CN112924882A - 一种基于dcdc的电池阻抗谱在线检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统，包括电池串单元、直流到直流变换装置DC/DC和微控制器；电池串单元的功率端连接到直流到直流变换装置DC/DC，电池串单元的电压、电流信号端连接到微控制器的ADC模数转换端，微控制器的通讯端与直流到直流变换装置DC/DC的通讯端连接；本发明通过将周期激励信号耦合到工作中的DC/DC中，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；通过多DC/DC协同工作模式，实现对系统影响的最小化，甚至消除，能够不改变原有串联电源系统外特性继续正常运行。
Description
技术领域
本发明属于电池阻抗谱在线检测技术领域，特别涉及一种基于DCDC的电池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基于DCDC的电池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：
一种基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统，包括电池串单元、直流到直流变换装置DC/DC和微控制器；电池串单元的功率端连接到直流变换装置DC/DC，电池串单元的电压、电流信号端连接到微控制器的ADC模数转换端，微控制器的通讯端与直流到直流变换装置DC/DC的通讯端连接；
微控制器用于采集电池串信号来计算电池阻抗谱；
电池串单元用于给微控制器输入电压信号和电流信号；
直流到直流变换装置DC/DC用于对电池串进行充放电控制。
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，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。
进一步的，微控制为单独的设备或直接采用DC/DC本身所具有的微控制器；当微控制器独立于DC/DC时，微控制器与DC/DC间能够进行通讯，在微控制器与DC/DC间进行数据交互。
进一步的，通讯方式包括：采用输入输出IO信号线连接的方式，还可以采用有线的通讯方式：CAN、RS485、IIC、SPI或有线网络；还包括无线通讯方式：wifi、蓝牙、Zeegbee或GPRS。
进一步的，一种基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，DC/DC能够监测串联等效电池的工作电流，或者通过实时电流采样监测等效电池的工作电流，根据电源系统的历史数据或经验参数，选取等效电池工作电流足够大，即由工作电流变化引起的被测等效电池的电压响应变化在5mV以上时进行阻抗谱检测；
步骤2，DC/DC在正常工作状态的基础上叠加选定频率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；
步骤3，微控制器通过通讯确定DC/DC的周期激励信号发出后，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；
步骤4，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：
对实时采样的等效电池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，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，计算中除采用FFT算法外，也采用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，当有多台DC/DC并联接入同一电源系统时，通过使多个DC/DC耦合的周期激励信号和为零，消除运行阻抗谱检测时对电源系统的影响。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过将周期激励信号耦合到工作中的DC/DC中，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；通过多DC/DC协同工作模式，实现对系统影响的最小化，甚至消除，能够不改变原有串联电源系统外特性继续正常运行；
本发明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DC/DC变换器，只需要对DC/DC做软件上的修改，因此检测装置甚至无需额外的硬件投资；
本发明扰动输入是利用DC/DC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为电池串单元。
图2为检测系统。
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2，本发明提供一种利用DCDC作为激励源，实时在线向电池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DC/DC是指能够进行直流到直流变换的装置，包括但不限于升压直流变换器，降压直流变换器，升降压直流变换器。DC/DC可以是隔离型，也可以是非隔离型。
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DC/DC本身所具有的微控制器。当微控制器独立于DC/DC时，微控制器与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DC/DC间进行数据交互，可以采用但不限于以下方式：输入输出IO信号线连接的方式，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DC/DC的微处理器时的连接关系。
电池串会直接连接到DC/DC，或者通过其他设备后连接DC/DC。DC/DC能够对电池串进行充放电控制。
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，DC/DC能够监测串联等效电池的工作电流，或者通过实时电流采样监测等效电池的工作电流，根据电源系统的历史数据或经验参数，选取等效电池工作电流足够大，即由工作电流变化引起的被测等效电池的电压响应变化在5mV以上时进行阻抗谱检测。
步骤2，DC/DC在正常工作状态的基础上叠加选定频率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：
步骤3，微控制器通过通讯确定DC/DC的周期激励信号发出后，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DC/DC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，当有多台DC/DC接入同一系统时，可通过调节多个DC/DC间周期激励信号和为零，使进行阻抗谱监测时对系统影响最小。
Claims (9)
1.一种基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统，其特征在于，包括电池串单元、直流到直流变换装置DC/DC和微控制器；电池串单元的功率端连接到直流变换装置DC/DC，电池串单元的电压、电流信号端连接到微控制器的ADC模数转换端，微控制器的通讯端与直流到直流变换装置DC/DC的通讯端连接；
微控制器用于采集电池串信号来计算电池阻抗谱；
电池串单元用于给微控制器输入电压信号和电流信号；
直流到直流变换装置DC/DC用于对电池串进行充放电控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于DC/DC的电池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2所述的一种基于DC/DC的电池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所述的一种基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的一种基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统，其特征在于，微控制为单独的设备或直接采用DC/DC本身所具有的微控制器；当微控制器独立于DC/DC时，微控制器与DC/DC间能够进行通讯，在微控制器与DC/DC间进行数据交互。
6.根据权利要求5所述的一种基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统，其特征在于，通讯方式包括：采用输入输出IO信号线连接的方式，或采用有线的通讯方式：CAN、RS485、IIC、SPI或有线网络；还包括无线通讯方式：wifi、蓝牙、Zeegbee或GPRS。
7.一种基于DC/DC的电池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基于DC/DC的电池阻抗谱在线检测系统，包括以下步骤：
步骤1，DC/DC能够监测串联等效电池的工作电流，或者通过实时电流采样监测等效电池的工作电流，根据电源系统的历史数据或经验参数，选取等效电池工作电流足够大，即由工作电流变化引起的被测等效电池的电压响应变化在5mV以上时进行阻抗谱检测；
步骤2，DC/DC在正常工作状态的基础上叠加选定频率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；
步骤3，微控制器通过通讯确定DC/DC的周期激励信号发出后，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；
步骤4，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：
对实时采样的等效电池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，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所述的一种基于DCDC的电池阻抗谱在线检测系统的检测方法，其特征在于，计算中除采用FFT算法外，也采用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。
9.根据权利要求7所述的一种基于DCDC的电池阻抗谱在线检测系统的检测方法，其特征在于，当有多台DC/DC并联接入同一电源系统时，通过使多个DC/DC耦合的周期激励信号和为零，消除运行阻抗谱检测时对电源系统的影响。
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