本发明涉及一种带健康监测功能的电池车载充放电机，包括监测与控制单元、双向功率变换单元以及整流电路，监测与控制单元在电池充电或放电目标值上叠加一个方波信号，基于该信号与实际电流之差计算双向功率变换单元中IGBT的占空比，经PWM驱动单元控制IGBT的通断，使得电池充电或放电电流与叠加信号一致；信号采集与处理单元将采集信号传送到FPGA，FPGA对收到的电池电流及各电池电压进行快速傅里叶变换，将电流及电压信号转换为直流分量与不同频率交流分量之和，FPGA计算得到各频率下个电池阻抗，并与出厂时的阻抗值进行比较，依此判断各电池的健康状态。本发明电路简洁，结构紧凑，将电池健康监测与充放电控制合二为一，去掉了传统健康监测系统所需的交流激励电流源。
1.一种带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法，所述带健康监测功能的电池车载充放电机包括至少一个监测与控制单元、双向功率变换单元、整流电路，所述双向功率变换单元用于分别连接被测电池组和直流母线，整流电路用于连接电网和直流母线，所述监测与控制单元包括信号采集与处理单元、FPGA、DSP、PWM驱动单元以及CAN通信接口，所述信号采集与处理单元输入端采集所述电池组电池电流、各单片电池电压以及双向功率变换单元两端电压和电流信号，所述信号采集与处理单元的输出端通过FPGA与DSP连接，所述DSP通过PWM驱动单元控制所述双向功率变换单元，所述DSP通过CAN通信接口与外部实现通讯，所述带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法是：所述监测与控制单元在电池充电或放电目标值上叠加一个方波信号，基于叠加后的信号与实际电流之差计算双向功率变换单元中IGBT的占空比，经PWM驱动单元控制IGBT的通断，使得电池充电或放电电流与叠加信号一致；FPGA对收到的电池电流及各电池电压进行快速傅里叶变换，将电流及电压信号转换为直流分量与不同频率交流分量之和；FPGA将各片电池各频率的电压分量除以同频率的电流分量，得到各频率下各电池阻抗，并与出厂时的阻抗值进行比较，依此判断各电池的健康状态，其特征在于：所述双向功率变换单元中，四个IGBT的通断具有多种组合模式，通过不同组合可实现电池组向直流母线升压供电、降压供电，电网或直流母线向电池组升压充电、降压充电；IGBT 210常通，IGBT220及IGBT 230常断，IGBT 240以一定的占空比通断，则电池组向直流母线升压供电；IGBT 220、IGBT 230及IGBT 240常断，IGBT 210以一定的占空比通断，则电池组向直流母线降压供电；IGBT 230常通，IGBT 210及IGBT 240常断，IGBT 220以一定的占空比通断，则电网或直流母线向电池组升压充电；IGBT 210、IGBT 220及IGBT 240常断，IGBT 230以一定的占空比通断，则电网或直流母线向电池组降压充电。
2.如权利要求1所述的带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法，其特征在于：
在电池充电或放电目标值电流上叠加一个方波信号，方波幅值不大于电池目标电流有效值的5％，方波频率即为基波频率，设定为1kHz。
3.如权利要求1所述的带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法，其特征在于：
DSP基于目标电流叠加方波后的信号与实际电流之差计算双向功率变换单元中IGBT的占空比，经PWM驱动单元控制IGBT的通断，使得电池充电或放电电流与叠加信号一致；信号采集与处理单元实时采集电池电流、各单片电池电压、双向功率变换单元两端电压和电流，将采集值传送到FPGA。
4.如权利要求1所述的带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法，其特征在于：
FPGA对收到的电池电流及各电池电压进行快速傅里叶变换，将电流及电压信号转换为直流分量与不同频率交流分量之和，FPGA将各片电池各频率的电压分量除以同频率的电流分量，得到各频率下各电池阻抗，并与出厂时的阻抗值进行比较，依此判断各电池的健康状态。
5.如权利要求4所述的带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法，其特征在于：
其中，I0为直流分量，ω为基波频率，i表示谐波次数，αi为i次谐波相角，Ii为i次谐波幅值；
其中，Uk，0为第k片电池电压直流分量，βk，i为i次谐波相角，Uk，i为i次谐波电压幅值；
6.如权利要求1所述的带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法，其特征在于：
根据电池出厂参数设定阻抗阈值，当检测到的阻抗阈值大于设定值时，判定电池健康状态异常。
一种带健康监测功能的电池车载充放电机
技术领域
[0001] 本发明属于一种电池车载充放电机，特别是一种带健康监测功能的电池车载充放电机。
背景技术
[0002] 能源短缺、环境污染、气候变暖是全球能源领域面临的共同挑战。进入21世纪以来，随着石油、煤炭等不可再生能源的日趋枯竭，环境污染日益严重，节能与环保已成为世界各国亟待解决的二大问题。
[0003] 根据美国能源部下属能源情报署的数据，2012年全球石油需求量为8905万桶/日；瑞士银行2012年年底的报告称目前世界已证实石油储量有1.8万亿桶，这意味着按现有石油消费水平和当前证实的石油储量，世界石油还可开采46年。国际能源署预测[1]，至2035年，全球年能源需求将从2009年的120亿吨石油当量增加到170-180亿吨石油当量；二氧化碳排放方面，如果保持当前的排放政策，排放量将从2009年的290亿吨上升到430亿吨，即使采用新规，排放量也会上升到360亿吨。汽车排放约占总排放的四分之一。
[0004] 目前我国已成为世界第二能源消耗大国。2012年消耗石油4.93亿吨，原油对外依存度为56.42％，达历史最高值，预计到2030年，我国80％的石油将依赖进口，能源安全问题日益严峻。在2009年12月7日召开的哥本哈根联合国气候变化大会上,我国政府再次重申了到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15％左右的目标，并首次提出到2020年，我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％-45％的减排计划。而我国正处于工业化背景下较高碳当量的经济运行状态，实现减碳目标任重而道远。2013年10月，工信部节能与综合利用司官员表示，我国已经是二氧化碳排放第一大国，增量也占全球的70％以上，在国际上面临的节能减碳压力越来越大。因此，发展电动汽车是下一代汽车技术的必由之路，电池又是电动汽车的关键部件之一。
[0005] 在电池应用过程中，保障其充电、放电过程中的安全性是需要解决的首要问题。车载充放电机是必不可少的，还必须对电池进行健康监测。内阻是衡量电池健康状态的关键参数之一。因此，为了确保安全、稳定、高效运行，必须对各单片电池内阻进行实时监控。但是，由于电池内阻可以呈容性、感性和纯阻性，单片内阻大小为mΩ级，而且具有时变性，监测难度很大。
[0006] 目前，电池充放电机与健康监测仪一般是2个独立设备，分别实现充放电及健康监测功能。内阻测试仪一般不能在线工作，需要配备宽频率范围的交流电流激励源，为电池提供交流扰动信号，还需要电池测试台、电子负载、频率分析仪等复杂仪器，这使得该类测试平台非常复杂，体积大、重量大、成本高，不便于车载运行成本很高，只能在实验室环境下进行测试。加拿大安大略省洁能氏公司专利WO02/27342和WO2003/083498,拿大不列颠哥伦比亚省绿光电力技术公司专利WO2003/098769,通过对电子负载的控制来测试电池内阻，由于实际电池所带负载不能按测试要求控制，所以他们的方法不能进行在线测试。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种简单、可靠、可车载使用的带健康监测功能的电池车载充放电机，以克服现有设备的不足。
[0008] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0009] 一种带健康监测功能的电池车载充放电机，包括至少一个监测与控制单元、双向功率变换单元、整流电路，所述双向功率变换单元用于分别连接被测电池组和直流母线，整流电路用于连接电网和直流母线，其特点是：所述监测与控制单元包括信号采集与处理单元、FPGA、DSP、PWM驱动单元以及CAN通信接口，所述信号采集与处理单元输入端采集所述电池组电池电流、各单片电池电压以及双向功率变换单元两端电压和电流信号，所述信号采集与处理单元的输出端通过FPGA与DSP连接，所述DSP通过PWM驱动单元控制所述双向功率变换单元，所述DSP通过CAN通信接口与外部实现通讯。
[0010] 基于上述带健康监测功能的电池车载充放电机，本发明还提供一种带健康监测功能的电池车载充放电机的控制方法，其控制方法是：
[0011] 所述监测与控制单元在电池充电或放电目标值上叠加一个方波信号，基于该信号与实际电流之差计算双向功率变换单元中IGBT的占空比，经PWM驱动单元控制IGBT的通断，使得电池充电或放电电流与叠加信号一致；FPGA对收到的电池电流及各电池电压进行快速傅里叶变换，将电流及电压信号转换为直流分量与不同频率交流分量之和；FPGA将各片电池各频率的电压分量除以同频率的电流分量，得到各频率下个电池阻抗，并与出厂时的阻抗值进行比较，依此判断各电池的健康状态。
[0012] 上述在电池充电或放电目标值电流上叠加一个方波信号，方波幅值不大于电池目标电流有效值的5％，方波频率即为基波频率，设定为1kHz。
[0013] 所述双向功率变换单元中，四个IGBT的通断具有多种组合模式，通过不同组合可实现电池组向直流母线供电、降压供电，电网或直流母线向电池组升压充电、降压充电，IGBT 210常通，IGBT 220及IGBT230常断，IGBT 240以一定的占空比通断，则电池组向直流母线升压供电；IGBT 220、IGBT 230及IGBT 240常断，IGBT 210以一定的占空比通断，则电池组向直流母线降压供电；IGBT 230常通，IGBT 210及IGBT 240常断，IGBT 220以一定的占空比通断，则电网或直流母线向电池组升压充；IGBT 210、IGBT 220及IGBT 240常断，IGBT 230以一定的占空比通断，则电网或直流母线向电池组降压充电。
[0014] 电池组向直流母线供电时工作于升压或降压，取决于电池组与直流母线电压的大小。如电池组电压高于直流母线电压，应工作于降压模式；如电池组电压低于直流母线，则应工作于升压模式。充电时，如电池组电压高于直流母线电压，应工作于升压模式；反之，应工作于降压模式。
[0015] 上述DSP基于目标电流叠加方波后的信号与实际电流之差计算双向功率变换单元中IGBT的占空比，经PWM驱动单元控制IGBT的通断，使得电池充电或放电电流与叠加信号一致；信号采集与处理单元实时采集电池电流、各单片电池电压、双向功率变换单元两端电压和电流，将采集值传送到FPGA。
[0016] 上述FPGA对收到的电池电流及各电池电压进行快速傅里叶变换，将电流及电压信号转换为直流分量与不同频率交流分量之和。FPGA将各片电池各频率的电压分量除以同频率的电流分量，得到各频率下个电池阻抗，并与出厂时的阻抗值进行比较，依此判断各电池的健康状态。
[0017] 电池电流变换为：
[0018]
[0019] 其中，I0为直流分量，ω为基波频率，i表示谐波次数，αi为i次谐波相角，Ii为i次谐波幅值。
[0020] 第k片电池电压变换为：
[0021]
[0022] 其中，Uk，0为第k片电池电压直流分量，βk，i为i次谐波相角，Uk，i为i次谐波电压幅值。
[0023] 则第k片电池的直流阻抗为：
[0024]
[0025] 第k片电池在频率为iω时的阻抗为：
[0026]
[0027] 上述带健康监测功能的电池车载充放电机根据电池出厂参数设定内阻阈值，当检测到的内阻阈值大于设定值时，判定电池健康状态异常。监测与控制单元通过CAN通信接口与外界交互信息。
[0028] 本发明与现有技术相比，将电池车载充电机与健康监测仪合二为一，去掉了高精度高、宽频率范围的交流电流激励源，降低了体积、重量和成本，并可在充放电过程中在线监测电池健康状态不影响电池正常工作。
附图说明
[0029] 图1为本发明的结构原理框图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
[0031] 本发明包括监测与控制单元、双向功率变换单元、整流电路，被测电池组与双向功率变换器的一端相连，双向功率变换器的另一端与直流母线相连，电网经整流电路后也与直流母线相连。
[0032] 监测与控制单元在电池充电或放电目标值上叠加一个方波信号：
[0033] Iin(t)＝Ireq(t)+f(t) (1)
[0034] 其中，Ireq(t)为电池组充电或放电目标值。Ireq(t)＞0为放电目标值，Ireq(t)＜0为充电目标值。f(t)为叠加的方波，其幅值为Ireq(t)的5％，频率为1kHz。
[0035] 叠加方波是因为方波的频率成分非常丰富，它等效为多个频率正弦信号之和。因此，加入方波即等效为在电流中加入了多个不同频率的正弦信号。
[0036] 双向功率变换单元中的四个IGBT的通断具有多种组合模式，通过不同组合可实现电池组向直流母线升压供电、降压供电，电网或直流母线向电池组升压充电、降压充电。IGBT 210常通，220及230常断，240以一定的占空比通断，则电池组向直流母线升压供电；
IGBT 220、230及240常断，210以一定的占空比通断，则电池组向直流母线降压供电；IGBT
230常通，210及240常断，220以一定的占空比通断，则电网或直流母线向电池组升压充；
IGBT 210、220及240常断，230以一定的占空比通断，则电网或直流母线向电池组降压充电。
[0037] 电池组向直流母线供电时工作于升压或降压，取决于电池组与直流母线电压的大小。如电池组电压高于直流母线电压，应工作于降压模式；如电池组电压低于直流母线，则应工作于升压模式。充电时，如电池组电压高于直流母线电压，应工作于升压模式；反之，应工作于降压模式。
[0038] 工作于充电模式时，由直流母线上的其他电源向电池组充电，还是由电网向电池组充电，由整流电路300中的继电器320决定。在车辆行驶过程中，DSP控制继电器320断开，由直流母线上的其他电源向电池组充电；车辆驻车时，DSP监测到整流电路输入端接入电网，则断开直流母线上的其他电源，导通继电器320，由电网经整流后向电池组充电。
[0039] 监测与控制单元中的DSP基于目标电流叠加方波后的信号Iin(t)与实际电流之差计算双向功率变换单元中IGBT的占空比，经PWM驱动单元控制IGBT的通断，使得电池充电或放电电流与叠加信号一致。信号采集与处理单元实时采集电池电流、各单片电池电压、双向功率变换单元两端电压和电流，将采集值传送到FPGA。
[0040] FPGA对收到的电池电流及各电池电压进行快速傅里叶变换，将电流及电压信号转换为直流分量与不同频率交流分量之和。FPGA将各片电池各频率的电压分量除以同频率的电流分量，得到各频率下个电池阻抗。
[0041] 电池电流变换为：
[0042]
[0043] 其中，I0为直流分量，ω为基波频率，i表示谐波次数，αi为i次谐波相角，Ii为i次谐波幅值。
[0044] 第k片电池电压变换为：
[0045]
[0046] 其中，Uk，0为第k片电池电压直流分量，βk，i为i次谐波相角，Uk，i为i次谐波电压幅值。
[0047] 则第k片电池的直流阻抗为：
[0048]
[0049] 第k片电池在频率为iω时的阻抗为：
[0050]
[0051] 式(2)-(3)中，取n＝100,即i的取值为1,2,3，……，100。因方波频率为1kHz，所以，可以计算出1kHz,2kHz,3kHz，……，100kHz时各单片电池的阻抗及直流阻抗。根据电池特性，100kHz及以下的阻抗已完全可以描述电池阻抗。
[0052] 计算出各电池阻抗后，根据电池出厂参数设定阻抗阈值，当检测到的阻抗阈值大于设定值时，判定电池健康状态异常。
[0053] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
