CN113189509A - 一种动力锂电池内阻特性检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动力锂电池内阻特性检测系统，通过分时测量并联锂电池组在不同交流电流激励下的电压和电流响应，计算电池的内阻特性。系统采用整体电池组寿命和单电池组故障两种参数比较方式进行锂电池的故障判断：其中整体电池组寿命采用所有并联锂电池组1～N与参考并联锂电池组的内阻特性进行比较，从正态分布角度来判断并联电池组的整体寿命情况；单电池组故障的判断是将所有并联锂电池组1～N的内阻特性进行统计分析和比较，找出偏差较大的锂电池组，进行单独分析和测试，确定故障原因。本系统可以实现并联锂电池组内阻特性的准确测量，提高锂电池寿命和动态特性的辨识精度。

Description

一种动力锂电池内阻特性检测系统

技术领域

本发明涉及一种动力锂电池内阻特性检测系统，属于电力电子技术领域。

技术背景

电动汽车普遍采用锂电池作为动力来源。由于寿命和使用工况的原因，电池供电系统的故障率比电子系统的故障率高很多，是电动汽车故障的主要来源之一。当锂电池供电系统发生性能下降时，往往就造成电池寿命缩短，甚至可能会热失控、漏气、漏液、短路自燃等安全性问题，造成生命财产损失。

电池作为电池供电系统的基本组成单元，电池的并联可以增大输出电流，提高带负载的能力，因而在供电系统中得到普遍采用。并联方式连接的锂电池模块常见的故障主要是短路故障、断路故障、接触不良、电芯老化等。其中，短路和断路的故障，可以通过测量并联模块的电压参数和电流参数，再与相应的阈值做比较判断即可。

对故障的识别和诊断便于及时发现问题，及时做出故障处理。短路和断路故障通常能够引起电池的内阻的变化，可以通过测量电池的内阻进行判别。在工程应用中，常常采用内阻变化特征作为故障诊断的依据。具体系统实现时，由于锂电池的内阻数值不容易测量，而且内阻的分布规律的特征也较难获得。另外，锂电池的内阻数值在毫欧级别，在离线时，通过端口电压电流特性，比较容易获得内阻的数值，而锂电池的在线测量，则是需要特殊方法才能实现，往往具有很大的难度和误差。

现有基于自身动态过程信息的动态工况条件下的故障检测，锂电池的内阻辨识结果可能存在虚数解，容易影响故障诊断的正确性。如果是平稳工况，会因为激励单一，无法获得激励与响应之间的更加准确的数值关系，通常需要利用外部测量模块来完成锂电池内阻的在线测量。

现有的采用施加交流激励的方法来测量锂电池的内阻，具有较高的测量精度，但是，由于电流和电压的测量和转换精度难以保证，实际技术应用时，很难完成并联锂电池的毫欧级内阻参数的准确测量。目前，交流类电池内阻测量仪器都为单独测量设备，设计复杂、价格较高并且与电池管理系统不能较好的兼容，因此不适合作为内阻在线测量模块。

本发明设计了一种动力锂电池内阻特性检测系统，通过对并联锂电池组在不同电流激励下的电压和电流响应，计算出电池的内阻特性，实现并联锂电池组内阻特性的准确测量，提高锂电池寿命和动态特性的辨识精度。

发明内容

本发明提供了一种动力锂电池内阻特性检测系统，本发明的目的是利用不同电流激励下，并联锂电池组的电压响应不同，对并联锂电池内阻进行准确地测量。针对并联电池模块的故障分析和诊断，单体电池往往由于接触不良或者老化程度不一，造成电池故障的识别正确率下降。本发明提出的方法是结合并联电池模块的端电压、电流激励的动态变化完成并联锂电池的内部等效电阻的在线辨识，同时，采用标准并联锂电池组的参考特性检测和对照，判断锂电池的老化程度，克服单一静态测量带来的锂电池内阻测量误差，保证了电池包并联模块故障模式的可靠在线诊断。本发明提出的并联模块故障诊断方法能有效保证电池系统安全、提升锂电池系统性能检测的正确性，对电动汽车的广泛推广具有重要意义，其社会效益与经济效益大大提高。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

本发明所述的一种动力锂电池内阻特性检测系统，包括：微控制器、直接数字式频率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)、模拟滤波器、电流激励驱动、并联锂电池组1～N、参考锂电池组、信号调理单元、模数转换器、基准电压产生电路、工业总线、上位机等模块构成。

微控制器以单片机STC89C52作为核心控制单元，实现对各模块的时序和逻辑功能的控制。直接数字式频率合成器采用专用芯片AD9850产生正弦波，并进一步通过模拟滤波器对DDS信号产生电路的输出信号进行带通处理，经过低通滤波，滤除D/A带来的小台阶和数字电路产生的毛刺，即可获得所需要的正弦信号，降低信号噪声。AD9834内部的相位累加器的字宽为32位，正弦函数表有4096样点值，因此32位的相位累加器输出仅截取12位用于查表。

电流激励驱动电路是将模拟滤波器输出的正弦电压信号转换为电流激励，并通过电路的功率放大，将电流激励施加到并联电池组上，从而在并联电池组的两端形成电压响应，送给信号调理单元进行检测和变换。

信号调理单元也称为隔离变送器，用于信号的放大和前端电路的保护，采用光电、磁电等隔离技术，实现输入输出信号相互隔离转换的装置。信号调理单元抗干扰能力强，传输精度高，极大的提升了测量设备在恶劣条件下使用不被击穿的性能。在工业自动化领域可以实现电压电流、调制脉冲、频率信号、热电阻、正弦波、方波、电位器、转速等各种信号进行变送、转换、隔离、放大。

基准电压产生电路用于产生高精度参考电压信号，为模数转换器提供基准电压。基准电压产生电路采用单片隐埋齐纳基准，型号如AD588和AD688。这种型号的基准电压电路在10V时，具有1毫伏初始准确度，并且温度系数好，能在12位系统中有足够的准确度。

模数转换器用于检测有电流激励时的并联锂电池组和参考并联锂电池组的端口电压，并将模拟信号转换为数字值，通过数据总线发送给微控制器。为保证电压和电流参数的检测精度，采用高速、采样精度12-bit的模数转换器。

微控制器处理采集到的并联锂电池组和参考并联锂电池组的电压电流数据，通过工业总线，上传到上位机。工业总线采用CAN收发器组成可靠的现场通讯网络。

本发明的有益效果：

一种动力锂电池内阻特性检测系统采用施加交流激励的方法分别检测在线电池组和参考并联电池组的电压和电流参数，计算其内阻参数，具有较高的测量精度。同时，采用参考锂电池组的内阻老化规律，实现平稳工况条件下对故障原因的准确定位，提高电池动态特性的辨识精度，保证电池系统的安全，降低电池供电系统的检测成本。

附图说明：

图1是本发明的系统框图。

具体实施方式

以下通过具体实施例与结合附图对本发明做进一步解释说明：

如图1所示，一种动力锂电池内阻特性检测系统，其特征在于所述电气部分至少包括微控制器、直接数字式频率合成器、模拟滤波器、电流激励驱动、并联电池组1～N、参考锂电池组、信号调理单元、模数转换器、基准电压产生电路、工业总线、上位机等模块构成。

直接数字式频率合成器产生的正弦波，经过模拟滤波器处理之后，送入电流激励驱动模块。电流激励驱动模块分时驱动并联锂电池组1～并联锂电池组N和参考并联电池组。采用交流内阻测量方法，采集锂电池组的端电压和端电流，将锂电池的内阻参数与高精度毫欧级标准电阻进行精度比较。

信号调理单元将N个并联锂电池组1～N的端电压和电流进行分离，在经过信号放大环节和滤波电路滤除噪声之后，送到高精度模数转换器，转换成数字量。基准电压产生电路为模数转换器提供基准电压用于模拟电压的转换。在测量并联锂电池组的内电阻时，采用开尔文连接，实现内电阻的精确测量，消除连接导线的寄生电阻和接触电阻。

通过对参考并联锂电池组的测量，建立内阻变化的模型，再将在线测得的并联锂电池组1～N的内阻与参考并联锂电池组的内阻进行比较，得到电池老化的参数。另外，将并联锂电池组1～N的内阻特性进行统计比较，如果出现某一并联锂电池组的内阻特性与其他组的内阻特性偏差较大，则特性偏差较大的锂电池组存在故障。电流激励驱动单元采用恒流源电路产生高精度恒流输出，其内部采用低噪声集成运算放大器构成恒流镜像电路。测量电池内阻时，将恒流交流信号公国交流信号耦合电路施加到并联锂电池组和参考并联锂电池组。标准电阻采用低温漂的高精度线绕电阻，其精度可达0.1毫欧，温漂仅为25ppm/℃。

恒流电流激励驱动单元将交流输出信号通过耦合电容施加到待测并联锂电池组和参考并联锂电池组上，产生电压响应，通过开尔文方式进行微弱电压响应信号的采集，将电流注入回路和信号测量回路分开，减少由引线连接带来的测量误差。电流激励单元通过信号隔离电路、交流信号放大电路、带通滤波电路之后，进行并联电池组的峰值检测。

交流激励在电池组上产生的电压响应通常为毫伏级的微弱信号。待测的电压响应由一个直流成分和一个交流成分叠加组成，直流信号的幅值远大于交流信号的幅值。交流激励采用多个频率信号作为测试激励，分别得到多次激励和多次响应的关系，交流激励的频率范围采用50Hz～10kHz。

模拟滤波器采用可调整中心频率的二阶巴特沃斯带通滤波器，其中心频率范围可以依据交流激励的频率范围来设定，用于滤除非必要的杂波频率。微控制器将采集到的数据通过工业总线发送到上位机，进行性能指标的显示。

本发明采用两种比较手段进行锂电池的故障判断：一种是将所有并联锂电池组1～N与参考并联锂电池组的内阻特性进行比较，从正态分布角度来判断并联电池组的整体寿命情况；另一种是将所有并联锂电池组1～N进行内阻特性的比较，找出偏差较大的锂电池组，进行单独分析和测试，及时发现问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种动力锂电池内阻特性检测系统，其特征在于：系统由微控制器、直接数字式频率合成器(DDS)、模拟滤波器、电流激励驱动、并联锂电池组1～N、参考锂电池组、信号调理单元、模数转换器、基准电压产生电路、工业总线、上位机等模块构成，其中微控制器作为核心控制单元，对其他模块的功能进行控制和调配。

2.根据权利要求1所述的一种动力锂电池内阻特性检测系统，其特征在于所述的检测系统采用整体电池组寿命和单电池组故障两种参数比较方式进行锂电池的故障判断，其中整体电池组寿命采用所有并联锂电池组1～N与参考并联锂电池组的内阻特性进行比较，从正态分布角度来判断并联电池组的整体寿命情况；单电池组故障的判断是将所有并联锂电池组1～N的内阻特性进行统计分析和比较，找出偏差较大的锂电池组，进行单独分析和测试。

3.根据权利要求1所述的一种动力锂电池内阻特性检测系统，其特征在于电流激励驱动模块分时驱动N个并联锂电池组1～N和参考并联电池组，采集各个锂电池组的端电压和端电流，利用交流内阻测量方法得到锂电池组的内阻特性。

4.根据权利要求1所述的一种动力锂电池内阻特性检测系统，其特征在于模拟滤波器的输入接在直接数字式频率合成器的输出，采用可调整中心频率的二阶巴特沃斯带通滤波器，其中心频率范围可以依据交流激励的频率范围来设定，用于滤除非必要的杂波频率。

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