CN112924881A - 一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统及方法，包括电池串单元和微控制器单元；若干电池串单元中输出的N个电池电压信号和实时电流信号经模数转换后进入一个或多个微控制器单元；微控制器单元为具有微控制器的双向DC/DC或独立微控制器连接双向DC/DC；电池串单元为N个等效电池，N≥1，串联后形成电池串单元，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。本发明将对电池串的周期激励信号耦合到双向DC/DC中，通过实时电压电流采样检测被测等效电池对该激励的响应。进而计算等效电池的阻抗谱，周期激励信号耦合到双向DC/DC中，实现串间能量双线流动，宏观上每串能量不发生变化，串联的电池串系统任然能够正常工作。
Description
技术领域
本发明属于电池串的阻抗谱在线检测技术领域，特别涉及一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统及方法。
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用于多电池串的阻抗谱在线检测系统及方法，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：
一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统，包括电池串单元和微控制器单元；若干电池串单元中输出的N个电池电压信号和实时电流信号经模数转换后进入一个或多个微控制器单元；微控制器单元为具有微控制器的双向DC/DC或独立微控制器连接双向DC/DC；电池串单元为N个等效电池，N≥1，串联后形成电池串单元，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。
进一步的，M个电池串单元，M≥2组成多电池串系统，M个电池串单元的负极连接在一起组成共地系统，此时，双向DCDC可选用非隔离型；当电池串单元个数M>2时，采用多个双向DCDC分别连接不同的两串电池串。
进一步的，当电池串单元个数M>2时，在同一双向DCDC的端口处设置多路选择器，使同一双向DCDC在不同时刻选通不同的两串电池串；M个电池串单元的负极连接在一起组成共地系统时，去掉共地侧的多路选择器。
进一步的，当微控制器独立于双向DC/DC时，微控制器与双向DC/DC之间通过通讯连接，通讯是指能够在微控制器与双向DC/DC间进行数据交互，具体包括有线通讯方式和无线通讯方式，有线的通讯方式包括CAN、RS485、IIC、SPI或有线网络；无线通讯方式包括wifi、蓝牙、Zeegbee或GPRS。
进一步的，多路选择器用于实现单路电池串的联通，具体为继电器、双刀双掷开关、MOSFET、IGBT、三极管、可控开关管或干簧管。
进一步的，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；双向DC/DC为能够实现直流到直流双向变换的电力电子装置，根据多电池串是否共地选择隔离型或非隔离型。
进一步的，一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，双向DC/DC选通两不同电池串；
步骤2，选定频率fn的电流或电压周期激励信号，该频率fn由在被测等效电池的阻抗谱频率范围内选取；
步骤3，双向DCDC根据电源系统的历史数据或经验参数，设定工作功率，该功率由该耦合电流变化引起的被测等效电池的电压响应变化在5mV以上；双向DC/DC按照选定的工作功率在两电池串间按照fn的频率双向传输该功率，在两电池串上形成fn频率的周期激励信号；之后双向DCDC通过通讯系统告知两选定电池串以频率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倍或以上；
步骤4，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：
对双向DC/DC产生的周期激励信号所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信号量U(2πfn)、I(2πfn)；对于线性系统，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，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。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明将对电池串的周期激励信号耦合到双向DC/DC中，通过实时电压电流采样检测被测等效电池对该激励的响应。进而计算等效电池的阻抗谱，其具有以下优点：
周期激励信号耦合到双向DC/DC中，实现串间能量双线流动，宏观上每串能量不发生变化，串联的电池串系统任然能够正常工作，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，双向DC/DC能够在多串间进行能量转移，能够实现电池串间容量均衡的功能。
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。
扰动输入是利用双向DC/DC在电池串间实现，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，本发明采用双向DC/DC的工作电流或电压作耦合为周期激励信号，信号量级可根据采样的要求经行设置，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为电池串与单个微控制器的连接。
图3为两电池串与双向DCDC的连接。
图4为多电池串与双向DCDC的连接。
图5为共地多电池串与双向DCDC的连接。
具体实施方式
本发明提供一种利用双向DCDC作为激励源，实时在线向多电池串系统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电池系统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：
本发明所述双向DC/DC是指能够实现直流到直流双向变换的电力电子装置，可根据多电池串是否共地选择隔离型或非隔离型。
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系统。
电池串中输出的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。所述微控制可以是单独的设备，也可以直接采用双向DC/DC本身所具有的微控制器。当微控制器独立于双向DC/DC时，微控制器与双向DC/DC间能够进行通讯，此处所述通讯是指能够在微控制器与双向DC/DC间进行数据交互，可以采用但不限于以下方式：有线的通讯方式如CAN，RS485，IIC,SPI,有线网络。无线通讯方式如wifi，蓝牙，Zeegbee，GPRS等。图2所示为采用单个独立于双向DC/DC的微处理器时单电池串与微处理器的连接关系。
M个电池串(M≥2)组成多电池串系统。M个电池串的负极可以连接在一起组成共地的系统，M个电池串的正极不能直接连接。当M个电池串组成共地系统时，双向DCDC可选用非隔离型。
当M＝2时，两电池串分别连接到双向DCDC的两个端口，如图3所示为两电池串与双向DCDC连接关系。当M>2时，可采用多个双向DCDC分别连接不同的两串电池串。
进一步的，为减少系统复杂性，降低系统成本，可以通过多路选择器的方式，让同一双向DCDC在不同时刻选通不同的两串电池串。多电池串(M>2)时，双向DCDC与电池串间的连接关系如图4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。
进一步的，当多电池串为共地系统时，可以省去共地侧的选通开关。如图5所示为多电池串共地时电池串与DCDC的连接关系。
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，双向DC/DC选通两不同电池串。
步骤2，选定频率fn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：
| 频率(Hz) | 1Hz | 10Hz | 24Hz | 60Hz | 200Hz | 800Hz |
步骤3，双向DCDC根据电源系统的历史数据或经验参数，设定工作功率。该功率能够使等效电池上耦合的电流足够大，即由该耦合电流变化引起的被测等效电池的电压响应变化在5mV以上。双向DC/DC按照选定的工作功率在两电池串间按照fn的频率双向传输该功率，从而在两电池串上形成fn频率的周期激励信号。之后双向DCDC通过通讯系统告知两选定电池串以频率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。
进一步的，通过双向DCDC双向传输功率上叠加直流成分，可在宏观时间尺度上实现功率的单向流动，从而能够实现电池串间的容量均衡功能。
进一步的，在不需要进行阻抗谱检测时，双向DCDC可用通过单向功率传输实现不同电池串间容量均衡。
步骤4，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：
因此对双向DC/DC产生的周期激励信号所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。
步骤5，从而步骤1到步骤4，从而完成对其余有检测需求的电池串的阻抗谱检测。
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。
Claims (8)
1.一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，包括电池串单元和微控制器单元；若干电池串单元中输出的N个电池电压信号和实时电流信号经模数转换后进入一个或多个微控制器单元；微控制器单元为具有微控制器的双向DC/DC或独立微控制器连接双向DC/DC；电池串单元为N个等效电池，N≥1，串联后与实时电流采样串行连接，每个等效电池两端分别与实时电压采样的V+端和V-端连接组成。
2.根据权利要求1所述的一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，M个电池串单元，M≥2组成多电池串系统，M个电池串单元的负极连接在一起组成共地系统，此时，双向DCDC可选用非隔离型；当电池串单元个数M>2时，采用多个双向DCDC分别连接不同的两串电池串。
3.根据权利要求2所述的一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，当电池串单元个数M>2时，在同一双向DCDC的端口处设置多路选择器，使同一双向DCDC在不同时刻选通不同的两串电池串；M个电池串单元的负极连接在一起组成共地系统时，去掉共地侧的多路选择器。
4.根据权利要求1所述的一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，当微控制器独立于双向DC/DC时，微控制器与双向DC/DC之间通过通讯连接，通讯是指能够在微控制器与双向DC/DC间进行数据交互，具体包括有线通讯方式和无线通讯方式，有线的通讯方式包括IO信号线连接、CAN、RS485、IIC、SPI或有线网络；无线通讯方式包括wifi、蓝牙、Zeegbee或GPRS。
5.根据权利要求1所述的一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，多路选择器用于实现单路电池串的联通，具体为继电器、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所述的一种用于多电池串的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；双向DC/DC为能够实现直流到直流双向变换的电力电子装置，根据多电池串是否共地选择隔离型或非隔离型。
7.一种用于多电池串的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用于多电池串的阻抗谱在线检测系统，包括以下步骤：
步骤1，双向DC/DC选通两不同电池串；
步骤2，选定频率fn的电流或电压周期激励信号，该频率fn由在被测等效电池的阻抗谱频率范围内选取；
步骤3，双向DCDC根据电源系统的历史数据或经验参数，设定工作功率，该功率由该耦合电流变化引起的被测等效电池的电压响应变化在5mV以上；双向DC/DC按照选定的工作功率在两电池串间按照fn的频率双向传输该功率，在两电池串上形成fn频率的周期激励信号；之后双向DCDC通过通讯系统告知两选定电池串以频率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倍或以上；
步骤4，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：
对双向DC/DC产生的周期激励信号所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信号量U(2πfn)、I(2πfn)；对于线性系统，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。
8.根据权利要求7所述的一种用于多电池串的阻抗谱在线检测系统的检测方法，其特征在于，除采用FFT外，计算中也能够采用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。
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