CN114895207A - 锂离子电池交流阻抗在线测量方法及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂离子电池交流阻抗在线测量方法和测量系统，其中方法包括：根据测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流的大小和频率，将相应幅值和频率的占空比扰动信号注入到PWM控制信号中，控制产生所需的激励电流；在锂离子电池正常充电或放电过程中，向电池提供激励电流；采集流经电池的电流信号以及电池两端的电压信号，并进行信号处理，获得电流采样信号和电压采样信号；根据电流采样信号和电压采样信号，计算锂离子电池的交流阻抗信息。本发明去除待测信号中的大直流信号，精确的对交流信号进行采样与测量，提高电池电压电流的采样精度，进而提高电池阻抗测量精度。一次激励可以得到多个频率下的交流阻抗，缩短阻抗测量时间。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体地，涉及一种锂离子电池交流阻抗在线测量方法及测量系统。
背景技术
在种类众多的储能电池中，锂离子电池因其在循环寿命、能量密度、自放电率以及功率密度等方面的优势，在某种意义上代表了未来储能的发展趋势，因此其受到的关注度正越来越高，市场投入也越来越大，在智能电网和新能源汽车中都得到了广泛的应用，成为了智能电网储能和新能源汽车动力源的主要选择。电池交流阻抗作为电池的重要参数之一，对于电池内部温度、荷电状态(SOC)、电池健康状态 (SOH)等参数都有很强的参考性，同时对于电池故障判断也具有一定价值，可以为电池管理系统提供关于电池性能的有用信息，帮助电池管理系统对锂离子电池性能进行监测和评估，因此实现电池交流阻抗的精确测量对于电池管理系统的发展具有重要意义。
电池交流阻抗测量方法可分为离线阻抗测量和在线阻抗测量两大类。由于离线方式相对于在线方式更加简单，因此更为多见，但其耗时长且成本较高，在实际应用中使用范围也受到很大的限制，无法应用在新能源汽车以及新能源储能的电池管理系统中，因此探索更具实用价值的在线测量方法也就成为了极具研究价值的方向之一。在线测量电池交流阻抗时，当给锂离子电池注入一个交流激励电流信号后，电压响应信号是大直流电压与微小交流信号以及一些高频噪声干扰信号的叠加。由于直流信号幅值远远高于交流信号幅值，并且还有开关纹波等干扰信号存在，因此如何从这些信号中准确的分离与检测交流小信号是电池阻抗测量的难点所在。
经过检索发现：
公开号为CN109212431A的中国专利申请《一种燃料电池阻抗测量系统及方法》，其中系统包括：信号采集单元，用于采集电堆电压、电堆电流和单体电压；阻抗计算单元，接收采集的电堆电压、电堆电流和单体电压计算得到燃料电池电堆的阻抗和单片燃料电池阻抗；系统负载；DC/DC功率变换器，设于燃料电池电堆和系统负载之间，用于将燃料电池电堆的输出电压升高到系统工作电压，并在直流电流上叠加正弦交流电流作为阻抗的激励电流；控制单元，与阻抗计算单元、DC/DC功率变换器和系统负载，用于根据阻抗计算单元的输出判定燃料电池内部状态，并结合负载功率需求产生相应的 PWM控制信号。
公开号为CN105449241A的中国专利申请《燃料电池在线电化学阻抗谱检测系统及方法》，其中系统采用BOOST电路来控制燃料电池电流，产生一个直流电流和轻微的不影响电池工作的三角波两者叠加组成的电流，等燃料电池工作稳定后，采集燃料电池的电压和电流进行傅里叶分析，得到各个频率下的燃料电池的内阻值，得到电池的电化学阻抗谱。
上述检索到的现有技术，仍然存在如下技术问题：
1、上述技术针对的对象为燃料电池，由于燃料电池的阻抗相比锂离子电池大，因此检测难度不同，上述技术并不适用于对锂离子电池的交流阻抗测量；
2、上述技术未涉及如何进行电压电流信号的精确采样，在电池阻抗测量过程中，所需采样的交流信号都是淹没在大直流信号和高频干扰噪声信号中的微弱信号，因此，如何精确的对交流信号进行采样与测量是电池阻抗测量中亟需解决的关键问题。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提出了一种锂离子电池交流阻抗在线测量方法及测量系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种锂离子电池交流阻抗在线测量方法，包括：
根据用于测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流的大小和频率，将相应幅值和频率的占空比扰动信号注入到PWM控制信号中，控制产生所需的激励电流；
在锂离子电池正常充电或放电过程中，向所述锂离子电池提供所述的激励电流；
采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，并进行信号处理，获得电流采样信号和电压采样信号；
根据所述电流采样信号和所述电压采样信号，计算所述锂离子电池的交流阻抗信息。
可选地，所述根据测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流的大小和频率，将相应幅值和频率的占空比扰动信号注入到PWM控制信号中，控制产生所需的激励电流，包括：
根据直流电源或负载侧的电压要求，确定直流占空比大小为：
其中：D为直流占空比，Vbat为锂离子电池的电压，VDC为直流电源或负载侧的电压；
根据所需激励电流的大小和频率，计算所需占空比扰动信号d的幅值和频率，对PWM信号在所述直流占空比D上附加所述占空比扰动信号d，获得控制产生所需激励电流的控制信号；其中：
所述根据所需激励电流的大小和频率，计算所需占空比扰动信号d的幅值和频率，包括：
根据用于生成激励电流信号的DC/DC电路的小信号模型，得到激励电流信号i(s)与占空比扰动信号d(s)的传递函数
根据所需激励电流i在某一频率f处的幅值imag，得到占空比扰动信号d在频率f处的幅值
其中，j为虚数单位；
所述激励电流信号为三角波信号。
可选地，所述所需激励电流的大小，根据Kramers–Kronig变换的结果确定；其中，所述Kramers–Kronig变换的表达式为：
其中，
和
分别为频率ω下电池交流阻抗的实部和虚部推测值， Zre(ω′)和|Zim(ω′)分别为频率ω′下电池交流阻抗的实部和虚部实测值，ω和ω′均为角频率，ω’为积分中的积分自变量；
所述电池交流阻抗实部和虚部推测值与实测值的误差J表示为：
其中，Z＝Zre+jZim，i为1,2,…N的值，N为总阻抗点数；
当所述误差J最小化时所对应的激励电流大小为最优值；
所述所需激励电流的频率，通过所需测量的电池交流阻抗的频率确定。
可选地，所述采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，并进行信号处理，获得电流采样信号和电压采样信号，包括：
以开关频率作为采样频率，并在所述PWM控制信号波各开关周期导通信号中点进行整扰动周期采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，获得初步电流采样信号和初步电压采样信号；
将获得的所述初步电流采样信号和所述初步电压采样信号进行低通滤波后，分别计算所述初步电流采样信号和所述初步电压采样信号的平均值，得到电流信号和电压信号的直流偏置量；
以开关频率作为采样频率，采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，获得第二次电流采样信号和第二次电压采样信号；
将所述第二次电流采样信号和所述第二次电压采样信号分别减去所述电流信号和电压信号的直流偏置量，得到所述第二次电流采样信号和所述第二次电压采样信号的交流分量；
对获得的所述交流分量进行低通滤波和频段放大处理，得到电流采样信号和电压采样信号。
可选地，所述根据所述电流采样信号和所述电压采样信号，计算所述锂离子电池的交流阻抗信息，包括：
将所述电流采样信号和所述电压采样信号进行互相关运算，得到不同频率下电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位；
根据所述电流采样信号和所述电压采样信号的幅值与相位，得到所述锂离子电池的阻抗；其中，阻抗模值等于所述电压采样信号与所述电流采样信号的幅值之比，阻抗相角等于所述电压采样信号与所述电流采样信号的相位之差。
可选地，所述互相关运算，包括：
由于电压、电流的扰动信号均为周期信号且为奇函数，周期奇信号f(t)可展开为傅里叶级数：
其中，bn为傅里叶系数，ω1为周期信号的角频率,
为信号的初相位，n为基频倍数，t为时间；
所述周期奇信号f(t)可离散化表示为：
其中，Ts为采样周期，k为采样点数；
以采样信号f(k)中某频率mω1下的信号分量
为例，可采取下列互相关运算：
设进行互相关运算的采样信号的参考信号分别为：
ssin＝sin(lω1kTs)
scos＝cos(lω1kTs)
其中，bm为频率mω1下信号的幅值，
为频率mω1下信号的初相位，ssin为正弦参考序列，scos为余弦参考序列，lω1为参考信号角频率；
对采样信号进行互相关运算：
其中，Rcos为进行互相关运算后的同相参考序列，Rsin为进行互相关运算后的正交参考序列，M为进行互相关运算的点数，取为周期信号的整倍数点，即M*Ts＝N*T， T为周期信号的周期，N为整数；
通过互相关运算，计算得到采样信号在频率lω1下分量的相位与幅值为：
因此，采样信号与频率lω1的参考信号进行互相关运算后可得到采样信号中频率为 lω1信号分量的幅值和相位；
通过上述步骤，即得到不同频率下电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位。
可选地，在计算所述锂离子电池的阻抗之前，还包括：
对所述电流采样信号和所述电压采样信号的幅值进行还原，并对所述电流采样信号和所述电压采样信号的相移进行补偿。
根据本发明的另一个方面，提供了一种锂离子电池交流阻抗在线测量系统，包括：功率电路模块、采样电路模块以及控制模块；其中：
所述功率电路模块采用两相交错并联双向DC/DC电路，用于在所述锂离子电池正常充电或放电过程中，向所述锂离子电池提供测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流；
所述采样电路模块，用于采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，并输出电流采样信号和电压采样信号；
所述控制模块，用于接收所述锂离子电池的电流采样信号和电压采样信号，并向所述采样电路模块反馈直流偏置量，用于所述采样电路模块获得电流采样信号和电压采样信号，并根据所述电流采样信号和电压采样信号计算所述锂离子电池的阻抗；发送注入了占空比扰动信号的PWM控制信号至功率电路，控制所述功率电路中功率器件开关产生所需的激励电流。
可选地，所述两相交错并联双向DC/DC电路，包括：电容、共模电感和两个半桥桥臂；其中，每一个所述半桥桥臂均由两个开关管构成，所述共模电感连接于两个所述半桥桥臂的中点和所述锂离子电池的正极之间；所述直流电源或负载经所述电容与两个所述半桥桥臂相连。
可选地，所述采样电路模块，包括：
交直分离单元，用于将所述锂离子电池的电流信号和电压信号分别减去对应的直流偏置量，完成所述电流信号和所述电压信号的交直分离，得到交流分量；
低通滤波和放大单元，采用集成运放搭建的有源滤波器滤除所述交流分量中的开关频率噪声，并采用放大电路对所需频率信号进行放大，得到电流采样信号和电压采样信号。
可选地，所述控制模块，包括：
PWM单元，用于产生注入了占空比扰动信号的PWM控制信号，控制所述功率电路模块生成三角波激励电流；
ADC单元，用于接收所述采样电路模块的采样信号；
DAC单元，用于产生跟随所述采样信号动态变化的直流偏置量；
阻抗计算单元，采用互相关算法，根据所述电流采样信号和所述电压采样信号的幅值与相位，计算所述锂离子电池的交流阻抗，其中，阻抗模值为电压交流分量模值与电流交流分量模值之比，阻抗相角为电压交流分量相位与电流交流分量相位之差。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
本发明针对的对象为锂离子电池，针对现今锂离子电池的应用越来越广泛，填补了针对锂离子电池的阻抗测量技术的空白。
本发明针对电池阻抗测量过程中，采样的交流信号都是淹没在大直流信号和高频干扰噪声信号中的微弱信号的问题，采样电路利用DAC动态输出直流偏置去除待测信号中直流分量的影响，能够跟随待测信号的直流分量变化，尽可能去除待测信号中的大直流信号，精确的对交流信号进行采样与测量，提高电池电压电流的采样精度，进而提高电池阻抗测量精度。
本发明通过集成运放搭建有源低通滤波器进行低通滤波，与常用的RC低通滤波器相比，其反应迅速，具有更好的幅频特性，能够更好的去除高频噪声干扰，并对所需频段进行放大。
本发明利用交错并联双向BUCK(DC/DC)电路进行阻抗测量，不仅能工作在充电状态，也能工作在放电状态，同时通过注入占空比扰动能够一次性测量多个频率下的电池阻抗值，缩短电池阻抗谱的测量时间。
本发明采用的激励电流信号为三角波，一次激励可以得到多个频率下的交流阻抗，缩短阻抗测量时间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中锂离子电池交流阻抗在线测量方法的工作流程图。
图2为本发明一实施例中锂离子电池阻抗在线测量系统的结构示意图。
图3为本发明一优选实施例中所采用的DC/DC等效电路图。
图4为本发明一优选实施例中采用的DC/DC电路占空比D≤0.5时PWM控制信号图和电流纹波图。
图5为本发明一优选实施例中采用的DC/DC电路占空比D>0.5时PWM控制信号图和电流纹波图。
图6为本发明一优选实施例中注入的三角波激励电流信号波形示意图。
图7为本发明一优选实施例中采样电路模块的工作示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一实施例中锂离子电池交流阻抗在线测量方法的工作流程图。
如图1所示，该实施例提供的锂离子电池交流阻抗在线测量方法，可以包括如下步骤：
S100，根据用于测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流的大小和频率，将相应幅值和频率的占空比扰动信号注入到PWM控制信号中，控制产生所需的激励电流；
S200，在锂离子电池正常充电或放电过程中，向锂离子电池提供激励电流；
S300，采集流经锂离子电池的电流信号以及锂离子电池两端的电压信号，并进行信号处理，获得电流采样信号和电压采样信号；
S400，根据电流采样信号和电压采样信号，计算锂离子电池的交流阻抗信息。
在S100的一优选实施例中，根据测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流的大小和频率，将相应幅值和频率的占空比扰动信号注入到PWM控制信号中，控制产生所需的激励电流，可以包括如下步骤：
S101，根据直流电源或负载侧的电压要求，确定直流占空比大小为：
其中：D为直流占空比，Vbat为锂离子电池的电压，VDC为直流电源或负载侧的电压；
S102根据所需激励电流的大小和频率，计算所需占空比扰动信号d的幅值和频率，对PWM信号在直流占空比D上附加占空比扰动信号d，获得控制产生所需激励电流的控制信号；其中：
根据所需激励电流的大小和频率，计算所需占空比扰动信号d的幅值和频率，包括：
根据用于生成激励电流信号的DC/DC电路的小信号模型，得到激励电流信号i(s)与占空比扰动信号d(s)的传递函数
根据所需激励电流i在某一频率f处的幅值imag，得到占空比扰动信号d在频率f处的幅值
其中，j为虚数单位；
激励电流信号为三角波信号。如图6所示。
在S100的一优选实施例中，所需激励电流的大小(幅值)可以根据Kramers–Kronig(KK)变换的结果确定，KK变换依赖于这样一个事实，即阻抗的实部可以依据虚部推导出来，反之亦然，因此最佳的激励电流大小应使KK变换后的阻抗实部和虚部推测值与实测值的误差最小化。
KK变换具体表达式为：
其中，
和
为根据KK变换公式得到的频率ω下的电池阻抗实部和虚部推测值，Zre(ω′)和Zim(ω′)为频率ω′下的电池阻抗实部和虚部实测值，ω和ω′均为角频率，ω’也为积分中的积分自变量，取值为0～∞；
阻抗实部和虚部推测值与实测值的误差表示为：
其中，Z＝Zre+jZim，i为1,2,…N的值，N为总阻抗点数。
因此，当误差J最小化时所对应的激励电流大小为最优值；
所需激励电流的频率根据所需测量的阻抗频率确定，频率范围应包含电池电化学阻抗谱的所需的完整信息，通常应包括高频圆弧、中频圆弧及低频扩散的一部分。
在S300的一优选实施例中，采集流经锂离子电池的电流信号以及锂离子电池两端的电压信号，并进行信号处理，获得电流采样信号和电压采样信号，可以包括如下步骤：
S301，以开关频率作为采样频率，并在PWM控制信号波各开关周期导通信号中点进行整扰动周期采集流经锂离子电池的电流信号以及锂离子电池两端的电压信号，获得初步电流采样信号和初步电压采样信号；
S302，将获得的初步电流采样信号和初步电压采样信号进行低通滤波后，分别计算初步电流采样信号和初步电压采样信号的平均值，得到电流信号和电压信号的直流偏置量；
S303，以开关频率作为采样频率，采集流经锂离子电池的电流信号以及锂离子电池两端的电压信号，获得第二次电流采样信号和第二次电压采样信号；
S304，将第二次电流采样信号和第二次电压采样信号分别减去电流信号和电压信号的直流偏置量，得到第二次电流采样信号和第二次电压采样信号的交流分量；
S305，对获得的交流分量进行低通滤波和频段放大处理，得到电流采样信号和电压采样信号。
在S400的一优选实施例中，根据电流采样信号和电压采样信号，计算锂离子电池的交流阻抗信息，可以包括如下步骤：
S401，将电流采样信号和电压采样信号进行互相关运算，得到不同频率下电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位；
S402，根据电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位，得到锂离子电池的阻抗；其中，阻抗模值等于电压采样信号与电流采样信号的幅值之比，阻抗相角等于电压采样信号与电流采样信号的相位之差。
在S401的一具体应用实例中，互相关运算，可以包括如下步骤：
由于电压、电流的扰动信号均为周期信号且为奇信号，将周期奇信号f(t)展开为傅里叶级数：
其中，bn为傅里叶系数，ω1为周期信号的角频率，
为信号的初相位，n为基频倍数，nω1表示n倍的信号基频ω1，t为时间；
将周期奇信号f(t)离散化表示为：
其中，Ts为采样周期，k为采样点数；
对采样信号f(k)中某频率mω1下的信号分量
采取下列互相关运算：
设进行互相关运算的采样信号的参考信号分别为：
ssin＝sin(lω1kTs)
scos＝cos(lω1kTs)
其中，m为从n个频率分量(基频倍数)中取的第m个频率分量，bm为频率mω1下信号的幅值，
为频率mω1下信号的初相位，ssin为正弦参考信号，scos为余弦参考信号，lω1为参考信号角频率；
对采样信号进行互相关运算：
其中，Rcos为进行互相关运算后的同相参考序列，Rsin为进行互相关运算后的正交参考序列，M为进行互相关运算的点数，取为周期信号的整倍数点，即M*Ts＝N*T， T为周期信号的周期，N为整数；
通过互相关运算，计算得到采样信号在频率lω1下分量的相位与幅值为：
因此，采样信号与频率lω1的参考信号进行互相关运算后可得到采样信号中频率为 lω1信号分量的幅值和相位；
通过上述步骤，即得到不同频率下电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位。
在S400的一优选实施例中，在计算锂离子电池的阻抗之前，还可以包括如下步骤：
对电流采样信号和电压采样信号的幅值进行还原，并对电流采样信号和电压采样信号的相移进行补偿。
在该优选实施例中，由于在采样电路中对于电池的电压和电流信号存在幅值的倍数变换，此外在采样电路中不可避免地存在信号相位的偏移，因此在计算电池阻抗之前，需要对电压采样信号和电流采样信号的幅值进行还原，对于电压采样信号和电流采样信号的的相移也应提前在控制器中进行补偿。
在该实施例中，由于注入的激励电流信号为三角波，对该三角波进行傅里叶分解，得到：
其中，Amax为三角波幅值，ω为三角波角频率，n为一参数，无具体含义，t为时间；
通过对三角波进行傅里叶分解的结果可以看出，三角波可看作多个频率正弦信号的叠加，因此，在激励电流信号为三角波的情况下，通过一次激励可以测量得到多个频率下的电压电流值，即可计算得到多个频率点的交流阻抗。
图2为本发明一实施例提供的锂离子电池交流阻抗在线测量系统的结构示意图。
如图2所示，该实施例提供的锂离子电池交流阻抗在线测量系统，可以包括：功率电路模块、采样电路模块以及控制模块；其中：
功率电路模块采用两相交错并联双向DC/DC电路，用于在锂离子电池正常充电或放电过程中，向锂离子电池提供测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流；
采样电路模块，用于采集流经锂离子电池的电流信号以及锂离子电池两端的电压信号，并输出电流采样信号和电压采样信号；
控制模块，用于接收锂离子电池的电流采样信号和电压采样信号，并向采样电路模块反馈直流偏置量，用于采样电路模块获得电流采样信号和电压采样信号，并根据电流采样信号和电压采样信号计算锂离子电池的阻抗；发送注入了占空比扰动信号的PWM 控制信号至功率电路，控制功率电路中功率器件开关产生所需的激励电流。
在一优选实施例中，两相交错并联双向DC/DC电路，包括：电容、共模电感和两个半桥桥臂；其中，每一个半桥桥臂均由两个开关管构成，共模电感连接于两个半桥桥臂的中点和锂离子电池的正极之间；直流电源或负载经电容与两个半桥桥臂相连。
在一优选实施例中，采样电路模块，包括：
交直分离单元，用于将锂离子电池的电流信号和电压信号分别减去对应的直流偏置量，完成电流信号和电压信号的交直分离，得到交流分量；
低通滤波和放大单元，采用集成运放搭建的有源滤波器滤除交流分量中的开关频率噪声，并采用放大电路对所需频率信号进行放大，得到电流采样信号和电压采样信号。
在一优选实施例中，控制模块，包括：
PWM单元，用于产生注入了占空比扰动信号的PWM控制信号，控制功率电路模块生成三角波激励电流；
ADC单元，用于接收采样电路模块的采样信号；
DAC单元，用于产生跟随采样信号动态变化的直流偏置量；
阻抗计算单元，采用互相关算法，根据电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位，计算锂离子电池的交流阻抗，其中，阻抗模值为电压交流分量模值与电流交流分量模值之比，阻抗相角为电压交流分量相位与电流交流分量相位之差。
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照方法的技术方案实现系统的组成，即，方法中的实施例可理解为构建系统的优选例，系统中的实施例可以理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。
本发明上述实施例提供的锂离子电池交流阻抗在线测量方法及测量系统，利用两相交错并联双向DC/DC电路作为激励源，为电池提供激励电流，通过采集锂离子电池的电压响应信号和电流信号，进行数字信号处理，得到电池的电化学阻抗谱结果。本发明上述实施例通过对DC/DC电路拓扑和采样方法的改进，提高了锂离子电池阻抗测量的精度。
进一步地：
本发明上述实施例提供的锂离子电池交流阻抗在线测量方法及测量系统，采用的功率电路为两相交错并联的双向DC/DC电路，两相交错并联结构相比于普通单相结构能够有效减小输出电流纹波，减小高频噪声对于待测信号的干扰：
占空比D≤0.5时，对于两相交错并联双向DC/DC电路，当控制两相桥臂交错导通时，电流波形如图4所示，其中，Vg1为开关管Q1的驱动信号，Q2的驱动信号与Q1互补，Vg2为开关管Q3的驱动信号，Q4的驱动信号与Q3互补，iL1为共模电感中与开关管Q1和Q2所在桥臂相连电感中的电流，iL2为共模电感中与开关管Q3和Q4所在桥臂相连电感中的电流，iL为两相交错并联电路输出电流。其一相电感电流纹波表达式为：
与此同时，另一相电感电流纹波表达式为：
二者相加可得到两相交错并联双向DC/DC电路输出电流纹波表达式：
其中，Vbat为电池电压，D为占空比，Ts为开关周期，L为功率电感感值；
占空比D>0.5时，对于两相交错并联双向DC/DC电路，当控制两相桥臂交错导通时，电流波形如图5所示，其中，Vg1为开关管Q1的驱动信号，Q2的驱动信号与Q1互补，Vg2为开关管Q3的驱动信号，Q4的驱动信号与Q3互补，iL1为共模电感中与开关管Q1和Q2所在桥臂相连电感中的电流，iL2为共模电感中与开关管Q3和Q4所在桥臂相连电感中的电流，iL为两相交错并联电路输出电流。其一相电感电流纹波表达式为：
与此同时，另一相电感电流纹波表达式为：
二者相加可得到两相交错并联BUCK电路输出电流纹波表达式：
其中，Vbat为电池电压，D为占空比，Ts为开关周期，L为功率电感感值；
通过理论分析，两相交错并联双向DC/DC电路输出电路纹波表达式为：
理论上，由于占空比0<D<1，因此
故两相交错并联双向DC/DC电路电流纹波始终小于普通单相BUCK电路，尤其当占空比D＝0.5时，理论上输出电流纹波为0。相比于BUCK电路而言，两相交错并联双向DC/DC电路输出电流纹波大大减小。
此外，若两相交错并联BUCK电路所需开关频率为fs，单相电路的开关频率只需达到fs/2即可满足要求，这降低了系统对于开关频率的要求。
同时，双向DC/DC电路在电池充电和放电时均能进行阻抗测量，拓宽了电池阻抗测量的应用范围。
在本发明部分实施例中：
(1)功率部分，功率电路模块两相交错并联双向DC/DC电路，连接直流电源/负载与电池，在电池正常充电或放电过程中提供测量交流阻抗的激励电流；
(2)采样部分，采样电路模块输入端连接到锂离子电池，用于采样锂离子电池电压、电流，采样电路模块包括交直分离单元和低通滤波及放大单元，采样的信号通过交直分离单元去除大直流信号，并通过低通滤波去除高频干扰信号，最终将所需的微弱交流信号放大送入控制部分的ADC单元，将采样结果输入控制部分DSP芯片进行处理；
(3)控制部分，控制模块发送PWM控制信号至功率电路，用于控制功率电路中功率器件开关，对功率电路的占空比引入微小扰动(占空比扰动信号)，从而对电池产生微小三角波激励电流用于进行阻抗测量，同时，输入端与采样部分的输出端相连接，接收采样部分采集的电池电压和电流信号并采用数字信号处理方法计算得到锂离子电池的阻抗。
进一步地，在电池充电状态时，功率部分连接直流电源，在电池放电状态时，功率部分连接负载。
采样电路模块包括交直分离单元和低通滤波及放大单元。由于待测量的电压电流信号为淹没在大直流信号和高频干扰噪声信号中的微小交流信号，因此在采样电路模块中对大直流电流和高频干扰噪声分别进行去除。首先以开关频率作为采样频率，设置在 PWM波各开关周期导通信号中点对电压电流信号进行整扰动周期采样，并送入ADC，在控制部分计算得到采样的平均值，此数值为采样信号的直流偏置；其次，将此直流偏置值通过DAC进行输出，在交直分离单元中与原信号经减法电路相减，以去除大直流信号；最后，通过集成运放搭建的有源低通滤波器对高频干扰噪声进行滤除，对所需频段的交流信号进行放大后送入控制部分进行处理，获取淹没在大直流信号中的微弱交流信号。
功率电路模块采用两相交错并联BUCK电路，包括电容、共模电感和两个半桥桥臂，每一个半桥桥臂由两个开关管构成，共模电感接于两个桥臂中点和电池正极之间，直流电源/负载经电容与半桥桥臂相连。
采用集成运放搭建的有源滤波器代替常用的无源RC滤波。
控制模块对功率电路进行控制、接收采样电路的采样结果并进行阻抗计算，其中：
PWM单元，用于控制功率电路的占空比，向占空比中注入扰动以产生三角波激励电流；
ADC单元，用于接收采样电路的采样结果；
DAC单元，用于产生跟随采样信号动态变化的直流偏置量；
阻抗计算单元，采用互相关算法，可得到电池的电压电流交流分量的幅值与相位，进而计算得到电池的交流阻抗，其中阻抗模值为电压交流分量模值与电流交流分量模值之比，阻抗相角为电压交流分量相位与电流交流分量相位之差，并且由于采用的激励信号为三角波，因此一次激励可以得到多个频率下的交流阻抗，缩短阻抗测量时间。
下面结合附图，对本发明上述实施例提供的技术方案进一步说明。
如图3所示，功率电路模块为两相交错并联双向DC/DC电路，包括电容、共模电感和两个半桥桥臂，每一个半桥桥臂由两个开关管构成，共模电感接于两个桥臂中点和电池正极之间，直流电源/负载经电容与半桥桥臂相连。
在测量方法中：
占空比扰动注入：控制器根据所需的激励电流的大小和频率，产生相应幅值和频率的占空比扰动，控制DC/DC电路各个开关管的状态；
电池电压、电流采样：采集流经电池的电流以及电池两端的电压信号，经过采样电路的处理，将采样结果送入控制部分进行阻抗计算；
阻抗计算：根据电压电流的采样结果计算锂离子电池的交流阻抗信息。
占空比扰动注入实现的具体过程包括：
步骤A1：根据直流电源/负载侧的电压要求，确定直流占空比大小：
其中：D为直流占空比，Vbat为锂离子电池电压，VDC为直流电源/负载侧电压；
步骤A2：根据所需激励电流的大小和频率，计算所需占空比扰动d的大小及频率，对PWM信号在直流占空比D上附加该交流扰动信号d；
步骤A3：对两个桥臂上的开关管进行控制，其中Q1和Q2、Q3和Q4导通信号互补，Q1和Q3、Q2和Q4交错导通，如图4和图5中PWM控制信号波形图所示，保持占空比相同，导通时间间隔半个开关周期；
如图7所示，对电池电压、电流采样实现的具体过程包括：
步骤B1：对电池两端电压、电流信号以采样频率为开关频率，并设置在PWM波各开关周期导通信号中点进行整扰动周期采样，将采样结果经低通滤波后送入控制部分；
步骤B2：控制部分对采样结果求平均得到电压、电流直流偏置量，将此直流量通过DAC输出；
步骤B3：对电池两端电压、电流信号以开关频率进行采样，采样信号在图4中的交直分离模块通过减法电路减去DAC输出的直流量；
步骤B4：将减法电路的输出信号经过低通滤波器去除高频噪声并对所需频段放大后，送入控制部分进行阻抗计算；
阻抗计算实现的具体过程包括：
步骤C1：将采样电路电压、电流的输出结果经过互相关运算后得到不同频率下电压、电流采样信号的幅值与相位；
步骤C2：考虑采样电路中对电压、电流的缩放，还原原始的电压、电流信号的幅值与相位；
步骤C3：根据电池电压、电流计算电池阻抗，其中阻抗模值等于电压与电流幅值之比，阻抗相角等于电压与电流相位之差；
步骤C1中计算信号幅值与相位的具体过程包括：
以信号
为例，步骤C1中计算信号幅值与相位的具体过程包括：
步骤C11：设采样后离散化结果为
其中，Ts为采样周期，k为采样点数，
步骤C12：设进行互相关运算的采样信号的参考信号分别为：
ssin＝sin(lω1kTs)
scos＝cos(lω1kTs)
参考信号角频率为lω1
对采样信号进行互相关运算：
其中，Rcos为进行互相关运算后的同相参考序列，Rsin为进行互相关运算后的正交参考序列，M为进行互相关运算的点数，取为周期信号的整倍数点，即M*Ts＝N*T， T为周期信号的周期，N为整数
步骤C13：通过互相关运算，计算得到待测信号lω1频率分量的幅值与相位：
基于上述实施例，本发明能够在电池正常充电或放电状态下进行电池交流阻抗测量，通过选用两相交错并联BUCK(DC/DC)电路，可以减小流经电池的电流纹波，有利于减小电池电压、电流测量过程中的高频干扰，减少开关频率噪声对于阻抗测量的影响；通过向开关管的PWM占空比注入占空比扰动信号，可以通过一次测量得到多个频率点下的交流阻抗，缩短电化学阻抗谱测量时间，解决了采用正弦激励测量时间长的问题；通过采样电路交直分离模块的设计，利用DAC单元动态生成直流偏置，输出可跟随采样信号直流分量大小变化的偏置量，能够实现动态跟踪采样信号的直流分量，减小阻抗测量过程中大直流信号对微小交流信号的影响，可以更准确的实现测量信号的交直分离；通过采样电路中低通滤波器的设计，采用有源滤波代替无源滤波，可以实现更好的幅频特性，更好的滤除开关频率噪声的影响，有利于提高采样精度，进而提高电池阻抗测量精度；通过本发明上述实施例提供的技术方案，可以提高电池阻抗的测量精度与测量速度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种锂离子电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，包括：
根据用于测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流的大小和频率，将相应幅值和频率的占空比扰动信号注入到PWM控制信号中，控制产生所需的激励电流；
在锂离子电池正常充电或放电过程中，向所述锂离子电池提供所述的激励电流；
采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，并进行信号处理，获得电流采样信号和电压采样信号；
根据所述电流采样信号和所述电压采样信号，计算所述锂离子电池的交流阻抗信息。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，所述根据测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流的大小和频率，将相应幅值和频率的占空比扰动信号注入到PWM控制信号中，控制产生所需的激励电流，包括：
根据直流电源或负载侧的电压要求，确定直流占空比大小为：
其中：D为直流占空比，Vbat为锂离子电池的电压，VDC为直流电源或负载侧的电压；
根据所需激励电流的大小和频率，计算所需占空比扰动信号d的幅值和频率，对PWM信号在所述直流占空比D上附加所述占空比扰动信号d，获得控制产生所需激励电流的控制信号；其中：
所述根据所需激励电流的大小和频率，计算所需占空比扰动信号d的幅值和频率，包括：
根据用于生成激励电流信号的DC/DC电路的小信号模型，得到激励电流信号i(s)与占空比扰动信号d(s)的传递函数
根据所需激励电流i在某一频率f处的幅值imag，得到占空比扰动信号d在频率f处的幅值
其中，j为虚数单位；
所述激励电流信号为三角波信号。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，所述采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，并进行信号处理，获得电流采样信号和电压采样信号，包括：
以开关频率作为采样频率，并在所述PWM控制信号波各开关周期导通信号中点进行整扰动周期采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，获得初步电流采样信号和初步电压采样信号；
将获得的所述初步电流采样信号和所述初步电压采样信号进行低通滤波后，分别计算所述初步电流采样信号和所述初步电压采样信号的平均值，得到电流信号和电压信号的直流偏置量；
以开关频率作为采样频率，采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，获得第二次电流采样信号和第二次电压采样信号；
将所述第二次电流采样信号和所述第二次电压采样信号分别减去所述电流信号和电压信号的直流偏置量，得到所述第二次电流采样信号和所述第二次电压采样信号的交流分量；
对获得的所述交流分量进行低通滤波和频段放大处理，得到电流采样信号和电压采样信号。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，所述根据所述电流采样信号和所述电压采样信号，计算所述锂离子电池的交流阻抗信息，包括：
将所述电流采样信号和所述电压采样信号进行互相关运算，得到不同频率下电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位；
根据所述电流采样信号和所述电压采样信号的幅值与相位，得到所述锂离子电池的阻抗；其中，阻抗模值等于所述电压采样信号与所述电流采样信号的幅值之比，阻抗相角等于所述电压采样信号与所述电流采样信号的相位之差。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，所述互相关运算，包括：
由于电压、电流的扰动信号均为周期信号且为奇信号，将周期奇信号f(t)展开为傅里叶级数：
其中，bn为傅里叶系数，ω1为周期信号的角频率，
为信号的初相位，n为基频倍数，t为时间；
将所述周期奇信号f(t)离散化表示为：
其中，Ts为采样周期，k为采样点数；
对采样信号f(k)中某频率mω1下的信号分量
果取下列互相关运算：
设进行互相关运算的采样信号的参考信号分别为：
ssin＝sin(lω1kTs)
scos＝cos(lω1kTs)
其中，bm为频率mω1下信号的幅值，
为频率mω1下信号的初相位，ssin为正弦参考序列，scos为余弦参考序列，lω1为参考信号角频率；
对采样信号进行互相关运算：
其中，Rcos为进行互相关运算后的同相参考序列，Rsin为进行互相关运算后的正交参考序列，M为进行互相关运算的点数，取为周期信号的整倍数点，即M*Ts＝N*T，T为周期信号的周期，N为整数；
通过互相关运算，计算得到采样信号在频率lω1下分量的相位与幅值为：
通过上述步骤，即得到不同频率下电流采样信号和电压采样信号的幅值与相位。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池交流阻抗在线测量方法，其特征在于，在计算所述锂离子电池的阻抗之前，还包括：
对所述电流采样信号和所述电压采样信号的幅值进行还原，并对所述电流采样信号和所述电压采样信号的相移进行补偿。
7.一种锂离子电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，包括：功率电路模块、采样电路模块以及控制模块；其中：
所述功率电路模块采用两相交错并联双向DC/DC电路，用于在所述锂离子电池正常充电或放电过程中，向所述锂离子电池提供测量锂离子电池交流阻抗所需的激励电流；
所述采样电路模块，用于采集流经所述锂离子电池的电流信号以及所述锂离子电池两端的电压信号，并输出电流采样信号和电压采样信号；
所述控制模块，用于接收所述锂离子电池的电流采样信号和电压采样信号，并向所述采样电路模块反馈直流偏置量，用于所述采样电路模块获得电流采样信号和电压采样信号，并根据所述电流采样信号和电压采样信号计算所述锂离子电池的阻抗；发送注入了占空比扰动信号的PWM控制信号至功率电路，控制所述功率电路中功率器件开关产生所需的激励电流。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，所述两相交错并联双向DC/DC电路，包括：电容、共模电感和两个半桥桥臂；其中，每一个所述半桥桥臂均由两个开关管构成，所述共模电感连接于两个所述半桥桥臂的中点和所述锂离子电池的正极之间；所述直流电源或负载经所述电容与两个所述半桥桥臂相连。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，所述采样电路模块，包括：
交直分离单元，用于将所述锂离子电池的电流信号和电压信号分别减去对应的直流偏置量，完成所述电流信号和所述电压信号的交直分离，得到交流分量；
低通滤波和放大单元，采用集成运放搭建的有源滤波器滤除所述交流分量中的开关频率噪声，并采用放大电路对所需频率信号进行放大，得到电流采样信号和电压采样信号。
10.根据权利要求7所述的锂离子电池交流阻抗在线测量系统，其特征在于，所述控制模块，包括：
PWM单元，用于产生注入了占空比扰动信号的PWM控制信号，控制所述功率电路模块生成三角波激励电流；
ADC单元，用于接收所述采样电路模块的采样信号；
DAC单元，用于产生跟随所述采样信号动态变化的直流偏置量；
阻抗计算单元，采用互相关算法，根据所述电流采样信号和所述电压采样信号的幅值与相位，计算所述锂离子电池的交流阻抗，其中，阻抗模值为电压交流分量模值与电流交流分量模值之比，阻抗相角为电压交流分量相位与电流交流分量相位之差。
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