基于均衡电路的动力电池诊断装置及方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及一种基于均衡电路的动力电池诊断装置及方法。

背景技术

锂离子电池的能量密度与功率密度较高、寿命较长，在新能源车辆与储能方面的应用愈发广泛。电池安全问题也日益受到关注，电池的故障诊断成为电池管理系统所必需的功能，对电池实现有效诊断，可提升电池的使用安全、延长电池组使用寿命，同时避免电池的损坏。

采用电池电化学阻抗谱EIS(Electrochemicalimpedance spectroscopy)研究电池故障，可通过检测不同频率下的交流阻抗值分析不同阻抗成分，从电池电化学阻抗谱参数变化诊断出电池故障，故EIS在电池诊断中日益受到重视。

基于主动均衡的EIS检测装置，即在主动均衡电路中向均衡控制回路注入多频率周期性信号，由叠加电流激励电池；将电池电流、电压数据经FFT快速傅里叶变换处理后，获得各扰动频率下的复阻抗信息，进而得到扰动频率范围内的电化学阻抗谱。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，考虑现有技术还有进一步改进和提升的空间，本发明提出一种基于均衡电路的动力电池诊断装置及方法，基于主动均衡电路建立电池EIS检测装置，由电池EIS变化诊断电池故障。此方案可实现EIS检测功能与电池均衡功能的集成；并在电池管理系统中通过电池EIS的变化即时诊断电池故障，实现对电池的管理与监测。

该装置具有两种模式，均衡模式与诊断模式。该电池诊断方法包括：向均衡电路的参考电流中注入多频率周期性信号，由输出电流激励电池；采样获得电池电压、电流数据，由快速傅里叶变换处理得到电池的电化学阻抗谱；建立电池阻抗模型用于分析电化学阻抗谱变化；诊断时以相同检测条件获得电池的电化学阻抗谱，与历史信息对比得到欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值增量，设置增量阈值；当增量超过阈值时诊断为电池故障，并分析故障类型，如虚接、微短路，并辅助诊断老化、阻抗不一致性等。本方案诊断装置基于均衡电路，其设备集成在电池管理系统中，利用电化学阻抗谱信息在线诊断电池故障。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于均衡电路的动力电池诊断装置及终端设备，包括电池主动均衡电路、电池串组合、信号调理电路、PWM(Pulse Width Modulation)驱动电路、信息存储装置及组成电池管理系统必要的其他各类软硬件。

在工作时，向均衡电路的参考电流中注入多频率周期性信号，由输出电流激励电池；采样获得电池电压、电流数据，由快速傅里叶变换处理得到电池的电化学阻抗谱；建立电池阻抗模型用于分析电化学阻抗谱变化；诊断时以相同检测条件获得电池的电化学阻抗谱，与历史信息对比得到欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值增量，设置增量阈值；当增量超过阈值时诊断为电池故障，并分析故障类型。

电池诊断装置基于主动均衡电路，由主动均衡电路作为功率电路提供激励，其终端设备可集成在电池管理系统中，作为电池管理系统硬件和功能的组成部分。

诊断装置中的主动均衡电路为能量双向转移型均衡电路，如：Buck-Boost均衡电路、Cuk均衡电路等。该装置可诊断的电池数量由均衡电路中连接的电池数量决定，包含X个单体，其中X≥2；当均衡电路中的多个电池同时处于被激励的状态，则获得被激励电池的电压、电流数据即可检测EIS，故该诊断装置可同时诊断多个电池。

主动均衡器中能量转移的方向不同时，其两端连接的电池可能供电，也可能作为待测电池。处于主动均衡器输入端的放电电池作供电直流源，由均衡电路向处于负载端的待测电池提供激励电流，进而诊断负载端电池，且无需额外的电源。

诊断装置具有为两种运行模式，诊断模式与均衡模式。

诊断模式下，通过基于主动均衡的EIS检测装置，检测单体电池的阻抗谱信息，以EIS信息的变化诊断电池故障。

均衡模式下，诊断装置中的双向均衡电路进行电池SOC(State ofCharge)的均衡。通过SOC估计的相关方法获得单体电池的SOC信息，当均衡电路中一端所连电池的SOC高于另一端电池的SOC，将SOC差值作为均衡判据，当差值高于设定的阈值时开启均衡。SOC较高的一端作为输入端，SOC较低的一端作为负载端，通过均衡控制电路输出的PWM信号控制开关管通断，使输入端电池放电，均衡电流向处于输出端的电池进行充电；待SOC差值收敛至均衡阈值内时，结束电池间的SOC均衡。均衡电流的控制可采用模糊控制、PID控制、自适应控制等均衡相关的控制方法，由于本发明主要提供诊断方法，此处对相关均衡控制方法及均衡策略不再赘述。

在诊断装置中，主动均衡电路连接电池串；电池串的电压、电流信号端与信号调理电路连接；信号调理电路的输出端与电池管理系统采样模块的ADC引脚连接；数字控制器的PWM输出端连接至PWM驱动电路的输入端；PWM驱动电路的输出端连接主动均衡电路中每个开关管的栅极；信息存储装置连接电池管理系统的I/O端口。

信号调理电路对电池的电压、电流进行交直流信号分离，去除直流和高频噪声干扰的影响，并放大信号。

采集电池电压、电流信号的功能由电池管理系统中的采样模块实现，无需额外的硬件电路。考虑到采样精度和扰动信号的频率范围，电池管理系统采样模块宜选用采样频率较高的模拟前端芯片。

PWM驱动电路将数字控制器输出的PWM控制脉冲放大到足以驱动开关管，提供足够的驱动能力，并避免功率器件过压和过流。

数字控制器用于系统控制、信号处理、计算阻抗谱、故障诊断等，可采用电池管理系统中的数字控制器或微电脑。

信息存储装置用于存储每个电池初次及后续测量中获得的阻抗谱信息，为电池诊断提供历史信息作为依据，可采用磁盘存储器、CD-ROM、闪存存储器、光学存储器等各类可实施计算机程序的产品形式。

基于以上装置，本发明提供一种基于均衡电路的动力电池诊断方法，其特征在于：诊断装置对电池的故障诊断基于电池的EIS信息。通过电池EIS的关键特征得到欧姆电阻和电荷转移电阻的大小，在后续运行中以相同检测条件得到电池的EIS，对比历史信息获得欧姆电阻和电荷转移电阻的阻值增量，设置阻值增量阈值，对增量超过阈值的电池诊断为故障。

基于检测获得的EIS变化，对故障电池可能的故障类型作出判断具体包括：

欧姆电阻在EIS图像中表现为EIS的实轴左交点，其增大时EIS图像沿实轴向右偏移。在相同检测条件下，当欧姆电阻显著增大时，可能的故障有电极材料发生异常的物理化学改变、隔膜电阻异常增大以及零件接触电阻增大，如产生虚接；欧姆电阻减小量超出阈值时，可能的故障为电池微短路。

电荷转移电阻在EIS中表现为中频区半圆弧直径，当电荷转移电阻变大时，EIS图像半圆弧高度沿虚轴方向增高，半圆弧的直径增大。可能的故障有正极阻抗增大；电荷转移电阻减小量超出阈值时，考虑是电池内部出现微短路。其中故障状态对应的阻值增量阈值需由具体型号电池的测试及工程经验综合确定。

在电池的长期运行中，还可进一步通过阻值增量辅助诊断电池老化与电池间的阻抗不一致性。

电池老化使欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值显著增大。根据实验数据设置老化退役阈值，当阻值增量和循环次数均达到退役程度的电池，提供替换、维护的依据。

电池单体间阻抗的不一致性过大，会影响整个电池组的性能与寿命。通过本发明在相同检测条件下检测电池组内各单体的欧姆电阻、电荷转移电阻，设置不一致性阈值诊断电池组内单体阻抗的不一致性，对于不一致性超出阈值的单体，提供替换、维护的依据。

据此，该方法包括以下步骤：

步骤S1，采用基于主动均衡的电池EIS检测装置，待电流达到稳态后，向电流控制回路的电流参考值中注入多频率周期性信号，由此叠加电流对负载端的待测电池进行激励；

步骤S2，注入扰动信号后，电池管理系统的采样模块以频率f

步骤S3，建立电池阻抗等效模型，用以分析阻抗谱变化与阻抗模型参数变化的对应关系，以便进一步根据阻抗谱诊断电池故障；

步骤S4，在给定的温度、SOC、充放电倍率下检测健康状态电池的EIS，作为电池故障诊断中健康状态的参考基准；然后在后续电池均衡时，采用相同的检测条件检测电池EIS，供电池管理系统进行故障诊断；

步骤S5，在获得电池EIS后，与电池健康状态下的EIS历史信息进行对比分析，求得欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值增量，并设置阈值；将阻值增量达到阈值的电池诊断为故障状态，分析可能的故障类型；并在电池组的长期运行中辅助诊断电池老化和阻抗不一致性。

进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：

建立能量双向转移型均衡电路作为主动均衡器ICE，两电池间连接一个主动均衡器ICE，通过控制不同开关管的通断，实现两个电池间的能量转移、互相激励；

将均衡电路中处于输入端的放电电池作为供电直流源；将处于被激励状态的负载端电池作为待测电池；

考虑电化学阻抗谱检测要求电池须处于平衡状态或处于某一稳定的直流极化条件下进行扰动、激励。

所以待均衡电流达到稳态后，在均衡电流的闭环控制器中，向电流的参考值注入正弦信号；由此叠加电流对负载端的待测电池进行激励；其中对电池的激励电流由直流电流I

I

由于EIS检测与电池管理系统共用采样模块采集信息，故扰动频率的范围需要考虑到其中模拟前端芯片采样频率的限制，同时考虑采样定理与工程实践的要求，综合确定扰动频率的上、下限。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

在参考电流中注入多频率周期性信号，电流开始激励待测电池后，在信号调理电路中对电压、电流进行交直流信号分离；

采用反相叠加有效值的方法去除直流和高频噪声干扰信号的影响，并放大交流信号；再由电池管理系统中的采样模块以频率f

工程实践中考虑到采样精度及频率混叠问题，采样频率f

获得电压、电流数据后，在电池管理系统的数字控制器或计算机中对电池电压、电流数据进行FFT快速傅里叶变换，通过算法选取给定幅值以上的电流峰值点复信号，并选择该电流峰值点频率对应的电压峰值点复信号；对该频率下电压、电流峰值点复信号进行运算，获得该频率下的复阻抗信息：

其中θ(f)为该频率下电压、电流的相位差；V

算法程序可一次性获得扰动频率范围内的多个阻抗信息，绘制出扰动频率范围内的电池电化学阻抗谱。

进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：

建立电池阻抗等效模型，用以描述、分析EIS变化与电池阻抗参数变化的对应关系：选取电池阻抗Randles等效模型，其包含高频电感、欧姆电阻、电荷转移电阻、双电层电容、Warburg扩散阻抗等几部分。

电化学阻抗谱高频区域的直线部分对应高频电感阻抗；阻抗谱半圆弧线与实轴的左交点对应欧姆电阻；中频区域的半圆弧对应电荷转移电阻与双电层电容的阻抗；低频区的45°斜线对应Warburg扩散阻抗。

电池健康状态劣化时，其EIS的高频部分基本未发生改变；低频区扩散阻抗的斜线也基本平行；阻抗谱的主要变化发生在欧姆电阻和电荷转移电阻部分，即中频区半圆弧部分发生明显变化；忽略高频区与低频区的阻抗谱部分并不影响对电池EIS变化的判断，还可缩短EIS检测所需时间。同时由于中低频时高频电感作用不大，测量时间相对较短，物质来不及扩散，所以模型可不考虑Warburg扩散阻抗和高频电感阻抗。

故将电池阻抗Randles模型进一步简化为欧姆电阻、电荷转移电阻、双电层电容三部分。可降低对电池阻抗等效模型的分析难度，且未对电池阻抗模型的电路特性产生本质影响。通过阻抗谱半圆弧线与实轴的左交点确定欧姆电阻的大小，由中频区半圆弧直径确定电荷转移电阻大小，基于这些参数的变化来诊断电池故障。

进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：

利用EIS检测装置及方法在一定的温度、SOC、充电倍率下，检测获得健康电池寿命初期的EIS，作为电池故障分析中的参考基准，通过阻抗谱半圆弧线与实轴左交点确定欧姆电阻大小，由中频区半圆弧直径确定电荷转移电阻大小，并将此信息储存至诊断设备的存储装置中。在动力电池后续的故障诊断中，采用同样的检测条件检测电池的EIS。

进一步地，步骤S5具体包括以下步骤：

后续检测中获得单体电池EIS后，与该电池健康状态EIS对比，计算获得欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值增量，并设置阻值增量的阈值；当电池的阻值增量达到设定的阈值时，即诊断为电池故障；向电池管理系统反馈故障信息。其中故障状态对应的阻值增量阈值由实验综合确定。

当欧姆电阻增大时，EIS图像相对于健康电池的EIS图像沿实轴向右偏移。欧姆电阻的阻值增量为当前EIS的实轴左交点与健康状态EIS的实轴左交点的差值。在相同检测条件下，当欧姆电阻显著增大时，考虑电极材料、隔膜对应的电阻增大，或各部分零件的接触电阻增大，如产生虚接等。当欧姆电阻减小时，EIS图像相对于健康电池的EIS图像沿实轴向左偏移。实际中很少出现欧姆电阻减小的情况，但其发生时可能为电池内部发生了微短路。

电荷转移电阻的阻值大小在EIS中表现为中频区半圆弧直径，当电荷转移电阻变大时，半圆弧高度沿虚轴方向增高，半圆弧的直径增大；电荷转移电阻变小时，阻抗谱半圆弧的直径及虚轴方向的高度减小。相同检测条件下，若电荷转移电阻显著增大，考虑是正极阻抗增大，正极材料可能发生物理化学上的改变，或是电池发生了老化；当电荷转移电阻减小时，也考虑电池内部出现微短路。

进一步的，由阻值增量辅助诊断电池老化程度和电池间的不一致性。

电池老化会使欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值显著增大，在获得欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值增量后，根据实验数据设置老化退役的阈值，对于阻值增量和循环次数均达到退役程度的电池，提供电池替换、维护的依据。

电池组在长期运行中，组内单体的阻抗一致性会发生变化，单体间阻抗的不一致性过大，会影响整个电池组的性能与寿命。所以通过本发明上述装置及方法检测各单体的欧姆电阻、电荷转移电阻，设置不一致性阈值用于判断电池组内单体阻抗的不一致性，对于超出不一致性阈值的电池进行替换或维护。

与现有技术相比，本发明及其优选方案的有益效果包括：

1、可实现电池EIS检测、电池主动均衡、电池故障诊断的功能集成；实现均衡电路的应用拓展与硬件共享。

2、装置具有诊断模式和均衡模式两种模式，在不同模式下可实现不同功能，均衡模式时可利用均衡电路进行电池间的主动均衡，诊断模式时可利用均衡电路向待测电池提供能量激励。

3、通过上述诊断装置获得的电池EIS，计算求得欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值增量，进而在线诊断动力电池故障，初步分析可能的故障类型，为故障处理提供依据。

4、通过监测电池EIS，可以在长期运行中监测电池组内阻抗的不一致性，提供阻抗不一致性的诊断依据；并对电池达到老化退役提供诊断依据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例故障诊断过程示意图；

图2为本发明实施例描述电池阻抗特性的Randles等效模型及对应的阻抗谱示意图；

图3为本发明实施例中仿真获得的健康状态电池电化学阻抗谱；

图4为本发明实施例中模拟欧姆电阻改变获得的EIS。其中实线部分为正常电池EIS，虚线部分为故障电池EIS，圆圈虚线部分为本方案通过FFT算法估计的故障电池EIS。图中上半部分为模拟欧姆电阻变大，下半部分为模拟欧姆电阻变小；

图5为本发明实施例中模拟电荷转移电阻改变获得的EIS。图中上半部分为模拟电荷转移电阻变大，下半部分为模拟电荷转移电阻变小。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例以基于双向主动均衡电路的动力电池在线诊断装置为例，进行进一步的分析。

如图1所示，为基于双向主动均衡电路的动力电池在线诊断装置架构。在双向主动均衡电路中，控制开关管使输入端电池供电，激励负载端电池。电化学阻抗谱检测要求电池须处于平衡状态或某一稳定的直流极化条件下，所以采用恒电流测试，在恒定电流状态下对电池进行激励。

待电流达到稳态后，向电流控制回路的电流参考值中注入多频率周期性正弦信号，由此叠加电流对负载端的待测电池进行激励。对电池的激励电流由直流电流I

I

在向电流参考值注入扰动信号后，电池管理系统中的采样模块以频率f

然后在电池管理系统的数字控制器或微电脑中对获得的电压、电流数据进行FFT快速傅里叶变换，获得含有实部和虚部的电压、电流复信号。

通过算法选取一定幅值以上的电流峰值点信号，并选择电流峰值点频率对应的电压峰值点信号。对该频率下的电压、电流峰值点复信号进行运算，获得该频率下的复阻抗信息：

其中θ(f)为该频率下电压、电流的相位差；V

在获得一系列扰动频率对应的阻抗信息后，即可绘制扰动频率范围内的电池EIS。

建立合适的电池阻抗等效模型，用以描述电池阻抗的不同成分，确定EIS变化与电池阻抗参数变化的对应关系。在电池长期运行过程中，阻抗谱的主要变化发生在欧姆电阻和电荷转移电阻部分，即中频区半圆弧部分发生明显变化，所以集中在中频区选取阻抗谱参数。

如图2所示，为Randles阻抗模型及其对应的EIS示意图，本实施例选择简化后的电池阻抗Randles模型来描述电池阻抗，其包含欧姆电阻、电荷转移电阻、双电层电容三部分。这样的简化可降低对阻抗等效模型的分析难度，且并未对阻抗电路的特性产生本质影响。由Randles阻抗模型对应的EIS图像上的关键特征即可获得欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值，由阻抗谱半圆弧线与实轴的左交点确定欧姆电阻的大小，由中频区半圆弧直径确定电荷转移电阻大小。

首先检测处于寿命初期、健康状态良好的电池单体，获得一定温度、SOC、充电倍率下电池的EIS，获得欧姆电阻、电荷转移电阻的阻值，将此信息存储至设备的存储装置中，作为该电池后续诊断中的健康状态基准信息。

如图3所示，是由本发明所述方法确定的健康电池EIS。在Simulink软件中搭建双向均衡电路及电池阻抗Randles模型，添加最高频率为300Hz、最低频率为0.1Hz的多频率正弦叠加信号。由发明所述方法，通过均衡电路输出的电流激励电池阻抗模型，获得电池电压、电流数据，经由FFT算法求解绘制得到了该电池阻抗模型在扰动频率范围内的EIS。

然后在后续电池运行中，采用与健康电池EIS相同的检测条件及方法获得电池的EIS信息，与正常电池EIS对比，计算可得欧姆电阻与电荷转移电阻的阻值增量，设置阻值增量的阈值；当电池阻值增量异常达到故障程度，即诊断为电池故障。

如图4至图5所示，修改仿真中电池Randles阻抗模型的参数值，分别模拟电池欧姆电阻、电荷转移电阻发生改变的情况，采用相同检测条件及方法，获得阻抗变化后算法估计的EIS，可直观看出欧姆电阻与电荷转移电阻改变后电池EIS的变化。由EIS半圆弧沿实轴的平移距离即得到欧姆电阻增量，由EIS半圆弧直径的增量即可得到电荷转移电阻的阻值增量。

如图4中的上半部分所示，当欧姆电阻增大时，EIS图像相对于健康电池的EIS图像沿实轴向右偏移。欧姆电阻增量超过阈值其可能的故障有电极材料异常、隔膜电阻增大或各部分零件的接触电阻增大，如产生虚接。

如图4中的下半部分所示，当欧姆电阻减小时，EIS图像相对于健康电池的EIS图像沿实轴向左偏移。实际中很少出现欧姆电阻减小的情况，但其发生时可能为电池内部发生了微短路。

如图5中的上半部分所示，当电荷转移电阻增大时，EIS图像半圆弧高度沿虚轴方向增高，半圆弧的直径增大。电荷转移电阻增量超过阈值时，考虑是正极阻抗增大，或是电池发生老化。

如图5中的下半部分所示，电荷转移电阻减小时，EIS图像半圆弧高度沿虚轴方向减小，半圆弧的直径减小。实际中也考虑为电池内部出现了微短路。

其中不同故障状态对应的阻值增量阈值由具体型号电池的测试及工程经验综合确定。

在长期监测中，通过记录电池循环次数及阻值增量，可综合判定电池是否达到老化退役的程度。在电池组中对比各单体EIS的检测结果，比较各单体的欧姆电阻、电荷转移电阻的阻值，可筛选不一致性超出阈值的电池。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于均衡电路的动力电池诊断装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。