CN115061057A - 基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法及装置 - Google Patents

基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法及装置 Download PDF

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CN115061057A CN202210663802.5A CN202210663802A CN115061057A CN 115061057 A CN115061057 A CN 115061057A CN 202210663802 A CN202210663802 A CN 202210663802A CN 115061057 A CN115061057 A CN 115061057A
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Abstract

本发明涉及一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法及装置。本发明的阻抗测量装置采用双有源桥DC‑DC变换器拓扑结构，可以实现在1Hz～1kHz频率范围内锂电池阻抗的准确在线测量。本发明的锂电池阻抗测量装置采用离散移相调制单移相控制方法，通过在锂电池直流充电参考电流信号Iref_dc中叠加正弦交流扰动电流参考信号iref_ac，形成混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，同时构建交流扰动移相占空比信号dac，并将其叠加至两个离散移相占空比信号dH和dL中，实现双有源桥DC‑DC变换器的输出电流ibat对混合电流参考信号的精确跟踪。在此基础上，利用FFT分析法得到阻抗测量装置输出电流ibat和输出电压ubat的交流分量在正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率下的幅值和相位，进而得到锂电池的阻抗值。

Description

基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法及装置
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法及装置。
背景技术
随着电动汽车的发展，电动汽车对动力电池系统的要求也越来越高，电池寿命和安全性的诊断已成为电动汽车应用中的一个关键性问题。对于电动汽车中的锂离子电池而言，除了容量外，其内部阻抗也是一个重要的物理参数；锂电池在不同频率下的阻抗与其内部不同的物理化学过程有关，有了锂电池在不同频率下的阻抗，就能够以此来评估锂电池的温度、荷电状态(SOC)、电源状态和健康状态等性能指标。因此，锂电池阻抗的测量在电动汽车领域有着重要的研究意义。
传统的电池阻抗测量方法主要有直流负载法和交流激励信号注入法，其中传统的直流负载法只能测出电池中的直流欧姆阻抗部分，而传统的交流信号注入法则需要借助辅助设备来产生阻抗测量所需的交流激励信号和测量其响应，这使得该电池阻抗测量法实施起来较为复杂且成本较高。此外，这两种传统式的电池阻抗测量方法在测量过程中都需要中断电池系统的正常运行，不能实现真正意义上的在线电池阻抗测量。目前较为前沿的锂电池阻抗测量方法是在DC-DC变换器的直流充放电信号中注入交流扰动信号，通过分析电池系统对交流扰动信号的响应，获取电池在不同频率下的阻抗信息，最终获取电池的电化学阻抗谱。但是目前所能获取的电池阻抗信息的频率范围受控制环路带宽限制，并且其精度也有待提高，尤其是高频段的阻抗信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法及装置，实现对锂电池宽频带阻抗特性的实时、在线的精确测量，解决传统嵌入式锂电池测量方法无法精确跟踪宽频带扰动参考电流造成的测量精度低、阻抗信息不完整和测量成本高等问题。本发明所提出的嵌入式锂电池宽频带阻抗测量方法在锂电池恒流充电模式具有快速的瞬态响应速度，工作在阻抗测量模式时能够在宽频带内实现快速、精确的阻抗测量；本发明提出的方法具有实现简单、成本低、响应速度快、系统稳定性和抗干扰能力强等优点。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，将阻抗测量功能嵌入锂电池充电控制系统，锂电池充电控制系统采用双有源桥DC-DC变换器拓扑结构，所述锂电池充电控制系统包含两种工作模式：恒流充电模式和阻抗测量模式；
所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法包括以下步骤：
步骤一：当所述锂电池充电控制系统运行在恒流充电模式时，实现对锂电池的充电，并采用基于离散移相调制的离散单移相控制方法(Discrete phase shift modulationsingle phase-shift,DPSM-SPS)，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态；
步骤二：当所述锂电池充电控制系统运行在阻抗测量模式时，实现对锂电池阻抗的测量，并通过在恒流充电模式下的移相占空比信号中叠加扰动移相占空比信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流对混合电流参考信号的精确跟踪，其中所述混合电流参考信号由直流充电参考电流信号中叠加正弦交流扰动电流参考信号组成。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述采用基于离散移相调制的离散单移相控制方法，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态，具体包括以下步骤：
1.1：利用采样模块对双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样，利用输出电流比较器，在每个采样周期Ts开始时刻将双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，所述输出电流参考信号iref等于直流充电参考电流信号Iref_dc；
1.2：根据所述步骤1.1的比较结果，并依据移相占空比选取规则，在两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比信号作为当前开关周期的有效移相占空比信号da；
1.3：根据所述步骤1.2所获得的有效移相占空比信号da产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号；
1.4：根据所述控制脉冲信号产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号；
1.5：根据所述驱动信号使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态。
进一步的，两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH，第二离散移相占空比信号dL＝DL；
所述DH和DL为两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号且满足：0＜DL＜Ddc＜DH＜0.5，其中
Figure BDA0003692217960000031
为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪直流充电参考电流信号Iref_dc时所对应的移相占空比函数，其中Uin为所述双有源桥 DC-DC变换器的输入电压值，n为所述双有源桥DC-DC变换器的原副边匝数比，fs为所述双有源桥DC-DC变换器的开关频率，L为所述双有源桥DC-DC变换器的辅助电感值。
进一步的，所述通过在恒流充电模式下的移相占空比信号中叠加扰动移相占空比信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流对混合电流参考信号的精确跟踪，具体包括以下步骤：
2.1：利用采样模块对双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样，利用输出电流比较器，在每个采样周期Ts开始时刻将双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，所述输出电流参考信号iref等于直流充电参考电流信号Iref_dc叠加正弦交流扰动电流参考信号iref_ac；
2.2：根据所述步骤2.1的比较结果，并依据移相占空比选取规则，在两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比信号作为当前开关周期的有效移相占空比信号da；
2.3：根据所述步骤2.2所获得的有效移相占空比信号da产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号；
2.4：根据所述控制脉冲信号产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号；
2.5：根据所述驱动信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat对所述混合电流参考信号的精确跟踪。
进一步的，所述步骤2.2所述的两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH+dac，第二离散移相占空比信号dL＝DL+dac；
所述dac为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪正弦交流扰动电流参考信号iref_ac时所对应的扰动移相占空比信号，所述扰动移相占空比信号dac满足
Figure RE-GDA0003783392770000041
其中Uin为所述双有源桥DC-DC变换器的输入电压值， n为所述双有源桥DC-DC变换器的原副边匝数比，fs为所述双有源桥DC-DC变换器的开关频率，L为所述双有源桥DC-DC变换器的辅助电感值；
所述DH和DL为两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号且满足：0＜DL＜Ddc＜DH＜0.5，其中
Figure BDA0003692217960000042
为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪直流充电参考电流信号Iref_dc时所对应的移相占空比函数。
进一步的，所述移相占空比选取规则具体为：当ibat＜iref时，选取所述dH作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流上升；当ibat≥iref时，选取所述dL作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC 变换器的输出电流下降。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置，包括采样模块、变换器控制模块、阻抗测量模块以及驱动电路；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路；所述变换器控制模块包括运行模式判断电路、输出电流比较器、扰动占空比计算电路、移相占空比产生器、移相占空比选择器、PWM 电路；所述阻抗测量模块包括FFT分析仪和EIS计算电路；将一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置嵌入锂电池充电控制系统，锂电池充电控制系统采用双有源桥DC-DC变换器拓扑结构；
所述电流采样电路用于对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样并输出给运行模式判断电路、FFT分析仪和输出电流比较器；
所述电压采样电路用于对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电压ubat进行采样并输出给运行模式判断电路和FFT分析仪；
所述运行模式判断电路根据所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和输出电压 ubat对所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置的运行模式进行判断，其输出的判断信号将对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref的选取、移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac的输入与否以及阻抗测量模块的运行与否进行控制；
所述输出电流比较器用于对电流采样电路采样得到的所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和输出电流参考信号iref进行比较，输出比较信号vc，并将比较信号vc输入至移相占空比选择器中；
所述扰动占空比计算电路用于根据正弦交流扰动电流参考信号iref_ac产生扰动移相占空比信号dac并输入至移相占空比产生器中；
所述移相占空比产生器用于根据所述运行模式判断电路的输出信号、扰动占空比计算电路输出的扰动移相占空比信号dac和两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号DH和DL来产生两个离散移相占空比信号dH和dL，并输入至移相占空比选择器中；
所述移相占空比选择器用于根据所述输出电流比较器输出的比较信号vc，在所述移相占空比产生器输出的两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比作为所述移相占空比选择器输出的有效移相占空比da，并输入至PWM电路中；
所述PWM电路用于根据移相占空比选择器输出的有效移相占空比信号da产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号组vp1～vp8，并将其输入至驱动电路；
所述驱动电路用于根据所述PWM电路输出的控制脉冲信号组vp1～vp8产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号v1～v8；所述驱动信号v1～v8使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态，且实现双有源桥DC-DC 变换器的输出电流ibat对混合电流参考信号的精确跟踪，所述混合电流参考信号由直流充电参考电流信号中叠加正弦交流扰动电流参考信号组成；
所述FFT分析仪用于对电压采样电路和电流采样电路采样得到的ubat和ibat进行FFT 分析，得到它们的交流分量在所述正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率下的幅值|ubat(ac)|、|ibat(ac)|和相位
Figure BDA0003692217960000061
所述EIS计算电路用于根据FFT分析仪中输出的幅值、相位信息和公式 |Zbat|＝|ubat(ac)|/|ibat(ac)|、
Figure BDA0003692217960000062
计算出锂电池在所述正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率下的阻抗值，其中|Zbat|是锂电池阻抗的阻抗模，
Figure BDA0003692217960000063
是锂电池阻抗的阻抗角。
进一步的，所述运行模式判断电路根据所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和输出电压ubat对所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置的运行模式进行判断具体为：
根据双有源桥DC-DC变换器的输出电流和输出电压，判断它们是否处于直流稳态，若是，则所述锂电池充电控制系统运行在恒流充电模式，若不是，则判断输出电流的纹波峰峰值大小是否稳定在所设定的值，所设定的值大于所注入的正弦交流扰动电流参考信号的峰峰值，若是，则锂电池充电控制系统运行在阻抗测量模式，若不是，则锂电池充电控制系统继续运行在恒流充电模式。
进一步的，所述其输出的判断信号将对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref的选取、移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac的输入与否以及阻抗测量模块的运行与否进行控制具体为：
当所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置运行在恒流充电模式时，所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref等于所述双有源桥DC-DC变换器的直流充电参考电流信号Iref_dc，所述移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac停止输入，所述阻抗测量模块停止运行；
当所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置运行在阻抗测量模式时，所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref等于所述双有源桥DC-DC变换器的混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，所述移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac启动输入，所述阻抗测量模块启动运行，所述混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac为直流充电参考电流信号Iref_dc和正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的叠加。
进一步的，所述在所述移相占空比产生器输出的两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比作为所述移相占空比选择器输出的有效移相占空比da具体为：
当ibat＜iref时，选取所述dH作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流上升；当ibat≥iref时，选取所述dL作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流下降。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明提出的基于离散移相调制的嵌入式锂电池宽频带阻抗测量系统，通过在控制技术中加入了扰动移相占空比信号，使系统的输出电流能够更精确的跟踪注入交流扰动信号后的输出电流参考信号，从而使得系统所测得的锂电池阻抗值更加精确。
二、与现有技术相比，本发明所提出的基于离散移相调制的嵌入式锂电池宽频带阻抗测量方法及装置能够在更宽的频率范围内对锂电池的阻抗进行精确测量。
三、与现有的采用PI控制技术来控制锂电池阻抗测量系统相比，本发明所提出的离散移相调制单移相(Discrete phase shift modulation single phase-shift,DPSM-SPS)控制技术具有实现简单、成本低、响应速度快、控制技术简单易行，系统稳定性和抗干扰能力强等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置的结构框图；
图2为本发明实施例的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置的具体电路装置结构示意图；
图3为本发明实施例的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置工作在恒流充电模式下时，其双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和有效移相占空比信号 da的稳态仿真波形图。此时，双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref为直流充电参考电流信号Iref_dc，获得有效移相占空比信号da过程中的两个离散移相占空比信号固定不变(即第一离散移相占空比信号dH＝DH＝0.4、第二离散移相占空比信号dL＝DL＝0.17)；
图4为本发明实施例的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置工作在阻抗测量模式下时，其双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和有效移相占空比信号 da的稳态仿真波形图。此时双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref为混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，其中正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率和幅值分别为50Hz、 0.5A，获得有效移相占空比信号da过程中的两个离散移相占空比信号会随着输出电流的变化而发生变化(即第一离散移相占空比信号dH＝DH+dac＝0.4+dac、第二离散移相占空比信号dL＝DL+dac＝0.17+dac)；
图5为双有源桥DC-DC变换器分别采用本发明控制方法((a1)、(b1)、(c1))和传统的PI控制方法((a2)、(b2)、(c2))时，系统工作在阻抗测量模式下的输出电流ibat及其输出电流参考信号(混合电流参考信号)iref＝Iref_dc+iref_ac的稳态波形图。其中各图所对应的正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的幅值均为0.5A，频率分别为：(a1) -(a2)1Hz，(b1)-(b2)100Hz，(c1)-(c2)1000Hz；
图6为本发明实施例所测得的锂电池阻抗谱，图中由星号拟合的曲线为理论拟合曲线，由圆圈拟合的曲线为本发明实施例测出的拟合曲线，其中(a)为阻抗实部与频率的关系图(R-f)，(b)为阻抗虚部与频率的关系图(X-f)。图中共包含20个不同交流扰动频率的离散采样点，20个不同的交流扰动频率分别为：1Hz、3Hz、5Hz、7Hz、9Hz、 10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、100Hz、300Hz、 500Hz、700Hz、900Hz、1000Hz。
图3、图4、图5和图6的仿真条件为：输入电压Uin＝200V，直流充电参考电流信号Iref_dc＝20A，变压器匝数比n＝1，辅助电感Ls＝10μH，开关频率fs＝100kHz，输入电容 C1＝500μF，输出电容C2＝1000μF，输出电容等效串联电阻Rc＝0.05Ω，滤波电感Lf＝100μH。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明第一实施例提供的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，将阻抗测量功能嵌入锂电池充电控制系统，锂电池充电控制系统采用双有源桥DC-DC变换器拓扑结构，所述锂电池充电控制系统包含两种工作模式：恒流充电模式和阻抗测量模式；
所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法包括以下步骤：
步骤一：当所述锂电池充电控制系统运行在恒流充电模式时，实现对锂电池的充电，并采用基于离散移相调制的离散单移相控制方法，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态；
步骤二：当所述锂电池充电控制系统运行在阻抗测量模式时，实现对锂电池阻抗的测量，并通过在恒流充电模式下的移相占空比信号中叠加扰动移相占空比信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流对混合电流参考信号的精确跟踪，其中所述混合电流参考信号由直流充电参考电流信号中叠加正弦交流扰动电流参考信号组成。
可选地，所述采用基于离散移相调制的离散单移相控制方法，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态，具体包括以下步骤：
1.1：利用采样模块对双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样，利用输出电流比较器，在每个采样周期Ts开始时刻将双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，所述输出电流参考信号iref等于直流充电参考电流信号Iref_dc；
1.2：根据所述步骤1.1的比较结果，并依据移相占空比选取规则，在两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比信号作为当前开关周期的有效移相占空比信号da；
1.3：根据所述步骤1.2所获得的有效移相占空比信号da产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号；
1.4：根据所述控制脉冲信号产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号；
1.5：根据所述驱动信号使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态。
可选地，两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH，第二离散移相占空比信号dL＝DL；
所述DH和DL为两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号且满足：0＜DL＜Ddc＜DH＜0.5，其中
Figure BDA0003692217960000101
为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪直流充电参考电流信号Iref_dc时所对应的移相占空比函数，其中Uin为所述双有源桥 DC-DC变换器的输入电压值，n为所述双有源桥DC-DC变换器的原副边匝数比，fs为所述双有源桥DC-DC变换器的开关频率，L为所述双有源桥DC-DC变换器的辅助电感值。
可选地，所述通过在恒流充电模式下的移相占空比信号中叠加扰动移相占空比信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流对混合电流参考信号的精确跟踪，具体包括以下步骤：
2.1：利用采样模块对双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样，利用输出电流比较器，在每个采样周期Ts开始时刻将双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，所述输出电流参考信号iref等于直流充电参考电流信号Iref_dc叠加正弦交流扰动电流参考信号iref_ac；
2.2：根据所述步骤2.1的比较结果，并依据移相占空比选取规则，在两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比信号作为当前开关周期的有效移相占空比信号da；
2.3：根据所述步骤2.2所获得的有效移相占空比信号da产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号；
2.4：根据所述控制脉冲信号产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号；
2.5：根据所述驱动信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat对所述混合电流参考信号的精确跟踪。
可选地，所述步骤2.2所述的两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH+dac，第二离散移相占空比信号dL＝DL+dac；
所述dac为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪正弦交流扰动电流参考信号iref_ac时所对应的扰动移相占空比信号，所述扰动移相占空比信号dac满足
Figure RE-GDA0003783392770000111
其中Uin为所述双有源桥DC-DC变换器的输入电压值， n为所述双有源桥DC-DC变换器的原副边匝数比，fs为所述双有源桥DC-DC变换器的开关频率，L为所述双有源桥DC-DC变换器的辅助电感值；
所述DH和DL为两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号且满足：0＜DL＜Ddc＜DH＜0.5，其中
Figure BDA0003692217960000112
为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪直流充电参考电流信号Iref_dc时所对应的移相占空比函数。
可选地，所述移相占空比选取规则具体为：当ibat＜iref时，选取所述dH作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流上升；当ibat≥ iref时，选取所述dL作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流下降。
如图1-2所示，本发明第二实施例提供的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置，包括采样模块、变换器控制模块、阻抗测量模块以及驱动电路；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路；所述变换器控制模块包括运行模式判断电路、输出电流比较器、扰动占空比计算电路、移相占空比产生器、移相占空比选择器、PWM 电路；所述阻抗测量模块包括FFT分析仪和EIS计算电路；将一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置嵌入锂电池充电控制系统，锂电池充电控制系统采用双有源桥DC-DC变换器拓扑结构；
在本发明实施例中，该阻抗测量装置包括两种工作模式，恒流充电模式和阻抗测量模式。
当阻抗测量装置中的运行模式判断电路判断锂电池充电控制系统运行在恒流充电模式下时，所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref＝Iref_dc，所述移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac停止输入，所述阻抗测量模块停止运行；此时移相占空比产生器输出的两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH，第二离散移相占空比信号dL＝DL。
在每个采样周期开始时刻，将电流采样电路采样得到的所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，当ibat＜iref时，移相占空比选择器将选取所述dH为当前开关周期的有效移相占空比信号da，并输入至PWM电路来产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号vp1～vp8，再经过驱动电路产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号v1～v8来控制所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流上升。当ibat≥iref时，移相占空比选择器将选取所述dL为当前开关周期的有效移相占空比信号da，并输入至PWM电路来产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号vp1～vp8，再经过驱动电路产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号v1～v8来控制所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流下降；使得锂电池充电控制系统在恒流充电工作模式下实现恒流输出。
其中所述DH和DL为两个预设的、固定不变的移相占空比信号，满足：0＜DL＜Ddc＜DH＜0.5，其中
Figure BDA0003692217960000121
为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪直流充电参考电流信号Iref_dc时所对应的移相占空比函数；其中Uin为所述双有源桥 DC-DC变换器的输入电压值，n为所述变压器的原副边匝数比，fs为所述双有源桥DC-DC 变换器的开关频率，L为所述双有源桥DC-DC变换器的辅助电感值。
当阻抗测量装置中的运行模式判断电路判断锂电池充电控制系统运行在阻抗测量模式下时，所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号(混合电流参考信号) iref＝Iref_dc+iref_ac，所述移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac启动输入，所述阻抗测量模块启动运行；此时移相占空比产生器输出的两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH+dac，第二离散移相占空比信号dL＝DL+dac。
在每个采样周期开始时刻，将电流采样电路采样得到的所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，当ibat＜iref时，移相占空比选择器将选取dH为当前开关周期的有效移相占空比信号da，并输入至PWM电路来产生双有源桥 DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号vp1～vp8，再经过驱动电路产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号v1～v8来控制所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流上升。当ibat≥iref时，移相占空比选择器将选取所述dL为当前开关周期的有效移相占空比信号da，并输入至PWM电路来产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号vp1～vp8，再经过驱动电路产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号v1～v8来控制所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流下降，从而实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat对混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac的精确跟踪。
同时，阻抗测量模块中的FFT分析仪对采样模块采样得到的所述双有源桥DC-DC变换器的输出电压ubat和输出电流ibat进行FFT分析，得到它们的交流分量在上述正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率下的幅值|ubat(ac)|、|ibat(ac)|和相位
Figure BDA0003692217960000131
再根据公式 |Zbat|＝|ubat(ac)|/|ibat(ac)|、
Figure BDA0003692217960000132
计算出锂电池在上述正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率下的阻抗值。
其中所述混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac中的正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的幅值为0.5A，其峰峰值大小为直流电流参考值的5％，频率可设置为1Hz～1kHz频率范围内的任意频率值；其中所述扰动移相占空比信号
Figure BDA0003692217960000133
即dac为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪正弦交流扰动电流参考信号iref_ac时所对应的扰动移相占空比函数。
下面用Matlab/simulink软件对本发明实施例的锂电池阻抗谱测量装置以及对拓扑的控制方法进行时域仿真分析，结果如下：
图3为本发明实施例的阻抗测量装置工作在恒流充电模式下时，其双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和有效移相占空比信号da的稳态仿真波形图。此时双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref为直流充电参考电流信号Iref_dc，获得有效移相占空比信号da过程中的两个离散移相占空比信号固定不变(即第一离散移相占空比信号dH＝DH＝0.4、第二离散移相占空比信号dL＝DL＝0.17)。
图3中的横坐标为时间t(s)，纵坐标为输出电流ibat(A)和有效移相占空比信号da。从图3可以看出，双有源桥DC-DC变换器的输出电流的直流量为20A，纹波大小为0.058A，即输出电流的纹波大小为其直流量的0.29％，表明本发明实施例的阻抗测量装置工作在恒流充电模式下时，双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat的纹波大小可以控制在较小的范围之内，对锂电池正常的恒流充电运行的影响和锂电池阻抗测量的准确性影响均较小。
图4为本发明实施例的阻抗测量装置工作在阻抗测量模式下时，其双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和有效移相占空比信号da的稳态仿真波形图。此时双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref为混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，其中正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率和幅值分别为50Hz、0.5A，获得有效移相占空比信号da过程中的两个离散移相占空比信号会随着输出电流的变化而发生变化(即第一离散移相占空比信号dH＝DH+dac＝0.4+dac、第二离散移相占空比信号dL＝DL+dac＝0.17+dac)。
图4中的横坐标为时间t(s)，纵坐标为输出电流ibat(A)和有效移相占空比信号da。从图4可以看出，有效移相占空比信号da对两个离散移相占空比信号的选择会随着输出电流的变化而做出相应的微调，使得双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat能够更好的跟踪混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，使系统在测量该频率下锂电池的阻抗时获得更加精确的阻抗信息。
图5为双有源桥DC-DC变换器分别采用本发明控制方法((a1)、(b1)、(c1))和传统的PI控制方法((a2)、(b2)、(c2))时，系统工作在阻抗测量模式下的输出电流ibat及其输出电流参考信号(混合电流参考信号)iref＝Iref_dc+iref_ac的稳态波形图。其中各图所对应的正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的幅值均为0.5A，频率分别为：(a1)-(a2)1Hz，(b1)-(b2)100Hz，(c1)-(c2)1000Hz；
从图5(a1)-(a2)和图5(b1)-(b2)中可以看出，在正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率处于低、中频段的情况下，阻抗测量装置采用本发明控制方法和采用PI 控制方法时，双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat都能够很好的跟踪混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，从图5(c1)-(c2)中可以看出，在正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率处于高频段的情况下，当阻抗测量装置采用本发明控制方法时，双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat依然可以很好的跟踪混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，而当阻抗测量装置采用PI控制方法时，双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat对混合电流参考信号 Iref_dc+iref_ac的跟踪效果明显下降，这将导致阻抗测量的精度降低。这表明对于阻抗测量系统而言，在高频段时，采用本发明控制方法要比采用PI控制方法时所达到的效果更好。
图6为本发明实施例所测得的锂电池阻抗谱，图中由星号拟合的曲线为理论拟合曲线，由圆圈拟合的曲线为本发明实施例测出的拟合曲线，其中(a)为阻抗实部与频率的关系图(R-f)，(b)为阻抗虚部与频率的关系图(X-f)。图中共包含20个不同交流扰动频率的离散采样点，20个不同的交流扰动频率分别为：1Hz、3Hz、5Hz、7Hz、9Hz、 10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、100Hz、300Hz、 500Hz、700Hz、900Hz、1000Hz。
从图6可以看出，本发明实施例在1Hz～1kHz频率范围内所测得的锂电池阻抗的实部、虚部与其理论值都基本相符，表明本发明所提出的基于离散移相调制的嵌入式锂电池宽频带阻抗测量方法可以在1Hz～1kHz频率范围内对锂电池进行较为精确的阻抗谱测量。
本发明的阻抗测量方法及装置基于双有源桥DC-DC变换器，采用基于离散移相调制的控制方法，通过产生两个离散移相占空比信号，并根据输出电流与参考电流之间的关系，在两个移相占空比信号中选择一个合适的移相占空比信号来产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号并作用于双有源桥DC-DC变换器，实现双有源桥 DC-DC变换器的输出电流对直流或混合参考电流的精确跟踪。所提出的嵌入式锂电池宽频带阻抗测量方法在锂电池恒流充放电模式具有快速的瞬态响应速度，工作在阻抗测量模式时能够在宽频带内实现快速、精确的阻抗测量；本发明提出的方法具有实现简单、成本低、响应速度快、系统稳定性和抗干扰能力强等优点。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，其特征在于，将阻抗测量功能嵌入锂电池充电控制系统，锂电池充电控制系统采用双有源桥DC-DC变换器拓扑结构，所述锂电池充电控制系统包含两种工作模式：恒流充电模式和阻抗测量模式；
所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法包括以下步骤：
步骤一：当所述锂电池充电控制系统运行在恒流充电模式时，实现对锂电池的充电，并采用基于离散移相调制的离散单移相控制方法，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态；
步骤二：当所述锂电池充电控制系统运行在阻抗测量模式时，实现对锂电池阻抗的测量，并通过在恒流充电模式下的移相占空比信号中叠加扰动移相占空比信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流对混合电流参考信号的精确跟踪，其中所述混合电流参考信号由直流充电参考电流信号中叠加正弦交流扰动电流参考信号组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，其特征在于，所述采用基于离散移相调制的离散单移相控制方法，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态，具体包括以下步骤：
1.1：利用采样模块对双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样，利用输出电流比较器，在每个采样周期Ts开始时刻将双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，所述输出电流参考信号iref等于直流充电参考电流信号Iref_dc；
1.2：根据所述步骤1.1的比较结果，并依据移相占空比选取规则，在两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比信号作为当前开关周期的有效移相占空比信号da；
1.3：根据所述步骤1.2所获得的有效移相占空比信号da产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号；
1.4：根据所述控制脉冲信号产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号；
1.5：根据所述驱动信号使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态。
3.根据权利要求2所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，其特征在于，两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH，第二离散移相占空比信号dL＝DL；
所述DH和DL为两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号且满足：0＜DL＜Ddc＜DH＜0.5，其中
Figure FDA0003692217950000021
为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪直流充电参考电流信号Iref_dc时所对应的移相占空比函数，其中Uin为所述双有源桥DC-DC变换器的输入电压值，n为所述双有源桥DC-DC变换器的原副边匝数比，fs为所述双有源桥DC-DC变换器的开关频率，L为所述双有源桥DC-DC变换器的辅助电感值。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，其特征在于，所述通过在恒流充电模式下的移相占空比信号中叠加扰动移相占空比信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流对混合电流参考信号的精确跟踪，具体包括以下步骤：
2.1：利用采样模块对双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样，利用输出电流比较器，在每个采样周期Ts开始时刻将双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat与输出电流参考信号iref进行比较，所述输出电流参考信号iref等于直流充电参考电流信号Iref_dc叠加正弦交流扰动电流参考信号iref_ac；
2.2：根据所述步骤2.1的比较结果，并依据移相占空比选取规则，在两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比信号作为当前开关周期的有效移相占空比信号da；
2.3：根据所述步骤2.2所获得的有效移相占空比信号da产生双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号；
2.4：根据所述控制脉冲信号产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号；
2.5：根据所述驱动信号实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat对所述混合电流参考信号的精确跟踪。
5.根据权利要求4所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤2.2所述的两个离散移相占空比信号dH和dL中，第一离散移相占空比信号dH＝DH+dac，第二离散移相占空比信号dL＝DL+dac；
所述dac为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪正弦交流扰动电流参考信号iref_ac时所对应的扰动移相占空比信号，所述扰动移相占空比信号dac满足
Figure RE-FDA0003783392760000031
其中Uin为所述双有源桥DC-DC变换器的输入电压值，n为所述双有源桥DC-DC变换器的原副边匝数比，fs为所述双有源桥DC-DC变换器的开关频率，L为所述双有源桥DC-DC变换器的辅助电感值；
所述DH和DL为两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号且满足：0＜DL＜Ddc＜DH＜0.5，其中
Figure RE-FDA0003783392760000032
为双有源桥DC-DC变换器的输出电流跟踪直流充电参考电流信号Iref_dc时所对应的移相占空比函数。
6.根据权利要求2或权利要求4所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量方法，其特征在于，所述移相占空比选取规则具体为：当ibat＜iref时，选取所述dH作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流上升；当ibat≥iref时，选取所述dL作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流下降。
7.一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置，其特征在于，包括采样模块、变换器控制模块、阻抗测量模块以及驱动电路；所述采样模块包括电流采样电路和电压采样电路；所述变换器控制模块包括运行模式判断电路、输出电流比较器、扰动占空比计算电路、移相占空比产生器、移相占空比选择器、PWM电路；所述阻抗测量模块包括FFT分析仪和EIS计算电路；将一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置嵌入锂电池充电控制系统，锂电池充电控制系统采用双有源桥DC-DC变换器拓扑结构；
所述电流采样电路用于对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat进行采样并输出给运行模式判断电路、FFT分析仪和输出电流比较器；
所述电压采样电路用于对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电压ubat进行采样并输出给运行模式判断电路和FFT分析仪；
所述运行模式判断电路根据所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和输出电压ubat对所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置的运行模式进行判断，其输出的判断信号将对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref的选取、移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac的输入与否以及阻抗测量模块的运行与否进行控制；
所述输出电流比较器用于对电流采样电路采样得到的所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和输出电流参考信号iref进行比较，输出比较信号vc，并将比较信号vc输入至移相占空比选择器中；
所述扰动占空比计算电路用于根据正弦交流扰动电流参考信号iref_ac产生扰动移相占空比信号dac并输入至移相占空比产生器中；
所述移相占空比产生器用于根据所述运行模式判断电路的输出信号、扰动占空比计算电路输出的扰动移相占空比信号dac和两个预设的、固定不变的直流移相占空比信号DH和DL来产生两个离散移相占空比信号dH和dL，并输入至移相占空比选择器中；
所述移相占空比选择器用于根据所述输出电流比较器输出的比较信号vc，在所述移相占空比产生器输出的两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比作为所述移相占空比选择器输出的有效移相占空比da，并输入至PWM电路中；
所述PWM电路用于根据移相占空比选择器输出的有效移相占空比信号da产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的控制脉冲信号组vp1～vp8，并将其输入至驱动电路；
所述驱动电路用于根据所述PWM电路输出的控制脉冲信号组vp1～vp8产生所述双有源桥DC-DC变换器的功率开关器件的驱动信号v1～v8；所述驱动信号v1～v8使双有源桥DC-DC变换器的输出电流在存在扰动的情况下快速达到稳态，且实现双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat对混合电流参考信号的精确跟踪，所述混合电流参考信号由直流充电参考电流信号中叠加正弦交流扰动电流参考信号组成；
所述FFT分析仪用于对电压采样电路和电流采样电路采样得到的ubat和ibat进行FFT分析，得到它们的交流分量在所述正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率下的幅值|ubat(ac)|、|ibat(ac)|和相位
Figure FDA0003692217950000051
所述EIS计算电路用于根据FFT分析仪中输出的幅值、相位信息和公式|Zbat|＝|ubat(ac)|/|ibat(ac)|、
Figure FDA0003692217950000052
计算出锂电池在所述正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的频率下的阻抗值，其中|Zbat|是锂电池阻抗的阻抗模，
Figure FDA0003692217950000053
是锂电池阻抗的阻抗角。
8.根据权利要求1所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置，其特征在于，所述运行模式判断电路根据所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流ibat和输出电压ubat对所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置的运行模式进行判断具体为：
根据双有源桥DC-DC变换器的输出电流和输出电压，判断它们是否处于直流稳态，若是，则所述锂电池充电控制系统运行在恒流充电模式，若不是，则判断输出电流的纹波峰峰值大小是否稳定在所设定的值，所设定的值大于所注入的正弦交流扰动电流参考信号的峰峰值，若是，则锂电池充电控制系统运行在阻抗测量模式，若不是，则锂电池充电控制系统继续运行在恒流充电模式。
9.根据权利要求1所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置，其特征在于，所述其输出的判断信号将对所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref的选取、移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac的输入与否以及阻抗测量模块的运行与否进行控制具体为：
当所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置运行在恒流充电模式时，所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref等于所述双有源桥DC-DC变换器的直流充电参考电流信号Iref_dc，所述移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac停止输入，所述阻抗测量模块停止运行；
当所述基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置运行在阻抗测量模式时，所述双有源桥DC-DC变换器的输出电流参考信号iref等于所述双有源桥DC-DC变换器的混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac，所述移相占空比产生器中的扰动移相占空比信号dac启动输入，所述阻抗测量模块启动运行，所述混合电流参考信号Iref_dc+iref_ac为直流充电参考电流信号Iref_dc和正弦交流扰动电流参考信号iref_ac的叠加。
10.根据权利要求7所述的一种基于离散移相调制的嵌入式锂电池阻抗测量装置，其特征在于，所述在所述移相占空比产生器输出的两个离散移相占空比信号dH和dL中选择合适的移相占空比作为所述移相占空比选择器输出的有效移相占空比da具体为：
当ibat＜iref时，选取所述dH作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流上升；当ibat≥iref时，选取所述dL作为当前开关周期的有效移相占空比信号da，使双有源桥DC-DC变换器的输出电流下降。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117239884A (zh) * 2023-11-14 2023-12-15 西南交通大学 具有超宽频eis测量功能的电池功率接口变换器控制方法

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