本發(fā)明涉及一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法、裝置、檢測(cè)儀及存儲(chǔ)介質(zhì)，屬于電池狀態(tài)檢測(cè)儀器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大量動(dòng)力鋰電池用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車，當(dāng)電池健康狀態(tài)衰減至70％以下，則要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行回收，改為用于儲(chǔ)能電站等其它場(chǎng)合。在汽車、自行車修理車間與電池回收處理車間等應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，怎樣快速判斷電池健康狀態(tài)就是關(guān)鍵。

在汽車4s店、動(dòng)力電池儲(chǔ)能電站、電池回收處理車間等實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，基本都是采用簡(jiǎn)單的儀器，對(duì)電池狀態(tài)做判斷。通常，用萬(wàn)用表測(cè)量電池開(kāi)路電壓ocv；用內(nèi)阻表測(cè)量電池直流電阻；對(duì)電池短路放電觀察電池做功能力，這些方法精度都很差。

而在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、電池形式認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室，則采用昂貴的精密儀器測(cè)量電池。使用頻率響應(yīng)分析儀，測(cè)量電池的電化學(xué)阻抗譜；使用電化學(xué)工作站，采用循環(huán)伏安法，測(cè)量電池的正極與負(fù)極材料特征。這些實(shí)驗(yàn)室儀器都很昂貴，完成一個(gè)電池的測(cè)量至少需要幾小時(shí)，不適合工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)使用。

電池制造與銷售商，則采用分容柜，給電池緩慢充電與放電，得出電池的實(shí)際容量，作為評(píng)判電池健康狀態(tài)的依據(jù)，完成一個(gè)電池測(cè)量往往要耗費(fèi)幾小時(shí)。

電池內(nèi)部鋰離子擴(kuò)散過(guò)程衰減變化是影響電池健康狀態(tài)的主要因素，而電池在低頻段(0.001hz～10hz)的阻抗能表征電池?cái)U(kuò)散過(guò)程。電池激勵(lì)電流越小，則要測(cè)量越低頻的阻抗，例如電化學(xué)阻抗譜儀以10ma激勵(lì)電流測(cè)量電池阻抗，則要測(cè)量低至0.005hz的阻抗，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)。如果電池激勵(lì)電流很大，例如以10a電流給電池充電，則能有效激發(fā)電池內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程，此時(shí)測(cè)量5hz的阻抗，也能很好反映擴(kuò)散過(guò)程的特征。所以快速測(cè)量阻抗，則要給電池施加大的激勵(lì)電流。而阻抗是交流電流與交流電壓之比，必須在大的直流激勵(lì)電流上疊加小幅度特定頻率交流紋波，才能實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量。有別于精密的電化學(xué)阻抗譜儀同時(shí)測(cè)量微弱的交流電壓與交流電流信號(hào)，希望僅通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)電流紋波測(cè)量，這涉及微弱信號(hào)處理問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法、裝置、檢測(cè)儀及存儲(chǔ)介質(zhì)，其可以在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確地測(cè)量鋰離子動(dòng)力電池健康狀態(tài)，能有效解決應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)缺乏可靠快速檢測(cè)電池健康狀態(tài)儀器的難題，通過(guò)給電池進(jìn)行高倍率大電流充電，在直流充電脈沖上疊加特定頻率的正弦波紋波電流，通過(guò)測(cè)量若干頻率點(diǎn)的電池warburg阻抗，直接檢測(cè)電池健康狀態(tài)，大幅提高電池健康狀態(tài)檢測(cè)效率，克服電池充電狀態(tài)、電池充電電流、電池溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，為電池健康狀態(tài)評(píng)估提供公平、統(tǒng)一的尺度。

本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法。

本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)裝置。

本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)儀。

本發(fā)明的第四個(gè)目的在于提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)。

本發(fā)明的第一個(gè)目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法，所述方法包括：

獲取測(cè)量的電池溫度和電池充電電流，并基于設(shè)定的電池充電電壓和測(cè)量的電池充電電流計(jì)算電池的warburg阻抗；其中，所述電池充電電流為正弦紋波電流；

將電池的溫度、電池的充電電流和電池的warburg阻抗代入電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，計(jì)算得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，以表征電池健康狀態(tài)；其中，所述電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式由電池warburg阻抗的表達(dá)式推導(dǎo)得出。

進(jìn)一步的，所述電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程如下：

選定適合大容量單體電池的擴(kuò)散過(guò)程邊界條件，提出計(jì)算電池warburg阻抗的表達(dá)式，作為電池warburg阻抗的第一表達(dá)式；

根據(jù)電池warburg阻抗的實(shí)部與虛部相等的物理特性，建立電池warburg阻抗的第二表達(dá)式；

化簡(jiǎn)電池warburg阻抗的第二表達(dá)式中的常數(shù)項(xiàng)以及其他已知量，提取表征電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，得到電池warburg阻抗的第三表達(dá)式；

根據(jù)電池warburg阻抗的幅值特性，在電池warburg阻抗的第三表達(dá)式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得出電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式。

進(jìn)一步的，所述電池warburg阻抗的第一表達(dá)式，如下：

其中，ae為電極有效面積，d為與材料有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)，c為鋰離子摩爾濃度，r為氣體常數(shù)，t為絕對(duì)溫度，l為電池內(nèi)離子擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度，n為載荷子數(shù)量，f為法拉第常數(shù)；

所述電池warburg阻抗的第二表達(dá)式，如下：

所述化簡(jiǎn)電池warburg阻抗的第二表達(dá)式中的常數(shù)項(xiàng)以及其他已知量，提取表征電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，得到電池warburg阻抗的第三表達(dá)式，具體包括：

使用電池warburg阻抗的第二表達(dá)式中的cae作為表征電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，并定義kd2＝cae，得到電池warburg阻抗的第三表達(dá)式，如下：

其中，kd為電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子。

進(jìn)一步的，所述根據(jù)電池warburg阻抗的幅值特性，在電池warburg阻抗的第三表達(dá)式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得出電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，具體包括：

通過(guò)電池warburg阻抗的實(shí)部與虛部相等的物理特性，得到電池warburg阻抗的幅值特性，如下：

將代入電池warburg阻抗的第三表達(dá)式，得到：

定義n＝kii，并化簡(jiǎn)常數(shù)項(xiàng)，得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，如下：

其中，c為物理常數(shù)，t為電池的絕對(duì)溫度，zw為電池的warburg阻抗，i為電池的充電電流。

本發(fā)明的第二個(gè)目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)裝置，所述裝置包括：

獲取單元，用于獲取測(cè)量的電池溫度和電池充電電流，并基于設(shè)定的電池充電電壓和測(cè)量的電池充電電流計(jì)算電池的warburg阻抗；其中，所述電池充電電流為正弦紋波電流；

檢測(cè)單元，用于將電池的溫度、電池的充電電流和電池的warburg阻抗代入電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，計(jì)算得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，以表征電池健康狀態(tài)；其中，所述電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式由電池warburg阻抗的表達(dá)式推導(dǎo)得出。

本發(fā)明的第三個(gè)目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)儀，包括單片機(jī)、非線性比例積分控制器、buck電路、雙通道數(shù)字鎖定放大器、測(cè)量設(shè)備以及計(jì)算機(jī)，所述單片機(jī)、非線性比例積分控制器、buck電路、雙通道數(shù)字鎖定放大器、測(cè)量設(shè)備和計(jì)算機(jī)依次連接，所述buck電路還與單片機(jī)連接；

所述單片機(jī)，用于輸出額定載波頻率的epwm信號(hào)，以及使用微邊緣定位器在矩形充電脈沖上疊加正弦紋波電流；

所述非線性比例積分控制器，用于將單片機(jī)輸出的epwm信號(hào)整定為矩形充電脈沖，并輸入buck電路；

所述雙通道數(shù)字鎖定放大器，用于根據(jù)buck電路輸入的待測(cè)信號(hào)，求出測(cè)量的正弦紋波電流幅值，并通過(guò)測(cè)量設(shè)備輸出正弦紋波電流信號(hào)；

所述計(jì)算機(jī)，用于執(zhí)行上述的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法。

進(jìn)一步的，所述buck電路包括mosfet驅(qū)動(dòng)電路和電池電流檢測(cè)電路；

所述mosfet驅(qū)動(dòng)電路包括mosfet管，所述電池電流檢測(cè)電路包括二極管、電感、電容、采樣電阻和電壓放大電路，所述mosfet管的柵極與單片機(jī)的epwm信號(hào)輸出端口連接，mosfet管的漏極與電源連接，mosfet管的源極與二極管的負(fù)極、電感的一端連接，所述二極管的正極接地，所述電感的另一端與電容的一端、電池正極連接，所述電容的另一端接地，所述采樣電阻的一端與電池負(fù)極連接，采樣電阻的另一端接地，采樣電阻的兩端接入電壓放大電路；

所述電壓放大電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器和四個(gè)電阻，兩個(gè)運(yùn)算放大器的正向輸入端接地，其中兩個(gè)電阻的一端與運(yùn)算放大器的反向輸入端連接，另外兩個(gè)電阻的一端與兩個(gè)運(yùn)算放大器的反向輸入端一一對(duì)應(yīng)連接，另外兩個(gè)電阻的另一端與兩個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端一一對(duì)應(yīng)連接。

進(jìn)一步的，所述非線性比例積分控制器采用了電池充電電流控制算法，所述電池充電電流控制算法為比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的非線性組合，其時(shí)域函數(shù)如下：

其中，e(t)為t時(shí)刻單片機(jī)測(cè)量電流值和參考值的偏差，kp[e(t)]為比例環(huán)節(jié)p，kp為比例環(huán)節(jié)p的增益系數(shù)；為積分環(huán)節(jié)i，ki為積分環(huán)節(jié)i的增益系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述雙通道數(shù)字鎖定放大器包括乘法器、希爾伯特濾波器、低通濾波器、積分環(huán)節(jié)、除法器和加法器；

所述雙通道數(shù)字鎖定放大器中，根據(jù)buck電路輸入的待測(cè)信號(hào)，求出測(cè)量的正弦紋波電流幅值，并通過(guò)測(cè)量設(shè)備輸出，具體包括：

將待測(cè)信號(hào)i'(f0)和參考信號(hào)輸入同一個(gè)乘法器并積分得中間量u0，計(jì)算公式為：

其中，k為乘法器增益，a2為參考信號(hào)幅值，為參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的未知相位差；

乘法器輸出中間信號(hào)u0給低通濾波器，低通濾波器濾除高頻交流分量得另一中間量

將參考信號(hào)輸入希爾伯特濾波器做希爾伯特變換，再與待測(cè)信號(hào)i'(f0)相乘、積分，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻交流分量，得到另一中間量

v0信道和v00信道輸入除法器，得到測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的相位差

兩個(gè)v0信道輸入乘法器，兩個(gè)v00信道輸入乘法器，兩個(gè)乘法器的結(jié)果輸入加法器，得到所求信號(hào)

測(cè)量信號(hào)v(t)大小，求出測(cè)量的正弦紋波電流幅值a1。

本發(fā)明的第四個(gè)目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有程序，所述程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明假設(shè)電池內(nèi)部鋰離子擴(kuò)散過(guò)程是有限長(zhǎng)度且邊界受圍墻包圍，從而推導(dǎo)出warburg阻抗與電池鋰離子濃度、電池電極有效反應(yīng)面積、電池充電電流、電池溫度間的顯示表達(dá)式，基于這一表達(dá)式獲得電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子與電池阻抗、電池電流、電池溫度的關(guān)系式，基于所測(cè)量的電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子大小估計(jì)電池健康狀態(tài)。

2、本發(fā)明基于鋰電池內(nèi)部鋰離子擴(kuò)散過(guò)程的電化學(xué)反應(yīng)原理，提煉出電池?cái)U(kuò)散過(guò)程健康狀態(tài)因子與電池阻抗的關(guān)系，在給電池進(jìn)行高倍率充電同時(shí)，測(cè)量特定頻率點(diǎn)的電池阻抗。通過(guò)所測(cè)量的阻抗直接檢測(cè)電池健康狀態(tài)，并克服電池電流與電池溫度對(duì)電池健康狀態(tài)估計(jì)精度的影響，采用具有高分辨率脈沖寬度調(diào)制(hrpwm)模塊的單片機(jī)在給電池充電過(guò)程同時(shí)疊加小幅度的特定頻率電流紋波，通過(guò)數(shù)字鎖定放大器檢測(cè)正弦紋波電流的幅值與相位，實(shí)現(xiàn)電池阻抗的精確測(cè)量，能有效解決在鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，缺乏可靠快速檢測(cè)電池健康狀態(tài)儀器的難題，大幅提高電池健康狀態(tài)檢測(cè)效率。

3、本發(fā)明利用單片機(jī)有高分辨率脈沖寬度調(diào)制(hrpwm)的特點(diǎn)，把最邊緣的pwm時(shí)鐘周期(16.67納秒(10-9s))再細(xì)分為110小格，每小格為150皮秒(10-12s)，采用單片機(jī)內(nèi)的微邊緣定位器控制pwm脈沖邊緣以150皮秒為單位，按特定頻率正弦變化，從而在大的直流充電脈沖上疊加小幅度的交流紋波電流(正弦紋波電流)；采用數(shù)字鎖定放大器測(cè)量正弦紋波電流的幅值與相位，并把控制微邊緣定位器的正弦紋波視為施加在電池上的交流電壓信號(hào)，從而計(jì)算出特定充電倍率電流下的電池電化學(xué)阻抗。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施方式中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的buck電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的在矩形充電脈沖上疊加正弦紋波電流的示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的微邊緣定位器的工作原理圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的微邊緣定位器在一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)按正弦規(guī)律變化的示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的電池充電電流非線性比例積分控制方框圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的雙通道數(shù)字鎖定放大器的工作原理圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法的流程圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例1的電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式推導(dǎo)過(guò)程的流程圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例2的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀包括單片機(jī)101、非線性比例積分控制器102、buck電路103、雙通道數(shù)字鎖定放大器104、測(cè)量設(shè)備105以及計(jì)算機(jī)106，單片機(jī)101、非線性比例積分控制器102、buck電路103、雙通道數(shù)字鎖定放大器104、測(cè)量設(shè)備105和計(jì)算機(jī)106依次連接，buck電路103還與單片機(jī)101連接。

如圖1和圖2所示，buck電路103為基于buck變換原理的模擬電路，其包括mosfet驅(qū)動(dòng)電路和電池電流檢測(cè)電路，buck電路103與單片機(jī)101配合，能夠調(diào)節(jié)電池充電電流并監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部電流。

進(jìn)一步地，mosfet驅(qū)動(dòng)電路包括mosfet管，電池電流檢測(cè)電路包括二極管d、電感l(wèi)、電容c、采樣電阻r和電壓放大電路，其中二極管d為續(xù)流二極管，電感l(wèi)采用四個(gè)并聯(lián)的電感，電容c為濾波電容，mosfet管的柵極與單片機(jī)101的epwm信號(hào)輸出端口連接，mosfet管的漏極與電源(12v的電壓vin)連接，mosfet管的源極與二極管d的負(fù)極(陰極)、電感l(wèi)的第一端連接，二極管d的正極(陽(yáng)極)接地，電感l(wèi)的第二端與電容c的第一端、電池gb正極連接，電容c的第二端接地，采樣電阻r的第一端與電池gb負(fù)極連接，采樣電阻r的第二端接地，采樣電阻r的兩端接入電壓放大電路。

進(jìn)一步地，電壓放大電路包括第一運(yùn)算放大器u1、第二運(yùn)算放大器u2、第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3和第四電阻r4，第一運(yùn)算放大器u1和第二運(yùn)算放大器u2的正向輸入端(同相輸入端)接地，第一電阻r1的第一端與采樣電阻r的第一端連接，第一電阻r1的第二端與第一運(yùn)算放大器u1的反向輸入端(反相輸入端)連接，第二電阻r2的第一端與第一運(yùn)算放大器u1的反向輸入端連接，第二電阻r2的第二端與第一運(yùn)算放大器u1的輸出端連接，第三電阻r3的第一端與第一運(yùn)算放大器u1的輸出端連接，第三電阻r3的第二端與第二運(yùn)算放大器u2的反向輸入端連接，第四電阻r4的第一端與第二運(yùn)算放大器u2的反向輸入端連接，第四電阻r4的第二端與第二運(yùn)算放大器u2的輸出端連接。

本實(shí)施例中，電感l(wèi)、第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3和第四電阻r4的第一端為左端，電感l(wèi)、第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3和第四電阻r4的第二端為右端，電容c和采樣電阻r的第一端為上端，電容c和采樣電阻r的第二端為下端。

本實(shí)施例的調(diào)節(jié)電池充電電流并監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部電流過(guò)程，包括以下步驟：

1)程序通過(guò)設(shè)置時(shí)基計(jì)數(shù)器的工作模式和控制epwm模塊內(nèi)部的時(shí)基周期寄存器在單片機(jī)101內(nèi)部產(chǎn)生額定的載波頻率，該epwm模塊輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)是單片機(jī)101內(nèi)部pwm(脈沖寬度調(diào)制)信道和hrpwm(高分辨率脈沖寬度調(diào)制)信道輸出信號(hào)的疊加，pwm信道提供大信號(hào)輸出，用于產(chǎn)生矩形充電脈沖，hrpwm信道提供更為精細(xì)的信號(hào)輸出，用于在矩形充電脈沖(即直流脈沖)上疊加正弦紋波電流，使用hrpwm信道功能時(shí)的buck電路輸出電流的波形圖如圖3所示，從圖中可以看出，當(dāng)mosfet管導(dǎo)通時(shí)，電路中的電流為ipwm+ihrpwm；當(dāng)mosfet管關(guān)閉時(shí)，電路中的電流為0；因此，ipwm和ihrpwm保有高度一致性，單片機(jī)101可以輸出疊加在直流脈沖上的正弦紋波信號(hào)。

本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)在直流脈沖上疊加正弦紋波電流的關(guān)鍵技術(shù)——微邊緣定位器(mep)，微邊緣定位器是hrpwm中的一項(xiàng)技術(shù)，是單片機(jī)101內(nèi)部的一個(gè)模塊；如圖4所示，一般的pwm周期為單片機(jī)101系統(tǒng)時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，mep技術(shù)繼續(xù)將一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期劃分為若干更小的微邊緣定位器的工作周期；圖4所示各周期的關(guān)系可由下式表示：tpwm＝mtsysc、tsysc＝ntmep。其中tpwm為pwm工作周期，tsysc為單片機(jī)101系統(tǒng)工作周期，tmep為微邊緣定位器工作周期，m和n均為正整數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需求設(shè)定單片機(jī)101的工作頻率，并確定m和n的取值。

進(jìn)一步地，如圖5所示，epwm模塊中的cmpahr寄存器控制疊加電流的頻率與幅值，設(shè)計(jì)程序使cmpahr寄存器輸出的值在一個(gè)系統(tǒng)工作周期內(nèi)按某一正弦規(guī)律變化，即可在直流脈沖上疊加正弦紋波電流。

2)epwm信號(hào)由單片機(jī)101發(fā)出，通過(guò)非線性比例積分控制器102整定為矩形充電脈沖，由mosfet驅(qū)動(dòng)電路流入mosfet管的柵極，mosfet放大后的信號(hào)流入電池電流檢測(cè)電路。

3)當(dāng)epwm信號(hào)為高電平時(shí)，mosfet管導(dǎo)通，二極管d的陽(yáng)極電壓為零，陰極電壓為正，反向截止；電感l(wèi)中的電流逐漸增加，在電感l(wèi)兩端產(chǎn)生左端正右端負(fù)的自感電勢(shì)阻礙電流繼續(xù)上升，電感l(wèi)將電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)epwm信號(hào)為低電平時(shí)，mosfet管關(guān)閉，電感l(wèi)中的電流并不突變，其自感電勢(shì)阻礙電流下降，從而使二極管d正向偏置導(dǎo)通，于是電感l(wèi)中的電流經(jīng)二極管d構(gòu)成回路，電流值逐漸下降，電感l(wèi)中儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放給電池；電容c接地和電感l(wèi)減小輸出電壓vout的波動(dòng)。

4)限定第一電阻r1和第三電阻r3的阻值，改變第二電阻r2和第四電阻r4的大小，可以改變電壓的放大倍數(shù)，電壓放大電路將電池電壓測(cè)量值反饋到單片機(jī)101，單片機(jī)101將反饋信號(hào)處理后，輸出合適占空比的epwm信號(hào)，從而使得電池的輸入電流是可控的。

非線性比例積分控制器102可以將單片機(jī)101輸出的epwm信號(hào)整定為矩形充電脈沖，并輸入buck電路103，由于電池充電電流測(cè)量值并非線性變化，所以傳統(tǒng)的pid(proportionintegrationdifferentiation，比例積分微分)控制不能滿足本實(shí)施例的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)儀的控制需求，本實(shí)施例根據(jù)被控電流的變化規(guī)律建立了數(shù)學(xué)模型，并提出如圖6所示的非線性比例積分控制對(duì)該epwm信號(hào)進(jìn)行整流，用以降低調(diào)節(jié)時(shí)間并減小超調(diào)量。

進(jìn)一步地，非線性比例積分控制器采用了電池充電電流控制算法，電池充電電流控制算法為比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的非線性組合，其時(shí)域函數(shù)如下：

其中，e(t)為t時(shí)刻單片機(jī)測(cè)量電流值和參考值的偏差，因此本實(shí)施例控制的目的是調(diào)整u(t)的值，使e(t)的值穩(wěn)定在0附近。

kp[e(t)]為比例環(huán)節(jié)p，kp為比例環(huán)節(jié)p的增益系數(shù)，其本身也是個(gè)相對(duì)e(t)的函數(shù)，由于比例環(huán)節(jié)響應(yīng)速度最快，效果最明顯，kp參數(shù)是影響系統(tǒng)響應(yīng)，產(chǎn)生超調(diào)的最主要原因之一；當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)，則實(shí)時(shí)增加kp；當(dāng)系統(tǒng)偏差變小時(shí)，則實(shí)時(shí)適當(dāng)減小kp，變化公式為：kp＝a1em(t)+b1，根據(jù)電池的非線性特性，m可取2。

為積分環(huán)節(jié)i，ki為積分環(huán)節(jié)i的增益系數(shù)，其本身也是相對(duì)e(t)的函數(shù)。ki參數(shù)主要是提升系統(tǒng)穩(wěn)定特性，若ki過(guò)大，也會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)；積分環(huán)節(jié)的作用是用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，所以當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)，則實(shí)時(shí)減小ki，當(dāng)系統(tǒng)偏差變小時(shí)，則實(shí)時(shí)增大ki，變化公式為：ki＝a2en(t)+b2，n可取0.5。

本實(shí)施例引入了兩個(gè)非線性環(huán)節(jié)，每個(gè)非線性環(huán)節(jié)有兩個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)，非線性環(huán)節(jié)整體共有a1、b1、a2、b2這四個(gè)參數(shù)以供調(diào)節(jié)，本實(shí)施例根據(jù)每次不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)以上四個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，每一次調(diào)試都要對(duì)四個(gè)參數(shù)全部重新調(diào)整。

參考圖3的輸入信號(hào)和圖2的buck電路圖，圖2中反饋給單片機(jī)101的測(cè)量電流可表示為：

其中，i(f0)為待測(cè)信號(hào)，dct為緩慢變化的高倍率直流信號(hào)，而表示小幅度的交流信號(hào)，u(n)為噪聲。

使用數(shù)字趨勢(shì)濾波器，濾除緩慢變化的直流項(xiàng)dct，得到交流變化項(xiàng)：

雙通道數(shù)字鎖定放大器104，用于根據(jù)buck電路103輸入的待測(cè)信號(hào)，求出測(cè)量的正弦紋波電流幅值，并通過(guò)測(cè)量設(shè)備輸出正弦紋波電流信號(hào)，其中測(cè)量設(shè)備105可以為示波器等設(shè)備；具體地，雙通道數(shù)字鎖定放大器104包括乘法器、希爾伯特濾波器、低通濾波器、積分環(huán)節(jié)、除法器和加法器。

如圖7所示，本實(shí)施例的雙通道數(shù)字鎖定放大器104的工作原理如下：

1)將待測(cè)信號(hào)i'(f0)和參考信號(hào)輸入同一個(gè)乘法器并積分得中間量u0，計(jì)算公式為：

其中，k為乘法器增益，a2為參考信號(hào)幅值，為參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的未知相位差。

2)乘法器輸出中間信號(hào)u0給低通濾波器，低通濾波器濾除高頻交流分量得另一中間量

3)將參考信號(hào)輸入希爾伯特濾波器做希爾伯特變換，再與待測(cè)信號(hào)i'(f0)相乘、積分，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻交流分量，得到另一中間量

4)v0信道和v00信道輸入除法器，得到測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的相位差

5)兩個(gè)v0信道輸入乘法器，兩個(gè)v00信道輸入乘法器，兩個(gè)乘法器的結(jié)果輸入加法器，得到所求信號(hào)

6)測(cè)量信號(hào)v(t)大小，求出測(cè)量的正弦紋波電流幅值a1。

計(jì)算機(jī)106，用于獲取測(cè)量的電池溫度和電池充電電流，并基于設(shè)定的電池充電電壓和測(cè)量的電池充電電流計(jì)算電池的warburg阻抗(瓦伯格阻抗，即電化學(xué)阻抗)；將電池的溫度、電池的充電電流和電池的warburg阻抗代入電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，計(jì)算得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，以表征電池健康狀態(tài)；其中，電池的溫度可以通過(guò)熱電偶測(cè)量，電池的充電電流為通過(guò)上述測(cè)量設(shè)備105輸出得到的正弦紋波電流，電池的warburg阻抗為表征電池?cái)U(kuò)散過(guò)程的阻抗，計(jì)算公式為：

如圖8所示，本實(shí)施例還提供了一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法，該方法基于上述的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

s801、單片機(jī)輸出額定載波頻率的epwm信號(hào)。

s802、非線性比例積分控制器將單片機(jī)輸出的epwm信號(hào)整定為矩形充電脈沖，并輸入buck電路。

s803、使用微邊緣定位器在矩形充電脈沖上疊加正弦紋波電流。

s804、使用雙通道數(shù)字鎖定放大器接收buck電路輸入的待測(cè)信號(hào)，求出測(cè)量的正弦紋波電流幅值，并通過(guò)測(cè)量設(shè)備輸出正弦紋波電流信號(hào)給計(jì)算機(jī)。

s805、計(jì)算機(jī)獲取測(cè)量的電池溫度和正弦紋波電流，并基于設(shè)定的電池充電電壓和測(cè)量的正弦紋波電流計(jì)算電池的warburg阻抗。

s806、將電池的溫度、電池的充電電流和電池的warburg阻抗代入電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，計(jì)算得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，以表征電池健康狀態(tài)。

如圖9所示，本實(shí)施例的電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程如下：

s901、選定適合大容量單體電池的擴(kuò)散過(guò)程邊界條件，提出計(jì)算電池warburg阻抗的表達(dá)式，作為電池warburg阻抗的第一表達(dá)式。

具體地，本實(shí)施例基于“有限擴(kuò)散長(zhǎng)度與不可穿透圍墻”理論，為了定量計(jì)算鋰電池中內(nèi)部物質(zhì)的擴(kuò)散邊界，提出電池warburg阻抗的表達(dá)式：

其中，ae為電極有效面積，d為與材料有關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)，c為鋰離子摩爾濃度，r為氣體常數(shù)，t為絕對(duì)溫度，l為電池內(nèi)離子擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度，n為載荷子數(shù)量，f為法拉第常數(shù)。

s902、根據(jù)電池warburg阻抗的實(shí)部與虛部相等的物理特性，建立電池warburg阻抗的第二表達(dá)式。

具體地，由電池warburg阻抗的實(shí)部與虛部相等的物理特性，重新定義電池warburg阻抗的表達(dá)式，作為電池warburg阻抗的第二表達(dá)式：

s903、化簡(jiǎn)電池warburg阻抗的第二表達(dá)式中的常數(shù)項(xiàng)以及其他已知量，提取表征電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，得到電池warburg阻抗的第三表達(dá)式。

由于電池的阻抗測(cè)量是在同一大電流激勵(lì)下完成，“a2(ω)(1-j)”只和電池的溫度變化有關(guān)。

使用電池warburg阻抗的第二表達(dá)式中的cae作為表征電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，并定義kd2＝cae，得到電池warburg阻抗的第三表達(dá)式，如下：

其中，kd為電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子。

s904、根據(jù)電池warburg阻抗的幅值特性，在電池warburg阻抗的第三表達(dá)式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得出電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式。

該步驟s904具體包括：

s9041、通過(guò)電池warburg阻抗的實(shí)部與虛部相等的物理特性，得到電池warburg阻抗的幅值特性，如下：

s9042、將代入電池warburg阻抗的第三表達(dá)式，得到：

s9043、定義n＝kii，并化簡(jiǎn)常數(shù)項(xiàng)，得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，如下：

其中，c為物理常數(shù)，t為電池的絕對(duì)溫度，zw為電池的warburg阻抗，i為電池的充電電流。

觀察電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，可以看出，kd是一個(gè)僅受電池warburg阻抗、電池的溫度、電池的充電電流影響的物理量。

應(yīng)當(dāng)注意，盡管在附圖中以特定順序描述了上述實(shí)施例方法的操作，但是這并非要求或者暗示必須按照該特定順序來(lái)執(zhí)行這些操作，或是必須執(zhí)行全部所示的操作才能實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。相反，描繪的步驟可以改變執(zhí)行順序。附加地或備選地，可以省略某些步驟，將多個(gè)步驟合并為一個(gè)步驟執(zhí)行，和/或?qū)⒁粋€(gè)步驟分解為多個(gè)步驟執(zhí)行。

實(shí)施例2：

如圖10所示，本實(shí)施例提供了一種電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)裝置，該裝置包括獲取單元1001和檢測(cè)單元1002，各個(gè)單元的具體功能如下：

獲取單元1001，用于獲取測(cè)量的電池溫度和電池充電電流，并基于設(shè)定的電池充電電壓和測(cè)量的電池充電電流計(jì)算電池的warburg阻抗；其中，所述電池充電電流為正弦紋波電流。

檢測(cè)單元1002，用于將電池的溫度、電池的充電電流和電池的warburg阻抗代入電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，計(jì)算得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，以表征電池健康狀態(tài)；其中，所述電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式由電池warburg阻抗的表達(dá)式推導(dǎo)得出。

上述單元的具體實(shí)現(xiàn)參見(jiàn)上述實(shí)施例1，不再一一贅述；再次需要說(shuō)明的是，上述實(shí)施例提供的裝置僅以上述各功能單元的劃分進(jìn)行舉例說(shuō)明，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要而將上述功能分配由不同的功能單元完成，即將內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分成不同的功能單元，以完成以上描述的全部或者部分功能。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例提供了一種存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)為計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例1的電池健康狀態(tài)快速檢測(cè)方法，如下：

獲取測(cè)量的電池溫度和電池充電電流，并基于設(shè)定的電池充電電壓和測(cè)量的電池充電電流計(jì)算電池的warburg阻抗；其中，所述電池充電電流為正弦紋波電流；

將電池的溫度、電池的充電電流和電池的warburg阻抗代入電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式，計(jì)算得到電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子，以表征電池健康狀態(tài)；其中，所述電池?cái)U(kuò)散過(guò)程衰減因子表達(dá)式由電池warburg阻抗的表達(dá)式推導(dǎo)得出。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可以是計(jì)算機(jī)可讀信號(hào)介質(zhì)或者計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)或者是上述兩者的任意組合。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)例如可以是但不限于電、磁、光、電磁、紅外線、或半導(dǎo)體的系統(tǒng)、裝置或器件，或者任意以上的組合。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)的更具體的例子可以包括但不限于：具有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)線的電連接、便攜式計(jì)算機(jī)磁盤(pán)、硬盤(pán)、隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(ram)、只讀存儲(chǔ)器(rom)、可擦式可編程只讀存儲(chǔ)器(eprom或閃存)、光纖、便攜式緊湊磁盤(pán)只讀存儲(chǔ)器(cd-rom)、光存儲(chǔ)器件、磁存儲(chǔ)器件、或者上述的任意合適的組合。

綜上所述，本發(fā)明利用buck電路、非線性比例積分控制技術(shù)、hrpwm技術(shù)和雙通道數(shù)字鎖定放大器計(jì)算出了鋰電池在特定頻率充電電流下的內(nèi)部阻抗，并基于“有限擴(kuò)散長(zhǎng)度與不可穿透圍墻”理論，推算出該阻抗可以代表電池內(nèi)部離子擴(kuò)散過(guò)程的衰減程度，從而明確被測(cè)電池的健康狀態(tài)。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實(shí)施例，但本發(fā)明專利的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利所公開(kāi)的范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。

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