CN113156322B - 一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统及方法，包括数字模组、中央控制器、电流采样模块和电感L；M个数字模组，M≥2依次串行连接组成电池串系统，在电池串系统中串联接入电感L，该串行系统接于正负直流母线Bus+和Bus‑之间；电流采样模块连接在电感L和控制器之间，电流采样用于采集流经电感L的实时电流，并经ADC转换为数字信号后传入控制器；控制器具有电平信号输出功能，经过输入输出口IO向各数字模组输出控制信号。本发明通过对电池串进行周期信号激励，然后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。

Description

一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统及方法

技术领域

本发明属于电池在线阻抗谱检测技术领域，特别涉及一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统及方法。

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基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统及方法，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：

一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统，包括数字模组、中央控制器、电流采样模块和电感L；M个数字模组，M≥2，依次串行连接组成串联电源系统，在串联电源系统中串联接入电感L，该串行系统接于正负直流母线Bus+和Bus-之间；电流采样模块连接在电感L和中央控制器之间，电流采样用于采集流经电感L的实时电流，并经ADC转换为数字信号后传入中央控制器；中央控制器具有电平信号输出功能，经过输入输出口IO向各数字模组输出控制信号。

进一步的，数字模组包括驱动逻辑、电池串和控制器；驱动逻辑一端接收中央控制器的控制信号，转换为驱动信号输入电池串，电池串接受来自驱动逻辑的驱动信号，同时输出N路电压信号和电流信号，该N路电压信号和电流信号输入控制器中。

进一步的，电池串包括N个等效电池、数字开关、实时电压采样和实时电流采样，其中N≥1；N个等效电池串联后与实时电流采样串行连接，实时电流采样包含电流传感器及信号处理部分，负责采集流过串联等效电池的实时电流；该串联系统与数字开关并行连接；N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信号处理后输出电压信号。

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。

进一步的，数字开关是指能实现等效电池串入电池串或从电池串旁路的装置，具体的数字开关为开关K1和K2串行连接后的组合，通过驱动信号分别控制开关K1和K2互补开关，实现等效电池的接入或旁路。

进一步的，控制器为单独的设备或采用系统中其他部分已有的控制器；当控制器为独立设备时，控制器具有通讯功能，通讯是指能够在控制器与其他设备间进行数据交互，具体包括以下方式：有线的通讯方式和无线通讯方式，有线的通讯方式包括IO信号线、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，一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，应用系统正常工作时中央控制器通过调制控制信号，使应用系统输出的电流或电压中耦合选定频率fn的电流或电压周期激励信号，该频率fn由被测等效电池的阻抗谱频率范围内选取；

步骤2，中央控制器通过通讯告知控制器周期激励信号已发出；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fn的10倍或以上；

步骤3，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(2πf_n)、I(2πf_n)；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，除了采用FFT计算外，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。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明通过对电池串进行周期信号激励，然后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：

1、周期激励信号耦合到应用中的数字模组中，宏观时间尺度上应用输出的能量不发生变化，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；

2、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；

3、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。

4、扰动输入是利用电池串本身能量，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；

5、不同于其他离线扰动方式采用小信号作为扰动源，本发明采用工作电流或电压耦合周期激励信号，信号量级可根据采样的要求进行设置，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；

6、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为电池串实施例。

图2为数字模组。

图3为应用系统。

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3，本发明提供一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测装置及方法，利用数组模组耦合电压或电流为激励源，实时在线向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：

数字模组是由N个等效电池(N≥1)串联，并与数字开关并联而成的模块。其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。数字开关是指能实现所述等效电池接入或电池旁路的装置。图1所示为数字模组的实施例。通过驱动信号1和驱动信号2分别控制开关K1和K2互补开关，实现等效电池的接入或旁路。

将数字模组的N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。数字模组串联接入实时电流采样，实时电流采样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。数字模组与实时电压采样，实时电流采样连接后成为电池串。电池串输出串联的N个等效电池电压和实时电流信号。图2所示即为电池串的实施例。

电池串输出的N个电池电压信号和实时电流信号经模数转换(ADC)后转换为数字信号进入一个或多个控制器，用于后续的阻抗谱计算。控制信号经驱动逻辑后转换成驱动信号1和驱动信号2输入电池串控制电池串中开关K1和K2。上述电池串、控制器和驱动逻辑组成模块。所述控制器可以是单独的设备，也可以直接采用系统中其他部分已有的控制器。当控制器为独立设备时，控制器须有通讯功能，此处所述通讯是指能够在控制器与其他设备间进行数据交互，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3所示为采用单个独立控制器的模块实施例。

M个模块(M≥2)依次串行连接组成电池串系统，在电池串系统中串联接入电感L，之后该串行系统接于正负直流母线(Bus+和Bus-)之间。电流采样用于采集流经电感L的实时电流，并经ADC转换为数字信号后传入中央控制器。所述中央控制器有ADC转换模块，且须有通讯功能，此处所述通讯是指能够在控制器与中央控制器间进行数据交互，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3所示为采用单个独立控制器的模块实施例。中央控制器具有电平信号输出功能，经过输入输出口(IO)向各模块输出控制信号。以上所述构出数字模组外的部分构成基于数字模组的在线阻抗谱检测装置，该装置与数字模组构成应用系统。

应用系统正常工作时，通过中央控制器发送控制信号，使电感L上流过受控的电流或使正负母线间形成受控的电压。

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，应用系统正常工作时中央控制器通过调制控制信号，使输出的电流或电压中耦合选定频率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2，中央控制器通过通讯告知控制器周期激励信号已发出。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3，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(2πf_n)、I(2πf_n)。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。

Claims (6)

1.一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统，其特征在于，包括数字模组、中央控制器、电流采样模块和电感L；M个数字模组，M≥2，依次串行连接组成串联电源系统，在串联电源系统中串联接入电感L，串联电源系统接于正负直流母线Bus+和Bus-之间；电流采样模块连接在电感L和中央控制器之间，电流采样用于采集流经电感L的实时电流，并经ADC转换为数字信号后传入中央控制器；中央控制器具有电平信号输出功能，经过输入输出口IO向各数字模组输出控制信号；

数字模组包括驱动逻辑、电池串和控制器；驱动逻辑一端接收中央控制器的控制信号，转换为驱动信号输入电池串，电池串接受来自驱动逻辑的驱动信号，同时输出N路电压信号和电流信号，该N路电压信号和电流信号输入控制器中；

电池串包括N个等效电池、数字开关、实时电压采样和实时电流采样，其中N≥1；N个等效电池串联后与实时电流采样串行连接，实时电流采样包含电流传感器及信号处理部分，负责采集流过串联等效电池的实时电流；串联电源系统与数字开关并行连接；N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信号处理后输出电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统，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。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统，其特征在于，数字开关是指能实现等效电池串入电池串或从电池串旁路的装置；数字开关为开关K1和K2串行连接后的组合，通过驱动信号分别控制开关K1和K2互补开关，实现等效电池的接入或旁路。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统，其特征在于，控制器为单独的设备或采用系统中其他部分已有的控制器；当控制器为独立设备时，控制器具有通讯功能，通讯是指能够在控制器与其他设备间进行数据交互，具体包括以下方式：有线的通讯方式和无线通讯方式，有线的通讯方式包括IO信号线、CAN、RS485、IIC、SPI或有线网络；无线通讯方式包括wifi、蓝牙、Zeegbee或GPRS。

5.一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统的检测方法，其特征在于，基于权利要求1至4任意一项所述的一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，应用系统正常工作时中央控制器通过调制控制信号，使应用系统输出的电流或电压中耦合选定频率fn的电流或电压周期激励信号，该频率fn由被测等效电池的阻抗谱频率范围内选取；

步骤2，中央控制器通过通讯告知控制器周期激励信号已发出；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fn的10倍或以上；

步骤3，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(2πf_n)、I(2πf_n)；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。

6.根据权利要求5所述的一种基于数字模组的电池在线阻抗谱检测系统的检测方法，其特征在于，除了采用FFT计算外，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。