CN117192395A - 一种电池阻抗谱在线监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池阻抗谱在线监测系统和方法，该系统包括储能变流器、电池管理单元和阻抗谱分析单元，储能变流器用于在电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过电流激励对电池包进行扫频；电池管理单元用于采集扫频后电池包中各单体电池的电压响应信号；阻抗谱分析单元用于对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的电压信号和电流激励得到各单体电池的阻抗谱。本发明无需复杂的测试环境要求，其通过电池储能系统中自身具有的储能变流器和电池管理单元即可实现一次性测量电池包中所有单体电池的阻抗谱，从而可减少测量成本，并降低测量装置复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及电池阻抗谱技术领域，尤其涉及一种电池阻抗谱在线监测系统和方法。
背景技术
阻抗谱是一种用于研究电化学反应过程中电学特性的分析技术，常被应用于锂离子电池等电化学系统中。通过测量电池系统的阻抗谱可以确定反应过程中的各种阻力；通过对电池的阻抗谱分析，可以得到电池内部的电学特性、内阻变化、电化学反应速率等信息；通过对阻抗谱结果的分析和处理，可以判断电池的性能和健康状况。阻抗谱测试不需要将电池拆解或改变其结构，因此对于电池的使用和性能不会产生损害，且可以检测到锂电池内部微小的电化学变化，并提供精确的电化学特性信息，还具有良好的测试重复性和稳定性，可以多次测试同一电池并获得一致的结果。
然而，目前实验室内阻抗谱的测量工具主要是电化学工作站，但由于其成本高昂，且对测试环境要求苛刻，大大限制了其在实际应用中的可能性。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种电池阻抗谱在线监测系统，该系统无需复杂的测试环境要求，其通过电池储能系统中自身具有的储能变流器和电池管理单元即可实现一次性测量电池包中所有单体电池的阻抗谱，从而可减少测量成本，并降低测量装置复杂程度。
本发明的第二个目的在于提供一种电池阻抗谱在线监测方法。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种电池阻抗谱在线监测系统，包括：
储能变流器，与电池包串联连接，用于在所述电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过所述电流激励对所述电池包进行扫频，其中，所述电池包包括多个串联的单体电池；
电池管理单元，与各单体电池连接，用于采集扫频后各单体电池的电压响应信号；
阻抗谱分析单元，与所述储能变流器和所述电池管理单元连接，用于对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与所述电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的所述电压信号和所述电流激励得到各单体电池的阻抗谱。
优选的，所述储能变流器具体用于叠加多个不同频率的电流信号，以便通过多个不同频率的电流信号对所述电池包进行扫频。
优选的，所述阻抗谱分析单元具体用于分解得到各单体电池的与多个不同频率的电流信号同频的多个电压信号。
优选的，所述阻抗谱分析单元还具体用于根据各单体电池分解后的多个电压信号以及与多个电压信号同频的电流信号得到各单体电池的阻抗谱。
为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种电池阻抗谱在线监测方法，包括：
步骤S1：在电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过所述电流激励对所述电池包进行扫频，其中，所述电池包包括多个串联的单体电池；
步骤S2：采集扫频后各单体电池的电压响应信号；
步骤S3：对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与所述电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的所述电压信号和所述电流激励得到各单体电池的阻抗谱。
优选的，所述步骤S1包括：叠加多个不同频率的电流信号，以便通过多个不同频率的电流信号对所述电池包进行扫频。
优选的，所述步骤S3包括：对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到各单体电池的与多个不同频率的电流信号同频的多个电压信号。
优选的，所述步骤S3还包括：根据各单体电池分解后的多个电压信号以及与多个电压信号同频的电流信号得到各单体电池的阻抗谱。
本发明至少具有以下技术效果：
本发明的电池阻抗谱在线监测系统和方法通过储能变流器在电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过电流激励对电池包进行扫频，然后通过电池管理单元采集扫频后各单体电池的电压响应信号，之后通过阻抗谱分析单元对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与所述电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的电压信号和电流激励得到各单体电池的阻抗谱。由此，本发明的电池阻抗谱在线监测系统和方法在不增加额外硬件的情况下，通过电池储能系统自身具有的PCS即储能变流器和BMS即电池管理单元即可实现电池阻抗谱在线监测，并可一次性得到电池包所有串联单体电池的阻抗谱，相对于传统电池阻抗谱在线监测，节约了成本，减少了装置的复杂性，提高了效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的电池阻抗谱在线监测系统的结构框图。
图2为本发明实施例的电池阻抗谱在线监测系统的电路结构示意图。
图3为本发明实施例的电池阻抗谱在线监测方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本实施例的一种电池阻抗谱在线监测系统和方法。
图1为本发明实施例的电池阻抗谱在线监测系统的结构框图。图2为本发明实施例的电池阻抗谱在线监测系统的电路结构示意图。如图1-2所示，该电池阻抗谱在线监测系统包括储能变流器即PCS、电池管理单元即BMS和阻抗谱分析单元。其中，PCS与电池包串联连接，所述电池包包括多个串联的单体电池，BMS与各单体电池连接，阻抗谱分析单元分别与PCS和BMS连接。储能变流器用于在电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过电流激励对电池包进行扫频；电池管理单元用于采集扫频后各单体电池的电压响应信号；阻抗谱分析单元用于对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的电压信号和电流激励得到各单体电池的阻抗谱。
具体的，PCS可在正常工作电流的基础上，叠加电流激励，并进行电流激励扫频，然后BMS采集单体电池电压响应信号发送给阻抗谱分析单元，阻抗谱分析单元将采集的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与电流激励同频的电压信号，并将分解得到的电压信号与电流激励复数相除得到阻抗谱。
本实施例中，PCS具体用于叠加多个不同频率的电流信号，以便通过多个不同频率的电流信号对电池包进行扫频。
具体而言，可通过PCS中DC/AC(直流/交流)或DC/DC(直流/直流)对电池包进行充放电，作为电池包的电流激励，然后在PCS输出正常充放电电流基础上叠加不同频率的交流电流激励。例如，叠加的交流电频率为f1～fn，则电池包的电流激励为I1～In。
本实施例中，阻抗谱分析单元具体用于分解得到各单体电池的与多个不同频率的电流信号同频的多个电压信号，然后根据各单体电池分解后的多个电压信号以及与多个电压信号同频的电流信号得到各单体电池的阻抗谱。
具体的，可给电池包的串联的单体电池进行编号，分别为1～m；然后，PCS给电池包提供频率为f1～fn的电流激励I1～In；之后，BMS分别采集电池包的m个单体电池的电压响应信号，分别为V1～Vm，并将采集的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与电流激励I1～In同频的电压信号，其中，V1分解为U11～U1n、V2分解为U21～U2n，……，Vm分解为Um1～Umn，其中，Um1～Umn为第m个单体电池电压响应信号分解后的与f1～fn同频的n个电压信号；最后，利用公式Zmn＝Umn/In对电压信号和电流激励进行复数相除，得到每个单体电池的阻抗，其中第一个电池得到Z11，Z12……Z1n；第二个电池得到Z21，Z22……Z2n；第m个电池得到Zm1，Zm2……Zmn，然后以单体电池阻抗的实部为横坐标，虚部为纵坐标，建立坐标系，并将不同频率的阻抗按照横纵坐标放入坐标系中，就能得到每个单体电池的阻抗谱，分别为EIS1，EIS2，……，EISm，其中，EISm为第m个单体电池的阻抗谱。
由于电池包中各单体电池使用同一个电流激励，而BMS可以测量出每个单体电池的电压响应信号，所以可一次性得到所有单体电池的阻抗谱。
图3为本发明实施例的电池阻抗谱在线监测方法的流程图。如图3所示，该方法包括：
步骤S1：在电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过电流激励对电池包进行扫频，其中，电池包包括多个串联的单体电池。
本实施例中，可通过PCS叠加多个不同频率的电流信号，以便通过多个不同频率的电流信号对电池包进行扫频。
步骤S2：采集扫频后各单体电池的电压响应信号。
本实施例中，可通过BMS采集扫频后各单体电池的电压响应信号。
步骤S3：对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的电压信号和电流激励得到各单体电池的阻抗谱。
本实施例中，可通过阻抗谱分析单元对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到各单体电池的与多个不同频率的电流信号同频的多个电压信号，并根据各单体电池分解后的多个电压信号以及与多个电压信号同频的多个电流信号得到各单体电池的阻抗谱。
需要说明的是，本发明实施例的电池阻抗谱在线监测方法的具体实施方式可参见上述的电池阻抗谱在线监测系统的具体实施方式，为避免冗余，此处不再赘述。
综上所述，本发明的电池阻抗谱在线监测系统和方法通过储能变流器在电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过电流激励对电池包进行扫频，然后通过电池管理单元采集扫频后各单体电池的电压响应信号，之后通过阻抗谱分析单元对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与所述电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的电压信号和电流激励得到各单体电池的阻抗谱。由此，本发明的电池阻抗谱在线监测系统和方法在不增加额外硬件的情况下，通过电池储能系统自身具有的PCS即储能变流器和BMS即电池管理单元即可实现电池阻抗谱在线监测，并可一次性得到电池包所有串联单体电池的阻抗谱，相对于传统电池阻抗谱在线监测，节约了成本，减少了装置的复杂性，提高了效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种电池阻抗谱在线监测系统，其特征在于，包括：
储能变流器，与电池包串联连接，用于在所述电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过所述电流激励对所述电池包进行扫频，其中，所述电池包包括多个串联的单体电池；
电池管理单元，与各单体电池连接，用于采集扫频后各单体电池的电压响应信号；
阻抗谱分析单元，与所述储能变流器和所述电池管理单元连接，用于对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与所述电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的所述电压信号和所述电流激励得到各单体电池的阻抗谱。
2.如权利要求1所述的电池阻抗谱在线监测系统，其特征在于，所述储能变流器具体用于叠加多个不同频率的电流信号，以便通过多个不同频率的电流信号对所述电池包进行扫频。
3.如权利要求2所述的电池阻抗谱在线监测系统，其特征在于，所述阻抗谱分析单元具体用于分解得到各单体电池的与多个不同频率的电流信号同频的多个电压信号。
4.如权利要求3所述的电池阻抗谱在线监测系统，其特征在于，所述阻抗谱分析单元还具体用于根据各单体电池分解后的多个电压信号以及与多个电压信号同频的电流信号得到各单体电池的阻抗谱。
5.一种电池阻抗谱在线监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在电池包的工作电流上叠加电流激励，并通过所述电流激励对所述电池包进行扫频，其中，所述电池包包括多个串联的单体电池；
步骤S2：采集扫频后各单体电池的电压响应信号；
步骤S3：对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到与所述电流激励同频的电压信号，并根据各单体电池的所述电压信号和所述电流激励得到各单体电池的阻抗谱。
6.如权利要求5所述的电池阻抗谱在线监测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：叠加多个不同频率的电流信号，以便通过多个不同频率的电流信号对所述电池包进行扫频。
7.如权利要求6所述的电池阻抗谱在线监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：对各单体电池的电压响应信号进行傅里叶分解，得到各单体电池的与多个不同频率的电流信号同频的多个电压信号。
8.如权利要求7所述的电池阻抗谱在线监测方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：根据各单体电池分解后的多个电压信号以及与多个电压信号同频的电流信号得到各单体电池的阻抗谱。
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