一种充电电源的电池交流阻抗在线检测方法

1.本发明涉及充电电源，更具体地说是一种充电电源的电池交流阻抗在线检测方法。


背景技术：

2.近些年来，能源危机和环境污染问题日益严重，在世界范围内，越来越多人关注新能源的发展与应用。在新能源产业中，电池作为储能设备和供电电源，在比能量、体积、寿命、环保性等各方面都具有突出优势。电池参数反应其性能和健康状态等，然而电池内部状态无法通过直接检测获取，这会影响电池安全稳定运行。
3.电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，eis)作为一种无损的参数测定和有效的电池动力学行为测定方法，能够以复阻抗的形式在不同频段上对电池内部界面反应、电荷传递和离子扩散等过程进行解耦，来获得用于电池建模和预估soc、soh和sof等状态信息的重要参数。
4.电池eis又称为交流阻抗谱，交流阻抗检测的主要方法可以分为离线检测和在线检测，离线检测需要采用专用设备，成本高，且不能实时反应电池内部变化的信息。而在线检测可以实时反应电池内部特性。通常，电池交流阻抗的在线检测是在电池充放电过程中进行的，将小信号扰动注入到充电电源控制回路的参考值处，通过采样电池两端电压响应和充电电流响应获得电池交流阻抗。扰动信号分为单一频率的正弦扰动、多种频率的正弦扰动、方波扰动和脉冲扰动等。注入单一频率的正弦扰动虽然可以保证阻抗检测精度，但了解电池内部特性需多个频率下的阻抗信息，依次注入单一频率扰动将花费大量时间。而注入包含多种频率的扰动时可以减小检测时间，但阻抗检测精度也会减小。同时，在控制器环节注入扰动进行在线检测时，阻抗检测频段会受控制器带宽约束。现有的基于rpwm的阻抗检测方法可获取高频阻抗信息，然而其载波频率是随机产生的，对应电流谐波在各频段的分布不可控，影响阻抗检测精度。


技术实现要素：

5.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种无需额外增加设备、能有效降低成本的充电电源的电池交流阻抗在线检测方法，选用多目标优化rpwm调制方式有效激起扰动，实时精确检测电池交流阻抗。
6.本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
7.本发明充电电源的电池交流阻抗在线检测方法的特点是：在电池以稳态充电电流进行充电的过程中，将电源的pwm调制切换到多目标优化rpwm调制进行交流阻抗在线检测；通过优化设计获得所述多目标优化rpwm调制的载波频率，优化设计目标设置为使充电系统输出电流频谱满足所测交流阻抗的频段在扰动时的电流谐波量要求；多目标优化rpwm调制下的载波频率以载波频率序列形式变化，序列周期取决于阻抗测量频段需求。
8.本发明充电电源的电池交流阻抗在线检测方法的特点也在于是按如下步骤进行：
9.步骤1、生成载波信号
10.以载波频率序列的特征量为约束，通过多目标优化设计获得优化载波频率序列fs，所述优化载波频率序列fs是指使充电系统输出电流频谱满足所测交流阻抗的频段在扰动时的电流谐波量要求的载波频率序列；由所述优化载波频率序列fs生成载波信号；
11.所述载波频率序列的特征量包括：载波频率序列周期tc，载波频率上限f
max
、载波频率下限f
min
和载波频率序列中的载波频率个数n；
12.步骤2、将调制波信号与所述载波信号进行脉冲宽度调制，获得扰动时用于驱动充电电源开关管的脉冲信号；
13.步骤3、在电池以稳态充电电流进行充电的过程中，将充电电源开关管由pwm调制切换到多目标优化rpwm调制实施扰动；采样获得扰动时的电池两端电压和充电电流，针对采样获得的扰动时的电池两端电压和充电电流通过fft分析计算获得电池交流阻抗值，实现电池交流阻抗的在线检测。
14.本发明充电电源的电池交流阻抗在线检测方法的特点也在于：
15.根据所测交流阻抗的频段确定载波频率序列周期tc，1/tc为电池交流阻抗检测所需的最小频率。
16.本发明充电电源的电池交流阻抗在线检测方法的特点也在于：
17.载波频率序列fs满足：fb《f
min
≤fs≤f
max
《f
init
18.其中：fb为控制器带宽，f
init
为pwm调制的载波频率。
19.本发明充电电源的电池交流阻抗在线检测方法的特点也在于：
20.设置载波频率序列中的载波频率个数n为：n＝tc×fmin
。
21.本发明充电电源的电池交流阻抗在线检测方法的特点也在于：
22.按式(1)所示的目标函数ζ1和ζ2设置所述优化载波频率序列的优化目标；
[0023][0024]
式(1)中：
[0025]
以m表示谐波次数，m
max
是频率为f
max
的谐波次数，m
max
＝f
max
×
tc；
[0026]
t是选取的thd阈值，t＝8％；
[0027]
h1是频率为1/tc的谐波幅值；
[0028]hs
是选取的谐波幅值，hs＝0.3％h1；
[0029]hm
是第m次谐波的谐波幅值，并有：
[0030][0031]
式(2)中：
[0032]am
和bm是对充电电流进行fft时傅里叶级数的系数，并有：
[0033][0034][0035]
以fy表征载波频率序列中的第y个频率，y＝1,2,3...,n；py＝2πfy/tc；
[0036]
以fi表征载波频率序列中的第i个频率，i＝0,1,2...,y-1；pi＝2πfi/tc，并定义p0＝0；
[0037]
d为调制波幅值，当m＝1时，由式(2)获得h1；
[0038]
在多目标优化rpwm调制下输出电流频谱使得由式(1)所示的目标函数最小的频率序列即为优化载波频率序列。
[0039]
本发明充电电源的电池交流阻抗在线检测方法的特点也在于：
[0040]
稳态充电电流是指流过电池的电流变化量
△ibat
满足式(3)：
[0041]
△ibat
《10％i
bat
ꢀꢀꢀ
(3)
[0042]
式(3)中：i
bat
为电池充电电流。
[0043]
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0044]
1、本发明无需增加硬件设备，多目标优化设计rpwm调制下的载波频率，扰动后不但可实现充电系统的充电电流频谱满足电池阻抗测量精度要求，而且大大减小了对电池正常充电过程的影响；
[0045]
2、本发明实现充电系统输出电流频谱可控，根据电池交流阻抗检测所需频段需求设计载波频率序列周期，实时检测宽频阻抗。
附图说明
[0046]
图1为本发明中电池交流阻抗在线检测框图；
[0047]
图2为本发明中具有电池交流阻抗在线检测功能的充电电源电路示意图；
[0048]
图3为本发明中生成的频率变化的载波信号；
[0049]
图4为本发明中多目标优化rpwm调制时充电电流的fft结果；
[0050]
图5a和图5b分别为本发明中多目标优化rpwm调制时阻抗幅频特性和相频特性曲线；
[0051]
图6为本发明中电池阻抗nyquist曲线；
[0052]
图7为本发明中未优化rpwm调制时充电电流的fft结果；
[0053]
图8a和图8b分别为本发明中未优化rpwm调制时阻抗幅频特性和相频特性曲线；
[0054]
表1为实施例中dc-dc变换器的给定参数；
[0055]
表2为实施例中多目标优化rpwm的参数选定。
具体实施方式
[0056]
参见图1和图2，本实施例中充电电源的电池交流阻抗在线检测方法是在电池以稳态充电电流进行充电的过程中，将电源的pwm调制切换到多目标优化rpwm调制进行交流阻抗在线检测；通过优化设计获得所述多目标优化rpwm调制的载波频率，优化设计目标设置
为使充电系统输出电流频谱满足所测交流阻抗的频段在扰动时的电流谐波量要求为目标；多目标优化rpwm调制下的载波频率以载波频率序列形式变化，序列周期取决于阻抗测量频段需求。
[0057]
本实施例中充电电源的电池交流阻抗在线检测方法按如下步骤进行：
[0058]
步骤1、生成载波信号
[0059]
以载波频率序列的特征量为约束，通过多目标优化设计获得优化载波频率序列fs，优化载波频率序列fs是指使充电系统输出电流频谱满足所测交流阻抗的频段在扰动时的电流谐波量要求的载波频率序列；由优化载波频率序列fs生成载波信号；
[0060]
载波频率序列的特征量包括：载波频率序列周期tc，载波频率上限f
max
、载波频率下限f
min
和载波频率序列中的载波频率个数n；
[0061]
步骤2、将调制波信号与载波信号进行脉冲宽度调制，获得扰动时用于驱动充电电源开关管的脉冲信号；
[0062]
步骤3、在电池以稳态充电电流进行充电的过程中，将充电电源开关管由pwm调制切换到多目标优化rpwm调制实施扰动；采样获得扰动时的电池两端电压和充电电流，针对采样获得的扰动时的电池两端电压和充电电流通过fft分析计算获得电池交流阻抗值，实现电池交流阻抗的在线检测。
[0063]
具体实施中，相应的技术措施也包括：
[0064]
根据所测交流阻抗的频段确定载波频率序列周期tc。利用傅里叶变换分析充电系统输出电流，可知电流谐波主要分布在1/tc的整数倍处，为了满足电池交流阻抗测量频段要求，1/tc应为电池交流阻抗检测所需的最小频率。
[0065]
载波频率序列fs满足：fb《f
min
≤fs≤f
max
《f
init
[0066]
其中：fb为控制器带宽，f
init
为pwm调制的载波频率。
[0067]
载波频率序列中的载波频率下限f
min
应大于控制器带宽fb，同时开关频率越大，充电电源的损耗也越大，因此载波频率上限f
max
不超过pwm调制的载波频率f
init
；
[0068]
控制器带宽fb按下式计算获得：
[0069][0070]
其中：l为本实施例中dc-dc变换器的电感，r为负载，ud为输入电源，p为pi控制器的比例系数，i为pi控制器的积分系数，d为调制波幅值。
[0071]
设置载波频率序列中的载波频率个数n为：n＝tc×fmin
。
[0072]
按式(1)所示的目标函数ζ1和ζ2设置优化载波频率序列的优化目标；
[0073][0074]
ζ1是用来表征充电系统输出电流谐波分布均匀以满足电池交流阻抗检测精度要求；
[0075]
ζ2是用来表征充电系统输出电流的总谐波畸变率thd不超过阈值t，以满足扰动对电池正常充电的影响小。
[0076]
式(1)中：
[0077]
以m表示谐波次数，m
max
是频率为f
max
的谐波次数，m
max
＝f
max
×
tc；
[0078]
t是选取的thd阈值，t＝8％；
[0079]
h1是频率为1/tc的谐波幅值；
[0080]hs
是选取的谐波幅值，hs＝0.3％h1；
[0081]hm
是第m次谐波的谐波幅值，并有：
[0082][0083]
式(2)中：
[0084]am
和bm是对充电电流进行fft时傅里叶级数的系数，并有：
[0085][0086][0087]
以fy表征载波频率序列中的第y个频率，y＝1,2,3...,n；py＝2πfy/tc；
[0088]
以fi表征载波频率序列中的第i个频率，i＝0,1,2...,y-1；pi＝2πfi/tc，并定义p0＝0；
[0089]
当m＝1时，由式(2)获得h1；
[0090]
在多目标优化rpwm调制下输出电流频谱使得由式(1)所示的目标函数最小的频率序列即为优化载波频率序列，可以利用遗传算法等智能算法求解满足目标函数的最优载波频率序列。
[0091]
稳态充电电流是指流过电池的电流变化量
△ibat
满足式(3)：
[0092]
△ibat
《10％i
bat
ꢀꢀꢀ
(3)
[0093]
式(3)中：i
bat
为电池充电电流。
[0094]
为验证本发明方法有效性，在matlab/simulink中搭建电池电源电路模型，通常电池电源为dc-dc变换器连接到电池，dc-dc变换器给定参数如表1；首先选定电池阻抗检测频段为12.5hz-4khz，多目标优化rpwm的其它参数如表2所示。
[0095]
多目标优化rpwm调制的载波信号如图3所示，图4所示为dc-dc变换器中采用多目标优化rpwm调制时充电系统输出电流的fft结果，本实施例通过设计rpwm调制中的开关频率优化了充电电流波形，充电电流频谱分散且各谐波幅值均匀，同时扰动对充电系统的影响小，充电电流thd仅为5.46％。
[0096]
图5a所示为多目标优化rpwm调制下电池交流阻抗理论幅频特性曲线与测量描点图，图5b所示为多目标优化rpwm调制下电池交流阻抗理论相频特性曲线与测量描点图，阻抗实测描点分布在理论曲线附近，即本实施例方法阻抗检测精度高。将交流阻抗实测的bode描点图转换为横轴为阻抗实部，纵轴为阻抗负虚部的nyquist图，即为图6所示的电池电化学阻抗谱，可知其中频段为一半圆，高频段呈阻感性，为一平行于虚轴的直线。
[0097]
图7所示为未优化rpwm调制时充电系统输出电流的fft结果，充电电流thd为21.07％。对比图4和图7的输出电流fft结果可知，本实施例中多目标优化rpwm调制下充电电流的thd更小，且频谱中各谐波分布更均匀。图8a为未优化rpwm调制下电池交流阻抗理论幅频特性曲线与测量描点图，图8b为未优化rpwm调制下电池交流阻抗理论相频特性曲线与测量描点图，对比图5a及图5b和图8a及图8b可知，本实施例中多目标优化rpwm调制下的电池阻抗检测结果比未优化rpwm的阻抗检测结果更准确，多目标优化rpwm调制下检测的阻抗幅值最大误差约为8mω，而未优化rpwm调制下检测的阻抗幅值最大误差约有21mω。因此本实施例在电池交流阻抗检测上具有优势。
[0098]
表1为本实施例中dc-dc变换器的给定参数
[0099]
参数说明参数值输入电源ud(v)40电感l(mh)10输出电容c(mf)10pwm调制的载波频率(hz)10kp0.05i1
[0100]
表2为本实施例中多目标优化rpwm的参数选定
[0101]
参数说明参数值多目标优化pwm的载频频率上限(hz)10k多目标优化pwm的载频频率下限(hz)2k载波频率序列周期(s)0.08
[0102]
本发明方法弥补了现有电池交流阻抗在线检测技术受控制器带宽限制和检测精度不高的不足，具有施加扰动方式简单易行，阻抗值检测精度高，对电池充电电源影响小的优点。经仿真验证了本发明方法的有效性。