鋰離子電池組串聯阻抗匹配的研究

摘 要：本文以動態阻抗為基礎，改變串聯狀態，兼容現有電壓、內阻、容量和K值匹配。采用“四線制”將特定頻點的正弦電流注入工作狀態的電池，獲取同頻的響應電壓，通過設計“強直弱交無相移”電路對弱電壓響應信號進行高倍數放大，實現了電池動態阻抗的測量。本文的鋰離子電池組串聯阻抗匹配設計能夠提升充電速度和充電安全性，解決快充溫度過熱的問題。

關鍵詞：快充；智能手機；串聯；阻抗匹配；動態阻抗

中圖分類號：TN 86" " " " 文獻標志碼：A

手機電池快充市場不斷擴大，快充技術得到普遍應用，但手機體積有限，因此手機用鋰離子電池組的保護板體積均較小，在應用快充的過程中，串聯使用電池成為一種加快充電速度并解決快充溫升高的業內常規應對方案。

1 動態阻抗基本理論知識

動態阻抗是一種分析電化學反應和材料表面特性的重要技術。其基本原理是在交流電場下測量電化學系統中電極和電解液間的阻抗。當電極表面有化學反應發生時，會引起電阻抗變化。這種變化可以反映出反應的動力學特性和表面結構等信息[1]。通過測量和分析電極電位和頻率變化，可以得到電解液中離子的傳輸速率、反應物濃度和電荷轉移速率等參數，從而深入研究電化學反應的本質。

在動態阻抗測量中，電池系統被視為一個復雜的電路，包括電極、電解液和電池內部的電化學反應。通過施加交流電場并測量電極和電解液間的電阻抗，可以得到復雜的阻抗譜[2]。該阻抗譜具有不同的元素響應，例如電極電容、電極電解負電阻和電解負電阻等，從而獲得關于電池內部反應和性能的信息。

2 鋰離子電池組串聯阻抗匹配設計

2.1 整體設計方案

作為整個系統的核心，主控芯片通過數字信號處理器（DSP）對電流源進行驅動控制，生成所需的正弦激勵電流ie，并從信號采集單元中獲取電池響應電壓ur。同時，主控芯片也負責計算動態阻抗，以便進行進一步分析和處理[3]。信號處理電路的作用是對采集的電池響應信號進行強直弱交無相移的分離和放大。通過該步驟，可以確保所采集的信號具有較高的精度和準確性，為后續的分析和判斷提供可靠數據。通道切換單元用于測量多個電池單體，將選定電池的端電壓接入設備的響應電壓ur輸入端。

2.2 獲取動態阻抗數據

以固定電壓帶載固定電流（例如1A）的方式，記錄不同電壓下的直流阻抗。如Table-1，具體方法如下。

第一步，開始測試前，將電池以0.2C/充電限制電壓的方式充電至0.02C截止，擱置2h，記錄此時電壓。該步驟的目的是讓電池達到一個穩定的狀態，以便進行后續測試。充電至0.02C截止是為了避免電池過度充電，造成安全問題。在擱置2h后記錄電池的電壓值，以便后面的測試使用。

第二步，將電池以1A放電，記錄放電前電壓V1，記錄放電第一秒時的電壓V2。然后電池繼續以1A放電，當電池電壓顯示4.3V、4.25V、4.2V、4.15V、4.0V、3.85V、.7V、3.55V、3.4V、3.25V、3.2V、3.15V、3.1V、3.05V和3.0V時，記錄此時電壓S1，分別再擱置60min后，記錄電壓S2。在該步驟中，電池以1A的電流進行放電，以獲取不同電壓下的直流阻抗數據。每當電池的電壓降到特定值時，記錄下此時的電壓值，并將電池擱置60min，以便電池達到穩定狀態。60min后，再次記錄電池的電壓值，以便計算直流阻抗數據。

第三步，計算各電壓點直流阻抗，分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

在該步驟中，利用記錄下的電壓值（包括V1和V2）計算出相應的直流阻抗值。直流阻抗值可以通過計算電壓下電池產生的電流與電壓間的比值來得到。將這些數據記錄下來，以便后面的分析和處理。

第四步，將各帶載電壓點計算出來的R與帶載電壓相對應，生成直流阻抗V-R曲線。此曲線即為動態阻抗數據[4]。在該步驟中，將計算得出的直流阻抗值與相應的帶載電壓進行匹配，生成一個直流阻抗-V曲線。該曲線將展示不同電壓下電池的直流阻抗數據，并可用于分析電池的性能和壽命。

2.3 電流源激勵

在測量過程中，激勵電流源產生頻率為fe的正弦電流ie，其數學表達式如公式（2）所示。

ie（t）=A·sin（2πfe·t） " （3）

式中：ie（t）是時間t時刻的激勵電流值；A是正弦激勵電流的幅值；fe是激勵電流的頻率；2π是一個常數（約等于6.28）。

根據線性測量原則分析，A的取值可以設定為1A。在測量過程中，正弦激勵電流的幅值為1A。根據具體的測量需求和系統設計，可以調整A的取值。運算過程是根據給定的頻率fe和時間t，通過數學運算計算出對應時刻的激勵電流值ie。

將給定的時間t代入公式（2）中，計算出sin（2πfe×t）的值。將計算得到的值乘以幅值A，得到對應時刻的激勵電流ie（t）。

2.4 強直弱交信號處理

在無線通信中，強信號和弱信號的處理方式是不同的。強信號通常指信號強度較高且接收信噪比較好的情況，而弱信號則是指信號強度較低且接收信噪比較差的情況。

對于強信號的處理，可以采用一些抗干擾技術，如信號調制和解調技術、前向糾錯編碼技術等，以提高信號的可靠性和抗干擾能力。此外，還可以采用動態功率控制和自適應調制等技術，以適應不同信道條件和用戶需求，提高系統的容量和性能。對于弱信號的處理，由于信號的強度較低且受噪聲干擾較大，傳統的信號處理方法可能無法有效提取有效的信息。因此需要采用一些增強信號的技術，如信號增益放大、噪聲濾波和信號重構等，以提高弱信號的可檢測性和可辨識性。此外，還可以采用多天線接收技術、自適應信號處理技術等提高信號的接收性能和魯棒性。

電流采集部分將激勵電流ie通過精密的采樣電阻Rs轉換為采樣電壓us，ie和us間存在如公式（3）所示的關系。

us=ie·Rs " "（4）

式中：us表示采樣電壓；ie表示激勵電流；Rs表示采樣電阻。

根據給出的條件，被測電池的阻抗與采樣電阻Rs應保持同一數量級，即Rs=10mΩ。

將給定的激勵電流ie值代入公式（3），即us=ie×Rs。將采樣電阻Rs的值代入公式（3），即us=ie10mΩ。

2.5 動態阻抗匹配

根據2.2節獲得的V-R曲線數據，根據如下條件進行匹配。1）比較總放電時間，差別≤1%（扣除每個點1h的擱置時間后計算），對電池進行測試時，還需要比較不同電壓點的總放電時間。為了減少誤差，計算總放電時間時會扣除每個電壓點1h的擱置時間。不同電壓點的總放電時間之間的差別應該≤1%，相當于要求電池的總容量誤差≤1%。通過這個指標可以評估電池的一致性和穩定性。2）半角各點的阻抗誤差，判定條件可根據電池的實際應用情況調整。如電池使用的最大電流為3A，電池可允許的最高電壓比充電限制電壓高50mV。此時可限制各點阻抗差＜16mΩ即可。可允許阻抗差如公式（5）所示。

（5）

式中：Vmax為電池可允許最高電壓（無安全風險，不損壞電池）；Vcharge為充電限制電壓；Imax為最大持續使用電流。

通過比較各電壓點的阻抗誤差，可以評估電池的質量和性能及其在實際使用中的可靠性。根據電池的具體應用情況，可以對阻抗差的判定條件進行調整，以滿足特定的需求和要求。

2.6 動態阻抗應用

本設計主要應用于多節串聯使用的電池，采用規范的方式獲得電池的動態阻抗，并對其進行匹配，可以通過計算機進行計算阻抗和自動比對配對。在這個基礎上，可以實現的功能和應用見表1。

2.7 應用效果

為了驗證本方案的有效性，使用本方案設計的設備進行測量。具體步驟如下。將激勵電流ie通過精密的采樣電阻Rs轉換為采樣電壓us，使用合適的電壓采集裝置采集并記錄采樣電壓信號。根據試驗要求，設定頻率為1Hz～1kHz，逐個選擇頻率進行測量。設定相應的激勵電流ie并采集對應的采樣電壓us。根據采樣電壓us和設定的激勵電流ie值，使用阻抗計算公式計算出每個頻率下的阻抗值。重復以上步驟，直到完成整個頻率范圍內的測量。

然后使用通用的電化學阻抗譜測量設備進行測量，具體步驟如下。按照設備說明書連接電化學阻抗譜測量設備，包括電流源和電壓測量部分。設定頻率為1Hz～1kHz，逐個選擇頻率進行測量。設定相應的激勵電流值，并采集對應頻率下的電壓信號。根據采集的電壓信號和設定的激勵電流值，使用電化學阻抗譜測量設備內部的算法，計算出每個頻率下的阻抗值。重復以上步驟，直到完成整個頻率范圍內的測量。

最后將本方案設計的設備和通用的電化學阻抗譜測量設備測量出的10mΩ精密無感電阻在1Hz～1kHz下的阻抗結果進行比較和分析，以驗證本方案的有效性。10mΩ精密無感電阻如圖2所示。

在1Hz～1kHz的頻率段上，使用本方案設計的設備和通用的電化學阻抗譜測量設備對10mΩ精密無感電阻的阻抗，并將測量結果進行比較和分析。結果顯示，在整個頻率范圍內，2臺設備的阻抗譜實部都保持在10mΩ附近，誤差不超過0.05mΩ，誤差率＜0.5%。該結果與理論預期相符合。基于該設計方案研發的動態阻抗測量設備具有較高的幅值精度，可以滿足實際使用需求。此外，該設備還能夠準確測量電路元件的阻抗譜，為電路分析和故障診斷等方面的研究提供了有力支持。

為驗證該設備的實際應用性能，選擇一塊容量為24Ah的磷酸鐵鋰方形鋁殼電池進行測試。首先，利用該設備對該電池在1Hz～1kHz頻率范圍內的阻抗進行測量，具體步驟如下。連接電池與測量設備，并設置頻率范圍為1Hz～1kHz。其次，依次選擇頻率進行測量，并記錄相應頻率下的阻抗值。重復以上步驟，直到完成整個頻率范圍的測量。再次，使用通用的電化學阻抗譜測量設備對同一塊電池在1Hz～1kHz頻率范圍內的阻抗進行測量，具體步驟如下。按照設備說明書連接電化學阻抗譜測量設備，并設置頻率范圍為1Hz～1kHz。依次選擇頻率進行測量，并記錄相應頻率下的阻抗值。重復以上步驟，直到完成整個頻率范圍內的測量。最后，將2臺設備測量得到的同一塊電池在1Hz～1kHz下的阻抗結果進行比較和分析，以驗證該設備在實際應用中的準確性和可靠性。通過比較2組測量結果，可以評估該設備對電池阻抗特性的測量能力，并驗證其適用性。最終表明設計效果較好，精度較高。24Ah磷酸鐵鋰方形鋁殼電池如圖3所示。

如果將本設計投入量產，可在實際應用中大幅提高串聯應用的電池的安全性并延長電池的使用壽命。在電池串聯使用過程中，電池個體間的差異可能會導致電池鼓脹、爆炸等風險，會威脅人身安全和財產安全。而本設計的實施可以減少這種安全隱患，提高產品的品質和穩定性，并降低售后成本，提高產品的安全性和可靠性。

3 結語

在串聯電池組的應用中，導入動態阻抗匹配可以有效降低電池在使用過程中過充的風險，并能有效提高串聯電池組應用過程中的有效使用容量。同步應用其周邊應用，可以追溯串聯應用電池信息，匹配可視化。采用系統化管控和數據處理方式可以降低匹配錯誤并提供追溯能力。此外，該方法的設計成本較低，并能顯著提升產品的安全可靠性。

參考文獻

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