基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法、系统及应用

摘要

本发明公开了一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法、系统及应用，属于储能电池领域，考虑到基于驱动逆变器的储能电池的工作场景，根据目标频率值fi更新驱动逆变器的开关频率，然后实时采集储能电池所在支路上的电流信号和并联电容所在支路上的电流信号并进行傅里叶变换，得到两个电流信号在目标频率值fi下的电流分量后，基于并联分流的原理，计算得到目标频率值fi下的储能电池阻抗，计算简单，对储能电池是否处于离线状态未做限制，可以直接对较高频率下的储能电池阻抗进行快速准确地在线辨识；且本发明基于储能电池接驱动逆变器供电拓扑，几乎无需增加任何硬件，能够以较低的成本实时准确地辨识较高频率下电池阻抗。

说明书

技术领域

本发明属于储能电池领域，更具体地，涉及一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法、系统及应用。

背景技术

随着电动汽车工业的快速发展，电池被大规模用作储能电源，成为电动汽车动力系统的关键性设备之一。电池的高效、可靠、安全运行主要依赖于电池管理系统(BMS，Battery Management System)。其主要功能包括电池电压和电流监控、温度监控和估计、荷电状态(SOC)估计和平衡、健康状态(SOH)估计。电池阻抗作为一个重要的内部参数，可用来生成SOC和SOH的估计算法，同时也可用于估计电池的内部温度，对电池管理系统具有重要意义。

现阶段，电池阻抗主要采用离线测量方法，即需要将电池从其应用场景中分离并单独进行测量，无法在电池工作过程中测量其阻抗，从而不能实时为电池管理系统提供有效参考。并且，离线测量电池阻抗的方法需要额外的测量装置，增加了测量的成本和复杂程度。为了解决上述问题，有学者提出基于扰动的电池阻抗在线测量方法，该方法通常在DC-DC变换器的占空比或输出电压上添加一个小的扰动信号，分别测量相应的电池电压和电流的响应，并利用其计算电池阻抗。事实上，由于功率变换器系统的带宽限制，需要多个开关周期来实现扰动信号的波形形状，而在实际应用中，有必要使开关频率大于测量阻抗时的扰动频率或最高谐波频率的十倍。因此，该方法只适用于电池低频值(远低于功率变换器的开关频率值)的复阻抗测量，测试带宽受限，而且会影响系统的正常运行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法、系统及应用，用以解决现有技术无法以较低的测量成本实时准确地在线辨识较高频率下电池阻抗的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法，包括以下步骤：

S1、根据目标频率值f

S2、对储能电池所在支路上的电流信号和并联电容所在支路上的电流信号分别进行傅里叶变换，提取储能电池所在支路上的电流信号在目标频率值f

S3、基于并联分流原理，根据电流分量

进一步优选地，步骤S2还包括：分别提取并联电容所在支路上的电流信号在频率值f

比较并联电容所在支路上的电流信号在目标频率值f

进一步优选地，上述目标频率值f

进一步优选地，根据目标频率值f

进一步优选地，f

进一步优选地，步骤S1包括：根据目标频率值f

第二方面，本发明提供了一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识系统，包括电流信号采集模块、分量获取模块和储能电池阻抗计算模块；

电流信号采集模块用于根据目标频率值f

分量获取模块用于对储能电池所在支路上的电流信号和并联电容所在支路上的电流信号分别进行傅里叶变换，提取储能电池所在支路上的电流信号在目标频率值f

储能电池阻抗计算模块用于基于并联分流原理，根据电流分量

第三方面，本发明公开了一种基于驱动逆变器的储能电池的阻抗谱获取方法，包括：

在驱动逆变器正常工作的开关频率范围内，对驱动逆变器的开关频率进行扫频，得到开关频率集{f

进一步优选地，上述目标频率集为{2f

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、在本发明提供的一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法中，考虑到基于驱动逆变器的储能电池的工作场景，即储能电池与并联电容并联后与驱动逆变器连接，且在储能电池的工作过程中，驱动逆变器会在脉冲宽度调制(PWM)方式下给储能电池注入与开关频率相关的较高频率的电激励，故本发明可以根据目标频率值f

2、在本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法中，由于储能电池所在支路上的电流信号和并联电容所在支路上的电流信号在目标频率值f

3、本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法，根据目标频率值f

4、本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法，根据目标频率值f

5、本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法，使用场景广泛，凡是储能电池与电容并联后接逆变器的应用场景均可使用本发明所提供的辨识方法进行储能电池阻抗辨识，且不影响系统正常运行。

6、本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法，可以在储能电池正常运行的同时进行阻抗辨识，实时反映电池阻抗变化，从而可以为电池管理系统提供有效参考。

7、本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池的阻抗谱获取方法，可以直接对驱动逆变器的开关频率进行扫频，然后按照上述基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法，得到对应频率的电池阻抗，并绘制出储能电池的阻抗谱，对于电池管理系统具有重要意义。此时，辨识出的目标频率即为所取开关频率的两倍。

8、本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池的阻抗谱获取方法，在驱动逆变器正常工作的开关频率范围内，合理设置开关频率的扫频间隔，可以优化电池阻抗辨识时间，即在较短时间内得到储能电池在较高频率下的阻抗谱。

9、本发明所提供的基于驱动逆变器的储能电池的阻抗谱获取方法，可以同时得到电池阻抗的幅频响应特性和相频响应特性，即电池阻抗的Bode图，包含的较高频率下的电池阻抗信息丰富而全面。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法流程图；

图2为本发明实施例1所提供的储能电池应用场景示意图；

图3为本发明实施例1所提供的储能电池的结构示意图；

图4为本发明实施例1所提供的开关频率取为4kHz时对电容电流进行FFT分析所得的柱状图；

图5是本发明实施例3所提供的二阶电池模型结构示意图；

图6是本发明实施例3所提供的对61个开关频率进行扫频所得储能电池阻抗Bode图；

图7是本发明实施例3所提供的对61个开关频率进行扫频所得阻抗辨识误差棒状图；

图8是本发明实施例3所提供的对35个开关频率进行扫频所得储能电池阻抗Bode图；

图9是本发明实施例3所提供的对35个开关频率进行扫频所得阻抗辨识误差棒状图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1、

一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、根据目标频率值f

具体地，根据目标频率值f

需要说明的是，实验发现，两倍开关频率处的电容电流分量最大，即信号的品质最高(信噪比最高)，其本质就是将傅里叶变换后幅值最大的电流信号所对应的频率值作为目标频率；具体地，如图4所示为开关频率取为4kHz时对电容电流进行FFT分析所得柱状图，从图中可以很明显地看出8kHz所对应的电容电流分量幅值最大；故优选地，k取值为2。

进一步地，本实施例中，驱动逆变器包括单相逆变器或多相逆变器，其调制方式为脉冲宽度调制(PWM)；负载包括阻感负载或电机负载；储能电池直接与并联电容并联后再与驱动逆变器连接，驱动逆变器在PWM方式下给储能电池和并联电容注入与开关频率相关的较高频率的电激励，可以直接用于较高频率下储能电池阻抗的在线辨识。

S2、对储能电池所在支路上的电流信号和并联电容所在支路上的电流信号分别进行傅里叶变换，提取储能电池所在支路上的电流信号在目标频率值f

其中，电流分量

进一步地，在实际场景中可能出现如下情况，具体地，对储能电池所在支路上的电流信号和并联电容所在支路上的电流信号进行傅里叶变换分析后发现，上述电流信号在目标频率值f

S3、基于并联分流原理，根据电流分量

具体地，计算电流分量

实施例2、

一种基于驱动逆变器的储能电池阻抗辨识系统，包括电流信号采集模块、分量获取模块和储能电池阻抗计算模块；

电流信号采集模块用于根据目标频率值f

分量获取模块用于对储能电池所在支路上的电流信号和并联电容所在支路上的电流信号分别进行傅里叶变换，提取储能电池所在支路上的电流信号在目标频率值f

储能电池阻抗计算模块用于基于并联分流原理，根据电流分量

相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

实施例3、

一种基于驱动逆变器的储能电池的阻抗谱获取方法，包括：

在驱动逆变器正常工作的开关频率范围内，对驱动逆变器的开关频率进行扫频，得到开关频率集{f

具体地，在一种可选实施方式中，在驱动逆变器正常工作的开关频率范围内，对驱动逆变器的开关频率进行扫频，构成开关频率集{f

相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

需要说明的是，作为电池内部的一个重要参数，储能电池的阻抗谱可以反映储能电池的内部状态。电池的阻抗信息被用于开发BMS系统中最先进的SOC和SOH估计算法。此外，阻抗信息也被用来开发算法来估计电池内部温度。

具体地，本实施例中，进一步地，对图5所示的二阶电池模型进行阻抗辨识，考虑辨识过程中电池阻抗参数变化。当开关频率的扫频点设置为61个时，辨识历时41467s，所得的辨识结果如图6和图7所示；其中，如图6为对61个开关频率进行扫频所得储能电池阻抗Bode图，包括阻抗的幅值频率响应以及阻抗的相位频率响应；其中，曲线为实际的电池阻抗Bode图，星标为采用本发明所提供的辨识方法辨识出来的电池阻抗；图7为对61个开关频率进行扫频所得阻抗辨识误差棒状图，包括阻抗的幅值辨识误差棒状图以及阻抗的相位辨识误差棒状图。进一步地，当开关频率的扫频点设置为35个时，辨识历时6861s，辨识结果如图8和图9所示；其中，如图8为对35个开关频率进行扫频所得储能电池阻抗Bode图，图9为对35个开关频率进行扫频所得阻抗辨识误差棒状图。从图6-图9可以看出本发明所提出的阻抗辨识方法辨识的准确率较高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。