一種帶健康監(jiān)測功能的電池車載充放電機的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種電池車載充放電機，特別是一種帶健康監(jiān)測功能的電池車載充放 電機。
【背景技術】
[0002] 能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖是全球能源領域面臨的共同挑戰(zhàn)。進入21世紀W 來，隨著石油、煤炭等不可再生能源的日趨枯竭，環(huán)境污染日益嚴重，節(jié)能與環(huán)保已成為世 界各國亟待解決的二大問題。
[0003] 根據美國能源部下屬能源情報署的數據，2012年全球石油需求量為8905萬桶/ 日；瑞±銀行2012年年底的報告稱目前世界已證實石油儲量有1. 8萬億桶，運意味著按現 有石油消費水平和當前證實的石油儲量，世界石油還可開采46年。國際能源署預測[1]，至 2035年，全球年能源需求將從2009年的120億噸石油當量增加到170-180億噸石油當量； 二氧化碳排放方面，如果保持當前的排放政策，排放量將從2009年的290億噸上升到430 億噸，即使采用新規(guī)，排放量也會上升到360億噸。汽車排放約占總排放的四分之一。
[0004] 目前我國已成為世界第二能源消耗大國。2012年消耗石油4. 93億噸，原油對外 依存度為56. 42%，達歷史最高值，預計到2030年，我國80%的石油將依賴進口，能源安全 問題日益嚴峻。在2009年12月7日召開的哥本哈根聯(lián)合國氣候變化大會上，我國政府再 次重申了到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右的目標，并首次提出到 2020年，我國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40 % -45 %的減排計劃。而 我國正處于工業(yè)化背景下較高碳當量的經濟運行狀態(tài)，實現減碳目標任重而道遠。2013年 10月，工信部節(jié)能與綜合利用司官員表示，我國已經是二氧化碳排放第一大國，增量也占全 球的70% W上，在國際上面臨的節(jié)能減碳壓力越來越大。因此，發(fā)展電動汽車是下一代汽車 技術的必由之路，電池又是電動汽車的關鍵部件之一。 陽0化]在電池應用過程中，保障其充電、放電過程中的安全性是需要解決的首要問題。車 載充放電機是必不可少的，還必須對電池進行健康監(jiān)測。內阻是衡量電池健康狀態(tài)的關鍵 參數之一。因此，為了確保安全、穩(wěn)定、高效運行，必須對各單片電池內阻進行實時監(jiān)控。但 是，由于電池內阻可W呈容性、感性和純阻性，單片內阻大小為mQ級，而且具有時變性，監(jiān) 測難度很大。
[0006]目前，電池充放電機與健康監(jiān)測儀一般是2個獨立設備，分別實現充放電及健康 監(jiān)測功能。內阻測試儀一般不能在線工作，需要配備寬頻率范圍的交流電流激勵源，為電池 提供交流擾動信號，還需要電池測試臺、電子負載、頻率分析儀等復雜儀器，運使得該類測 試平臺非常復雜，體積大、重量大、成本高，不便于車載運行成本很高，只能在實驗室環(huán)境下 進行測試。加拿大安大略省潔能氏公司專利W002/27342和W02003/083498,拿大不列顛 哥倫比亞省綠光電力技術公司專利W02003/098769,通過對電子負載的控制來測試電池內 阻，由于實際電池所帶負載不能按測試要求控制，所W他們的方法不能進行在線測試。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種簡單、可靠、可車載使用的帶健康監(jiān)測功能的電池車 載充放電機，W克服現有設備的不足。
[0008] 為了實現上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：
[0009] 一種帶健康監(jiān)測功能的電池車載充放電機，包括至少一個監(jiān)測與控制單元、雙向 功率變換單元、整流電路，所述雙向功率變換單元用于分別連接被測電池組和直流母線，整 流電路用于連接電網和直流母線，其特點是：所述監(jiān)測與控制單元包括信號采集與處理單 元、FPGA、DSP、PWM驅動單元W及CAN通信接口，所述信號采集與處理單元輸入端采集所述 電池組電池電流、各單片電池電壓W及雙向功率變換單元兩端電壓和電流信號，所述信號 采集與處理單元的輸出端通過FPGA與DSP連接，所述DSP通過PWM驅動單元控制所述雙向 功率變換單元，所述DSP通過CAN通信接口與外部實現通訊。
[0010] 基于上述帶健康監(jiān)測功能的電池車載充放電機，本發(fā)明還提供一種帶健康監(jiān)測功 能的電池車載充放電機的控制方法，其控制方法是：
[0011] 所述監(jiān)測與控制單元在電池充電或放電目標值上疊加一個方波信號，基于該信號 與實際電流之差計算雙向功率變換單元中IGBT的占空比，經PWM驅動單元控制IGBT的通 斷，使得電池充電或放電電流與疊加信號一致；FPGA對收到的電池電流及各電池電壓進行 快速傅里葉變換，將電流及電壓信號轉換為直流分量與不同頻率交流分量之和；FPGA將各 片電池各頻率的電壓分量除W同頻率的電流分量，得到各頻率下個電池阻抗，并與出廠時 的阻抗值進行比較，依此判斷各電池的健康狀態(tài)。
[0012] 上述在電池充電或放電目標值電流上疊加一個方波信號，方波幅值不大于電池目 標電流有效值的5%，方波頻率即為基波頻率，設定為1曲Z。
[0013] 所述雙向功率變換單元中，四個IGBT的通斷具有多種組合模式，通過不同組合 可實現電池組向直流母線供電、降壓供電，電網或直流母線向電池組升壓充電、降壓充電， IGBT 210常通，IGBT 220及IGBT230常斷，IGBT 240 W-定的占空比通斷，則電池組向直 流母線升壓供電；IGBT 220、IGBT 230及IGBT 240常斷，IGBT 210 W-定的占空比通斷， 則電池組向直流母線降壓供電；IGBT 230常通，IGBT 210及IGBT 240常斷，IGBT 220 W- 定的占空比通斷，則電網或直流母線向電池組升壓充；IGBT 210、IGBT 220及IGBT 240常 斷，IGBT 230 W-定的占空比通斷，則電網或直流母線向電池組降壓充電。
[0014] 電池組向直流母線供電時工作于升壓或降壓，取決于電池組與直流母線電壓的大 小。如電池組電壓高于直流母線電壓，應工作于降壓模式；如電池組電壓低于直流母線，貝U 應工作于升壓模式。充電時，如電池組電壓高于直流母線電壓，應工作于升壓模式；反之，應 工作于降壓模式。
[0015] 上述DSP基于目標電流疊加方波后的信號與實際電流之差計算雙向功率變換單 元中IGBT的占空比，經PWM驅動單元控制IGBT的通斷，使得電池充電或放電電流與疊加信 號一致；信號采集與處理單元實時采集電池電流、各單片電池電壓、雙向功率變換單元兩端 電壓和電流，將采集值傳送到FPGA。
[0016] 上述FPGA對收到的電池電流及各電池電壓進行快速傅里葉變換，將電流及電壓 信號轉換為直流分量與不同頻率交流分量之和。FPGA將各片電池各頻率的電壓分量除W同 頻率的電流分量，得到各頻率下個電池阻抗，并與出廠時的阻抗值進行比較，依此判斷各電 池的健康狀態(tài)。
[0017] 電池電流變換為：
化
[0019] 其中，I。為直流分量，《為基波頻率，i表示諧波次數，a 1為i次諧波相角，I 1為 i次諧波幅值。
[0020] 第k片電池電壓變換為：
(2) 陽02引其中，Uk,。為第k片電池電壓直流分量，0 k,為i次諧波相角，U k,為i次諧波電 壓幅值。
[0023] 則第k片電池的直流阻抗為：
(3) 陽0巧]第k片電池在頻率為i O時的阻抗為：
(4)
[0027] 上述帶健康監(jiān)測功能的電池車載充放電機根據電池出廠參數設定內阻闊值，當檢 測到的內阻闊值大于設定值時，判定電池健康狀態(tài)異常。監(jiān)測與控制單元通過CAN通信接 口與外界交互信息。
[0028] 本發(fā)明與現有技術相比，將電池車載充電機與健康監(jiān)測儀合二為一，去掉了高精 度高、寬頻率范圍的交流電流激勵源，降低了體積、重量和成本，并可在充放電過程中在線 監(jiān)測電池健康狀態(tài)不影響電池正常工作。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的結構原理框圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，但該實施例不應理解為對 本發(fā)明的限制。
[0031] 本發(fā)明包括監(jiān)測與控制單元、雙向功率變換單元、整流電路，被測電池組與雙向功 率變換器的一端相連，雙向功率變換器的另一端與直流母線相連，電網經整流電路后也與 直流母線相連。
[0032] 監(jiān)測與控制單元在電池充電或放電目標值上疊加一個方波信號： 陽 03引 Im(t) = I"q(t)+f(t) (I)
[0034] 其中，Ireq (t)為電池組充電或放電目標值。Ireq