锂离子电池宽频阻抗测量的柔性二次剩余三元激励方法及其在状态估计中的应用

本文提出了一种基于简化二次剩余三元信号（SQRTS）的锂离子电池（LIB）宽频阻抗测量新方法，通过优化激励信号结构和自适应窗滤波（AWIF）技术，实现了测量时间减少49.9%、非线性失真抑制和频段灵活配置，为电池状态估计（SOC/SOH）和故障诊断提供了高效解决方案。

　　

亮点

本研究创新性地设计了简化二次剩余三元信号（SQRTS），通过末端单零位优化序列结构，支持可调序列长度以最小化注入周期并抑制非线性效应。相比传统最大长度二进制序列（MLBS），该方法显著提升功率含量达99.9%，同时减少49.9%的测量时间。

方法框架

如图4所示，阻抗测量框架包含三大核心模块：

1. 1.

   激励信号设计：SQRTS通过二次剩余理论生成三元序列，突破MLBS的指数长度限制，实现毫秒级频段切换；

2. 2.

   阻抗计算：基于互功率谱密度法提取多频点响应；

3. 3.

   AWIF处理：自适应调整窗宽，在10Hz-10kHz频段内动态平衡频谱分辨率与噪声抑制。

实验验证

采用18,650 LiFePO₄/石墨电池（1.6Ah, 3.2V）进行测试：

• •

  频段适应性：在0.1Hz-5kHz范围内，归一化均方根误差（NRMSE）<0.79%；

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  温度鲁棒性：-20°C至50°C工况下仍保持相位误差<1°；

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  非线性抑制：通过三电平激励将谐波失真降低至MLBS的1/3。

结论

SQRTS与AWIF的协同设计解决了宽频阻抗测量中频段灵活性与时效性的矛盾，为电池管理系统（BMS）的实时状态监控提供了新范式。该方法特别适用于电动汽车（EV）快速诊断和储能系统（BESS）的多参数融合估计。

作者贡献声明

第一作者刘文超完成理论推导与实验验证；杨志鹏开发信号生成算法；陈光阳负责数据采集；宋正祥教授团队指导了阻抗模型构建与工程化应用。

基金支持

国家重点研发计划（2023YFB2408200）资助。

利益冲突声明

所有作者声明无利益冲突。