CN102866362B - 电动汽车动力电池阻抗特性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车动力电池阻抗特性测量方法，包括步骤：1）搭建动力电池频率—阻抗测量系统：将动力电池的阳极与隔直电容器的一个端子连接，隔直电容器的另一个端子与测试夹具的H端子连接，动力电池的阴极与测试夹具的L端子连接；2）读取动力电池和隔直电容器总的频率—阻抗特性数据；3）取下动力电池，将隔直电容器的两个端子分别接在测试夹具上，读取隔直电容器的频率—阻抗特性数据；4）计算动力电池的频率—阻抗数据值；5）建立动力电池频率—阻抗特性的数学模型。该建模方法能够将电池的温度、荷电量等影响因素集中表现为电池阻抗随频率变化的关系，有效地简化了动力电池建模的复杂程度。

Description

电动汽车动力电池阻抗特性测量方法

技术领域

本发明涉及一种动力电池阻抗特性测量方法，尤其涉及一种电动汽车动力电池阻抗特性测量方法，该方法能够指导科研工作者和工程技术人员对电动汽车动力电池的频率—阻抗特性进行测量，指导技术人员对动力电池进行阻抗建模，实现对电动汽车驱动电机系统或电源变换系统产生电磁干扰的准确预测，从而实现对汽车系统电磁兼容性的良好设计，减小产品开发周期和降低电磁兼容整改成本。

背景技术

近些年电子产品在汽车中得到了广泛的应用，使得汽车电气电子系统的电磁兼容性问题变得越来越严峻。这一问题在混合动力电动汽车及纯电动汽车中显得尤为重要，如果车载设备之间没有良好的电磁兼容性，不仅会影响设备的正常工作，严重时甚至会影响到车辆的安全行驶，因此解决混合动力汽车∕纯电动汽车的电磁兼容性问题刻不容缓。电源变换系统和电机驱动系统中的功率器件通常工作在高速的开关状态，其产生的快速变化的dv/dt、di/dt被认为是电动汽车中最严重的电磁干扰源，并且这种干扰会通过动力电池在两个系统之间传播，形成多系统之间的传导耦合干扰，这种传导干扰具有高幅值和宽频带的特点，导致两个系统之间工作的时候互相影响。因此，需要在系统设计初期准确地预测出两个系统产生的电磁干扰及其传播途径，对系统相关部件的建模就显的尤为重要，特别是对连接这两个系统的动力电池的建模，因为它是连接两个系统的桥梁，是系统之间传导耦合的重要途径，建立其准确的电磁干扰模型意义重大。目前，对电动汽车动力电池电磁兼容性研究很少，仅有的研究大都集中在单个系统干扰模型的建立，而且通常情况下将电池的阻抗视为50欧姆。实际情况下动力电池的阻抗会随着信号频率的改变而改变，这一点在研究其电磁兼容特性时必须要认真考虑，因此在建立其干扰模型前，需要准确测量其频率—阻抗特性。动力电池作为大功率的有源部件，尚未见对如何测量其频率—阻抗特性和建立其电磁干扰模型的研究。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种电动汽车动力电池阻抗特性测量方法。该方法的目的是准确测量并计算出动力电池的频率—阻抗特性，并建立其有效的电磁干扰模型，从而指导工程技术人员预测驱动电机系统和电源变换系统之间的耦合电磁干扰，便于对电动汽车进行良好的电磁兼容设计。

为了实现上述发明目的，本发明采取了以下技术方案：

电动汽车动力电池阻抗特性测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：搭建一套动力电池频率—阻抗测量系统：将待测量的动力电池的阳极与隔直电容器的一个端子连接，隔直电容器的另一个端子与阻抗分析仪测试夹具的H端子连接，动力电池的阴极与阻抗分析仪测试夹具的L端子连接；

步骤二：通过阻抗分析仪读取                                                ：

                         (1)

上式中：表示动力电池和隔直电容器的总阻抗；表示隔直电容器的阻抗；表示动力电池的阻抗；Re()表示总阻抗用复数形式表示时的实部；Im()表示总阻抗用复数形式表示时的虚部；j没有具体的物理意义，相当于用复数表示数时的一种标识；

步骤三：取下动力电池，将隔直电容器的两个端子分别接在与阻抗分析仪测试夹具上的H端子和L端子；

步骤四：通过阻抗分析仪读取：

                                     (2)

上式中：Re()表示隔直电容器阻抗用复数形式表示时的实部；Im()表示隔直电容器阻抗用复数形式表示时的虚部；

步骤五：通过测量数据计算动力电池的频率—阻抗数据值：                         

        (3)

    上式中：Re()表示动力电池阻抗用复数形式表示时的实部；Im()表示动力电池阻抗用复数形式表示时的虚部；

步骤六：通过式(3)计算出动力电池的频率—阻抗表达式，即幅频特性和相频特性的表达式，如下所示：

                             (4)

                                                         (5)

    上式中：表示动力电池阻抗的幅值； 表示动力电池阻抗的相位；

步骤七：用公式(4)和公式(5)计算得到的频率-阻抗数据点建立动力电池频域阻抗的数学模型，其幅频模型和相频模型为：

幅频模型：                          (6)

相频模型：

上式中：f 表示频率；表示动力电池的幅频模型；表示动力电池的相频模型。

本发明的有益效果是：对电动汽车动力电池频率—阻抗特性的测量及干扰模型的建立，不仅能够有效测量出动力电池的频率—阻抗特性，还能根据测量数据建立动力电池的电磁干扰模型，有助于工程技术人员建立系统之间的电磁干扰耦合模型，从而预测出系统之间的电磁干扰，对电动汽车进行良好的电磁兼容设计和整改，有助于提高整车的电磁兼容性。该方法简单、容易操作、通用性强。

附图说明

图1是动力电池频率—阻抗测量系统的结构示意图；

图2是动力电池频率—阻抗测量系统的等效电路图；

图3是动力电池的幅频特性图；

图4是动力电池的相频特性图；

图5是动力电池的实测幅频特性曲线与数学拟合幅频特性曲线的比较图；

图6是动力电池的实测相频特性曲线与数学拟合相频特性曲线的比较图。

附图中，1—阻抗分析仪；2—阻抗分析仪测试夹具；3—隔直电容器；4—动力电池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

电动汽车动力电池阻抗特性测量方法，包括如下步骤：

①搭建一套动力电池频率—阻抗测量系统

动力电池是大功率有源部件，测量其频率—阻抗特性时不能将待检测的动力电池的两个电极直接连接到阻抗分析仪测试夹具上，否则动力电池的直流成分会流入阻抗分析仪中对其造成不可恢复的损坏。为了避免这种情况，在测量动力电池阻抗时加入了隔直电容器，保证了测量过程的安全以及测量结果的准确性。

如图1和图2所示，动力电池频率—阻抗测量系统由阻抗分析仪1、阻抗分析仪测试夹具2、隔直电容器3、引线和被测件（动力电池4）构成。动力电池4的阳极通过引线与隔直电容器3的其中一个端子连接，隔直电容器3的另一个端子与阻抗分析仪测试夹具2的H端子（即高电平端子）连接，动力电池4的阴极通过引线与阻抗分析仪测试夹具的L端子（即低电平端子）连接。测量时动力电池4的直流电会被隔直电容器3阻断，测量系统中只有阻抗分析仪1内部的0.5V扫频信号输出并作用在隔直电容器3和动力电池4上，扫描频率范围150 kHz 到108 MHz。此外，测量系统中隔离电容器3取值必须满足条件：1)隔离电容器3的击穿电压必须大于动力电池4的端口电压；2)隔直电容器3的容量尽可能越大越好。

②频率—阻抗特性获取方法

动力电池的频率—阻抗特性通过阻抗分析仪测量得到。测量电池的阻抗时首先需要加入隔直电容器，测量出动力电池和隔直电容器的总阻抗。

                                (1)

    式(1)代表隔直电容器和动力电池总阻抗的测量值，为了便于计算，数据值用复数的实部和虚部形式表示。其中：表示动力电池和隔直电容器的总阻抗；表示隔直电容器的阻抗；表示动力电池的阻抗；Re()表示总阻抗用复数形式表示时的实部；Im()表示总阻抗用复数形式表示时的虚部；j没有具体的物理意义，相当于用复数表示数时的一种标识。

然后，取下动力电池，将隔直电容器的两个端子分别连接在阻抗分析仪测试夹具上的H端子和L端子上，在相同的条件下单独测量出隔直电容器的频率—阻抗特性数据（幅值和相频）。

                                    (2)

式(2)代表隔直电容器单独测量时的阻抗值，同样用实部和虚部形式表示。其中：Re()表示隔直电容器阻抗用复数形式表示时的实部；Im()表示隔直电容器阻抗用复数形式表示时的虚部。

最后，通过二者阻抗相减的方法得到动力电池的阻抗测量值

                                 (3)

式(3)代表动力电池阻抗的计算值。其中：Re()表示动力电池阻抗用复数形式表示时的实部；Im()表示动力电池阻抗用复数形式表示时的虚部。

通过式(3)计算出动力电池的频率—阻抗表达式，即幅频特性和相频特性的表达式，如下所示：

                           (4)

                           (5)

    上式中：表示动力电池阻抗的幅值； 表示动力电池阻抗的相位。

根据式(4)和式(5)分别绘制动力电池的幅频特性和相频特性曲线，如图3和图4所示。图3和图4中Z_total代表动力电池和隔直电容器总的频率—阻抗特性，Z_cap代表隔直电容器的频率—阻抗特性，Z_bat代表经过计算得到的动力电池的频率—阻抗特性。

从图3中可以看出在频率范围（150 kHz-108 MHz）内，动力电池的阻抗幅值随着频率的升高而增大，说明在传导干扰研究频率范围内，动力电池的阻抗呈现“电感”特性，这一特性可以由其相频特性曲线反应，如图4所示。这种测量动力电池阻抗的方法能够避免测试引线带来的误差，因为分别测试总阻抗和隔直电容器阻抗时由引线产生的误差相同，在计算动力电池阻抗时由于二者的测量阻抗需要相减，所以引线误差会在动力电池的计算结果中消除。此外，由于隔直电容器的加入阻断了动力电池直流成分流入阻抗分析仪，避免了直流电对阻抗分析仪的损害，测量时仅有阻抗分析仪内部的扫频信号输出到被测件（动力电池）上，该方法能够解决直接采用阻抗分析仪对有源部件的频率—阻抗特性测量困难的问题。

③动力电池干扰模型的建立

由于电动汽车动力电池是驱动电机系统和电源变换系统的重要组成部分，也是这两个系统之间电磁干扰传播的主要路径，因此有必要建立其电磁干扰的预测模型。动力电池的电磁干扰模型是一种以数学表达式描述的模型，适用于采用传递函数法进行电磁干扰预测方面。

对于通过公式(4)和公式(5)计算得到的数据点，可以用下面的n阶多项式进行拟合，即

                     (6)

为了能够使拟合出的近似曲线尽可能的反映出所给数据的变化趋势，就要求所有数据点上的拟合值和原始值之间的误差最小

                                   (7)

即为最小。为此，令上述误差的平方和最小，即

                       (8)

确定上述多项式的过程也就是确定中的系数的过程，误差平方和应该是这些系数的函数，即

                (9)

为了使(9)式取值最小，则关于系数的一阶导数应该为零，即

  (10)

通过计算上述方程组，可求解出各系数，从而得到拟合的方程。本文选用二阶多项式拟合动力电池的实测幅频特性曲线，计算公式如(11)式：

     (11)

通过公式(11)求得幅频特性曲线的二阶多项式拟合函数为：

                         (12)

通过公式(11)求得相频特性曲线的分段拟合函数为：

    (13)

动力电池的频域阻抗数学模型可以用其阻抗的幅频特性曲线和相频特性曲线的拟合函数表示：

幅频模型表达式：    (14)

相频模型表达式：    (15)

上式中：f 表示频率；表示动力电池的幅频模型；表示动力电池的相频模型。

动力电池的实测频率—阻抗曲线和拟合频率—阻抗曲线对比如图5和图6所示，在电磁干扰的传导频段内(150 kHz-108 MHz)，幅频特性和相频特性与其拟合函数吻合很好，表明上述数学模型能够描述动力电池的频率—阻抗特性。此外，该数学模型能够将电池的温度、荷电量等影响因素集中表现为电池阻抗随频率变化的关系，有效地简化了模型的复杂程度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.电动汽车动力电池阻抗特性测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：搭建一套动力电池频率—阻抗测量系统：将待测量的动力电池的阳极与隔直电容器的一个端子连接，隔直电容器的另一个端子与阻抗分析仪测试夹具的H端子连接，动力电池的阴极与阻抗分析仪测试夹具的L端子连接；测量时动力电池的直流电会被隔直电容器阻断，测量系统中阻抗分析仪内部的0.5V扫频信号输出并作用在隔直电容器和动力电池上，扫描频率范围150kHz到108MHz；隔离电容器的击穿电压必须大于动力电池的端口电压；

步骤二：通过阻抗分析仪读取Z_Total：

$\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{Total}}=Z_C+Z_B\\ =\mathrm{Re}\left(Z_{\mathrm{Total}}\right)+\mathrm{jIm}\left(Z_{\mathrm{Total}}\right)\end{array}---\left(1\right)$

上式中：Z_Total表示动力电池和隔直电容器的总阻抗；Z_C表示隔直电容器的阻抗；Z_B表示动力电池的阻抗；Re(Z_Total)表示总阻抗用复数形式表示时的实部；Im(Z_Total)表示总阻抗用复数形式表示时的虚部；j没有具体的物理意义，相当于用复数表示数时的一种标识；

步骤三：取下动力电池，将隔直电容器的两个端子分别接在与阻抗分析仪测试夹具上的H端子和L端子；

步骤四：通过阻抗分析仪读取Z_C：

Z_C＝Re(Z_C)+jIm(Z_C)

(2)

上式中：Re(Z_C)表示隔直电容器阻抗用复数形式表示时的实部；Im(Z_C)表示隔直电容器阻抗用复数形式表示时的虚部；

步骤五：通过测量数据计算动力电池的频率—阻抗数据值Z_B：

$\begin{array}{c}{Z}_B=Z_{\mathrm{Total}}-Z_C\\ =\mathrm{Re}\left(Z_{\mathrm{Total}}\right)-\mathrm{Re}\left(Z_C\right)+\mathrm{jIm}\left(Z_{\mathrm{Total}}\right)-\mathrm{jIm}\left(Z_C\right)\\ =\mathrm{Re}\left(Z_B\right)+\mathrm{jIm}\left(Z_B\right)\end{array}---\left(3\right)$

上式中：Re(Z_B)表示动力电池阻抗用复数形式表示时的实部；Im(Z_B)表示动力电池阻抗用复数形式表示时的虚部；

步骤六：通过式(3)计算出动力电池的频率—阻抗表达式，即幅频特性和相频特性的表达式，如下所示：

$\left|Z_B\right|=\sqrt{\mathrm{Re}{\left(Z_B\right)}^2+\mathrm{Im}{\left(Z_B\right)}^2}---\left(4\right)$

θ_B＝arctan(Im(Z_B)/Re(Z_B))           (5)

上式中：|Z_B|表示动力电池阻抗的幅值；θ_B表示动力电池阻抗的相位；

步骤七：用公式(4)和公式(5)计算得到的频率-阻抗数据点建立动力电池频域阻抗的数学模型，其幅频模型和相频模型为：

幅频模型：|Z(f)|＝-2×10^-16f²+2×10^-7f-0.112

                                           (6)

相频模型： $\mathrm{\θ}\left(f\right)=\left\{\begin{array}{cc}-3\×{10}^{-12}{f}^2+2\×{10}^{-5}f+47.007& (150\mathrm{kHz}-5\mathrm{MHz})\\ -5\×{10}^{-16}{f}^2+7\×{10}^{-8}f+85.367& (5\mathrm{MHz}-108\mathrm{MHz})\end{array}\right.$

上式中：f表示频率；|Z(f)|表示动力电池的幅频模型；θ(f)表示动力电池的相频模型。