用于使用频率响应来测量测试电池的内部阻抗的设备、系统和方法技术方案

公开了电池阻抗测试设备、电路、系统以及相关的方法。阻抗测量设备包括：电流驱动器，该电流驱动器配置为响应于控制信号生成要施加于测试电池的激励电流信号；和处理器，该处理器与电流驱动器可操作地耦合。处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成控制信号。自动测范围模式将激励电流信号在多个不同振幅上施加至测试电池以便在每个振幅测量对激励电流信号的响应。测量模式针对响应于自动测范围模式的结果的振幅将激励电流信号施加至测试电池。对于低阻抗电池，可以获得改进的灵敏度和分辨率，且具有快速的测量时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于使用频率响应来测量测试电池的内部阻抗的设备、系统和方法优先权要求本申请要求2016年3月3日提交的申请序列号为15/060,183的待决的美国专利申请“用于使用频率响应来测量测试电池的内部阻抗的设备、系统和方法(Device,System,andMethodforMeasuringInternalImpedanceofaTestBatteryUsingFrequencyResponse)”的申请日期的权益，该申请的公开内容由此通过引用其全文并入本文。相关申请本申请涉及2014年6月4日提交的、公布为US2014/0358462的、申请号为14/296,321的待决的美国专利申请，该申请要求2013年6月4日提交的、申请号为61/831,001的美国临时申请的权益。本申请也涉及2015年7月1日提交的、申请号为14/789,959的待决的美国专利申请。上述申请中的每一个的公开内容由此通过引用其全文并入本文。关于联邦政府赞助的研究或开发的声明本专利技术是在由美国能源部授予的第DE-AC07-05-ID14517号合同下得到政府支持而作出的。政府对本专利技术具有某些权利。
本公开的各实施例涉及用于储能单元(诸如电化学电池单元)的阻抗测量的装置、系统和方法，且更具体地涉及储能单元的健康状况的分析。
技术介绍
可再充电电池中的电极的化学变化可能导致电池的电容、电荷保持的持续时间、充电时间、以及其他功能参数的劣化。电池劣化可能随着电池的寿命而积累。环境因素(例如，高温)和功能因素(例如，不恰当的充电和放电)可能加速电池劣化。依赖于可再充电电池电量的系统的操作者可能期望对他们使用的电池的劣化进行监测。电池劣化的一个指标是电池阻抗的增加。图1是使用电化学阻抗测量(EIM)系统在数个不同的频率处测量出的新电池的阻抗曲线102和老化的电池的阻抗曲线104。Y轴是虚数阻抗并且X轴是图1中标绘的多个不同频率的实数阻抗。如图1中所示，老化的电池(曲线104)在每个不同的频率处呈现出比新电池(曲线102)更高的阻抗。依赖于可再充电电池的系统的操作者可以使用阻抗数据(诸如图1的阻抗数据)以便确定在发生失效之前需要更换电池。这样的预先更换可防止可能在电池失效的事件中发生的昂贵的延迟和财产损伤。而且，对电池的持续的可靠性的了解可以防止与不必要地更换仍具有剩余的大量寿命的电池相关联的费用。当在500mA的激励电流范围处进行操作时，现有的阻抗测量系统具有大约0.1mOhm的分辨率。结果，现有的阻抗测量系统可以能够利用足够的分辨率来确定呈现出10mOhm内部阻抗的测试电池的阻抗。现有的阻抗测量系统的分辨率可能限制了对呈现出较低内部阻抗(例如1mOhm)的电池进行测试的能力。其他阻抗测量的方法(例如，电化学阻抗光谱)可以获得高分辨率，但可能调谐起来慢(诸如需要大约10分钟数量级的时间以获取测量)。
技术实现思路
本文中公开了阻抗测量设备。阻抗测量设备包括：电流驱动器，该电流驱动器配置为响应于控制信号生成要施加至测试电池的激励电流信号；和处理器，该处理器与电流驱动器可操作地耦合。处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成控制信号。自动测范围模式在多个不同的振幅上将激励电流信号施加至测试电池，以便在每个振幅测量对激励电流信号的响应。测量模式针对响应于自动测范围模式的结果的振幅将激励电流信号施加至测试电池。在一些实施例中，公开了阻抗测量系统。阻抗测量系统包括测试电池和与测试电池可操作地耦合的阻抗测量设备。阻抗测量设备包括：前置放大器，该前置放大器包括电流驱动器和与测试电池可操作地耦合的信号测量模块；电流控制信号生成器，该电流控制信号生成器与前置放大器可操作地耦合；数据采集系统，该数据采集系统与前置放大器可操作地耦合；和处理器，该处理器与电流控制信号生成器和数据采集系统可操作地耦合。处理器配置为：控制电流控制信号生成器以便在自动测范围模式期间将电流控制信号发射至前置放大器，从而使电流驱动器生成呈现出一振幅范围的激励电流信号；控制数据采集系统以在自动测范围模式期间分析来自信号测量模块的测试电池的响应；至少部分基于在自动测范围模式期间分析测试电池的响应，控制电流控制信号生成器以在测量期间将电流控制信号发射至前置放大器，从而使电流驱动器生成呈现出经选择的振幅的激励电流信号；并且控制数据采集系统以在测量模式期间分析来自信号测量模块的测试电池的响应，以便确定测试电池的阻抗。在一些实施例中，公开了测量测试电池的阻抗的方法。该方法包括：将激励电流信号施加至包括多个脉冲的测试电池，该多个脉冲在自动测范围模式期间呈现出不同的振幅；测量响应于在多个不同的振幅上的激励电流信号的、来自测试电池的电信号；将激励电流信号施加至在测试模式期间呈现出固定振幅的测试电池，其中至少部分基于对自动测范围模式期间测量出的电信号的分析来设定该固定振幅；以及测量响应于激励电流信号的(该激励信号在测量模式期间呈现出固定振幅)、来自测试电池的电信号以便确定测试电池的内部阻抗。附图说明图1是使用电化学阻抗测量系统在数个不同的频率处测量出的新电池的阻抗曲线和老化的电池的阻抗曲线。图2是根据本公开的实施例的配置为执行测试电池的实时阻抗频谱测量的阻抗测量系统的简化框图。图3是图2的阻抗测量系统的阻抗测量设备的所选的特征的简化框图。图4是图3的电流驱动器的简化框图。图5示出图2和3的前置放大器的信号测量模块的电路图。图6是示出根据本公开的实施例的用于操作电池的阻抗测量系统的方法的流程图。具体实施方式在以下的详细描述中，参考形成本文的一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实践本公开的具体实施例。对这些实施例足够详细地进行描述，以便使得本领域普通技术人员能够实践本公开。然而，应理解，详细描述和特定实例在指示本公开的实施例的示例时仅通过举例而非通过限制方式给出。根据本公开，可以作出落在作为基础的专利技术概念的范围内的多种替代、修改、添加或其组合，且这对于本领域普通技术人员将是显而易见的。根据惯例，可以不按比例绘制附图中所示的各种特征。本文中呈现的图示不意味着是任何特定装置(例如，设备、系统等)或方法的实际视图，而仅是用于描述本公开的各种实施例的理想化的示图。相应地，为了清楚起见，可以任意地放大或缩小各种特征尺寸。此外，为了清楚起见，可以简化一些附图。因此，附图可能没有描绘给定的装置的所有部件或特定方法的所有操作。本文所描述的信息和信号可以使用各种各样的不同技术和技巧中的任何技术和技巧来表示。例如，贯穿说明书引述的数据、指令、命令、信息、信号、位、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或它们的任何组合来表示。为展示和描述清楚起见，一些附图可以将信号展示为单个信号。本领域普通技术人员应当理解的是，信号可以表示信号的总线，其中总线可具有各种位宽，并且可以在包括单个数据信号的任何数量的数据信号上实现本公开。结合本文中所公开的实施例被描述的各种解说性逻辑框、模块、电路、和算法动作可以被实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，以其功能性的形式对各种解说性组件、块、模块、电路、以及动作进行一般化描述。这种功能能否被实施为硬件或软件要取决于强加于整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阻抗测量设备，包括：电流驱动器，所述电流驱动器配置为响应于控制信号而生成要被施加至测试电池的激励电流信号；以及处理器，所述处理器与所述电流驱动器可操作地耦合，所述处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成所述控制信号，其中：所述自动测范围模式将所述激励电流信号在多个不同的振幅上施加至所述测试电池，以便在每个振幅测量对所述激励电流信号的响应；以及所述测量模式针对响应于所述自动测范围模式的结果的振幅将所述激励电流信号施加至所述测试电池。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.03 US 15/060,1831.一种阻抗测量设备，包括：电流驱动器，所述电流驱动器配置为响应于控制信号而生成要被施加至测试电池的激励电流信号；以及处理器，所述处理器与所述电流驱动器可操作地耦合，所述处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成所述控制信号，其中：所述自动测范围模式将所述激励电流信号在多个不同的振幅上施加至所述测试电池，以便在每个振幅测量对所述激励电流信号的响应；以及所述测量模式针对响应于所述自动测范围模式的结果的振幅将所述激励电流信号施加至所述测试电池。2.如权利要求1所述的阻抗测量设备，进一步包括前置放大器，所述前置放大器包括所述电流驱动器和信号测量模块，所述信号测量模块配置为响应于所述激励电流信号被施加于所述测试电池而测量电信号。3.如权利要求1或权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述电流驱动器呈现出大于大约20的总增益。4.如权利要求3所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述总增益大于大约60。5.如权利要求1或权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述电流驱动器包括至少三个级联增益级，来自每个级联增益级的输出被反馈至所述处理器以便确定从所述处理器传输回所述电流驱动器的多个降压电压。6.如权利要求5所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述至少三个级联增益级包括：呈现出大约0.166的第一增益的第一增益级、呈现出大约-20的第二增益的第二增益级、呈现出大约20的第三增益的第三增益级。7.如权利要求1或权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述电流驱动器配置为生成正弦曲线之和(SOS)电流信号或交替的正弦、余弦(ASC)之和信号中的至少一个。8.如权利要求1或权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述电流驱动器包括差分电流源，所述差分电流源包括可操作地耦合至所述测试电池的上挽电流源和下挽电流源。9.一种阻抗测量系统，包括：测试电池；以及阻抗测量设备，所述阻抗测量设备可操作地耦合至所述测试电池，其中，所述阻抗测量设备包括：前置放大器，所述前置放大器包括可操作地与所述测试电池耦合的电流驱动器和信号测量模块；电流控制信号生成器，所述电流控制信号生成器可操作地与所述前置放大器耦合；数据采集系统，所述数据采集系统可操作地与所述前置放大器耦合；和处理器，所述处理器可操作地与所述电流控制信号生成器和所述数据采集系统耦合，其中，所述处理器配置为：控制所述电流控制信号生成器在自动测范围模式期间将电流控制信号发射至所述前置放大器，以便使所述电流驱动器生成呈现出一振幅范围的激励电流信号；控制所述数据采集系统，以对在所述自动测范围模式期间来自所述信号测量模块的所述测试电池的响应进行分析；控制所述电流控制信号生成器在测量期间将所述电流控制信号发射至所述前置放大器，以便至少部分基于在所述自动测范围模式期间分析所述测试电池的所述响应，使所述电流驱动器生成呈现出经选择的振幅的所述激励电流信号；并且控制所述数据采集系统，以对在所述测量模式期间来自所述信号测量模块的所述测试电池的响应进行分析，以便确定所...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·P·克里斯托弗森，W·H·莫里森，J·L·莫里森，
申请(专利权)人：巴特勒能源同盟有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US