[發明專利]一種基于數字孿生和可編程電阻的EIS在線測量方法

有效

• 申請號: 202210011948.1
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114062786B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 楊世春;申海池;李強偉;周新岸;閆嘯宇;曹耀光;陳飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R27/02
• 分類號: G01R27/02;G01R31/389;B60L58/10;H01M10/48;H01M10/42
• 代理公司: 北京天匯航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明公開了一種基于數字孿生和可編程電阻的EIS在線測量方法，利用車端的可編程電阻以及IGBT開關實現EIS的中高頻段的在線測量，將中高頻段阻抗信息傳回云端電池管理系統，再將中高頻段信息輸入部署在云端電池管理系統數字孿生模型中的的神經網絡算法，估計EIS的低頻段信息，組成完整頻段的的電化學阻抗譜，用來更新云端電池管理系統的數字孿生電池模型，得到精確的電池狀態信息，實現對動力電池的機理層面的狀態檢測和數字孿生模型的迭代更新。本發明的技術方案，無需外接激勵源，可在線測量，所需設備簡單可靠、體積小；可實時更新，成本低。

技術領域

本發明屬于新能源汽車、智能網聯、車云協同管理技術領域，尤其涉及一種基于數字孿生和可編程電阻的EIS在線測量方法。

背景技術

鋰離子電池作為當前新能源汽車中使用最廣泛的儲能系統，其安全性、可靠性是制約新能源汽車技術進一步發展與大規模普及應用的關鍵，而鋰離子電池安全可靠管理的關鍵在于深入電池機理的精確可靠的電池狀態估計，傳統的車載電池管理系統受嵌入式控制器有限計算和存儲資源的制約，無法部署算力和內存密集型的復雜高精度控制算法。只能用實驗的方法離線標定電池的電化學參數，通過查表法進行電池狀態估計，無法實現深入電池機理的狀態估計，從而也無法保證在線電池狀態估計的高精度。

電化學阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，簡稱EIS）具有寬頻率范圍的豐富阻抗信息，可以反映電池各個電極的電化學反應過程，也可以間接表征電池的溫度、荷電狀態和健康狀態等特性。通過利用電化學阻抗譜可以實現深入電池機理的高精度電池狀態估計。傳統的電化學阻抗譜是在電池處于平衡狀態下，施加小幅正弦交流激勵信號，通過計算同頻率下的交流激勵響應及正弦交流激勵來計算當前頻率下的阻抗得到的。這種方法的測量儀器價格昂貴，需要交流激勵源，因此傳統的EIS測量通常只能在實驗室進行。

基于云平臺的數字孿生技術，是通過對物理世界的人、物或者事件等現實對象數字化，在網絡空間中再造一個與之對應的“虛擬的對象”，現實對象的物理變化同步上傳至網絡空間，對虛擬對象進行實時更新，可以實現虛擬對象對現實對象的無限逼近。數字孿生技術運用在車載鋰離子電池上，可以利用電化學阻抗譜信息對電池狀態進行超高精度的估計。

發明內容

為了解決傳統EIS測量需要外接激勵源的缺陷，本發明提出一種基于數字孿生和可編程電阻實現的、自激勵的直接測量和神經網絡估計協同的為云端電池管理提供支撐的車端EIS測量技術，本發明的具體技術方案如下：

一種基于數字孿生和可編程電阻的EIS在線測量方法，通過電化學阻抗譜測量電路測量EIS的中高頻段，在云端電池管理系統中，將中高頻段信息輸入數字孿生模型中的神經網絡算法估計EIS的低頻段信息；所述電化學阻抗譜測量電路包括產生不同頻率的激勵電壓的IGBT開關、控制激勵電壓響應幅值的車端的可編程電阻及采集響應電流和響應電壓信號的電流電壓傳感器，所述方法通過車端電池管理系統和云端電池管理系統協同實現，其特征在于，包括以下步驟：

S1：車載電池處于靜置狀態超過2小時后，車端電池管理系統被定時模塊喚醒，根據車端電池管理系統測得的電池狀態信息確定可編程電阻阻值，計算出阻值從大到小排列的測量電阻序列{R1,R2,…,Rn}，從電池管理系統讀取EIS中大于20H_Z的中高頻段的從小到大排列的頻率序列{f1,f2,…,fs}；

S2：將可編程電阻調至最大電阻R1，IGBT開關通斷頻率設為最大頻率fs，對電阻序列{R1,R2,…,Rn}下的電阻端電壓和電流依次采樣，采樣時間統一為t=1/min(f1,f2,…,fs)，確定使得電阻端電壓和電流呈線性范圍的序列段{Ri,Rj}，得到最佳電阻值R=(Ri+Rj)/2；

S3：使用測試頻率序列{f1,f2,…,fs}對電阻為R的可編程電阻端電壓和電流進行依次采樣，采樣時間統一為t=1/min(f1,f2,…,fs)，并進行小波分析，通過電壓與電流的小波變換系數之比得到阻抗值；