一种串联电源系统阻抗谱在线快速检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于电源系统阻抗谱在线检测技术领域，特别涉及一种串联电源系统阻抗谱在线快速检测系统及检测方法。

背景技术

随着传统能源、交通等行业对环境造成的压力逐年增加，国家和社会对新能源电力、新能源交通等的需求愈发强烈。各类政策的出台也促进了新能源产业的高速发展。

在新能源电力和交通产业中，大量的清洁能源电源被采用来提供电力供应。例如光伏发电系统中，采用光伏组件作为发电电源；电动汽车中，采用锂离子电池作为汽车动力电源；作为终极清洁能源的氢燃料电池发动机也是采用燃料电池作为车辆的动力电源；在新能源配套的储能产品中更是大量使用各类电化学电池、超级电容或其他电力电子电源作为基本电源使用。

而这些电源由于单体电压较低或电流较小，往往需要串并联使用，形成串联的电源系统。同时，由于单体电源的不一致性，容易造成串联系统的失效，如锂离子电池由于单体不一致性，个别电池使用过程中容易老化，如不能及时加以识别，将很容易造成系统效率下降；严重情况下甚至会造成系统故障，乃至于系统损毁。氢燃料电堆中的个别电池输出特性不一致，或催化剂中毒等原因，在串联使用时很容易造成电池堆系统性能下降，乃至系统失效。光伏组串由于其中个别组件影裂、电势诱导衰减等原因造成组串发电量下降等。因此如何检测串联电源系统中每个电源的本质特性，如锂电池，燃料电池的电化学特性，光伏组件的内部等效特性等，成为避免此类问题的先决条件。

而目前能进行电源本质特性检测需要采用专用设备，进行离线检测。此类专用设备主要通过向单体电源注入不同频率的微量扰动，检测其对微量扰动的响应进行采样实现检测，因此对采样系统的精度往往要求非常高。由于频率范围往往较宽，因此生成宽频率范围微量信号设备成本巨大且能够检测的通道数量有限，需要花费大量的时间。同时由于无法在线检测，不能实时的发现电源单体存在的问题，存在巨大的漏检风险。由于需要离线检测，会造成串联电源系统无法正常工作，会造成收益损失，特别是在新能源汽车等领域内是不被允许的，或需要做重复的资源投入以确保系统的不中断供电，系统成本将成倍增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联电源系统阻抗谱在线快速检测系统及检测方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种串联电源系统阻抗谱在线快速检测系统，包括基本检测单元、微控制器和被测单元；被测单元与基本检测单元并联，M个基本检测单元串联后组成串联电源系统，其中M≥1；基本检测单元连接微控制器；微控制器的模数转换端ADC接收基本检测单元的电流信号和电压信号；微控制器的IO端发送旁路信号到基本检测单元。

进一步的，被测单元是由N个等效电源串联而成的系统，其中N≥1。

进一步的，等效电源为单个电源或多个电源的并联等效电源。

进一步的，基本检测单元包括多路实时电压采样模块、实时电流采样模块和旁路装置；旁路装置并联在多路实时电压采样模块和实时电流采样模块的正负极之间；多路电压采样模块至少包含N路实时电压采样输入通道，1路实时电压采样输入通道连接至1个等效电源并对该等效电源的端电压进行实时采集处理，并输出该被测等效电源的实时电压信号；被测单元内每个等效电源分别与基本检测单元内的多路实时电压采样模块中至少一路电压采样通道连接；实时电流采样模块与被测单元为串联关系，能够检测到流经被测单元的实时电流值；实时电流采样模块包含电流传感器，用于采集流过串联的等效电源的实时电流。

进一步的，旁路装置包括第一旁路装置、第二旁路装置、第三旁路装置或第四旁路装置；第一旁路装置包括可控的开关K1和二极管D，二极管D阳极连接V-端，阴极连接Vout端，旁路信号与K1控制端连接，K1设置在端口V+和二极管D的阴极之间；第二旁路装置包括可控的开关K2和K3，旁路信号连接K2的控制端，旁路信号经反向后连接K3的控制端，K2设置在Vout端和V+端之间，K3设置于Vout端和V-端；第三旁路装置包括可控的开关K4，旁路信号连接开关K4的控制端，K4设置在Vout端和V+端之间；第四旁路装置包括单刀双掷开关K5，旁路信号连接K5的控制端，单刀双掷开关K5的动端连接Vout端，两不动端分别连接V+端和V-端。

进一步的，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体包括三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器或干簧管。

进一步的，当旁路信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，旁路通道断开，电流只能流过被测单元；当旁路信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过被测单元；当旁路信号控制K1与V+端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过被测单元，而是通过旁路流通。

进一步的，微控制器作为阻抗谱在线快速检测的控制和阻抗谱计算的执行载体，该微控制器能够接收模数转换模块ADC的信号或者自身就具有模数转换的功能，用于将电压、电流采样得到的模拟信号转换成可用于计算的数字信号，同时该控制器具有数字IO信号输出能力，用于向基本检测单元中旁路模块输出旁路信号。

进一步的，当M≥2时，可设置一定数量的基本检测单元处于冗余状态，称之为冗余单元。当串联电源系统正常工作时，冗余单元处于旁路状态。当串联电源系统中有非冗余单元的基本检测单元处于检测状态时，使对应数量的冗余单元的导通状态与该处于检测状态的基本检测单元的导通状态互补，即当被测基本检测单元处于导通状态时，对应冗余单元处于旁路状态，当被测基本检测单元处于旁路状态时，对应冗余单元处于导通状态，从而可使串联电源系统总的对外输出特性保持不变，进一步减少甚至消除对外部系统的影响。

进一步的，一种串联电源系统阻抗谱在线快速检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，监测串联电源系统工作电流，根据电源系统的历史数据或经验参数，选取由工作电流变化引起的被测单元内单个电源的电压响应变化在5mV以上时进行阻抗谱检测，或者微控制器输出旁路信号后，监测被测单元内单个电源电压响应变化在5mV以上。

步骤2，微控制器发出选定频率fn的旁路信号，该频率fn由在被测单元的阻抗谱频率范围内选取；

步骤3，旁路信号发出后，微控制器以频率fs同步采集实时电流和电源的实时电压信号。其采集频率fs至少为为旁路信号频率fn的10倍以上；

步骤4，任意周期函数均可以表示为直流量与正弦函数或余弦函数构成的无穷级数的和：

对旁路信号引起的电压和电流信号进行快速傅里叶分解FFT得到电压和电流在对应fn频点及其倍频次的正弦信号量U(2πf

进一步的，计算中采用Goertzel算法：

其中g(k)为第k次电流或电压采样结果，x(k),x(k-1),x(k-2)分别为当前，前一次，更前一次的计算结果。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明通过将被测单元工作电流旁路的方式实现对被测单元的电流或电压信号激励，串联电源系统其余部分能够正常工作，因此本发明的系统能够对被测单元进行实时在线检测；

不同于采用专用设备，需要离线操作且测试通道有限，本发明在线检测没有通道数量限制，提高了检测效率，节省了检测耗时；

本发明选取部分关注频率点进行检测，通过周期性信号而非正弦信号激励方式，同时包含基频及倍频激励信号，实现单次多频信号激励。可同时得到多个频率点阻抗，提高了阻抗谱计算效率。

对本身就有采样系统的电源来说，例如锂离子电池串联而成的电源本身有BMS系统，燃料电池堆的每个电池本身有电流和电压采样装置，本发明能够利用已有装置进一步降低系统成本；

通过设置冗余单元的方式，能够极大减少甚至消除串联电源系统对外输出特性的改变，将对系统的影响降至最低。

激励输入是利用串联的电源系统自身的工作电流或电压，无需额外的能量注入。降低了测试能源成本和额外的能源设备开销；

不同于其他离线扰动方式采用小信号作为扰动源，本发明采用串联电源系统的工作电流或电压作为旁路信号，信号量级提升，减少了对采样系统的采样精度要求，同时能够进一步降低采样系统成本；

旁路信号频率仅仅受到旁路装置中开关器件自身的特性限制，激励频率范围较宽；

不同于专用设备，价格昂贵，本发明系统实现成本低；

本发明无需对数据进行大量计算或大量数据存储，对微控制器的性能要求大幅降低，易于实现且能够降低系统硬件投资成本；

通过旁路装置的旁路或断路功能，本发明能够对原有串联电源系统提供额外的保护功能。对故障被测单元可通过使其切出系统，从而保证其他正常被测单元继续工作。

附图说明

图1为被测单元并联基本检测单元。

图2为旁路装置。

图3为多个基本检测单元串联结构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图3，本发明提供一种利用串联的电源自身的工作电流或电压作为激励源，实时在线输入信号激励，并检测该激励下系统的电压或电流响应的装置。并提出了根据所述激励和与之对应的响应进行阻抗谱在线快速检测的方法。该电源是指在特定条件下能够提供或吸收电能的器件、设备或装置，包括但不限于各种锂离子电池、铅酸电池、燃料电池、光伏组件、超级电容及电力电子电源。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明所检测的对象定义为被测单元。被测单元是由N个等效电源串联而成的系统，其中N≥1。所述等效电源为单个电源或多个电源的并联等效电源。

被测单元与基本检测单元并联，如图1所示。基本检测单元包括多路实时电压采样，实时电流采样及旁路装置。其中，多路电压采样模块至少包含N路实时电压采样输入通道，其每一路输入通道均可实现被测等效电源两端电压的实时采集和必要的信号处理，并输出被测等效电源的实时电压信号。被测单元内每个等效电源的两端分别与基本检测单元内的多路实时电压采样模块中至少一路电压采样通道连接。实时电流采样模块与被测单元为串联关系，能够检测到流经被测单元的实时电流值。实时电流采样模块包含电流传感器及必要的信号处理部分，负责采集流过串联的等效电源的实时电流，由于串联系统电流处处相等，因此，实时电流采集模块放置任意数量于该串联支路的任意位置，所得到的一个或多个电流信号均相等。

基本检测单元中的旁路装置，如图2所示。该装置首先能根据输入的旁路信号控制开关器件实现单向或双向导通和关断功能，从而控制电流流过和不流过被测单元。在此基础上可增加旁路功能，从而控制电流不流过被测单元时可以通过其他通路继续流通。旁路装置在具体实施时可使用包括但不限于图2中的四种方式，其中D为二极管，K5为单刀双掷开关，K1、K2、K3、K4是指具有可控的单向或双向开关能力的器件，具体实现可采用包括但不限于三极管、达林顿管、IGBT、MOSFET、继电器、干簧管以及他们的组合。当旁路信号控制K1连接V+端，或控制K2连接V+端，同时K3与V-端断开，或K4连接V+端，或K5切换到V+端时，旁路通道断开，电流只能流过被测单元；当旁路信号控制K4与V+端断开时，电流不再流过被测单元；当旁路信号控制K1与V+端断开，或者控制V2与V+端断开，同时K3与V-端连接，或者K5切换到V-端时，电流不在流过被测单元，而是通过旁路流通。

M个(M≥1)基本检测单元串联后可作为电源系统向负载，电源或其他电力电子装置供电或从其他电源或电力电子装置吸收能量。本发明采用微控制器作为阻抗谱在线快速检测的控制和阻抗谱计算的执行载体，该微控制器应该能够接收模数转换模块(ADC)的信号或者自身就具有模数转换的功能，用于将电压、电流采样得到的模拟信号转换成可用于计算的数字信号，同时该控制器具有数字IO信号输出能力，用于向基本检测单元中旁路模块输出旁路信号。该微控制器可独立设置，也可以采用原电源系统中已有的控制器件。该电源系统输出的实时电压采样信号及实时电流采样信号经模数转换后进入微控制器，同时微控制器能够向基本检测单元输出旁路信号。微控制与串联的基本检测单元连接关系如图3所示。

基于本发明所述阻抗谱在线检测装置的阻抗谱检测方法，包括如下步骤：

步骤1，监测串联电源系统工作电流，根据电源系统的历史数据或经验参数，选取工作电流足够大，即由工作电流变化引起的被测单元内单个电源的电压响应变化在5mV以上时进行阻抗谱检测。或者微控制器输出旁路信号后，监测被测单元内单个电源电压响应变化在5mV以上。

步骤2，微控制器发出选定频率fn的旁路信号，该频率fn由工程人员在被测单元所关注的阻抗谱频率范围内选取。以锂离子电池阻抗谱测试为例，锂离子电池关注的阻抗谱频率范围在[0.1Hz,1kHz]以内，可选取频率如下：

步骤3，旁路信号发出后，微控制器以频率fs同步采集实时电流和电源的实时电压信号。其采集频率fs至少为为旁路信号频率fn的10倍以上。

步骤4，任意周期函数均可以表示为直流量与正弦函数或余弦函数构成的无穷级数的和：

因此对旁路信号引起的电压和电流信号进行快速傅里叶分解(FFT)即可得到电压和电流在对应fn频点及其倍频次的正弦信号量U(2πf

进一步的，由于基频信号幅值最大，高次谐波频率幅值逐渐减少，为保证采样精度，通常只选取电压信号幅值大于5mV的基频及谐波频率点阻抗组成阻抗谱。

进一步的，由于快速傅里叶变换需要实时处理大量数据，或存储大量数据用于后续计算，对微控制的计算能力及存储能力都提出了极高要求。而最终计算结果中大量数据并不满足信号幅值要求而被舍弃，因此造成了微控制器性能和存储资源的极大浪费。因此计算中采用Goertzel算法：

其中g(k)为第k次电流或电压采样结果，x(k),x(k-1),x(k-2)分别为当前，前一次，更前一次的计算结果。采用此算法可极大减少微控制器计算量，无需存储数据，实时计算频点数值。

进一步的，采用Goertzel算法，根据响应幅值选取有限次频率进行电压电流信号计算，一般的，选取基频及其倍频、三次谐波进行计算即满足阻抗谱计算要求，从而进一步减少了计算量。