一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法及装置

本发明涉及锂电池组交流阻抗测量，具体为一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法及装置。

背景技术：

1、电池的交流阻抗又称电化学阻抗，由电化学阻抗法获得，因为其与电池的内部化学反应息息相关，所以成为评估电池性能的重要参数，它包含了电池阻抗的实部信息和虚部信息，同时结合电池的等效电路模型可以建立起电池状态与阻抗谱等效电路模型之间的具象关系，从而进行电池状态估计等方面的应用。

2、目前交流阻抗的测量方法主要包括频域测量方法和时域测量方法两种，频域法依次使用不同频率点的激励信号进行扫频测量，对不同频率激励和响应信号的幅值和相位进行分析获得系统的频率响应特性，最终获得电化学阻抗谱，时域法则包含多个待测频率成分的叠加信号作为激励，系统的时域响应也包含多个不同频率成分对应的响应，采集激励信号与响应信号，通过快速傅里叶变换(简称fft)等信号分析手段得到两个信号的谐波分布，再通过计算得到被测系统多个测量频点下的阻抗。

3、然而频域法由于使用扫频的方式，测得的数据精度更高，但无法克服测量低频信号响应时间长的问题，通常一次测量需数分钟，且时域法采用叠加正弦信号的方式，对信号的测量时间仅由最低频信号的频率决定，但时域测量方法的激励方式存在信噪比低的缺点，测量精度低于采用单点激励方式的频域法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法及装置，以解决上述背景技术提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法，包括以下步骤：

3、ⅰ、在电流激励源部分，选取激励信号频率范围，将测试频率段分为低频段和高频段两组；

4、ⅱ、使用频域法测量高频段的电压响应：依次使用不同频率点的激励信号进行扫频测量，选取合适的激励电流幅值，对同频率激励和响应信号的幅值和相位进行分析获得系统的频率响应特性，最终获得高频段的交流阻抗；

5、ⅲ、使用时域法测量低频段的电压响应：将包含多个待测频率的叠加信号使用vdo算法进行优化，得到较低波峰因数cf的多频正弦信号，然后将优化后的多频正弦信号作为激励，系统的时域响应也包含多个不同频率成分对应的响应，采集激励信号与响应信号，通过快速傅里叶变换的信号分析手段得到叠加信号的谐波分布，再通过计算得到被测系统多个测量频点下的阻抗。

6、优选的，在步骤ⅱ中，在有效值为20ma-100ma的激励电流范围内选取激励电流幅值。

7、优选的，在步骤ⅲ中，所述vdo算法为多频率谐波信号的数字合成算法，所述波峰因数cf为波形的峰值与有效值之比。

8、优选的，在步骤ⅲ中，将包含多个待测频率的叠加信号使用vdo算法进行优化，得到较低波峰因数cf的多频正弦信号，包括以下步骤：

9、a1、利用给定的幅度谱和初始相位，做第一次傅里叶逆变换，得到原始时域信号；

10、a2、对原始时域信号进行钳位，即以原始信号最大值的75％-95％的电位进行钳位，经过时域信号钳位后再进行快速傅里叶变换，得到新的幅度谱和相位，舍弃幅度谱，保留相位；

11、a3、将上述保留的新的相位和原始幅度谱经逆傅里叶变换，得到新的时域信号，计算新的时域信号的波峰因数并与原始信号波峰因数比较；

12、a4、当新的时域信号的波峰因数减小时，继续按上述算法进行迭代，直到波峰因数不再减小，停止迭代，得到较低波峰因数cf的多频正弦信号，即信噪比最优的多频正弦信号。

13、一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量装置，包括电流激励单元、前级信号处理单元和阻抗测量单元，所述前级信号处理单元和阻抗测量单元电性连接；

14、所述电流激励单元与待测锂电池组的正负极两端电性连接，用以输出交流电流激励给待测锂电池组；

15、所述前级信号处理单元与待测锂电池组及阻抗测量单元连接，用以调理放大交流电压响应信号和交流电流信号；

16、所述阻抗测量单元用以计算得到待测锂电池组各电芯的阻抗谱，并与pc或外部设备通信。

17、优选的，所述电流激励单元由dds信号发生器和v-i转换电路组成；

18、所述dds信号发生器可以产生不同频率段的电压激励信号，对于高频采用单点激励方式，对于低频采用信号叠加的方式；

19、所述v-i转换电路可以将电压激励信号转换成电流激励信号，注入待测锂电池组。

20、优选的，所述前级信号处理单元由电压调理电路和电流调理电路组成，对待测锂电池组电池电芯采用同步采集的方法，即在同一个电流激励下，所述前级信号处理单元中的每一个电压调理电路同时对待测锂电池组各电芯的电压响应进行滤波和放大操作，电流调理电路进行电流的转换工作，最后将调理后的数据信号输入到阻抗测量单元。

21、优选的，所述阻抗测量单元由数据采集模块、fpga和主控制器组成；

22、所述数据采集模块包含多个采集通道，用于接收前级信号处理单元输入的调理后数据信号，并将调理后的信号由模拟量转换为数字量，最后将数字量并行发送至fpga；

23、所述fpga用于对不同频率段的响应信号进行fft处理，得到锂电池单体不同频率段的响应电压值，通过电压值和电流激励信号获得各频率段下的电池阻抗；

24、所述主控制器可以实现锂电池组阻抗数据的记录、上位机通信、电流激励信号的频率和幅值控制。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、1、本发明中，首先在电流激励源部分，选取激励信号频率范围，将测试频率段分为低频段和高频段两组，高频段的电压响应使用频域法测量，低频段的电压响应使用时域法测量，提高测量速度，克服了低频测量时间长的问题，使用频域法测量高频段的电压响应时，依次使用不同频率点的激励信号进行扫频测量，选取合适的激励电流幅值，通过在有效值为20ma—100ma的激励电流范围内选取激励电流幅值，在该范围内激励电流的幅值越大，响应信号也就越强，从而提高测量的灵敏度。

27、2、本发明中，使用时域法测量低频段的电压响应时，将包含多个待测频率的叠加信号使用多频率谐波信号的数字合成算法进行优化，得到低波峰因数的多频正弦信号，从而克服时域法叠加信号信噪比低的缺陷，避免单点电流激励过强的同时提高了叠加信号的信噪比，保证测量精度。

28、3、本发明中，在硬件上采用电流激励注入锂电池组的方法，前级信号处理单元调理放大交流电压响应信号和交流电流信号，再通过数据采集模块对不同电芯的电压响应进行同步采集，同时数据送入fpga进行同步处理和计算，利用fpga作为阻抗处理的核心元件，利用其并行处理能力，极大提高了阻抗测量速度，使用该装置及其测量方法对锂电池组进行测量时，提高检测时效性的同时降低成本，兼顾时域法和频域法的优点。

技术特征：

1.一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法，其特征在于：在步骤ⅱ中，在有效值为20ma-100ma的激励电流范围内选取激励电流幅值。

3.根据权利要求2所述的一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法，其特征在于：在步骤ⅲ中，所述vdo算法为多频率谐波信号的数字合成算法，所述波峰因数cf为波形的峰值与有效值之比。

4.根据权利要求3所述的一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法，其特征在于：在步骤ⅲ中，将包含多个待测频率的叠加信号使用vdo算法进行优化，得到较低波峰因数cf的多频正弦信号，包括以下步骤：

5.一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量装置，其特征在于，使用了权利要求1-4中的任一项所述的一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法，包括电流激励单元(1)、前级信号处理单元(2)和阻抗测量单元(3)，所述前级信号处理单元(2)和阻抗测量单元(3)电性连接；

6.根据权利要求5所述的一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量装置，其特征在于：所述电流激励单元(1)由dds信号发生器和v-i转换电路组成；

7.根据权利要求6所述的一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量装置，其特征在于：所述前级信号处理单元(2)由电压调理电路和电流调理电路组成，对待测锂电池组电池电芯采用同步采集的方法，即在同一个电流激励下，所述前级信号处理单元(2)中的每一个电压调理电路同时对待测锂电池组各电芯的电压响应进行滤波和放大操作，电流调理电路进行电流的转换工作，最后将调理后的数据信号输入到阻抗测量单元(3)。

8.根据权利要求7所述的一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量装置，其特征在于：所述阻抗测量单元(3)由数据采集模块、fpga和主控制器组成；

技术总结本发明公开了一种时频域结合的锂电池组交流阻抗测量方法，涉及锂电池组交流阻抗测量领域，包括以下步骤：在电流激励源部分，选取激励信号频率范围，将测试频率段分为低频段和高频段两组。本发明在测量锂电池组交流阻抗的过程中，将测试频率段分为低频段和高频段两组，采用时频域结合的方法测量锂电池组阻抗，高频段使用频域法测量，低频段使用时域法测量，提高了测量速度，缩短低频测量时间，采用多频率谐波信号的数字合成算法进行波峰因数的优化，避免单点电流激励过强的同时提高了叠加信号的信噪比，保证测量精度，使用该装置及其测量方法对锂电池组进行测量时，提高检测时效性的同时降低成本，兼顾时域法和频域法的优点。技术研发人员：屈剑锋,陈鹏宇,钟溪林受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26