CN113219352A - 一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法 - Google Patents

一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法，包括扰动电池串和微控制器；扰动电池串包括电池串和旁路单元，扰动电池串输出的N个电池的实时电压信号、实时电流信号和旁路部分的实时电流信号进入一个或多个微控制器的模数转换ADC端口，经模数转换后用于后续的阻抗谱计算；微控制器的IO口输出旁路信号给旁路单元，用于控制旁路单元动作。本发明利用电池串中的部分等效电池的旁路和接入方式产生周期激励信号，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，通过旁路方式产生周期激励信号，功率流通通道始终存在，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。

Description

一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法
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。
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：
一种电池串的阻抗谱在线检测系统，包括扰动电池串和微控制器；扰动电池串包括电 池串和旁路单元，扰动电池串输出的N个电池的实时电压信号、实时电流信号和旁路部 分的实时电流信号进入一个或多个微控制器的模数转换ADC端口，经模数转换后用于后续的阻抗谱计算；微控制器的IO口输出旁路信号给旁路单元，用于控制旁路单元动作。
进一步的，电池串为N个等效电池，N≥1，串联组成；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，包含电流传感器及信号处理，负责采集流过串联等效电池的实时电流。
进一步的，等效电池为电池单体或其串联组合，或电池串并联组合并封装后的系统。
进一步的，在电池串中任意位置选取M个连续串联的等效电池，其中N≥M≥1，用旁路单元替换该M个等效电池在电池串中的位置，即旁路单元的Sig+和Sig-接入电池串， 被替换的M个连续串联电池并联接入旁路单元的第一和第二功率端；旁路单元包括旁路 装置和实时电流采样；旁路装置的Vout端连接Sig+端，V+端与第一功率端连接，旁路装 置的V-端与Sig-端连接；旁路装置能够根据输入的旁路信号控制开关器件实现单向或双 向导通和关断功能，控制电流流过和不流过等效电池；实时电流采样一端与Sig-端连接， 另一端与第二功率端连接。
进一步的，旁路装置包括第一旁路装置、第二旁路装置、第三旁路装置或第四旁路装 置，第一旁路装置包括可控的开关K1和二极管D，二极管D阳极连接V-端，阴极连接 Vout端，旁路信号与K1控制端连接，K1设置在端口V+和二极管D的阴极之间；第二 旁路装置包括可控的开关K2和K3，旁路信号连接K2的控制端，旁路信号经反向后连接 K3的控制端，K2设置在Vout端和V+端之间，K3设置于Vout端和V-端之间；第三旁路 装置包括可控的开关K4，旁路信号连接开关K4的控制端，K4设置在Vout端和V+端之 间；第四旁路装置包括单刀双掷开关K5，旁路信号连接K5的控制端，单刀双掷开关K5 的动端连接Vout端，两不动端分别连接V+端和V-端。
进一步的，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体为 三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器或干簧管。
进一步的，当旁路信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端 断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，旁路通道断开，电流只能流过等效电池； 当旁路信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过等效电池；当旁路信号控制K1与V+ 端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电 流不在流过等效电池，而是通过旁路流通。
进一步的，微控制器作为阻抗谱在线快速检测的控制和阻抗谱计算的执行载体，该微 控制器能够接收模数转换模块ADC的信号或者自身就具有模数转换的功能，用于将电压、 电流采样得到的模拟信号转换成可用于计算的数字信号，同时该控制器具有数字IO信号 输出能力，用于向基本检测单元中旁路模块输出旁路信号。
进一步的，一种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，旁路单元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，微控制器通过IO口控制旁路装置按照选定频率fn对接入旁路单元的等效电 池进行接入和旁路操作，从而在所有等效电池上产生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3，微控制器同时控制ADC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：
Figure BDA0002920015410000041
对旁路单元周期性动作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，进而求得该频点下的阻抗
Figure BDA0002920015410000042
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：
Figure BDA0002920015410000043
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：
本发明利用电池串中的部分等效电池的旁路和接入方式产生周期激励信号，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：
1、通过旁路方式产生周期激励信号，功率流通通道始终存在，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、扰动输入是利用串联的电池串本身实现，无需额外的能量注入，也没有能量损失。 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，本发明采用旁路工作电流或电 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；
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为电池串系统。
图2为旁路单元。
图3为旁路装置及其实现方式。
图4为电池串接入旁路单元示例。
图5为扰动电池串与微控制连接示意图。
图6为典型应用工况示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
本发明提供一种利用电池串中部分等效电池作为激励源，实时在线向电池串中注入 电压或电流的周期激励信号，并检测该周期激励信号下等效电池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系统。
在电池串系统中任意位置选取合适数量的串联的等效电池，接入如图2所示的旁路 单元。旁路单元包括旁路装置和实时电流采样。旁路装置首先能根据输入的旁路信号控制 开关器件实现单向或双向导通和关断功能，从而控制电流流过和不流过等效电池。在此基 础上可增加旁路功能，从而控制电流不流过等效电池时可以通过其他通路继续流通。旁路 装置在具体实施时可使用包括但不限于图3中的四种方式，其中D为二极管，K5为单刀双掷开关，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体实现可 采用包括但不限于三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器、干簧管以及他们的组 合。当旁路信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4 连接V+端，或K5切换到V+端时，旁路通道断开，电流只能流过等效电池；当旁路信号 控制K4与V+端断开时，电流不再流过等效电池；当旁路信号控制K1与V+端断开，或 者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过 等效电池，而是通过旁路流通。
图4所示为在电池串系统中选取前端2个等效电池接入旁路单元示意图。接入扰动单元的扰动电池串输出的N个电池电压信号和实时电流信号，旁路部分电流信号经模数 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。同时微控制器的IO口 可输出旁路信号给扰动电池串中的旁路单元，用于控制旁路单元动作，如图5所示。所述 微控制可以是单独的设备，也可以直接采用系统中其他器件或设备中所具有的微控制器。
本发明适用于电池串非并联的使用场景，包括但不限于电池串接直流变换器，或者 接储能变流器。如图6所示为典型应用工况。
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，旁路单元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，微控制器通过IO口控制旁路装置按照选定频率fn对接入的等效电池进行接入和旁路操作，从而在所有等效电池上产生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：
Figure BDA0002920015410000071
步骤3，微控制器同时控制ADC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：
Figure BDA0002920015410000072
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
Figure BDA0002920015410000081
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：
Figure BDA0002920015410000082
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 (10)

1.一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，包括扰动电池串和微控制器；扰动电池串包括电池串和旁路单元，扰动电池串输出的N个电池的实时电压信号、实时电流信号和旁路部分的实时电流信号进入一个或多个微控制器的模数转换ADC端口，经模数转换后用于后续的阻抗谱计算；微控制器的IO口输出旁路信号给旁路单元，用于控制旁路单元动作。
2.根据权利要求1所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，电池串为N个等效电池，N≥1，串联组成；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，包含电流传感器及信号处理，负责采集流过串联等效电池的实时电流。
3.根据权利要求2所述的一种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，或电池并联组合并封装后的系统。
4.根据权利要求1所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，在电池串中任意位置选取M个连续串联的等效电池，其中N≥M≥1，用旁路单元替换该M个等效电池在电池串中的位置，即旁路单元的Sig+和Sig-接入电池串，被替换的M个连续串联电池并联接入旁路单元的第一和第二功率端；旁路单元包括旁路装置和实时电流采样；旁路装置的Vout端连接Sig+端，V+端与第一功率端连接，旁路装置的V-端与Sig-端连接；旁路装置能够根据输入的旁路信号控制开关器件实现单向或双向导通和关断功能，控制电流流过和不流过等效电池；实时电流采样一端与Sig-端连接，另一端与第二功率端连接。
5.根据权利要求1所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，旁路装置包括第一旁路装置、第二旁路装置、第三旁路装置或第四旁路装置，第一旁路装置包括可控的开关K1和二极管D，二极管D阳极连接V-端，阴极连接Vout端，旁路信号与K1控制端连接，K1设置在端口V+和二极管D的阴极之间；第二旁路装置包括可控的开关K2和K3，旁路信号连接K2的控制端，旁路信号经反向后连接K3的控制端，K2设置在Vout端和V+端之间，K3设置于Vout端和V-端之间；第三旁路装置包括可控的开关K4，旁路信号连接开关K4的控制端，K4设置在Vout端和V+端之间；第四旁路装置包括单刀双掷开关K5，旁路信号连接K5的控制端，单刀双掷开关K5的动端连接Vout端，两不动端分别连接V+端和V-端。
6.根据权利要求5所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体为三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器或干簧管。
7.根据权利要求5所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，当旁路信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，旁路通道断开，电流只能流过等效电池；当旁路信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过等效电池；当旁路信号控制K1与V+端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过等效电池，而是流过旁路流通。
8.根据权利要求1所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，微控制器作为阻抗谱在线快速检测的控制和阻抗谱计算的执行载体，该微控制器能够接收模数转换模块ADC的信号或者自身就具有模数转换的功能，用于将电压、电流采样得到的模拟信号转换成可用于计算的数字信号，同时该控制器具有数字IO信号输出能力，用于向基本检测单元中旁路模块输出旁路信号。
9.一种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8任意一项所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，包括以下步骤：
步骤1，旁路单元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，微控制器通过IO口控制旁路装置按照选定频率fn对接入旁路单元的等效电池进行接入和旁路操作，从而在所有等效电池上产生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3，微控制器同时控制ADC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：
Figure FDA0002920015400000031
对旁路单元周期性动作引起的电压和电流周期性响应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，进而求得该频点下的阻抗
Figure FDA0002920015400000032
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。
10.根据权利要求9所述的一种电池串的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；计算中还能够采用Goertzel算法：
Figure FDA0002920015400000033
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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