一種在線估算蓄電池內(nèi)阻的計算方法

呂楊蒙，朱自偉，劉寶泉

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一種在線估算蓄電池內(nèi)阻的計算方法

呂楊蒙，朱自偉，劉寶泉

（陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

內(nèi)阻是蓄電池最重要的特性參數(shù)之一,也是評價蓄電池性能的重要指標(biāo)。針對現(xiàn)有測量蓄電池內(nèi)阻方法無法在線測量、需要專用設(shè)備測量的不足，提出了一種在線測量蓄電池內(nèi)阻的計算方法。依據(jù)蓄電池在充放電過程中檢測到的電流、電壓，根據(jù)蓄電池充電、放電過程中電流反向會有過零點(diǎn)這一特性，利用對電流的定積分來抵消計算電池內(nèi)阻過程中蓄電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)引起的電池內(nèi)阻變化，通過一系列計算來估算出蓄電池內(nèi)阻。基于MATLAB軟件，編寫了蓄電池內(nèi)阻估算算法程序，在Simulink中實(shí)現(xiàn)了仿真驗(yàn)證。結(jié)果證明該計算方法無需借助輔助設(shè)備和測試設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)在線估算蓄電池內(nèi)阻，具有簡單方便、計算精確、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

蓄電池內(nèi)阻；在線估算；過零點(diǎn)；定積分

蓄電池的內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。不同類型的電池內(nèi)阻也不同，相同類型的電池，由于內(nèi)部化學(xué)特性的不一致，內(nèi)阻也不一樣[1-2]。電池的內(nèi)阻很小，一般用毫歐的單位來定義它。國內(nèi)外研究表明，蓄電池的內(nèi)阻參數(shù)變化很大程度上反映了它的使用壽命[3-4]。電池內(nèi)阻是電池最重要的特性參數(shù)之一，也是評價電池性能的主要指標(biāo)，可評價電池的健康度，電池壽命估算,以及進(jìn)行系統(tǒng)估算，功率輸出輸入能力等電池運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù),也可作為評估電池是否損壞或故障、電池的連接是否有問題的依據(jù)。

直流放電內(nèi)阻測量法是利用測試設(shè)備讓電池在短時間內(nèi)強(qiáng)制通過一個很大的恒定直流電流，測量此時電池兩端的電壓，并按公式計算出當(dāng)前的電池內(nèi)阻[7]。該方法只能測量大容量電池，對小容量的電池內(nèi)阻無法進(jìn)行測量，并且大電流通過電池時對電池內(nèi)部的電極有一定損傷。交流壓降內(nèi)阻測量法是給電池施加一個固定頻率和固定電流[8-9]，然后對其電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運(yùn)放電路計算出該電池的內(nèi)阻值[10]。該方法可以測量幾乎所有的電池，包括小容量電池，但是測量精度很可能會受到紋波電流的影響，同時還有諧波電流干擾的可能。

目前對內(nèi)阻估算大多數(shù)在理論階段,實(shí)驗(yàn)室建模測試或電池組外加輔助設(shè)備進(jìn)行內(nèi)阻估算，但在蓄電池使用過程中不能外加測量設(shè)備進(jìn)行測量，所以無法在線估算出蓄電池內(nèi)阻，而在電池均衡控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中非常有必要在線估算出電池的內(nèi)阻值。

1 蓄電池等效模型

電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，常見的電池等效模型有Rint模型、Thevenin模型和PNGV模型，但是后兩種模型在計算時比較復(fù)雜，一般在要求不高的情況下，使用Rint模型來等效電池。

Rint模型（也稱內(nèi)阻模型）由美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計[11]，它是將電池等效為一個電壓源和電阻的串聯(lián)，等效電路中電壓源和電阻隨電池狀態(tài)不同而時時變化。在本研究中把電池等效為一個電容和電阻的串聯(lián)，如圖1所示。電池的開路電壓和內(nèi)阻隨電池的狀態(tài)不同而時時變化。電池在充放電時，充放電電流在時間上的累積引起電池SOC的變化，從而導(dǎo)致電池開路電壓變化，體現(xiàn)在電容上的電壓變化[12]。電容上的容量既表征了電池的容量，又體現(xiàn)了電池充放電過程中的直流響應(yīng)，彌補(bǔ)了Rint模型的不足，更加符合電池的特性。

圖1 電池等效模型

2 蓄電池內(nèi)阻的估算算法

圖2 電池充放電電流示意圖

將式(6)代入式(7)中，得

由式(9)和式(10)可以得到電池的內(nèi)阻，即

3 蓄電池內(nèi)阻仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 算法仿真

在MATLAB中編寫蓄電池內(nèi)阻測量算法程序，對該計算方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，判斷算法的可行性。

實(shí)驗(yàn)的控制電路是利用buck電路[13]來實(shí)現(xiàn)電池的充電和放電過程，仿真電路如圖3所示，MOSFET的導(dǎo)通、關(guān)斷通過脈沖發(fā)生器來控制，MOSFET開關(guān)狀態(tài)的更迭瞬間完成，開關(guān)S位置的轉(zhuǎn)換通過定時器來控制，而且開關(guān)S位置的轉(zhuǎn)換也在瞬間完成，通過開關(guān)S的開通和關(guān)斷來模擬對電池的充電和放電。

圖3 在線估算電池內(nèi)阻電路仿真

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真中設(shè)定電池的內(nèi)阻=0.05 Ω時，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4(a)表示電池充放電時的電流變化測試圖，橫坐標(biāo)表示時間軸，縱坐標(biāo)表示電池充放電的電流大小，0～0.5 s的時間內(nèi)電池充電，0.5 s時電池開始放電，電流反向；1～1.5 s電池又開始充電，1.5 s時電池放電，電流反向。圖4(b)表示測得的內(nèi)阻測試結(jié)果圖，橫坐標(biāo)表示時間軸，縱坐標(biāo)表示電池內(nèi)阻阻值，0～1 s和1～2s時間段內(nèi)電池都有充電過程和放電過程，電流曲線會經(jīng)過兩次零點(diǎn)，可以測得兩次的電池內(nèi)阻分別為0.051 Ω和0.051 Ω，與設(shè)定的電池內(nèi)阻值0.05 Ω相比，誤差在2%之內(nèi)。設(shè)定電池的內(nèi)阻=0.08 Ω時，仿真結(jié)果如圖5所示，兩次測得的電池內(nèi)阻分別為0.081 Ω和0.082 Ω，與設(shè)定的電池內(nèi)阻值0.08 Ω相比，誤差在2.5%之內(nèi)。設(shè)定電池的內(nèi)阻=0.1 Ω時，仿真 結(jié)果如圖6所示，兩次測得的電池內(nèi)阻分別為0.102 Ω和0.103 Ω，與設(shè)定的電池內(nèi)阻值0.1 Ω相比，誤差在3%之內(nèi)。

3次測試所得的電池內(nèi)阻值與設(shè)定的電池內(nèi)阻值相比，誤差范圍都比較小，符合電池的內(nèi)阻測量精度誤差控制的要求，仿真結(jié)果表明該計算方法是可行的。

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4 結(jié) 論

針對現(xiàn)有測量電池內(nèi)阻方法所存在的問題，提出了一種在線測量電池內(nèi)阻的計算方法，在MATLAB軟件上對電池內(nèi)阻的計算方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明了該計算方法達(dá)到了預(yù)期效果。該計算方法有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

（1）該方法能比較準(zhǔn)確地估算出蓄電池的 內(nèi)阻；

（2）該方法能在蓄電池使用過程中計算出電池的內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)了在線估算；

（3）不需要借助外加設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻的估算，簡單方便，易于實(shí)現(xiàn)。

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A calculation method for estimating internal resistance of battery online

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science&Technology, Xi’an 710021, Shaanxi, China )

The internal resistance of the battery is one of the most important characteristic parameters of the battery, and it is also an important indicator for evaluating the performance of the battery. In order to solve the problem that the existing measurement methods of battery internal resistance, which can’t be measured online and require special equipment measurement, the paper proposes a calculation method for online measurement of battery internal resistance.The method is based on the current and voltage detected by the battery in the process of charge and discharge, according to the characteristic that the current have a zero-crossing in the charge and discharge process, the definite integral of the current is used to counteract the change of the internal resistance of the battery caused by the internal chemical reaction of the battery during the calculation of the internal resistance of the battery, through a series of calculations to estimate the internal resistance of the battery. The battery internal resistance estimation algorithm is written in MATLAB,and the simulation verification is realized. The results show that the calculation method can realize online estimate the internal resistance without the aid of auxiliary equipment and test equipment, it has the advantages of simple and convenient, accurate calculation and easy implementation.

internal resistance of the battery; estimation online; zero-crossing; definite integral

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0224

TQ 028.8

A

2095-4239（2019）02-264-05

2018-11-13；

2018-11-19。

呂楊蒙（1991—），男，碩士研究生，從事微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)，E-mail：2439676574@qq.com；

劉寶泉，副教授，從事微電網(wǎng)及儲能研究，E-mail: comeliu299@163.com。