一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置及方法，用以测量蓄电池组中多个电池模块内串联的电池单体的交流阻抗，该装置包括：交流激励模块：用以为多个串联的电池模块提供一定频率和幅值的正弦激励电流；蓄电池组控制器：用以控制交流激励模块产生激励电流；电流测量模块：用以测量交流激励模块向蓄电池组注入的激励电流并将检测电流值发送给蓄电池组控制器；电池单体电压测计模块：用以测量电池模块中所有串联的电池单体的响应电压并通过通信模块从蓄电池组控制器获取激励电流值，计算得到电池单体的交流阻抗。与现有技术相比，本发明具有集中激励、单独测量、测量准确等优点。
【专利说明】
一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及纯电动汽车、插电式混合动力汽车应用领域，尤其是涉及一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着电动汽车和插电式混合动力汽车的推广应用，对车载蓄电池包的安全性、可靠性有非常高的要求。对于电池管理系统来说，能够及时准确地得知动力电池的当前寿命状态、功率输出能力、内部温度从而进行热失效的预测和防止滥用等具有非常重要的意义。而上述特性均与蓄电池在某一频率点或某一频率区间内的阻抗有极大关系，如下面几篇文南犬:(I)LEE J H,CHOI ff.Novel State-of-Charge Estimat1n Method for LithiumPolymer Batteries Using Electrochemical Impedance Spectroscopy [J].Journal ofPower Electronics,2011,11(2):237-43.(2)GALE0TTI M1CINA L，GIAMMANC0 C，etal.Performance analysis and S0H(state of health)evaluat1n of lithium polymerbatteries through electrochemical impedance spectroscopy[J].Energy,2015,89(678-86.(3)ZHU J G,SUN Z C,ffEI X Z,et al.A new lithium-1on battery internaltemperature on—line estimate method based on electrochemical impedancespectroscopy measurement[J].Journal of Power Sources，2015，274(990-1004).。因此实现车载蓄电池包的阻抗测量具有重要应用价值。
[0003]目前，在车载应用下的蓄电池的阻抗测量还没有较好的方法或装置。实验室使用的蓄电池交流阻抗的测量方法多数是用线性功放或电源，设计用途具有通用性，存在体积大、效率低、成本高的缺点，而且某些功能在电动汽车或插电式混合动力汽车上应用时并无必要。客观上有必要研究新方法对实车整包电池内部阻抗进行测量。发明专利《电池阻抗检测系统、设备及方法》(授权公告号:CN102809691B)和《电池单元阻抗谱测量系统》(授权公告号:CN102466766B)虽然给出了一种电池单元的电池单体阻抗测量装置和方法，但是在实现实车应用时有以下几点不足:(I)所引用的发明中有关电流激励的装置只能逐次分别作用在电池单元两端施加激励电流，具体实现时需要进行电气开关切换，增加了系统成本、降低了系统可靠性；(2)所引用的发明中对激励下响应电压的测量每次只能进行一个电池单元响应电压测量，且需要与激励装置同步切换至不同电池单元。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种集中激励、单独测量、测量准确的车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置及方法。
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]—种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置，用以测量蓄电池组中多个电池模块内串联的电池单体的交流阻抗，该装置包括:
[0007]交流激励模块:分别与市电和蓄电池组连接，用以为多个串联的电池模块提供一定频率和幅值的正弦激励电流；
[0008]蓄电池组控制器:与交流激励模块连接，用以控制交流激励模块产生激励电流；
[0009]电流测量模块:与蓄电池组控制器连接，用以测量交流激励模块向蓄电池组注入的激励电流并将检测电流值发送给蓄电池组控制器；
[0010]电池单体电压测计模块:设有多个且分别与每个电池模块配套设置，用以测量电池模块中所有串联的电池单体的响应电压并通过通信模块从蓄电池组控制器获取激励电流值，计算得到电池单体的交流阻抗。
[0011]所述的电池单体电压测计模块包括多通道差分放大单元、多通道AD转换单元和蓄电池模块控制器，所述的电池模块、多通道差分放大单元、多通道AD转换单元和蓄电池模块控制器依次连接，所述的蓄电池模块控制器通过通信模块与蓄电池组控制器连接。
[0012]所述的交流激励模块包括控制器以及依次连接的功率因数矫正器、DC/DC变换器、H桥、变压器和输出滤波器，所述的功率因数矫正器与市电连接，所述的输出滤波器与蓄电池组的正负极连接，所述的控制器分别与DC/DC变换器和H桥连接，并且通过CAN总线与蓄电池组控制器通信。
[0013]所述的电流测量模块包括差分放大单元、低通滤波器、AD转换单元以及设置在输出滤波器和蓄电池组正极之间电线上的分流电阻，所述的差分放大单元并联在分流电阻两端，并且依次通过低通滤波器和AD转换单元与蓄电池组控制器连接。
[0014]所述的通信模块包括车载以太网路由器。
[0015]—种车载蓄电池组电池单体阻抗测量方法，包括以下步骤:
[0016]I)集中激励:交流激励模块在接收到蓄电池组控制器的阻抗测量开始命令后产生相应频率、幅值的正弦激励电流并施加在蓄电池组的正负极间，使相互串联的多个电池单体产生响应电压；
[0017]2)单独测量:多个电池单体电压测计模块分别对每个电池单体的响应电压进行测量，同时电流测量模块获取激励电流值，通过蓄电池组控制器发送给每个蓄电池模块控制器，根据响应电压和激励电流值计算电池单体的交流阻抗。
[0018]所述的步骤2)具体包括以下步骤:
[0019]21)蓄电池组控制器通过以太网路由器与多个蓄电池模块控制器进行时钟同步；
[0020]22)蓄电池组控制器通过电流测量模块测量多个激励周期下的激励电流值，同时多个蓄电池模块控制器也开始测量电池单体的响应电压并加入时间戳；
[0021]23)蓄电池组控制器激励将电流值加入时间戳后向以太网路由器发送，以太网路由器再次加入其自身的时间戳后向多个蓄电池模块控制器转发，每个蓄电池模块控制器在接收到以太网路由器的转发数据后，根据以太网路由器的转发数据的时间戳与自身的电压数据时间戳实现时间对准，最后计算得到每个电池单体的交流阻抗。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0023]—、集中激励:本发明的电池包交流阻抗测量装置中车载交流激励模块置于蓄电池组外对于串联电池组产生集中激励，具有创新性，且成本低、可靠性高；
[0024]二、单独测量:本发明提出的电压测量模块能够实现串联电池组中多个蓄电池单元对应激励电流下响应电压同步采样，提高测量效率，且易于与现有的串联蓄电池监控装置进行复用；
[0025]三、测量准确:本发明采用的带有时间戳的车载以太网作为通信载体传输电流数据减小由不确定性传输延迟带来的阻抗计算误差。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的结构示意图。
[0027]图2为本发明的集中激励和单独测量方法流程图。
[0028]图3为本发明的电压和电流的测量流程图。
[0029]其中，1、交流激励模块，11、功率因数矫正器，12、DC/DC变换器，13、H桥，14、变压器，15、输出滤波器，16、控制器，2、电池模块，3、电池单体电压测计模块，31、多通道差分放大单元，32、多通道AD转换单元，33、蓄电池模块控制器，4、电流测量模块，41、差分放大单元，42、低通滤波器，43、AD转换单元，44、分流电阻，5、蓄电池组控制器，6、通信模块，7、市电，8、CAN总线。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031 ] 实施例:
[0032]在电动汽车或者插电式混合动力汽车应用中，蓄电池组多是由多个电池单体通过串并联连接，串联的蓄电池单体数目能够达到100?200个，具体取决于所设计的电源系统的电压等级和所采用的蓄电池单体的单个电压等级或材料体系。例如，一个由100个40Ah磷酸铁锂电池单体串联连接组成的纯电动汽车蓄电池组，其标称电压达到3 20V。且在电池单体成组过程中，由10个电池单体串联组成一个电池模块2并由模块级监控装置完成电压、温度等监控及管理。对于这样的应用场合，本发明的实施例具有下述的特点。
[0033]如图1所示，由多通道差分放大单元31、多通道AD转换单元32、蓄电池模块控制器33连接组成了实现10个蓄电池单体电压测量和阻抗计算的电池单体电压测计模块3，本实施例中包括了 10个与此类似的测计模块，其中每个蓄电池模块控制器33都通过以太网连接至以太网路由器，以太网路由器与蓄电池组控制器5相连，蓄电池组控制器5与电流测量模块4相连，同时通过CAN总线8与交流激励模块I相连，在进行阻抗测量时，蓄电池组控制器5通过CAN总线8向交流激励模块的控制器16发送指令，控制器16根据指令控制DC/DC变换器12和H桥13产生相应频率和幅值的正弦激励电流注入到蓄电池组的正负极间，与此同时，蓄电池组控制器5开始经过电流测量模块4进行激励电流的测量，各个蓄电池模块控制器33经过与其相连的电池单体电压测计模块3进行响应电压测量。在一个测量结束后，蓄电池组控制器5将测量得到的电流信号加入时间戳并通过以太网路由器向每个蓄电池模块控制器33转发激励电流值。蓄电池模块控制器33根据激励流和响应电压对电池单体的阻抗进行计笪并ο
[0034]如图2和图3所示，图为集中激励和单独测量方法流程图及电压和电流的测量流程图。
[0035]上述的对实施例的描述是为便于该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这些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，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置，用以测量蓄电池组中多个电池模块内串联的电池单体的交流阻抗，其特征在于，该装置包括: 交流激励模块(I):分别与市电(7)和蓄电池组连接，用以为多个串联的电池模块(2)提供一定频率和幅值的正弦激励电流； 蓄电池组控制器(5):通过CAN总线(8)与交流激励模块(I)连接，用以控制交流激励模块(I)产生激励电流； 电流测量模块(4):与蓄电池组控制器(5)连接，用以测量交流激励模块(I)向蓄电池组注入的激励电流并将检测电流值发送给蓄电池组控制器(5); 电池单体电压测计模块(3):设有多个且分别与每个电池模块(2)配套设置，用以测量电池模块(2)中所有串联的电池单体的响应电压并通过通信模块(6)从蓄电池组控制器(5)获取激励电流值，计算得到电池单体的交流阻抗。2.根据权利要求1所述的一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置，其特征在于，所述的电池单体电压测计模块(3)包括多通道差分放大单元(31)、多通道AD转换单元(32)和蓄电池模块控制器(33)，所述的电池模块、多通道差分放大单元(31)、多通道AD转换单元(32)和蓄电池模块控制器(33)依次连接，所述的蓄电池模块控制器(33)通过通信模块(6)与蓄电池组控制器(5)连接。3.根据权利要求1所述的一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置，其特征在于，所述的交流激励模块(I)包括控制器(16)以及依次连接的功率因数矫正器(11)、DC/DC变换器(12)、H桥(13)、变压器(14)和输出滤波器(15)，所述的功率因数矫正器(11)与市电(7)连接，所述的输出滤波器(15)与蓄电池组的正负极连接，所述的控制器(16)分别与DC/DC变换器(12)和H桥(13)连接，并且通过CAN总线(8)与蓄电池组控制器(5)通信。4.根据权利要求3所述的一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置，其特征在于，所述的电流测量模块(4)包括差分放大单元(41)、低通滤波器(42)、AD转换单元(43)以及设置在输出滤波器(15)和蓄电池组正极之间电线上的分流电阻(44)，所述的差分放大单元(41)并联在分流电阻(44)两端，并且依次通过低通滤波器(42)和AD转换单元(43)与蓄电池组控制器(5)连接。5.根据权利要求1所述的一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置，其特征在于，所述的通信模块(6)包括车载以太网路由器。6.—种应用根据权利要求1-5任一项所述的车载蓄电池组电池单体阻抗测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)集中激励:交流激励模块在接收到蓄电池组控制器的阻抗测量开始命令后产生相应频率、幅值的正弦激励电流并施加在蓄电池组的正负极间，使相互串联的多个电池单体产生响应电压； 2)单独测量:多个电池单体电压测计模块分别对每个电池单体的响应电压进行测量，同时电流测量模块获取激励电流值，通过蓄电池组控制器发送给每个蓄电池模块控制器，根据响应电压和激励电流值计算电池单体的交流阻抗。7.根据权利要求6所述的一种车载蓄电池组电池单体阻抗测量方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤: 21)蓄电池组控制器通过以太网路由器与多个蓄电池模块控制器进行时钟同步； 22)蓄电池组控制器通过电流测量模块测量多个激励周期下的激励电流值，同时多个蓄电池模块控制器也开始测量电池单体的响应电压并加入时间戳； 23)蓄电池组控制器激励将电流值加入时间戳后向以太网路由器发送，以太网路由器再次加入其自身的时间戳后向多个蓄电池模块控制器转发，每个蓄电池模块控制器在接收到以太网路由器的转发数据后，根据以太网路由器的转发数据的时间戳与自身的电压数据时间戳实现时间对准，最后计算得到每个电池单体的交流阻抗。
【文档编号】G01R27/08GK106093583SQ201610591663
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月26日 公开号201610591663.4, CN 106093583 A, CN 106093583A, CN 201610591663, CN-A-106093583, CN106093583 A, CN106093583A, CN201610591663, CN201610591663.4
【发明人】魏学哲, 戴海峰, 王学远
【申请人】同济大学