一种储能电池阻抗谱的检测电路及其控制方法

本发明属于电池检测，涉及一种储能电池阻抗谱的检测电路及其控制方法。

背景技术：

1、随着新能源产业的迅猛发展，储能电池的生产和使用规模逐年增加，电池的安全性和可靠性也备受关注。电化学阻抗谱(eis)是一项测试条件简单、结果精确的无损检测技术，可以得到测试对象的电阻、电抗等多种数据，特别适合用于分析电池的健康状态变化。

2、传统的电化学阻抗谱测量一般是在一个恒电位的基础上，施加一个小信号正弦交流电压信号，通过测量交流电压信号与交流电流信号之间的幅值差和相位比，解析得到该频率下的电池阻抗特性，通过不同频点下的阻抗特性即可表征评价电池。但传统的电化学阻抗谱测量法所需时间较长(通常为几分钟到十几分钟)，而电池在检测过程中处于循环充放电的动态过程，电池的内部成分可能已经发生了变化，导致检测得到的阻抗特征无法反映电池的真实性能；同时，从应用的角度更希望可以把握电池在线工作时的阻抗特性，进而保障电池长期安全稳定的运行，但目前的阻抗谱检测技术大多以离线的单节电池作为研究对象。动态阻抗谱检测技术是指电池在工作的情况下进行阻抗测试，通过研究不同健康状态的电池动态性能，从而寻找动态阻抗谱与电池健康状态之间的关系，进而实现电池的安全监测。

3、但是，动态阻抗谱技术也存在相应问题，一是成组的电池具有高电压特性(几十～几百伏)和低内阻抗特性(1毫欧～10毫欧)，不适合施加电压激励，在外加电流激励的情况下端电压的极小变化(小于1％)，难以检测；二是电池工作时soc状态的实时变化将对阻抗谱特性造成巨大影响，这对阻抗谱的检测速度有着严格的要求。

4、因此，有必要设计一种新的储能电池阻抗谱的检测电路来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种储能电池阻抗谱的检测电路及其控制方法，针对传统阻抗谱法的缺陷，设计电子负载激励施加法和浮地检测电路，实现储能电池任意波形的激励电流施加和电池端电压极小变化的检测；通过ksa(kt)信号、正弦复合信号和chirp信号提高阻抗谱的检测速度，最终实现储能电池静、动态阻抗谱的快速准确检测。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种储能电池阻抗谱的检测电路，包括浮地检测电路、微处理器控制系统、可编程电子负载r1、高精度电压传感器u4、高精度电流传感器u5、充放电开关s5、充电电源和放电负载；所述浮地检测电路包括第一运放输入开关s1、充电开关s2、放电开关s3、第二运放输入开关s4、充电电阻r2、放电电阻r3、平衡电容c1、程控仪表放大器u1、高精度ad转换器u2和隔离光耦u3。

4、所述浮地检测电路、可编程电子负载r1、高精度电压传感器u4、充电电源和放电负载分别并联在储能电池gb的两端；所述高精度电流传感器u5与储能电池gb串联；所述充放电开关s5的公共端连接储能电池gb的正极，另外两端分别连接充电电源的正极和放电负载。

5、所述平衡电容c1的一端与第二运放输入开关s4、放电电阻r3、充电电阻r2和隔离光耦u3的公共端连接，另一端与放电开关s3和储能电池的地连接，放电电阻r3和放电开关s3串联；所述充电开关s2的一端和充电电阻r2连接，另一端连接第一运放输入开关s1和储能电池gb的正极；所述程控仪表放大器u1的正反馈端连接运放输入开关s1，负反馈端连接运放输入s4，输出端连接高精度ad转换器u2的数据输入端，控制端连接隔离光耦u3；所述高精度ad转换器u2控制端连接隔离光耦u3；所述隔离光耦u3的一个控制端连接开关s1～s4的控制端，另一个控制端连接微处理器控制系统；所述微处理器控制系统分别连接无线通信模块、可编程电子负载r1、高精度电压传感器u4和高精度电流传感器u5。

6、进一步，在施加测量阻抗谱的激励电流前，开关s2处于闭合状态，开关s1、s3和s4处于断开状态，平衡电容c1处于充电状态；在平衡电容达到稳态后，开关s1、s4处于闭合状态，开关s2、s3处于断开状态，所述微处理器控制系统控制可编程电子负载r1对储能电池gb施加电流激励，采集相关数据计算内阻抗谱信息；在储能电池gb阻抗谱测量完成后，开关s1、s2和s4断开，开关s3闭合，平衡电容c1放电归零。

7、进一步，所述储能电池gb处于离线状态时，充放电开关s5处于空位状态；所述储能电池gb工作时，随着充放电开关s5切换，电池处于循环充放电状态。

8、进一步，在进行阻抗谱检测时，高精度电压传感器u4检测储能电池gb的端电压，高精度电流传感器u5检测储能电池的充放电电流。

9、进一步，该电路的控制方法具体包括以下步骤：

10、s1：在施加测量阻抗谱的激励电流前，断开开关s1、s3、s4，闭合充电开关s2，平衡电容c1充电；当平衡电容c1的端电压等于储能电池gb的端电压后，断开充电开关s2，闭合运放输入开关s1、s4，此时程控仪表放大器u1的差分输入电压接近零；

11、s2：在平衡电容c1达到稳态后，微处理器控制系统定时采集传感器u4、u5的电压电流数据，微处理器控制系统通过pid策略调整可编程电子负载r1的大小，控制储能电池gb的充放电电流波形，从而对储能电池gb施加电流激励；同时，微处理器控制系统通过隔离光耦u3控制程控仪表放大器u1和高精度ad转换器u2采集储能电池gb的端电压变化信号，并通过无线通信模块传输至pc；

12、s3：在检测完阻抗谱后，断开运放输入开关s1、s4，闭合放电开关s3，平衡电容c1放电；当平衡电容c1的端电压下降到安全电压后，断开放电开关s3。

13、进一步，步骤s1中，给平衡电容c1充电，具体包括以下步骤：

14、s11：在施加测量阻抗谱的激励电流前，断开开关s1、s3、s4，闭合充电开关s2，若平衡电容c1的初始电压为0，则其相关电位为：

15、

16、其中，uc1+和uc1-是平衡电容c1的正极电位和负极电位，ugb+是储能电池gb的直流电压，ugb-是储能电池gb的负极电位，τ1是平衡电容c1充电的时间常数，r2是充电电阻r2的电阻值，c1是平衡电容c1的电容值，t是开关s2的闭合时间；；

17、s12：当充电开关闭合后5-10个τ1后，平衡电容c1已经充电完毕，c1的端电压等于储能电池gb的端电压，断开充电开关s2，闭合运放输入开关s1、s4；隔离光耦u3的公共端和平衡电容c1与放电电阻r3连接，同时与高精度ad转换器u2和程控仪表放大器u1的地端相连，浮地检测电路中组件的相关电位由以下方程描述：

18、

19、其中，uu3-是隔离光耦u3的公共端电位，uin+、uin-和u1gnd分别是程控仪表放大器u1的正相输入端电位、反相输入端电位和地端电位；u2gnd为高精度ad转换器u2的地端电位。

20、进一步，浮地检测电路中组件u1、u2、u3的地端(公共端)电平随平衡电容c1的正极电位变动，在步骤s1中，随着平衡电容c1的充电，检测电路的地端(公共端)电平“上浮”。

21、进一步，步骤s2中，检测储能电池gb的阻抗谱，具体包括以下步骤：

22、s21：在检测检测储能电池gb极低频阻抗谱时，选用ksa(kt)脉冲信号作为激励信号，预设的电流激励波形i1(t)为：

23、

24、其中，as是激励信号的幅值，k是调节系数，可以根据测量阻抗谱的需求，动态调节，t是时间变量

25、在检测检测储能电池gb中低频阻抗谱时，选用n个不同频率的正弦波复合信号作为激励信号，预设的电流激励波形i1(t)为：

26、

27、其中，ωi是第i个预设正弦波的角频率，ai是ωi角频率下的正弦波幅值，是ωi角频率下的相位，t是时间变量；

28、在检测检测储能电池gb高频阻抗谱时，选用chirp信号作为激励信号，预设的电流激励波形i1(t)为：

29、

30、其中，ac是chirp信号的幅值，fs和fe分别是chirp信号的起始频率和结束频率，ts和te分别是chirp信号的起始时间和结束时间，t是时间变量；

31、s22：通过可编程电子负载r1向储能电池gb施加激励电流，具体控制方法如下：

32、控制系统根据当前电流值和预设值之间的反馈误差信号ierror，经过增量式pid运算后，调整可编程电子负载r1大小，使得储能电池gb实际充放电电流波形逼近预设电流波形；

33、pid算法输出r(k)与ierror(k)关系表达式为：

34、r(k)＝r(k-1)+(ki+kd)*ierror(k)+(kp-2kd)ierror(k-1)+kdierror(k-2)

35、其中，r(k)和r(k-1)分别是第k和k-1个控制周期的可编程电子负载的大小，ierror(k)是第k个控制周期的反馈误差信号，kp、ki和kd分别是pid控制器的比例系数、积分系数和微分系数；

36、s23：在施加电流激励后，储能电池gb的端电压u1(t)的表达式如下：

37、

38、其中，ωj是第j个阻抗谱频点对应的的角频率，uj是ωj角频率下的交流电压波形幅值，是ωj角频率下的交流电压波形相位，t是时间变量，m是储能电池gb端电压u1(t)中的不同频率正弦波的数量；

39、步骤s12后，程控仪表放大器u1的正相输入端电位为u1(t)，反相输入端电位为ugb，输出端即为u1(t)中放大后的交流信号分量；

40、高精度电流传感器u5采集储能电池gb的充放电电流电化学阻抗谱计算公式为：

41、

42、其中，是电池在ωj角频率下的电化学阻抗，ij是ωj角频率下的电流信号幅值，是ωj角频率下的电流波形的相位差；

43、s24：依次选用ksa(kt)脉冲信号、正弦波复合信号和chirp信号作为电流激励信号，分别完成储能电池极低频、中低频和高频信号的阻抗谱测量，然后将不同频段的阻抗谱曲线进行拼接，从而得到储能电池完整的阻抗谱曲线。

44、进一步，步骤s3中，给平衡电容c1放电，具体包括以下步骤：

45、s31：在完成阻抗谱检测后，断开运放输入开关s1、s4，闭合放电开关s3，平衡电容c1的初始电压为ugb+，则其相关电位为：

46、

47、其中，τ2是平衡电容c1放电的时间常数，r3是放电电阻r3的电阻值，t是开关s3的闭合时间；

48、s32：当放电开关闭合后5-10个τ2后，平衡电容c1已经放电完毕，电容的正极电位接近负极电位，断开放电开关s3；随着平衡电容c1的放电，浮地检测电路中u1、u2、u3的地端(公共端)电位“下沉”，相关电位由以下方程描述：

49、uc1-＝uc1+＝uu3-＝u1gnd＝u2gnd＝0

50、放电结束后，平衡电容c1不储存能量。

51、本发明的有益效果在于：本发明在施加激励前，利用平衡电容为媒介，通过对充放电开关的控制，使得平衡电容电压抵消储能电池的直流电压，实现电池端电压微小变化的检测；在阻抗谱检测阶段，通过控制流过可编程电子负载的电流大小，调节储能电池的充放电电流，通过仪表放大器检测施加激励后，储能电池端电压的微小变化；检测激励信号和端电压变化信号，计算储能电池的内阻抗信息；通过激励信号的扫频操作，可以得到储能电池的内阻抗谱信息；通过控制流过可编程电子负载的电流大小，解决储能电池充放电电流和阻抗谱激励电流的解耦问题，实现储能电池内阻抗谱的在线检测；通过ksa(kt)信号、正弦波复合信号和chrip信号提高阻抗谱的检测速度，最终实现储能电池静、动态阻抗谱的快速准确检测，为储能电池的健康状态评估提供数据支撑。

52、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。