基于LTC6804的锂离子电池阻抗测量系统设计

锂离子电池内阻和阻抗是电池最为重要的参数之一，它是表征电池寿命及电池运行状态的重要参数，是衡量电子和离子在电极内传输难易程度的主要标志。阻抗测量在电池及电芯的研发、生产、使用过程中都有非常重要的意义。在使用过程中，阻抗能够反映电池的健康状态，并且可以通过阻抗来预测电池寿命。也可以通过获得阻抗角和阻抗模来估计电池的内部温度。准确测量电池内阻是电池管理系统及实际应用的客观要求。

常用阻抗测量方法有以下几种：

（1）用响应电压幅值比激励电流幅值得到阻抗模，计算电压幅值和电流幅值出现时间差，得到阻抗角；

（2）FFT方法。但FFT存在栅栏效应和泄漏现象，使算出的信号参数即频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足阻抗计算精度要求；

（3）相关运算方法。由于电池内阻很小，在实际测量中，干扰和噪声对它的影响很大。数字锁相放大器（DLIA）以相关检测为基础，能极大地抑制噪声，提高检测信噪比，中心频率稳定，通频带窄，品质因数高，拥有强大的信号提取能力。

本文首先对数字锁相放大器阻抗测量进行了仿真设计，再对阻抗测量系统进行整体设计，包括整体方案和软件算法改进，最后对串联电池组进行阻抗测量，分析测量结果及误差原因。

电池的响应电压一般不能超过5~10mV，属于微弱信号的范畴，易受到干扰和噪声的影响。数字锁相放大器（DLIA）是内阻测量的核心部分，它以相关检测为基础，利用参考信号频率和输入有用信号频率相关，与非同频噪声不相关，从而从噪声中提取有用信号。基于锁相放大器测量的基本原理，提出直接将电流信号作为同相参考信号，通过正交算法得到反相参考信号，再进行阻抗计算。电池阻抗的测量原理如图1所示。

图1 阻抗测量原理

为了验证数字锁相放大器在电池内阻测量中能有效地抑制干扰和噪声，提高测量精度，在Simulink中搭建如图2所示的模型。ExcitaTIonSource模块产生一个正弦激励电流对电池进行激励，电池模块采用常用的二阶RC等效电路模型。在DLIA模块中，将正弦激励电流直接作为参考信号与电池响应电压进行相关运算。由于在实际应用中，常使用1～100Hz下的阻抗信息进行电池的温度估计，因此设定测试条件为：1～100Hz激励频率，250～1500Hz采样频率，10～60dB信噪比。以此来分析不同激励频率和信噪比下，阻抗计算的准确程度。

图2  基于DLIA阻抗测量系统Simulink模型