一种储能电池异常的快速定位检测方法

1.本发明属于电池异常检测技术领域，尤其涉及一种储能电池异常的快速定位检测方法。


背景技术：

2.锂离子电池作为动力来源，必须串联使用才能达到电压要求，而多个电池串联使用一段时间后，电池内阻和电压产生波动，单体电池的状态差异会逐渐显现出来，不断循环的充放电过程加剧了单体电池之间的不一致性，由于电池的不一致性不断加剧，在串联成组的电池系统中，电学性能差的单体电池影响着电池包整体的性能，如不及时发现，异常电池将威胁整个电池包的安全，大规模储电系统中电池成本约占总成本的一半，造成的成本损失巨大，但往往损失的不仅仅是昂贵的电池，而是由于电池状态不确定性造成的系统瘫痪、数据丢失，造成的后果不堪设想。因此为确保储电系统性能良好，延长电池使用寿命，及时发现电池的老化以及可能出现的异常，对内阻值异常的异常电池进行定位、更换，就变得尤为重要。
3.现有的检测方法对异常电池进行定位时，大多需要获取每个单体电池内阻参数，再将这些数据进行比对，这种方式不仅检测设备复杂，成本高，还费事费力，效率低下，严重影响储能电池的检测效率。
4.例如，cn215731869u公开了一种新能源汽车动力电池异常定位系统，采用光纤对动力电池进行温度监测，配合激光发生装置、转换装置和微处理器的作用实现对温度异常的单体电池进行定位，但此方法的检测设备复杂，占用空间大，降低了电池包的空间的利用率，降低了电池体积比能量。cn103094633a公开了一种用于电动汽车动力电池的检测及维护系统，通过合理计算电池组及单体电池的容量、内阻、极化、一致性等参数对待测电池组进行异常单体电池异常定位、筛选剔除，但此方法的需要获取每个单体电池的容量、内阻、极化、一致性等参数进行比对，这种方法获取数据量大，需要的检测设备复杂，成本高，检测时间长，不利于单体电池异常快速筛查。
5.因此，基于高效、精准、经济的目的，对上述的几种储能电池异常定位的监测方法所存在的问题进行革命性创新设计成为一个必要的研究课题，具有重要的理论意义与实际应用价值。


技术实现要素：

6.为了解决储能电池异常定位方法过程中检测设备复杂，成本高，数据量大，检测速度慢，空间利用率低等问题，本发明对传统的储能电池异常定位检测方法设计思路进行创新设计，提出一种快速定位储能电池异常的监测方法，此方法具有简单、安全、易操作、成本低、快速等优点。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种储能电池异常的快速定位检测方法，该检测方法采用一种快速定位检测系统
实现，所述的快速定位检测系统包括mcu(microcontroller unit)、激励源模块、数据采集模块、gps(global positioning system)同步模块和上位机。
9.所述激励源模块通过单电源模拟开关连接在两个电池串中间，通过串口修改mcu的程序参数以更改激励源的频率和电流幅值。
10.所述数据采集模块包括电流采样电路和电压采样电路。其中，电流采样电路连接在mcu的a/d端口，利用电流连续采样算法实时采样上下半桥(以快速定位检测系统为界，快速定位检测系统以上的电路称为上半桥，快速定位检测系统以下的电路称为下半桥)的电流信号并记录电流采样波形；电压采样电路连接在mcu的a/d端口，利用电压连续采样算法实时采样电池的电压响应信号并记录电压采样波形，存储在mcu的内阻计算模块中。
11.所述gps同步模块，接收gps的授时信息，同时输出irig-b编码并输入到mcu中，译码提取“时间戳”信息存储在mcu中的内阻计算模块。
12.mcu中的内阻计算模块将存储数据进行处理计算得到电池内阻，存储在与mcu连接的上位机中，为后续上位机快速定位电池异常区间提供数据来源。
13.所述储能电池异常的快速定位检测方法，包括以下步骤：
14.步骤1：将快速定位检测系统通过单电源模拟开关连接在两个电池串多个等电势位置上。
15.步骤2：设定激励源的激励幅值和频率，产生恒定交流激励电流信号。
16.步骤3：gps同步模块接收gps的授时信息，输出irig-b编码并输入到mcu中，译码提取“时间戳”信息存储在mcu的内阻计算模块中。
17.步骤4：mcu中的计数器根据gps同步模块输出的pps脉冲，计数器每秒递减一次，当计数器归零时，mcu输出a/d同步触发信号，触发数据采集模块中的两种采样电路同步工作。
18.步骤5：利用电流连续采样算法通过电流采样电路实时采样激励源的电流激励信号并记录电流采样波形，存储在mcu的内阻计算模块中。
19.步骤6：利用电压连续采样算法通过电压采样电路实时采样电池的电压响应信号并记录电压采样波形，存储在mcu的内阻计算模块中。
20.步骤7：mcu中的内阻计算模块将激励源的电流激励信号、电池的电压响应信号和“时间戳”信息进行计算处理，确定电池的内阻和具体包括以下步骤：
21.步骤7.1：将电压采样波形和电流采样波形通过“时间戳”信息对齐。
22.步骤7.2：遍历电压采样过零点和电流采样过零点，计算两者的采样时间差δt。
23.步骤7.3：由阻抗公式θ＝360
°
δt/t来确定电压电流信号的相位差θ，其中t＝1/f，f为激励源的频率。
24.步骤7.4：遍历全部采样点，获取多个周期内的采样时间差δt，计算电压电流信号的相位平均差
25.步骤7.5：遍历一个周期内采样点数据进行计算，计算电压有效值u、电流有效值i。
26.步骤7.6：由阻抗公式z＝u/i及来确定电池的内阻re(z)和im(z)。
27.步骤7.7：遍历全部采样点，获取多个周期内的电压有效值、电流有效值，重复步骤
7.6计算得到内阻re(z)和im(z)；再分别取内阻的平均值和以减小误差。
28.步骤8：单电源模拟开关切换快速定位检测系统接入位置，重复步骤3-8。
29.步骤9：mcu将电池内阻信息发送给上位机。
30.步骤10：上位机通过公式(1)-(6)处理数据，将处理得到的每层电池的内阻r和x分别与设定阀值进行比较，快速定位电池异常区间。
[0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037]
其中，i为单电源模拟开关切换到第i个状态，0为上半桥测量状态，1为下半桥测量状态，n为每个电池串中单体电池串联的数量。
[0038]
进一步，步骤3中的“时间戳”信息是指将irig-b编码译码处理，提取其中时间信息，标记在每段电流采样波形以及电压采样波形上，使每一段的电流采样波形以及电压采样波形都有时间记录，通过时间记录将后续两者采样时间对齐，存储“时间戳”信息，用于后续的相位差获取。
[0039]
本发明的有益效果：本发明所述的储能电池异常的快速定位检测方法，利用单电源模拟开关切换快速定位检测系统接入位置，减少了测量设备数量，降低测量设备的复杂程度，减少了空间的占用，提升了空间利用率，降低了测量成本；利用多次切换状态的内阻数据定位电池的异常区间，减少了测量数据量，实现了快速定位储能电池异常降低故发生的概率，降低系统的成本。本发明不仅可以应用到储能电池内阻检测异常定位技术，还可以应用到相应的电气检测领域，并且广泛延伸，应用前景广阔。
附图说明
[0040]
图1为本发明的总体示意图。
[0041]
图2为本发明的快速定位检测系统连接电路。
[0042]
图3为本发明的单电源模拟开关切换示意图；其中(a)为单电源模拟开关切换到
①
状态测量示意图，(b)为单电源模拟开关切换到
②
状态测量示意图，(c)为单电源模拟开关切换到
③
状态测量示意图。
[0043]
图4为本发明的快速定位电池异常区间的流程图。
[0044]
图5为本发明的并联电池串数目增多拓展示意图。
[0045]
图6为本发明的快速定位储能电池异常示意图；其中(a)为快速定位检测系统一单独运行测量示意图，(b)为快速定位检测系统二单独运行测量示意图，(c)为快速定位检测系统三单独运行测量示意图。
具体实施方式
[0046]
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。
[0047]
如图1所示，本发明提供一种储能电池异常的快速定位检测方法，该方法将能产生恒定交流激励电流信号的快速定位检测系统通过单电源模拟开关连接在两个电池串中间，对电池串产生电流激励，利用电流连续采样算法通过电流采样电路实时采样激励源的电流激励信号并记录电流采样波形，存储在mcu的内阻计算模块中；同时利用电压连续采样算法通过电压采样电路实时采样电池的电压响应信号并记录电压采样波形，存储在mcu的内阻计算模块中；gps同步模块接收gps的授时信息，同时输出irig-b编码输入到mcu中，译码提取其中时间信息，给电流采样波形以及电压采样波形盖上“时间戳”，存储在mcu的内阻计算模块中；mcu中的内阻计算模块将将电压采样波形和电流采样波形通过“时间戳”信息对齐，计算电压采样过零点和电流采样过零点两者的采样时间差来确定电压电流信号的相位差θ，并将激励源的电流激励信号、电池的电压响应信号和相位差由阻抗公式来确定电池的内阻r和x，切换单电源模拟开关状态改变快速定位检测系统的接入点，重复上述过程，获得所有区间(层)的电池内阻参数，将所获得的电池内阻信息将经过上位机计算，快速定位电池异常区间。
[0048]
上述储能电池异常的快速定位检测方法，具体实施步骤如下：
[0049]
步骤1：将快速定位检测系统通过单电源模拟开关连接在两个电池串多个等电势位置上。
[0050]
步骤2：设定激励源的激励幅值和频率，产生恒定交流激励电流信号。
[0051]
步骤3：gps同步模块接收gps的授时信息，输出irig-b编码并输入到mcu中，译码提取“时间戳”信息存储在mcu的内阻计算模块中。
[0052]
步骤4：计数器根据gps同步模块输出的pps脉冲，其值每秒递减一次，当计数器归零时，mcu输出a/d同步触发信号，触发数据采集模块中的两种采样电路同步采样。
[0053]
步骤5：利用电流连续采样算法通过电流采样电路实时采样激励源的电流激励信号并记录电流采样波形，存储在mcu的内阻计算模块中。
[0054]
步骤6：利用电压连续采样算法通过电压采样电路实时采样电池的电压响应信号并记录电压采样波形，存储在mcu的内阻计算模块中。
[0055]
步骤7：mcu中的内阻计算模块将激励源的电流激励信号、电池的电压响应信号和“时间戳”信息进行计算处理，确定电池的内阻和具体包括以下步骤：
[0056]
步骤7.1：将电压采样波形和电流采样波形通过“时间戳”信息对齐。
[0057]
步骤7.2：遍历电压采样过零点和电流采样过零点，计算两者的采样时间差δt。
[0058]
步骤7.3：由阻抗公式θ＝360
°
δt/t来确定电压电流信号的相位差θ，其中t＝1/f，f为激励源的频率。
[0059]
步骤7.4：遍历全部采样点，获取多个周期内的采样时间差δt，计算电压电流信号的相位平均差
[0060]
步骤7.5：遍历一个周期内采样点数据进行计算，计算电压有效值u、电流有效值i。
[0061]
步骤7.6：由阻抗公式z＝u/i及来确定电池的内阻re(z)和im(z)。
[0062]
步骤7.7：遍历全部采样点，获取多个周期内的电压有效值、电流有效值，重复步骤7.6计算得到内阻re(z)和im(z)；再分别取内阻的平均值和以减小误差。
[0063]
步骤8：单电源模拟开关切换激励源和响应信号测量设备接入位置，重复步骤3-8。
[0064]
步骤9：mcu将电池内阻信息发送给上位机。
[0065]
步骤10：上位机处理数据将每层电池的内阻r和x分别与设定阀值进行比较，快速定位电池异常区间。具体包括以下步骤：
[0066]
步骤10.1：以如图3所示的一个电池串上有四个单体电池(四层电池)为例，在单电源模拟开关状态
①
时测得上半桥电池内阻和和下半桥电池内阻和开关状态
②
时的上半桥电池内阻和和下半桥电池内阻和开关状态
③
时的上半桥电池内阻和和下半桥电池内阻和
[0067]
步骤10.2：通过公式(1)-(8)分别计算ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ四层的内阻r和x；
[0068][0069][0070][0071][0072][0073][0074][0075][0076]
步骤10.3：将每层电池的内阻r和x分别与设定阀值进行比较，快速判断电池故障区间。
[0077]
进一步的，以此类推，随着电池层数增加或减少，此方案仍然适用，随着电池层数增加更能凸显此方法定位效果。
[0078]
进一步的，如图5所示，当电池串数增多，此方案仍然适用，随着电池串数增加需要增加相应的快速定位检测系统的数量，更能凸显此方法定位效果，通过切换快速定位检测系统的工作状态以及单电源模拟开关切换激励源和响应信号测量设备接入位置，实现该方法。
[0079]
具体的，如图6所示，最左上角电池出现状态异常时，通过储能电池异常的快速定位检测方法可以检测出图6(a)检测出ⅰ层出现异常，图6(b)检测出ⅰ层出现异常，图6(c)未检测出异常，根据以上信息，上位机就可以精确定位出最左上角电池出现状态异常，达到精
准定位的效果。由此证明，随着代替电池数目的增加，电池串数目的增加，此方法的快速性越显著，精确度也越显著。
[0080]
所述设定的幅值、频率值、设定阀值分别为固定的参考数值，这些参考数值具体根据本领域技术人员以及实际的具体实施情况设定，即需要根据实际待测量的电池的具体类型调节，例如待测电池不同量程设定不同的参考数值，这在本发明的保护范围内均是可实现和合理的。
[0081]
综上所述，本发明所述的储能电池异常的快速定位检测方法，利用单电源模拟开关切换激励源和响应信号测量设备接入位置，减少了测量设备数量，降低测量设备的复杂程度，减少了空间的占用，提升了空间利用率，降低了测量成本；利用几次切换状态的内阻数据判断电池的异常区间，减少了测量数据量，实现了快速定位储能电池异常区间降低故发生的概率，降低系统的成本；本发明不仅可以应用到储能电池内阻检测异常定位技术，还可以应用到相应的电气检测领域，并且广泛延伸，应用前景广阔。