一种基于FFT的锂电池交流内阻及功率因素测试方法与流程

测量装置的制造及其应用技术一种基于fft的锂电池交流内阻及功率因素测试方法技术领域1.本发明涉及锂电池测试技术领域，特别指一种基于fft的锂电池交流内阻及功率因素测试方法。背景技术：2.随着新能源的兴起和发展，锂电池作为绿色高能化学电源，具有高能量、高功率、低成本等优点，在新能源行业中得到广泛的应用。为了保障锂电池使用的安全性，出厂前需要对锂电池进行一系列的测试，交流内阻和功率因素便是其中需要测试的重要指标。3.针对交流内阻的测试，传统上通过硬件方式分别切换到内部基准电阻和外接设备，以测试正弦电流流过时产生信号有效值的转换电平信号，供采样模块进行采样，再通过比例运算的方式换算出外接设备的阻抗值。但是，传统的方法需要额外提供有效值转换模块，且有效值转换模块只能得到正弦电流信号的有效值，无法得到各分量的频谱和相位，由于需要提供有效值转换模块导致测试成本高，且测试精度也有待提升。4.针对功率因素的测试，传统上采用捕获2路信号过零点时产生的边沿得到其时间差，进而换算出对应相角的方法。但是，传统的方法需要额外提供相位检测模块，且计算得到的相角精度会受限于定时器计时的分辨率，当波形发生扰动时，测试结果会产生跳动，由于需要提供相位检测模块导致测试成本高，且测试精度和稳定性也有待提升。5.传统上，针对交流内阻和功率因素的测试，都是在原先的电路上配置基准电阻，需要根据硬件的档位提供相应数量的四线制电阻，如果产量提升的话，生产成本会大幅提高。6.因此，如何提供一种基于fft的锂电池交流内阻及功率因素测试方法，实现降低锂电池交流内阻及功率因素的测试成本，提高测试精度，成为一个亟待解决的技术问题。技术实现要素：7.本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于fft的锂电池交流内阻及功率因素测试方法，实现降低锂电池交流内阻及功率因素的测试成本，提高测试精度。8.本发明是这样实现的：一种基于fft的锂电池交流内阻及功率因素测试方法，包括如下步骤：9.步骤s10、上位机设置控制模块进入调试模式，依次调节接入设备接口模块的基准电阻的档位；10.步骤s20、控制模块向正弦电流生成模块输出正弦电压信号，通过高速采样模块对所述正弦电压信号以及流经基准电阻的正弦电流信号进行采样，进而通过快速傅里叶变换分别计算各档位基准电阻下的基准电阻参数；11.步骤s30、上位机设置控制模块进入使用模式，将锂电池接入设备接口模块；12.步骤s40、控制模块向正弦电流生成模块继续输出正弦电压信号，通过高速采样模块对流经锂电池的正弦电流信号进行采样，进而通过快速傅里叶变换计算锂电池的锂电池参数；13.步骤s50、控制模块基于所述基准电阻参数以及锂电池参数计算锂电池的交流内阻、功率因素以及交流内阻分量，并将计算结果发送给上位机。14.进一步地，所述步骤s20具体包括：15.步骤s21、控制模块向正弦电流生成模块输出正弦电压信号；16.步骤s22、正弦电流生成模块基于所述正弦电压信号生成正弦电流信号并输入基准电阻；17.步骤s23、信号放大模块通过设备接口模块，将流经基准电阻的正弦电流信号进行放大和滤波后输入高速采样模块，将正弦电流生成模块接收的正弦电压信号进行放大和滤波后输入高速采样模块；18.步骤s24、高速采样模块对所述正弦电流信号以及正弦电压信号进行采样后，输入控制模块；19.步骤s25、控制模块基于接收的所述正弦电流信号以及正弦电压信号，通过快速傅里叶变换分别计算各档位基准电阻下包括第一交流信号幅值、第一相位角正弦值、第一相位角余弦值以及基准电阻阻值的基准电阻参数，并存储所述基准电阻参数。20.进一步地，所述步骤s22具体为：21.正弦电流生成模块对输入的所述正弦电压信号进行整流和滤波后生成正弦电流信号，将所述正弦电流信号通过设备接口模块输入基准电阻。22.进一步地，所述步骤s24具体为：23.高速采样模块以预设的采样频率对所述正弦电流信号以及正弦电压信号进行采样后，输入控制模块；所述采样频率至少为正弦电压信号的频率的2倍。24.进一步地，所述步骤s25具体包括：25.步骤s251、控制模块通过快速傅里叶变换，分别计算各档位基准电阻下的所述正弦电流信号的实部分量rex和虚部分量im x，计算所述正弦电压信号的实部分量remcu和虚部分量im mcu；26.步骤s252、基于所述rex、im x、remcu以及im mcu计算交流信号幅值ax和amcu，并将所述ax作为第一交流信号幅值：[0027][0028][0029]步骤s253、基于所述rex、im x、remcu、im mcu、ax以及amcu计算第一相位角正弦值sin delta以及第一相位角余弦值cos delta：[0030]sin delta＝sin x*cos mcu-cos x*sin mcu；[0031]cos delta＝cos x*cos mcu+sin x*sin mcu；[0032]sin x＝re x/ax；[0033]sin mcu＝re mcu/amcu；[0034]cos x＝im x/ax；[0035]cos mcu＝im mcu/amcu；[0036]步骤s254、记录各档位基准电阻的基准电阻阻值，存储包括所述第一交流信号幅值、第一相位角正弦值、第一相位角余弦值以及基准电阻阻值的基准电阻参数。[0037]进一步地，所述步骤s40具体包括：[0038]步骤s41、控制模块向正弦电流生成模块继续输出正弦电压信号；[0039]步骤s42、正弦电流生成模块基于所述正弦电压信号生成正弦电流信号并输入锂电池；[0040]步骤s43、信号放大模块通过设备接口模块，将流经锂电池的正弦电流信号进行放大和滤波后输入高速采样模块；[0041]步骤s44、高速采样模块对所述正弦电流信号进行采样后，输入控制模块；[0042]步骤s45、控制模块通过快速傅里叶变换，计算流经锂电池的所述正弦电流信号包括第二交流信号幅值、第二相位角正弦值以及第二相位角余弦值的锂电池参数。[0043]进一步地，所述步骤s50中，所述交流内阻的计算步骤如下：[0044]控制模块获取与锂电池对应基准电阻档位的第一交流信号幅值以及基准电阻阻值，基于所述第一交流信号幅值、基准电阻阻值以及第二交流信号幅值计算交流内阻：[0045]交流内阻＝第二交流信号幅值/第一交流信号幅值*基准电阻阻值；[0046]所述功率因素的计算公式如下：[0047]cosα＝cos delta*cos l+sin delta*sin l；[0048]其中，cosα表示功率因素；cos l表示第二相位角余弦值；sin l表示第二相位角正弦值；[0049]所述交流内阻分量的计算公式如下：[0050]交流内阻分量＝交流内阻*cosα。[0051]本发明的优点在于：[0052]通过外接基准电阻代替传统在原先电路上配置基准电阻，极大的降低了硬件成本，且提高了测试的灵活性；通过同时对正弦电压信号和正弦电流信号进行采样，并利用快速傅里叶变换计算锂电池的交流内阻、功率因素以及交流内阻分量，无需像传统上额外提供有效值转换模块和相位检测模块的电路，进一步降低了硬件成本，并便于后期的维护；通过快速傅里叶变换剔除正弦电流信号中直流分量和其他频率分量对计算结果造成的误差，使交流内阻的计算结果更加准确，使功率因素的计算结果的分辨率和精度更高，进而使交流内阻分量的计算结果更稳定，最终实现极大的降低了锂电池交流内阻及功率因素的测试成本，极大的提高了测试精度。附图说明[0053]下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。[0054]图1是本发明一种基于fft的锂电池交流内阻及功率因素测试方法的流程图。[0055]图2是本发明的硬件架构图。具体实施方式[0056]本技术实施例中的技术方案，总体思路如下：通过外接基准电阻代替传统在原先电路上配置基准电阻，利用快速傅里叶变换计算锂电池的交流内阻、功率因素以及交流内阻分量，省去传统的有效值转换模块和相位检测模块，以降低锂电池交流内阻及功率因素的测试成本；通过通过快速傅里叶变换剔除正弦电流信号中直流分量和其他频率分量对计算结果造成的误差，以提高测试精度。[0057]请参照图1至图2所示，本发明的测试系统包括一上位机、一控制模块、一正弦电流生成模块、一设备接口模块、一信号放大模块、一高速采样模块、一基准电阻以及一锂电池；[0058]所述控制模块的输入端与上位机以及高速采样模块连接，输出端与正弦电流生成模块以及基准电阻连接；所述设备接口模块分别与正弦电流生成模块、信号放大模块、基准电阻以及锂电池连接；所述信号放大模块的输出端与高速采样模块连接。[0059]所述上位机用于控制测试系统的工作；所述控制模块用于向正弦电流生成模块输出固定频率的正弦电压信号，从所述高速采样模块获取采样数据，并对采样数据进行快速傅里叶变换，以计算锂电池的交流内阻、功率因素以及交流内阻分量；所述正弦电流生成模块用于将正弦电压信号转换为正弦电流信号，并输出至基准电阻和锂电池上；所述设备接口模块用于连接基准电阻或者锂电池；所述信号放大模块用于对信号进行滤波和放大；所述高速采样模块用于对信号放大模块输出的信号进行采样；所述基准电阻用于给相关计算提供基准，为四线制基准电阻；所述锂电池即待测试交流内阻、功率因素以及交流内阻分量的锂电池。[0060]本发明一种基于fft的锂电池交流内阻及功率因素测试方法的较佳实施例，包括如下步骤：[0061]步骤s10、上位机设置控制模块进入调试模式，依次调节接入设备接口模块的基准电阻的档位；[0062]步骤s20、控制模块向正弦电流生成模块输出正弦电压信号，通过高速采样模块对所述正弦电压信号以及流经基准电阻的正弦电流信号进行采样，进而通过快速傅里叶变换(fft)分别计算各档位基准电阻下的基准电阻参数；即对基准电阻的相关数据进行校准和记录；[0063]步骤s30、上位机设置控制模块进入使用模式，将锂电池接入设备接口模块；即将接入电路的基准电阻切换为锂电池；[0064]步骤s40、控制模块通过内部的dac单元向正弦电流生成模块继续输出正弦电压信号，通过高速采样模块对流经锂电池的正弦电流信号进行采样，进而通过快速傅里叶变换计算锂电池的锂电池参数；[0065]步骤s50、控制模块基于所述基准电阻参数以及锂电池参数计算锂电池的交流内阻、功率因素以及交流内阻分量，并将计算结果发送给上位机。[0066]所述步骤s20具体包括：[0067]步骤s21、控制模块向正弦电流生成模块输出正弦电压信号；[0068]步骤s22、正弦电流生成模块基于所述正弦电压信号生成正弦电流信号并输入基准电阻；[0069]步骤s23、信号放大模块通过设备接口模块，将流经基准电阻的正弦电流信号进行放大和滤波后输入高速采样模块，将正弦电流生成模块接收的正弦电压信号进行放大和滤波后输入高速采样模块；[0070]步骤s24、高速采样模块实时对所述正弦电流信号以及正弦电压信号进行采样后，通过通讯接口输入控制模块；[0071]步骤s25、控制模块基于接收的所述正弦电流信号以及正弦电压信号，通过快速傅里叶变换分别计算各档位基准电阻下包括第一交流信号幅值、第一相位角正弦值、第一相位角余弦值以及基准电阻阻值的基准电阻参数，并存储所述基准电阻参数。[0072]所述步骤s22具体为：[0073]正弦电流生成模块对输入的所述正弦电压信号进行整流和滤波后生成正弦电流信号，将所述正弦电流信号通过设备接口模块输入基准电阻。[0074]所述步骤s24具体为：[0075]高速采样模块以预设的采样频率对所述正弦电流信号以及正弦电压信号进行采样后，输入控制模块；所述采样频率至少为正弦电压信号的频率的2倍。[0076]所述步骤s25具体包括：[0077]步骤s251、控制模块通过快速傅里叶变换，分别计算各档位基准电阻下的所述正弦电流信号的实部分量rex和虚部分量im x，计算所述正弦电压信号的实部分量remcu和虚部分量im mcu；[0078]步骤s252、基于所述rex、im x、remcu以及im mcu计算交流信号幅值ax和amcu，并将所述ax作为第一交流信号幅值：[0079][0080][0081]步骤s253、基于所述rex、im x、remcu、immcu、ax以及amcu计算第一相位角正弦值sin delta以及第一相位角余弦值cos delta：[0082]sin delta＝sin x*cos mcu-cos x*sin mcu；[0083]cos delta＝cos x*cos mcu+sin x*sin mcu；[0084]sin x＝re x/ax；[0085]sin mcu＝re mcu/amcu；[0086]cos x＝im x/ax；[0087]cos mcu＝im mcu/amcu；[0088]步骤s254、记录各档位基准电阻的基准电阻阻值，存储包括所述第一交流信号幅值、第一相位角正弦值、第一相位角余弦值以及基准电阻阻值的基准电阻参数至eeprom中。即各所述基准电阻阻值均分别对应一第一交流信号幅值、一第一相位角正弦值以及一第一相位角余弦值。[0089]所述步骤s40具体包括：[0090]步骤s41、控制模块向正弦电流生成模块继续输出正弦电压信号；[0091]步骤s42、正弦电流生成模块基于所述正弦电压信号生成正弦电流信号并输入锂电池；[0092]步骤s43、信号放大模块通过设备接口模块，将流经锂电池的正弦电流信号进行放大和滤波后输入高速采样模块；[0093]步骤s44、高速采样模块对所述正弦电流信号进行采样后，输入控制模块；[0094]步骤s45、控制模块通过快速傅里叶变换，计算流经锂电池的所述正弦电流信号包括第二交流信号幅值、第二相位角正弦值以及第二相位角余弦值的锂电池参数。所述第二交流信号幅值、第二相位角正弦值以及第二相位角余弦值的计算公式分别与第一交流信号幅值、第一相位角正弦值以及第一相位角余弦值的计算公式相同。[0095]所述步骤s50中，所述交流内阻的计算步骤如下：[0096]控制模块从eeprom中获取与锂电池对应基准电阻档位的第一交流信号幅值以及基准电阻阻值，基于所述第一交流信号幅值、基准电阻阻值以及第二交流信号幅值计算交流内阻：[0097]交流内阻＝第二交流信号幅值/第一交流信号幅值*基准电阻阻值；[0098]所述功率因素的计算公式如下：[0099]cosα＝cos delta*cos l+sin delta*sin l；[0100]其中，cosα表示功率因素；cos l表示第二相位角余弦值；sin l表示第二相位角正弦值；[0101]因为在基准电阻上形成的正弦电压信号和流过基准电阻的正弦电流信号同相，因此可近似认为锂电池的信号和本档位的基准电阻的信号之间的相位角α近似等于锂电池的阻抗角；[0102]所述交流内阻分量的计算公式如下：[0103]交流内阻分量＝交流内阻*cosα。[0104]综上所述，本发明的优点在于：[0105]通过外接基准电阻代替传统在原先电路上配置基准电阻，极大的降低了硬件成本，且提高了测试的灵活性；通过同时对正弦电压信号和正弦电流信号进行采样，并利用快速傅里叶变换计算锂电池的交流内阻、功率因素以及交流内阻分量，无需像传统上额外提供有效值转换模块和相位检测模块的电路，进一步降低了硬件成本，并便于后期的维护；通过快速傅里叶变换剔除正弦电流信号中直流分量和其他频率分量对计算结果造成的误差，使交流内阻的计算结果更加准确，使功率因素的计算结果的分辨率和精度更高，进而使交流内阻分量的计算结果更稳定，最终实现极大的降低了锂电池交流内阻及功率因素的测试成本，极大的提高了测试精度。[0106]虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。









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