CN105116340A - 基于谐波检测的电池寿命检测系统及谐波电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于谐波检测的电池寿命检测系统，该系统包括电能转换电路，该电路包括待测电池接口、单桥臂模块或H桥臂模块、电感器L和电压源输入端；该系统进一步包括控制单元、电池管理模块和电池故障处理模块。本发明进一步公开了一种用于上述电池寿命检测系统的谐波电流控制方法。本发明所述技术方案能够根据电池电压调整输出合适的正弦电流和直流电压，并施加于电池两端，采用PI控制算法，根据该电路特有的结构，将PI参数整定过程详细列出，建立控制模型，控制效果良好。

Description

基于谐波检测的电池寿命检测系统及谐波电流控制方法

技术领域

本发明涉及电池性能检测，特别是涉及一种基于谐波检测的电池寿命检测系统及控制方法。

背景技术

在主动配电网中，需要储能装置来维持系统的稳定。连接到微网的分布式储能系统可以平抑短期或瞬时的波动，连接到主网络的集中式储能系统可以平抑长时间的波动。因此当分布式电源大量进入配电网时，储能发挥着很重要的作用。在多种多样的储能方式中，从发展水平和实用角度来看，电池储能是最可行的路线。

级联多电平变换器可实现将单体电池低电压电池模块串联使用，由于其模块化、易扩展的优点目前广泛用于高压大容量变换系统。此类拓扑中，直流侧电源采用电池，可用于储能系统。在变流器进行电能变换时，流经电池的电流中除含有开关频率次的高频分量之外，还有很大含量的二次谐波。多认为二次谐波对电池有不利影响，因此使用LC谐振电路滤除二次谐波，然而LC体积庞大，且在实际使用过程中，LC的寄生电阻也会带来其他问题。

目前并没有确定的结论或明显的证据证明其对电池寿命的影响，因此是否有必要滤除二次谐波，需要进行实验验证。然而目前并没有可用的谐波发生系统对电池进行谐波测试。

因此，需要提供一种基于谐波检测的电池寿命检测系统及控制方法，以满足对电池寿命影响检测的需要，同时，根据谐波电流引起的电压波动测量电池在某一频率下的交流阻抗，由此判断电池的健康状况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于谐波检测的电池寿命检测系统及控制方法，以解决现有技术中没有可用的谐波发生系统对电池进行谐波测试的问题，同时应用此方案对电池的健康状况进行检测。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种基于谐波检测的电池寿命检测系统，该系统包括

电能转换电路，该电路包括待测电池接口、单桥臂模块或H桥臂模块、电感器L和电压源输入端；所述单桥臂模块上的每个桥臂上均设有晶体管开关；所述H桥臂模块上的每个桥臂上均设有晶体管开关；所述电感器与待测电池接口串联，所述待测电池接口和电感器L与单臂桥模块或H桥臂模块桥接，所述电压源输入端与单桥臂模块或H桥臂模块并联；

控制单元，用于对所述电能转换电路进行调制；

电池管理模块，用于实时监控待测电池的电量状态；和

电池故障处理模块，基于电池管理模块获取的待测电池的当前状态，对待测电池出现的异常故障进行处理。

优选的，该电路进一步包括

与待测电池接口并联的第二电容C₂；

与电压源输入端并联的第一电容C₁和稳压电阻。

3、根据权利要求1所述的电池寿命检测系统，其特征在于，该电路进一步包括设置在每个晶体管开关上的脉冲接收模块。

优选的，所述控制单元包括该控制单元包括

波形调制模块，用于对电能转换电路中当前电流的波形进行调制，获得调制信号；

PWM驱动信号生成模块，基于调制信号，产生PWM驱动信号；

驱动信号隔离模块，将PWM驱动信号分别隔离，以脉冲的形式，发送至电能转换电路中的每个晶体管开关。

优选的，所述控制单元进一步包括

过压过流保护模块，根据电能转换电路中待测电池的电压和电能转换电路中电流的波形，产生保护调制信号，并输入至PWM驱动信号生成模块；

电池电压滞环控制模块，基于电能转换电路中待测电池的当前电压，产生滞环控制信号，并输入至PWM驱动信号生成模块。

优选的，该系统进一步包括

电流传感器，用于采集电能转换电路中流过电感器的电流；

第一AD调理电路，对所述电感器的电流进行AD转换；

波形反馈模块，将AD转换后的电感器的电流反馈给波形调制模块和过压过流保户模块；

电压传感器，用于采集待测电池的当前电压；

第二AD调理电路，对待测电池的当前电压进行AD转换。

优选的，电容交流阻抗C₂/jw远大于电池阻抗，即C₂>>jwZ_bat，其中，Z_bat为电池阻抗；第二电容C₂和电感器L构成截止频率第二电容C₂满足

优选的，电感器L上的交流电压幅值小于等于电池电压，即输出电流的幅值和频率应满足|jwLI|<V_bat，其中，I为输出电流的幅值，V_bat为电池端电压，输出电流和频率的乘积wI满足wI<|V_bat/L|。

一种用于上述电池寿命检测系统的谐波电流控制方法，该方法的步骤包括

S1、基于输入电压、电能转换电路的电感值以及给定的电流频率，调整实际值与给定值的允许偏差，对PI参数：5％∠θ·(K_p-jK_i)＝jwL′进行整定，其中，5％∠θ为误差相对反馈电流的倍数，K_p-jK_i为PI控制器的等效传递函数，w为输出电流角频率，L’为等效电感；

S2、将系统给定的初始参考值与由AD采样电路采集得到的反馈值作差，获得向量形式的误差值；

S3、基于步骤S1所述PI参数对所述误差值进行整定，输出占空比控制量和检测控制量；

S4、将所述占空比控制量和检测控制量经PWM和驱动信号隔离模块反馈至控制系统，控制系统对电池寿命的检测；

S5、重复步骤S2至S4，保持系统稳定性。

本发明的有益效果如下：

现有的谐波发生器通常输出正弦电压和正弦电流，而电池电压恒为正值，这种谐波发生器不能加于电池两端，无法用于电池测试。本发明所述技术方案能够根据电池电压调整输出合适的正弦电流和直流电压，并施加于电池两端，采用PI控制算法，根据该电路特有的结构，将PI参数整定过程详细列出，建立控制模型，控制效果良好。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明所述一种基于谐波检测的电池寿命检测系统的示意图；

图2示出本发明所述系统工作原理的示意图；

图3示出本发明所述PI控制框图；

图4示出PI控制系统中各参数的向量示意图；

图5示出谐波电流引起的电压波动的阻抗测量的示意图；

图6示出本发明所述电能变换拓扑电路的示意图；

图7示出BUCK电路工作模式的示意图；

图8示出BOOST电路工作模式的示意图；

图9示出本发明实施例中采用单桥臂模式时电压V₁的输出波形示意图；

图10示出本发明实施例中采用全桥模式的电能变换拓扑电路的示意图；

图11示出本发明实施例中采用全桥模式时电压V₁的输出波形示意图；

图12示出本发明实施例中直接直流方式的仿真结果示意图；

图13示出本发明实施例中直接直流控制方式下谐波电流的仿真实验结果示意图；

图14示出本发明实施例中直接直流控制方式下的电池电压仿真实验结果示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种基于谐波检测的电池寿命检测系统，该系统包括电能转换电路、控制单元、单体电池管理模块和电池故障处理模块。其中电能转换电路包括待测电池接口、单桥臂模块或H桥臂模块、电感器和电压源输入端；所述单桥臂模块上的每个桥臂上均设有晶体管开关；所述H桥臂模块上的每个桥臂上均设有晶体管开关；所述电感器与待测电池接口串联，所述待测电池接口和电感器与单臂桥模块或H桥臂模块桥接，所述电压源输入端与单桥臂模块或H桥臂模块并联，该电能转换电路进一步包括与待测电池接口并联的第二电容C₂、与电压源输入端并联的第一电容C₁和稳压电阻和设置在每个晶体管开关上的脉冲接收模块。控制单元用于对所述电能转换电路进行调制，该控制单元包括用于对电能转换电路中当前电流的波形进行调制，获得调制信号的波形调制模块、基于调制信号，产生PWM驱动信号的PWM驱动信号生成模块、将PWM驱动信号分别隔离，以脉冲的形式，发送至电能转换电路中的每个晶体管开关的驱动信号隔离模块、根据电能转换电路中待测电池的电压和电能转换电路中电流的波形，产生保护调制信号，并输入至PWM驱动信号生成模块的过压过流保护模块、基于电能转换电路中待测电池的当前电压，产生滞环控制信号，并输入至PWM驱动信号生成模块电池的电压滞环控制模块、用于实时监控待测电池的电量状态的电池管理模块和基于电池管理模块获取的待测电池的当前状态，对待测电池出现的异常故障进行处理的电池故障处理模块。该控制单元还包括与上部设备通讯的状态开关模块。该系统进一步包括用于采集电能转换电路中流过电感器的电流的电流传感器、对所述电感器的电流进行AD转换的第一AD调理电路、将AD转换后的电感器的电流反馈给波形调制模块和过压过流保护模块的波形反馈模块、用于采集待测电池的当前电压的电压传感器和对待测电池的当前电压进行AD转换的第二AD调理电路。外部设备利用CAN总线与系统中的控制单元、电池故障处理模块和电池管理模块通讯。本发明所述一种基于谐波检测的电池寿命检测系统中，电容交流阻抗C₂/jw应远大于电池阻抗，第二电容C₂的值不能太大，否则会吸收很大比例的交流电流；另一方面，第二电容C₂和电感器L共同构成了截止频率当开关频率为20kHz，输出电流频率为100Hz时，要求截止频率在1.5～2k，因此截止频率限制了电容值不能太小。使用半桥电路情况下，电感器L上的交流电压幅值小于等于电池电压，即输出电流的幅值和频率应满足|jwLI|<V_bat，其中I为输出电流的幅值，输出电流和频率的乘积wI满足wI<|V_bat/L|

该系统对电池进行谐波测试之前，需先进行0.5C容量测试，C/3充放电测试，C/20小电流ICA测试(IncrementCapacityAnalysis，ICA曲线横轴为V，纵轴为dQ/dV)，脉冲法内阻测试，OCV测试(OpenCircuitVoltage)，阻抗谱测试(EIS：ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy)，获得数据便于谐波测试后的对比分析。利用电能转换电路对待测电池进行谐波测试，同时对电压波动进行采样，计算阻抗，并分析电池SOH即健康状况。在电池测试过程中判断是否存在过压、过流情况，是则封锁脉冲、切掉电池，如无异常情况继续对待测电池进行谐波测试。一段时间后，测试电池的相关参数变化，即加谐波前的五种测试，获得相关数据，与之前数据进行对比，分析谐波对电池性能的影响。

如图2所示，本发明进一步公开了一种用于上述系统的谐波电流控制方法，该方法的步骤包括。

实现特定频率和幅值的谐波电流输出有三种方式，PI控制方式和PR控制方式，其中PI控制方式包括直接电流控制和虚拟两相静止与两相旋转系统控制。虚拟静止与两相旋转控制需要进行两次变换，PR控制需要进行离散化处理，且参数不易调节，相比之下，PI控制方式简单，根据参数模型整定PI值，可准确控制跟踪误差，因此对PI参数模型重点叙述。

直接电流控制

比例积分(PI)控制器为I型系统，不能无差跟踪正弦量，因此使用PI控制跟踪交流电流时一定有误差，即PI控制器的输入量永不为0。

V₁为电感电压与电池电压之和

V₁＝V_in·d＝V_{L_out}+V_bat(1)

d为半桥控制的占空比

d＝D+Δd(2)

其中D为恒定占空比，反映了电池电压与输入电压的比值

Δd为变化占空比，反映了电感电压与输入电压的比值

传统DC-DC控制电路中，电感电流为直流电流，电感电压一个控制周期中平均值为0，而谐波发生器中电感电流为交流电流，因此电感电压不可忽视，其大小为

V_{L_out}＝jwLi_fbk(3)

传统电路只需考虑D，因此PI控制较为简单，使系统达到稳态的PI参数范围较广。而此处电感电压和Δd为交流量，即相量。PI控制器的输入和输出以及自身传递函数都是相量，一组PI参数对应一种稳态，即各相量之间的相位和大小关系相互关联。实际电感电流与给定电流之间幅值和相位关系取决于PI参数、输入电压、电感大小、电流频率，当电路中的参数如输入电压、电池电压、电感大小、电流频率选定后，通过确定PI参数可以使最终电感电流的大小和相位与参考电流的大小和相位差别很小，近似于跟踪上给定电流。

如图3所示为PI控制框图，根据该控制框图则有

i_ref-i_fbk＝e_k(4)

其中e_k为给定电流与实际电流之差，误差经过PI控制器后有

e_k·(k_p-jk_i)＝Δpi_out(5)

其中k_p-jk_i为PI控制器传递函数，PI输出量pi_out包含两部分，直流部分PI_out和交流部分Δpi_out，直流部分由于电池电压和输入电压比例确定，可自动调整，这里只考虑交流部分Δpi_out。

V_{L_out}＝Δpi_out·K_PWM·V_in(6)

其中K_PWM为PI参数调整比例，与PI输出量之积即为占空比Δd。

由式(6)可得：

${\mathrm{\&Delta;pi}}_{out}=\frac{V_{L\_out}}{K_{PWM}\&CenterDot;V_{in}}---\left(7\right)$

将式(5)、(3)依次代入式(7)得

$e_k\&CenterDot;(k_p-{\mathrm{jk}}_i)=\frac{{\mathrm{jwLi}}_{fbk}}{K_{PWM}\&CenterDot;V_{in}}---\left(8\right)$

令等于L'，则式(8)变为

e_k·(k_p-jk_i)＝jwL'i_fbk(9)

其中L’为等效电感，可由线路电感、K_PWM和V_in计算出。

其向量图如图4所示，使实际电感电流值i_fbk略滞后于给定电流i_ref，则误差e_k相位与大小如图4所示。误差e_k经过PI控制器后，输出量Δpi_out滞后于误差e_k一个锐角，由于PI控制器中积分环节起主要作用，因此此角度接近90度。由公式6得，电感电压角度与Δpi_out一致，因此电感电流滞后于Δpi_out大约90度。

如图4所示，给定一个e_k的大小和角度，如5％∠θ，即设定幅值为5％的跟踪误差，θ任意选定，越接近180度则实际电感电流与给定电流相位差越小，则可列出式10

5％∠θ·(K_p-jK_i)＝jwL'(10)

根据等式两边实部和虚部分别相等的原则，可求出k_p和k_i的值，此为PI参数模型，根据该模型整定PI参数，可准确设定跟踪误差，效果良好。

该控制方法步骤如下：

步骤1:整定PI参数，按上述公式10计算；

步骤2：将参考值与反馈值作差，其中参考值为正弦交流量；

步骤3：误差经过PI控制器后，输出占空比控制开关；

步骤4：电感电流经过AD采样电路反馈到控制系统，重复步骤2。

阻抗测量：

在产生谐波电流的基础上，根据谐波电流引起的电压波动进行阻抗测量，如图5所示为阻抗测量结构图。

其工作过程如下：

步骤1：将谐波发生器输出特定频率和幅值的正弦电流加在电池上；

步骤2：传感器采集电池电压v_b和电流i_b

步骤3：将v_b和i_b作为±变量，通过全通滤波器构造虚拟的v₂和i₂变量；

步骤4：将v_±，v₂与i_±，i₂分别进行dq变换，得到v_d，v_q和i_d，i_q；

步骤5：计算交流阻抗大小；

$\left|Z\right|=\frac{\sqrt{{v_d}^2+{v_q}^2}}{\sqrt{{i_q}^2+{i_d}^2}}$

步骤6：计算有功和无功功率，计算电池阻抗角Φ

$P=\frac{v_d{i}_d+v_q{i}_q}{2}$

$Q=\frac{v_q{i}_d-v_d{i}_q}{2}$

$S=\sqrt{P^2+Q^2}$

$PF=cos\mathrm{\&phi;}=\frac{P}{S}$

步骤7：计算电池交流阻抗；

Z＝|Z|cosφ+j|Z|sinφ

以上为电池阻抗测量系统的工作过程。

步骤8：根据电池交流阻抗判断电池SOH(健康)状态

利用本发明所述技术方案能够产生特定频率和幅值的正弦电流，并施加到电池两端进行谐波测试，测试时间达到预定要求后，本发明测试时间在240～360小时，再对电池进行阻抗谱测量，从而检测电池的相关性能变化。

下面通过一组实例对本发明作进一步说明。

如图6所示，为本发明所述电能变换拓扑电路的示意图，该实例为单桥臂模式(半桥模式)，其中，V₁为开关调制后的输出电压，等于电池电压与电感电压之和。

当流过电池的电流为正时，即给电池充电，图5所示电路可以等效于图7所示电路，相当于一个BUCK电路，当开关闭合时，电源给电感充电，电感电流增大；开关断开时，电感通过二极管进行续流，电感电流减小。

当流过电感的电流为负时，即给电池放电，图5所示电路可以等效于图8所示电路，相当于一个BOOST电路，当开关闭合时，电池给电感充电，电感电流增大；开关断开时，电感通过二极管进行续流，电感电流减小。

此处需要注意的是，若采用单桥臂方式是无法输出负压的，即V₁>＝0,则电感上的压降与电池叠加后不能小于0，否则电路无法正常工作。V₁输出波形如图9所示。

如图10所示，为采用全桥模式(H桥模式)的电能变换拓扑电路的示意图，此时可输出负压，晶体管的工作方式有双极性和单极性工作方式，电路工作性能更好，电压V₁的输出波形图如图11所示。

以下是以半桥为例，对半桥的电能变换拓扑电路进行仿真分析：

使用半桥进行仿真时的参数如下：

参数	Vin(V)	Vbat(初始)(V)	L(uH)	C(uF)
					数值	12	3.7	70	10

如图12所示，为直接电流控制方式的仿真结果的示意图。在上述参数下，分别输出100Hz频率下大小分别为2A，4A，6A，8A，10A的电流以及1000Hz，10A的电流，可以看出，输出电流幅值越大，高频分量越小，波形越好即THD含量越小，这是因为根据式|jwLI|<V_bat，仿真采用的电感参数70uH更适合于1000Hz，10A的电流输出，因此实际应用此电路进行谐波电流输出时，应根据输出目标合理设计电路参数尤其是电感值。

如图13所示，为实验中电池电流波形的示意图，电池电流波形的正弦度良好，THD在5％以下，可直接用于电池的谐波测试。

如图14所示，为实验中电池端电压，直流电压上叠加了100Hz的波动，此波动即为谐波电流引起的电压变化，电压波动幅值与谐波电流幅值的比值即为电池在100Hz下的交流阻抗。

综上所述，本发明所述技术方案能够根据电池电压调整输出合适的正弦电流和直流电压，并施加于电池两端，采用PI控制算法，根据该电路特有的结构，将PI参数整定过程详细列出，建立控制模型，控制效果良好。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.基于谐波检测的电池寿命检测系统，其特征在于，该系统包括

电能转换电路，该电路包括待测电池接口、单桥臂模块或H桥臂模块、电感器L和电压源输入端；所述单桥臂模块上的每个桥臂上均设有晶体管开关；所述H桥臂模块上的每个桥臂上均设有晶体管开关；所述电感器与待测电池接口串联，所述待测电池接口和电感器L与单臂桥模块或H桥臂模块桥接，所述电压源输入端与单桥臂模块或H桥臂模块并联；

控制单元，用于对所述电能转换电路进行调制；

电池管理模块，用于实时监控待测电池的电量状态；和

电池故障处理模块，基于电池管理模块获取的待测电池的当前状态，对待测电池出现的异常故障进行处理。

2.根据权利要求1所述的电池寿命检测系统，其特征在于，该电路进一步包括

与待测电池接口并联的第二电容C₂；

与电压源输入端并联的第一电容C₁和稳压电阻。

3.根据权利要求1所述的电池寿命检测系统，其特征在于，该电路进一步包括设置在每个晶体管开关上的脉冲接收模块。

4.根据权利要求1所述的电池寿命检测系统，其特征在于，所述控制单元包括该控制单元包括

波形调制模块，用于对电能转换电路中当前电流的波形进行调制，获得调制信号；

PWM驱动信号生成模块，基于调制信号，产生PWM驱动信号；

驱动信号隔离模块，将PWM驱动信号分别隔离，以脉冲的形式，发送至电能转换电路中的每个晶体管开关。

5.根据权利要求4所述的电池寿命检测系统，其特征在于，所述控制单元进一步包括

过压过流保护模块，根据电能转换电路中待测电池的电压和电能转换电路中电流的波形，产生保护调制信号，并输入至PWM驱动信号生成模块；

电池电压滞环控制模块，基于电能转换电路中待测电池的当前电压，产生滞环控制信号，并输入至PWM驱动信号生成模块。

6.根据权利要求5所述的电池寿命检测系统，其特征在于，该系统进一步包括

电流传感器，用于采集电能转换电路中流过电感器的电流；

第一AD调理电路，对所述电感器的电流进行AD转换；

波形反馈模块，将AD转换后的电感器的电流反馈给波形调制模块和过压过流保户模块；

电压传感器，用于采集待测电池的当前电压；

第二AD调理电路，对待测电池的当前电压进行AD转换。

7.根据权利要求2所述的电池寿命检测系统，其特征在于，电容交流阻抗C₂/jw远大于电池阻抗，即C₂>>jwZ_bat，其中，Z_bat为电池阻抗；第二电容C₂和电感器L构成截止频率第二电容C₂满足

8.根据权利要求1所述的电池寿命检测系统，其特征在于，电感器L上的交流电压幅值小于等于电池电压，即输出电流的幅值和频率应满足|jwLI|<V_bat，其中，I为输出电流的幅值，V_bat为电池端电压，输出电流和频率的乘积wI满足wI<|V_bat/L|。

9.一种用于权利要求1所述电池寿命检测系统的谐波电流控制方法，其特征在于，该方法的步骤包括

S1、基于输入电压、电能转换电路的电感值以及给定的电流频率，调整实际值与给定值的允许偏差，对PI参数：5％∠θ·(K_p-jK_i)＝jwL′进行整定，其中，5％∠θ为误差相对反馈电流的倍数，K_p-jK_i为PI控制器的等效传递函数，w为输出电流角频率，L’为等效电感；

S2、将系统给定的初始参考值与由AD采样电路采集得到的反馈值作差，获得向量形式的误差值；

S3、基于步骤S1所述PI参数对所述误差值进行整定，输出占空比控制量和检测控制量；

S4、将所述占空比控制量和检测控制量经PWM和驱动信号隔离模块反馈至控制系统，控制系统对电池寿命的检测；

S5、重复步骤S2至S4，保持系统稳定性。