一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法技术方案

一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法，包括扰动电池串和微控制器；扰动电池串包括电池串和旁路单元，扰动电池串输出的N个电池的实时电压信号、实时电流信号和旁路部分的实时电流信号进入一个或多个微控制器的模数转换ADC端口，经模数转换后用于后续的阻抗谱计算；微控制器的IO口输出旁路信号给旁路单元，用于控制旁路单元动作。本发明专利技术利用电池串中的部分等效电池的旁路和接入方式产生周期激励信号，通过实时电压电流采样检测被测等效电池对该激励的响应。进而计算等效电池的阻抗谱，通过旁路方式产生周期激励信号，功率流通通道始终存在，串联的电池串系统任然能够正常工作，因此本发明专利技术的系统能够对被测等效电池进行实时在线检测。

【技术实现步骤摘要】
一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法
本专利技术属于电池串的阻抗谱在线检测
，特别涉及一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法。
技术介绍
随着传统能源、交通等行业对环境造成的压力逐年增加，社会对新能源的需求愈发强烈。在新能源产业中，电化学电池作为能源存储设备被大量采用来提供电力供应。例如新能源发电系统中需要采用电池作为储能设备支撑电网；新能源电动汽车中，采用锂离子电池作为汽车动力电源；在新能源配套的储能产品中更是大量使用各类电化学电池作为基本电源使用。电池由于单体电压较低或电流较小，在新能源场景中应用时，往往需要串并联使用，形成串联的电池系统。同时，由于单体电池的不一致性，串联系统中个别电池使用过程中会加速老化、衰减，由于不当使用，或制造问题造成个别电池内在问题，如锂晶枝生长造成内短路等，如不能及时加以识别，将很容易造成系统效率下降，严重情况下甚至会造成系统故障，乃至热失控，电池系统烧毁等重大损失。而此类问题从电池的外特性上往往难以识别，只能通过电池内在的电化学特征予以识别。因此如何检测串联电池系统中每个电池内在的电化学特性，成为避免此类问题的先决条件。而目前能进行电池电化学特性无损检测都是采用阻抗谱技术，通过扫描电池的阻抗谱分析电池内部的电化学特性。但传统方法进行电池阻抗谱检测往往需要采用专用设备，进行离线检测。此类专用设备主要通过向单体电源注入不同频率的微量扰动，检测其对微量扰动的响应进行采样实现检测，因此对采样系统的精度往往要求非常高。由于频率范围往往较宽，因此生成宽频率范围微量信号设备成本巨大且能够检测的通道数量有限，需要花费大量的时间。同时由于无法在线检测，不能实时的发现电源单体存在的问题，存在巨大的漏检风险。由于需要离线检测，会造成串联电源系统无法正常工作，会造成收益损失，特别是在新能源汽车等领域内是不被允许的，或需要做重复的资源投入以确保系统的不中断供电，系统成本将成倍增加。现有的阻抗谱检测装置中都需要额外增加激励源，造成检测设备投资成本很高，不利于电池产品在新能源产业中的健康发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电池串的阻抗谱在线检测系统及方法，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种电池串的阻抗谱在线检测系统，包括扰动电池串和微控制器；扰动电池串包括电池串和旁路单元，扰动电池串输出的N个电池的实时电压信号、实时电流信号和旁路部分的实时电流信号进入一个或多个微控制器的模数转换ADC端口，经模数转换后用于后续的阻抗谱计算；微控制器的IO口输出旁路信号给旁路单元，用于控制旁路单元动作。进一步的，电池串为N个等效电池，N≥1，串联组成；电池串中每个等效电池两端分别与实时电压采样的V+端和V-端连接；实时电压采样能够采集等效电池两端的实时电压并进行信号处理后输出电压信号；电池串包含实时电流采样，实时电流采样与被测等效电池为串联关系，包含电流传感器及信号处理，负责采集流过串联等效电池的实时电流。进一步的，等效电池为电池单体或其串联组合，或电池串并联组合并封装后的系统。进一步的，在电池串中任意位置选取M个连续串联的等效电池，其中N≥M≥1，用旁路单元替换该M个等效电池在电池串中的位置，即旁路单元的Sig+和Sig-接入电池串，被替换的M个连续串联电池并联接入旁路单元的第一和第二功率端；旁路单元包括旁路装置和实时电流采样；旁路装置的Vout端连接Sig+端，V+端与第一功率端连接，旁路装置的V-端与Sig-端连接；旁路装置能够根据输入的旁路信号控制开关器件实现单向或双向导通和关断功能，控制电流流过和不流过等效电池；实时电流采样一端与Sig-端连接，另一端与第二功率端连接。进一步的，旁路装置包括第一旁路装置、第二旁路装置、第三旁路装置或第四旁路装置，第一旁路装置包括可控的开关K1和二极管D，二极管D阳极连接V-端，阴极连接Vout端，旁路信号与K1控制端连接，K1设置在端口V+和二极管D的阴极之间；第二旁路装置包括可控的开关K2和K3，旁路信号连接K2的控制端，旁路信号经反向后连接K3的控制端，K2设置在Vout端和V+端之间，K3设置于Vout端和V-端之间；第三旁路装置包括可控的开关K4，旁路信号连接开关K4的控制端，K4设置在Vout端和V+端之间；第四旁路装置包括单刀双掷开关K5，旁路信号连接K5的控制端，单刀双掷开关K5的动端连接Vout端，两不动端分别连接V+端和V-端。进一步的，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体为三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器或干簧管。进一步的，当旁路信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，旁路通道断开，电流只能流过等效电池；当旁路信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过等效电池；当旁路信号控制K1与V+端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过等效电池，而是通过旁路流通。进一步的，微控制器作为阻抗谱在线快速检测的控制和阻抗谱计算的执行载体，该微控制器能够接收模数转换模块ADC的信号或者自身就具有模数转换的功能，用于将电压、电流采样得到的模拟信号转换成可用于计算的数字信号，同时该控制器具有数字IO信号输出能力，用于向基本检测单元中旁路模块输出旁路信号。进一步的，一种电池串的阻抗谱在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：步骤1，旁路单元监测串联等效电池的工作电流，或者通过实时电流采样监测等效电池的工作电流，根据电源系统的历史数据或经验参数，选取等效电池工作电流变化引起的被测等效电池的电压响应变化在5mV以上时进行阻抗谱检测；步骤2，微控制器通过IO口控制旁路装置按照选定频率fn对接入旁路单元的等效电池进行接入和旁路操作，从而在所有等效电池上产生fn频率的电流或电压周期激励信号，该频率fn在被测等效电池的阻抗谱频率范围内选取；步骤3，微控制器同时控制ADC以频率fs同步采集等效电池实时电流和实时电压信号，其采集频率fs为周期激励信号频率fn的10倍或以上；步骤4，任意周期函数均可以表示为直流量与正弦函数或余弦函数构成的无穷级数的和：对旁路单元周期性动作引起的电压和电流信号进行快速傅里叶分解FFT得到电压和电流在对应fn频点及其倍频次的正弦信号量U(2πfn)、I(2πfn)；对于线性系统，进而求得该频点下的阻抗通过重复以上发波和检测、计算过程，完成所有fn频率点及其谐波频率点阻抗计算，得到需要的阻抗谱；进一步的，选取电压信号幅值大于5mV的基频及谐波频率点数据用于计算；计算中采用Goertzel算法：其中g(k)为第k次电流或电压采样结果，x(k),x(k-1),x(k-2)分别为当前，前一次，更前一次的计算结果。与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：本专利技术利用电池串中的部分等效电池的旁路和接入方式产生周期激励信号，通过实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，包括扰动电池串和微控制器；扰动电池串包括电池串和旁路单元，扰动电池串输出的N个电池的实时电压信号、实时电流信号和旁路部分的实时电流信号进入一个或多个微控制器的模数转换ADC端口，经模数转换后用于后续的阻抗谱计算；微控制器的IO口输出旁路信号给旁路单元，用于控制旁路单元动作。/n

【技术特征摘要】
1.一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，包括扰动电池串和微控制器；扰动电池串包括电池串和旁路单元，扰动电池串输出的N个电池的实时电压信号、实时电流信号和旁路部分的实时电流信号进入一个或多个微控制器的模数转换ADC端口，经模数转换后用于后续的阻抗谱计算；微控制器的IO口输出旁路信号给旁路单元，用于控制旁路单元动作。


2.根据权利要求1所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，电池串为N个等效电池，N≥1，串联组成；电池串中每个等效电池两端分别与实时电压采样的V+端和V-端连接；实时电压采样能够采集等效电池两端的实时电压并进行信号处理后输出电压信号；电池串包含实时电流采样，实时电流采样与被测等效电池为串联关系，包含电流传感器及信号处理，负责采集流过串联等效电池的实时电流。


3.根据权利要求2所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，等效电池为电池单体或其串并联组合，或电池并联组合并封装后的系统。


4.根据权利要求1所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，在电池串中任意位置选取M个连续串联的等效电池，其中N≥M≥1，用旁路单元替换该M个等效电池在电池串中的位置，即旁路单元的Sig+和Sig-接入电池串，被替换的M个连续串联电池并联接入旁路单元的第一和第二功率端；旁路单元包括旁路装置和实时电流采样；旁路装置的Vout端连接Sig+端，V+端与第一功率端连接，旁路装置的V-端与Sig-端连接；旁路装置能够根据输入的旁路信号控制开关器件实现单向或双向导通和关断功能，控制电流流过和不流过等效电池；实时电流采样一端与Sig-端连接，另一端与第二功率端连接。


5.根据权利要求1所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，旁路装置包括第一旁路装置、第二旁路装置、第三旁路装置或第四旁路装置，第一旁路装置包括可控的开关K1和二极管D，二极管D阳极连接V-端，阴极连接Vout端，旁路信号与K1控制端连接，K1设置在端口V+和二极管D的阴极之间；第二旁路装置包括可控的开关K2和K3，旁路信号连接K2的控制端，旁路信号经反向后连接K3的控制端，K2设置在Vout端和V+端之间，K3设置于Vout端和V-端之间；第三旁路装置包括可控的开关K4，旁路信号连接开关K4的控制端，K4设置在Vout端和V+端之间；第四旁路装置包括单刀双掷开关K5，旁路信号连接K5的控制端，单刀双掷开关K5的动端连接Vout端，两不动端分别连接V+端和V-端。


6.根据权利要求5所述的一种电池串的阻抗谱在线检测系统，其特征在于，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体为三极管、达...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪同，
申请(专利权)人：西安新艾电气技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61