摘要：判断电池性能的关键是电池的容量,容量越大，性能越好。对于同一种电池，当容量较大时，电池的内阻较低。当电池容量发生变化时，电池的内阻也会发生变化。当容量降低到50%时，内阻会明显变化。因此，根据电池的内阻，可以在一定程度上确定电池的性能。
关键词：电池;内阻测量;分析
前言
现如今，电池的研究应用越来越广泛，并且其未来前景十分广阔。但电池内阻的测量却是一个技术难题，电池本身具有非线性，而且内阻的大小数量级为毫欧级，变化极小，电池工作时的电信号是交直流混合信号，所以高精度检测内阻值非常困难
1电池在线监测方法
电池在线监测，主要是通过内阻，实现快速巡检，完成电池电流与电压等参数的实时监测，通过内阻实时监测，能够发现电池运行存在的健康问题。内阻在线监测方法，主要可归纳为直流内阻测试法与交流内阻测试法。
1.1直流内阻测试
此方法的应用，虽然能够实现在线监测的基本目标，但存在着诸多不足，主要包括以下内容：①放电电流较大。应用直流内阻测试法，使用的放电电流通常较大，会给电池设备，造成不同程度的损害。若测量频度较大，使得损害不断累积，极易集中爆发。②无法测量极化阻抗。此方法在实际应用过程中，只能够测量电池内阻中的欧姆阻抗，不能测量极化阻抗，因此难以精准判断电池失效情况。③对连线的可靠性，有着较高的要求。电池之间连接，所使用的连接线，其厚度要大于10mm2。
1.2交流内阻测试
此方法指的是向电池内部，摄入交流信号（要选择相应的频率）。采取此做法主要是因为电池内拥有阻抗，利用测量电池相关信息，比如反馈电流信号，做好信号处理，采取对比法，明确反馈信号以及注入信号之间存在的差异，进而实现内阻测量。交流内阻测试法的应用，具有以下优势：①不需要放电。由于不用放电，所以能够避免发电流放电，减少对蓄电池造成的损坏。②在测试电池时，不需要离线运行，消除了系统运行的安全隐患，实现电池内阻实时在线监测。③蓄电池监测效果好。此方法的应用，能够实现欧姆阻抗和极化阻抗的同时测量，可靠且真实的分析电池实际状况。④在测试时，不需要施加负载，能够降低监测设备的成本。
2电阻补偿法测量电池内阻
2.1可行性分析
电阻补偿法测量电池内阻原理图如图1所示，恒流电源I通过两个电阻R1和R2后串接电池(红色虚线框内即为电池)并接地，两个电压跟随器M1、M2分别取A点与B点电压，M1、M2的输出电压分别作为差动放大器M3的反向及同相输入端电压。
图1 电阻补偿法原理图
根据虚断，流入电压跟随器的电流为零，则其输出电压VC、VD分别为：
VC=VA=I*(R1+R2+RS)-VS(1)
VD=VB=I*(R2+RS)-VS(2)
差动放大器M3的输出电压VO为：
VO=-VC*R7/R5+VD*(1+R7/R5)(3)
由式(1)、式(2)、式(3)整理得到：
RS=+(4)
取R1=R2、R5=R7，由式(4)得到：
RS=(5)
根据式(5)可知，电池内阻RS仅与电路输出电压VO、电池电动势VS及恒流源I有关，其中VO、VS均可用仪表测出，I可从恒流源直接读数。
2.2误差分析
由于电池内阻RS极小，根据式(4)，电压的测量误差、恒流源的精度、电阻的测量误差等都对其测量精度产生一定影响。
2.2.1电阻测量误差对内阻测量的影响
若电阻R1、R2、R5、R7的精度无法完全满足R1=R2、R5=R7，假设R2=ΔR1+R1、R7=ΔR5+R5。据式(4)得：
RS=+=+
*R1-ΔR1(6)
ΔR5/R5可近似认为R7的精度误差率，现代工艺生产的电阻误差可控制在0.1%甚至更低(0.01%)。为使
*R1-ΔR1最小化，必使
*R1、ΔR1尽量相互抵消，可使ΔR1、ΔR5同号(同为正值或同
为负值)，即R2>R1，R7>R5，或R2<R1，R7<R5。因此在选择电阻时，首先要求R1和R2、R5和R7分别选择相同阻值、较高精度的电阻，尽量保持一致性；其次R1(R2)要选择较小阻值，以尽量减少绝对误差；最后要满足R2>R1，R7>R5(或R2<R1，R7<R5)，可以通过简单的同相比例运算电路来比较相近阻值电阻的大小。
2.2.2电压Vs、Vo
测量误差对内阻测量的影响根据式(4)可知，RS的测量精确度与VS、VO的精确度有关，VS、VO测量越精确则RS的计算越精确。目前实验室大多配备了较高精度的六位半万用表，其测量较小电压时可达到非常理想的精度。
2.2.3恒流源输出电流精度对内阻测量的影响
根据式(4)可，RS的测量精确度与恒流源I的精确度有关，I越精确则RS的计算越精确。一方面可以选择较高精度的恒流源，另一方面也可使用一般精度恒流源，再使用高精度的万用表测量该通路电流即可。在电压跟随器正常工作条件下，流入其同相输入端的电流只有数十nA，基本可忽略不计。
2.2.4集成运放稳定工作对内阻测量的影响
电池内阻测量电路中用到3个集成运放，采用较为成熟的LM324N型集成运放，采用±12V双电源供电。为了避免电压跟随器同相端输入电压过大导致运放饱和，要求A、B点电压绝对值均较小。为使M1、M2这两个运放同时工作在线性状态，可使A、B两点的电压对称分布，即UA=-UB，忽略掉RS对该两点电位的影响，即2*I*R1-VS=-(I*R1-VS)，从而I、R1的选择要满足如下条件：
I*R1=2VS/3(7)
2.3测量方法及步骤
(1)利用高精度万用表测量电池的开路电压VOCV，近似认为VS=VOCV。(2)选择较小阻值的R1和R2，以及较大阻值的R5和R7，并根据同相比例运算电路来比较R1和R2以及R5和R7的大小，合理布置各电阻的位置(R2>R1，R7>R5或R2<R1，R7<R5)。(3)根据式(7)合理选择适当电流I=2VS/3R1(在此电流附近即可，要求电压跟随器不失真)，一般使用数十毫安电流即可。(4)利用高精度万用表测量E点输出电压VO；如果电流源精度不够，可利用高精度万用表测量流过电路的电流作为恒流源电流实际值。(5)根据式(5)计算电池内阻。
结束语
文章提出了一种新的基于电阻补偿法测量电池内阻的方法，在对该方法进行原理分析的基础上进行误差分析，并给出具体的测量步骤及优缺点分析。通过实验仿真证实该法在电池内阻高于7mΩ时测量误差控制在5%以内，且内阻越高则测量误差越小，趋近于零，方法行之有效。
参考文献
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[2]徐晓东，刘洪文，杨权．锂离子电池内阻测试方法研究［J］．中国测试，2017，36(6):24-26．
论文作者:王颖
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：内阻论文; 电池论文; 测量论文; 电压论文; 电流论文; 电阻论文; 误差论文; 《电力设备》2019年第5期论文;