基于隔离技术的高电压储能电堆多通道同步阻抗测量方法与流程

1.本发明属于高电压电池堆测量技术领域，电池堆包括锂电池堆、燃料电池堆和电解槽组等。具体涉及一种基于隔离技术的高电压储能电堆多通道同步阻抗测量方法。


背景技术：

2.现有的交流阻抗测试分析仪是在固定频率下测试整个电池堆的总阻抗，或用电子开关切换分别测试电池堆内每个电芯的交流阻抗，总阻抗不能反映每个电芯的电阻、电容特性和研究电芯内部的化学反应，电子开关切换因为不同步采样，不能反映相同条件下电芯交流阻抗的差异性。此外，对于大电压的电池堆，目前采用的技术是通过电子负载形式测量，存在相位偏差的问题。所以需要一种新技术来解决上述问题，技术的难点在于不影响电池堆正常状态，给电池堆施加小幅交流电流激励，在电池堆大电压的基础上，同步采集各个电芯两端响应的微弱的交流电压信号、分辨有效信号和计算。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种基于隔离技术的高电压储能电堆多通道同步阻抗测量方法，可应用于同步测量相同状态下高电压储能电堆内各个电芯的交流阻抗，表征电芯的差异化，便于科研人员研究电池堆电芯间差异化原因以及精确定位拣选替换，对提高电池堆性能提供有效依据。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.基于隔离技术的高电压储能电堆多通道同步阻抗测量方法，包括如下步骤：
6.步骤1：交流电流输出模块给被测高电压储能电堆施加的交流电流激励信号；
7.步骤2：多通道信号采集模块的一个通道采集标准取样电阻两端的交流电压，其余n个通道同步采集被测高压电池堆每个电芯两端的交流电压；
8.步骤3：实时对多通道采集模块同步采样所得数据进行计算，得到被测电池堆各个电芯的交流阻抗。
9.其中，若步骤1中交流电流输出模块给被测电堆施加固定频率的交流电流激励信号，得到被测电堆各个电芯在设定频率下不同时间的各个电芯的阻抗模值变化；
10.若步骤1中交流电流输出模块给被测电堆施加扫描频率的交流电流激励信号，则利用被测电堆各个电芯的交流阻抗模值与不同频率下交流电压与交流电流之间的相位差，实时计算被测电堆各个电芯的交流阻抗模值实部zre和虚部zim。
11.所述步骤1中，被测对象是高电压储能电池堆。当电池堆处于静态状态下时，根据电池的容量施加交流激励电流。当电池堆接负载电阻处于恒电流放电状态时，给电堆施加的交流激励电流值为电池堆恒电流放电电流值的5％～10％。
12.所述步骤2中，每个通道均采用隔离型放大器通过磁耦合的方式采集取样电阻和高电压电池堆内每个电芯的响应的微弱的交流电压信号。取样电阻采用一个固定阻值的电阻，该固定阻值的电阻的大小根据电流大小进行选型，电阻阻值范围为50
‑
200毫欧。
13.所述步骤3中，计算方式为：
14.施加激励电流
15.式中u
r0
是不同频率或固定频率不同时间下采集的取样电阻两端的交流电压，r0为取样电阻。纯电阻的交流电压与交流电流相位差为0，故交流电流由纯电阻两端采集的交流电压进行换算。
16.电芯的阻抗
17.式中ux是不同频率或固定频率不同时间下采集的每个电芯两端的交流电压。
18.有益效果：
19.本发明的系统和方法既能应用于静态下测量锂电池储能模组，又能应用于燃料电池堆接电子负载大电流放电状态下或者电解槽组恒电流充电状态下，准确的采集到电芯两端微弱的交流电压信号，同步测量电池堆内各个电芯交流阻抗。给科研人员研究电池堆内电芯反应状态、性能以及废旧电池梯次利用提供数据参考。
附图说明
20.图1是本发明的整体系统原理图；
21.图2是电池堆单体电芯交流阻抗计算原理图；
22.图3是氢燃料电池堆260a放电状态下电芯交流阻抗测量结果图(施加10a rms电流交流激励，交流阻抗频率测量范围10khz
‑
0.1hz)；
23.图4锂电池储能模组电芯交流阻抗测量结果图(施加2a rms电流交流激励，交流阻抗频率测量范围10khz
‑
0.1hz)。
具体实施方式
24.如图1
‑
2所示，本发明基于隔离技术的高电压储能电堆多通道同步阻抗测量方法。该方法包括如下步骤：
25.步骤1：交流电流输出模块给被测高压储能电池堆施加交流电流激励信号；
26.步骤2：多通道信号采集模块的一个通道采集标准取样电阻两端的交流电压，其余n个通道同步采集被测高压电池堆每个电芯两端的交流电压；
27.步骤3：实时对多通道采集模块同步采样所得数据进行计算，得到被测电池堆各个电芯的交流阻抗。
28.其中，若步骤1中交流电流输出模块给被测电堆施加固定频率的交流电流激励信号，得到被测电堆各个电芯在设定频率下不同时间的各个电芯的阻抗模值变化；
29.若步骤1中交流电流输出模块给被测电堆施加扫描频率的交流电流激励信号，则利用被测电堆各个电芯的交流阻抗模值与不同频率下交流电压与交流电流之间的相位差，实时计算被测电堆各个电芯的交流阻抗模值实部zre和虚部zim。
30.本实施例中，被测对象是高电压储能电池堆。当电池堆处于静态状态下时，根据电池的容量施加交流激励电流。当电池堆接负载电阻处于恒电流放电状态时，给电堆施加的交流激励电流值为电池堆恒电流放电电流值的5％～10％。
31.本实施例中，该取样电阻的大小根据电流大小进行选型，电阻阻值范围为50
‑
200毫欧。
32.本实施例中，所述电压采集模块通过隔离型放大器与电堆内每片电芯相连。
33.本实施例中，计算方式为：
34.施加激励电流
35.式中u
r0
是不同频率或固定频率不同时间下采集的取样电阻两端的交流电压，r0为取样电阻。纯电阻的交流电压与交流电流相位差为0，故交流电流由纯电阻两端采集的交流电压进行换算。
36.电芯的阻抗
37.式中ux是不同频率或固定频率不同时间下采集的每个电芯两端的交流电压。
38.本发明的验证：
39.分别采用石墨双极板氢燃料电池堆、磷酸铁锂电池储能模组(105ah)进行交流阻抗测试。其中，石墨双极板燃料电池堆横截面积400cm2。图3是燃料电池堆260a放电状态下燃料电池堆两个电芯阻抗测量结果图。施加10a rms交流电流激励，频率测试范围10khz
‑
0.1hz，取样电阻交流电压采集量程5v，电芯交流电压采集量程50mv。由测量结果可知，在氢燃料电池堆的大电流放电的状态下，可以稳定的测量燃料电池堆内各个电芯的交流阻抗，可以研究堆内电芯之间在工作状态下传质过程和扩散过程的差异化。图4是磷酸铁锂电池组静态下四个电芯交流阻抗测量结果图。施加2a rms交流电流激励，频率测试范围10khz
‑
0.1hz，取样电阻交流电压采集量程500mv，电芯交流电压采集量程50mv。由此可见，本发明不仅能满足测量静态下电池堆内每个电芯的交流阻抗，而且能满足测量放电状态下电池堆内每个电芯的交流阻抗，并且实现μω级阻抗测量。
40.上述实施仅仅是为清楚地说明本发明所做描述，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此引申出的显而易见的变化或者变动仍处于本发明的保护范围之中。