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一种在线电池阻抗测量方法用DC-DC电源转换器控制
摘要：本文提出了一种简单的在线测量包括锂、铅酸,镍金属氢化物等化学电池阻抗的测量方法。通过使用提出的这种在线阻抗测量方法,没有必要从系统断开电池或中断系统操作,不需要给电路加上交流信号,产生多余的响应测量和分析电路或者设的过程。在实际电池驱动系统,电源转换器通常是用于连接电源和负载以达到电流或电压校准的目的。在本文中，通过的控制电源转换器和频宽比扰动,可以确定电源的交流阻抗。该方法提供了一个低成本和能在线测量电源的交流阻抗可行的解决方案。此外,该方法能够连续或定期执行而不中断电池系统和电源转换器的正常运行的方案。此外,本文提供的一个用于获得估计在线的锂离子电池电荷状态阻抗数据的例子。这种提出的在线阻抗测量方法已经通过一个2.6安时18650大小的锂电池接负载实验验证可行，通过一个双向的直流-直流boost/buck转换器连接。
专有名词索引：电源阻抗测量,电池管理系统(BMS),电动汽车,锂离子电池,扰动、电源转换器控制、智能电网、电荷状态(SOC) 、健康状况(SOH)。
1.简介
电化学电池被广泛用于能量储存和工业供应、电信、医疗、电动工具,消费,和便携式电子产品。在过去的十年中,大量出现的工具需要电池引起的极大的关注,包括便携式电子设备(如智能手机和平板电脑)、电动汽车和智能电网。在这样的设备中电源能量存储系统扮演着一个关键角色,因为他们可以显著影响这些系统的性能,成本,可靠性和安全性。虽然在电池存储技术方面取得了快速进步，但是最近以来很少出现关于电池管理系统变革和进步。
最先进的电池管理系统能够实现各种功能,包括单片电池电压监测和保护、诊断和预测判断电池组,充电状态(SOC)估计,健康状况(SOH)估计,各片电池平衡、和通信等。电池的阻抗是一个重要的参数,因为它对电池的性能提供了有用的信息，也可以帮助检测隐藏在电池系统问题。为了实现电池系统的高效的电源和能源管理，在测量电池的剩余电能存储的过程中准确的电荷状况信息是必要的。提出了几种SOC估计模型,在文献[9]-[12],[20]-[22]和[29]。虽然Coulomb-counting-based方法相对比较简单和容易实现,它受到一个未知的初始电荷值和错误积累在整个过程中进程。电池的开路电压也可以使用衡量电池的电荷状态的标准[22]。然而,在这方法中，电池不能接负载过久为了电池到达电化学平衡期以便于更好的测量。交流阻抗谱是另一种方法可以用来估计电池的SOC的基础电池的交流阻抗[9],[29]。在这种方法中通过比较测量电化学阻抗谱与长期收集实验数据电池的电荷量来估计电荷质量。
随着电池老化,电池的阻抗会增加。通过比较实际的阻抗和还是新电池的时候或者是基于长期实验数据所反映的阻抗值，可以作为一种估计电池使用时间或者健康状况的方法。交流阻抗谱[9],[10],[15],[16],[18],[19]也可以用来估计电池的健康状况通过分析电池的阻抗谱。
图一是一种典型的简化过的电池模型。除了电池电压源Voc，欧姆电阻R1和一个RC网络是用来描述稳态和瞬态响应。R1，R2和C构成电池阻抗zbattery.电池阻抗的值取决于很多因素，包括电化学性能，电荷质量，温度，使用时间，和容量。几种电池阻抗测量方法已经在文献中提及过。这些方法可以分为两大类，即直流负载法和交流信号注入法。就像在Fig.2(a),在直流负载法中，电池首先对直流负载放电，电流为I1在周期为T1期间，然后接另一个负载，电流为I2在一个周期为T2的周期内。电池的直流阻抗可以表示为
Zbattery-dc=(V1-V2)/(I2-I1) （1）
这里的V1和V2是指电池在直流电流下的分别的最终电压，这种直流负载的方法求出的只是直流电阻的值。
图1 简化的电池模型
接直流负载电路方案模型 交流信号注入法模型
DC-DC功率转换器法电路模型
在另一方面,交流信号注入法经常用于电池的交流阻抗的测量。交流信号注入法的基本思想方法是运用电池小交流正弦电流/电压信号在给定频率f下注入,如图2(b)所示,然后为了确定电池的交流阻抗要测量电池交流电压/电流响应注入交流电流/电压信号。
Zbattery(f)= （2）
这里的Vac和Iac是指电池电压和电流交流分量的峰值，是指电池阻抗的相角。交流信号注入法相对复杂和昂贵是由于需要辅助设备/电路系统来生成所需的交流激励信号和测量的响应。
此外,在文献中称作“网络阻抗测量”方法[13]-[18],被测试的电池通常是直接连接到一个模拟恒流或恒电阻负载(如使用一个商业电池测试仪),见图2(a)和(b),而不是连接到一个实际运行的系统。在后一种情况下,电源转换器通常是用于电池与负载的接口,以便提供必要的电压/电流调节。因此,电源转换器的传递函数和阻抗或与电池连接的电力系统,可能会影响阻抗测量的准确性,这一点没有在文献中具体讨论。其他潜在的问题包括系统不稳定,电源转换器正常运行的中断,或注入交流信号的噪声和干扰。
图2 提出的阻抗测量过程中的电池系统的工作波形
本文提出了一种“在线”电池阻抗测量方法。“在线”一词指的是在系统运行过程中，电池阻抗测量的事实。在所提出的方法，而不是通过外部发电机注入交流信号的直流–直流电源变换器的占空比的值，这是用来与负载电池接口，是在一个给定的频率正弦扰动的稳态直流值（占空比的值需要达到所需的输出电压）。此占空变化的电池电压和电池的电流在其相应的稳态直流值的正弦变化的占空比。电池电压和电池电流的正弦脉动，然后测量和用于确定在扰动频率的电池的交流阻抗。所提出的方法可以是连续的或周期性地进行，而不中断电池系统和功率转换器的正常运行。此外，本文举了一个用于在线估计的锂离子电池的阻抗数据的例子
本文的其余部分组织如下。介绍了在线阻抗测量方法的工作原理，并对其进行了讨论。第三节介绍概念的证明实验原型的结果和讨论。第四节给出的结论。
2.所提出的在线电池阻抗测量方法的操作原理
正如上面提到的,在电池供电的设备或系统中,直流-直流功率转换器通常是用来连接电池和负载以提供的电池电压/电流调节。在许多应用中,直流-直流功率转换器通常是双向的是为了让电池系统同时充放电操作。对于一个给定的应用，许多直流-直流功率转换器能实现,这种脱拓扑结构选择的目标是为了功率和功率密度的大小和成本要求,和简化集成和封装。
传统的非隔离双向直流–直流升压/降压变换器，如图2（c），是利用在本文说明和验证的目的。双向直流-直流-直流电源转换器作为升压转换器在放电模式，以提高电压的负载所需的电压，并在电池充电模式作为降压转换器，以便逐步降低电压的电池电压。
在稳定工作下，为了得到理想输出电压，功率转换器需要一个直流频宽比值Ddc,如在图二(d)分别为电池的直流电压和直流电流Vbattery_dc和Ibattery_dc。如图二(d)一旦阻抗测量模式在T1触发，小周期正弦扰动信号dac和Dac为峰值的，fp为周期的扰动信号加到Ddc中，如图三。这个小周期扰动会产生相对较小的波纹叠加在电源转换器的直流输出电压Vo_dc，电池直流电压Vbattery_dc，电池直流电Ibattery_dc上，如等式（4）和（5）。在等式（4）和（5），vbattery_dc是电池的电压，ibattery_dc是电池的电流。这些所有的正弦扰动都是以频率fp。通过测量最高峰值（最大最小值）的一个扰动周期中的电池电压Vbattery_pp、电池电流Ibattery_pp，在频率为fp的电池交流阻抗的大小可以根据等式（6）确定。如果电池的电压和电池的电流需要他们之间的相移，在频率fp下的相位可以通过使用等式（7），其中和分别是电池的电压和电池的电流的相移，如下
d(t)=Ddc Dac*sin(2pi;fpt) (3)
Ibattery(t)=Ibattery_dc Iac*sin(2pi;fpt ) (4)
Vbattery(t)=Vbattery_dc Vac*sin(2pi;fpt ) (5)
|zbattery(fp)|= (6)
(7)
图三表示文中所提到的在线阻抗测试的方法的流程图，该流程图分成了两部分。第1部分描述完整的阻抗测量过程。如图所示，一个小占空比的正弦扰动被添加到启动阻抗测量操作的功率转换器的占空比。从理论上讲，只有一个摄动周期1/fp需要测量所需的峰峰值电池电压Vbattery_pp与电池的电流Ibattery_pp。然而，实际上，Vbattery_pp和Ibattery_pp测量M（不止一个）连续扰动周期以确保系统不是一个短暂的条件下阻抗测量过程。M的值的选择是一个阻抗测量的准确性和阻抗测量过程所需的时间之间的权衡。也就是说，M的值越高，具有更高的精度，建议在线电池阻抗测量方法将有更长的时间的阻抗测量过程将采取。在本文的实验样机，发现M=5是一个价值实现的精度和速度之间的一个合适的平衡点。此外，更高的价值，需要更多的内存存储位置，这会影响硬件的大小和成本。图三的B部分显示在线检测/识别系统电荷质量的流程。
如果Vbattery_pp和Ibattery_pp值不随M扰动周期超过阈值Th1和Th2，然后系统在稳态条件下考虑。另外，控制器需要等待一段时间，因为Y扰动周期在启动另一个循环系统的稳态检测/识别电荷质量。此操作将持续到该系统处于稳态条件下。该在线检测峰谷的电池电压值和电流值在连续扰动周期的算法流程为如图4所示，这是在这一节中详细讨论后。
图3 第一部分结构框图
图3 第二部分结构框图
在本文中，提出的在线阻抗测量算法是通过使用一个数字控制器来实现。Th1和Th2是为了量化误差q。是由于模数转换器（ADC）所用的电池电压和电池电流采样所造成的。ADC的量化误差q不同于连续的模拟信号和阶梯状的数字信号，它的大小一般是-0.5times;LSB到 0.5times;LSB（LSB代表最小小数位的值），由下
-0.5times;LSBle;qle; 0.5times;LSB (8)
LSB的值等于ADC的分辨率，即，Vrange / ，其中Vrange是ADC的满量程电压范围，和N的ADC的比特数（数字或字的比特数）。因此，最大的量化误差最大的电池电压/电流采样可以表示为
qmax= (9)
由于峰峰值Vbattery_pp（或Ibattery_pp）是最大值和最小值的差，在最糟糕的情况下，计算Vbattery或者Ibattery的最大误差是9式所示的两倍，最大误差如下
Qpp_max= (10)
基于上式，则TH1，TH2可以确定，分别为
TH1= (11)
TH2= (12)
这里的Vrange1用来采样电池电压ADC满量程，N1是对ADC进行电池电压的比特数，Vrange2是ADC，用于采样电池电流满量程电流范围，和N2的ADC用于测量电池电流的比特数。Th1（对于Vbatte
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