本發(fā)明涉及純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車及燃料電池汽車電池管理領(lǐng)域，尤其是涉及一種車載電池阻抗快速測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

隨著電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的推廣應(yīng)用，對(duì)車載蓄電池包的安全性、可靠性有非常高的要求，對(duì)于電池管理系統(tǒng)來說，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地得知?jiǎng)恿﹄姵氐漠?dāng)前壽命狀態(tài)、功率輸出能力、內(nèi)部溫度從而進(jìn)行熱失效的預(yù)測(cè)和防止濫用等具有非常重要的意義，而上述特性均與蓄電池在某一頻率點(diǎn)或某一頻率區(qū)間內(nèi)的阻抗有極大關(guān)系。

目前，電池阻抗的測(cè)量方法主要有兩種，一是單頻率注入法，二是傅里葉分析法。鑒于阻抗的測(cè)量一直應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)電極過程的了解研究上，而應(yīng)用在汽車上也是近幾年隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展逐漸引起越來越多人的關(guān)注，現(xiàn)有的技術(shù)需要單獨(dú)的外接激勵(lì)源，通過單頻率正弦激勵(lì)，不能很好的適應(yīng)車載條件，不能在車輛正常行駛時(shí)進(jìn)行，同時(shí)測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)也不能滿足在用于實(shí)時(shí)性要求較高的電池監(jiān)控場(chǎng)合，如實(shí)時(shí)故障監(jiān)控等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種預(yù)實(shí)采樣結(jié)合、快速有效、無需外接激勵(lì)源的車載電池阻抗快速測(cè)量方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種車載電池阻抗快速測(cè)量方法，用以在測(cè)量頻率集包含的頻率下測(cè)定車載電池的阻抗，包括以下步驟：

1)根據(jù)待測(cè)量車載電池阻抗的阻抗值確定對(duì)應(yīng)的測(cè)量頻率，構(gòu)成測(cè)量頻率集{f1,f2,…,fn}；

2)對(duì)電池端電壓和電流進(jìn)行循環(huán)預(yù)采樣，并判斷本次預(yù)采樣是否出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢(shì)，若是，則進(jìn)行電池端電壓和電流的實(shí)采樣，并對(duì)實(shí)采樣的電壓和電流進(jìn)行同步處理后進(jìn)行步驟3)，若否，則進(jìn)行下一輪的預(yù)采樣，直至出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢(shì)為止；

3)分別對(duì)實(shí)采樣同步處理后電池端電壓和電流進(jìn)行小波分析，并通過電壓與電流小波變換系數(shù)之比得到阻抗值；

4)改變小波分析的母波尺度參數(shù)再次進(jìn)行小波分析計(jì)算得到頻率集中下一頻率對(duì)應(yīng)的的電池阻抗。

所述的步驟2)中，循環(huán)預(yù)采樣具體包括以下步驟：

21)確定電流和電壓預(yù)采樣的采樣頻率fs；

22)以采樣頻率fs進(jìn)行第一輪預(yù)采樣，記錄并按時(shí)間順序排列采樣得到的電壓電流的采樣點(diǎn)組合sp1(u，i)、sp2(u，i)……，直至采樣時(shí)間結(jié)束或采樣點(diǎn)數(shù)量達(dá)到設(shè)定總數(shù)；

23)判斷第一輪采樣點(diǎn)組合中是否出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢(shì)，若是，則進(jìn)行電池端電壓和電流的實(shí)采樣，若否，則進(jìn)行步驟24)；

24)以相同的采樣頻率fs進(jìn)行下一輪預(yù)采樣，以第一輪預(yù)采樣中第一個(gè)采樣點(diǎn)組合sp1(u，i)開始按時(shí)間排列順序依次覆蓋，并判斷是否出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢(shì)，直至出現(xiàn)有效的電壓或電流變化趨勢(shì)為止。

所述的步驟22)中，預(yù)采樣的采樣頻率fs的頻率值不小于2max(f1,f2,…,fn)。

所述的22)中，采樣時(shí)間t＝1/min(f1,f2,…,fn)，采樣點(diǎn)的設(shè)定總數(shù)n＝1/fs·min(f1,f2,…,fn)。

所述的步驟2)中，所述的對(duì)實(shí)采樣的電壓和電流進(jìn)行同步處理采用采樣時(shí)直接同步或采樣后根據(jù)時(shí)間戳進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊的方法。

所述的步驟3)和步驟4)中，小波分析采用的母波為復(fù)值母波，包括復(fù)morlet小波、haar小波、mexicanhat小波。

所述的步驟23)中，電壓電流實(shí)采樣具體包括以下步驟：

231)獲取測(cè)量頻率集中最低頻率對(duì)應(yīng)的預(yù)采樣時(shí)間tfmin和采樣點(diǎn)的設(shè)定總數(shù)nfmin，并確定實(shí)采樣的采樣時(shí)間為tfmin以及采樣點(diǎn)的設(shè)定總數(shù)為nfmin。

232)獲取預(yù)采樣中出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t0，在實(shí)采樣中在t0后采樣長(zhǎng)度為tfmin或nfmin的電池端電流和電壓數(shù)據(jù)作為實(shí)采樣數(shù)據(jù)。

判斷出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢(shì)應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：

1、測(cè)量頻率集中的頻率均出現(xiàn)在電池端電壓和電流在出現(xiàn)變化時(shí)所包含的頻率成分中；

2、按照信號(hào)隨時(shí)間變化的快慢以判斷電流、電壓變化速率是否達(dá)到預(yù)設(shè)要求以滿足測(cè)量頻率集；

3、按照信號(hào)變化的幅度以判斷電流、電壓變化幅值是否達(dá)到預(yù)設(shè)要求以保證測(cè)量的精度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明所提出的基于小波變換的電池阻抗快速測(cè)量方法主要包括電流、電壓有效變化趨勢(shì)的判斷，預(yù)采樣，實(shí)采樣和小波分析三個(gè)關(guān)鍵步驟上。本發(fā)明所提出的方法對(duì)電壓、電流的波形要求低，只需要有滿足要求的變化速度和變化幅度便可采用本發(fā)明所述方法進(jìn)行阻抗快速測(cè)量，本發(fā)明方法能有效利用實(shí)車工況進(jìn)行電池阻抗測(cè)量，克服現(xiàn)有車載阻抗測(cè)量技術(shù)基于單頻率正弦激勵(lì)，需要單獨(dú)的外接激勵(lì)源，且測(cè)量不能在車輛正常行駛時(shí)進(jìn)行的缺點(diǎn)，從而為阻抗測(cè)量實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合提供基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述阻抗快速測(cè)量方法的總體流程框圖。

圖2為本發(fā)明所述循環(huán)預(yù)采樣方法的流程框圖。

圖3為本發(fā)明所述實(shí)采樣方法的流程框圖。

圖4為本發(fā)明所述實(shí)施例在開關(guān)閉合時(shí)的波形，其中，圖(4a)為在開關(guān)閉合時(shí)的電壓波形，圖(4b)為在開關(guān)閉合時(shí)的電流波形。

圖5為本發(fā)明所提出的方法所測(cè)量得到的阻抗值與真實(shí)值的對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

對(duì)于一個(gè)連續(xù)信號(hào)f(t)，其連續(xù)小波變化定義如下：

式(1)中，為小波變換系數(shù)，通過將原始信號(hào)f(t)與母波ψ(t)作卷積來獲得，s是縮放因子，τ是時(shí)間參數(shù)。小波變換就是通過調(diào)整s和τ的值，來實(shí)現(xiàn)母波ψ(t)的伸縮和平移，就像用鏡頭對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行聚焦和平移，從而達(dá)到在較高頻率有較高時(shí)間分辨率，在較低頻率有較高的頻率分辨率的效果。電池信號(hào)包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)，而電壓信號(hào)和電流信號(hào)都是矢量信號(hào)，因此為了不遺失原信號(hào)的矢量信息，應(yīng)選擇復(fù)morlet函數(shù)作為小波基函數(shù)，其定義如下。其中fc表示函數(shù)的中心頻率，fb表示帶寬變量。改變fc可以改變小波分析時(shí)的目標(biāo)頻率成分。

對(duì)于電池的阻抗測(cè)量，可分別對(duì)電壓、電流做以morlet小波為基的小波變換

進(jìn)而得到電池的阻抗

對(duì)比式(2)(3)(4)可以看到，改變縮放因子s的值可以改變morlet小波的中心頻率，進(jìn)而由式(5)得到不同頻率下的電池阻抗。由于小波變換的本質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和分解，是將信號(hào)分解到各個(gè)頻率上，認(rèn)為無需對(duì)電池從外部加載激勵(lì)信號(hào)，可利用電池本身放電過程中產(chǎn)生的電信號(hào)變化(如開關(guān)瞬間的電壓和電流信號(hào))作為分析對(duì)象，這樣就無需外部激勵(lì)源，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

對(duì)于采用蓄電池存儲(chǔ)電能的電動(dòng)汽車來說，研究發(fā)現(xiàn)頻率為0.1hz～200h的電池阻抗與電池狀態(tài)(如電池內(nèi)部溫度、老化狀態(tài)等)、故障診斷等有對(duì)應(yīng)的變化關(guān)系。測(cè)量這些頻率下的阻抗能夠?qū)﹄姵氐膬?nèi)部溫度、故障狀態(tài)等進(jìn)行在線估計(jì)或判定。對(duì)現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)對(duì)電池電流和電池單體電壓的采樣進(jìn)行采樣速度和采樣精度的改進(jìn)后，可作為此發(fā)明所述方法的實(shí)施載體。現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即集中式和分布式。

對(duì)于集中式的電池管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有電池單體的電壓和流經(jīng)電池的電流的采樣由一個(gè)控制器完成。在電動(dòng)汽車啟動(dòng)瞬間或負(fù)載突變的瞬間，蓄電池的輸出電流或端電壓具有階躍特性，其中包含了高頻成分。按照所述方法，首先在確定測(cè)量頻率集的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)采樣，該控制器不斷監(jiān)測(cè)通過電池的電流和電池端電壓以判斷其變化趨勢(shì)是否包含了該頻率成分，一旦有符合要求的變化趨勢(shì)出現(xiàn)，則控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)為實(shí)采樣，同時(shí)繼續(xù)記錄工況電流和單體電池的響應(yīng)電壓直至總采樣時(shí)間達(dá)到頻率集中最低頻率的周期，該控制器在獲得變化趨勢(shì)前后的電流和電壓數(shù)據(jù)后采用基于復(fù)母波的小波分析并計(jì)算獲得單體電池的阻抗。

對(duì)于分布式的電池管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多節(jié)單體電壓有電池組控制器采樣，流經(jīng)電池的電流有電池包控制器采樣。由于電壓、電流是分開采樣，為了達(dá)到阻抗測(cè)量目的，流經(jīng)電池的電流需要從電池包控制器傳遞給每個(gè)電池組控制器，再由各個(gè)電池組控制器完成每個(gè)電池單體的阻抗測(cè)量。在預(yù)采樣階段，電池包控制器和電池組控制器按照預(yù)采樣策略分別進(jìn)行電池電流和電壓的預(yù)采樣，當(dāng)電池包控制器得到合適的電流變換趨勢(shì)或者電池組控制器得到合適的單體電壓變化趨勢(shì)后啟動(dòng)實(shí)采樣。在電池電流、電壓采樣結(jié)束后，電池包控制器通過can通信向電池組控制器傳遞采集得到的電流信號(hào)，電池組控制器在得到電池的電流信號(hào)后進(jìn)行計(jì)算以得到阻抗信息。

對(duì)于分布式的電池管理系統(tǒng)在進(jìn)行電流數(shù)據(jù)向電池組控制器傳輸時(shí)需要首先進(jìn)行電池包控制器和電池組控制器的時(shí)鐘同步，以確定兩者之間進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間延遲和兩控制器相對(duì)時(shí)鐘差異，這樣電池組控制器接收到電流信號(hào)后便可根據(jù)信號(hào)傳輸延遲和兩控制器的時(shí)鐘差異進(jìn)行信號(hào)的時(shí)間對(duì)齊和阻抗測(cè)量相位補(bǔ)償操作。

相比于采用蓄電池的純電動(dòng)汽車，燃料電池汽車的燃料電池內(nèi)阻對(duì)燃料電池電堆的膜濕度控制有重要意義。不同的電池內(nèi)阻對(duì)應(yīng)著不同的膜濕度，而不同的膜濕度對(duì)電池輸出功率具有影響。且對(duì)電池電堆阻抗的測(cè)量更具有實(shí)時(shí)性要求，采用此種快速測(cè)量方法能夠快速準(zhǔn)確得到電池阻抗，從而為系統(tǒng)可靠工作提供幫助。

開始實(shí)驗(yàn)采用容量為3.4ah松下三元電池18650ga，通過設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的通過開關(guān)控制給外接的電阻、電容并聯(lián)電路可以得到開關(guān)閉合瞬間的電壓、電流波形，如圖4。通過在電壓、電流變化時(shí)刻進(jìn)行小波分析，可以得到如圖5所示的不同頻率下的電池阻抗信息。且可以看到所測(cè)量得到的阻抗與真實(shí)值相接近。