CN110940926A - 一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统 - Google Patents
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Abstract
本公开揭示了一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统，包括：激励波形发生模块、电压电流转换模块、电流采样电阻、开关阵列、电压电流同步采集模块和微处理器。本公开还揭示了一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试方法。本公开通过采用新型开关阵列切换方式，避免了大量开关的使用，提升了系统的可靠性，同时由于一次对整个一条串联支路的电池进行激励，也大大减小了测量时间；通过采用电压电流同步采样的方式，提高了幅值和相位的测量精度。
Description
技术领域
本公开属于电动汽车电池领域，具体涉及一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统。
背景技术
电动汽车由于其清洁环保的优势，应用日益广泛，同时，车载动力电池的安全性和可靠性备受关注，因此，如何对车载动力电池的状态进行合理的管理和监控也是学者们研究的热点。美国特斯拉公司研制了完备的电池管理系统对车载动力电池的状态进行实时监测，但该测试系统仅监测外电压电流信息，无法获得内部电化学参数，无法辨识电池的潜在性缺陷，特斯拉电动汽车起火自燃现象仍时有发生。
国内外众多学者都对电池的检测手段进行了大量的研究，其中，电化学阻抗谱作为一种无损的参数测定和有效的电池动力学行为测定方法，可有效辨识电池的潜在性缺陷。但当前电化学阻抗谱多用于离线测试，尚没有有效的手段可对车载动力电池进行在线的精准诊断。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统，能够有效获得电池内部的电化学参数，辨识出电池的潜在性缺陷。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统，包括：
激励波形发生模块，用于产生宽频激励电压信号；
电压电流转换模块，用于将所述宽频激励电压信号转换为宽频激励电流信号；
电流采样电阻，用于对所述宽频激励电流信号进行采样并转换为第一电压信号；
开关阵列，用于调整所述宽频激励电流信号在电动汽车动力电池中的流向；
电压电流同步采集模块，用于采集电动汽车动力电池中的已注入宽频激励电流信号的电芯的端电压信号，以及同步采集所述第一电压信号；
微处理器，用于控制所述激励波形发生模块所产生的宽频激励电压信号的幅值和频率和控制所述开关阵列中开关的通断，还用于提取所述电压电流同步采集模块在宽频范围内每个频点下采集到的端电压信号和第一电压信号的幅值和相位，根据所述幅值和相位获得电动汽车动力电池中每一节电芯的阻抗，并根据所述阻抗获得电动汽车动力电池的阻抗谱。
优选的，所述开关阵列包括n个开关组，每个开关组包括上开关和下开关，上开关的一侧接入由激励波形发生模块和电压电流转换模块构成的激励电流源，另一侧与下开关的一侧共同接入电动汽车动力电池的正极，下开关的另一侧接入负载，其中，n为电动汽车动力电池串联支路数。
优选的，所述开关阵列中的开关为MOS管或光耦继电器。
优选的，所述电压电流同步采集模块包括A/D转换器。
优选的，所述激励波形发生模块包括DDS电路及与DDS电路串接的放大电路。
优选的，所述电压电流转换模块包括大电流运算放大器或达林顿管。
优选的，所述电压电流转换模块转换的输出电流幅值为0.1-1A。
本公开还提供一种电动汽车动力电池测试方法，包括如下步骤：
S100：激励波形发生模块产生宽频激励电压信号并由电压电流转换模块转换为宽频激励电流信号；
S200：所述宽频激励电流信号经电流采样电阻采样后转换为第一电压信号，同时，所述宽频激励电流信号经开关阵列调整后流入电动汽车动力电池中的被测量支路；
S300：通过电压电流同步采集模块同步采集第一电压信号和被测量支路中每一节电芯的端电压信号；
S400：通过微处理器提取所采集的第一电压信号和端电压信号的幅值和相位，根据幅值和相位获得电动汽车动力电池的阻抗谱。
优选的，所述开关阵列包括n个开关组，每个开关组包括上开关和下开关，上开关的一侧接入由激励波形发生模块和电压电流转换模块构成的激励电流源，另一侧与下开关的一侧共同接入电动汽车动力电池的正极，下开关的另一侧接入负载，其中，n为电动汽车动力电池串联支路数。
优选的，所述电压电流同步采集模块包括A/D转换器。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、通过采用新型开关阵列切换方式，避免了大量开关的使用，提升了系统的可靠性，同时由于一次对整个一条串联支路的电池进行激励，也大大减小了测量时间；
2、采用了电压电流同步采样的方式，提高了幅值和相位的测量精度。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统的结构示意图；
图2是本公开电动汽车动力电池的阻抗谱示意图；
图3是本公开一个实施例提供的开关阵列的结构示意图；
图4是本公开一个实施例提供的采样电路的结构示意图；
图5是本公开一个实施例提供的激励波形发生模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图5详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统，包括：
激励波形发生模块，用于产生宽频激励电压信号；
电压电流转换模块，用于将所述宽频激励电压信号转换为宽频激励电流信号；
电流采样电阻，用于对所述宽频激励电流信号进行采样并转换为第一电压信号；
开关阵列，用于调整所述宽频激励电流信号在电动汽车动力电池中的流向；
电压电流同步采集模块，用于采集电动汽车动力电池中的已注入宽频激励电流信号的电芯的端电压信号，以及同步采集所述第一电压信号；
微处理器，用于控制所述激励波形发生模块所产生的宽频激励电压信号的幅值和频率和控制所述开关阵列中开关的通断，还用于提取所述电压电流同步采集模块在宽频范围内每个频点下采集到的端电压信号和第一电压信号的幅值和相位，根据所述幅值和相位获得电动汽车动力电池中每一节电芯的阻抗，并根据所述阻抗获得电动汽车动力电池的阻抗谱。
本实施例中，激励波形发生模块接收到处理器发来的指令后，由DDS电路产生多频激励电压，并经由放大电路进行幅值放大。电压电流转换模块将放大后的激励电压转换为同频同相的激励电流。开关阵列连接被测电池，通过控制相应开关的通断，来控制被注入激励电流的串联电池是哪一串。电压电流同步采集模块采集激励电流和响应电压的数据，送入微处理器进行幅值和相位的提取，根据提取到的信息进行宽频阻抗谱建模分析。与现有技术不同的是：本发明根据电化学阻抗谱对电池的状态进行诊断，可有效获得电池内部的电化学参数，辨识出电池的潜在性缺陷。通过采用新型开关阵列切换方式，避免了大量开关的使用，提升了系统的可靠性，同时由于一次对整个一条串联支路的电池进行激励，也大大减小了测量时间，并且，本实施例创造性的采用电压电流同步采样的方式，提高了幅值和相位的测量精度。
需要说明的是，根据本实施例获得的电动汽车动力电池的阻抗谱用奈奎斯特图表示，具体如图2所示，其中，横轴表示阻抗的实部，纵轴表示阻抗的虚部，曲线从左到右表示频率从高频到低频。
另一个实施例中，如图3所示，所述开关阵列包括n个开关组，每个开关组包括上开关和下开关，上开关的一侧接入由激励波形发生模块和电压电流转换模块构成的激励电流源，另一侧与下开关的一侧共同接入电动汽车动力电池的正极，下开关的另一侧接入负载，其中，n为电动汽车动力电池串联支路数。
本实施例中，微处理器可通过控制开关阵列S1～S2n中任意一个开关的通断来控制与该开关属于同一支路的电池串联支路能否被注入宽频激励电流信号。例如，当第1条串联支路需要被注入宽频激励电流信号时，微处理器控制开关S2导通，其余开关全部处于断开状态。采用该开关阵列的布置方式能够避免大量开关的使用以及布置接线，降低了开关故障带来的系统故障概率，提升了系统的稳定性。
另一个实施例中，所述开关阵列中的开关为MOS管或光耦继电器。
本实施例中，MOS管和光耦继电器作为常见的开关，其工作原理不做赘述，需要说明的是，本开关阵列不局限于MOS管和光耦继电器的使用，其他同样具有开关功能的可替代元器件均属于本公开的保护范围。
另一个实施例中，所述电压电流同步采集模块包括A/D转换器。
本实施例中，可以通过A/D转换器采集电动汽车动力电池中已注入宽频激励电流信号的每一节电芯的端电压信号以及电流采样电阻两端的第一电压信号。
需要说明的是，如图4所示，A/D转换器的接线紧贴每一个电芯正负极的表面，以减小引线电阻带来的阻抗测量误差。
另一个实施例中，如图5所示，所述激励波形发生模块包括DDS电路及与DDS电路串接的放大电路。
本实施例中，微处理器向激励波形发生模块发送波形发生指令，DDS电路产生初始小幅值激励电压，放大电路将该小幅值激励电压的幅值放大后输出。
另一个实施例中，所述电压电流转换模块包括大电流运算放大器或达林顿管。
本实施例中，所述电压电流转换模块可将激励波形发生模块输出的宽频激励电压信号转换为宽频激励电流信号对电池进行注入，且该电流信号的幅值与负载大小无关，只与宽频激励电压信号的幅值有关。图2所示电路相当于一个交流恒流源，无论电池的阻抗如何波动，其输出电流的大小均不受影响。这种设计可以大大提升测量精度，也为阻抗的分析计算提供了便利。
该电路输出的注入电流幅值具体计算公式如下：
Im＝(V1-V2)/Rs＝-Vin/Rs
由于注入电流可能需要有较大的幅值，为防止器件或电路板烧毁，U3部分不能采用普通的运算放大器或三极管，需要使用大电流运放或达林顿管，实现功率放大，这里给出了一种方案，采用的是大电流运放OPA544。
另一个实施例中，所述电压电流转换模块转换的电流幅值为0.1-1A。
另一个实施例中，本公开还提供一种电动汽车动力电池阻抗谱的在线测试方法，包括如下步骤：
S100：激励波形发生模块产生宽频激励电压信号并由电压电流转换模块转换为宽频激励电流信号；
S200：所述宽频激励电流信号经电流采样电阻采样后转换为第一电压信号，同时，所述宽频激励电流信号经开关阵列调整后流入电动汽车动力电池中的被测量支路；
S300：通过电压电流同步采集模块同步采集第一电压信号和被测量支路中每一节电芯的端电压信号；
S400：通过微处理器提取所采集的第一电压信号和端电压信号的幅值和相位，根据幅值和相位获得电动汽车动力电池的阻抗谱。
为了便于对本公开方案的进一步理解，下面对本公开的工作流程进行示例性说明：首先，由微处理器发出指令，开关阵列中的开关S2导通，激励电流源输出激励，加载到电池的第一个串联支路上，该支路在扫频过程中，电压电流同步采集模块实时采集被激励串联支路中每一节电芯上的电压波形和电流采样电阻上的电压波形，当扫频过程结束后，微处理器发出指令，开关阵列切换到下一条串联支路，激励源进行新一轮的扫频。在扫频过程中，微处理器会对每一节电芯每个频点下的电压电流幅值相位信息进行提取获得电池阻抗谱。
以上实施例只是用于帮助理解本公开的核心思想，不能作为对本公开保护范围的限制；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上所作的任何改变，均视为不脱离本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种电动汽车动力电池阻抗谱在线测试系统，包括：
激励波形发生模块，用于产生宽频激励电压信号；
电压电流转换模块，用于将所述宽频激励电压信号转换为宽频激励电流信号；
电流采样电阻，用于对所述宽频激励电流信号进行采样并转换为第一电压信号；
开关阵列，用于调整所述宽频激励电流信号在电动汽车动力电池中的流向；
电压电流同步采集模块，用于采集电动汽车动力电池中的已注入宽频激励电流信号的电芯的端电压信号，以及同步采集所述第一电压信号；
微处理器，用于控制所述激励波形发生模块所产生的宽频激励电压信号的幅值和频率和控制所述开关阵列中开关的通断，还用于提取所述电压电流同步采集模块在宽频范围内每个频点下采集到的端电压信号和第一电压信号的幅值和相位，根据所述幅值和相位获得电动汽车动力电池中每一节电芯的阻抗，并根据所述阻抗获得电动汽车动力电池的阻抗谱。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其中，优选的，所述开关阵列包括n个开关组，每个开关组包括上开关和下开关，上开关的一侧接入由激励波形发生模块和电压电流转换模块构成的激励电流源，另一侧与下开关的一侧共同接入电动汽车动力电池的正极，下开关的另一侧接入负载，其中，n为电动汽车动力电池串联支路数。
3.根据权利要求2所述的测试系统，其中，所述开关阵列中的开关为MOS管或光耦继电器。
4.根据权利要求1所述的测试系统，其中，所述电压电流同步采集模块包括A/D转换器。
5.根据权利要求1所述的测试系统，其中，所述激励波形发生模块包括DDS电路及与DDS电路串接的放大电路。
6.根据权利要求1所述的测试系统，其中，所述电压电流转换模块包括大电流运算放大器或达林顿管。
7.根据权利要求6所述的测试系统，其中，所述电压电流转换模块转换的输出电流幅值为0.1-1A。
8.一种权利要求1-7中任意一项所述测试系统的测试方法，包括如下步骤：
S100：激励波形发生模块产生宽频激励电压信号并由电压电流转换模块转换为宽频激励电流信号；
S200：所述宽频激励电流信号经电流采样电阻采样后转换为第一电压信号，同时，所述宽频激励电流信号经开关阵列调整后流入电动汽车动力电池中的被测量支路；
S300：通过电压电流同步采集模块同步采集第一电压信号和被测量支路中每一节电芯的端电压信号；
S400：通过微处理器提取所采集的第一电压信号和端电压信号的幅值和相位，根据幅值和相位获得电动汽车动力电池的阻抗谱。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述开关阵列包括n个开关组，每个开关组包括上开关和下开关，上开关的一侧接入由激励波形发生模块和电压电流转换模块构成的激励电流源，另一侧与下开关的一侧共同接入电动汽车动力电池的正极，下开关的另一侧接入负载，其中，n为电动汽车动力电池串联支路数。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电压电流同步采集模块包括A/D转换器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200331 |