基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗辨识方法

本发明属于储能电池领域，更具体地，涉及一种基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗辨识方法。

背景技术：

1、电化学阻抗谱作为一种无损的参数测量技术，可以有效测定电池动力学行为，被广泛应用于评估电池的荷电状态、健康状态、能量状态等。同时，电池阻抗谱可以被用于估计电池的内部温度和枝晶生长状态，从而为解决电池热失控、短路、滥用等安全性问题提供支持。

2、现阶段电池电化学阻抗的测量过程主要有四个特征：(1)采用离线测量方法，即需要将电池从其应用场景中分离并单独进行测量；(2)对待测对象的规模有一定要求，即使是较为先进的测量设备也只能对中小型电池系统进行直接测量；(3)在静态工况下进行，即只能得到电池静置状态下的阻抗数据；(4)对测量设备要求较高，主要采用电化学工作站、频率响应分析仪、阻抗分析仪、精密lcr仪等。

3、经分析，上述特征存在以下问题：关于特征(1)，离线测量会妨碍待测设备的正常运行；关于特征(2)，现有的测量设备难以直接测量较大电池系统的阻抗，对于大规模的待测电池，需要对其进行拆分进行测量；关于特征(3)，电池在不同运行工况下的阻抗表现不同，在电池的实际使用过程中测得的动态阻抗谱才能有效表征当前工况下电池真实特性，因此现有在静态工况下测得的结果不能有效反映电池工作时的真实阻抗；关于特征(4)，价格高昂的专业测试设备是电池阻抗测量推广和普及的主要瓶颈之一。

4、基于电池-变流器拓扑，由于变流器死区、负载不平衡等因素的影响，蓄电池两端电压和流经电流中含有基频及其偶数倍的频率成分。专利cn102768304a利用该频率成分中幅值较大的电压、电流分量进行电池阻抗的辨识。然而，尽管该发明是在线的测量，但存在下述问题：(1)该发明将待测电池建模为一阶rc等效电路，在电池的模型选择上具有较强的主观性，无法全面反应电池的各种极化特性，即在建模阶段就存在固有误差；(2)该发明仅从上述频率中选择幅值较大的三个点求解电路方程，所得结果不具有对频域范围内其他点的普适性；(3)该发明依赖于基波分量，无法离线应用；(4)该发明基于变流器死区时间、负载不平衡等因素在直流侧产生的纹波分量，其大小和频率一定程度上不可调控；(5)该发明无法对基频以下的电池阻抗进行分析。

5、同样基于电池-逆变器拓扑，另外一篇专利cn113281668b利用逆变器向电池端注入开关频率及其倍频纹波的激励，可以实现电池高频阻抗的在线辨识，但无法得到中低频段的电池阻抗信息。

6、综上，研究一种能够对处于不同工况下的电池系统、电池模组或电池单体等进行在线阻抗测试的方法，是领域内亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗辨识方法，其目的在于提供一种能够对处于不同工况下的电池系统、电池模组或电池单体等进行在线阻抗测试的方法。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗辨识方法，包括：

3、对电池-逆变器-负载系统进行闭环控制，在控制过程中所采用的逆变器交流侧参考电流信号为基波参考电流信号和注入参考电流信号的加和；其中，所述注入参考电流信号为载波抑制双边带信号，通过调整所述载波抑制双边带信号的调制频率和载波频率，能够向电池注入目标频率的激励；当负载为多相负载，所述注入参考电流信号的相序由各相载波抑制双边带信号的载波信号体现；

4、对电池端的实时电流信号和实时电压信号进行抗混叠滤波并采样，基于采样数据计算得到目标频率下的电池阻抗。

5、进一步，当负载为多相负载，所述注入参考电流信号为正序载波抑制双边带信号、负序载波抑制双边带信号或正序载波抑制双边带信号和负序载波抑制双边带信号加和。

6、进一步，所述载波抑制双边带信号在直流侧的响应信号的频率集合包括所述目标频率，所述目标频率与所述载波抑制双边带信号的调制频率和载波频率的关系为：

7、当负载为单相负载，则所述目标频率包括2f0、2f1、2f2、2(f1±f2)、和f2±f1±f0；其中，f1、f2分别为所述载波抑制双边带信号的调制频率、载波频率，f0为所述基波参考电流信号的频率；

8、当负载为多相负载，且当所述注入参考电流信号为正序载波抑制双边带信号，则所述目标频率包括2f1,p和f2,p±(f1,p-f0)；当所述注入参考电流信号为负序载波抑制双边带信号，则所述目标频率包括2f1,n和f2,n±(f1,n+f0)；当所述注入参考电流信号为正序载波抑制双边带信号和负序载波抑制双边带信号的加和，则所述目标频率包括2f1,p、f2,p±(f1,p-f0)、2f1,n和f2,n±(f1,n+f0)；其中，f1,p、f2,p分别为所述正序载波抑制双边带信号的调制频率、载波频率，f1,n、f2,n分别为所述负序载波抑制双边带信号的调制频率、载波频率，f0为所述基波参考电流信号的频率。

9、进一步，载波抑制双边带信号的幅值满足目标频率处的电池电流分量幅值均不小于电流阈值ith；同时，目标频率处的电池电压分量幅值均不小于电压阈值vth；其中，电流阈值ith和电压阈值vth的选择需要满足信噪比的要求；其中，载波抑制双边带信号的幅值为调制信号幅值与载波信号幅值之积。

10、进一步，当负载为单相负载，或当负载为多相负载且注入参考电流信号为正序载波抑制双边带信号或负序载波抑制双边带信号时，则所述闭环控制中每个控制周期的实现方式为：

11、对逆变器交流侧n相电流信号ik和逆变器直流侧电压信号u进行滤波、采样，得到滤波采样后逆变器交流侧n相电流信号ik′和逆变器直流侧电压信号u′；其中，k＝1,2,...,n；

12、基于逆变器交流侧n相参考电流信号iref,k为基波参考电流信号ioref,k和注入参考电流信号ihref,k的加和，将ik′分别与ihref,k、ioref,k做差，对应作为n相静止坐标系下基波反馈电流信号io,k、注入反馈电流信号ih,k；将ioref,k、ihref,k、io,k、ih,k变换到同步旋转坐标系下，对应得到同步旋转坐标系下的基波参考电流信号ioref,rot、注入参考电流信号ihref,rot、基波反馈电流信号io,rot、注入反馈电流信号ih,rot；

13、利用ioref,rot、io,rot、ihref,rot、ih,rot和u′，执行闭环解耦控制算法，生成占空比指令dk；其中，所述闭环解耦控制算法包括基波电流闭环控制和注入电流闭环控制，所述基波电流闭环控制为：对ioref,rot和io,rot的对应分量分别做差，各分量的差值分别经过pi控制器运算，得到同步旋转坐标系下的基波参考电压信号vo,rot；所述注入电流闭环控制为：对ihref,rot和ih,rot的对应分量分别做差，各差值经过pr控制器或pi控制器运算，得到同步旋转坐标系下的注入参考电压信号vh,rot；对vo,rot和vh,rot的对应分量分别求和，并变换到n相静止坐标系下，得到参考电压信号vk，并据此生成占空比信号dk，基于dk生成pwm脉冲信号并传递给所述逆变器，完成一个周期的控制。

14、进一步，当负载为多相负载且注入参考电流信号为正序载波抑制双边带信号和负序载波抑制双边带信号的加和时，则所述闭环控制中每个控制周期的实现方式为：

15、对逆变器交流侧n相电流信号ik和逆变器直流侧电压信号u进行滤波、采样，得到滤波采样后逆变器交流侧n相电流信号ik′和逆变器直流侧电压信号u′；其中，k＝1,2,...,n；

16、基于逆变器交流侧n相参考电流信号iref,k为基波参考电流信号ioref,k、正序注入参考电流信号ihpref,k和负序注入参考电流信号ihnref,k的加和，将ik′分别与ihpref,k+ihnref,k、ioref,k+ihnref,k、ioref,k+ihpref,k做差，对应作为n相静止坐标系下基波反馈电流信号io,k、正序注入反馈电流信号ihp,k、负序注入反馈电流信号ihn,k；将ioref,k、ihpref,k、ihnref,k、io,k、ihp,k、ihn,k变换到同步旋转坐标系下，对应得到同步旋转坐标系下的基波参考电流信号ioref,rot、正序注入参考电流信号ihpref,rot、负序注入参考电流信号ihnref,rot、基波反馈电流信号io,rot、正序注入反馈电流信号ihp,rot、负序注入反馈电流信号ihn,rot；

17、利用ioref,rot、io,rot、ihpref,rot、ihp,rot、ihnref,rot、ihn,rot和u′，执行闭环解耦控制算法，生成占空比指令dk；其中，所述闭环解耦控制算法包括基波电流闭环控制、正序注入电流闭环控制和负序注入闭环控制，所述基波电流闭环控制为：对ioref,rot和io,rot的对应分量分别做差，各分量的差值分别经过pi控制器运算，得到同步旋转坐标系下的基波参考电压信号vo,rot；所述正序注入电流闭环控制为：对ihpref,rot和ihp,rot的对应分量分别做差，各差值经过pr控制器或pi控制器运算，得到同步旋转坐标系下的注入参考电压信号vhp,rot；所述负序注入电流闭环控制为：对ihnref,rot和ihn,rot的对应分量分别做差，各差值经过pr控制器或pi控制器运算，得到同步旋转坐标系下的注入参考电压信号vhn,rot；对vo,rot、vhp,rot和vhn,rot的对应分量分别求和，并变换到n相静止坐标系下，得到参考电压信号vk，并据此生成占空比信号dk，基于dk生成pwm脉冲信号并传递给所述逆变器，完成一个周期的控制。

18、进一步，所述注入电流闭环控制对同步旋转坐标系下的不同分量所使用的控制器类型的确定方式为：同步旋转坐标系下的交流分量采用pr控制器，同步旋转坐标系下的直流分量采用pi控制器；同步旋转坐标系中交流分量所在坐标轴取决于该信号由静止坐标系变换到同步旋转坐标系所使用的坐标变换矩阵。

19、进一步，所述对电池端的实时电流信号和实时电压信号进行抗混叠滤波并采样，基于采样数据计算得到目标频率下的电池阻抗，实现方式为：

20、采用抗混叠滤波器，对电池端实时电流信号i(t)、实时电压信号u(t)进行抗混叠滤波，得到滤波后的电池端实时电流信号if(t)、实时电压信号uf(t)；

21、对if(t)、uf(t)以fs的采样频率进行采样，得到采样后的电池端实时电流信号is(t)、实时电压信号us(t)；其中，fs为逆变器开关频率；

22、对is(t)、us(t)分别进行快速傅里叶变换，得到f＝{fi,i＝1,2,...,m}，m表示直流侧的响应信号的频率总个数；

23、对进行筛选，选出频率值为目标频率的电流分量和电压分量，以计算得到目标频率下的电池复阻抗。

24、本发明还提供一种基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗谱辨识方法，包括：

25、根据目标频率集，对载波抑制双边带信号的调制角频率和载波角频率同时进行多次扫频，对每个载波抑制双边带信号执行如上所述的一种基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗辨识方法，得到目标频率集对应的阻抗谱。

26、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如上所述的一种基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗辨识方法和/或如上所述的一种基于逆变器载波抑制双边带信号注入的电池阻抗谱辨识方法。

27、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

28、(1)本发明提出主动控制逆变器向交流侧注入载波抑制双边带信号，该注入信号的调制频率和载波频率均可控，通过逆变器的功率耦合，从而在直流侧激励了可控频率的扰动，进而可以实现不同目标频率下的电池阻抗辨识，该方法可以在线进行，对电池是否处于离线状态不做限制，且当本发明在线应用时，无需将电池从其应用场景中分离并单独进行测量，因而该阻抗测试方法不会影响待测设备的正常运行。

29、(2)本发明对被测对象规模无要求，可以完成电池系统、电池模组或电池单体的阻抗在线辨识。

30、(3)由于本发明可以在线执行，因此可以测得电池在不同运行工况下的阻抗表现，从而得到实际使用过程中电池的动态阻抗谱，实时反映电池阻抗变化，有效表征电池真实特性，为电池管理系统提供有效参考。

31、(4)本发明基于已有的电池-逆变器-负载拓扑，几乎无需增加任何硬件，能够以较低的测量成本实时准确地在线辨识各种工况下电池阻抗。

32、(5)本发明基于已有的电池-逆变器-负载拓扑，对负载相数无要求，使用场景广泛，有利于电池阻抗测量的推广和普及。

33、(6)由于注入信号的调制频率和载波频率均可控，通过逆变器的功率耦合，从而在直流侧激励可控频率的扰动，因此可以得到较宽频域下的电池阻抗信息，一般地，通过合理设置扫频次数以及载波抑制双边带信号调制频率、载波频率和幅值，待测频率下限可达mhz，待测频率上限可达khz。

34、(7)本发明用时较短，一般地，通过合理设置扫频次数、载波抑制双边带信号调制频率和载波频率，可以优化电池阻抗辨识时间。

35、(8)本发明计算较为简单，软件实现难度较小，易于实现，具有一定的工业应用前景。