CN117310516A - 一种基于改进型Chirp信号的电池快速EIS检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进型Chirp信号的电池快速EIS检测方法，即生成一种瞬时频率随时间变化的改进型Chirp信号，将其转换为电流激励信号并作用于电池，从而测得电池的EIS曲线。本发明设计的改进型Chirp信号包含多频率分量，可以减少测量时间，可根据目标频段设置起始、终止频率，具有较高的灵活性，能够大幅度提高低频段分量的幅值，且低频段持续时间更长，同时也提高了高频段特别是接近终止频率的分量的幅值，无需进行波峰因数优化，波峰因数低于大多数多频正弦信号。
Description
技术领域
本发明属于电池阻抗快速测量技术领域，具体涉及一种基于改进型Chirp信号的电池快速EIS检测方法。
背景技术
电池状态监测对于维护电池运行安全以及延长电池寿命具有重要的意义，包括电池的荷电状态SoC(State of Charge)、健康状态SoH(State of Health)以及温度。电化学阻抗谱(electrochemical-impedance spectroscopy，EIS)是一种非侵入式的检测技术，它反应了电池内部的电化学与动力学过程，由于它与电池的SoC、SoH以及内部温度等具有显著的相关性，在电池状态估计中得到了大量的应用。EIS通过采用多种频率的小幅值交流扰动(电压或电流)激励电池，通过测量电池在该激励下的响应，可以计算得到电池的阻抗：
式中：|Z(k)|为被测对象的阻抗的模，和/>分别为电池两端电压响应信号和电流激励信号的相角，Ubattery(k)和Ibattery(k)分别为电池两端电压响应信号ubattery和电流激励信号ibattery经过傅里叶变换后的结果；通过测量电池两端电压响应信号和电流激励信号，再通过计算最终可以得到阻抗的实部和虚部，得到电池的EIS曲线。
为了快速、准确、方便的获取电池的EIS，学者们进行大量相关研究，提出了许多方法以及相关装置。商用电化学工作站一般使用扫频正弦信号的方法，该方法优点是精确，缺点是所需时间极长，无法满足EIS测量实时性的要求；同时，如果电池处于工作状态，检测时间过长，电池的状态发生变化，会导致获得的EIS与实际工况不符。
公开号为CN115575714A的中国专利申请提出了一种使用多频正弦信号的电池原位在线快速EIS检测方法及装置，又如公开号为CN115693865A的中国专利申请提出了一种非隔离双向软开关均衡电路及其用于电池EIS检测的方法；二者均是向电池注入多频正弦信号，来获得电池EIS，许多学者也提出了相似的方法，缺点在于：多频正弦信号是多个正弦信号的叠加，如果不进行设计，会导致局部尖峰，即局部幅值过大，会导致EIS测量误差，因此需要优化多频正弦信号的波峰因数。学者针对多频正弦信号的波峰因数优化进行了大量研究，但是一旦要调整多频正弦信号包含的频率分量的相角、频率、幅值，就需要重新进行优化，许多学者提出的优化算法使用迭代进行优化，耗时较长，灵活度较差。
文献[R.Ramilli,F.Santoni,A.De Angelis,M.Crescentini,P.Carbone,andP.A.Traverso,“Binary Sequences for Online Electrochemical ImpedanceSpectroscopy of Battery Cells,”IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement,vol.71,pp.1-8,2022]提出使用最大长度二进制序列MLBSs作为电流激励信号来获得锂电池电池EIS，MLBSs是伪随机二值序列PRBs的一种，优点是波峰因数最小等于1，缺点是随着频率增大，信号高频段分量快速衰减，容易导致高频段EIS的测量结果误差较大。文献[F.A.Aroge and P.S.Barendse,"Time-Frequency Analysis of the ChirpResponse for Rapid Electrochemical Impedance Estimation"2018IEEE EnergyConversion Congress and Exposition(ECCE),Portland,OR,USA,2018,pp.2047-2052]提出使用频率线性变化的线性Chirp信号作为激励信号实验测量了燃料电池阻抗，线性Chirp信号的特点是信号频率随时间线性变化，缺点在于低频段分量幅值较低，并且低频段持续时间较短。文献[B.Bullecks,R.Suresh,and R.Rengaswamy,"Rapid impedancemeasurement using chirp signals for electrochemical system analysis"Computers&Chemical Engineering,vol.106,pp.421-436,Nov.2017]使用频率按照指数函数变化的指数型Chirp信号作为激励信号，缺点随着频率增大，频率分量幅值持续衰减，在接近终止频率时，分量幅值接近0。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于改进型Chirp信号的电池快速EIS检测方法，通过向电池注入改进型Chirp电流激励信号以实现对电池的快速EIS检测，缩短检测时间，提高测量的灵活性。
一种基于改进型Chirp信号的电池快速EIS检测方法，即生成一种瞬时频率随时间变化的改进型Chirp信号，将其转换为电流激励信号并作用于电池，从而测得电池的EIS曲线。
进一步地，所述改进型Chirp信号为变频信号，其频率范围为f0～f1且f1为f0的整数倍。
进一步地，所述改进型Chirp信号的表达式如下：
其中：s(n)表示改进型Chirp信号第n个采样点的信号值，A表示幅值，F(nTs)表示第n个采样点的瞬时相角，表示初始相角，Ts表示采样周期，N表示采样点数。
进一步地，所述改进型Chirp信号的瞬时频率表达式如下：
其中：f(nTs)表示第n个采样点的瞬时频率，a,b,c为三次函数的系数，t0为三次函数的转折点。
进一步地，所述系数a,b,c及转折点t0的表达式如下：
a＝-2(f1-f0)/T3
c＝-0.75aT2
b＝(f1+f0)/2
t0＝T/2
其中：T为改进型Chirp信号的持续时间且为采样周期的整数倍。
进一步地，所述电池的EIS检测时间由信号频率范围中的最低频率决定，即：
其中：T为EIS检测时间即改进型Chirp信号的持续时间。
进一步地，所述电流激励信号作用于电池后，采集电池的电压响应信号和电流激励信号，并将这两组信号经数字滤波后进行傅里叶变换；然后根据傅里叶变换结果计算电池阻抗的模值和相角，并将模值和相角通过滤波后进一步计算出电池阻抗的实部和虚部；最后根据实部和虚部绘制奈奎斯特图，从而得到EIS曲线。
本发明设计的改进型Chirp信号包含多频率分量，可以减少测量时间，可根据目标频段设置起始、终止频率，具有较高的灵活性，能够大幅度提高低频段分量的幅值，且低频段持续时间更长，同时也提高了高频段特别是接近终止频率的分量的幅值。以0.1～10kHz为例，测量0.1～10kHz的阻抗谱，如果采用扫频信号，每十倍频选择5个频率点，每个频率点1个周期，那么信号持续时间需要22.7s；而使用本发明设计的改进型Chirp信号，测量时间可以缩短到10s，并且可以测量更多频率点，信号波峰因数为1.4，无需进行波峰因数优化，低于大多数多频正弦信号。
附图说明
图1为本发明提出的改进型Chirp信号(1～2500Hz)的时域波形示意图。
图2为本发明提出的改进型Chirp信号的频率分布图。
图3为本发明基于改进型Chirp信号的电池EIS检测方法的流程示意图。
图4为本发明提出的改进型Chirp信号与两种基础Chirp信号的频谱特性对比示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
传统的EIS采用频率扫描的方式，确定所需的频率点后，每个频率至少施加一个周期的正弦激励信号，检测电池两端的电压相应和电流激励信号后，计算阻抗的相位和幅值信息，由于低频段信号周期较长，扫频法每次只测量一个频率点，测量时间累加，导致花费时间过长。
为克服扫频法的上述缺点，本发明考虑使用改进型Chirp信号代替扫频信号，以达到缩短检测时间的目的。
本发明所提出的改进型Chirp信号是一种变频信号，如图1所示，信号的瞬时频率随着时间而变化，包含的频率范围为f0～f1(f1为f0的整数倍)，其表达式如下所示：
式中：s(n)表示改进型Chirp信号，A表示信号幅值，F(nTs)表示瞬时相角，表示初始相角，Ts表示采样周期，N表示采样点数。
改进型Chirp信号的瞬时相角F(nTs)与信号瞬时频率f(nTs)具有如下关系：
式中：a,b,c为三次函数数系数，t0为三次函数转折点，表达式如下：
a＝-2(f1-f0)/T3
c＝-0.75aT2
d＝(f1+f0)/2
t0＝(T)/2
以频率范围1～2500Hz为例，信号的瞬时频率如图2所示，信号的频率分辨率具体表达式为：
式中：T为信号持续时间且T为采样周期Ts的整数倍，f0和f1为改进型Chirp信号的起始和终止频率，由使用者决定。
若需要检测的最低频率为1Hz，检测时间T为1s；若需要检测的最低频率为0.1Hz，检测时间T为10s，大大缩短了检测时间。
本发明电池EIS检测方法的流程如图3所示，下面结合前述对该EIS检测方法进行详细说明：
首先，改进型Chirp信号通过具备电流源功能的装置产生对应得到电流激励作用于锂电池，电流源装置可以是功率放大器或者具备相同功能的电路，输入改进型Chirp信号，就可以按照一定比例产生响应波形的电流激励信号；或者是具备可编程功能的商业恒流源，还可以使用功率器件，通过PWM变换调制转换为具有对应特性的二值激励电流；产生电流激励作用于电池后，通过电压、电流采集装置采集电池两端电压响应ubattery以及电流激励ibattery；采集到的电压响应、电流激励数据经过滤波后，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到Ubattery(k)和Ibattery(k)。
然后，由下式计算阻抗：
式中：和/>分别为Ubattery和Ibattery的相角，以阻抗模值|Z(k)|为纵轴，以频率为横轴，即可得到被测对象阻抗的幅频特性；以相角/>为纵轴，以频率为横轴，即可得到被测对象阻抗的相频特性。
接着可以计算得到阻抗的实部和虚部：
最后，根据阻抗的实部和虚部，以实部为横轴，虚部取相反数后的值为纵轴即可得到电池的EIS曲线。
如图4所示为本发明设计的改进型Chirp信号与背景技术所提到的线性Chirp信号和指数型Chirp信号的幅频特性对比结果(以1～2000Hz为例)，相比于线性Chirp信号，改进型Chirp信号大幅度提高了低频段分量的幅值，可见图4中的1～10Hz频段的分量提高了170％，虽然在部分频段分量幅值略有降低，最大降低仅18％；相比于线性Chirp信号，改进型Chirp信号低频段持续时间更长，更有利于测量响应频段的阻抗，比如从1～10Hz，线性Chirp信号持续了0.0045s，而改进型Chirp信号持续了0.0392s。相比于指数型Chirp信号，改进型Chirp信号提高了高频段，特别是接近终止频率的分量的幅值，可见图4中的1000～2000Hz频段，改进型Chirp信号同时避免了在频率接近终止频率时，频率分量幅值衰竭过大的问题。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于改进型Chirp信号的电池快速EIS检测方法，其特征在于：生成一种瞬时频率随时间变化的改进型Chirp信号，将其转换为电流激励信号并作用于电池，从而测得电池的EIS曲线。
2.根据权利要求1所述的电池快速EIS检测方法，其特征在于：所述改进型Chirp信号为变频信号，其频率范围为f0～f1且f1为f0的整数倍。
3.根据权利要求2所述的电池快速EIS检测方法，其特征在于：所述改进型Chirp信号的表达式如下：
其中：s(n)表示改进型Chirp信号第n个采样点的信号值，A表示幅值，F(nTs)表示第n个采样点的瞬时相角，表示初始相角，Ts表示采样周期，N表示采样点数。
4.根据权利要求3所述的电池快速EIS检测方法，其特征在于：所述改进型Chirp信号的瞬时频率表达式如下：
其中：f(nTs)表示第n个采样点的瞬时频率，a,b,c为三次函数的系数，t0为三次函数的转折点。
5.根据权利要求4所述的电池快速EIS检测方法，其特征在于：所述系数a,b,c及转折点t0的表达式如下：
a＝-2(f1-f0)/T3
c＝-0.75aT2
b＝(f1+f0)/2
t0＝T/2
其中：T为改进型Chirp信号的持续时间且为采样周期的整数倍。
6.根据权利要求2所述的电池快速EIS检测方法，其特征在于：所述电池的EIS检测时间由信号频率范围中的最低频率决定，即：
其中：T为EIS检测时间即改进型Chirp信号的持续时间。
7.根据权利要求1所述的电池快速EIS检测方法，其特征在于：所述电流激励信号作用于电池后，采集电池的电压响应信号和电流激励信号，并将这两组信号经数字滤波后进行傅里叶变换；然后根据傅里叶变换结果计算电池阻抗的模值和相角，并将模值和相角通过滤波后进一步计算出电池阻抗的实部和虚部；最后根据实部和虚部绘制奈奎斯特图，从而得到EIS曲线。
8.根据权利要求1所述的电池快速EIS检测方法，其特征在于：所述改进型Chirp信号包含多频率分量，可以减少测量时间，可根据目标频段设置起始、终止频率，具有较高的灵活性，能够大幅度提高低频段分量的幅值，且低频段持续时间更长，同时也提高了高频段特别是接近终止频率的分量的幅值，无需进行波峰因数优化，波峰因数低于大多数多频正弦信号。
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