CN102901929A - 用于计算电池单元阻抗的装置及电池阻抗测量系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于针对各频域来计算电池单元的阻抗的装置以及电池阻抗测量系统。计算电池单元的阻抗的装置包括：傅里叶变换计算器，其被构造为对从电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将电压波形数据的傅里叶变换数据除以电流波形数据的傅里叶变换数据来计算电池单元的阻抗；电路常数估计器，其被构造为基于傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计电池单元的预定等效电路模型的电路常数；以及阻抗估计器，其被构造为基于估计出的电路常数和等效电路模型来针对各频域估计电池单元的阻抗。

Description

用于计算电池单元阻抗的装置及电池阻抗测量系统

技术领域

本发明公开的实施例涉及用于针对各频域计算电池单元阻抗的装置及电池阻抗测量系统。

背景技术

重复充电的二次电池已经被广泛用作混合动力车辆、电动车辆等的驱动电机的驱动电源。此外，出自二次电池可以存储从具有相对较小环境负荷且不依赖矿物燃料的太阳能发电站、风力发电站等获得的能量的观点，二次电池还已被广泛用在工业领域、事业单位、一般家庭等中。

通常，这些二次电池被构造为其中串联连接了预定数量的电池单元（从该电池单元中获得了期望的输出电压）的电池模块，或被构造为其中并联连接了预定数量的电池模块（从该电池模块获得了期望的输出电压）以获得期望电流容量（AH）的电池组。

然而，从当前的充电时间、行驶距离等便利性方面来看，相信对于安装在车辆中作为驱动电机的驱动电源的二次电池来说，锂离子电池将成为主流。

图10示出了例示利用现有技术的二次电池的电池系统示例的框图。图10中，电池模块10以串联连接多个电池单元11₁至11_n和电流传感器12的方式来构造，并且电池模块10串联连接至负载L。

电池监控装置20包括多个A/D转换器21₁至21_n+1和处理装置23，其中所述多个A/D转换器21₁至21_n+1被提供为各自对应于构成电池模块10的多个电池单元11₁至11_n和电流传感器12，以及A/D转换器21₁至21_n+1的输出数据被经由内部总线22输入至处理装置23。

电池模块10的电池单元11₁至11_n中的每一个的输出电压和电池模块10的电流传感器12的检测信号被输入至相应的A/D转换器21₁至21_n+1并被转换成数字信号，然后A/D转换器21₁至21_n+1的输出数据被经由内部总线22输入至处理装置23。

处理装置23例如基于A/D转换器21₁至21_n+1的输出数据获得电池单元11₁至11_n中每一个的内部电阻值、根据该内部电阻值估计出与在取得期望电流之时的电压降对应的值、并经由外部总线30将该数据发送至主电池系统控制器40。

电池系统控制器40基于从电池监控装置20输入的数据来控制电池模块10和负载装置L以利用电池模块10的当前输出电压稳定地驱动负载装置L。

作为评价构成电池模块10的二次电池性能的指标，例示了图11和图12中所示的内部阻抗特性。图11示出了例示其中完全充电电池处于高温状态情况下的阻抗特性示例的曲线图，而图12示出了例示在高温状态下反复充电放电情况下的阻抗特性示例的曲线图。此外，在图11和图12中，左侧示图示出了其中以复坐标绘制了基于AC阻抗测量结果的复阻抗的Cole-Cole曲线，而右侧示图示出了显示阻抗频率特性的Bode曲线图。

图11的左侧示图示出了其中放置时段增加到例如一年，两年，…，AC阻抗增加的过程。图12的左侧示图示出了其中随着重复充放电例如达50次、100次、…，AC阻抗增加的过程。

随着阻抗增加，电池的电压降在产生电流时增加，从而无法得到足够的输出电压。右侧示图的低频部分对应于其中长时间持续压下车辆的加速器的情形。根据该数据，由于阻抗在低频部分增加，因此可以认为电压降逐渐增加。即，输出特性根据电池的劣化而变化，从而不会产生足够的输出。

图13示出了例示相关技术中测量二次电池的AC阻抗的测量电路的示例的框图，并且在图13中，在电池10与电流传感器12的串联电路的两端连接了扫频信号发生器50。该扫频信号发生器50向电池10与电流传感器12的串联电路输出这样的AC信号，该AC信号的输出频率以扫频的方式在包含图11和图12的右侧示图所示的频率特性区域的范围内变化。

AC电压监控器60测量电池10两端的AC电压，并将该AC电压输入至阻抗计算器80。AC电流监控器70测量流向电流传感器12的AC电流并将该AC电流输入至阻抗计算器80。

阻抗计算器80计算电池10的复阻抗，其为AC电压监控器60在扫频信号发生器50的输出信号的每个频率处测量到的电压与AC电流监控器70测量到的电流之比。该计算出来的复阻抗被绘制在复平面上，从而获得了图11和图12所示的Cole-Cole曲线。

根据以此方式创建的Cole-Cole曲线，例如，可以估计图14所示的电池10的等效电路的每个参数。此外，在图14的等效电路中，串联连接了DC电源E、电阻器R1、电阻器R2和电容器C2的并联电路、电阻器R3和电容器C3的并联电路、以及电阻器R4和电感L4的并联电路。JP-A-2003-4780公开了通过交流方法以及自动测量方法测量阻抗的细节。

如上所述，由于可以通过测量电池的内部阻抗特性来获得电池的各种信息，因此当可以当场（诸如实际使用电池的车辆、电厂、家用储电系统等场合）测量电池的内部阻抗特性时，可以基于所述信息确定电池的当前状态，并且可以控制电池以根据电池的当前状态最高效地使用电池。

然而，在图10所示的相关技术中的系统构造中，可以获得电池单元11₁至11_n中每一个的内部电阻值，但是由于处理装置23和电池系统控制器40之间的数据通信断续执行，因此电池单元11₁至11_n中每一个的电压数据变为周期为例如100ms以上的离散数据。

因此，参照包括电压、电流、温度等的表格仅能够检测到电池单元11₁至11_n中每一个的状态，而无法测量电池单元11₁至11_n中每一个的其中集中地包含了多条信息的内部阻抗特性。

此外，根据图13所示的相关技术中的测量电路，扫频信号发生器50是必需的，从而在成本和空间两个方面都难以在每个现场单元中安装如图13所示的测量电路。

发明内容

本发明的一个示例性方面提供了一种电池阻抗测量装置，其能够当场（例如在实际使用电池的车辆、电厂、家用储电系统等场合中）实时测量用于电池监控装置的电池的电池内部阻抗特性。

根据本发明的一个或多个示例方面，提供了一种用于针对各频域来计算电池单元(11)的阻抗的装置（24，24c）。该装置包括：傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将电压波形数据的傅里叶变换数据除以电流波形数据的傅里叶变换数据来计算电池单元的阻抗；

电路常数估计器（c4），其被构造为基于傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计电池单元的预定等效电路模型的电路常数；以及阻抗估计器（c7），其被构造为基于估计出的电路常数和等效电路模型来针对各频域估计电池单元的阻抗。

根据本发明的一个或多个示例方面，提供了一种用于针对各频域来计算电池单元(11)的阻抗的装置（24，24c）。该装置包括：傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将电压波形数据的傅里叶变换数据除以电流波形数据的傅里叶变换数据来计算电池单元的阻抗；

电路模型选择器（c9），其被构造为基于傅里叶变换计算器计算出的阻抗从多个等效电路模型中选择某一等效电路模型；以及电路常数估计器（c4），其被构造为基于傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计所选等效电路模型的电路常数。

根据本发明的一个或多个示例方面，所述装置还包括：不变电路常数存储单元（c5），其被构造为将估计出的电路常数的不变电路常数（R4、L4）存储于其中；以及可变电路常数存储单元（c6），其被构造为将估计出的电路常数的可变电路常数（R1、R2、C2…）存储于其中。所述阻抗估计器被构造为基于不变电路常数、可变电路常数和等效电路模型估计电池单元的阻抗。

根据本发明的一个或多个示例方面，所述电路模型选择器被构造为基于下列步骤选择所述某一等效电路模型：1）是否存在warburg元件；2）是否存在LR并联电路；以及3）RC并联电路的级数。

根据本发明的一个或多个示例方面，所述傅里叶变换计算器是离散傅里叶变换计算器，其被构造为对电压波形数据和电流波形数据执行离散傅里叶变换，并通过将电压波形数据的离散傅里叶变换数据除以电流波形的离散傅里叶变换数据来计算电池单元的阻抗。

根据本发明的一个或多个示例方面，所述傅里叶变换计算器是快速傅里叶变换计算器，其被构造为对电压波形数据和电流波形数据执行快速傅里叶变换，并通过将电压波形数据的快速傅里叶变换数据除以电流波形的快速傅里叶变换数据来计算电池单元的阻抗。

根据本发明的一个或多个示例方面，提供了一种电池阻抗测量系统。该系统包括：电池模块(10)，其包含多个电池单元（11₁…11_n），并被构造为对负载（L）供电；多个装置（24₁…24_n），每个装置都对应于所述多个电池单元中的一个相应电池单元来提供，用于针对各频域来计算相应电池单元的阻抗。所述多个装置中的每一个都包括：傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从所述相应电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将电压波形数据的傅里叶变换数据除以电流波形数据的傅里叶变换数据来计算所述相应电池单元的阻抗；电路常数估计器（c4），其被构造为基于傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计所述相应电池单元的预定等效电路模型的电路常数；以及阻抗估计器（c7），其被构造为基于估计出的电路常数和等效电路模型来针对各频域估计所述相应电池单元的阻抗。

根据本发明的一个或多个示例方面，提供了一种电池阻抗测量系统。该系统包括：电池模块(10)，其包含多个电池单元（11₁…11_n），并被构造为对负载（L）供电；多个装置（24₁…24_n），每个装置都对应于所述多个电池单元中的一个相应电池单元来提供，用于针对各频域来计算相应电池单元的阻抗。所述多个装置中的每一个都包括：傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从相应的电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将电压波形数据的傅里叶变换数据除以电流波形数据的傅里叶变换数据来计算所述相应电池单元的阻抗；电路模型选择器（c9），其被构造为基于傅里叶变换计算器计算出的阻抗从多个等效电路模型中选择某一等效电路模型；以及电路常数估计器（c4），其被构造为基于傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计所选等效电路模型的电路常数。

本发明的其他方面和优点将从下面的说明书、附图和权利要求书中变得显而易见。

附图说明

图1示出了例示其中使用了根据本发明的电池阻抗测量装置的电池监控装置的具体实例的框图；

图2示出了例示电力及阻抗计算器24的具体实例的框图；

图3示出了例示本发明的一个实施例的框图；

图4A至图4D示出了电池的阻抗特性实例的示意图；

图5A和图5B示出了针对图14的等效电路的常数估计阻抗特性实例的示意图；

图6示出了例示本发明另一实施例的框图；

图7示出了其中a为4的相关系数Corr(i)的曲线；

图8示出了样本阻抗特性实例的示意图；

图9A示出了另一相关系数的曲线，且图9B示出了另一样本阻抗特性实例的示意图；

图10示出了例示使用相关技术的二次电池的电池系统的示例的框图；

图11示出了例示其中完全充电的电池处于高温状态情形中的阻抗特性示例的示意图；

图12示出了例示在高温状态下反复充放电情形中的阻抗特性示例的示意图；

图13示出了例示相关技术中的测量二次电池的AC阻抗的测量电路的框图；

图14示出了电池的等效电路示例的示意图；以及

图15是示出根据本实施例的等效电路参数测量单元（24c）的硬件构造的示意图。

具体实施方式

下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。图1是示出了例示其中使用了根据本发明的电池阻抗测量装置的电池监控装置的具体实例的框图，并且对与图10相同的部分附以相同的参考标号。

图1中，电池监控装置20包括：多个（n个）电力及阻抗计算器24₁至24_n，其与构成电池模块10的多个电池单元11₁至11_n相对应提供；

电池模块状态管理器26，其被经由内部总线25输入了电力及阻抗计算器24₁至24_n的输出数据；以及加速器工作监控器27，其监控加速器L1的运动，其中加速器L1构成了作为负载装置L的车辆的驱动系统。

在作为负载装置L的车辆的驱动系统中，加速器L1、逆变器L2、和电动机L3实质上是串联连接的。逆变器L2和电池模块10串联连接，从而从电池模块10供给电动机L3的旋转驱动所需的驱动电力。

通过响应于由驾驶者（例如，使用踏板）操控的加速器L1的运动来控制供给逆变器L2的驱动电力的量来将电动机L3的速度控制为按照驾驶者的期望旋转速度旋转。

加速器L1响应于驾驶者对踏板的操控而产生的运动被加速器工作监控器27持续监控和检测，并且其检测信号被经由电池模块状态管理器26和内部总线25输入至电力及阻抗计算器24₁至24_n。

来自相应电池单元11₁至11_n中的每一个的电压信号和来自电流传感器12的电流信号被输入至电力及阻抗计算器24₁至24_n。

此处，加速器L1响应于驾驶者对踏板的操控而产生的运动对电池单元11₁至11_n中的每一个的输出电压波形和电流传感器12的输出电流波形引起了诸如像包括宽带频率成分的阶梯波一样的上升和下降的变化。

电力及阻抗计算器24₁至24_n对包括宽带频率成分的波形数据执行离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT），并根据其结果估计期望频域中的等效电路常数。可以在现场（诸如在实际使用电池的车辆和工厂中）测量电池的内部阻抗特性，从而可以实时监控电池状态。

电池模块状态管理器26获取由电力及阻抗计算器24₁至24_n中的每一个测量到的构成电池模块10的各电池单元11₁至11_n的瞬时电力信息和内部阻抗信息，并经由外部总线30将上述数据发送至主电池系统控制器40。

电池系统控制器40基于从电池监控装置20输入的数据来控制电池模块10和负载装置L，以利用电池模块10的当前输出电压稳定地操作负载装置L；基于电池单元11₁至11_n中每一个的瞬时电力量的变化趋势、内部阻抗信息的变化趋势等来确定电池单元11₁至11_n中每一个的性能的变化情况；发送催促进行充电的警告；或者通过分析性能劣化趋势来输出关于电池模块10的更换时间预测等。

图2示出了例示电力及阻抗计算器24的具体实例的框图。图2中，电池单元11₁至11_n中的每一个的电压信号V经由抗混叠滤波器24a输入至A/D转换器24b，并且A/D转换器24b的输出数据输入至等效电路参数测量单元24c。

来自电流传感器12的电流信号I经由抗混叠滤波器24b输入至A/D转换器24e，并且A/D转换器24e的输出数据输入至等效电路参数测量单元24c。

A/D转换器24b和24e由可变时钟系统操作，该可变时钟系统由电池模块状态管理器26、加速器变化量检测器24f、时钟控制器24g、和可变时钟发生器24h组成，并且其基于由加速器工作监控器27检测到的并从其输出的加速器变化信号而创建。由于这一点，基于驾驶者的加速器动作（诸如启动、加速、高速行驶、低速行驶、减速、停止、收回）以及其速度来生成时钟，并且每种状态中的电压信号V和电流信号I都被转换成数字信号。

此外，A/D转换器24b和24e的采样时钟频率可以响应于期望测量的电池单元11₁至11_n中的每一个的内部阻抗所处的频带来改变。例如，在测量内部阻抗高达1kHz的情况下，将采样时钟频率设定为2K样本/秒，并且将抗混叠滤波器24a和24d的低通带设定为1kHz以下。

存储诸如期望测量的电池单元11₁至11_n中每一个的等效电路图案之类的等效电路信息的等效电路信息存储单元24i连接至等效电路参数测量单元24c。在等效电路参数测量单元24c中测量的等效电路的每个参数都被经由内部总线25获取到电池模块状态管理器26。

A/D转换器24b和24e的输出数据还输入至电力测量单元24j。由于这一点，电力测量单元24j测量电池单元11₁至11_n中每一个的瞬时电力并将测量结果存入电力信息存储单元24k。存储于电力信息存储单元24k中的电力信息被经由内部总线25获取至电池模块状态管理器26。

近年来，已经有效进行了关于确定电池状态的研究。在该研究中，通过对电池施加具有恒定电压或恒定电流的正弦波来获得阻抗特性，并估计充放电的温度特性、剩余电荷量、性能劣化程度等。

在将电池安装到诸如车辆的系统中之前的单体状态中，可以在准备的测量环境下进行阻抗测量，但是当将电池安装到系统中时，由于系统的限制等而不能充分进行阻抗测量。具体地，当将电池作为车辆的驱动电源进行安装时，系统侧的采样率不足，从而认为不能够对高频域进行采样。在此情况下，与预先测量的测量范围相一致的比较变得不可能。

图3示出了例示本发明一个实施例的框图，其具有任意频率的阻抗估计功能，并且该图示出了构成图2的电力及阻抗计算器24的等效电路参数测量单元24c的具体示例。A/D转换器24b和24e的输出数据顺序存入波形数据存储单元c1中。

DFT计算器c2对顺序存入波形数据存储单元c1中的电压信号和电流信号的波形数据执行离散傅里叶变换，通过将电压信号的离散傅里叶变换结果除以电流信号的离散傅里叶变换结果来计算阻抗，并将计算出来的阻抗数据存入阻抗数据存储单元c3中。此外，根据波形数据的类型，可以利用FFT计算器代替DFT计算器c2来实现高速的计算处理。

电路常数估计器c4基于存储在阻抗数据存储单元c3中的阻抗数据进行预先指定的等效电路模型中的常数拟合。关于例如在图14所示的等效电路的情况中的由电路常数估计器c4估计并计算出的电路常数，R4和L4被存入不变电路常数存储单元c5中，而R1、R2、C2、R3、和C3被存入电路常数存储单元c6中。

阻抗估计器c7输出任意频率处的阻抗。对于存在阻抗数据的频域，原样输出存储于阻抗数据存储单元c3中的阻抗数据。对于不存在阻抗数据的频域，基于存储于不变电路常数存储单元c5和电路常数存储单元c6中的电路常数来估计和计算阻抗，并输出计算结果。

来自外部的分析条件存入分析条件存储单元c8中。分析条件主要代表每个计算器中的计算条件，但还包括关于参考测量结果或被安装到系统中时的测量结果。

图4A至图4D示出了电池的阻抗特性示例的示图，其中图4A示出了对1Hz到2.5kHz频率范围内的正弦波进行扫频并保证每个测量频率点处的足够采样率时的测量结果。接下来，将图4A设定为参考特性。

图4B示出了通过从图4A的参考特性取出1至50Hz的频率范围而得到的结果。这呈现了其中由于将电池安装到例如车辆系统中时的限制而导致不能测量高频域的情况。图4A所示的虚轴的正侧（曲线的下半部分）是包括电池的L（电感）信息的区域，但是在图4B中，该部分完全被省略。

电池的电感是结构特性，并被认为不会由于电极或电解液的劣化而随时间的流逝发生变化。基于该考虑，预先从图4A的参考特性得到等效电路常数，并且甚至在将电池安装到系统中后，针对不随时间的流逝发生变化的常数来使用该常数。

图4C示出了从R1、R2、R3、C2、C3、L4、和R4导出的、并且通过基于图14的等效电路模型执行图4A的参考特性的常数拟合而得到的阻抗特性曲线。该拟合可以基于已知的算数表达式执行。

图4D示出了由如下结果导出的阻抗特性曲线，该结果是通过利用在图4B中估计出的电路常数R1、R2、R3、C2、和C3以及预先获取的L4和R4并且基于图14的等效电路模型进行常数拟合而得到的。图4D的阻抗特性曲线近似等于图4C的阻抗特性曲线。即，与图4A的参考特性对应的频域中的阻抗特性可以利用在图4B中估计出的估计电路常数R1、R2、R3、C2、和C3以及预先获取的L4和R4进行估计。

此外，在图3的实施例中，通过将不变电路常数应用于等效电路模型来执行阻抗估计。然而，代替将不变电路常数应用于等效电路模型，可以根据不变电路常数创建时间序列数据，其可以补充至测量的时间序列数据，于是可以估计另一电路常数。

此外，在图3的实施例中，在假设L成分对低频域不具有影响的条件下进行常数估计。因此，在常数估计期间，未将不变电路常数L4和R4包括在等效电路模型中，并且不变电路常数L4和R4仅用在阻抗估计期间。然而，存在这样的一种可能，即，L成分根据电池特性而对低频域具有影响。在此情况中，可以在常数估计期间在将不变电路常数L4和R4包括在等效电路模型之后进行常数估计。

然而，在选择电池的等效电路模型时，如果未在预先识别作为待测对象的电池的固有特性或预先识别测量频率范围之后就选择了适当的等效电路模型，如图5A和图5B的阻抗特性实例的示图所示，则可能得到与实际值不同的常数估计结果。

图5A和图5B示出了通过从相同的阻抗数据分别提取不同频率范围的数据、以及通过在图14的等效电路中进行常数估计所得到的结果。图5A是通过提取0.1Hz以上的频率中的数据而得到的结果，其中通过常数拟合导出的阻抗特性曲线和实际阻抗特性彼此一致。

相反，图5B是通过提取1.0Hz以上的频率中的数据而得到的结果，其中实际阻抗特性极大地偏离通过常数拟合导出的阻抗特性。假设这是因为即使对实际产品配备Warburg元件，其特性也不会显著影响数据，从而其具有局部缺陷。在此方式中，即使在同一等效电路模型中，当用来进行常数估计的阻抗频率范围彼此不同时，也可能获得彼此完全不同的结果。

该问题可以通过基于阻抗数据的特性并且利用被构造为与图6所示一样的等效电路参数测量单元24c来选择最佳的等效电路模型而避免，从而可以提供电路常数估计的精度。

图6示出了例示本发明另一个实施例的框图，该实施例具有选择最佳等效电路的功能，并且对与图3相同的部件附加了相同的参考标号。图6中，电路模型选择器c9基于在DFT计算器c2中估计出的并被存储到阻抗数据存储单元c3中的阻抗数据特性来选择最佳的等效电路模型。电路常数估计器c4基于存储于阻抗数据存储单元c3中的阻抗数据以及电路模型选择器9选择的最佳等效电路模型进行每个电路常数的估计和计算。

通常使用的电池等效电路模型包括n级RC并联电路、一级LR并联电路、和Warburg元件。因此，电路模型选择器c9按照下列顺序顺次确定等效电路模型的具体构造。

1）是否存在Warburg元件

2）是否存在LR并联电路

3）RC并联电路的级数

1）首先，关于Warburg元件，利用低频侧的阻抗实轴和虚轴的相关系数来确定是否存在Warburg元件。例如，在Corr＜-0.99的情况下，确定存在Warburg元件。通过以下的表达式计算相关系数。

$\mathrm{Corr}\left(i\right)=\frac{\underset{j=i-a}{\overset{i+a}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{Zreal}}_j-{\stackrel{\‾}{\mathrm{Zreal}}}_{i-a}^{i+a})({\mathrm{Zimg}}_j-{\stackrel{\‾}{\mathrm{Zimg}}}_{i-a}^{i+a})}{\sqrt{\underset{j=i-a}{\overset{i+a}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Zreal}}_j-{\stackrel{\‾}{\mathrm{Zreal}}}_{i-a}^{i+a})}^2}\sqrt{\underset{j=i-a}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Zimg}}_j-{\stackrel{\‾}{\mathrm{Zimg}}}_{i-a}^{i+a})}^2}}...\left(1\right)$

此处，Corr(i)代表第i个阻抗数据周围的相关系数，Zrealj和Zimgj分别代表第j个阻抗数据的实部和虚部。

${\stackrel{\‾}{\mathrm{Zreal}}}_{i-a}^{i+a}...\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{Zimg}}}_{i-a}^{i+a}...\left(3\right)$

上面的表达式（2）和（3）分别代表第i-a个至第i+a个阻抗数据的实部和虚部的平均值。此外，假设阻抗数据按照频率的升序排列。

图7示出了其中a为4的相关系数Corr(i)的曲线。在该电流样本数据中，确定“存在”Warburg元件。

2）接下来，确定是否存在LR并联电路。当高频侧的阻抗虚轴示出了正值时，确定需要LR并联电路。在图8的样本阻抗特性示意图的情况下，确定“存在”LR并联电路。

3）最后，确定RC并联电路的级数。利用整个数据中在沿从负到正的方向中相关系数超过-0.95的Corr(i)时的次数来执行确定。然而，其中阻抗虚轴在正数域中超过了-0.95的Corr(i)的情况被看作是LR特性，从而未将该情况计在内。在图9A所示的样本数据中，相关系数在a、b和c这三个点处超过了-0.95，而如图9B所示，由于c点的相关系数在其中阻抗虚轴超过320Hz的正数域内超过了-0.95，因此未将该情况计在内，从而将RC并联电路确定为两级。

由于进行了这样的确定，因此提高了在电路常数估计器c4中估计和计算出的每个电路常数的估计精度。

当在充分的测量环境下可以获取电压和电流数据时，可以提取出阻抗特性。然而，例如，在将电池安装在车辆中的状态下，由于诸如噪声的影响，很难说总是能够获得理想的测量结果。

在此情况下，可以在选择多个等效电路模型候选之后并行执行常数估计和计算，并且其中伴随对象阻抗数据的误差最小的等效电路模型可以被确定为最终的输出。

此外，提供了如下功能：在重复计算期间的任何时候计算伴随对象阻抗数据的误差，对于不满足参考值的模型或未明确收敛的模型停止计算，以及选择另一模型。

此外，可以利用半导体集成电路技术将本发明中使用的电力及阻抗计算器24封装成极度紧凑的尺寸，从而即使在安装在例如车辆中的电池模块的每个电池单元中安装电力及阻抗计算器24的情况下，只要保证很小的空间就能使用电力及阻抗计算器24。

此外，在各实施例中，参照其中测量了安装在车辆中的电池模块的每个电池单元的内部阻抗的示例进行了说明，但是本发明的电池阻抗测量装置对于车辆以外的发电厂、家庭电力存储系统等中提供的蓄电池的监控也有效。

如上所述，根据本发明的电池阻抗测量装置，可以实现这样的电池监控装置：即，其当场（例如，在实际使用电池的车辆、发电厂、家庭电力存储系统等场合中）实时测量电池的内部阻抗特性，并实时监控电池状态。

下文中，将就硬件部件来描述根据本实施例的电池阻抗测量装置。

图15是示出根据本实施例的等效电路参数测量单元（24c）的硬件构造的示意图。如图15所示，等效电路参数测量单元（24c）包括CPU（101）、读取器（102）、存储器（103）、存储装置（104）、通信单元（105）和用户接口（106）。CPU（101）（例如，处理器）可以用作图3所示的DFT计算器（c2）、电路常数估计器（c4）和阻抗估计器（c7）。此外，CPU（101）可以用作图6所示的DFT计算器（c2）、电路模型选择器（c9）和电路常数估计器（c4）。

存储器（103）可以是任何类型的存储器，诸如ROM、RAM或闪存。存储器（103）可以用作CPU（101）执行程序时的CPU（101）的工作存储器。存储装置（104）被构造用于存储将由CPU（101）执行的程序和/或由各单元产生的数据。存储装置（104）可以是任何类型的存储装置，诸如硬盘驱动器（HDD）或固态驱动器（SSD）。包括使CPU（101）执行由等效电路参数测量单元（24c）执行的各操作的指令的程序可以存储在存储装置（104）中，或存储在计算机可读介质中，诸如蓝光盘（商标）、DVD、CD、软盘、闪存、或磁光（MO）盘。读取器（102）被构造用于将存储于上述计算机可读介质中的程序读取到存储器（103）中。该程序还可以通过通信单元(105)从网络（例如，互联网）上的另一装置（例如，服务器）下载。利用图15所示的该构造，CPU（101）被构造用于根据从读取器（102）读取的、或通过通信单元（105）下载的程序来实现由等效电路参数测量单元（24c）执行的各个操作。

Claims (11)

1.一种用于针对各频域来计算电池单元(11)的阻抗的装置（24，24c），所述装置包括：

傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从所述电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将所述电压波形数据的傅里叶变换数据除以所述电流波形数据的傅里叶变换数据来计算所述电池单元的阻抗；

电路常数估计器（c4），其被构造为基于所述傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计所述电池单元的预定等效电路模型的电路常数；以及

阻抗估计器（c7），其被构造为基于估计出的电路常数和所述等效电路模型来针对各频域估计所述电池单元的阻抗。

2.一种用于针对各频域来计算电池单元(11)的阻抗的装置（24，24c），所述装置包括：

傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从所述电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将所述电压波形数据的傅里叶变换数据除以所述电流波形数据的傅里叶变换数据来计算所述电池单元的阻抗；

电路模型选择器（c9），其被构造为基于所述傅里叶变换计算器计算出的阻抗从多个等效电路模型中选择某一等效电路模型；以及

电路常数估计器（c4），其被构造为基于所述傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计所选等效电路模型的电路常数。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括：

不变电路常数存储单元（c5），其被构造为将估计出的电路常数的不变电路常数（R4、L4）存储于其中；以及

可变电路常数存储单元（c6），其被构造为将估计出的电路常数的可变电路常数（R1、R2、C2…）存储于其中，

其中，所述阻抗估计器被构造为基于所述不变电路常数、所述可变电路常数和等效电路模型估计所述电池单元的阻抗。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述电路模型选择器被构造为基于下列步骤选择所述某一等效电路模型：1）是否存在warburg元件；2）是否存在LR并联电路；以及3）RC并联电路的级数。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述傅里叶变换计算器是离散傅里叶变换计算器，其被构造为对所述电压波形数据和所述电流波形数据执行离散傅里叶变换，并通过将所述电压波形数据的离散傅里叶变换数据除以所述电流波形的离散傅里叶变换数据来计算所述电池单元的阻抗。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述傅里叶变换计算器是快速傅里叶变换计算器，其被构造为对所述电压波形数据和所述电流波形数据执行快速傅里叶变换，并通过将所述电压波形数据的快速傅里叶变换数据除以所述电流波形的快速傅里叶变换数据来计算所述电池单元的阻抗。

7.一种电池阻抗测量系统，包括：

电池模块(10)，其包含多个电池单元（11₁…11_n），并被构造为对负载（L）供电；

多个装置（24₁…24_n），每个装置都对应于所述多个电池单元中的一个相应电池单元来提供，用于针对各频域来计算相应电池单元的阻抗，所述多个装置中的每一个都包括：

傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从所述相应电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将所述电压波形数据的傅里叶变换数据除以所述电流波形数据的傅里叶变换数据来计算所述相应电池单元的阻抗；

电路常数估计器（c4），其被构造为基于所述傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计所述相应电池单元的预定等效电路模型的电路常数；以及

阻抗估计器（c7），其被构造为基于估计出的电路常数和所述等效电路模型来针对各频域估计所述相应电池单元的阻抗。

8.一种电池阻抗测量系统，包括：

电池模块(10)，其包含多个电池单元（11₁…11_n），并被构造为对负载（L）供电；

多个装置（24₁…24_n），每个装置都对应于所述多个电池单元中的一个相应电池单元来被提供，用于针对各频域来计算相应电池单元的阻抗，所述多个装置中的每一个都包括：

傅里叶变换计算器（c2），其被构造为对从所述相应电池单元输出的电压波形数据和电流波形数据执行傅里叶变换，并通过将所述电压波形数据的傅里叶变换数据除以所述电流波形数据的傅里叶变换数据来计算所述相应电池单元的阻抗；

电路模型选择器（c9），其被构造为基于所述傅里叶变换计算器计算出的阻抗从多个等效电路模型中选择某一等效电路模型；以及

电路常数估计器（c4），其被构造为基于所述傅里叶变换计算器计算出的阻抗来估计所选等效电路模型的电路常数。

9.一种用于进行实时测量的电池监控装置，其监控包括多个彼此串联连接的电池单元的电池模块，所述电池监控装置包括：

多个电力及阻抗计算器，其每一个都针对所述多个电池单元中相应的一个来提供，并且其每一个都被构造为从所述相应的电池单元接收电压信号和电流信号，以及测量所述相应电池单元的瞬时电力值和内部阻抗特性；以及

电池模块状态管理器，其被构造为经由内部总线接收各电力及阻抗计算器的输出数据。

10.根据权利要求9所述的电池监控装置，还包括：

加速器工作监控器，其被构造为监控通过从所述电池模块接收电力进行操作的加速器的运动，以及将得到的检测信号提供给各电力及阻抗计算器和所述电池模块状态管理器。

11.根据权利要求9或10所述的电池监控装置，其中，所述多个电力及阻抗计算器中的每一个都被构造为执行离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，以及基于所述离散傅里叶变换或快速傅里叶变换的结果来估计呈现所述相应电池单元在期望频域内的内部阻抗特性的等效电路的常数。

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