CN113533986A - 一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VMD‑Hilbert的蓄电池内阻测量系统，该系统包括主控制模块、开关驱动模块、信号采集模块以及主电路模块，还公开了基于该系统实现的一种蓄电池内阻测量方法，具体包括如下步骤：S1、利用主控制模块输出脉冲信号控制主电路的通断，使待测蓄电池形成脉冲放电，并分别采集待测蓄电池和采样电阻的特征电压信号U₁和U₂；S2、对采集的特征电压信号U₁和U₂通过VMD‑Hilbert变换得到电压信号有效值U_1rms和U_2rms；S3、根据电压信号有效值U_1rms和U_2rms计算出待测蓄电池的内阻。本发明的方法能准确测量蓄电池内阻值，解决现有技术中因为信号干扰而导致蓄电池内阻测量不准确的问题。

Description

一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法与系统

技术领域

本发明涉及蓄电池内阻测量技术领域，特别涉及一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法与系统。

背景技术

蓄电池内阻是最能直观体现蓄电池内部状态的参数，通过检测蓄电池内阻能够排查老化的、有故障的蓄电池。但蓄电池的内阻很小，在几百微欧和几十毫欧之间，如果使用常规的伏安法，可能同时存在充电和放电，导致无法稳定控制检测电流，形成信号干扰，造成蓄电池内阻测量精度过低。

目前通用的蓄电池内阻测量法主要有直流放电法和交流注入法。直流放电法是由电池组产生一个瞬间负载电流，通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复便可推导电池内阻，该方法由于短时放电，其造成的大电流在一定程度上会损害蓄电池内部；交流注入法是向蓄电池注入一个频率恒定、幅值较小的交流信号，测量出通过蓄电池的电流及其两端电压响应，然后通过欧姆定律来计算电池内阻，但该方法成本较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法与系统。

本发明采用以下技术方案：

一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量系统，包括主控制模块、开关驱动模块、信号采集模块以及主电路模块，所述主电路模块为放电开关、采样电阻和待测蓄电池串联形成的主电路，所述开关驱动模块由驱动电路和放电单元组成，所述主控制模块分别与所述开关驱动模块和信号采集模块相连，所述开关驱动模块和信号采集模块分别与所述待测蓄电池相连。

进一步地，所述开关驱动模块用于驱动所述放电开关以控制所述主电路的通断。

进一步地，所述信号采集模块用于采集所述主电路的电压信号、初步处理所述电压信号并传送给所述主控制模块。

进一步地，所述主控制模块用于提供脉冲信号给所述开关驱动模块、对所述信号采集模块采集的所述主电路的电压信号进行分析处理。

进一步地，所述主控制模块采用PC机。

一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法，基于所述蓄电池内阻测量系统实现，具体包括如下步骤：

S1、利用主控制模块输出脉冲信号控制主电路的通断，使待测蓄电池形成脉冲放电，并分别采集待测蓄电池和采样电阻的特征电压信号U₁和U₂；

S2、对采集的特征电压信号U₁和U₂通过VMD-Hilbert变换得到电压信号有效值U_1rms和U_2rms；

S3、根据电压信号有效值U_1rms和U_2rms计算出待测蓄电池的内阻。

进一步地，步骤S2具体包括如下步骤：

S21、分别对待测蓄电池的特征电压信号U₁和采样电阻的特征电压信号U₂采用变分模态分解，得到各自的IMF分量；

S22、分别对两组IMF分量进行希尔伯特变换，得到各自的瞬时频率和瞬时幅值；

S23、根据所述脉冲信号的频率和瞬时频率得到待测蓄电池的电压信号有效值U_1rms和采样电阻的电压信号有效值U_2rms。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

本发明采用基于VMD(变分模态分解)的谐波分解方法，能有效将从采样电阻和蓄电池得到的特征电压信号分解成多个IMF分量，进而使用Hilbert(希尔伯特)变换得到特征电压信号有效值，保证得到准确的蓄电池内阻的测量值，解决现有技术中因为信号干扰而导致蓄电池内阻测量不准确的问题。

附图说明

图1为本发明蓄电池内阻测量系统结构图；

图2为本发明的主电路模块电路图；

图3为本发明的信号采集模块电路图；

图4为本发明的放电单元的电路图；

图5为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量系统，包括主控制模块、开关驱动模块、信号采集模块以及主电路模块，如图2所示，所述主电路模块为放电开关、采样电阻和待测蓄电池串联形成的主电路，所述开关驱动模块由驱动电路和放电单元组成，所述主控制模块分别与所述开关驱动模块和信号采集模块相连，所述开关驱动模块和信号采集模块分别与所述待测蓄电池相连。

所述开关驱动模块用于驱动所述放电开关以控制所述主电路的通断。

所述主控制模块用于提供脉冲信号给所述开关驱动模块、对所述信号采集模块采集的所述主电路的电压信号进行分析处理。所述主控制模块采用PC机。

如图3所示，所述信号采集模块用于采集所述主电路的电压信号、初步处理所述电压信号并传送给所述主控制模块。具体为：将采集得到的待测蓄电池两端电压经过差分电路，使其电压在合适范围内；接着经过一隔直电容，只允许通过由脉动信号所产生的电压信号，再经过放大电路令电压在合适范围，再传输给主控制模块，而后在主控制模块中对采集得到的电压信号进行VMD-Hilbert变换。而对于采样电阻上的电压信号，只进行简单的差分放大电路，再传输到主控制模块中。

如图4所示，为所述放电单元的电路图，其中，MOS管输出回路的电流由采样电阻Rs转换成电压，反馈到运放的反向端实现控制，可控制MOS管输出回路的电流稳定，电容C1作用是消除杂波和使得电压变化速度缓慢，减少MOS管G极电压高频变化而引起震荡的可能；图4中开关的作用是控制MOS管的通断，通过主控制模块来输出脉冲信号，从而使待测蓄电池能够进行脉冲放电。

实施例二

如图5所示，一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法，基于实施例一所述的蓄电池内阻测量系统实现，具体包括如下步骤：

S1、利用主控制模块输出脉冲信号控制主电路的通断，使待测蓄电池形成脉冲放电，并分别采集待测蓄电池和采样电阻的特征电压信号U₁和U₂；

S2、对采集的特征电压信号U₁和U₂通过VMD-Hilbert变换得到电压信号有效值U_1rms和U_2rms；

步骤S2具体包括如下步骤：

S21、分别待测蓄电池的特征电压信号U₁和采样电阻的特征电压信号U₂采用变分模态分解，得到各自的IMF分量；

变分模态分解(VMD算法)的分解过程包括：变分问题的构造和求解。

首先是变分问题的构造：

变分模态分解中的“模态”定义为有带宽限制的调频调幅函数，假设每个“模态”都具有中心频率的有限带宽，变分问题可以描述为寻求k个模态函数u_k(t)。具体构造步骤为：

(1)通过希尔伯特变换，得到每个模态函数u_k(t)的解析信号及单边谱：

(2)然后加入指数函数

，可以把每个模态的频谱调制到相应的基频段上：

(3)计算该解调信号梯度的平方L2范数，估计各模态信号带宽，为使带宽之和最小，建立约束变分模型为：

上式中，ω_k表示各模态u_k对应的中心频率。

其次是变分问题的求解：

(4)为得到上述约束变分模型的最优解，将约束变分问题变为非约束本分问题，扩展的拉格朗日表达式为：

上式中，α为二次惩罚因子，λ为拉格朗日惩罚算子；

(5)采用交替乘子方向算法不断更新

λ来寻求上述扩展的拉格朗日表达式的鞍点。其中，频域分量

取值可表述为：

上式中，

可认为是当前剩余量

进行维纳滤波的输出；

而各分量的中心频率ω_k可表述为：

上式中的

表示为当前模态函数功率谱的中心。

通过对混合信号进行VMD分解，可得到：

上式中，m表示VMD分解得到的IMF个数，c_i(t)、r(t)分别表示IMF分量和剩余分量。

S22、分别对两组IMF分量进行希尔伯特变换，得到各自的瞬时频率和瞬时幅值；

其步骤具体如下：

对每个IMF分量进行希尔伯特变换，得到：

所以其解析信号为：

从而可得到其瞬时幅值和相位分别为：

瞬时角频率和瞬时频率分别为：

所以希尔伯特频谱可表示为：

S23、根据所述脉冲信号的频率和瞬时频率得到待测蓄电池的电压信号有效值U_1rms和采样电阻的电压信号有效值U_2rms。

欧姆定律的计算公式为：

上式中，R和I_rms分别表示为蓄电池内阻和电流信号有效值。

S3、根据电压信号有效值U_1rms和U_2rms计算出待测蓄电池的内阻。

因为采样电路与蓄电池在同一回路中，流过两者的电流是相等的，所以可得：

其中r表示采样电阻。根据步骤S23得到的待测蓄电池的电压信号有效值U_1rms和采样电阻的电压信号有效值U_2rms，可得蓄电池内阻为：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量系统，其特征在于：包括主控制模块、开关驱动模块、信号采集模块以及主电路模块，所述主电路模块为放电开关、采样电阻和待测蓄电池串联形成的主电路，所述开关驱动模块由驱动电路和放电单元组成，所述主控制模块分别与所述开关驱动模块和信号采集模块相连，所述开关驱动模块和信号采集模块分别与所述待测蓄电池相连。

2.如权利要求1所述的一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量系统，其特征在于：所述开关驱动模块用于驱动所述放电开关以控制所述主电路的通断。

3.如权利要求2所述的一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量系统，其特征在于：所述信号采集模块用于采集所述主电路的电压信号、初步处理所述电压信号并传送给所述主控制模块。

4.如权利要求3所述的一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量系统，其特征在于：所述主控制模块用于提供脉冲信号给所述开关驱动模块、对所述信号采集模块采集的所述主电路的电压信号进行分析处理。

5.如权利要求1所述的一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量系统，其特征在于：所述主控制模块采用PC机。

6.如权利要求1至5任一项所述的一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：基于所述蓄电池内阻测量系统实现，具体包括如下步骤：

S1、利用主控制模块输出脉冲信号控制主电路的通断，使待测蓄电池形成脉冲放电，并分别采集待测蓄电池和采样电阻的特征电压信号U₁和U₂；

S2、对采集的特征电压信号U₁和U₂通过VMD-Hilbert变换得到电压信号有效值U_1rms和U_2rms；

S3、根据电压信号有效值U_1rms和U_2rms计算出待测蓄电池的内阻。

7.如权利要求6所述的一种基于VMD-Hilbert的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：步骤S2具体包括如下步骤：

S21、分别对待测蓄电池的特征电压信号U₁和采样电阻的特征电压信号U₂采用变分模态分解，得到各自的IMF分量；

S22、分别对两组IMF分量进行希尔伯特变换，得到各自的瞬时频率和瞬时幅值；

S23、根据所述脉冲信号的频率和瞬时频率得到待测蓄电池的电压信号有效值U_1rms和采样电阻的电压信号有效值U_2rms。

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