CN112763928A - 一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统及检测方法，包括电池串单元、扰动单元和微控制器；电池串单元和扰动单元串联连接后形成电池支路，M个电池支路并行连接组成串并联电池系统，M≥2；串并联电池系统的扰动单元连接到微控制器的IO端，串并联电池系统的电池串单元连接到微控制器的ADC模数转换端；本发明通过对串并联电池系统中的电池支路进行周期激励信号耦合，串并联电池系统中其他支路任然能够正常工作，因此本发明的系统能够对被测等效电池进行实时在线检测；冗余电池支路的工作模式，实现对系统影响的最小化，甚至消除，能够不改变原有串并联电池系统外特性继续正常运行。
Description
技术领域
本发明属于阻抗谱在线检测技术领域，特别涉及一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统及检测方法。
背景技术
随着传统能源、交通等行业对环境造成的压力逐年增加，社会对新能源的需求愈发强烈。政府也出台了大量政策鼓励和扶持新能源产业的高速发展。
在新能源产业中，电化学电池作为能源存储设备被大量采用来提供电力供应。例如新能源发电系统中需要采用电池作为储能设备支撑电网；新能源电动汽车中，采用锂离子电池作为汽车动力电源；在新能源配套的储能产品中更是大量使用各类电化学电池作为基本电源使用。
电池由于单体电压较低或电流较小，在新能源场景中应用时，往往需要串并联使用，形成串联的电池系统。同时，由于单体电池的不一致性，串联系统中个别电池使用过程中会加速老化、衰减，由于不当使用，或制造问题造成个别电池内在问题，如锂晶枝生长造成内短路等，如不能及时加以识别，将很容易造成系统效率下降，严重情况下甚至会造成系统故障，乃至热失控，电池系统烧毁等重大损失。而此类问题从电池的外特性上往往难以识别，只能通过电池内在的电化学特征予以识别。因此如何检测串联电池系统中每个电池内在的电化学特性，成为避免此类问题的先决条件。
而目前能进行电池电化学特性无损检测都是采用阻抗谱技术，通过扫描电池的阻抗谱分析电池内部的电化学特性。但传统方法进行电池阻抗谱检测往往需要采用专用设备，进行离线检测。此类专用设备主要通过向单体电源注入不同频率的微量扰动，检测其对微量扰动的响应进行采样实现检测，因此对采样系统的精度往往要求非常高。由于频率范围往往较宽，因此生成宽频率范围微量信号设备成本巨大且能够检测的通道数量有限，需要花费大量的时间。同时由于无法在线检测，不能实时的发现电源单体存在的问题，存在巨大的漏检风险。由于需要离线检测，会造成串联电源系统无法正常工作，会造成收益损失，特别是在新能源汽车等领域内是不被允许的，或需要做重复的资源投入以确保系统的不中断供电，系统成本将成倍增加。现有的阻抗谱检测装置中都需要额外增加激励源，造成检测设备投资成本很高，不利于电池产品在新能源产业中的健康发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统及检测方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，包括电池串单元、扰动单元和微控制器；电池串单元和扰动单元串联连接后形成电池支路，M个电池支路并行连接组成串并联电池系统，M≥2；串并联电池系统的扰动单元连接到微控制器的IO端，串并联电池系统的电池串单元连接到微控制器的ADC模数转换端；
微控制器用于给扰动单元发送驱动信号、开关信号和缓冲开关信号；
电池串单元用于给微控制器输入电压信号和电流信号；
扰动单元用于实现电池支路的导通及断开功能。
进一步的，电池串单元包括N个等效电池，N≥1；N个等效电池串联后形成电池串单元。
进一步的，等效电池为电池单体或其串并联组合，或电池串并联组合并封装后的系统；电池串中每个等效电池两端分别与实时电压采样的V+端和V-端连接，实时电压采样能够采集等效电池两端的实时电压并输出电压信号；电池串单元包含实时电流采样，实时电流采样与被测等效电池为串联关系，采集流过串联等效电池的实时电流。
进一步的，扰动单元为第一扰动单元或第二扰动单元，第一扰动单元包括主开关K1、缓冲开关K2、扰动开关K3和电阻R；缓冲开关K2与电阻R串联连接后并联于主开关K1两端，扰动开关K3与电阻R并联连接；第二扰动单元包括主开关K1、扰动开关K3、电阻R和电容C，电阻R与电容C串行连接后与主开关K1并行连接，扰动开关K3与主开关K1并行连接；主开关K1、缓冲开关K2、扰动开关K3均能实现电流的双向流通，且均为可控开关器件，分别由开关信号，缓冲开关信号，驱动信号控制其开通和关断操作。
进一步的，采用多路选择器代替每个扰动单元中的K2；多路选择器用以实现单路电池串的联通，由各种可控开关装置或器件搭建，包括继电器、双刀双掷开关、MOSFET、IGBT、三极管、可控开关管或干簧管。
进一步的，电池支路中输出的电池电压信号和实时电流信号经模数转换ADC后进入一个或多个微控制器，用于后续的阻抗谱计算。
进一步的，一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，串并联电池系统正常运行时，微控制器发送控制信号使所需测量电池支路的扰动单元中的主开关K1闭合导通，如果有缓冲开关K2，则缓冲开关K2闭合导通，扰动开关K3闭合导通；
步骤2，在各开关稳定闭合导通后，微控制器发送控制信号使主开关K1断开，此时工作电流经缓冲开关K2和扰动开关K3流通；
步骤3，微控制器按照选定频率fn交替发送扰动开关K3导通和关断信号，工作电流和电压由于收到K3周期导通和关断的影响产生fn频率的电流或电压周期激励信号，该频率fn在被测等效电池的阻抗谱频率范围内选取；
步骤4，微控制器以频率fs同步采集等效电池实时电流和实时电压信号；其采集频率fs至少为周期激励信号频率fn的10倍以上；
步骤5，任意周期函数均表示为直流量与正弦函数或余弦函数构成的无穷级数的和：
对扰动单元的周期激励信号引起的电压和电流信号进行快速傅里叶分解FFT得到电压和电流在对应fn频点及其倍频次的正弦电压和电流信号量U(2πfn)、I(2πfn)；对于线性系统，进而求得该频点下的阻抗
通过重复以上发波和检测、计算过程，完成所有fn频率点及其谐波频率点阻抗计算，得到需要的阻抗谱。
进一步的，选取电压信号幅值大于5mV的基频及谐波频率点数据用于计算；
计算中采用Goertzel算法：
其中g(k)为第k次电流或电压采样结果，x(k),x(k-1),x(k-2)分别为当前，前一次，更前一次的计算结果。
进一步的，可通过设置冗余电池支路，使冗余电池支路的扰动信号与当前检测支路的扰动信号反向，从而可使电池串并联系统对外的输出扰动相互抵消，使进行阻抗谱监测时对外影响最小。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过对串并联电池系统中的电池支路进行周期激励信号耦合，串并联电池系统中其他支路任然能够正常工作，因此本发明的系统能够对被测等效电池进行实时在线检测；
进一步的，冗余电池支路的工作模式，实现对系统影响的最小化，甚至消除，能够不改变原有串并联电池系统外特性继续正常运行；
不同于采用专用设备，需要离线操作且测试通道有限，本发明在线检测且没有通道数量限制，提高了检测效率，节省了检测耗时；
对本身就有采样系统的电池串来说，例如锂离子电池串联而成的电源,本身有BMS系统，如果能够实现实时电压电流采样，则可以直接利用自身的BMS。因此本发明能够利用已有装置大幅降低系统成本。
对于部分储能系统，其本身即含有装置所需要的主开关和缓冲开关，缓冲电阻。因此检测装置可以直接利用原有系统中的器件而无需额外的硬件投资；
扰动输入是利用电池支路的导通状态改变实现，无需额外的能量注入。降低了测试能源成本和额外的能源设备开销；
不同于其他离线扰动方式采用小信号作为扰动源，本发明采用电池支路的工作电流或电压作为周期激励信号，信号量级可根据采样的要求选择，从而减少了对采样系统的采样精度要求，同时能够进一步降低采样系统成本；
不同于专用设备，价格昂贵，本发明系统实现成本低。
附图说明
图1为电池串系统。
图2为扰动单元。
图3为电池支路与微控制器的连接关系。
图4为带扰动单元的串并联系统。
图5为优化的串并联系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图5，本发明提供一种通过开关电池串支路实时在线向该电池串注入电压或电流的周期激励信号，并检测该周期激励信号下该电池串的电流和电压响应的装置，以及根据该装置采集到的电压、电流激励和响应计算该电池串内等效电池电化学阻抗谱的方法。所述电池包括但不限于各种电化学电池，如锂电池、锂离子电池、铅酸电池等。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明中所述等效电池为电池单体或其串并联组合，或电池串并联组合并封装后的系统。
N个等效电池(N≥1)串联后形成电池串，电池串中每个等效电池两端分别与实时电压采样的V+端和V-端连接。实时电压采样能够采集等效电池两端的实时电压并进行必要的信号处理后输出电压信号。电池串包含实时电流采样，实时电流采样与被测等效电池为串联关系，包含电流传感器及必要的信号处理部分，负责采集流过串联等效电池的实时电流。由于串联系统电流处处相等，因此，实时电流采样串联任意数量于该串联支路的任意位置，所得到的一个或多个电流信号均相等。因此电池串输出串联的N个等效电池电压和实时电流信号。图1所示即为串联一个实时电流采样的电池串。
电池串与扰动单元串联连接后形成电池支路。所述扰动单元用于实现所述电池支路的导通及断开功能。如图2所示为扰动单元两种具体实施例：实例1包括主开关K1,缓冲开关K2,扰动开关K3，电阻R。所述缓冲开关K2与所述电阻R串联连接后并联于所述主开关K1两端，所述扰动开关K3与所述电阻R并联连接。实施例2包括主开关K1，扰动开关K3,电阻R，电容C，所述电阻R与所述电容C串行连接后，与所述主开关K1并行连接，所述扰动开关K3与所述主开关并行连接。所述主开关K1，缓冲开关K2,扰动开关K3均能实现电流的双向流通，且均为可控开关器件，分别由开关信号，缓冲开关信号，驱动信号控制其开通和关断操作。具体实施可采用包括但不限于直流继电器，断路器，MOSFET，IGBT，三极管，干簧管或其组合实现。
进一步的，电池串并联系统实际应用场景中往往在每个电池串中已经配置有串行连接的直流开关，该直流开关可作为扰动装置中的K1使用。
进一步的，电池串并联系统实际应用场景中往往还配置有缓冲电路，该缓冲电路由直流开关和缓冲电阻组成，该直流开关和缓冲电阻可作为扰动装置中的K2和电阻R使用。
进一步的，电池串并联系统实际应用场景中往往配置有直流开关及与该直流开关并联的缓冲电路，该缓冲电路为缓冲直流开关与电阻的串联。则该直流开关、缓冲直流开关和电阻可作为扰动装置中的K1，K2和R使用。
电池支路中输出的N个电池电压信号和实时电流信号经模数转换(ADC)后进入一个或多个微控制器，用于后续的阻抗谱计算。微控制器能够产生扰动单元所需的控制信号。所述微控制器与电池支路的连接如图3所示。所述微控制可以是单独的器件、设备，也可以集成于应用场景中其他的微控制器。
M个电池支路(M≥2)并行连接组成串并联电池系统，如图4所示。
进一步的，可以对串并联电池系统的扰动单元组进行优化，如可以采用多路选择器代替每个扰动单元中的K2,通过选择连接串并联电池系统中某电池支路，实现对K1开关数量的减少。如图5所示。其中多路选择器用以实现单路电池串的联通，可由各种可控开关装置或器件搭建，可以是但不限于继电器，双刀双掷开关，MOSFET，IGBT，三极管，可控开关管，干簧管及其组合。
基于本发明所述阻抗谱在线检测装置的阻抗谱检测方法，包括如下步骤：
步骤1，串并联电池系统正常运行时，微控制器发送控制信号使所需测量电池支路的扰动单元中的主开关K1闭合导通，如果有缓冲开关K2,则缓冲开关K2闭合导通，扰动开关K3闭合导通。
步骤2，在各开关稳定闭合导通后，微控制器发送控制信号使主开关K1断开。此时工作电流经缓冲开关K2和扰动开关K3流通。
步骤3，微控制器按照选定频率fn交替发送扰动开关K3导通和关断信号，工作电流和电压由于收到K3周期导通和关断的影响产生fn频率的电流或电压周期激励信号，该频率fn由工程人员在被测等效电池所关注的阻抗谱频率范围内选取。以锂离子电池阻抗谱测试为例，锂离子电池关注的阻抗谱频率范围在[0.1Hz,1kHz]以内，可选取频率如下：
步骤4，微控制器以频率fs同步采集等效电池实时电流和实时电压信号。其采集频率fs至少为周期激励信号频率fn的10倍以上。
步骤5，任意周期函数均可以表示为直流量与正弦函数或余弦函数构成的无穷级数的和：
因此对扰动单元的周期激励信号引起的电压和电流信号进行快速傅里叶分解(FFT)即可得到电压和电流在对应fn频点及其倍频次的正弦电压和电流信号量U(2πfn)、I(2πfn)。对于线性系统，进而可求得该频点下的阻抗
通过重复以上发波和检测、计算过程，可完成所有fn频率点及其谐波频率点阻抗计算，从而得到需要的阻抗谱。
进一步的，由于基频信号幅值最大，高次谐波频率幅值逐渐减少，为保证采样精度，通常只选取电压信号幅值大于5mV的基频及谐波频率点数据用于计算。
进一步的，由于快速傅里叶变换需要实时处理大量数据，或存储大量数据用于后续计算，对微控制的计算能力及存储能力都提出了极高要求。而最终计算结果中大量数据并不满足信号幅值要求而被舍弃，因此造成了微控制器性能和存储资源的极大浪费。因此计算中采用Goertzel算法：
其中g(k)为第k次电流或电压采样结果，x(k),x(k-1),x(k-2)分别为当前，前一次，更前一次的计算结果。采用此算法可极大减少微控制器计算量，无需存储数据，实时计算频点数值。
进一步的，采用Goertzel算法，根据响应幅值选取有限次频率进行电压电流信号计算，一般的，选取基频及其倍频、三次谐波进行计算即满足阻抗谱计算要求，从而进一步减少了计算量。
进一步的，可通过设置冗余电池支路，使冗余电池支路的扰动信号与当前检测支路的扰动信号反向，从而可使电池串并联系统对外的输出扰动相互抵消，使进行阻抗谱监测时对外影响最小。
Claims (8)
1.一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，其特征在于，包括电池串单元、扰动单元和微控制器；电池串单元和扰动单元串联连接后形成电池支路，M个电池支路并行连接组成串并联电池系统，M≥2；串并联电池系统的扰动单元连接到微控制器的IO端，串并联电池系统的电池串单元连接到微控制器的ADC模数转换端；
微控制器用于给扰动单元发送驱动信号、开关信号和缓冲开关信号；
电池串单元用于给微控制器输入电压信号和电流信号；
扰动单元用于实现电池支路的导通状态变换功能。
2.根据权利要求1所述的一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，其特征在于，电池串单元包括N个等效电池，N≥1；N个等效电池串联后形成电池串单元。
3.根据权利要求3所述的一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，其特征在于，等效电池为电池单体或其串并联组合，或电池串并联组合并封装后的系统；电池串中每个等效电池两端分别与实时电压采样的V+端和V-端连接，实时电压采样能够采集等效电池两端的实时电压并输出电压信号；电池串单元包含实时电流采样，实时电流采样与被测等效电池为串联关系，采集流过串联等效电池的实时电流。
4.根据权利要求1所述的一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，其特征在于，扰动单元为第一扰动单元或第二扰动单元，第一扰动单元包括主开关K1、缓冲开关K2、扰动开关K3和电阻R；缓冲开关K2与电阻R串联连接后并联于主开关K1两端，扰动开关K3与电阻R并联连接；第二扰动单元包括主开关K1、扰动开关K3、电阻R和电容C，电阻R与电容C串行连接后与主开关K1并行连接，扰动开关K3与主开关K1并行连接；主开关K1、缓冲开关K2、扰动开关K3均能实现电流的双向流通，且均为可控开关器件，分别由开关信号，缓冲开关信号，驱动信号控制其开通和关断操作。
5.根据权利要求4所述的一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，其特征在于，采用多路选择器代替每个扰动单元中的K2；多路选择器用以实现单路电池串的联通，由各种可控开关装置或器件搭建，包括继电器、双刀双掷开关、MOSFET、IGBT、三极管、可控开关管或干簧管。
6.根据权利要求1所述的一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，其特征在于，电池支路中输出的电池电压信号和实时电流信号经模数转换ADC后进入一个或多个微控制器，用于后续的阻抗谱计算。
7.一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统的检测方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统，包括以下步骤：
步骤1，串并联电池系统正常运行时，微控制器发送控制信号使所需测量电池支路的扰动单元中的主开关K1闭合导通，如果有缓冲开关K2，则缓冲开关K2闭合导通，扰动开关K3闭合导通；
步骤2，在各开关稳定闭合导通后，微控制器发送控制信号使主开关K1断开，此时工作电流经缓冲开关K2和扰动开关K3流通；
步骤3，微控制器按照选定频率fn交替发送扰动开关K3导通和关断信号，工作电流和电压由于受到K3周期导通和关断的影响产生fn频率的电流或电压周期激励信号，该频率fn在被测等效电池的阻抗谱频率范围内选取；
步骤4，微控制器以频率fs同步采集等效电池实时电流和实时电压信号；其采集频率fs为周期激励信号频率fh的10倍或以上；
步骤5，由于任意周期函数f(t)均可以表示为直流量与频率为该周期函数频率ω0及该周期函数频率倍频(nω0)的正弦函数或余弦函数构成的无穷级数：
因此对采集到的频率为fn的周期性实时电压和电流信号进行快速傅里叶分解(FFT)可得到该电压和电流在对应fn频点及其倍频次的正余弦信号分量U(2πfn)、I(2πfn)；进而求得该频点下的阻抗
通过重复以上发波和检测、计算过程，完成所有fn频率点及其谐波频率点阻抗计算，从而得到需要的阻抗谱。
8.根据权利要求7所述的一种串并联电池系统阻抗谱在线检测系统的检测方法，其特征在于，选取电压信号幅值大于5mV的基频及谐波频率点数据用于计算；
计算采用FFI算或Goertzel算法：
其中g(k)为第k次电流或电压采样结果，x(k)，x(k-1)，x(k-2)分别为当前，前一次，更前一次的计算结果。
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