CN111580006A - 一种电池动态阻抗的在线测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电池动态阻抗的在线测量方法，包括步骤：采用多个频率和相位的正弦信号合成多音激励信号；通过FFT的阻抗谱时域测量，并采用多音激励信号作为输入，同时测量多个频点下的电池阻抗；在运行过程进行电池阻抗测量，测量时，在电池两端连接信号放大电源装置，将激励信号放大后叠加在电池两端，测量时，将电池的直流信号作为偏置信号滤除，仅需测试电压/电流的交流成分，根据测量的交流成分，进行FFT变换，计算获得电池的动态阻抗；通过多个电池并联和串联进行动态阻抗的测量；其一次可以测量多个频率点的阻抗，大大减少了电池阻抗的测量时间，更能反映电池在充放电电流作用下电池的阻抗，可实现电池阻抗的实时在线测量。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种电池动态阻抗的在线测量方法及系统。
背景技术
锂电池是一个封闭的非线性电化学体系，在充放电过程中会产生电能、化学能、热能等多种形式能量的转换，实际上难以通过外部特性来表现电池内部的特性，从而导致很难实现对电池状态和性能的精确评估，致使电池的初始分选结果和后期电池管理系统的均衡策略实施效果均较差。为了能更好地把握锂离子电池组的动态一致性，为此，希望能借助一种手段将电池的动态一致性通过某些参量具体的量化体现出来，从而帮助分析和判断锂离子电池组的动态一致性；电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)法是一种以小振幅的正弦电压/电流为扰动信号的电化学测量方法，由于采用小振幅的电信号对电池进行激励，一方面可以避免对电池产生大的影响，另一方面也使得激励信号与电池的响应近似呈线性关系,使测量结果的数学处理变得简单。阻抗谱是一种可以联系电池内外特性的手段，分析锂电池内部结构和工作原理，结合电极动力学的原理，建立锂电池初步阻抗模型，应用电化学阻抗谱法(交流阻抗法)，通过测量数据来修正电池阻抗模型，此过程可求得模型中的元件参数，这些参数将是十分有用的，可用它来分析锂电池阻抗与荷电状态、容量以及安全等的关系，为电池的实时监测、安全性检测和评估提供决策依据。
目前，电化学阻抗谱法是一种准稳态方法，在进行电池阻抗谱的测量时，需要将电池静置，保证电池处于稳态下进行测量，因此传统的EIS方法只在实验室中进行离线测量；但是，在实际应用中，电池处于运行状态，充放电电流会改变电池的状态，从而也会影响电池的阻抗，因此，现有的阻抗谱测量方法受到限制，无法准确的获得电池的在线动态阻抗。
发明内容
本发明提供一种电池动态阻抗的在线测量方法及系统，其针对传统的EIS方法只能在实验室中进行离线测量，且多采用频域方法进行测量，通过直接测量系统在不同频率下的频率响应函数，计算得到电池的在整个频率段内的阻抗谱，这种方法是逐个频率进行测试，在测试过程中，电池状态已经发生了变化，不适用在线快速测量的问题；其采用时域测量，通过在电池上施加激励信号，测量电池在激励信号下的时域响应，再通过数学变换等手段从时域变换到频域中，最终获得电池在整个频率段内的阻抗谱。
本发明的电池动态阻抗的在线测量方法，包括以下步骤，
第一步，采用多个频率和相位的正弦信号合成多音激励信号；
第二步，采用多音激励信号作为输入，同时测量多个频点下的电池阻抗；
第三步，在运行过程进行电池阻抗测量，测量时，在电池两端连接信号放大电源装置，将激励信号放大后叠加在电池两端，将电池的直流信号作为偏置信号滤除，根据测量的交流成分，计算获得电池的动态阻抗；
第四步，通过多个电池并联和串联进行动态阻抗的测量。
在以上方案中优选的是，第一步中，多音激励信号由多个正弦信号叠加生成，单个正弦信号采用数字式直接频率合成器生成，数字式直接频率合成器以数控振荡器的方式，产生指定频率、相位的正弦；电路包括系统时钟、频率控制器、相位控制器、正弦表、信号存储、加法器和数/模转换器组成。
还可以优选的是，第一步中，频率控制器和相位控制器分别控制DDS所输出的正弦波的频率和相位，正弦表内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正弦波中的一个相位点，正弦表把输入地址信息映射成正弦波幅度信号，并将信号进行存储作为激励信号；以此类推，形成不同的激励信号，所有的激励信号通过加法器进行叠加，输出到数/模转换器，通过数/模转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求的合成频率模拟量信号，以此信号作为多音激励信号。
还可以优选的是，第二步中，测量时，根据电池种类的不同，经过信号放大电源，将激励信号放大；信号放大后施加给被测电池，同时采集输入的多音激励信号与响应信号；通过时域-频域变换将其变换到频域，从而获得电池在不同频率下的阻抗；对激励信号与响应信号分别进行快速傅里叶变换，经过FFT变换，得到激励信号与响应信号在不同频率下的幅值与相位。
还可以优选的是，第二步中，假设在频率fn时，此时测量的电压幅值和相位为：Un和θun，电流幅值和相位为：In和θin，得到在频率fn时的电池阻抗：
Zn＝Un∠θun/In∠θin。
还可以优选的是，第三步中，激励信号为电压形式，交流多音激励信号以恒定电压形式设定，此时，信号放大电源的输出电压大于电池电压。
还可以优选的是，第三步中，激励信号为电流形式，交流多音激励信号以恒定电流形式设定，此时，信号放大器的输出电流大于交流电压除以电池阻抗；设定交流电流大小时，预估电池的阻抗，保证测量的交流电压大于1mV。
还可以优选的是，第四步中，测量多个电池并联时阻抗时，激励信号经过信号放大电源后施加在并联电池上，测试每个电池支路的端电压和电流，作为电池阻抗计算的电压和电流值。
还可以优选的是，第四步中，测量多个电池串联时阻抗时，激励信号经过信号放大电源后施加在并联电池上，测量流过任一个电池的电流，同时测量每个电池的端电压，作为电池阻抗计算的电压和电流值。
一种采用电池动态阻抗的在线测量方法的在线测量系统，其特征在于，包括多音激励信号模块和电池阻抗测量模块，所述多音激励信号模块包含时钟，系统时钟、频率控制器、相位控制器、正弦表、信号存储、加法器和数/模转换器，进行多音激励信号的生成；所述电池阻抗测量模块，进行电池阻抗的测量。
本发明的有益效果：
本发明的电池动态阻抗的在线测量方法，其具有如下优势：
(1)相对传统采用频域进行电池阻抗的测量，频域测量虽然简单，但每次只能测量一个频率点的阻抗，本发明采用时域测量方法，一次可以测量多个频率点的阻抗，大大减少了电池阻抗的测量时间；
(2)采用多音信号合成和谐波计算电池阻抗方法，将多个频率的正弦激励信号合成一个激励信号，将这个激励信号施加在被测电池上，测量时，通过FFT分解，将响应信号的谐波作为每个频点的响应信号，结合施加对应谐波频率点的激励信号，即可计算得到每个频点的阻抗；
(3)本发明的阻抗可以实现在线测量，即在电池充放电过程中进行测量，测量时，将激励信号叠加在充放电波形上，由于充放电波形均是直流信号，而激励信号和相应信号均是正弦信号，可将直流信号作为偏置信号滤处，这种在线测量方法，相比传统测量阻抗时需将电池静置并且经过较长时间后才能测量，一方面更能反映电池在充放电电流作用下电池的阻抗，另一方面，可实现电池阻抗的实时在线测量；
(4)本发明同时给出了测量多个电池并联和串联时阻抗测量方法，实现采集信号。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的电池动态阻抗的在线测量方法的多音激励信号产生示意图。
图2为本发明的电池动态阻抗的在线测量方法的阻抗计算示意图。
图3为本发明的电池动态阻抗的在线测量方法的激励信号放大示意图。
图4为本发明的电池动态阻抗的在线测量方法的交流叠加电压和交流叠加电流的示意图。
图5为本发明的电池动态阻抗的在线测量方法的测量多个电池并联时阻抗的示意图。
图6为本发明的电池动态阻抗的在线测量方法的测量多个电池串联时阻抗的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
一种电池动态阻抗的在线测量方法，参见图1至图6，包括以下步骤，
第一步，采用多个频率和相位的正弦信号合成多音激励信号；
第二步，通过FFT的阻抗谱时域测量，并采用多音激励信号作为输入，同时测量多个频点下的电池阻抗；
第三步，在运行过程进行电池阻抗测量，测量时，在电池两端连接信号放大电源装置，将激励信号放大后叠加在电池两端，因为电池充放电是直流信号，激励信号是交流信号，测量时，将电池的直流信号作为偏置信号滤除，仅需测试电压/电流的交流成分，根据测量的交流成分，进行FFT变换，计算获得电池的动态阻抗；
第四步，通过多个电池并联和串联进行动态阻抗的测量。
本实施例的电池动态阻抗的在线测量方法，可以实时测量电池在充放电过程中的阻抗，绘制电池不同荷电状态(State of Charge，SOC)下的动态阻抗谱，其测量步骤为：信号发生器产生不同频率的正弦信号，多个频率的正弦信号合成多音信号，多音信号经过信号放大器生成和电池匹配的大电流/电压信号，将放大后的电流/电压信号作为激励施加到被测电池上，同时采集其电压/电流响应，采集数据时，将电池运行过程中的充放电直流电流作为偏置信号去掉，即可获得含有多个频率的交流信号，通过快速傅里叶变换(FastFourier Transformation，FFT)获得不同频率的响应信号，和激励信号结合即可计算获得电池的动态阻抗，进而获得电池不同荷电状态下的动态阻抗谱。该方法可以在一次测试时获得多个频率的电池阻抗，并且可以在电池运行过程中进行实时测试，既考虑了电池充放电电流对电池阻抗的影响，也减少了由于充放电电流导致的电池荷电状态变化对电池不同频率阻抗的影响，因此该测量非常适合实时在线的电池阻抗测量。
实施例2
实施例1所述的电池动态阻抗的在线测量方法，可以更为具体地，包括以下步骤，
第一步，采用多个频率和相位的正弦信号合成多音激励信号，多音激励信号由多个正弦信号叠加生成，如图1所示，单个正弦信号采用数字式直接频率合成器(digitaldirect frequency synthesizer,DDS)生成，DDS以数控振荡器的方式，产生频率、相位可控制的正弦，电路包括系统时钟、频率控制器、相位控制器、正弦表、信号存储、加法器和数/模转换器等组成；频率控制器和相位控制器分别控制DDS所输出的正弦波的频率和相位，正弦表内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正弦波中的一个相位点，正弦表把输入地址信息映射成正弦波幅度信号，并将信号进行存储作为激励信号；以此类推，形成不同的激励信号，所有的激励信号通过加法器进行叠加，输出到数/模转换器，通过数/模转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求的合成频率模拟量信号，以此信号作为多音激励信号；
第二步，采用FFT的阻抗谱时域测量，并采用多音激励信号作为输入，同时测量多个频点下的电池阻抗；测量时，根据电池种类的不同，经过信号放大电源，将激励信号放大，便于后面的信号测量，以得到更为准确的阻抗；信号放大后施加给被测电池，同时采集输入的多音激励信号与响应信号；由于输入的多音激励信号与输出的响应信号均为时域信号，需要通过时域-频域变换将其变换到频域，从而获得电池在不同频率下的阻抗；对激励信号与响应信号分别进行快速傅里叶变换，经过FFT变换，得到激励信号与响应信号在不同频率下的幅值与相位，至此，如图2所示，可计算获得不同频率下的电池阻抗。假设在频率fn时，此时测量的电压幅值和相位为：Un和θun，电流幅值和相位为：In和θin，得到在频率fn时的电池阻抗：
Zn＝Un∠θun/In∠θin
第三步，在运行过程进行电池阻抗测量，测量时，在电池两端连接信号放大电源装置，将激励信号放大后叠加在电池两端，如图3所示；因为电池充放电是直流信号，激励信号是交流信号，测量时，如图4所示，将电池的直流信号作为偏置信号滤除，只需测试电压/电流的交流成分，根据测量的交流成分，进行FFT变换，计算获得电池的动态阻抗，如图5所示；其中，激励信号有两种形式：
(1)电压形式，交流多音激励信号以恒定电压形式设定，此时，信号放大电源的输出电压须大于电池电压；
(2)电流形式，交流多音激励信号以恒定电流形式设定，此时，信号放大器的输出电流应大于交流电压除以电池阻抗；设定交流电流大小时，预估一下电池的阻抗，保证测量的交流电压大于1mV，以便于准确的测量和计算电池阻抗。
第四步，多个电池并联和串联的动态阻抗的测量，如图5和6所示；
图5为测量多个电池并联时阻抗的示意图，激励信号经过信号放大电源后施加在并联电池上，由于每个电池的阻抗和分流不同，因此需要测试每个电池支路的端电压和电流，以此作为电池阻抗计算的电压和电流值；
图6为测量多个电池串联时阻抗的示意图，激励信号经过信号放大电源后施加在并联电池上，由于电池是串联形式，因此流过每个电池的电流相同，只需测量一个电流即可，同时测量每个电池的端电压，以此作为电池阻抗计算的电压和电流值。
本实施例的电池动态阻抗的在线测量方法，提出了采用多个频率信号合成多音激励信号，同时根据电池阻抗的不同，通过放大器调整激励信号的幅值大小，以更利于准确的检测出响应信号，作用在电池上的多音激励信号将会产生不同频率的响应信号，通过实时采集激励信号和响应信号，应用时域分析中常用的快速傅里叶变换，分解出激励信号和响应信号的谐波信号，即相当于把每个频率的信号分解出来，通过分析不同谐波的激励信号的电流幅值和相角以及响应信号的电压幅值和相角，由此可以计算获得电池在不同频率下的阻抗；同时，由于电池运行时的充放电电流均为直流，激励信号为正弦交流信号，本测试方法的采用的激励信号可以直接叠加在直流信号上，测量时，将电池运行时的直流电流作为偏置信号滤处，这样，不仅可以准确的在线测量电池的阻抗，而且还能将充放电电流对电池的阻抗影响准确的测出来，获得反映电池运行工况的动态阻抗；另外，由于采用多音激励信号，同一时刻可以完成多个频率点的电池阻抗测量，相对于常用的频域测量方法，测量时间大幅度减少，减少了电池状态对阻抗的影响，更能准确的反映电池的实时阻抗。
上述实施例的电池阻抗的在线测量方法，采用多个正弦信号合成多音激励信号，可以实现一次多个频率点的阻抗测量；文中的多个均可以指两个以上，该方法采用FFT的阻抗时域测量方法，提出采用FFT分解响应信号得到的的谐波信号和合成多音激励信号的各正弦信号相结合，计算得到各个频点的电池阻抗；其采用将激励信号叠加在被测电池的充放电电流上，由于激励信号采用正弦交流信号，测量时将充放电电流作为直流偏置信号滤除掉，可实现电池阻抗的在线测量，并可将充放电电流对电池的影响导致的阻抗变化测量出来；其设计了电池动态阻抗的测量用激励信号的合成方法，电池响应信号的检测方法、快速傅里叶变换的时域测量方法，最后得到电池的动态阻抗。在实际应用中，为实现电池阻抗的在线测量，以多音激励正弦信号为基础，叠加在电池运行工况上，然后通过测量系统，检测出多音激励信号在电池上的交流响应信号，通过FFT实现电池阻抗的时域测量。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤，
第一步，采用多个频率和相位的正弦信号合成多音激励信号；
第二步，采用多音激励信号作为输入，同时测量多个频点下的电池阻抗；
第三步，在运行过程进行电池阻抗测量，测量时，在电池两端连接信号放大电源装置，将激励信号放大后叠加在电池两端，将电池的直流信号作为偏置信号滤除，根据测量的交流成分，计算获得电池的动态阻抗；
第四步，通过多个电池并联和串联进行动态阻抗的测量。
2.如权利要求1所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第一步中，多音激励信号由多个正弦信号叠加生成，单个正弦信号采用数字式直接频率合成器生成，数字式直接频率合成器以数控振荡器的方式，产生指定频率、相位的正弦；电路包括系统时钟、频率控制器、相位控制器、正弦表、信号存储、加法器和数/模转换器组成。
3.如权利要求2所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第一步中，频率控制器和相位控制器分别控制DDS所输出的正弦波的频率和相位，正弦表内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正弦波中的一个相位点，正弦表把输入地址信息映射成正弦波幅度信号，并将信号进行存储作为激励信号；以此类推，形成不同的激励信号，所有的激励信号通过加法器进行叠加，输出到数/模转换器，通过数/模转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求的合成频率模拟量信号，以此信号作为多音激励信号。
4.如权利要求1所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第二步中，测量时，根据电池种类的不同，经过信号放大电源，将激励信号放大；信号放大后施加给被测电池，同时采集输入的多音激励信号与响应信号；通过时域-频域变换将其变换到频域，从而获得电池在不同频率下的阻抗；对激励信号与响应信号分别进行快速傅里叶变换，经过FFT变换，得到激励信号与响应信号在不同频率下的幅值与相位。
5.如权利要求4所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第二步中，假设在频率fn时，此时测量的电压幅值和相位为：Un和θun，电流幅值和相位为：In和θin，得到在频率fn时的电池阻抗：
Zn＝Un∠θun/In∠θin。
6.如权利要求1所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第三步中，激励信号为电压形式，交流多音激励信号以恒定电压形式设定，此时，信号放大电源的输出电压大于电池电压。
7.如权利要求6所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第三步中，激励信号为电流形式，交流多音激励信号以恒定电流形式设定，此时，信号放大器的输出电流大于交流电压除以电池阻抗；设定交流电流大小时，预估电池的阻抗，保证测量的交流电压大于1mV。
8.如权利要求1所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第四步中，测量多个电池并联时阻抗时，激励信号经过信号放大电源后施加在并联电池上，测试每个电池支路的端电压和电流，作为电池阻抗计算的电压和电流值。
9.如权利要求8所述的电池动态阻抗的在线测量方法，其特征在于，第四步中，测量多个电池串联时阻抗时，激励信号经过信号放大电源后施加在并联电池上，测量流过任一个电池的电流，同时测量每个电池的端电压，作为电池阻抗计算的电压和电流值。
10.一种采用如权利要求1-9中任一项所述的电池动态阻抗的在线测量方法的在线测量系统，其特征在于，包括多音激励信号模块和电池阻抗测量模块，所述多音激励信号模块包含时钟，系统时钟、频率控制器、相位控制器、正弦表、信号存储、加法器和数/模转换器，进行多音激励信号的生成；所述电池阻抗测量模块，进行电池阻抗的测量。
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