本發(fā)明涉及純電動汽車、插電式混合動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量方法。

背景技術(shù)：

隨著電動汽車和插電式混合動力汽車的推廣應(yīng)用，對車載蓄電池包的安全性、可靠性有非常高的要求，對于電池管理系統(tǒng)來說，能夠及時準(zhǔn)確地得知動力電池的當(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。鑒于阻抗的測量一直應(yīng)用在實驗室中對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)需要單獨的外接激勵源，通過單頻率正弦激勵，不能很好的適應(yīng)車載條件，不能在車輛正常行駛時進(jìn)行，同時測量時間較長也不能滿足在用于實時性要求較高的電池監(jiān)控場合，如實時故障監(jiān)控等。

技術(shù)實現(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)實采樣結(jié)合、快速有效、無需外接激勵源的車載電池阻抗快速測量方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

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

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

2)對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，若是，則進(jìn)行電池端電壓和電流的實采樣，并對實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為止；

3)分別對實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)行小波分析計算得到頻率集中下一頻率對應(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，記錄并按時間順序排列采樣得到的電壓電流的采樣點組合sp1(u，i)、sp2(u，i)……，直至采樣時間結(jié)束或采樣點數(shù)量達(dá)到設(shè)定總數(shù)；

23)判斷第一輪采樣點組合中是否出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢，若是，則進(jìn)行電池端電壓和電流的實采樣，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)采樣中第一個采樣點組合sp1(u，i)開始按時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，直至出現(xiàn)有效的電壓或電流變化趨勢為止。

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，采樣時間t＝1/min(f1,f2,…,fn)，采樣點的設(shè)定總數(shù)n＝1/fs·min(f1,f2,…,fn)。

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

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，電壓電流實采樣具體包括以下步驟：

231)獲取測量頻率集中最低頻率對應(yīng)的預(yù)采樣時間tfmin和采樣點的設(shè)定總數(shù)nfmin，并確定實采樣的采樣時間為tfmin以及采樣點的設(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對應(yīng)的時刻t0，在實采樣中在t0后采樣長度為tfmin或nfmin的電池端電流和電壓數(shù)據(jù)作為實采樣數(shù)據(jù)。

判斷出現(xiàn)有效電流或電壓變化趨勢應(yīng)同時滿足以下條件：

1、測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)變化時所包含的頻率成分中；

2、按照信號隨時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)要求以滿足測量頻率集；

3、按照信號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)要求以保證測量的精度。

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

本發(fā)明所提出的基于小波變換的電池阻抗快速測量方法主要包括電流、電壓有效變化趨勢的判斷，預(yù)采樣，實采樣和小波分析三個關(guān)鍵步驟上。本發(fā)明所提出的方法對電壓、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)行阻抗快速測量，本發(fā)明方法能有效利用實車工況進(jìn)行電池阻抗測量，克服現(xiàn)有車載阻抗測量技術(shù)基于單頻率正弦激勵，需要單獨的外接激勵源，且測量不能在車輛正常行駛時進(jìn)行的缺點，從而為阻抗測量實時性要求高的應(yīng)用場合提供基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述阻抗快速測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)明所述實采樣方法的流程框圖。

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

圖5為本發(fā)明所提出的方法所測量得到的阻抗值與真實值的對比。

具體實施方式

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

實施例：

對于一個連續(xù)信號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f(t)與母波ψ(t)作卷積來獲得，s是縮放因子，τ是時間參數(shù)。小波變換就是通過調(diào)整s和τ的值，來實現(xiàn)母波ψ(t)的伸縮和平移，就像用鏡頭對目標(biāo)信號進(jìn)行聚焦和平移，從而達(dá)到在較高頻率有較高時間分辨率，在較低頻率有較高的頻率分辨率的效果。電池信號包括電壓信號和電流信號，而電壓信號和電流信號都是矢量信號，因此為了不遺失原信號的矢量信息，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的目標(biāo)頻率成分。

對于電池的阻抗測量，可分別對電壓、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)是對信號進(jìn)行濾波和分解，是將信號分解到各個頻率上，認(rèn)為無需對電池從外部加載激勵信號，可利用電池本身放電過程中產(chǎn)生的電信號變化(如開關(guān)瞬間的電壓和電流信號)作為分析對象，這樣就無需外部激勵源，從而簡化系統(tǒng)。

對于采用蓄電池存儲電能的電動汽車來說，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)、故障診斷等有對應(yīng)的變化關(guān)系。測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)行在線估計或判定。對現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)對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控制器完成。在電動汽車啟動瞬間或負(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)測通過電池的電流和電池端電壓以判斷其變化趨勢是否包含了該頻率成分，一旦有符合要求的變化趨勢出現(xiàn)，則控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)為實采樣，同時繼續(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算獲得單體電池的阻抗。

對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電池組控制器，再由各個電池組控制器完成每個電池單體的阻抗測量。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或者電池組控制器得到合適的單體電壓變化趨勢后啟動實采樣。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，電池組控制器在得到電池的電流信號后進(jìn)行計算以得到阻抗信息。

對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需要首先進(jìn)行電池包控制器和電池組控制器的時鐘同步，以確定兩者之間進(jìn)行信號傳輸?shù)臅r間延遲和兩控制器相對時鐘差異，這樣電池組控制器接收到電流信號后便可根據(jù)信號傳輸延遲和兩控制器的時鐘差異進(jìn)行信號的時間對齊和阻抗測量相位補(bǔ)償操作。

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

開始實驗采用容量為3.4ah松下三元電池18650ga，通過設(shè)計一個簡單的通過開關(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。且可以看到所測量得到的阻抗與真實值相接近。