CN114236408A - 一种锂电池可控宽频带阻抗测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂电池可控宽频带阻抗测量方法及装置。测量方法包括步骤：设置测量状态、处理扰动幅值和计算直流阻抗和交流阻抗。测量装置包括AC/DC变换器、DC/DC变换器和稳压电容；还包括电压电流实时采集模块、直流/交流阻抗计算模块、扰动发生器和中央控制器；电压电流实时采集模块连接到电压传感器和电流传感器；直流/交流阻抗计算模块用于计算直流和交流阻抗；扰动发生器用于产生交流电压或交流电流扰动信号；中央控制器用于控制AC/DC变换器和DC/DC变换器的工作状态，还用于控制扰动发生器。本发明通过设置三种阻抗测量状态，能够将锂电池不同工作过程中的信息通过阻抗进行表达，有效地提高了所测锂电池阻抗的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池检测技术领域，特别是一种锂电池可控宽频带阻抗测量方法及装置。
背景技术
为实现“碳达峰、碳中和”能源战略目标，构建以新能源为主体的新型电力系统是切实可行的技术路线。其中，储能系统具有削峰填谷、灵活性高、可调度性强的特性，成为新型电力系统不可分割的一部分。然而，近年来我国大型锂电池储能电站与电动汽车安全事故频发，对我国社会经济和生产生活造成了严重影响。因此，实现锂电池储能系统的主动管理与安全评价是必由之路。宽频带阻抗是表征锂电池运行状态与安全性的重要指标，不同频率下的阻抗能够反映锂电池内部不同的运行状态，可以通过阻抗估计锂电池的温度、荷电状态、健康状态以及实现特定故障模式的诊断。特别地，电化学阻抗谱(EIS)是电化学应用中广泛使用的工具，它提供了一种从外部测量中分析内部过程的无损方法。因此，如何精确获取锂电池的宽频带阻抗成为提升锂电池储能系统安全性的关键。
传统的EIS方法是一种准稳态测量方法，测量前需要将电池进行充分静置，保证其处于稳定的状态，并且在扫频模式下进行测量，速度较慢，不适合用于实时控制系统中。在实际应用中，锂电池需要不停地进行充电和放电，其阻抗也会发生相应地变化。
发明内容
针对传统EIS阻抗测量速度慢、且无法在充、放电过程中实时获取锂电池阻抗信息的缺点，本发明提供了一种锂电池可控宽频带阻抗测量方法及装置。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种锂电池可控宽频带阻抗测量方法，所述锂电池为单个锂电池或者锂电池串联模组；步骤1，设置测量状态，包括：
准稳态宽频带阻抗测量：为所述锂电池施加直流电压vdc等于0且交流电压vac等于y(t)；或者，为所述锂电池施加直流电流idc等于0且交流电流iac等于y(t)；
充电中进行宽频带阻抗测量：为所述锂电池施加直流电压vdc大于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)>0；或者，为所述锂电池施加直流电流idc大于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)>0；
放电中进行宽频带阻抗测量：为所述锂电池施加直流电压vdc小于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)<0；或者，为所述锂电池施加直流电流idc小于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)<0；
所述y(t)＝A*sin(2π(f0+(f1-f0)t/Ts)t)为扰动信号；式中，t为时间，Ts为频率变化周期，f0为可设定频段的最低频率值，f1为可设定频段的最高频率值，A为预设常数且A大于0；
步骤2，处理扰动幅值：
当所述锂电池为单个锂电池，如单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则修改y(t)的预设常数A直到单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
当所述锂电池为锂电池串联模组，如锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则修改y(t)的预设常数A直到锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
步骤3，计算直流阻抗和交流阻抗：
当所述锂电池为单个锂电池，采集单个锂电池的电流和电压，计算单个锂电池的直流阻抗和交流阻抗；
当所述锂电池为锂电池串联模组，采集锂电池串联模组的电流，采集锂电池串联模组中每一个锂电池的电压，计算每一个锂电池的直流阻抗和交流阻抗。
一种锂电池可控宽频带阻抗测量装置，所述锂电池为单个锂电池或者锂电池串联模组；包括AC/DC变换器、DC/DC变换器和稳压电容；AC/DC变换器的输入端连接到交流电源，输出端连接到DC/DC变换器的输入端；DC/DC变换器的输出端连接到所述锂电池；稳压电容的两端连接到DC/DC变换器的输入端；还包括采集所述锂电池电流的电流传感器；还包括采集单个锂电池电压的电压传感器，或者采集锂电池串联模组中每一个锂电池电压的电压传感器；还包括电压电流实时采集模块、直流/交流阻抗计算模块、扰动发生器和中央控制器；电压电流实时采集模块连接到电压传感器和电流传感器；直流/交流阻抗计算模块用于计算直流和交流阻抗；扰动发生器用于产生交流电压或交流电流扰动信号；中央控制器用于控制AC/DC变换器和DC/DC变换器的工作状态，还用于控制扰动发生器。
上述测量装置的测量方法，包括：
步骤1，设置测量模式，包括：
准稳态宽频带阻抗测量：
扰动发生器产生交流电压扰动信号y(t)；当y(t)>0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；当y(t)<0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电压vdc等于0且交流电压vac等于y(t)；
或者，扰动发生器产生交流电流扰动信号y(t)；当y(t)>0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；当y(t)<0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电流idc等于0且交流电流iac等于y(t)；
充电中进行宽频带阻抗测量：
扰动发生器产生交流电压y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；使得对所述锂电池施加的直流电压vdc大于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)>0；
或者，扰动发生器产生交流电流y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；使得对所述锂电池施加的直流电流idc大于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)>0；
放电中进行宽频带阻抗测量：
扰动发生器产生交流电压y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电压vdc小于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)<0；
或者，扰动发生器产生交流电流y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电流idc小于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)<0；
其中，y(t)＝A*sin(2π(f0+(f1-f0)t/Ts)t)为扰动信号；式中，t为时间，Ts为频率变化周期，f0为可设定频段的最低频率值，f1为可设定频段的最高频率值，A为预设常数且A大于0；
步骤2，处理扰动幅值：
当所述锂电池为单个锂电池，如单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则中央控制器控制扰动发生器修改y(t)的预设常数A直到单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
当所述锂电池为锂电池串联模组，如锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则中央控制器控制扰动发生器修改y(t)的预设常数A直到锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
步骤3，计算直流阻抗和交流阻抗：
当所述锂电池为单个锂电池，电压电流实时采集模块通过电流传感器和电压传感器分别采集单个锂电池的电流和电压，直流/交流阻抗计算模块计算单个锂电池的直流阻抗和交流阻抗；
当所述锂电池为锂电池串联模组，电压电流实时采集模块通过电流传感器采集锂电池串联模组的电流并通过每一个电压传感器采集锂电池串联模组中每一个锂电池的电压，直流/交流阻抗计算模块计算每一个锂电池的直流阻抗和交流阻抗。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1)通过设置三种阻抗测量状态，即准稳态宽频带阻抗测量、充电中进行宽频带阻抗测量、放电中进行宽频带阻抗测量，能够将锂电池不同工作过程中的信息通过阻抗进行表达，有效地提高了所测锂电池阻抗的可靠性。
2)测量过程中引入鸟鸣信号，可实现注入的扰动幅值、频带均匀且完全可控，大大提高了阻抗测量的精度和效率。
3)基于AC/DC变换器与DC/DC变换器，可实现阻抗信息的在线获取，并能够在多种模式下进行自由地切换，且可实现能量从电网到被测锂电池的双向流动，不会造成额外的能量损失，同时能够灵活地设置DC/DC变换器的输入电压，提高其工作效率。
附图说明
图1为测量装置的结构图。
图2为锂电池可控宽频带阻抗测量装置的测量方法步骤框图。
图3(a)至图3(f)分别为测量装置在待机模式、准稳态阻抗测量模式、充电模式、放电模式、充电中进行宽频阻抗测量模式和放电中进行宽频阻抗测量模式下，锂电池电压、电流给定值的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
锂电池可控宽频带阻抗测量装置结构如图1所示，隔离变压器(T)的原边接入单相交流电网(S)，副边与AC/DC变换器(C1)连接，采用电压型单相PWM整流器结构；双向DC/DC变换器(C2)采用Buck-Boost电路，其输入端接有电解电容(C)，输出端与锂电池串联模组(或单个锂电池)连接，锂电池型号为NCR18650B；电流传感器采用霍尔电流传感器，与锂电池模组串联；电压传感器采用霍尔电压传感器，与每个锂电池单元并联。
其中，双向DC/DC变换器(C2)也可以采用能够控制实现电压升压、降压的其它电路。
中央控制器接受触控屏与电压、电流采集单元的信号，然后发出PWM信号控制AC/DC变换器与DC/DC变换器；触控屏可实时显示由中央控制器和直流/交流阻抗计算单元发出的电压、电流和阻抗信息。电压、电流去噪单元采用小波去噪算法或其它去噪算法，祛除采集过程中产生的噪声。
锂电池可控宽频带阻抗测量装置的测量方法如图2所示：
A、装置模式的选择：在触控屏上选择相应地工作模式，然后设定不同工作模式所对应的给定电压、电流的参数。
如图3(a)至图3(f)所示，装置的测量模式有以下几种：
模式1：装置处于待机状态，所有的参考值均为0；
模式2：装置处于准稳态宽频阻抗测量状态，施加的直流电压vdc等于0，交流电压vac等于y(t)；或施加的直流电流idc等于0，交流电流iac等于y(t)；
模式3：装置处于充电状态，施加的直流电压vdc等于x(t)>0，交流电压vac等于0；或直流电流idc等于x(t)>0，交流电流iac等于0；
模式4：装置处于放电状态，施加的直流电压vdc等于x(t)<0，交流电压vac等于0；或直流电流idc等于x(t)<0，交流电流iac等于0；
模式5：装置处于充电中进行宽频阻抗测量状态，施加的直流电压vdc等于x(t)>0，交流电压vac等于y(t)，且x(t)+y(t)>0；或施加的直流电流idc等于x(t)>0，交流电流iac等于y(t)，且x(t)+y(t)>0；
模式6：装置处于放电中进行宽频阻抗测量状态，施加的直流电压vdc等于x(t)<0，交流电压vac等于y(t)，且x(t)+y(t)<0；或施加的直流电流idc等于x(t)<0，交流电流iac等于y(t)，且x(t)+y(t)<0；
其中x(t)为一常数；y(t)为鸟鸣信号，是一种在频率变换周期内，频率随时间线性变化的变频正弦信号，其数学表达式为：y(t)＝Asin(2π(f0+(f1-f0)t/Ts)t)，式中，t为时间，Ts为频率变化周期，f0为可设定频段的最低频率值，f1为可设定频段的最高频率值，A为幅值。
B、参数预处理：若设定模式为2、5和6，则需要对所设定扰动幅值进行处理，在工作之前预先给待测电池模组注入设定扰动值，其中扰动为电压或电流，若每个锂电池单元产生的激励电压幅值不超过上限值(一般为10mV)，则维持原扰动幅值继续工作；若其中一个锂电池单元产生的激励电压幅值超过上限值，则调整注入扰动的幅值，直至每一个锂电池单元产生的激励电压幅值都满足小于上限值的条件。
C、中央控制器发送PWM信号：根据所设定的工作模式，控制AC/DC变换器(C1)、DC/DC变换器(C2)处于不同的状态，分别是：
模式1：AC/DC变换器(C1)与DC/DC变换器(C2)均不工作。
模式2：当y(t)>0时，则AC/DC变换器(C1)处于整流状态，DC/DC变换器(C2)处于Buck状态；当y(t)<0时，则AC/DC变换器(C1)处于逆变状态，DC/DC变换器(C2)处于Boost状态。
模式3：AC/DC变换器(C1)工作在整流状态，DC/DC变换器(C2)工作在Buck状态。
模式4：AC/DC变换器(C1)工作在逆变状态，DC/DC变换器(C2)工作在Boost状态。
模式5：AC/DC变换器(C1)工作在整流状态，DC/DC变换器(C2)工作在Buck状态。
模式6：AC/DC变换器(C1)工作在逆变状态，DC/DC变换器(C2)工作在Boost状态。
D、电压、电流信息获取与去噪：
装置工作时，电压传感器、电流传感器将实时采集信号，并进行小波去噪处理，得到较为准确的数据。
E、阻抗数据处理：
对电压、电流数据进行快速傅里叶变换得到对应的频谱，
式中，U为每个锂电池单元的时域值，I为锂电池串联模组的时域值；F为快速傅里叶变换；usw为每个锂电池单元电压的频域值，isw为每个锂电池单元电流的频域值。
根据上面的结果，计算得到每个电池单元的直流/交流阻抗幅值和相位，并转换为实部、虚部的表达形式。
直流阻抗：
交流阻抗：
其中：Zdc为锂电池的直流阻抗，uswdc、iswdc分别为每个锂电池单元电压、电流频域值的直流分量，AZdc为直流阻抗的幅值，
为直流阻抗的相角，RZdc、IZdc为直流阻抗的实部、虚部。
Zac为锂电池的交流阻抗，uswac、iswac分别为每个锂电池单元电压、电流频域值的交流分量，AZac为交流阻抗的幅值，
为交流阻抗的相角，RZac、IZac为交流阻抗的实部、虚部。
F、阻抗数据实时显示：
将步骤E得到的阻抗信息，传递给控制屏实时显示，可以绘制Nyquist、bode图。
Claims (5)
1.一种锂电池可控宽频带阻抗测量方法，其特征在于，所述锂电池为单个锂电池或者锂电池串联模组；
步骤1，设置测量状态，包括：
准稳态宽频带阻抗测量：为所述锂电池施加直流电压vdc等于0且交流电压vac等于y(t)；
或者，为所述锂电池施加直流电流idc等于0且交流电流iac等于y(t)；
充电中进行宽频带阻抗测量：为所述锂电池施加直流电压vdc大于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)>0；或者，为所述锂电池施加直流电流idc大于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)>0；
放电中进行宽频带阻抗测量：为所述锂电池施加直流电压vdc小于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)<0；或者，为所述锂电池施加直流电流idc小于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)<0；
所述y(t)＝A*sin(2π(f0+(f1-f0)t/Ts)t)为扰动信号；式中，t为时间，Ts为频率变化周期，f0为可设定频段的最低频率值，f1为可设定频段的最高频率值，A为预设常数且A大于0；
步骤2，处理扰动幅值：
当所述锂电池为单个锂电池，如单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则修改y(t)的预设常数A直到单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
当所述锂电池为锂电池串联模组，如锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则修改y(t)的预设常数A直到锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
步骤3，计算直流阻抗和交流阻抗：
当所述锂电池为单个锂电池，采集单个锂电池的电流和电压，计算单个锂电池的直流阻抗和交流阻抗；
当所述锂电池为锂电池串联模组，采集锂电池串联模组的电流，采集锂电池串联模组中每一个锂电池的电压，计算每一个锂电池的直流阻抗和交流阻抗。
2.一种锂电池可控宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述锂电池为单个锂电池或者锂电池串联模组；包括AC/DC变换器、DC/DC变换器和稳压电容；AC/DC变换器的输入端连接到交流电源，输出端连接到DC/DC变换器的输入端；DC/DC变换器的输出端连接到所述锂电池；稳压电容的两端连接到DC/DC变换器的输入端；还包括采集所述锂电池电流的电流传感器；还包括采集单个锂电池电压的电压传感器，或者采集锂电池串联模组中每一个锂电池电压的电压传感器；还包括电压电流实时采集模块、直流/交流阻抗计算模块、扰动发生器和中央控制器；电压电流实时采集模块连接到电压传感器和电流传感器；直流/交流阻抗计算模块用于计算直流和交流阻抗；扰动发生器用于产生交流电压或交流电流扰动信号；中央控制器用于控制AC/DC变换器和DC/DC变换器的工作状态，还用于控制扰动发生器。
3.如权利要求2所述的一种锂电池可控宽频带阻抗测量装置，其特征在于，还包括用于去噪处理的电压电流去噪模块。
4.如权利要求2所述的一种锂电池可控宽频带阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
步骤1，设置测量模式，包括：
准稳态宽频带阻抗测量：
扰动发生器产生交流电压扰动信号y(t)；当y(t)>0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；当y(t)<0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电压vdc等于0且交流电压vac等于y(t)；
或者，
扰动发生器产生交流电流扰动信号y(t)；当y(t)>0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；当y(t)<0时，中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电流idc等于0且交流电流iac等于y(t)；
充电中进行宽频带阻抗测量：
扰动发生器产生交流电压y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；使得对所述锂电池施加的直流电压vdc大于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)>0；
或者，
扰动发生器产生交流电流y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在整流状态，DC/DC变换器工作在降压状态；使得对所述锂电池施加的直流电流idc大于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)>0；
放电中进行宽频带阻抗测量：
扰动发生器产生交流电压y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电压vdc小于0且交流电压vac等于y(t)，vdc+y(t)<0；
或者，
扰动发生器产生交流电流y(t)；中央控制器控制AC/DC变换器工作在逆变状态，DC/DC变换器工作在升压状态；使得对所述锂电池施加的直流电流idc小于0且交流电流iac等于y(t)，idc+y(t)<0；
其中，y(t)＝A*sin(2π(f0+(f1-f0)t/Ts)t)为扰动信号；式中，t为时间，Ts为频率变化周期，f0为可设定频段的最低频率值，f1为可设定频段的最高频率值，A为预设常数且A大于0；
步骤2，处理扰动幅值：
当所述锂电池为单个锂电池，如单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则中央控制器控制扰动发生器修改y(t)的预设常数A直到单个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
当所述锂电池为锂电池串联模组，如锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值则进入下一步，否则中央控制器控制扰动发生器修改y(t)的预设常数A直到锂电池串联模组中每一个锂电池的激励电压幅值不超过其上限值；
步骤3，计算直流阻抗和交流阻抗：
当所述锂电池为单个锂电池，电压电流实时采集模块通过电流传感器和电压传感器分别采集单个锂电池的电流和电压，直流/交流阻抗计算模块计算单个锂电池的直流阻抗和交流阻抗；
当所述锂电池为锂电池串联模组，电压电流实时采集模块通过电流传感器采集锂电池串联模组的电流并通过每一个电压传感器采集锂电池串联模组中每一个锂电池的电压，直流/交流阻抗计算模块计算每一个锂电池的直流阻抗和交流阻抗。
5.如权利要求4所述的一种锂电池可控宽频带阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量装置还包括电压电流去噪模块；所述步骤3替换为：
当所述锂电池为单个锂电池，电压电流实时采集模块通过电流传感器和电压传感器分别采集单个锂电池的电流和电压，经电压电流去噪模块进行去噪处理后，直流/交流阻抗计算模块计算单个锂电池的直流阻抗和交流阻抗；
当所述锂电池为锂电池串联模组，电压电流实时采集模块通过电流传感器采集锂电池串联模组的电流并通过每一个电压传感器采集锂电池串联模组中每一个锂电池的电压，经电压电流去噪模块进行去噪处理后，直流/交流阻抗计算模块计算每一个锂电池的直流阻抗和交流阻抗。
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