CN106940403A - 一种车载电池阻抗快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载电池阻抗快速测量方法，用以在测量频率集包含的频率下测定车载电池的阻抗，包括以下步骤：1)根据待测量车载电池阻抗的阻抗值确定对应的测量频率，构成测量频率集；2)判断本次预采样是否出现有效电流或电压变化趋势，若是，则进行电池端电压和电流的实采样，并对实采样的电压和电流进行同步处理后进行步骤3)，若否，则进行下一轮的预采样，直至出现有效电流或电压变化趋势为止；3)进行小波分析，并通过电压与电流小波变换系数之比得到阻抗值；4)改变小波分析的母波尺度参数再次进行小波分析计算得到频率集中下一频率对应的电池阻抗。与现有技术相比，本发明具有预实采样结合、快速有效、无需外接激励源等优点。

Description

一种车载电池阻抗快速测量方法

技术领域

本发明涉及纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车电池管理领域，尤其是涉及一种车载电池阻抗快速测量方法。

背景技术

随着电动汽车和插电式混合动力汽车的推广应用，对车载蓄电池包的安全性、可靠性有非常高的要求，对于电池管理系统来说，能够及时准确地得知动力电池的当前寿命状态、功率输出能力、内部温度从而进行热失效的预测和防止滥用等具有非常重要的意义，而上述特性均与蓄电池在某一频率点或某一频率区间内的阻抗有极大关系。

目前，电池阻抗的测量方法主要有两种，一是单频率注入法，二是傅里叶分析法。鉴于阻抗的测量一直应用在实验室中对电极过程的了解研究上，而应用在汽车上也是近几年随着电动汽车的发展逐渐引起越来越多人的关注，现有的技术需要单独的外接激励源，通过单频率正弦激励，不能很好的适应车载条件，不能在车辆正常行驶时进行，同时测量时间较长也不能满足在用于实时性要求较高的电池监控场合，如实时故障监控等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种预实采样结合、快速有效、无需外接激励源的车载电池阻抗快速测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车载电池阻抗快速测量方法，用以在测量频率集包含的频率下测定车载电池的阻抗，包括以下步骤：

1)根据待测量车载电池阻抗的阻抗值确定对应的测量频率，构成测量频率集{f1,f2,…,fn}；

2)对电池端电压和电流进行循环预采样，并判断本次预采样是否出现有效电流或电压变化趋势，若是，则进行电池端电压和电流的实采样，并对实采样的电压和电流进行同步处理后进行步骤3)，若否，则进行下一轮的预采样，直至出现有效电流或电压变化趋势为止；

3)分别对实采样同步处理后电池端电压和电流进行小波分析，并通过电压与电流小波变换系数之比得到阻抗值；

4)改变小波分析的母波尺度参数再次进行小波分析计算得到频率集中下一频率对应的的电池阻抗。

所述的步骤2)中，循环预采样具体包括以下步骤：

21)确定电流和电压预采样的采样频率fs；

22)以采样频率fs进行第一轮预采样，记录并按时间顺序排列采样得到的电压电流的采样点组合SP1(U，I)、SP2(U，I)……，直至采样时间结束或采样点数量达到设定总数；

23)判断第一轮采样点组合中是否出现有效电流或电压变化趋势，若是，则进行电池端电压和电流的实采样，若否，则进行步骤24)；

24)以相同的采样频率fs进行下一轮预采样，以第一轮预采样中第一个采样点组合SP1(U，I)开始按时间排列顺序依次覆盖，并判断是否出现有效电流或电压变化趋势，直至出现有效的电压或电流变化趋势为止。

所述的步骤22)中，预采样的采样频率fs的频率值不小于2Max(f1,f2,…,fn)。

所述的22)中，采样时间t＝1/Min(f1,f2,…,fn)，采样点的设定总数N＝1/fs·Min(f1,f2,…,fn)。

所述的步骤2)中，所述的对实采样的电压和电流进行同步处理采用采样时直接同步或采样后根据时间戳进行时间对齐的方法。

所述的步骤3)和步骤4)中，小波分析采用的母波为复值母波，包括复Morlet小波、Haar小波、Mexican Hat小波。

所述的步骤23)中，电压电流实采样具体包括以下步骤：

231)获取测量频率集中最低频率对应的预采样时间t_fmin和采样点的设定总数N_fmin，并确定实采样的采样时间为t_fmin以及采样点的设定总数为N_fmin。

232)获取预采样中出现有效电流或电压变化趋势对应的时刻t₀，在实采样中在t₀后采样长度为t_fmin或N_fmin的电池端电流和电压数据作为实采样数据。

判断出现有效电流或电压变化趋势应同时满足以下条件：

1、测量频率集中的频率均出现在电池端电压和电流在出现变化时所包含的频率成分中；

2、按照信号随时间变化的快慢以判断电流、电压变化速率是否达到预设要求以满足测量频率集；

3、按照信号变化的幅度以判断电流、电压变化幅值是否达到预设要求以保证测量的精度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所提出的基于小波变换的电池阻抗快速测量方法主要包括电流、电压有效变化趋势的判断，预采样，实采样和小波分析三个关键步骤上。本发明所提出的方法对电压、电流的波形要求低，只需要有满足要求的变化速度和变化幅度便可采用本发明所述方法进行阻抗快速测量，本发明方法能有效利用实车工况进行电池阻抗测量，克服现有车载阻抗测量技术基于单频率正弦激励，需要单独的外接激励源，且测量不能在车辆正常行驶时进行的缺点，从而为阻抗测量实时性要求高的应用场合提供基础。

附图说明

图1为本发明所述阻抗快速测量方法的总体流程框图。

图2为本发明所述循环预采样方法的流程框图。

图3为本发明所述实采样方法的流程框图。

图4为本发明所述实施例在开关闭合时的波形，其中，图(4a)为在开关闭合时的电压波形，图(4b)为在开关闭合时的电流波形。

图5为本发明所提出的方法所测量得到的阻抗值与真实值的对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

对于一个连续信号f(t)，其连续小波变化定义如下：

式(1)中，为小波变换系数，通过将原始信号f(t)与母波ψ(t)作卷积来获得，s是缩放因子，τ是时间参数。小波变换就是通过调整s和τ的值，来实现母波ψ(t)的伸缩和平移，就像用镜头对目标信号进行聚焦和平移，从而达到在较高频率有较高时间分辨率，在较低频率有较高的频率分辨率的效果。电池信号包括电压信号和电流信号，而电压信号和电流信号都是矢量信号，因此为了不遗失原信号的矢量信息，应选择复Morlet函数作为小波基函数，其定义如下。其中f_c表示函数的中心频率，f_b表示带宽变量。改变f_c可以改变小波分析时的目标频率成分。

对于电池的阻抗测量，可分别对电压、电流做以Morlet小波为基的小波变换

进而得到电池的阻抗

对比式(2)(3)(4)可以看到，改变缩放因子s的值可以改变Morlet小波的中心频率，进而由式(5)得到不同频率下的电池阻抗。由于小波变换的本质是对信号进行滤波和分解，是将信号分解到各个频率上，认为无需对电池从外部加载激励信号，可利用电池本身放电过程中产生的电信号变化(如开关瞬间的电压和电流信号)作为分析对象，这样就无需外部激励源，从而简化系统。

对于采用蓄电池存储电能的电动汽车来说，研究发现频率为0.1Hz～200H的电池阻抗与电池状态(如电池内部温度、老化状态等)、故障诊断等有对应的变化关系。测量这些频率下的阻抗能够对电池的内部温度、故障状态等进行在线估计或判定。对现有的电池管理系统对电池电流和电池单体电压的采样进行采样速度和采样精度的改进后，可作为此发明所述方法的实施载体。现有电池管理系统有两种拓扑结构，即集中式和分布式。

对于集中式的电池管理系统拓扑结构，所有电池单体的电压和流经电池的电流的采样由一个控制器完成。在电动汽车启动瞬间或负载突变的瞬间，蓄电池的输出电流或端电压具有阶跃特性，其中包含了高频成分。按照所述方法，首先在确定测量频率集的基础上进行预采样，该控制器不断监测通过电池的电流和电池端电压以判断其变化趋势是否包含了该频率成分，一旦有符合要求的变化趋势出现，则控制器状态转为实采样，同时继续记录工况电流和单体电池的响应电压直至总采样时间达到频率集中最低频率的周期，该控制器在获得变化趋势前后的电流和电压数据后采用基于复母波的小波分析并计算获得单体电池的阻抗。

对于分布式的电池管理系统拓扑结构，多节单体电压有电池组控制器采样，流经电池的电流有电池包控制器采样。由于电压、电流是分开采样，为了达到阻抗测量目的，流经电池的电流需要从电池包控制器传递给每个电池组控制器，再由各个电池组控制器完成每个电池单体的阻抗测量。在预采样阶段，电池包控制器和电池组控制器按照预采样策略分别进行电池电流和电压的预采样，当电池包控制器得到合适的电流变换趋势或者电池组控制器得到合适的单体电压变化趋势后启动实采样。在电池电流、电压采样结束后，电池包控制器通过CAN通信向电池组控制器传递采集得到的电流信号，电池组控制器在得到电池的电流信号后进行计算以得到阻抗信息。

对于分布式的电池管理系统在进行电流数据向电池组控制器传输时需要首先进行电池包控制器和电池组控制器的时钟同步，以确定两者之间进行信号传输的时间延迟和两控制器相对时钟差异，这样电池组控制器接收到电流信号后便可根据信号传输延迟和两控制器的时钟差异进行信号的时间对齐和阻抗测量相位补偿操作。

相比于采用蓄电池的纯电动汽车，燃料电池汽车的燃料电池内阻对燃料电池电堆的膜湿度控制有重要意义。不同的电池内阻对应着不同的膜湿度，而不同的膜湿度对电池输出功率具有影响。且对电池电堆阻抗的测量更具有实时性要求，采用此种快速测量方法能够快速准确得到电池阻抗，从而为系统可靠工作提供帮助。

开始实验采用容量为3.4Ah松下三元电池18650GA，通过设计一个简单的通过开关控制给外接的电阻、电容并联电路可以得到开关闭合瞬间的电压、电流波形，如图4。通过在电压、电流变化时刻进行小波分析，可以得到如图5所示的不同频率下的电池阻抗信息。且可以看到所测量得到的阻抗与真实值相接近。

Claims (8)

1.一种车载电池阻抗快速测量方法，用以在测量频率集包含的频率下测定车载电池的阻抗，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据待测量车载电池阻抗的阻抗值确定对应的测量频率，构成测量频率集{f1,f2,…,fn}；

2)对电池端电压和电流进行循环预采样，并判断本次预采样是否出现有效电流或电压变化趋势，若是，则进行电池端电压和电流的实采样，并对实采样的电压和电流进行同步处理后进行步骤3)，若否，则进行下一轮的预采样，直至出现有效电流或电压变化趋势为止；

3)分别对实采样同步处理后电池端电压和电流进行小波分析，并通过电压与电流小波变换系数之比得到阻抗值；

4)改变小波分析的母波尺度参数再次进行小波分析计算得到频率集中下一频率对应的的电池阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种车载电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤2)中，循环预采样具体包括以下步骤：

21)确定电流和电压预采样的采样频率fs；

22)以采样频率fs进行第一轮预采样，记录并按时间顺序排列采样得到的电压电流的采样点组合SP1(U，I)、SP2(U，I)……，直至采样时间结束或采样点数量达到设定总数；

23)判断第一轮采样点组合中是否出现有效电流或电压变化趋势，若是，则进行电池端电压和电流的实采样，若否，则进行步骤24)；

24)以相同的采样频率fs进行下一轮预采样，以第一轮预采样中第一个采样点组合SP1(U，I)开始按时间排列顺序依次覆盖，并判断是否出现有效电流或电压变化趋势，直至出现有效的电压或电流变化趋势为止。

3.根据权利要求2所述的一种车载电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤22)中，预采样的采样频率fs的频率值不小于2Max(f1,f2,…,fn)。

4.根据权利要求2所述的一种车载电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的22)中，采样时间t＝1/Min(f1,f2,…,fn)，采样点的设定总数N＝1/fs·Min(f1,f2,…,fn)。

5.根据权利要求1所述的一种车载电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤2)中，所述的对实采样的电压和电流进行同步处理采用采样时直接同步或采样后根据时间戳进行时间对齐的方法。

6.根据权利要求1所述的一种车载电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤3)和步骤4)中，小波分析采用的母波为复值母波，包括复Morlet小波、Haar小波、Mexican Hat小波。

7.根据权利要求4所述的一种车载电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤23)中，电压电流实采样具体包括以下步骤：

231)获取测量频率集中最低频率对应的预采样时间t_fmin和采样点的设定总数N_fmin，并确定实采样的采样时间为t_fmin以及采样点的设定总数为N_fmin。

232)获取预采样中出现有效电流或电压变化趋势对应的时刻t₀，在实采样中在t₀后采样长度为t_fmin或N_fmin的电池端电流和电压数据作为实采样数据。

8.根据权利要求1、2或7任一项所述的一种车载电池阻抗快速测量方法，其特征在于，判断出现有效电流或电压变化趋势应同时满足以下条件：

1、测量频率集中的频率均出现在电池端电压和电流在出现变化时所包含的频率成分中；

2、按照信号随时间变化的快慢以判断电流、电压变化速率是否达到预设要求以满足测量频率集；

3、按照信号变化的幅度以判断电流、电压变化幅值是否达到预设要求以保证测量的精度。