一种非侵入式锂电池电池包整体动态阻抗在线测量装置

本发明涉及动力电池与储能电池阻抗测量，尤其涉及一种非侵入式锂电池电池包整体动态阻抗在线测量装置。

背景技术：

1、锂离子电池被广泛应用于动力电池系统和电化学储能系统。电池包在长期充放电和复杂环境条件下运行时，会出现活性材料衰减、界面膜增厚、极化加剧以及连接件接触电阻增大等变化，上述变化会引起电池包阻抗幅值和阻抗相位的改变，因此阻抗参数可作为评价电池包状态的重要依据。

2、电化学阻抗测量通常向待测电池施加小幅交流激励电流，同时检测电池两端产生的交流响应电压，并根据同一频率下电压信号和电流信号的幅值关系及相位关系获得复阻抗。电池包整体阻抗除包含电芯和模组的电化学阻抗外，还包含模组连接片、母排、熔断器、高压连接器和总端子等部件的阻抗贡献，仅测量单体电芯或局部模组难以完整反映电池包级电气连接状态。

3、现有电池阻抗测量装置在用于在役电池包时，通常需要断开原系统、打开电池包或在内部主回路串入取样元件，安装操作较为复杂。电池包在线运行时，端电压中还叠加有较大的直流工作电压、微小交流响应电压以及功率变换设备引入的纹波，主回路中同时存在充放电工作电流、负载波动电流和交流激励电流，因而目标频率响应信号容易受到非目标频率分量和外部支路电流的影响。

4、阻抗相位测量还会受到电压信号链和电流信号链频率响应差异的影响。两条信号链中的放大器、滤波器、匹配网络和布线结构可能产生不同的附加群延迟和附加相移，相关差异会叠加至阻抗相位计算结果。因此，需要在不改变电池包内部连接关系的条件下，对整包端口施加交流激励并同步获取响应信号，同时兼顾信号链频率响应匹配、抗干扰、高压隔离以及外部支路影响处理。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种非侵入式锂电池电池包整体动态阻抗在线测量装置，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种非侵入式锂电池电池包整体动态阻抗在线测量装置，包括交流激励源、阻抗检测装置、四线式连接组件和通信模块； 所述四线式连接组件包括两根激励电流注入线和两根响应电压采集线，两根激励电流注入线分别连接至待测锂离子电池包的总正端和总负端，两根响应电压采集线分别连接至待测锂离子电池包的总正端和总负端； 所述交流激励源用于经两根激励电流注入线向待测锂离子电池包注入交流激励电流，并通过激励电流检测电路输出表征实际注入电流的电流检测信号；

4、所述阻抗检测装置包括电压信号链、电流信号链、抗干扰滤波模块、高压隔离模块、同步采样模块和阻抗计算模块，电压信号链用于将经两根响应电压采集线获得的交流响应电压信号处理为电压采样信号，电流信号链用于将电流检测信号经由独立的高速信号通道处理为电流采样信号；

5、所述高压隔离模块设置于模拟采集侧与数字控制及通信侧之间；

6、所述电压信号链和电流信号链在完成各自的前端保护、分压、隔离或量程适配后，中后段在目标测量频带内采用对称调理电路结构以使其具有相匹配的频率响应特性，使两条信号链中后段产生的附加群延迟和附加相移保持一致或处于预设匹配范围内；

7、结合事先获取的前端相移校准参数，消除整条信号链的综合相移偏差；

8、所述同步采样模块用于同步采集电压采样信号和电流采样信号，阻抗计算模块用于提取目标交流激励频率对应的电压分量和电流分量，并计算待测锂离子电池包的整体阻抗参数；

9、所述通信模块用于接收测量参数，并传输设备状态和整体阻抗参数。

10、进一步的，所述交流激励源包括高压动态跟随电路、双向功率变换电路、输出滤波电路、电流闭环控制电路、激励电流检测电路和保护电路；

11、所述高压动态跟随电路用于跟踪待测锂离子电池包的直流端电压，双向功率变换电路用于在所述直流端电压上叠加正半周期和负半周期相互对称的交流激励电流，电流闭环控制电路用于根据电流检测信号调节双向功率变换电路的输出；

12、所述交流激励电流满足电荷平衡条件，在一个或多个完整激励周期内，正半周期对应的充电量与负半周期对应的放电量之差的绝对值小于预设阈值。

13、进一步的，连接至待测锂离子电池包总正端的激励电流注入线和响应电压采集线连接至同一总正端电气连接点，连接至待测锂离子电池包总负端的激励电流注入线和响应电压采集线连接至同一总负端电气连接点；

14、所述响应电压采集线接入高输入阻抗电压检测通道，激励电流检测电路设置于交流激励源的输出回路中，激励电流检测电路输出的电流检测信号通过独立模拟/数字专用信号通道传输至电流信号链，而不通过通信总线报文传输。

15、进一步的，所述电压信号链包括依次连接的输入保护网络、高阻抗分压及耦合网络、第一差分缓冲放大电路、第一精密匹配电阻网络、第一缓冲滤波电路和第一输出驱动电路；

16、所述交流响应电压信号依次经输入保护、分压耦合、差分缓冲、差分转单端、滤波和输出驱动处理后形成电压采样信号。

17、进一步的，所述电流信号链包括依次连接的隔离接口与输入保护网络、第二差分缓冲放大电路、第二精密匹配电阻网络、第二缓冲滤波电路和第二输出驱动电路；

18、所述电流检测信号依次经隔离保护、差分缓冲、差分转单端、滤波和输出驱动处理后形成电流采样信号。

19、进一步的，所述电压信号链和电流信号链在完成各自的前端保护、分压、隔离或量程适配后，中后段采用相对应的差分缓冲放大电路、精密匹配电阻网络、滤波网络和输出驱动电路，并采用相匹配的元器件参数和印制电路板布线结构，以减小两条信号链的频率响应差异。

20、进一步的，所述抗干扰滤波模块包括设置于电压信号链和电流信号链中的模拟滤波电路、数字滤波电路或二者的组合；

21、所述高压隔离模块设置于高压模拟采集侧与低压数字控制及通信侧之间；

22、所述同步采样模块包括多通道同步采样模数转换器，或者包括由同一采样时钟和同一触发信号控制的多个模数转换器；

23、所述阻抗计算模块采用同步检波、数字锁相、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换或最小二乘正弦拟合中的一种或多种提取目标交流激励频率对应的电压幅值、电流幅值、电压相位和电流相位，并按照、、和计算整体阻抗幅值、阻抗角、电阻分量和电抗分量。

24、进一步的，还包括用于检测与待测锂离子电池包连接的外部功率设备支路电流的外部支路电流检测单元；

25、所述外部支路电流检测单元用于输出外部支路电流检测信号，所述同步采样模块用于将外部支路电流检测信号与电压采样信号和电流采样信号同步采样；

26、所述阻抗计算模块在外部功率设备支路于目标交流激励频率下的电流复数分量的幅值与交流激励源的实际注入电流复数分量的幅值之比达到或超过预设阈值时，根据统一电流参考方向对二者进行复数矢量运算，确定实际流经待测锂离子电池包的交流电流复数分量，并根据交流响应电压复数分量与所述交流电流复数分量计算整体阻抗参数；

27、当所述幅值之比低于预设阈值时，忽略外部支路分流影响，直接根据实际注入电流复数分量与交流响应电压复数分量计算整体阻抗参数；

28、所述预设阈值根据整体阻抗参数的允许相对测量误差确定。

29、一种非侵入式锂离子电池包整体阻抗在线测量方法，使用上述的非侵入式锂电池电池包整体动态阻抗在线测量装置，包括如下步骤：

30、s1、将两根激励电流注入线和两根响应电压采集线分别连接至待测锂离子电池包的总正端和总负端，在安装过程中不打开待测锂离子电池包壳体、不改变内部连接关系且不在内部主回路串入取样电阻；

31、s2、根据测量参数向待测锂离子电池包注入交流激励电流，并通过独立信号通道获取表征实际注入电流的电流检测信号；

32、s3、采集待测锂离子电池包总端的交流响应电压信号，分别对交流响应电压信号和电流检测信号进行信号调理、抗干扰处理及同步采样；当待测锂离子电池包与外部功率设备保持连接时，采集外部支路电流检测信号，并与交流响应电压信号和电流检测信号同步采样；

33、s4、对电压信号链和电流信号链的中后段进行频率响应匹配，使二者在目标测量频带内具有相匹配的频率响应特性，并结合前端电路相移校准参数，消除双信号链的综合附加相移差对阻抗计算的影响；

34、s5、提取目标交流激励频率对应的电压复数分量和电流复数分量；当待测锂离子电池包与外部功率设备保持连接，且外部功率设备支路的目标频率电流复数分量的幅值与实际注入电流复数分量的幅值之比达到或超过预设阈值时，根据统一电流参考方向对二者进行复数矢量运算，确定实际流经待测锂离子电池包的交流电流复数分量；当低于所述预设阈值时，直接将实际注入电流复数分量作为实际流经待测锂离子电池包的交流电流复数分量；所述预设阈值根据整体阻抗参数的允许相对测量误差确定；

35、s6、根据目标交流激励频率对应的交流响应电压复数分量和实际流经待测锂离子电池包的交流电流复数分量计算整体阻抗参数，并输出整体阻抗参数、对应测量频率及设备运行状态信息。

36、与现有的技术相比，本发明优点在于：

37、1：从电池包总正端和总负端注入交流激励并采集总端响应，测量范围覆盖响应电压采集点之间的电芯、连接片、母排、熔断器和高压连接器等串联部件，有利于反映电池包整体阻抗状态。

38、2：采用四线式连接，无需打开电池包壳体、改变内部连接关系或在内部主回路串联取样电阻，能够降低测量接入对原有电气连接状态的影响。

39、3：将实际激励电流检测信号经独立信号通道输入电流信号链，而不通过通信报文传输，并通过同步采样和目标频率分量提取降低通信延迟及非目标频率干扰对阻抗幅值和相位计算的影响。

40、4：使电压信号链和电流信号链的中后段具有相匹配的频率响应特性，并结合前端相移校准，能够减小两条信号链附加群延迟和附加相移之差对阻抗相位计算的影响。

41、5：在外部功率设备保持连接，且外部支路目标频率电流达到修正条件时，可通过复数矢量运算确定实际流经电池包的交流电流分量，低于修正条件时忽略其影响，降低外部支路分流对电池包整体阻抗测量结果的影响。