較低的數據采集速率以實現高噪聲抑制。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，即可實現電池電壓和電流的同步測量。LTC6804供應ISOSpI和SpI兩種通信模式，最大通信速率為1Mbps。

由于LTC6804內置的AD電路不能承受負電壓，而電池的激勵電流信號為正負交替的正弦信號，因此將電流信號放大后經過截波電路再輸入LTC6804進行測量。如圖6所示為阻抗測量整體系統(tǒng)結構圖。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、總電壓和電流進行采集，在采集轉換結束后通過SpI總線傳輸到控制芯片TMS320F2812。采用運算放大器和截波電路對電流信號進行信號處理再輸入到LTC6804。

圖6阻抗測量整體系統(tǒng)結構圖

2.2、改進的相關算法設計

本文采用軟件算法實現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的電流采集方法

由于LTC6804不能承受負電壓，因此對電流信號進行半波整流，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，利用二極管單向導通，對電流進行截波處理。

3、阻抗測量結果與誤差分析

3.1、阻抗計算結果

被測電池模塊由四節(jié)標稱電壓3.6V、額定容量3450mAh的三元NCR18650鋰離子電池組成，串聯電池組電池盒及四節(jié)串聯電池連接方式如圖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精測多通道澤康測量儀BA500-50BATTERYANALYZER對串聯電池模塊進行阻抗測量，激勵電流頻率為10Hz，電流幅值為2A。

采用本文設計的阻抗測量系統(tǒng)，采樣頻率設為200Hz，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。所設計的系統(tǒng)阻抗測量結果如圖10所示，可見，4節(jié)串聯電池的阻抗模測量誤差均在5%以內，而阻抗角的誤差非常大，下面對阻抗角誤差進行分析。

3.2、阻抗角誤差分析

通過量化不同步時間對阻抗角計算的影響，對阻抗角測量結果進行補償，補償后的阻抗角及阻抗角參考值、相對誤差如圖11所示。本文設計的串聯電池組阻抗測量軟件系統(tǒng)中，對阻抗角的測量結果進行了相位補償，最終阻抗測量結果如圖12、圖13所示。

4、總結

本文設計的基于數字鎖相放大器阻抗計算和LTC6804與DSp結合的電壓電流采集系統(tǒng)，能夠準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，對電流進行截波處理，降低了AD采樣復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。