CN115267584A - 一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法，属于电池阻抗谱检测领域，考虑电池系统连接变换器的工作场景，在电池系统旁路并联电流扰动发生电路，然后在每一个电池组中安装电芯阻抗谱分时复用测量电路，在上位机控制系统的协调控制下，通过对所设定的各个特征频率点下各电芯扰动电流与响应电压的检测，实现对电池系统内每一个单体电芯阻抗谱的测量。与现有技术相比，本发明所提出的测量系统可以在不影响电池系统正常充放电运行的情况下实现原位在线检测；且电流扰动能量使用无功功率产生，降低有功功耗；能够以较低的成本和较高的精度以及巡检的方式，实现对电池系统内每一个单体电芯的阻抗谱检测。

Description

一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于电池阻抗谱检测领域，更具体地，涉及一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法。

背景技术

电池的安全稳定运行主要依赖于电池管理系统(BMS，Battery ManagementSystem)。电池管理系统对电池的状态进行实时监测，其主要功能包括电池电压和电流监控、表面温度监控、荷电状态(SOC)估计和健康状态(SOH)估计等。但在目前大部分应用中，电池管理系统仅监测外电压电流信息，无法获得电池内部特性参数，尤其是电池内温度，无法辨识电池的潜在性缺陷，导致电池起火自燃现象仍时有发生。

电化学阻抗谱作为一种无损的参数测定和有效的电池动力学行为测定方法，被广泛应用于电池的SOC、SOH和内温度等状态信息的评估和预测，可实现对电池特性的描述和拟合，并以此控制电池系统运行条件，避免故障的发生。

在实验室中，可以使用电化学工作站或其他专用阻抗测量设备采集电池全频段范围的阻抗谱数据。然而在实际工程环境下，专用阻抗测量设备存在着体积大，易损坏，成本昂贵等缺陷，不适合用于对电池系统进行实时检测。此外，电池系统由多节单体电芯以一定的方式串并联组成，而电化学工作站等仪器多为单体电芯阻抗谱测量设计，并不适合对电池系统进行工程实际测量。

为了解决上述问题，现有技术中提出了多种电池阻抗谱测量技术。但多数现有技术中的阻抗谱测量技术用于离线检测，且大多为针对单体电芯的检测技术。而现有技术中虽然也有针对串并联电池系统中每一个电芯进行阻抗谱检测的技术，但其采用有源激励电流源对电池系统进行电流激励，对于大型电池系统来讲，这将需要很大的有功激励能量，增加系统损耗。而现有技术中也有通过控制开关阵列的方式，对每一路电池串联支路分别进行电流激励以保证足够的激励能量进行阻抗谱检测的方案，该方案也忽略了一个问题，对各个电池串联支路分别激励需要使用开关阵列，分别把每一路串联支路切出系统进行激励和检测，但如果在测量结束后再把电池串联支路切入系统，则很容易产生环流烧坏电池。这是因为电池具有极化现象，同一个电池在不同的充电、放电、静置状态下，其端电压是不同的。而充放电运行状态的电池串联支路，和切出进行阻抗谱检测的电池串联支路之间因为极化现象会产生电压差，而电池的内阻很小，如强行切入，则较小的电压差也可能在电池支路中引起较大的环流进而烧坏电池。此外，在电池系统正常工作时对其串联支路进行切入切出，也不可避免会对系统运行状态产生影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法，旨在解决现有技术无法在不影响电池系统正常充放电运行的情况下，使用无功功率能量产生电流扰动，实现电池系统中每一个电芯阻抗谱的原位在线检测的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电池阻抗谱原位在线测量系统，包括：电流扰动发生电路、开关、控制单元以及测量电路；

所述电流扰动发生电路通过开关与电池系统并联；所述电池系统包括一条电池支路或至少两条电池支路并联；每个电池支路包括至少一个电池组或至少两个电池组串联，每个电池组包括至少一个电芯；

所述电流扰动发生电路，用于产生预设频率和幅值的扰动电流；

所述测量电路，用于测量各个电芯的电压和电流；

当对电池阻抗谱进行测量时，控制单元控制所述开关闭合，并控制电流扰动发生电路产生预设频率和幅值的扰动电流，且控制所述测量电路测量各个电芯电压和电流；所述控制单元基于各个电芯的电压和电流确定各个电芯在预设频率下的阻抗；所述控制单元控制电流扰动发生电路产生不同频率下的扰动电流，并通过测量电路获取各个电芯在不同频率下的阻抗，以基于不同频率下的阻抗确定各个电芯的阻抗谱。

在一个可选的示例中，所述电流扰动发生电路包括：全桥逆变器、电容以及滤波电路；

所述全桥逆变器的直流侧连接所述电容，交流侧连接所述滤波电路的输入端；

所述滤波电路的输出端与电池系统并联；

所述控制单元确定扰动电流的预设值和电容电压预设值，并采集所述电容电压当前值和滤波电路输出的电流值；确定电容电压预设值与电容电压当前值之间的第一误差，扰动电流预设值和滤波电路输出的电流值之间的第二误差；根据所述第一误差和第二误差产生对应的开关信号；

所述全桥逆变器中的功率器件在所述开关信号的作用下开通关断，使得所述滤波电路输出所述预设值的扰动电流。

在一个可选的示例中，每个电池组连接一个测量电路；

所述测量电路包括：可编程多路复用开关、电流传感器、电流采样电路、电压采样电路以及采样控制器；

所述电流传感器与电池组串联；

所述可编程多路复用开关将所述电压采样电路与电池组内各个电芯的两端连接；

所述采样控制器控制可编程多路复用开关分时导通以对各个电芯电压分别进行测量；

所述电压采样电路测量各个电芯电压的同时，采样控制器控制电流采样电路分别采集所述电流传感器的电流值，作为各个电芯的电流值。

在一个可选的示例中，所述控制单元根据阻抗谱测量需求，确定扰动电流的各个扫频特征频率点；

在电池系统稳定充电、稳定放电或处于静置状态的时段，控制单元控制所述开关将所述电流扰动发生电路接入电池系统；之后，控制单元根据所确定的各个扫频特征频率点向所述电流扰动发生电路发送检测指令以及对应的电流扰动设定值，以控制电流扰动发生电路在各个特征频率点下向电池系统输出对应频率的扰动电流，然后在每个电池组中，所述测量电路分别测量每节电芯在各个特征频率点扰动下的端电压与电流，并将数据上传控制单元；

控制单元计算得到电池系统中每节电芯在各个特征频率点下的阻抗，进而得到各个电芯的阻抗谱，完成电池系统内全部电芯的阻抗谱测量后，断开所述开关，测量结束；整个测量过程在不影响电池系统正常运行的情况下进行，实现原位在线检测。

第二方面，本发明提供了一种电池阻抗谱原位在线测量方法，包括如下步骤：

通过电流扰动发生电路向正常运行情况下的电池系统输入预设频率和幅值的扰动电流；所述电池系统包括一条电池支路或至少两条电池支路并联；每个电池支路包括至少一个电池组或至少两个电池组串联，每个电池组包括至少一个电芯；所述电流扰动发生电路与电池系统并联；

测量各个电芯在预设频率扰动电流下的电压和电流，以确定各个电芯在预设频率下的阻抗；

向电池系统输入不同预设频率下的扰动电流，以测量各个电芯在不同频率下的阻抗，以基于不同频率下的阻抗确定各个电芯的阻抗谱。

在一个可选的示例中，所述电流扰动发生电路包括：全桥逆变器、电容以及滤波电路；

所述全桥逆变器的直流侧连接所述电容，交流侧连接所述滤波电路的输入端；

所述滤波电路的输出端与电池系统并联；

所述预设频率和幅值的扰动电流通过如下步骤确定：

确定扰动电流的预设值和电容电压预设值；

采集所述电容电压当前值和滤波电路输出的电流值；

确定电容电压预设值与电容电压当前值之间的第一误差，扰动电流预设值和滤波电路输出的电流值之间的第二误差；

根据所述第一误差和第二误差产生对应的开关信号；

向全桥逆变器输入所述开关信号，所述全桥逆变器中的功率器件在所述开关信号的作用下开通关断，使得所述滤波电路输出所述预设值的扰动电流。

在一个可选的示例中，测量各个电芯在预设频率扰动电流下的电压和电流，具体为：

通过同一个电压采样电路分时测量同一个电池组内各个电芯的电压，并在测量各个电芯电压的同时，采集与电池组串联的电流传感器的电流值，作为各个电芯的电流值。

在一个可选的示例中，该方法还包括如下步骤：

根据阻抗谱测量需求，确定扰动电流的各个扫频特征频率点；

在电池系统稳定充电、稳定放电或处于静置状态的时段，根据所确定的各个扫频特征频率点向所述电流扰动发生电路发送检测指令以及对应的电流扰动设定值，以控制电流扰动发生电路在各个特征频率点下向电池系统输出对应频率的扰动电流，然后分别测量每节电芯在各个特征频率点扰动下的端电压与电流；

根据每节电芯在各个特征频率点扰动下的端电压与电流计算每节电芯在各个特征频率点下的阻抗，进而得到各个电芯的阻抗谱；

测量完电池系统内全部电芯的阻抗谱后，断开电流扰动发生电路，测量结束；整个测量过程在不影响电池系统正常运行的情况下进行，实现原位在线检测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法，考虑电池系统连接变换器的工作场景，可以在不影响电池系统正常充放电运行的情况下进行，实现原位在线检测。电流扰动发生电路全桥逆变器的直流侧连接电容，使得电流扰动能量使用无功功率，降低有功功耗。

本发明提供一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法，能够以较低的成本和较高的精度以及巡检的方式，实现对储能系统内每一个单体电芯的阻抗谱检测。便于储能系统的上位机控制系统监测电池系统的实时状态，有助于进行故障早期预警，提高系统可靠性与安全性。

附图说明

图1是本发明提供的电池阻抗谱原位在线测量系统结构示意图；

图2是本发明中的电流扰动发生电路示意图；

图3是本发明中的电流扰动发生电路控制环路框图；

图4是本发明中的电芯阻抗谱分时复用测量电路示意图；

图5是本发明中测量系统及测量方法的程序控制流程图；

图6是本发明实施例提供的电池阻抗谱原位在线测量方法流程图。

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。

本发明提供一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法，本发明可以应用于储能电站，通过检测并分析各个电芯阻抗谱的方式，对储能电站电池系统进行状态监测与安全预警；本发明也可以应用于电动汽车动力电池的状态监测；还可以应用于退役电池组健康评估、分选等梯次利用相关技术，评估退役电池组里各个单芯电池的特性状态。

下面将通过三个实施例分别介绍这三种应用场景

实施例1、

目前的锂离子储能电池系统在提高安全性方面面临技术瓶颈，缺乏主动式安全防御技术。有必要提升锂离子储能电池系统的安全性，以满足日益增长的规模化储能需求。

锂离子电池的安全性能取决于电芯内部热的产生和散逸这一竞争过程。当电池运行中出现大电流放电、过充电及内部短路等情况时，电池内部就会产生大量的热量，如果这些热量不能及时释放出去，电池体系就会达到较高的温度，进一步就可能出现“热失控”。

电池“热失控”的机理普遍相似，电池异常发热伊始，其内部温度缓慢升高，经过一段时间后温度剧烈上升，最终导致电解液喷出并燃烧，热失控进一步从单体电芯传导到电池模组和系统，形成火灾和爆炸。目前储能电站中多采用串并联结合的方式将多个单体电芯组装使用，而各个单体电芯产热及散热情况不同。对异常单体电芯的故障检测以及储能电池系统的状态估计不精确不及时，易导致储能电池系统的安全事故频发。采用被动式的防护无法在本质上解决安全问题。因此需要从电芯层面进行监测，阻断或降低热失控风险。

而现有电池系统中一般只有三个直接监测量，一是每个单体电芯的端电压，二是每个单体电芯的外表面温度或电池组内的温度，三是每个电池组的电流，因为电池组内各电芯串联，所以就相当于测的电芯电流。其它诸如SOC，SOH等量都是基于测量得到的电压电流和历史运行数据，在后台计算得到。

但电池在“热失控”进程伊始，安装于电池表面的热电偶难以准确检测到电池内部温度的异常变化，而在表面热电偶检测到温度异常前，“热失控”事故可能已经发生。

现有技术中，有结合电芯表面温度与锂电池等效热模型进行温度估计，但基于半经验的热等效模型估计精度有限，模型构建计算复杂，表面温度测量易受环境温度干扰。此外，现有技术中，有采用在电芯内部预埋热电偶或光纤的方法来直接检测电池内温度，但如果要实现对所有电芯准确的安全状态检测，则要在整个储能电站每个电芯内都预埋热电偶或光纤，这将导致电芯生产成本的大幅增加。

基于电化学阻抗谱(EIS)这种无损的参数测定和有效的电池动力学行为测定方法。对电芯施加特定频率的小振幅电流扰动信号，电芯产生电压响应，基于测量结果可计算出该特征频率下电芯的阻抗，相移值等，对电芯进行扫频测量即可得到电芯完整的阻抗谱。进而在上位机控制系统中，可以对阻抗谱测量结果进行计算分析。

现有技术中，已有基于EIS阻抗谱实验，不使用电池等效电路模型，直接得到电池阻抗谱特定频率区段阻抗或相移值与电池内温度之间的映射关系，得到阻抗谱特定频率区段测量结果后，通过计算式或查表确定电芯内温度。

为了将此测量原理，即电池阻抗谱特定频率区段阻抗或相移值与电池内温度之间的映射关系，在不影响电池系统正常运行的前提下，应用于储能电站电芯内温度检测，进而提升储能电池系统的安全性，本发明实施例提出一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法。

需要注意的是，本发明实施例1从测量电芯内温度的角度展开论述，只是为了更加贴近储能电站安全状态评估的工程实际需求。本发明技术方案所实现的原位在线电芯阻抗谱检测，可以提供电池系统中各个电芯准确的阻抗谱数据。基于电芯阻抗谱数据，可以运用现有技术中的多种数据分析手段，对电芯以及电池系统的各项特性参数进行实时在线评估，包括电芯SOC、SOH、内温度等。

参考目前在储能电站建设中被广泛采用的结构和规格，储能电站电池集装箱的电芯规格为3.2V/280Ah，采用16×1P400S的排列方式，即先由20个电芯串联成一个电池插箱，再由20个电池插箱串联成一个电池柜，最后由16个电池柜并联成一个电池集装箱。电池集装箱连接PCS储能变流器。

实施例1是将本发明应用于储能电站，通过检测并分析各个电芯阻抗谱的方式，对储能电站电池系统进行状态监测与安全评估。如上述内容及图1所示，在本发明实施例1中，图1中的“变流器”对应储能电站中的PCS储能变流器，“电池箱”对应电池集装箱，“电池组”对应电池插箱，本发明实施例1中每个电池插箱中有20个电芯。

如图1所示，一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法，包括：

电流扰动发生电路，可以在电池系统正常充放电工作的同时，使用无功功率能量，在电池箱内的各个并联电池支路上产生特定频率与幅值的扰动电流；

开关，用于将电流扰动发生电路接入或切出电池系统；

电芯阻抗谱分时复用测量电路，安装于每一个电池组内，可以检测每一个单体电芯的电流与电压，并将测量结果上传到上位机控制系统。

上位机控制系统，用于控制所述电流扰动发生电路工作，使各个电池支路产生特定频率和幅值的扰动电流，控制所述开关的通断，接收所述电芯阻抗谱分时复用测量电路的电流电压检测结果，根据检测结果计算出每一个单体电芯的阻抗谱，还用于与变流器通讯以确定最佳检测时机，对整个测量系统进行协调控制。

如图1、图2所示，电流扰动发生电路一体化对电池系统中所有电芯进行电流扰动，扰动电流能量使用无功功率产生。电流扰动发生电路使用逆变器全桥和滤波电路拓扑结构，通过所设计的控制环路，控制产生频率、幅值可控的扰动电流。因为各个电池支路是并联连接，所以所述各个电池支路在连接变流器进行正常充放电工作的同时，分别对电流扰动发生电路输出的扰动电流分流来获取电流扰动，互相之间不干扰。整个电池系统只连接一个电流扰动发生电路，即整个系统只有一个扰动信号源，避免了多个扰动信号相互干扰的情况。

如图2、图3所示，电流扰动发生电路产生电流扰动的机理为：电流扰动发生电路使用逆变器全桥和滤波电路拓扑结构，逆变器全桥直流侧连接电容C_d，逆变器全桥交流侧连接滤波电路，滤波电路通过出线端连接电池系统。上位机控制系统向扰动发生控制器发送所需产生的电流扰动指令，扰动发生控制器通过电压传感器检测逆变器全桥直流侧电容电压u_dc，通过电流传感器检测电流扰动发生电路输出电流i_c，并在如图3所示的控制环路作用下，产生开关信号控制逆变器全桥的功率器件开通关断。逆变器全桥输出电流经滤波电路后，得到上位机控制系统所设定频率、幅值的扰动电流i_c，送至电池系统作为电流扰动。

如图3所示的控制环路框图，其具体控制原理为：设置需要在电池系统中产生的交流电流扰动的幅值和频率，将其作为电流扰动发生电路输出交流扰动电流的给定量

是无偏置的交流量。对

附加直流分量，使逆变器全桥直流侧电容通过电流扰动发生电路输出电流直流分量的形式与电池系统之间进行能量传输，以稳定直流侧电容电压。将控制系统所给定的直流侧电容电压给定量

与直流侧电容电压检测反馈量u_dc相比较，得到的电容电压误差信号经调节器运算输出后，作为用以稳定直流侧电容电压的附加直流分量与

相加，得到真正的电流扰动发生电路输出电流给定信号，该给定信号包含交流扰动分量和直流分量，该给定信号与电流扰动发生电路输出电流的检测反馈量i_c进行比较，得到的误差信号经调节后产生PWM信号，再经驱动器放大后控制逆变器全桥中的功率器件开通关断。逆变器全桥输出电流经滤波电路后，得到上位机控制系统所设定频率、幅值的扰动电流i_c，送至电池系统作为电流扰动。

电流扰动发生电路在各个电池支路中产生的电流扰动，要保证扰动频率准确，但扰动的幅值可以相对于设定值有一定的误差，这并不影响测量，因为电芯电流与电压检测是在电芯阻抗谱分时复用测量电路中进行，依据实时测量得到的电压电流检测结果计算阻抗谱。

电流扰动发生电路通过开关接入电池系统，开关可以长时间闭合，也可以只在需要进行测量的时候闭合开关，这样避免了所述电流扰动发生电路长时间接入电池系统可能对系统运行稳定性产生的影响，并且降低电池系统异常波动可能损坏所述电流扰动发生电路的风险。

如图4所示，电芯阻抗谱分时复用测量电路安装于每一个电池组内，电流传感器用来采集电芯电流，因为一个电池组中所有的电芯串联，所以每一节电芯电流的测量均在电流传感器处采样，而对每一个电芯电压的分别检测则通过可编程多路复用开关实现。电压电流同步采样以提高测量精度。测量过程中，采样控制器接收到上位机控制系统的命令后开始测量，并在测量过程中实时与上位机控制系统通信。采样控制器通过控制可编程多路复用开关，实现对每一节电芯电压的单独测量，电压电流测量结果实时上传上位机控制系统。

根据实际情况，可编程多路复用开关可以选用继电器、半导体器件、多路复用开关芯片等。在测量时，通过程序控制实现测量端口与每一个电芯之间的依次选通。电芯阻抗谱分时复用测量电路可以与电池组内的BMS电路结合在一起，实现降本增效。

需要注意的是，安装于各个电池组内的电芯阻抗谱分时复用测量电路，其电路的GND参考地电位需要各自独立，不能共地，否则会引入较大的干扰，影响电芯阻抗谱测量精度。相应的，各个电芯阻抗谱分时复用测量电路与上位机控制系统通讯时，要采取隔离通讯措施，比如光耦隔离。

如图5所示，所述的测量系统及测量方法，分为如下步骤：

(1)上位机控制系统根据测量需求及电池系统实际情况，确定阻抗谱扫频特征频率点，特征频率点数量a，以及每个电池组内的电芯数量b。

(2)上位机控制系统与所述变流器建立通信，在电池系统稳定充电、稳定放电或处于静置状态的时段，控制开关将电流扰动发生电路接入电池系统进行阻抗谱测量，以最大化避免不稳定充放电时电池的极化现象对测量结果的影响。

(3)上位机控制系统发送检测指令，控制开关闭合，令j＝1。

(4)准备对每个电池组中的j号电芯进行阻抗谱测量，令i＝1。

(5)上位机控制系统控制电流扰动发生电路产生第i个特征频率点的电流扰动。

(6)在每个电池组中，电芯阻抗谱分时复用测量电路测量每个电池组内j号电芯的电压与电流，并将数据上传上位机控制系统。

(7)上位机控制系统计算得到每个电池组中j号电芯在频率点i的阻抗，并记录数据。

(8)上位机控制系统等待各个电芯阻抗谱分时复用测量电路均完成电池组中j号电芯第i个特征频率点的检测。

(9)上位机控制系统判断若i＜a，则i＝i+1，返回“步骤(5)”进行循环；若i≥a，则代表完成对所有电池组中的j号电芯阻抗谱的检测，进入下一步。

(10)上位机控制系统计算各个电池组中j号电芯阻抗谱。

(11)上位机控制系统判断若j＜b，则j＝j+1，返回“步骤(4)”进行循环；若j≥b，则代表完成电池系统中所有电芯的阻抗谱检测，进入下一步。

(12)断开开关，测量结束，分析处理数据。

整个测量过程可以在不影响电池系统正常充放电运行的情况下进行，实现原位在线检测。

对于特征频率点的选取，在测量时，确定所需检测的电芯状态量，比如电芯SOC、SOH和内温度等，根据所要检测的电芯状态量与阻抗谱之间的映射关系，在电芯完整的阻抗谱中选取扫频测量的特征频率区段，进一步在特征频率区段中选取扫频特征频率点，考虑到变流器运行时可能会在电池系统侧产生谐波干扰，进而影响电芯阻抗谱测量精度。因此在所述特征频率区段内，选取非基波和非谐波频率作为特征频率点，测量过程中，在上位机控制系统中通过程序算法把电压电流检测结果的直流分量、基波分量和谐波分量滤除，只保留所选取的特征频率点频率分量进行阻抗谱计算，进而消除变流器纹波以及电池正常充放电反应对测量的干扰影响。

实施例2、

本发明实施例2是将本发明应用于电动汽车动力电池组，相应的，本发明实施例2中的“变流器”对应驱动变流器，“电池箱”对应车载动力电池箱，“电池组”对应车载动力电池组。

与储能电站电池系统类似，现有电动汽车中的电池管理系统可以对车载动力电池的状态进行实时监测，但该监测系统无法获得动力电池内部电化学参数，无法辨识电池的潜在性缺陷，无法获取电池内温度，致使电动汽车起火自燃现象仍时有发生。

本发明技术方案也可运用于电动汽车动力电池组中单体电芯的阻抗谱检测，实现原位在线检测，为动力电池组各项特性参数监测评估提供准确的阻抗谱数据。

相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

实施例3、

本发明实施例3是将本发明应用于退役电池组健康状态评估、分选等梯次利用相关技术，评估退役电池组里各个电芯的特性状态。

需要说明的是，突破储能电池循环寿命快速检测和老化状态评价技术，研发退役电池健康评估、分选、修复等梯次利用相关技术，退役电池梯次利用备受各行各业高度重视。我国电动汽车动力电池退役高峰来临，与新电池相比，退役电池一致性差、性能离散度高、安全隐患大，并且从电池单体、模块、电池簇到储能系统逐层集成过程中，上述问题会叠加、放大，导致系统整体性能不确定性增大。大批量动力电池不断退役，将其梯级利用有望最大化发挥电池全寿命周期价值。

根据电池衰退机理，结合内特性参数，通过分析特殊频段在梯次利用阶段阻抗响应演化机理，明确能够表征电池健康状态、老化状态的阻抗谱特征频率区段。

本发明实施例3中，特征频率点基于上述原理，在特征频率区段中选取特征频率点。因为是针对退役电池组健康状态、老化状态的评估，所以可以在变流器不工作，或者在电池箱不连接变流器的静置状态下进行阻抗谱测量。测量过程相较于实施例1与实施例2可以相对简化。

其余相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

需要说明的是，从电池梯次利用角度考虑，本发明中的电芯阻抗谱分时复用测量电路可以在电池组生产阶段就集成安装于电池组内BMS电路中，然后其在实施例2所讲的电动汽车动力电池组应用阶段，实施例3所讲的退役电池组健康状态评估、分选应用阶段，实施例1所讲的储能电站应用阶段，均可结合电池组外部的开关、电流扰动发生电路、上位机控制系统进行电池阻抗谱原位在线测量。即本发明所提出的一种电池阻抗谱原位在线测量系统及测量方法，可以在电池的全寿命周期中使用，最大程度实现降本增效。

图6是本发明实施例提供的电池阻抗谱原位在线测量方法流程图，如图6所示，包括如下步骤：

S101，通过电流扰动发生电路向正常运行情况下的电池系统输入预设频率和幅值的扰动电流；所述电池系统包括一条电池支路或至少两条电池支路并联；每个电池支路包括至少一个电池组或至少两个电池组串联，每个电池组包括至少一个电芯；所述电流扰动发生电路与电池系统并联；

S102，测量各个电芯在预设频率扰动电流下的电压和电流，以确定各个电芯在预设频率下的阻抗；

S103，向电池系统输入不同预设频率下的扰动电流，以测量各个电芯在不同频率下的阻抗，以基于不同频率下的阻抗确定各个电芯的阻抗谱。

需要说明的是，图6中各个步骤的详细功能实现可参见前述系统实施例的介绍，在此不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池阻抗谱原位在线测量系统，其特征在于，包括：电流扰动发生电路、开关、控制单元以及测量电路；

所述电流扰动发生电路通过开关与电池系统并联；所述电池系统包括一条电池支路或至少两条电池支路并联；每个电池支路包括至少一个电池组或至少两个电池组串联，每个电池组包括至少一个电芯；

所述电流扰动发生电路，用于产生预设频率和幅值的扰动电流；

所述测量电路，用于测量各个电芯的电压和电流；

当对电池阻抗谱进行测量时，控制单元控制所述开关闭合，并控制电流扰动发生电路产生预设频率和幅值的扰动电流，且控制所述测量电路测量各个电芯电压和电流；所述控制单元基于各个电芯的电压和电流确定各个电芯在预设频率下的阻抗；所述控制单元控制电流扰动发生电路产生不同频率下的扰动电流，并通过测量电路获取各个电芯在不同频率下的阻抗，以基于不同频率下的阻抗确定各个电芯的阻抗谱。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流扰动发生电路包括：全桥逆变器、电容以及滤波电路；

所述全桥逆变器的直流侧连接所述电容，交流侧连接所述滤波电路的输入端；

所述滤波电路的输出端与电池系统并联；

所述控制单元确定扰动电流的预设值和电容电压预设值，并采集所述电容电压当前值和滤波电路输出的电流值；确定电容电压预设值与电容电压当前值之间的第一误差，扰动电流预设值和滤波电路输出的电流值之间的第二误差；根据所述第一误差和第二误差产生对应的开关信号；

所述全桥逆变器中的功率器件在所述开关信号的作用下开通关断，使得所述滤波电路输出所述预设值的扰动电流。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个电池组连接一个测量电路；

所述测量电路包括：可编程多路复用开关、电流传感器、电流采样电路、电压采样电路以及采样控制器；

所述电流传感器与电池组串联；

所述可编程多路复用开关将所述电压采样电路与电池组内各个电芯的两端连接；

所述采样控制器控制可编程多路复用开关分时导通以对各个电芯电压分别进行测量；

所述电压采样电路测量各个电芯电压的同时，采样控制器控制电流采样电路分别采集所述电流传感器的电流值，作为各个电芯的电流值。

4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述控制单元根据阻抗谱测量需求，确定扰动电流的各个扫频特征频率点；

在电池系统稳定充电、稳定放电或处于静置状态的时段，控制单元控制所述开关将所述电流扰动发生电路接入电池系统；之后，控制单元根据所确定的各个扫频特征频率点向所述电流扰动发生电路发送检测指令以及对应的电流扰动设定值，以控制电流扰动发生电路在各个特征频率点下向电池系统输出对应频率的扰动电流，然后在每个电池组中，所述测量电路分别测量每节电芯在各个特征频率点扰动下的端电压与电流，并将数据上传控制单元；

控制单元计算得到电池系统中每节电芯在各个特征频率点下的阻抗，进而得到各个电芯的阻抗谱，完成电池系统内全部电芯的阻抗谱测量后，断开所述开关，测量结束；整个测量过程在不影响电池系统正常运行的情况下进行，实现原位在线检测。

5.一种电池阻抗谱原位在线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过电流扰动发生电路向正常运行情况下的电池系统输入预设频率和幅值的扰动电流；所述电池系统包括一条电池支路或至少两条电池支路并联；每个电池支路包括至少一个电池组或至少两个电池组串联，每个电池组包括至少一个电芯；所述电流扰动发生电路与电池系统并联；

测量各个电芯在预设频率扰动电流下的电压和电流，以确定各个电芯在预设频率下的阻抗；

向电池系统输入不同预设频率下的扰动电流，以测量各个电芯在不同频率下的阻抗，以基于不同频率下的阻抗确定各个电芯的阻抗谱。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电流扰动发生电路包括：全桥逆变器、电容以及滤波电路；

所述全桥逆变器的直流侧连接所述电容，交流侧连接所述滤波电路的输入端；

所述滤波电路的输出端与电池系统并联；

所述预设频率和幅值的扰动电流通过如下步骤确定：

确定扰动电流的预设值和电容电压预设值；

采集所述电容电压当前值和滤波电路输出的电流值；

确定电容电压预设值与电容电压当前值之间的第一误差，扰动电流预设值和滤波电路输出的电流值之间的第二误差；

根据所述第一误差和第二误差产生对应的开关信号；

向全桥逆变器输入所述开关信号，所述全桥逆变器中的功率器件在所述开关信号的作用下开通关断，使得所述滤波电路输出所述预设值的扰动电流。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，测量各个电芯在预设频率扰动电流下的电压和电流，具体为：

通过同一个电压采样电路分时测量同一个电池组内各个电芯的电压，并在测量各个电芯电压的同时，采集与电池组串联的电流传感器的电流值，作为各个电芯的电流值。

8.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

根据阻抗谱测量需求，确定扰动电流的各个扫频特征频率点；

在电池系统稳定充电、稳定放电或处于静置状态的时段，根据所确定的各个扫频特征频率点向所述电流扰动发生电路发送检测指令以及对应的电流扰动设定值，以控制电流扰动发生电路在各个特征频率点下向电池系统输出对应频率的扰动电流，然后分别测量每节电芯在各个特征频率点扰动下的端电压与电流；

根据每节电芯在各个特征频率点扰动下的端电压与电流计算每节电芯在各个特征频率点下的阻抗，进而得到各个电芯的阻抗谱；

测量完电池系统内全部电芯的阻抗谱后，断开电流扰动发生电路，测量结束；整个测量过程在不影响电池系统正常运行的情况下进行，实现原位在线检测。

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