專利名稱：用于計算電池單元阻抗的裝置及電池阻抗測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開的實施例涉及用于針對各頻域計算電池單元阻抗的裝置及電池阻抗測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
重復充電的二次電池已經(jīng)被廣泛用作混合動力車輛、電動車輛等的驅(qū)動電機的驅(qū)動電源。此外，出自二次電池可以存儲從具有相對較小環(huán)境負荷且不依賴礦物燃料的太陽能發(fā)電站、風力發(fā)電站等獲得的能量的觀點，二次電池還已被廣泛用在工業(yè)領(lǐng)域、事業(yè)單位、一般家庭等中。通常，這些二次電池被構(gòu)造為其中串聯(lián)連接了預定數(shù)量的電池單元(從該電池單元中獲得了期望的輸出電壓)的電池模塊，或被構(gòu)造為其中并聯(lián)連接了預定數(shù)量的電池模 塊(從該電池模塊獲得了期望的輸出電壓)以獲得期望電流容量(AH)的電池組。然而，從當前的充電時間、行駛距離等便利性方面來看，相信對于安裝在車輛中作為驅(qū)動電機的驅(qū)動電源的二次電池來說，鋰離子電池將成為主流。圖10示出了例示利用現(xiàn)有技術(shù)的二次電池的電池系統(tǒng)示例的框圖。圖10中，電池模塊10以串聯(lián)連接多個電池單元Il1至Iln和電流傳感器12的方式來構(gòu)造，并且電池模塊10串聯(lián)連接至負載L。電池監(jiān)控裝置20包括多個A/D轉(zhuǎn)換器2^至21n+1和處理裝置23，其中所述多個A/D轉(zhuǎn)換器2^至21n+1被提供為各自對應于構(gòu)成電池模塊10的多個電池單元Il1至Iln和電流傳感器12，以及A/D轉(zhuǎn)換器2^至21n+1的輸出數(shù)據(jù)被經(jīng)由內(nèi)部總線22輸入至處理裝置23。電池模塊10的電池單元Il1至Iln中的每一個的輸出電壓和電池模塊10的電流傳感器12的檢測信號被輸入至相應的A/D轉(zhuǎn)換器2^至21n+1并被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后A/D轉(zhuǎn)換器2^至21n+1的輸出數(shù)據(jù)被經(jīng)由內(nèi)部總線22輸入至處理裝置23。處理裝置23例如基于A/D轉(zhuǎn)換器21至21n+1的輸出數(shù)據(jù)獲得電池單元Il1至Iln中每一個的內(nèi)部電阻值、根據(jù)該內(nèi)部電阻值估計出與在取得期望電流之時的電壓降對應的值、并經(jīng)由外部總線30將該數(shù)據(jù)發(fā)送至主電池系統(tǒng)控制器40。電池系統(tǒng)控制器40基于從電池監(jiān)控裝置20輸入的數(shù)據(jù)來控制電池模塊10和負載裝置L以利用電池模塊10的當前輸出電壓穩(wěn)定地驅(qū)動負載裝置L。作為評價構(gòu)成電池模塊10的二次電池性能的指標，例示了圖11和圖12中所示的內(nèi)部阻抗特性。圖11示出了例示其中完全充電電池處于高溫狀態(tài)情況下的阻抗特性示例的曲線圖，而圖12示出了例示在高溫狀態(tài)下反復充電放電情況下的阻抗特性示例的曲線圖。此外，在圖11和圖12中，左側(cè)示圖示出了其中以復坐標繪制了基于AC阻抗測量結(jié)果的復阻抗的Cole-Cole曲線，而右側(cè)示圖示出了顯示阻抗頻率特性的Bode曲線圖。圖11的左側(cè)示圖示出了其中放置時段增加到例如一年，兩年，…，AC阻抗增加的過程。圖12的左側(cè)示圖示出了其中隨著重復充放電例如達50次、100次、…，AC阻抗增加的過程。隨著阻抗增加，電池的電壓降在產(chǎn)生電流時增加，從而無法得到足夠的輸出電壓。右側(cè)示圖的低頻部分對應于其中長時間持續(xù)壓下車輛的加速器的情形。根據(jù)該數(shù)據(jù)，由于阻抗在低頻部分增加，因此可以認為電壓降逐漸增加。即，輸出特性根據(jù)電池的劣化而變化，從而不會產(chǎn)生足夠的輸出。圖13示出了例示相關(guān)技術(shù)中測量二次電池的AC阻抗的測量電路的示例的框圖，并且在圖13中，在電池10與電流傳感器12的串聯(lián)電路的兩端連接了掃頻信號發(fā)生器50。該掃頻信號發(fā)生器50向電池10與電流傳感器12的串聯(lián)電路輸出這樣的AC信號，該AC信號的輸出頻率以掃頻的方式在包含圖11和圖12的右側(cè)示圖所示的頻率特性區(qū)域的范圍內(nèi)變化。AC電壓監(jiān)控器60測量電池10兩端的AC電壓，并將該AC電壓輸入至阻抗計算器80。AC電流監(jiān)控器70測量流向電流傳感器12的AC電流并將該AC電流輸入至阻抗計算器 80。阻抗計算器80計算電池10的復阻抗，其為AC電壓監(jiān)控器60在掃頻信號發(fā)生器50的輸出信號的每個頻率處測量到的電壓與AC電流監(jiān)控器70測量到的電流之比。該計算出來的復阻抗被繪制在復平面上，從而獲得了圖11和圖12所示的Cole-Cole曲線。根據(jù)以此方式創(chuàng)建的Cole-Cole曲線，例如，可以估計圖14所示的電池10的等效電路的每個參數(shù)。此外，在圖14的等效電路中，串聯(lián)連接了 DC電源E、電阻器R1、電阻器R2和電容器C2的并聯(lián)電路、電阻器R3和電容器C3的并聯(lián)電路、以及電阻器R4和電感L4的并聯(lián)電路。JP-A-2003-4780公開了通過交流方法以及自動測量方法測量阻抗的細節(jié)。如上所述，由于可以通過測量電池的內(nèi)部阻抗特性來獲得電池的各種信息，因此當可以當場(諸如實際使用電池的車輛、電廠、家用儲電系統(tǒng)等場合)測量電池的內(nèi)部阻抗特性時，可以基于所述信息確定電池的當前狀態(tài)，并且可以控制電池以根據(jù)電池的當前狀態(tài)最聞效地使用電池。然而，在圖10所示的相關(guān)技術(shù)中的系統(tǒng)構(gòu)造中，可以獲得電池單元仏至11 中每一個的內(nèi)部電阻值，但是由于處理裝置23和電池系統(tǒng)控制器40之間的數(shù)據(jù)通信斷續(xù)執(zhí)行，因此電池單元Il1至Iln中每一個的電壓數(shù)據(jù)變?yōu)橹芷跒槔鏘OOms以上的離散數(shù)據(jù)。因此，參照包括電壓、電流、溫度等的表格僅能夠檢測到電池單元Il1至Iln中每一個的狀態(tài)，而無法測量電池單元Il1至Iln中每一個的其中集中地包含了多條信息的內(nèi)部阻抗特性。此外，根據(jù)圖13所示的相關(guān)技術(shù)中的測量電路，掃頻信號發(fā)生器50是必需的，從而在成本和空間兩個方面都難以在每個現(xiàn)場單元中安裝如圖13所示的測量電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個示例性方面提供了一種電池阻抗測量裝置，其能夠當場(例如在實際使用電池的車輛、電廠、家用儲電系統(tǒng)等場合中)實時測量用于電池監(jiān)控裝置的電池的電池內(nèi)部阻抗特性。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，提供了一種用于針對各頻域來計算電池單元(11)的阻抗的裝置(24，24c)。該裝置包括傅里葉變換計算器(C2)，其被構(gòu)造為對從電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算電池單元的阻抗；電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計電池單元的預定等效電路模型的電路常數(shù)；以及阻抗估計器(c7)，其被構(gòu)造為基于估計出的電路常數(shù)和等效電路模型來針對各頻域估計電池單元的阻抗。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，提供了一種用于針對各頻域來計算電池單元
(11)的阻抗的裝置(24，24c)。該裝置包括傅里葉變換計算器(C2)，其被構(gòu)造為對從電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算電池單元的阻抗；電路模型選擇器(c9)，其被構(gòu)造為基于傅里葉變換計算器計算出的阻抗從多個等效電路模型中選擇某一等效電路模型；以及電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計所選等效電路模型的電路常數(shù)。 根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，所述裝置還包括不變電路常數(shù)存儲單元(c5)，其被構(gòu)造為將估計出的電路常數(shù)的不變電路常數(shù)(R4、L4)存儲于其中；以及可變電路常數(shù)存儲單元(c6)，其被構(gòu)造為將估計出的電路常數(shù)的可變電路常數(shù)(Rl、R2、C2…)存儲于其中。所述阻抗估計器被構(gòu)造為基于不變電路常數(shù)、可變電路常數(shù)和等效電路模型估計電池單元的阻抗。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，所述電路模型選擇器被構(gòu)造為基于下列步驟選擇所述某一等效電路模型I)是否存在warburg元件；2)是否存在LR并聯(lián)電路；以及3)RC并聯(lián)電路的級數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，所述傅里葉變換計算器是離散傅里葉變換計算器，其被構(gòu)造為對電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行離散傅里葉變換，并通過將電壓波形數(shù)據(jù)的離散傅里葉變換數(shù)據(jù)除以電流波形的離散傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算電池單元的阻抗。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，所述傅里葉變換計算器是快速傅里葉變換計算器，其被構(gòu)造為對電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換，并通過將電壓波形數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換數(shù)據(jù)除以電流波形的快速傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算電池單元的阻抗。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，提供了一種電池阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電池模塊(10)，其包含多個電池單元(IV·· lln)，并被構(gòu)造為對負載(L)供電；多個裝置(24^··24η)，每個裝置都對應于所述多個電池單元中的一個相應電池單元來提供，用于針對各頻域來計算相應電池單元的阻抗。所述多個裝置中的每一個都包括傅里葉變換計算器(c2 )，其被構(gòu)造為對從所述相應電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述相應電池單元的阻抗；電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計所述相應電池單元的預定等效電路模型的電路常數(shù)；以及阻抗估計器(c7)，其被構(gòu)造為基于估計出的電路常數(shù)和等效電路模型來針對各頻域估計所述相應電池單元的阻抗。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例方面，提供了一種電池阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電池模塊(10)，其包含多個電池單元(IV·· lln)，并被構(gòu)造為對負載(L)供電；多個裝置(24··· 24n)，每個裝置都對應于所述多個電池單元中的一個相應電池單元來提供，用于針對各頻域來計算相應電池單元的阻抗。所述多個裝置中的每一個都包括傅里葉變換計算器(c2)，其被構(gòu)造為對從相應的電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述相應電池單元的阻抗；電路模型選擇器(c9)，其被構(gòu)造為基于傅里葉變換計算器計算出的阻抗從多個等效電路模型中選擇某一等效電路模型；以及電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計所選等效電路模型的電路常數(shù)。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點將從下面的說明書、附圖和權(quán)利要求書中變得顯而易見。


圖I示出了例示其中使用了根據(jù)本發(fā)明的電池阻抗測量裝置的電池監(jiān)控裝置的具體實例的框圖； 圖2示出了例示電力及阻抗計算器24的具體實例的框圖；圖3示出了例示本發(fā)明的一個實施例的框圖；圖4A至圖4D示出了電池的阻抗特性實例的示意圖；圖5A和圖5B示出了針對圖14的等效電路的常數(shù)估計阻抗特性實例的示意圖；圖6示出了例示本發(fā)明另一實施例的框圖；圖7示出了其中a為4的相關(guān)系數(shù)Corr⑴的曲線；圖8示出了樣本阻抗特性實例的示意圖；圖9A示出了另一相關(guān)系數(shù)的曲線，且圖9B示出了另一樣本阻抗特性實例的示意圖；圖10示出了例示使用相關(guān)技術(shù)的二次電池的電池系統(tǒng)的示例的框圖；圖11示出了例示其中完全充電的電池處于高溫狀態(tài)情形中的阻抗特性示例的示意圖；圖12示出了例示在高溫狀態(tài)下反復充放電情形中的阻抗特性示例的示意圖；圖13示出了例示相關(guān)技術(shù)中的測量二次電池的AC阻抗的測量電路的框圖；圖14示出了電池的等效電路示例的示意圖；以及圖15是示出根據(jù)本實施例的等效電路參數(shù)測量單元(24c)的硬件構(gòu)造的示意圖。
具體實施例方式下文中，將參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。圖I是示出了例示其中使用了根據(jù)本發(fā)明的電池阻抗測量裝置的電池監(jiān)控裝置的具體實例的框圖，并且對與圖10相同的部分附以相同的參考標號。圖I中，電池監(jiān)控裝置20包括多個(η個)電力及阻抗計算器2七至24η，其與構(gòu)成電池模塊10的多個電池單元Il1至I In相對應提供；電池模塊狀態(tài)管理器26，其被經(jīng)由內(nèi)部總線25輸入了電力及阻抗計算器21至24n的輸出數(shù)據(jù)；以及加速器工作監(jiān)控器27，其監(jiān)控加速器LI的運動，其中加速器LI構(gòu)成了作為負載裝置L的車輛的驅(qū)動系統(tǒng)。在作為負載裝置L的車輛的驅(qū)動系統(tǒng)中，加速器LI、逆變器L2、和電動機L3實質(zhì)上是串聯(lián)連接的。逆變器L2和電池模塊10串聯(lián)連接，從而從電池模塊10供給電動機L3的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所需的驅(qū)動電力。通過響應于由駕駛者(例如，使用踏板)操控的加速器LI的運動來控制供給逆變器L2的驅(qū)動電力的量來將電動機L3的速度控制為按照駕駛者的期望旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。加速器LI響應于駕駛者對踏板的操控而產(chǎn)生的運動被加速器工作監(jiān)控器27持續(xù)監(jiān)控和檢測，并且其檢測信號被經(jīng)由電池模塊狀態(tài)管理器26和內(nèi)部總線25輸入至電力及阻抗計算器21至24n。
來自相應電池單元Il1至Iln中的每一個的電壓信號和來自電流傳感器12的電流信號被輸入至電力及阻抗計算器21至24n。此處，加速器LI響應于駕駛者對踏板的操控而產(chǎn)生的運動對電池單元Il1至Iln中的每一個的輸出電壓波形和電流傳感器12的輸出電流波形引起了諸如像包括寬帶頻率成分的階梯波一樣的上升和下降的變化。電力及阻抗計算器21至24n對包括寬帶頻率成分的波形數(shù)據(jù)執(zhí)行離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT)，并根據(jù)其結(jié)果估計期望頻域中的等效電路常數(shù)。可以在現(xiàn)場(諸如在實際使用電池的車輛和工廠中)測量電池的內(nèi)部阻抗特性，從而可以實時監(jiān)控電池狀態(tài)。電池模塊狀態(tài)管理器26獲取由電力及阻抗計算器21至24n中的每一個測量到的構(gòu)成電池模塊10的各電池單元Il1至Iln的瞬時電力信息和內(nèi)部阻抗信息，并經(jīng)由外部總線30將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至主電池系統(tǒng)控制器40。電池系統(tǒng)控制器40基于從電池監(jiān)控裝置20輸入的數(shù)據(jù)來控制電池模塊10和負載裝置L，以利用電池模塊10的當前輸出電壓穩(wěn)定地操作負載裝置L ;基于電池單元Il1至Iln中每一個的瞬時電力量的變化趨勢、內(nèi)部阻抗信息的變化趨勢等來確定電池單元Il1至Iln中每一個的性能的變化情況；發(fā)送催促進行充電的警告；或者通過分析性能劣化趨勢來輸出關(guān)于電池模塊10的更換時間預測等。圖2示出了例示電力及阻抗計算器24的具體實例的框圖。圖2中，電池單元Il1至I In中的每一個的電壓信號V經(jīng)由抗混疊濾波器24a輸入至A/D轉(zhuǎn)換器24b，并且A/D轉(zhuǎn)換器24b的輸出數(shù)據(jù)輸入至等效電路參數(shù)測量單元24c。來自電流傳感器12的電流信號I經(jīng)由抗混疊濾波器24b輸入至A/D轉(zhuǎn)換器24e，并且A/D轉(zhuǎn)換器24e的輸出數(shù)據(jù)輸入至等效電路參數(shù)測量單元24c。A/D轉(zhuǎn)換器24b和24e由可變時鐘系統(tǒng)操作，該可變時鐘系統(tǒng)由電池模塊狀態(tài)管理器26、加速器變化量檢測器24f、時鐘控制器24g、和可變時鐘發(fā)生器24h組成，并且其基于由加速器工作監(jiān)控器27檢測到的并從其輸出的加速器變化信號而創(chuàng)建。由于這一點，基于駕駛者的加速器動作(諸如啟動、加速、高速行駛、低速行駛、減速、停止、收回)以及其速度來生成時鐘，并且每種狀態(tài)中的電壓信號V和電流信號I都被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。此外，A/D轉(zhuǎn)換器24b和24e的采樣時鐘頻率可以響應于期望測量的電池單元Il1至Iln中的每一個的內(nèi)部阻抗所處的頻帶來改變。例如，在測量內(nèi)部阻抗高達IkHz的情況下，將采樣時鐘頻率設定為2K樣本/秒，并且將抗混疊濾波器24a和24d的低通帶設定為IkHz以下。存儲諸如期望測量的電池單元Il1至Iln中每一個的等效電路圖案之類的等效電路信息的等效電路信息存儲單元24i連接至等效電路參數(shù)測量單元24c。在等效電路參數(shù)測量單元24c中測量的等效電路的每個參數(shù)都被經(jīng)由內(nèi)部總線25獲取到電池模塊狀態(tài)管理器26。A/D轉(zhuǎn)換器24b和24e的輸出數(shù)據(jù)還輸入至電力測量單元24 j。由于這一點，電力測量單元24j測量電池單元Il1至Iln中每一個的瞬時電力并將測量結(jié)果存入電力信息存儲單元24k。存儲于電力信息存儲單元24k中的電力信息被經(jīng)由內(nèi)部總線25獲取至電池模塊狀態(tài)管理器26。近年來，已經(jīng)有效進行了關(guān)于確定電池狀態(tài)的研究。在該研究中，通過對電池施加具有恒定電壓或恒定電流的正弦波來獲得阻抗特性，并估計充放電的溫度特性、剩余電荷量、性能劣化程度等?！?br> 在將電池安裝到諸如車輛的系統(tǒng)中之前的單體狀態(tài)中，可以在準備的測量環(huán)境下進行阻抗測量，但是當將電池安裝到系統(tǒng)中時，由于系統(tǒng)的限制等而不能充分進行阻抗測量。具體地，當將電池作為車輛的驅(qū)動電源進行安裝時，系統(tǒng)側(cè)的采樣率不足，從而認為不能夠?qū)Ω哳l域進行采樣。在此情況下，與預先測量的測量范圍相一致的比較變得不可能。圖3示出了例示本發(fā)明一個實施例的框圖，其具有任意頻率的阻抗估計功能，并且該圖示出了構(gòu)成圖2的電力及阻抗計算器24的等效電路參數(shù)測量單元24c的具體示例。A/D轉(zhuǎn)換器24b和24e的輸出數(shù)據(jù)順序存入波形數(shù)據(jù)存儲單元cl中。DFT計算器c2對順序存入波形數(shù)據(jù)存儲單元cl中的電壓信號和電流信號的波形數(shù)據(jù)執(zhí)行離散傅里葉變換，通過將電壓信號的離散傅里葉變換結(jié)果除以電流信號的離散傅里葉變換結(jié)果來計算阻抗，并將計算出來的阻抗數(shù)據(jù)存入阻抗數(shù)據(jù)存儲單元c3中。此外，根據(jù)波形數(shù)據(jù)的類型，可以利用FFT計算器代替DFT計算器c2來實現(xiàn)高速的計算處理。電路常數(shù)估計器c4基于存儲在阻抗數(shù)據(jù)存儲單元c3中的阻抗數(shù)據(jù)進行預先指定的等效電路模型中的常數(shù)擬合。關(guān)于例如在圖14所示的等效電路的情況中的由電路常數(shù)估計器c4估計并計算出的電路常數(shù)，R4和L4被存入不變電路常數(shù)存儲單元c5中，而R1、R2、C2、R3、和C3被存入電路常數(shù)存儲單元c6中。阻抗估計器c7輸出任意頻率處的阻抗。對于存在阻抗數(shù)據(jù)的頻域，原樣輸出存儲于阻抗數(shù)據(jù)存儲單元c3中的阻抗數(shù)據(jù)。對于不存在阻抗數(shù)據(jù)的頻域，基于存儲于不變電路常數(shù)存儲單元c5和電路常數(shù)存儲單元c6中的電路常數(shù)來估計和計算阻抗，并輸出計算結(jié)
果O來自外部的分析條件存入分析條件存儲單元c8中。分析條件主要代表每個計算器中的計算條件，但還包括關(guān)于參考測量結(jié)果或被安裝到系統(tǒng)中時的測量結(jié)果。圖4A至圖4D示出了電池的阻抗特性示例的示圖，其中圖4A示出了對IHz到2. 5kHz頻率范圍內(nèi)的正弦波進行掃頻并保證每個測量頻率點處的足夠采樣率時的測量結(jié)果。接下來，將圖4A設定為參考特性。圖4B示出了通過從圖4A的參考特性取出I至50Hz的頻率范圍而得到的結(jié)果。這呈現(xiàn)了其中由于將電池安裝到例如車輛系統(tǒng)中時的限制而導致不能測量高頻域的情況。圖4A所示的虛軸的正側(cè)(曲線的下半部分)是包括電池的L (電感)信息的區(qū)域，但是在圖4B中，該部分完全被省略。電池的電感是結(jié)構(gòu)特性，并被認為不會由于電極或電解液的劣化而隨時間的流逝發(fā)生變化。基于該考慮，預先從圖4A的參考特性得到等效電路常數(shù)，并且甚至在將電池安裝到系統(tǒng)中后，針對不隨時間的流逝發(fā)生變化的常數(shù)來使用該常數(shù)。圖4(示出了從1 1、1 2、1 3、02、03兒4、和1 4導出的、并且通過基于圖14的等效電路模型執(zhí)行圖4A的參考特性的常數(shù)擬合而得到的阻抗特性曲線。該擬合可以基于已知的算數(shù)表達式執(zhí)行。圖4D示出了由如下結(jié)果導出的阻抗特性曲線，該結(jié)果是通過利用在圖4B中估計出的電路常數(shù)Rl、R2、R3、C2、和C3以及預先獲取的L4和R4并且基于圖14的等效電路模型進行常數(shù)擬合而得到的。圖4D的阻抗特性曲線近似等于圖4C的阻抗特性曲線。S卩，與 圖4A的參考特性對應的頻域中的阻抗特性可以利用在圖4B中估計出的估計電路常數(shù)R1、R2、R3、C2、和C3以及預先獲取的L4和R4進行估計。此外，在圖3的實施例中，通過將不變電路常數(shù)應用于等效電路模型來執(zhí)行阻抗估計。然而，代替將不變電路常數(shù)應用于等效電路模型，可以根據(jù)不變電路常數(shù)創(chuàng)建時間序列數(shù)據(jù)，其可以補充至測量的時間序列數(shù)據(jù)，于是可以估計另一電路常數(shù)。此外，在圖3的實施例中，在假設L成分對低頻域不具有影響的條件下進行常數(shù)估計。因此，在常數(shù)估計期間，未將不變電路常數(shù)L4和R4包括在等效電路模型中，并且不變電路常數(shù)L4和R4僅用在阻抗估計期間。然而，存在這樣的一種可能，即，L成分根據(jù)電池特性而對低頻域具有影響。在此情況中，可以在常數(shù)估計期間在將不變電路常數(shù)L4和R4包括在等效電路模型之后進行常數(shù)估計。然而，在選擇電池的等效電路模型時，如果未在預先識別作為待測對象的電池的固有特性或預先識別測量頻率范圍之后就選擇了適當?shù)牡刃щ娐纺Ｐ?，如圖5A和圖5B的阻抗特性實例的示圖所示，則可能得到與實際值不同的常數(shù)估計結(jié)果。圖5A和圖5B示出了通過從相同的阻抗數(shù)據(jù)分別提取不同頻率范圍的數(shù)據(jù)、以及通過在圖14的等效電路中進行常數(shù)估計所得到的結(jié)果。圖5A是通過提取O. IHz以上的頻率中的數(shù)據(jù)而得到的結(jié)果，其中通過常數(shù)擬合導出的阻抗特性曲線和實際阻抗特性彼此一致。相反，圖5B是通過提取1.0Hz以上的頻率中的數(shù)據(jù)而得到的結(jié)果，其中實際阻抗特性極大地偏離通過常數(shù)擬合導出的阻抗特性。假設這是因為即使對實際產(chǎn)品配備Warburg元件，其特性也不會顯著影響數(shù)據(jù)，從而其具有局部缺陷。在此方式中，即使在同一等效電路模型中，當用來進行常數(shù)估計的阻抗頻率范圍彼此不同時，也可能獲得彼此完全不同的結(jié)果。該問題可以通過基于阻抗數(shù)據(jù)的特性并且利用被構(gòu)造為與圖6所示一樣的等效電路參數(shù)測量單元24c來選擇最佳的等效電路模型而避免，從而可以提供電路常數(shù)估計的精度。圖6示出了例示本發(fā)明另一個實施例的框圖，該實施例具有選擇最佳等效電路的功能，并且對與圖3相同的部件附加了相同的參考標號。圖6中，電路模型選擇器c9基于在DFT計算器c2中估計出的并被存儲到阻抗數(shù)據(jù)存儲單元c3中的阻抗數(shù)據(jù)特性來選擇最佳的等效電路模型。電路常數(shù)估計器c4基于存儲于阻抗數(shù)據(jù)存儲單元c3中的阻抗數(shù)據(jù)以及電路模型選擇器9選擇的最佳等效電路模型進行每個電路常數(shù)的估計和計算。通常使用的電池等效電路模型包括η級RC并聯(lián)電路、一級LR并聯(lián)電路、和Warburg元件。因此，電路模型選擇器c9按照下列順序順次確定等效電路模型的具體構(gòu)造。I)是否存在Warburg元件2 )是否存在LR并聯(lián)電路3) RC并聯(lián)電路的級數(shù)I)首先，關(guān)于Warburg元件，利用低頻側(cè)的阻抗實軸和虛軸的相關(guān)系數(shù)來確定是 否存在Warburg元件。例如,在Corr <-O. 99的情況下,確定存在Warburg元件。通過以下的表達式計算相關(guān)系數(shù)。
^ ( Zrealj - ZrealH ) ( Zimgj - Zimg'::)Conii) =................................................................................■■■■■■■;ι.....................................................................................................；-…U )
J Σ [Zrea]j - Zreah-I) J 客(Zimgj - ZimgiZ )此處,Corr (i)代表第i個阻抗數(shù)據(jù)周圍的相關(guān)系數(shù)，Zreal j和Zimgj分別代表第j個阻抗數(shù)據(jù)的實部和虛部。Zreaha... (2)ZimgZl…⑶上面的表達式(2)和(3)分別代表第i_a個至第i+a個阻抗數(shù)據(jù)的實部和虛部的平均值。此外，假設阻抗數(shù)據(jù)按照頻率的升序排列。圖7示出了其中a為4的相關(guān)系數(shù)CorHi)的曲線。在該電流樣本數(shù)據(jù)中，確定“存在” Warburg元件。2)接下來，確定是否存在LR并聯(lián)電路。當高頻側(cè)的阻抗虛軸示出了正值時，確定需要LR并聯(lián)電路。在圖8的樣本阻抗特性示意圖的情況下，確定“存在”LR并聯(lián)電路。3)最后，確定RC并聯(lián)電路的級數(shù)。利用整個數(shù)據(jù)中在沿從負到正的方向中相關(guān)系數(shù)超過-O. 95的Corr (i)時的次數(shù)來執(zhí)行確定。然而,其中阻抗虛軸在正數(shù)域中超過了 -O. 95的Corr (i)的情況被看作是LR特性，從而未將該情況計在內(nèi)。在圖9A所示的樣本數(shù)據(jù)中，相關(guān)系數(shù)在a、b和c這三個點處超過了 -O. 95,而如圖9B所示，由于c點的相關(guān)系數(shù)在其中阻抗虛軸超過320Hz的正數(shù)域內(nèi)超過了 -O. 95，因此未將該情況計在內(nèi)，從而將RC并聯(lián)電路確定為兩級。由于進行了這樣的確定，因此提高了在電路常數(shù)估計器c4中估計和計算出的每個電路常數(shù)的估計精度。當在充分的測量環(huán)境下可以獲取電壓和電流數(shù)據(jù)時，可以提取出阻抗特性。然而，例如，在將電池安裝在車輛中的狀態(tài)下，由于諸如噪聲的影響，很難說總是能夠獲得理想的測量結(jié)果。在此情況下，可以在選擇多個等效電路模型候選之后并行執(zhí)行常數(shù)估計和計算，并且其中伴隨對象阻抗數(shù)據(jù)的誤差最小的等效電路模型可以被確定為最終的輸出。此外，提供了如下功能在重復計算期間的任何時候計算伴隨對象阻抗數(shù)據(jù)的誤差，對于不滿足參考值的模型或未明確收斂的模型停止計算，以及選擇另一模型。此外，可以利用半導體集成電路技術(shù)將本發(fā)明中使用的電力及阻抗計算器24封裝成極度緊湊的尺寸，從而即使在安裝在例如車輛中的電池模塊的每個電池單元中安裝電力及阻抗計算器24的情況下，只要保證很小的空間就能使用電力及阻抗計算器24。此外，在各實施例中，參照其中測量了安裝在車輛中的電池模塊的每個電池單元的內(nèi)部阻抗的示例進行了說明，但是本發(fā)明的電池阻抗測量裝置對于車輛以外的發(fā)電廠、家庭電力存儲系統(tǒng)等中提供的蓄電池的監(jiān)控也有效。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的電池阻抗測量裝置，可以實現(xiàn)這樣的電池監(jiān)控裝置SP，其當場(例如，在實際使用電池的車輛、發(fā)電廠、家庭電力存儲系統(tǒng)等場合中)實時測量電池的內(nèi)部阻抗特性，并實時監(jiān)控電池狀態(tài)。下文中，將就硬件部件來描述根據(jù)本實施例的電池阻抗測量裝置。圖15是示出根據(jù)本實施例的等效電路參數(shù)測量單元(24c)的硬件構(gòu)造的示意圖。如圖15所示，等效電路參數(shù)測量單元(24c)包括CPU( 101)、讀取器(102)、存儲器(103)、存儲裝置(104)、通信單元(105)和用戶接口(106)。CPU (101)(例如，處理器)可以用作圖3 所示的DFT計算器(c2)、電路常數(shù)估計器(c4)和阻抗估計器(c7)。此外，CPU (101)可以用作圖6所示的DFT計算器(c2 )、電路模型選擇器(c9 )和電路常數(shù)估計器(c4 )。存儲器(103)可以是任何類型的存儲器，諸如ROM、RAM或閃存。存儲器(103)可以用作CPU (101)執(zhí)行程序時的CPU (101)的工作存儲器。存儲裝置(104)被構(gòu)造用于存儲將由CPU (101)執(zhí)行的程序和/或由各單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。存儲裝置(104)可以是任何類型的存儲裝置，諸如硬盤驅(qū)動器(HDD)或固態(tài)驅(qū)動器(SSD)。包括使CPU (101)執(zhí)行由等效電路參數(shù)測量單元(24c)執(zhí)行的各操作的指令的程序可以存儲在存儲裝置(104)中，或存儲在計算機可讀介質(zhì)中，諸如藍光盤(商標)、DVD、CD、軟盤、閃存、或磁光(MO)盤。讀取器
(102)被構(gòu)造用于將存儲于上述計算機可讀介質(zhì)中的程序讀取到存儲器(103)中。該程序還可以通過通信單元(105)從網(wǎng)絡(例如，互聯(lián)網(wǎng))上的另一裝置(例如，服務器)下載。利用圖15所示的該構(gòu)造，CPU (101)被構(gòu)造用于根據(jù)從讀取器(102)讀取的、或通過通信單元(105 )下載的程序來實現(xiàn)由等效電路參數(shù)測量單元(24c )執(zhí)行的各個操作。
權(quán)利要求
1.一種用于針對各頻域來計算電池單元(11)的阻抗的裝置(24，24c)，所述裝置包括 傅里葉變換計算器(c2)，其被構(gòu)造為對從所述電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將所述電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以所述電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述電池單元的阻抗； 電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于所述傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計所述電池單元的預定等效電路模型的電路常數(shù)；以及 阻抗估計器(c7)，其被構(gòu)造為基于估計出的電路常數(shù)和所述等效電路模型來針對各頻域估計所述電池單元的阻抗。
2.一種用于針對各頻域來計算電池單元(11)的阻抗的裝置(24，24c)，所述裝置包括 傅里葉變換計算器(C2)，其被構(gòu)造為對從所述電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將所述電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以所述電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述電池單元的阻抗； 電路模型選擇器(c9)，其被構(gòu)造為基于所述傅里葉變換計算器計算出的阻抗從多個等效電路模型中選擇某一等效電路模型；以及 電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于所述傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計所選等效電路模型的電路常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，還包括 不變電路常數(shù)存儲單元(c5),其被構(gòu)造為將估計出的電路常數(shù)的不變電路常數(shù)(R4、L4)存儲于其中；以及 可變電路常數(shù)存儲單元(c6)，其被構(gòu)造為將估計出的電路常數(shù)的可變電路常數(shù)(R1、R2、C2…)存儲于其中， 其中，所述阻抗估計器被構(gòu)造為基于所述不變電路常數(shù)、所述可變電路常數(shù)和等效電路模型估計所述電池單元的阻抗。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述電路模型選擇器被構(gòu)造為基于下列步驟選擇所述某一等效電路模型1)是否存在warburg元件；2)是否存在LR并聯(lián)電路；以及3)RC并聯(lián)電路的級數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其中，所述傅里葉變換計算器是離散傅里葉變換計算器，其被構(gòu)造為對所述電壓波形數(shù)據(jù)和所述電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行離散傅里葉變換，并通過將所述電壓波形數(shù)據(jù)的離散傅里葉變換數(shù)據(jù)除以所述電流波形的離散傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述電池單元的阻抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其中，所述傅里葉變換計算器是快速傅里葉變換計算器，其被構(gòu)造為對所述電壓波形數(shù)據(jù)和所述電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行快速傅里葉變換，并通過將所述電壓波形數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換數(shù)據(jù)除以所述電流波形的快速傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述電池單元的阻抗。
7.一種電池阻抗測量系統(tǒng)，包括 電池模塊(10),其包含多個電池單兀(IV·· lln)，并被構(gòu)造為對負載(L)供電； 多個裝置(24^··24η)，每個裝置都對應于所述多個電池單元中的一個相應電池單元來提供，用于針對各頻域來計算相應電池單元的阻抗，所述多個裝置中的每一個都包括 傅里葉變換計算器(C2)，其被構(gòu)造為對從所述相應電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將所述電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以所述電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述相應電池單元的阻抗； 電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于所述傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計所述相應電池單元的預定等效電路模型的電路常數(shù)；以及 阻抗估計器(c7)，其被構(gòu)造為基于估計出的電路常數(shù)和所述等效電路模型來針對各頻域估計所述相應電池單元的阻抗。
8.一種電池阻抗測量系統(tǒng)，包括電池模塊(10),其包含多個電池單兀(11廣· lln)，并被構(gòu)造為對負載(L)供電； 多個裝置(24^··24η)，每個裝置都對應于所述多個電池單元中的一個相應電池單元來被提供，用于針對各頻域來計算相應電池單元的阻抗，所述多個裝置中的每一個都包括傅里葉變換計算器(C2)，其被構(gòu)造為對從所述相應電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將所述電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以所述電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算所述相應電池單元的阻抗； 電路模型選擇器(c9)，其被構(gòu)造為基于所述傅里葉變換計算器計算出的阻抗從多個等效電路模型中選擇某一等效電路模型；以及 電路常數(shù)估計器(c4)，其被構(gòu)造為基于所述傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計所選等效電路模型的電路常數(shù)。
9.一種用于進行實時測量的電池監(jiān)控裝置，其監(jiān)控包括多個彼此串聯(lián)連接的電池單元的電池模塊，所述電池監(jiān)控裝置包括 多個電力及阻抗計算器，其每一個都針對所述多個電池單元中相應的一個來提供，并且其每一個都被構(gòu)造為從所述相應的電池單元接收電壓信號和電流信號，以及測量所述相應電池單元的瞬時電力值和內(nèi)部阻抗特性；以及 電池模塊狀態(tài)管理器，其被構(gòu)造為經(jīng)由內(nèi)部總線接收各電力及阻抗計算器的輸出數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池監(jiān)控裝置，還包括 加速器工作監(jiān)控器，其被構(gòu)造為監(jiān)控通過從所述電池模塊接收電力進行操作的加速器的運動，以及將得到的檢測信號提供給各電力及阻抗計算器和所述電池模塊狀態(tài)管理器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電池監(jiān)控裝置，其中，所述多個電力及阻抗計算器中的每一個都被構(gòu)造為執(zhí)行離散傅里葉變換或快速傅里葉變換，以及基于所述離散傅里葉變換或快速傅里葉變換的結(jié)果來估計呈現(xiàn)所述相應電池單元在期望頻域內(nèi)的內(nèi)部阻抗特性的等效電路的常數(shù)。
全文摘要
提供了一種用于針對各頻域來計算電池單元的阻抗的裝置以及電池阻抗測量系統(tǒng)。計算電池單元的阻抗的裝置包括傅里葉變換計算器，其被構(gòu)造為對從電池單元輸出的電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)執(zhí)行傅里葉變換，并通過將電壓波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)除以電流波形數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)據(jù)來計算電池單元的阻抗；電路常數(shù)估計器，其被構(gòu)造為基于傅里葉變換計算器計算出的阻抗來估計電池單元的預定等效電路模型的電路常數(shù)；以及阻抗估計器，其被構(gòu)造為基于估計出的電路常數(shù)和等效電路模型來針對各頻域估計電池單元的阻抗。
文檔編號G01R27/02GK102901929SQ20121026687
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者岡田修平 申請人:橫河電機株式會社