用于电化学阻抗谱的电气架构制造技术

本公开提供用于电化学阻抗谱(EIS)的电气架构。EIS电路包括至少两个电流调节器和电能存储装置，所述至少两个电流调节器和电能存储装置以使流入所述相应的电流调节器的功率解耦的配置与一个或多个电化学电池单元连接。所述电能存储装置的存在使得每个调节器能够在较低功率电平下同时操作，同时诱导出期望的EIS扰动电流。针对相同电流，在低功率下操作与仅耗散性或非耗散性电流调节器相比允许更小的体积和更低的成本。此外，所述电能存储装置允许流动通过所述电流调节器的所述功率独立地变化，以便实现所述期望的EIS扰动电流，同时在所述电路中生成最少量的热量，由此允许所述电路占据最小尺寸并且产生最低成本。

Electrical architecture for electrochemical impedance spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学阻抗谱的电气架构
本公开涉及一种用于执行电化学阻抗谱(EIS)分析的电气架构，并且特别地涉及EIS电路、用于电动车辆的电池管理系统以及用于对一个或多个电化学电池单元执行EIS的系统和方法。
技术介绍
电化学阻抗谱(EIS)总体涉及在从DC到数kHz的频率下测量电池的阻抗。EIS通常用于台式设备的离线表征，尽管它在实时系统中的应用已有一些发展。现有的在线EIS电源架构总体可分为两类：耗散性的和非耗散性的。在耗散性方法中，使用电流调节器(诸如在具有反馈控制的情况下在线性区域中操作的MOSFET)，并且扰动能量耗散到调节器本身中。在所需的扰动电流高的情况下，耗散性方法由于在系统中生成的热量的量而可能变得不切实际。在非耗散性方法中，诱导出扰动电流而无意于将能量转换成热量。在一个实例中，一系列DC-DC转换器连接至一串电池单元，其中每个转换器的输入端和输出端附接到相邻电池单元，并且连接方案跨越整个串。扰动电流由每个DC-DC转换器诱导出，从一个电池单元流动至其相邻电池单元，并且可以是双向的。在所需的扰动电流高的情况下，非耗散性方法与耗散性方法相比遭受更少的加热问题。然而，通常仍需要增加热管理措施并增大部件规模，这继而导致体积增大。另一个问题是磁饱和，这可致使DC-DC转换器变得不切实际地大而无法在线使用。有意义的电压读数通常需要大的扰动电流，从而导致现有在线EIS电源架构的上面指出的缺陷。EIS所需的电流大小随电池阻抗和电压测量能力而变化，并且电池阻抗对温度非常敏感。作为突显EIS系统的电源架构可能需要具有的内容的实例，考虑44Ah锂镍锰钴氧化物软包电池单元，其标称ESR已测量为大约1mΩ。如果预期从10mV峰到峰扰动响应获得有意义的电压读数，则所需的扰动电流为10A峰到峰。在四个这样的电池单元并联连接以形成一个串联单元的示例性EV应用中，所需的扰动电流将为40A峰到峰。因此，仍然非常期望用于实现EIS的另外的、替代的和/或改进的电气架构。
技术实现思路
提供了一种用于测量一个或多个电化学电池单元的阻抗的电化学阻抗谱(EIS)电路，其包括：电能存储装置；第一电流调节器，所述第一电流调节器连接在所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元之间；以及第二电流调节器。通过这种配置，流入所述第一电流调节器和所述第二电流调节器的功率被解耦。在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器与所述一个或多个电化学电池单元串联连接；所述电能存储装置与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且所述第二电流调节器与所述电能存储装置并且与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接。在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器与所述电能存储装置串联连接；所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且所述第二电流调节器与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置并且与所述一个或多个电化学电池单元并联连接。在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器是耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器是非耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。在所述EIS电路的一个方面，所述非耗散性电流调节器是输出端连接至负载的开关模式功率转换器。在所述EIS电路的一个方面，所述开关模式功率转换器具有包括双有源桥、反激或同相升降压的任何隔离或非隔离拓扑。在所述EIS电路的一个方面，所述开关模式功率转换器支持双向功率流。在所述EIS电路的一个方面，连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是另一个电化学电池单元。在所述EIS电路的一个方面，连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是一个或多个并联连接的另外的EIS电路。在所述EIS电路的一个方面，所述耗散性电流调节器包括具有电流反馈控制环路的MOSFET。在所述EIS电路的一个方面，所述耗散性电流调节器包括与控制开关串联的电阻器。在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的一者或两者包括多个电流调节器。在所述EIS电路的一个方面，所述电能存储装置包括电容器和电感器中的至少一者。在所述EIS电路的一个方面，所述电能存储装置包括多个电能存储装置。在所述EIS电路的一个方面，所述电能存储装置与控制开关串联连接。在所述EIS电路的一个方面，所述电路还包括用于连接至所述一个或多个电化学电池单元的一个或多个开关。还提供了一种用于具有一个或多个电化学电池单元的电动车辆的电池管理系统(BMS)。所述BMS包括如上述方面所述的EIS电路，所述EIS电路与所述一个或多个电化学电池单元连接，并且所述BMS被配置来对所述一个或多个电化学电池单元执行在线电化学阻抗谱分析。在所述BMS的一个方面，所述电能存储装置、所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的至少一者是所述BMS的原始部件。在一个方面，所述BMS被配置来在所述电动车辆的操作期间对所述一个或多个电化学电池单元执行实时阻抗测量，其中所述测量的阻抗用于确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。还提供了一种用于对一个或多个电化学电池单元执行电化学阻抗谱(EIS)分析的系统，其包括：根据上述方面中任一方面所述的EIS电路，所述EIS电路与所述一个或多个电化学电池单元耦接；电流生成模块，所述电流生成模块被配置来通过所述第一电流调节器和所述第二电流调节器生成相应的电流参考信号，以在所述EIS电路中诱导出期望的EIS扰动电流；电压测量仪器，所述电压测量仪器被配置来测量所述一个或多个电化学电池单元的电压；以及阻抗确定单元，所述阻抗确定单元被配置来基于所述测量的电压和所述诱导出的EIS扰动电流来确定所述一个或多个电化学电池单元的阻抗。所述系统还可包括控制单元，所述控制单元被配置来控制所述电流生成模块以生成所述相应的电流参考信号来诱导出所述期望的EIS扰动电流。所述系统还可包括评估单元，所述评估单元被配置来基于所述确定的阻抗来确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。又进一步提供了一种用于使用如上述方面所述的EIS电路来对一个或多个电化学电池单元执行电化学阻抗谱(EIS)分析的方法，所述方法包括：分别针对所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的每一者生成电流参考信号，所述相应的电流参考信号被生成以在所述EIS电路中诱导出期望的扰动电流，所述期望的扰动电流包括正弦扰动电流；诱导所述相应的电流参考信号通过所述第一电流调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量一个或多个电化学电池单元的阻抗的电化学阻抗谱(EIS)电路，其包括：/n电能存储装置；/n第一电流调节器，所述第一电流调节器连接在所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元之间；以及/n第二电流调节器，其中流入所述第一电流调节器和所述第二电流调节器的功率被解耦。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170713 US 62/532,1721.一种用于测量一个或多个电化学电池单元的阻抗的电化学阻抗谱(EIS)电路，其包括：
电能存储装置；
第一电流调节器，所述第一电流调节器连接在所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元之间；以及
第二电流调节器，其中流入所述第一电流调节器和所述第二电流调节器的功率被解耦。


2.如权利要求1所述的EIS电路，其中：
所述第一电流调节器与所述一个或多个电化学电池单元串联连接；
所述电能存储装置与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且
所述第二电流调节器与所述电能存储装置并且与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接。


3.如权利要求1所述的EIS电路，其中：
所述第一电流调节器与所述电能存储装置串联连接；
所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且
所述第二电流调节器与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置并且与所述一个或多个电化学电池单元并联连接。


4.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。


5.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。


6.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器是耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。


7.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器是非耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。


8.如权利要求4、权利要求6或权利要求7中任一项所述的EIS电路，其中所述非耗散性电流调节器是输出端连接至负载的开关模式功率转换器。


9.如权利要求8所述的EIS电路，其中所述开关模式功率转换器具有包括双有源桥、反激或同相升降压的任何隔离或非隔离拓扑。


10.如权利要求8或权利要求9所述的EIS电路，其中所述开关模式功率转换器支持双向功率流。


11.如权利要求8至10中任一项所述的EIS电路，其中连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是另一个电化学电池单元。


12.如权利要求8至10中任一项所述的EIS电路，其中连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是一个或多个并联连接的另外的EIS电路。


13.如权利要求5、权利要求6或权利要求7中任一项所述的EIS电路，其中所述耗散性电流调节器包括具有电流反馈控制环路的MOSFET。


14.如权利要求5、权利要求6或权利要求7中任一项所述的EIS电路，其中所述耗散性电流调节器包括与控制开关串联的电阻器。


15.如权利要求1至14中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的一者或两者包括多个电流调节器。


16.如权利要求1至15中任一项所述的EIS电路，其中所述电能存储装置包括电容器和电感器中的至少一者。


17.如权利要求1至16中任一项所述的EIS电路，其中所述电能存储装置包括多个电能存储装置。


18.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·宫，O·特莱斯卡塞斯，
申请(专利权)人：多伦多大学管理委员会，哈维拉尔加拿大工业研发实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA