一种基于优化二进制序列的锂电池阻抗谱快速测试方法

1.本发明属于动力锂电池状态监测技术领域，具体涉及一种基于优化二进制序列的锂电池阻抗谱快速测试方法。


背景技术：

2.锂离子电池具有功率能量密度高、循环寿命场和无记忆效应等优点，在储能电站、电动汽车以及电子器件中受到了广泛的关注与研究。为了确保电池的安全稳定运行，需要电池管理系统对状态进行监测。其中，电池阻抗与电池的荷电状态、健康状态以及故障等密切相关。电化学阻抗谱涵盖丰富的信息，能够实时对电池的状态进行估计以及故障诊断，前提是需要适当测量手段实时获取电池阻抗。
3.传统测试方法通过正弦扫频信号获取锂电池宽频阻抗，能够较为准确地获取阻抗测量结果，但是需要较长的阻抗测量时间。通过正弦叠加信号，能够同时测量不同频率的阻抗，可大幅度缩短阻抗谱测试时间，但是该信号的发波需要复杂的硬件设计，信号幅度较多。阶跃信号测量阻抗谱易于实施，但是信号功率谱不均匀，不适用于获取完整的阻抗谱信息。因而，目前仍然缺乏有效、可靠的手段针对电池宽频阻抗的在线测量，激励信号的设计有待进一步改进，电池阻抗获取的精准度及测量的稳定性仍有待进一步提高。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于优化二进制序列的锂电池阻抗谱快速测试方法。
5.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种基于优化二进制序列的锂电池阻抗谱快速测试方法，包括：
7.步骤1、初始化二进制序列的长度、周期、谐波幅值和谐波相角；
8.步骤2、根据二进制序列的长度、周期、谐波幅值和谐波相角，计算离散化序列：
9.步骤3、根据步骤2计算得到的离散化序列计算二进制序列；
10.步骤4、通过傅里叶变换计算二进制序列的复频域系数，包括复频域幅值和复频域相角；
11.步骤5、将复频域相角替换为谐波相角后，判断复频域幅值是否满足精度要求，若满足，则将相应的二进制序列指定为优化序列并执行步骤6，否则返回步骤2；
12.步骤6、以电流信号的形式向电池注入优化二进制序列；
13.步骤7、采集优化二进制序列注入过程中的电池端电压和电流，并且计算电池在不同频率下的阻抗。
14.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
15.上述的步骤2通过逆傅里叶变换计算离散化序列dn，如下所示：
16.17.其中，j表示虚数单位，k表示谐波的序号，n表示离散化序列dn的序号；
18.n为二进制序列的长度，cd(k)为谐波幅值。
19.上述的步骤3采用如下公式计算二进制序列
[0020][0021]
其中，dn为离散化序列序号，n为二进制序列的长度。
[0022]
上述的步骤4通过傅里叶变换计算二进制序列的复频域系数，如下所示，
[0023][0024]
其中，为的复频域幅值，为的复频域相角，n为二进制序列的长度。
[0025]
上述的步骤6通过电池管理系统以电流信号的形式向电池注入优化二进制序列。
[0026]
上述的步骤7通过电池管理系统采集优化二进制序列注入过程中的电池端电压和电流。
[0027]
上述的步骤7所述电池在不同频率下的阻抗，计算公式如下：
[0028][0029]
其中，f表示阻抗频率，v(f)和i(f)分别表示在频率f下所对应的电池阻抗、电压谐波、电流谐波。
[0030]
本发明具有以下有益效果：
[0031]
本发明的基于优化二进制序列的锂电池阻抗谱快速测试，涉及优化二进制序列生成以及阻抗测量，通过迭代算法能够优化出具有最佳功率谱的二进制序列，相比传统的阻抗测量方案，本发明不需要复杂的硬件设计，具有低成本的优点，能够快速准确地测量电池阻抗，测试结果不容易发生偏差。此外，本发明所提出的优化二进制序列具有较高的信噪比以及足够的稳定性，能够适用于各种应用场景。
附图说明
[0032]
图1为基于优化二进制序列的锂电池阻抗谱快速测试方法流程图；
[0033]
图2为环境温度为25℃，荷电状态为20％的宽频阻抗量测结果图；
[0034]
图3为环境温度为25℃，荷电状态为50％的宽频阻抗量测结果图；
[0035]
图4为环境温度为25℃，荷电状态为80％的宽频阻抗量测结果图；
[0036]
图5为环境温度为15℃，荷电状态为50％的宽频阻抗量测结果图。
[0037]
图6为环境温度为35℃，荷电状态为50％的宽频阻抗量测结果图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
[0039]
本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
[0040]
如图1所示，本发明提供一种基于优化二进制序列的锂电池阻抗谱快速测试方法，涉及优化二进制序列生成以及阻抗测量，包括如下步骤：
[0041]
步骤1、初始化二进制序列的长度、周期、谐波幅值和谐波相角；
[0042]
初始化二进制序列的长度n，周期t，谐波幅值cd(k)，谐波相角φd(k)。
[0043]
步骤2、根据二进制序列的长度、谐波幅值和谐波相角，通过逆傅里叶变换计算离散化序列：
[0044]
通过逆傅里叶变换计算离散化序列dn，如下所示
[0045][0046]
其中，j表示虚数单位，k表示谐波的序号，n表示离散化序列dn的序号；
[0047]
n为二进制序列的长度，cd(k)为谐波幅值；
[0048]
步骤3、根据离散化序列计算二进制序列；
[0049]
计算二进制序列如下所示，
[0050][0051]
步骤4、通过傅里叶变换计算二进制序列的复频域系数，包括复频域幅值和复频域相角；
[0052]
通过傅里叶变换计算二进制序列的复频域系数，如下所示，
[0053][0054]
其中，为的复频域幅值，为的复频域相角。
[0055]
步骤5、将复频域相角替换为谐波相角后，判断复频域幅值是否满足精度要求，若满足，则将相应的二进制序列指定为优化序列并执行步骤6，否则返回步骤2；
[0056]
即，将复频域相角替换为谐波相角φd(k)。
[0057]
如果复频域幅值满足精度要求，将指定为优化序列并执行步骤6，否则返回步骤2。
[0058]
步骤6、通过电池管理系统以电流信号的形式向电池注入优化二进制序列
[0059]
步骤7、通过电池管理系统采集优化二进制序列注入过程中的电池端电压和电流，并且计算电池在不同频率下的阻抗，如下所示
[0060][0061]
其中，f表示阻抗频率，v(f)和i(f)分别表示在频率f下所对应的电池阻抗、电压谐波、电流谐波。
[0062]
实施例1
[0063]
电池选取为额定容量1.5ah额定电压3.6v的18650圆柱形磷酸铁锂电池。优化二进制序列生成以及阻抗测量的关键环节包括：参数初始化、序列优化、信号注入、阻抗计算。
[0064]
如图1所示，首先对二进制序列的长度、周期、以及谐波的幅值相角进行初始化；然后分别计算时域离散化序列、二进制序列以及二进制序列的复频域幅值相角；在此基础上将复频域相角指定为谐波相角；判定复频域幅值是否满足精度要求，如果不满足，通过迭代步骤对二进制序列进行优化；如果满足精度要求，通过电池管理系统将优化二进制序列以电流信号的形式注入电池；最后，采集电流电压数据并计算电池在不同频率下的阻抗。
[0065]
以下将以实施例的方式对本发明的各个关键环节进行逐一介绍。
[0066]
1.参数初始化
[0067]
初始化二进制序列的长度n，周期t，谐波幅值cd(k)，谐波相角φd(k)。
[0068]
本实施例中二进制序列的长度n为16000位，周期t为10秒，指定谐波幅值cd(k)为0.183a，指定谐波相角为0
°
。
[0069]
2.序列优化
[0070]
(1)通过逆傅里叶变换计算时域离散化序列dn，如下所示
[0071][0072]
其中j表示虚数单位，k表示谐波的序号，n表示离散化序列dn的序号。
[0073]
(2)计算二进制序列如下所示，
[0074][0075]
(3)通过傅里叶变换计算的复频域系数，如下所示，
[0076][0077]
其中为的复频域幅值，为的复频域相角。
[0078]
(4)将复频域相角指定为谐波相角φd(k)。
[0079]
如果复频域幅值满足精度要求，将指定为优化序列，否则返回(1)。
[0080]
3.信号注入
[0081]
通过电池管理系统以电流信号的形式向电池注入优化二进制序列
[0082]
4.阻抗计算
[0083]
通过电池管理系统采集优化二进制序列注入过程中的电池端电压和电流，并且计
算电池在不同频率下的阻抗，如下所示
[0084][0085]
其中f表示阻抗频率，v(f)和i(f)分别表示在频率f下所对应的电池阻抗、电压谐波、电流谐波。
[0086]
电池阻抗测量实验结果如图2-图6所示；其中，宽频阻抗量测结果图2对应于环境温度为25℃，荷电状态为20％；宽频阻抗量测结果图3对应于环境温度为25℃，荷电状态为50％；宽频阻抗量测结果图4对应于环境温度为25℃，荷电状态为80％；宽频阻抗量测结果图5对应于环境温度为15℃，荷电状态为50％。宽频阻抗量测结果图6对应于环境温度为35℃，荷电状态为50％。
[0087]
结合实施例结果可知，本发明通过迭代算法优化出的具有最佳功率谱的二进制序列，相比传统的阻抗测量方案，不需要复杂的硬件设计，具有低成本的优点，能够快速准确地测量电池阻抗，测试结果不容易发生偏差。此外，本发明所提出的优化二进制序列具有较高的信噪比以及足够的稳定性，能够适用于各种应用场景。
[0088]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0089]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。