CN112415270A - 一种电池阻抗快速测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池阻抗快速测量方法及系统，该方法包括以下步骤：1)确定用于阻抗测量的激励电流形式、幅值和偏置；2)确定待测阻抗对应的频率f；3)依据待测阻抗的最高频率，确定信号的采样频率fsample；4)采用确定后的激励电流对待测电池进行充放电；5)以扫描频率fscan在不同电池电压和电流通道间进行扫描以采集得到n个待测电池的端电压和电流序列；6)进行重新同步；7)进行时频分析得到不同频率下的复系数，并且计算每个电池在不同频率下的阻抗，与现有技术相比，本发明具有测量速度快、实现成本低等优点。

Description

一种电池阻抗快速测量方法及系统
技术领域
本发明涉及电池信息管理领域，尤其是涉及一种电池阻抗快速测量方法及系统。
背景技术
无论是对蓄电池还是燃料电池，阻抗都是电池的重要特征，大量研究表明，对于大规模使用的锂离子电池，基于阻抗可以实现其内部荷电状态、老化状态、温度等状态估计，以及内短路、析锂、过充、过放等诊断，如文献LEE J H,CHOI W.Novel State-of-ChargeEstimation Method for Lithium Polymer Batteries Using ElectrochemicalImpedance Spectroscopy[J].Journal of Power Electronics,2011,11(2):237-243.、GALEOTTI M,CINA L,GIAMMANCO C,et al.Performance analysis and SOH(state ofhealth)evaluation of lithium polymer batteries through electrochemicalimpedance spectroscopy[J].Energy,2015,89(678-686).和ZHU J G,SUN Z C,WEI X Z,et al.A new lithium-ion battery internal temperature on-line estimate methodbased on electrochemical impedance spectroscopy measurement[J].Journal ofPower Sources,2015,274(990-1004)；对于氢燃料电池，采用阻抗也可实现内部水含量进行估计和诊断，因此，对于锂离子电池和氢燃料电池的应用场合，特别是新能源汽车应用场合，快速、准确地测得阻抗对精准、高效的电池管理和控制具有非常重要的意义。
在阻抗快速测量方法方面，中国专利：一种车载电池阻抗快速测量方法201710168684X，公开了一种利用小波变换在阶跃信号作用下进行电池阻抗快速测量的方法。由于采用的Morlet小波变换没有加速计算方法，使得基于该发明的阻抗测量方法不得不对电压和电流进行总计2次傅里叶变换和2次傅里叶逆变换，大大增加了计算复杂度，对于阻抗测量计算速度方面仍有欠缺。
在阻抗快速测量系统方面，中国专利：电池阻抗检测系统、设备及方法和电池单元阻抗谱测量系统，虽然给出了电池单元的电池单体阻抗测量装置和方法，但是在实现实车应用时有以下几点不足：
(1)所引用的发明中有关电流激励的装置只能逐次分别作用在电池单元两端施加激励电流，具体实现时需要进行电气开关切换，增加了系统成本、降低了系统可靠性；
(2)所引用的发明中对激励下响应电压的测量每次只能进行一个电池单元响应电压测量，且需要与激励装置同步切换至不同电池单元。
另外，中国专利一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置及方法，借助于多通道同步采样方案，可以消除多个电池电压的采样之间的时延，但是在信号采样部分使用了多个差分放大器和同步采样模数转换器提高了系统的实现成本。可见，其在高效、低成本阻抗快速测量系统方面仍有不足。
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电池阻抗快速测量方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明创造性的提出利用S变换进行电池阻抗计算，与现有技术阻抗计算方法相比具有计算速度快、可靠的优点；
二、本发明具备电压电流扫描采样模式，并能够实现不同通道之间的重新同步，相比于现有技术的多通道同步采样方案复杂度和成本更低，更具有实用性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的系统结构原理图。
图3为车载充电机产生的非周期性阶跃信号和周期性方波信号，其中，图(3a)为阶跃信号，图(3b)为方波信号。
图4为快速傅里叶变换的流程图。
图5为阻抗计算结果。
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
对于电动汽车，将车载充电机的输出系统带宽设计的更高，则可以在电池充电过充中产生不同幅值的阶跃电流信号，如图(3a)所示，阶跃信号在跳变时刻包含了丰富的谐波成分，这些谐波成分的注入是实现电池阻抗快速测量的基础。
除使用阶跃信号外，采用车载充电机也可产生多频率的正弦叠加信号和方波信号，这需要对充电机的输出带宽和控制策略进行更新。
本例中考虑12个电池串联连接，并通过霍尔传感器进行电流检测，利用图2所示的测量系统实现在阶跃激励下以52kHz的模拟复用器扫描切换频率进行每个电池电压和其电流的测量，则每个电池的电压实际采样频率为4kHz，电流采样频率为4kHz，在每个相邻的扫描通道之间存在固定的时间差，即1/52000s。
为了不打断高速的电池电压和电流采样，将采集得到的电压和电流信号暂存至高速随机存取存储器(RAM)中。
在信号采样结束后，考虑12个电压序列和1个电流序列之间的时间差，对13个信号序列进行扫描时间差的消除，即重新同步。
对于采集得到的电流信号利用斜率最大法得到阶跃信号的跳变时刻，此时刻即为后续阻抗计算的分析时刻，若采用周期性激励信号，如图(3b)所示，则可直接对采集得到时间序列进行分析，分析时刻可以指定为该信号序列的中间位置。
对于非周期性的阶跃信号，利用S变换方法进行阻抗的快速计算，标准S变换的表达式如下：
Figure BDA0002744325880000031
考虑此处要进行多个频率下的阻抗计算，为了使得S变换中的高斯窗具有频率分析和窗口宽度自适应的能力，对标准S变换进行改进，得到改进后的S变换：
Figure BDA0002744325880000032
其中，k和b为可变因子，其与f一起决定了窗函数的宽度。这样在分析不同频率f时便可实现高斯窗函数的自适应。则电池的阻抗按下式进行计算：
Figure BDA0002744325880000041
上式在计算过程中的积分运算，采用快速傅里叶变换进行加速，则具体的计算流程图如图4所示，所得到的阻抗计算结果如图5所示。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池阻抗快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定用于阻抗测量的激励电流形式、幅值和偏置；
2)确定待测阻抗对应的频率f＝[f1,f2,...,fn]；
3)依据待测阻抗的最高频率，确定信号的采样频率fsample；
4)采用确定后的激励电流对待测电池进行充放电；
5)以扫描频率fscan在不同电池电压和电流通道间进行扫描以采集得到n个待测电池的端电压v1(k)，v2(k)，…，vn(k)和电流i(k)序列；
6)对采集的n个待测电池的端电压v1(k)，v2(k)，…，vn(k)和电流i(k)序列进行重新同步；
7)分别对同步后的n个电池的端电压v1(k)，v2(k)，…，vn(k)和电流i(k)序列进行时频分析得到不同频率下的复系数V1(f)，V2(f)，…，Vn(f)，I(f)，并且计算每个电池在不同频率下的阻抗Z1(f)＝V1(f)/I(f)，Z2(f)＝V2(f)/I(f)，…，Zn(f)＝Vn(f)/I(f)。
2.根据权利要求1所述的一种电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤1)中，用于阻抗测量的激励电流形式为非周期的阶跃信号，或者周期性的多正弦叠加信号和方波信号。
3.根据权利要求1所述的一种电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤3)中，信号的采样频率fsample至少大于最高频率的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤6)中，重新同步的具体过程为：
以第一个电池为基准，将第二个电池的电压信号平移1/fscan，第三个平移2/fscan…第n个平移(n-1)/fscan，电流信号平移n/fscan。
5.根据权利要求2所述的一种电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤7)中，当激励电流形式为非周期的阶跃信号时，则根据最大斜率法确定阻抗计算时刻，并采用改进标准S变换进行阻抗计算。
6.根据权利要求5所述的一种电池阻抗快速测量方法，其特征在于，在采用改进标准S变换进行阻抗计算中，为实现在多个频率下的阻抗计算，使得S变换中的高斯窗具有频率分析和窗口宽度自适应的能力，在标准S变换中，由可变因子k和b与频率f共同决定窗函数的宽度，则改进标准S变换的计算式为：
Figure FDA0002744325870000021
其中，S(τ,f)为变换系数，x(t)为被分析的采集信号，即待测电池的端电压和电流，τ为分析时刻，t为时间变量。
7.根据权利要求2所述的一种电池阻抗快速测量方法，其特征在于，所述的步骤7)中，当激励电流形式为周期性信号时，则通过设定采集信号的中间时刻作为分析时刻，并采用改进的S变换进行阻抗计算。
8.一种实现如权利要求1-7任一项所述的电池阻抗快速测量方法的测量系统，其特征在于，该系统包括：
激励器(1)：设置在待测的串联电池组中，用以提供用于阻抗测量的激励电流；
电流传感器(2)：串联在待测电池组中，其输出与多通道模拟复用器(3)的输入相连；
多通道模拟复用器(3)：输入分别与电流传感器(2)以及串联电池组中的每个电池的正负极连接，输出与运算放大器(4)输入连接，用以在处理器的控制下输出每个电池的电压和电流；
运算放大器(4)：其输出与模数转换器(5)连接，用以将多通道模拟复用器(3)输出的两端口信号转换为单端信号；
模数转换器(5)：其输出与处理器(6)连接，用以将运算放大器(4)输出的模拟信号转换为数字信号；
处理器(6)：用以实现多通道模拟复用器(3)和模数转换器(5)的控制，在扫描模式下依次读取每个电池电压和电流数据，并在高速读取状态下将结果存储在存储器(7)中。
9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述的激励器(1)为电池充电器或放电器。
10.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述的电流传感器(2)为霍尔传感器或精密电阻分流器。
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