CN113740751A - 电池内阻检测装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池内阻检测装置与方法，适用于电力变换装置，电池内阻检测装置包含：数据获取模块用于获取电池电压和电池电流以得到直流电压和交流电压以及直流电流和交流电流；第一计算模块用于接收数据获取模块在任一时间点所获得的交流电流和交流电压，以输出第一内阻值和电池电容；第二计算模块用于接收数据获取模块在多个时间点所获得得多个直流电流和多个直流电压，以及电池电容，以输出第二内阻值；选择模块接收第一内阻值和第二内阻值，并选择其中一者作为电池内阻值输出。本发明通过直流法和交流法的结合运用，提高电池内阻的检测精确度。

Description

电池内阻检测装置与方法
技术领域
本文涉及一种检测装置与方法，特别涉及一种电池内阻检测装置与方法。
背景技术
现今，蓄电池被广泛地应用于各种电子装置上，如果电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以需对蓄电池的运行参数进行全面的在线监测。其中，蓄电池的内阻为衡量蓄电池性能的一个重要技术指标。电池内阻增大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短，对电池性能、寿命等造成严重影响。
由此可知，电池的内阻过大会导致电池的损坏，需要监测电池内阻，预测内阻变化趋势。现有技术利用直流法或交流法来检测电池内阻。然而直流法与交流法均有其适用条件，若在非适用条件下进行检测，所测得的电池内阻并不准确。此外，直流法在利用电池电流进行电池内阻检测的过程中，电池的开路电压会产生变化，进而影响直流法的检测精准度。
因此，目前迫切需要一种可改善上述已知技术的电池内阻检测装置与方法。
发明内容
为提高电池内阻检测精度，本发明提供一种电池内阻检测装置与方法。
根据本发明的第一方面，提供一种电池内阻检测装置，适用于电力变换装置，电力变换装置包含电池和耦接至电池的电力变换器。其中，电池内阻检测装置包含数据获取模块、第一计算模块、第二计算模块和选择模块。数据获取模块用于获取电池电压和电池电流，以得到所述电池电压中的直流电压和交流电压，以及所述电池电流中的直流电流和交流电流。第一计算模块用于接收所述数据获取模块在任一时间点所获得的所述交流电流和所述交流电压，以输出第一内阻值和电池电容。第二计算模块用于接收所述采样模块在多个时间点所获得的多个所述直流电流和多个所述直流电压以及所述电池电容，以输出第二内阻值。选择模块用于接收第一内阻值和第二内阻值并选择第一内阻值和第二内阻值中的一者作为电池内阻值。
在一些实施例中，电池内阻检测装置还包含保护模块，用于接收电池内阻值，当电池内阻值大于参考电阻值时，保护模块输出开关信号至电力变换器。
在一些实施例中，保护模块还包含：调整器用于根据电池内阻值调整电池电流参考值；电流控制器用于根据调整后的电池电流参考值调节电池电流，以获得控制信号；调变器用于根据控制信号获得所述开关信号。
在一些实施例中，当直流电流小于电流阈值时，选择模块选择第一内阻值作为电池内阻值；当所述直流电流大于电流阈值时，选择模块选择第二内阻值作为电池内阻值。
在一些实施例中，第一计算模块根据交流电流和交流电压计算峰值电压、峰值电流和相位差，并根据峰值电压、峰值电流和相位差获得第一内阻值和电池电容。
在一些实施例中，第二计算模块根据电池电容和多个直流电流计算一时间段内所述电池的开路电压的变化量，并根据多个直流电压、开路电压的变化量和多个直流电流获得第二内阻值。
在一些实施例中，数据获取模块包含：第一滤波器，接收电池电流，并经由滤波输出交流电流；第二滤波器，接收电池电流，并经由滤波输出直流电流；第三滤波器，接收电池电压，并经由滤波输出交流电压；以及第四滤波器，接收电池电压，并经由滤波输出直流电压。
在一些实施例中，第一滤波器和第三滤波器为带通滤波器，第二滤波器和第四滤波器为低通滤波器。
根据本发明的第二方面，提供一种电池内阻检测方法，包含下列步骤：(a)获取电池电压和电池电流，以获得电池电压中的直流电压和交流电压以及电池电流中的直流电流和交流电流；(b)根据在任一时间点所获取的交流电流和交流电压，并经由计算得出第一内阻值和电池等效电容；(c)根据在多个时间点所获取的多个直流电流和多个直流电压以及电池等效电容，并经由计算得出第二内阻值；以及(d)从第一内阻值和第二内阻值中选择一者作为电池内阻值。
在一些实施例中，所述方法还包含：(e)当电池内阻值大于参考电阻值时，输出开关信号至电力变换器，以调整电池电流。
在一些实施例中，在步骤(e)中，根据电池内阻值调整电池电流参考值；根据调整后的电池电流参考值调节电池电流，以获得控制信号；根据控制信号获得开关信号。
在一些实施例中，步骤(d)包含：当直流电流小于电流阈值时，选择第一内阻值作为电池内阻值；当直流电流大于电流阈值时，选择第二内阻值作为电池内阻值。
在一些实施例中，步骤(b)包含：根据交流电流和交流电压计算峰值电压、峰值电流和相位差，并根据峰值电压、峰值电流和相位差获得第一内阻值和电池电容。
在一些实施例中，步骤(c)包含：根据电池电容计算一时间段内所述电池的开路电压变化量，并根据直流电压、开路电压变化量和直流电流计算所述第二内阻值。
本发明的电池内阻检测装置与方法，基于交流法的结果对直流法进行校正，并且根据实际需求选择直流法或交流法的检测结果作为电池内阻，以提高电池内阻的检测精确度。在电池内阻过大时，通过调整电池电流来减小电池内阻，以此延长电池使用寿命，例如输入与电池电流方向相反的电流来减小电池内阻，以此延长电池使用寿命。
附图说明
图1为本文较佳实施例的电池内阻检测装置的电路结构示意图。
图2为本文另一较佳实施例的电池内阻检测装置的电路结构示意图。
图3为本文较佳实施例的电池内阻检测方法的流程图。
其中，附图标记：
1：电池内阻检测装置
2：电力变换装置
21：电池
22：电力变换器
3：电网
4：数据获取模块
5：第一计算模块
51：相位检测器
52：峰值计算器
53：电容计算器
54：第一电阻计算器
6：第二计算模块
61：电压校正器
62：第二电阻计算器
7：选择模块
8：保护模块
81：调整器
82：电流控制器
83：调变器
S1、S2、S3、S4、S5：步骤
具体实施方式
体现本文特征与优点的一些典型实施例将在下文中详细叙述。应理解的是，本文能够在不同的方面具有各种的变化，其均不脱离本文的保护范围，且其中的说明和图示在本质上用于说明，而并不应理解为对本文的限制。
图1为本文较佳实施例的电池内阻检测装置的电路示意图。如图1所示，电力变换装置2包含电池21和电力变换器22，其中，电力变换器22为DC/AC转换器。电池21耦接至DC/AC转换器的直流侧，DC/AC转换器的交流侧耦接至电网3。电池内阻检测装置1耦接至电池21，电池内阻检测装置1包含数据获取模块4、第一计算模块5、第二计算模块6和选择模块7。数据获取模块4获取电池21的电池电压以及电池电流，并获取电池电压中的直流电压和交流电压以及电池电流中的直流电流和交流电流。
在一些实施例中，可以通过以下方法获得电池电压中的交流电压和电池电流中的交流电流。通过DC/AC转换器向电力变换装置2中输入负序分量，则DC/AC转换器的直流侧将产生二倍频的直流侧电流，二倍频的直流侧电流产生二倍频的直流侧电压波动量。其中，直流侧电流即为电池电流，直流侧电压即为电池电压。通过滤波器提取电池电压和电池电流中的二倍频波动量。但本发明不以此为限，例如通过DC/AC转换器向电力变换装置中输入其它频次的分量(例如三倍频等)，只要能引起直流侧电压电流的波动且该波动量能被检测出来即可。当然，本发明中的电池也可耦接至DC/DC转换器，或电力变换器22耦接至负载。
第一计算模块5用于接收采集模块4在任一时间点所获取的交流电流及交流电压，并且经由计算输出第一内阻值(R1)和电池电容(Cbat)。需要说明的是，电池电容(Cbat)实质为电池等效电容。第二计算模块6接收采集模块4在多个时间点所获取的多个直流电流(Idc1、Idc2…)和多个直流电压(Udc1、Udc2…)、以及第一计算模块5所输出的电池电容(Cbat)，并且经由计算输出第二内阻值(R2)。
其中，第一计算模块5基于交流法对电池内阻进行检测，第二计算模块6基于直流法对电池内阻进行检测。电池电压(Udc)由两部分组成，即开路电压(U0)和极化电压(ΔU)，如公式(1)所示。
Udc＝U0+ΔU (1)
其中，极化电压(ΔU)为电池内阻值(R)与充放电电流(Idc)作用所产生的电压压降。如公式(2)所示。
ΔU＝R*Idc (2)
因此由公式(1)和公式(2)可推得公式(3)
Udc＝U0+ΔU＝U0+R*Idc (3)
在已知的直流法中，在不同时间点获得直流电流(Idc1、Idc2)和电池电压(Udc1、Udc2)，而短时间内的直流电流(Idc1、Idc2)的改变并不会造成电池21容量发生变化，因此电池21的荷电状态(State of Charge,SOC)维持不变，开路电压(U0)也维持不变，将不同时间点的直流电流(Idc1、Idc2)和电池电压(Udc1、Udc2)代入公式(3)中，从而推得公式(4)。并再由公式(4)推得公式(5)。在公式(5)中，通过两组直流电流(Idc1、Idc2)和电池电压(Udc1、Udc2)计算出电池内阻值(R)。
Udc1＝U0+R*Idc1
Udc2＝U0+R*Idc2 (4)
Figure BDA0002510501880000051
然而上述已知的直流法需要较大的直流电流(Idc1、Idc2)才可提高电池内阻值(R)的检测精准度。此外，电池电流中具有高频纹波，因此需要额外通过滤波器对电池电流进行低通滤波才可得到直流电流(Idc1、Idc2)，而滤波造成的时间延迟会造成开路电压(U0)产生变化而非固定值，进而影响电池内阻值(R)的检测精准度。由此可知，已知的直流法借助公式(1)至公式(5)所检测出的电池内阻值(R)并不准确。在本实施例中，当电池电流较小时采用交流法检测电池内阻，当电池电流较大时采用直流法检测电池内阻，并利用所获的电池电容(Cbat)来校正直流法中电池21的开路电压的偏移，进而增加利用直流法检测电池内阻的精准度。
选择模块7用于接收第一计算模块5输出的第一内阻值(R1)和第二计算模块6输出的第二内阻值(R2)，并选择其中一者作为电池内阻值。
由于交流法和直流法的电池内阻检测精确度和适用条件有所不同，故使用者可适时调整选择模块的判断根据，以根据实际情况选择较为精确的电池内阻值，从而提升所获得的电池内阻值的准确度。举例而言，在一些实施例中，在直流电流小于电流阈值时，选择模块7选择交流法所计算出的第一内阻值(R1)作为电池内阻值，而在直流电流大于电流阈值时，选择模块7选择直流法所计算出的第二内阻值(R2)作为电池内阻值。通过直流法和交流法的结合运用，使电池内阻检测精确度提高。
在另一些实施例中，在电池电流小于电流阈值时，选择模块7选择交流法所计算出的第一内阻值(R1)作为电池内阻值，而在电池电流大于电流阈值时，选择模块7选择直流法所计算出的第二内阻值(R2)作为电池内阻值。
请参照图2，图2为本文另一较佳实施例的电池内阻检测装置的电路结构示意图。在一些实施例中，电池内阻检测装置1还包含保护模块8，用于接收选择模块7所输出的电池内阻值。其中，在电池内阻值过大(例如电池内阻值大于参考电阻值)时，保护模块8输出开关信号至电力变换器22，电力变换器22根据开关信号调整电池21的电池电流。通过调整电池电流来减小电池内阻，从而延长电池使用寿命。在一些实施例中，减小电池内阻的方式不限于上述调整电池电流的方式，电力变换器22也可通过输入与电池电流相反方向的电流来减小电池内阻，从而延长电池使用寿命。
在一些实施例中，第一计算模块5包含相位检测器51和峰值计算器52。通过电力变换器22向电力变换装置2中输入负序分量，电力变换器22的直流侧将产生二倍频的直流侧电流，二倍频的直流侧电流产生二倍频的直流侧电压波动量。其中，直流侧电流即为电池电流，直流侧电压即为电池电压。采集模块4包含二阶带通滤波器，通过二阶带通滤波器提取电池电压中的二倍频波动量作为交流电压；通过二阶带通滤波器提取电池电流中的二倍频波动量作为交流电流。相位检测器51接收采集模块4所获取的交流电流和交流电压并经过计算获取交流电流和交流电压间的相位差(θ)。峰值计算器52接收采集模块4所获取的交流电流和交流电压并经过计算获取峰值电流(Irms)和峰值电压(Vrms)。第一计算模块5还包含第一电阻计算器54和电容计算器53，第一电阻计算器54和电容计算器53根据相位差(θ)、峰值电流(Irms)和峰值电压(Vrms)分别计算出第一内阻值(R1)和电池电容(Cbat)，如公式(6)和公式(7)所示。
Figure BDA0002510501880000071
Figure BDA0002510501880000072
在一些实施例中，第二计算模块6包含电压校正器61和第二电阻计算器62。其中，电池21可以视为是电容值很大的电容，因此电池21在充电过程中的电压变化可以根据电容特性计算。电压校正器61接收数据获取模块4所获取的直流电流(Idc)和第一计算模块5所输出的电池电容(Cbat)，并经由计算输出一段时间内电池21的开路电压的变化量(U02-U01)，如公式(8)所示。
Figure BDA0002510501880000073
其中，U01为时刻t1时的开路电压，U02为时刻t2时的开路电压。
第二电阻计算器62接收数据获取模块4所获取的直流电压(Udc1、Udc2)、直流电流(Idc1、Idc2)以及电压校正器61所输出的电池21的开路电压变化量(U02-U01)，并经由计算输出第二内阻值(R2)，如公式(9)、(10)所示，公式(9)为直流电压(Udc1、Udc2)、直流电流(Idc1、Idc2)和开路电压(U02、U01)之间的关系，通过公式(9)可以推得公式(10)，并经由公式(10)计算出第二内阻值(R2)。
Udc1＝U01+R2*Idc1
Udc2＝U02+R2*Idc2 (9)
Figure BDA0002510501880000081
第二计算模块6利用第一计算模块5所输出的电池电容(Cbat)来校正对应时间段内电池21的开路电压的偏移，从而增加直流法电池内阻的检测精准度。
在一些实施例中，保护模块8包含调整器81、电流控制器82和调变器83。调整器81用于接收电池内阻值，并根据电池内阻值调整电池电流参考值。具体地，当电池内阻值大于保护阈值，根据实际内阻值与保护阈值的距离产生修正电流，并将修正电流与当前电池电流的参考值进行叠加，得到调整后的电池电流参考值。电流控制器82用于根据调整后的电池电流参考值，调节实际的电池电流。具体地，根据调整后的电池电流参考值和实际的电池电流得到误差信号，对误差信号进行闭环控制得到控制信号。。调变器83用于接收控制信号并输出开关信号。例如，调变器83对控制信号进行调制得到开关信号，控制电力变换器的开关运作。其中，调变器83可为例如但不限于脉波宽度调制(Pulse-Width Modulation)。
在一些实施例中，数据获取模块4包含第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器。第一滤波器接收电池电流，并经由滤波输出交流电流。第二滤波器接收电池电流，并经由滤波输出直流电流。第三滤波器接收电池电压，并经由滤波输出交流电压。第四滤波器接收电池电压，并经由滤波输出直流电压。其中，第一滤波器和第三滤波器可为例如但不限于带通滤波器或二阶带通滤波器，第二滤波器和第四滤波器可为例如但不限于低通滤波器。
图3为本文较佳实施例的内阻检测方法的流程图。如图3图所示，本文较佳实施例的电池内阻检测方法包括步骤如下：
步骤S1，接收电池电压和电池电流，并获取电池电压中的直流电压和交流电压以及电池电流中的直流电流和交流电流；
步骤S2，根据在任一时间点所获取的交流电流和交流电压，获得第一内阻值和电池电容；
步骤S3，根据在多个时间点所获取的多个直流电流和多个直流电压以及电池电容，获得第二内阻值；
步骤S4，从第一内阻值和第二内阻值中选择一者作为电池内阻值。
在一些实施例中，在步骤S4中，当电池电流小于电流阈值时，选择第一内阻值作为电池内阻值，而在电池电流大于电流阈值时，选择第二内阻值作为电池内阻值，通过直流法和交流法的结合运用，使电池内阻检测精确度提高。
在一些实施例中，电池内阻检测方法还包含步骤S5。在步骤S5中，当电池内阻值大于参考电阻值时，根据所述电池内阻值调整电池电流参考值；获取调整后的电池电流参考值与电池电流的误差信号，对误差信号进行控制以获得控制信号；根据控制信号获得所述开关信号。具体地，当电池内阻值大于保护阈值，根据实际内阻值与保护阈值的距离产生修正电流，并将修正电流与当前电池电流的参考值进行叠加，得到调整后的电池电流参考值即调整后的充放电电流的参考值；根据调整后的电池电流参考值，调节实际的电池电流即实际的充放电电流。根据调整后的电池电流参考值和实际的电池电流得到误差信号，对误差信号进行闭环控制得到控制信号；对控制信号进行调制得到开关信号；将开关信号输入至电力变换器22，控制电力变换器中的开关运作，调节电池电流跟随调整后的参考值。
在一些实施例中，于步骤S2中，根据交流电流和交流电压计算得出峰值电压、峰值电流和相位差，并根据峰值电压、峰值电流和相位差经由计算得出第一内阻值和电池电容(如公式(6)、(7)所示)。
在一些实施例中，于步骤S3中，根据电池电容和直流电流计算t1至t2时间段内电池21的开路电压变化量，并根据直流电压、开路电压变化量和直流电流计算得出第二内阻值。其中直流电压对应为t1和t2时刻的直流电压；直流电流对应为t1和t2时刻的直流电流(如公式(8)、(9)、(10)所示)。
在一些实施例中，步骤S1中对电池电流进行滤波以得到交流电流和直流电流，对电池电压进行滤波以得到交流电压和直流电压。例如，分别对电池电流和电池电压进行低通滤波得到直流电流和直流电压；分别对电池电流和电池电压进行带通滤波得到交流电流和交流电压。
综上所述，本文提供一种电池内阻检测装置与方法，其基于交流法的结果对直流法进行校正，并且根据实际需求选择由直流法或交流法分别检测出的电池内阻值，使电池内阻检测精确度提高。若检测出的电池内阻值过大时，通过调整电池电流或输入与电池电流反向的电流来减小电池内阻，从而延长电池使用寿命。
应注意，上文的描述仅是为说明本文而提出的较佳实施例，本文不限于上述实施例，本文的保护范围由随附权利要求书确定。且熟悉本领域的技术人员可对本文的实施例进行进一步的修改，然而这些修改均落入随附权利要求书的保护范围。

Claims (14)

1.一种电池内阻检测装置，适用于电力变换装置，所述电力变换装置包含电池和耦接于所述电池的电力变换器，其特征在于，所述电池内阻检测装置包含：
数据获取模块，用于获取电池电压和电池电流，以得到所述电池电压中的直流电压和交流电压，以及所述电池电流中的直流电流和交流电流；
第一计算模块，用于接收所述数据获取模块在任一时间点所获得的所述交流电流和所述交流电压，以输出第一内阻值和电池电容；
第二计算模块，用于接收所述采样模块在多个时间点所获得的多个所述直流电流和多个所述直流电压以及所述电池电容，以输出第二内阻值；以及
选择模块，用于接收所述第一内阻值和所述第二内阻值，并选择所述第一内阻值和所述第二内阻值中的一者作为电池内阻值。
2.如权利要求第1所述的电池内阻检测装置，其特征在于，所述电池内阻检测装置还包含保护模块，用于接收所述电池内阻值，当所述电池内阻值大于参考电阻值时，所述保护模块输出开关信号至所述电力变换器。
3.如权利要求2所述的电池内阻检测装置，其特征在于，所述保护模块还包含：
调整器，用于根据所述电池内阻值调整电池电流参考值；
电流控制器，用于根据调整后的所述电池电流参考值调节所述电池电流，以获得控制信号；
调变器，用于根据所述控制信号获得所述开关信号。
4.如权利要求1所述的电池内阻检测装置，其特征在于，当所述直流电流小于电流阈值时，所述选择模块选择所述第一内阻值作为所述电池内阻值；当所述直流电流大于所述电流阈值时，所述选择模块选择所述第二内阻值作为所述电池内阻值。
5.如权利要求1所述的电池内阻检测装置，其特征在于，所述第一计算模块根据所述交流电流和所述交流电压计算峰值电压、峰值电流和相位差，并根据所述峰值电压、所述峰值电流和所述相位差获得所述第一内阻值和所述电池电容。
6.如权利要求1所述的电池内阻检测装置，其特征在于，所述第二计算模块根据所述电池电容和所述多个直流电流计算一时间段内所述电池的开路电压的变化量，并根据所述多个直流电压、所述开路电压的变化量和所述多个直流电流获得所述第二内阻值。
7.如权利要求1所述的电池内阻检测装置，其特征在于，所述数据获取模块包含：
第一滤波器，接收所述电池电流，并经由滤波输出所述交流电流；
第二滤波器，接收所述电池电流，并经由滤波输出所述直流电流；
第三滤波器，接收所述电池电压，并经由滤波输出所述交流电压；以及
第四滤波器，接收所述电池电压，并经由滤波输出所述直流电压。
8.如权利要求7所述的电池内阻检测装置，其特征在于，所述第一滤波器和所述第三滤波器为带通滤波器，所述第二滤波器和所述第四滤波器为低通滤波器。
9.一种电池内阻检测方法，适用于电力变换装置，所述电力变换装置包含电池和耦接于所述电池的电力变换器，其特征在于，所述方法包含：
(a)获取电池电压和电池电流，以获得所述电池电压中的直流电压和交流电压，以及所述电池电流中的直流电流和交流电流；
(b)根据在任一时间点所获取的所述交流电流和所述交流电压，获得第一内阻值和电池电容；
(c)根据在多个时间点所获取的多个所述直流电流和多个所述直流电压以及所述电池电容，获得第二内阻值；以及
(d)从所述第一内阻值和所述第二内阻值中选择一者作为电池内阻值。
10.如权利要求9所述的电池内阻检测方法，其特征在于，所述方法还包含：
(e)当所述电池内阻值大于参考电阻值时，输出开关信号至所述电力变换器，以调整所述电池电流。
11.如权利要求10所述的电池内阻检测方法，其特征在于，在所述步骤(e)中，根据所述电池内阻值调整电池电流参考值；根据调整后的所述电池电流参考值调节所述电池电流，以获得控制信号；根据所述控制信号获得所述开关信号。
12.如权利要求9所述的电池内阻检测方法，其特征在于，所述步骤(d)包含：当所述直流电流小于电流阈值时，选择所述第一内阻值作为所述电池内阻值；当所述直流电流大于所述电流阈值时，选择所述第二内阻值作为所述电池内阻值。
13.如权利要求9所述的电池内阻检测方法，其特征在于，所述步骤(b)包含：
根据所述交流电流和所述交流电压计算峰值电压、峰值电流和相位差，并根据所述峰值电压、所述峰值电流和所述相位差获得所述第一内阻值和所述电池电容。
14.如权利要求9所述的电池内阻检测方法，其特征在于，所述步骤(c)包含：
根据所述电池电容计算一时间段内所述电池的开路电压变化量，并根据所述直流电压、所述开路电压变化量和所述直流电流计算所述第二内阻值。
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