CN111830420B - 一种采用sogi的电池内阻在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，包括：待测电池外接频率为ω的交流恒流源和电阻R_r形成闭环电路；交流电流信号注入电池，在电池端产生交流电压信号预处理后经A/D采样器得到u_B，在R_r上产生的交流电压信号预处理后经A/D采样器得到u_R；u_B经过频率为ω的SOGI正交信号发生器得到与u_B同幅值、等相位的u_BE；u_R经过频率为ω的SOGI正交信号发生器得到与u_R同幅值、等相位的u_RE以及与u_RE正交的信号qu_RE；u_BE和u_RE相乘得到U，U经过频率为2ω的SOGI正交信号发生器，提取交流信号U_2w，U减去U_2w得到直流量U_o；定义U_R满足：

根据U_o和U_R，计算得到待测电池内阻值R。本发明能够有效降低电压谐波对电池检测精度的影响，可测量多个频率点电阻值且对恒流源控制精度要求低。

Description

一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种电池内阻检测方法，特别是一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，属于电池管理、内阻检测及健康度估计领域。

背景技术

电池在数据机房、通讯基站等UPS后备电源领域有广泛应用。对电池进行等效串联内阻在线检测至关重要，内阻值不仅可以用于电池健康度状态估计，作为电池维护的重要依据，还可以作为电池实时荷电状态估计的辅助信息。电池内阻测试方法主要有直流放电法与交流信号注入法。直流放电法通过检测放电瞬间电压变化量计算内阻值，交流信号法注入法通过对电池注入交流电流信号并检测交流电流在电池端产生的交流电压信号来实现内阻检测，具有检测迅速准确的特点。江莉等人所著《阀控式密封铅酸电池在线监测系统的研究》[D]介绍了交流信号注入法测量电池内阻的原理，如图1所示，交流电流注入电池，在电池端产生一个交流电压，将该交流电压与电流相乘，再经过低通滤波即可实现电池内阻测量。

交流电流信号为：

在电池端产生电压为：

式中R_Z为电池复阻抗，电池内阻应该为：

同时在电流采样电阻R_r上产生一个交流电压：

将u_B与u_R两个电压相乘得：

将2倍频分量经低通滤波器滤除，得到：

式中采样电阻R_r、恒流源幅值I均为已知固定值，只要测得输出电压U_o，就可以得到电池内阻R。而且检测速度极快，只要输出电压U_o稳定就可以立即得到电池内阻值。

如图1所示的交流信号注入法电池内阻测量系统存在以下不足之处：1.电压电流经过带通滤波器滤波，无法将低频信号彻底滤除。而电池在充电机浮充状态下，充电机会在电池端电压上产生1Hz左右的低频干扰，带通滤波器很难将该低频信号滤除；在后级的低通滤波器部分，同样无法将该低频信号。2.当测试不同电池时，需要不同的检测频率，如蓄电池测试时，注入的交流电流频率为70Hz左右，锂电池测试时，注入的交流信号频率为1kHz左右，如果硬件电路部分采用固定的滤波器参数，则无法实现多频率下的电池内阻测量。3.需要精确的电流幅值信息，对恒流源控制精度有较严格要求。

以上3个不足之处中，1与2是由带通滤波器影响，3是由于没有电流幅值测量造成，为了克服以上三个不足之处，本发明将二阶广义积分器(Second-order generalizedintegrator，SOGI)滤波技术应用于交流注入法电池内阻检测方法。SOGI常被用在单相锁相环中，RemusTeodorescu,MarcoLiserre,PedroRodríguez.所著的《光伏与风力发电系统并网变换器》[M](机械工业出版社,2012)中详细介绍了SOGI的原理，基于SOGI的正交信号发生器如图2所示。输入信号v，输出v’和qv’且两个输出信号正交。输入输出变量的传递函数关系如式(6)所示，由D(s)与Q(s)的幅频特性可知，当输入信号频率等于设定频率ω时，输出信号幅值等于输入信号幅值，当输入信号频率与设定频率不一致时，输出信号迅速衰减，SOGI具有输入信号频率筛选能力。

图3(a)和图3(b)为D(s)与Q(s)的bode图，设置SOGI的频率70Hz，比例系数k＝0.1。图3(a)为D(s)bode图，70Hz为谐振频率，在该频率处幅值无衰减，相位为0；当输入信号频率偏离70Hz时幅值被迅速衰减，如在1Hz处幅值衰减达到-57dB，在1kHz处幅值衰减达到-43dB。说明SOGI正交信号发生器具有较强的频率信号筛选能力，筛选出频率为ω的有用信号，其他频率的信号被有效抑制。图3(b)为Q(s)bode图，70Hz为谐振频率，在该频率处幅值无衰减，相位滞后90°。说明SOGI正交信号发生器能够产生一个幅值与输入信号相等的正交信号。

本发明将利用SOGI正交信号发生器的输入信号频率筛选能力以及正交信号发生能力，以克服传统交流信号注入法电池内阻测量方法的不足。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供过一种能够有效降低电压谐波对电池检测精度的影响、可测量多个频率点电阻值且对恒流源控制精度要求较低的采用SOGI的电池内阻在线测量方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，包括以下步骤：

S1：待测电池外接频率为ω的交流恒流源和采样电阻R_r形成闭环电路；

S2：交流电流信号注入电池，在电池端产生的交流电压信号预处理后经A/D采样器得到交流电压信号u_B，在采样电阻R_r上产生的交流电压信号预处理后经A/D采样器得到交流电压信号u_R；

S3：交流电压信号u_B经过设定频率为ω的SOGI正交信号发生器处理得到与u_B同幅值、等相位的u_BE；

S4：交流电压信号u_R经过设定频率为ω的SOGI正交信号发生器处理得到与u_R同幅值、等相位的u_RE以及与u_RE正交的信号qu_RE；

S5：u_BE和u_RE相乘得到U，U经过设定频率为2ω的SOGI正交信号发生器，提取出交流信号U_2w，U减去交流信号U_2w得到直流量U_o；

S6：定义U_R满足：

S7：根据U_o和U_R，计算得到待测电池内阻值R。

本发明还包括：

1.S2中在电池端产生的交流电压信号预处理具体为：交流电压信号依次经过高通滤波器、仪表放大器和低通滤波器；S2中在采样电阻R_r上产生的交流电压信号预处理具体为依次通过放大器和低通滤波器。

2.S3中u_BE满足：

其中，R_Z为电池复阻抗，

为交流恒流源在待测电池产生电压信号的相位；

3.S4中u_RE满足：

其中，

为交流恒流源的电流信号的相位；

S4中qu_RE满足：

4.S5中U_o满足：

其中，R为待测电池内阻，

5.S7中计算得到待测电池内阻值R具体为：

得到：

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明针对传统交流信号注入法存在的抗低频干扰能力弱、无法实现多个频率点测试以及对恒流源控制精度要求较高的不足之处，提出基于SOGI的电池内阻检测方法，利用SOGI正交信号发生器的信号频率筛选能力以及正交信号发生能力，能够有效降低电压谐波对电池检测精度的影响，可测量多个频率点电阻值且对恒流源控制精度要求较低。该方法能够快速精确检测电池等效串联内阻值，为电池的在线寿命估计、荷电状态估计以及维护提供精确电池内阻信息。

本发明具有抗干扰能力强、可多个频率点测量以及对恒流源精度要求低的特点，主要体现在以下方面：

1.抗干扰能力强主要体现在：输入信号采用SOGI正交信号发生器，具有频率筛选功能，输入信号频率等于设定频率的有用信号被筛选出，其他频率的信号被有效抑制，能够抑制各种频率干扰信号，提高了内阻测试系统的抗干扰能力。

2.多个频率点测试主要体现在：本发明提出的电池内阻测试方法中，滤波环节均采用SOGI正交信号发生器，SOGI采用软件编程，设定频率可根据测量频率变化，不影响任意频率点的电阻测量，可测量多个频率点电池内阻。

3.低恒流源控制精度主要体现在：本发明采用SOGI正交信号发生器输出的两路正交信号，以平方后求和再开根号的形式计算电流幅值，不要求恒流源输出精确，对恒流源电流控制精度要求低，可以根据采集的电流信号计算电流值。

附图说明

图1为交流注入法测试电池内阻的原理；

图2为基于SOGI的正交信号发生器；

图3(a)为SOGI传递函数D(s)的bode图；

图3(b)为SOGI传递函数Q(s)的bode图；

图4为基于SOGI的电池内阻测量方案；

图5为基于SOGI的电池内阻测量方案具体实施框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

结合图4，对于输入电压电流信号的滤波，传统方法是采用带通滤波器，本发明采用两个SOGI正交信号发生器对输入信号进行滤波，设定的滤波频率等于交流恒流源频率ω。基于SOGI的正交信号发生器如图2所示，能够筛选设定频率ω的输入信号，输出两个正交信号，其中一个输出信号与输入信号同幅值等相位，另一个输出信号与输入信号同幅值但相位相差90°。输入的电压电流信号均经过SOGI正交信号发生器，筛选出频率为ω的有用信号，其他频率的信号被有效衰减。

如式(4)所示，当电压信号相乘后，产生直流分量以及二倍频分量，传统的处理方法是采用低通滤波器滤除该二倍频分量，本发明采用SOGI正交信号发生器筛选出该二倍频分量，然后将相乘后的信号减去筛选出的二倍频分量，得到直流分量。该方法的优点是能够有效滤除二倍频分量，且设定频率可根据测量频率变化，不影响任意频率点的电阻测量。

对于恒流源控制精度要求，传统方法要求恒流源幅值恒定，且把该幅值作为已知量，该方法的缺点是一旦恒流源幅值偏离设定幅值，则影响电池内阻测量精度。本发明采用SOGI正交信号发生器输出的两路正交信号，以平方后求和再开根号的形式计算电流幅值，实现对电流的实时检测，不要求恒流源输出精确，只要恒流源输出稳定，就可以通过该方法计算电流幅值。

如图5所示，SOGI正交信号发生器等算法由微型处理器编程实现，电压电流进入微型处理器前需要进行提取与滤波处理。

对电压信号处理。由于电池内阻为mΩ级别，恒流源在电池端产生的交流电压信号幅值较小且与电池端电压叠加。首先，采用高通滤波器提取交流小信号，滤除电池直流电压影响，该高通滤波器的主要目的是滤除直流信号，截止频率可以选择10Hz左右。由于提取的交流电压信号幅值较小，需要对该信号进行几百倍的放大。仪表放大器是差分放大器的一种改良，具有非常低直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗特性，非常适合放大幅值较小的交流电压信号。在电压信号进入A/D采样前，考虑到A/D采样器的带宽，需要对电压信号低通滤波器，该滤波器截止频率可设置为AD采样频率的0.2倍左右。

对电流信号进行处理。电流信号施加在采样电阻上，采样电阻电压需要经过放大器后，经低通滤波器后进入A/D采样器，该滤波器截止频率可设置为AD采样频率的0.2倍左右。

微型处理器中实现对输入交流电压以及电流信号的处理。输入u_R经SOGI正交信号发生器后得到u_RE，可以表示为式(7)，此时u_RE中仅含有频率为ω的有用信号，其他频率的信号被有效衰减。SOGI正交信号发生器的数字实现技术比较成熟，此处不再赘述。同理输入u_B经SOGI正交信号发生器后变为u_BE，可以表示为式(8)。将u_RE与u_BE相乘，得到式(9)，将相乘的结果U经过设定频率为2ω的SOGI正交信号发生器，提取出交流信号

然后将U与U_2w相减即可得到直流量如式(10)。

式中ω为交流注入电流源频率，R_r为采样电阻，I为交流恒流源电流幅值。

式中R_Z为电池复阻抗，电池内阻应该为：

如式(10)所示，U_o，R_r为已知量，只需要知道电流幅值I即可得到电池内阻值R。输入u_R经SOGI正交信号发生器后得到u_RE以及与u_RE正交的信号qu_RE如式(11)所示。将u_RE、qu_RE平方后求和，然后再开根号得到式(12)。则根据式(12)以及式(10)即可得到电池内阻值，如式(13)所示。

如式(13)所示，电流采样电阻R_r已知，根据测量信号计算的U_o，U_R稳定后，即可计算出电池内阻值，实现电池内阻快速测量。

Claims (6)

1.一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：待测电池外接频率为ω的交流恒流源和采样电阻R_r形成闭环电路；

S2：交流电流信号注入电池，在电池端产生的交流电压信号预处理后经A/D采样器得到交流电压信号u_B，在采样电阻R_r上产生的交流电压信号预处理后经A/D采样器得到交流电压信号u_R；

S3：交流电压信号u_B经过设定频率为ω的SOGI正交信号发生器处理得到与u_B同幅值、等相位的u_BE；

S4：交流电压信号u_R经过设定频率为ω的SOGI正交信号发生器处理得到与u_R同幅值、等相位的u_RE以及与u_RE正交的信号qu_RE；

S5：u_BE和u_RE相乘得到U，U经过设定频率为2ω的SOGI正交信号发生器，提取出交流信号U_2w，U减去交流信号U_2w得到直流量U_o；

S6：定义U_R满足：

S7：根据U_o和U_R，计算得到待测电池内阻值R。

2.根据权利要求1所述的一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，其特征在于：S2所述在电池端产生的交流电压信号预处理具体为：交流电压信号依次经过高通滤波器、仪表放大器和低通滤波器；S2所述在采样电阻R_r上产生的交流电压信号预处理具体为依次通过放大器和低通滤波器。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，其特征在于：S3所述u_BE满足：

其中，R_Z为电池复阻抗，

为交流恒流源在待测电池产生电压信号的相位。

4.根据权利要求3所述的一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，其特征在于：S4所述u_RE满足：

其中，

为交流恒流源的电流信号的相位；

S4所述qu_RE满足：

。

5.根据权利要求4所述的一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，其特征在于：S5所述U_o满足：

其中，R为待测电池内阻，

6.根据权利要求5所述的一种采用SOGI的电池内阻在线测量方法，其特征在于：S7所述计算得到待测电池内阻值R具体为：

得到：

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