装置（１０、３０、５０）包括微处理器或微控制器，并在离散频率上测量单元或电池的复导抗的实部和虚部，其中，ｎ是等于或大于２的整数。装置通过计算包括２ｎ个频率独立元件的等效电路模型的元件确定单元／电池特性。在ｎ个测量频率（７０）上适当模型测量的导抗（６０）的实部和虚部的值确定了２ｎ个非线性方程的系统。引入２ｎ个中间变量可以解这些方程，并导出２ｎ个模型元件的值。元件值的表格实际上在宽频率范围内包含与复导抗的频谱一样的信息，但是，以比较简明的形式提供的这个信息较容易存储、分析和处理。因此，２ｎ个元件值本身包括要求的结果。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
技术介绍
小-信号ac测量技术已经证明确定电化学元件和电池的特性是非常有用的，例如，启动(cranking)功率、百分比容量、健康状态。这些技术通常采用单个数量的单-频测量，例如，电导(美国专利US 5585728、US 5140269)、电阻(美国专利US 3676770、US 3753094、US 5047772)、阻抗(美国专利US 4697134、US 5773978)。但是，电的、化学的、物理性质的大量信息包含在复导抗的连续频谱中，既，阻抗或导纳显示在频率的范围上。(例如，见“在电池研制和测量中的电化学阻抗波谱学”作者David Robinson，电池国际，31，pp 59-63，1997，4)。在测量电池领域中的巨大难题是从选择的几个“点”频获得的相对小的测量数得到这样的信息。Muramatsu在美国专利US 4678998对这个难题公开了一种方法。它在两个频率上测量阻抗的大小。在每个频率上，它把测量的值与阻抗值、剩余容量、剩余寿命之间的预定试验关系的值进行比较。它报告说这样的测量可以单独地确定电池的剩余容量和它的剩余寿命。Randin在美国专利US4743855中公开了第二种方法。它从两个频率上测量的复阻抗之间的差的独立变量确定电池的放电状态。Bounaga在美国专利US5650937中公开了另一种方法。它只从单个频率上获得的复阻抗的虚部的测量确定充电状态。但是，所有三种方法合理地限定了目标。实际上，在复导抗的完整频谱中获得的信息比Muramatsu、Randin、Bounaga获得的信息多。在涉及到电池的电特性、化学特性、物理特性的复导抗范围内，等效电路表示法可以提供一些帮助。一种复杂的非线性最小二乘曲线拟合法已经由电化学家用到有关的阻抗频谱到非线性电化学模型中。(例如，见“估算体积、反映率和散射参数的阻抗波谱学的精度”，电分析化学杂志，307，pp 1-11，1991；“用与阻抗/导纳数据分析的数据包”，固态离子，18，pp 136-140，1986)。但是，这些复杂的方法需要测量单元/电池阻抗的完整频谱分布，然后，开始估算模型的参数，以保证最后的收敛。等效电路模型是一种表示电池的终端特性的互连的引入电元件。在线性小信号模型中，这些元件包括分立的电阻、电容和电感。这些模型已经由许多专家描述过，包括Hampson等(“电存储元件的阻抗”，应用电化学杂志，10，pp 3-11，1980)、Willihnganz和Rohner(“电池阻抗”，电器工程，78，No.9，pp 922-925，1959年9月)、Debardelaben(“确定电池寿命的终结”，INTELIEC 86，IEEE CH2328-3/86/0000-0365，pp365-385，1986，“电池阻抗的考虑“，INTELIEC 88，IEEE CH2653-4/88/000-0394，pp 394-397，1988)。但是，这些专家没有公开从选择的几个“点”频上获得少数测量值确定等效电路模型的分量值的装置。这就是公开在此的本专利技术的重要贡献。专利技术简述一个装置包括微处理器或微控制器，并在n个离散频率上测量单元或电池的复导抗的实部和虚部，其中，n是等于或大于2的整数。通过估算包括2n个频率独立线性电元件的等效电路模型的分量，装置确定单元/电池特性。在n个离散频率的每一个频率上，使测量的复导抗的实部和虚部与理论上适合于该模型的实部和虚部相等，在未知的2n中确定了一组2n个非线性方程。通过引入2n个中间变量，这个艰难的问题变为线性问题，并从系统上解决了模型的分量值。一旦知道这些值，2n个元件值的表格实际上包括与频率范围上显示的复导抗的连续频谱一样的信息。但是，数值的表格提供的这个信息是以非常简明的形式，该数值可以容易地存储、分析和使用。因此，电路元件值本身包括要求的结果。此外，电路元件代表发生在电池中的实际过程。因此，可以调用一个或多个元件和单元/电池的附加电特性、化学特性、物理特性之间的预定关系，以确定附加的特性。在此公开的方法和装置是有效的、精确的和容易地用微控制器或微处理器实施。本专利技术适用于电动交通工具中从手持电池检测器到“智能”电池充电和电池“燃料计量”的诊断应用范围的变化。尽管使用铅-酸汽车存储电池作为例子来说明本专利技术的方法，本专利技术也适用于一次和二次单元和电池，适用于其它应用的方法和其它化学系统。附图简述附图说明图1a是测量的实际12V汽车存储电池导纳的实部频谱图。图1b是测量的实际12V汽车存储电池导纳的虚部频谱图。图2显示了包括2n个频率独立线性元件的单元或电池小信号ac等效电路图。图3是图2中n＝2的等效电路模型。图4a是图1a的实验数据与图3a模型计算的理论曲线的比较图。图4b是图1b的实验数据与图3模型计算的理论曲线的比较图。图5是图2中n＝3的等效电路模型。图6a是图1a的实验数据与图5模型计算的理论曲线的比较图。图6b是图1b的实验数据与图5模型计算的理论曲线的比较图。图7是从本专利技术的点-频复导抗确定电池特性的装置方框图。图8是图7公开的本专利技术实施例控制算法的流程图。优选实施例的详细描述单元或电池的阻抗是一个复量。在特殊的离散或“点”频fk上，复阻抗可以写成实部和虚部Z(fk)＝R(fk)+JX(fk) (1)其中，j＝ 实部量R(fk)和X(fk)分别是在频率fk上的单元/电池的电阻和电抗。它们物理上分别在频率fk上代表同相电压幅度与电流幅度之比和正交电压幅度与电流幅度之比。单元或电池的导纳同样是一个复量。在特殊的离散或“点”频fk上，复导纳可以写成Y(fk)＝G(fk)+JB(fk) (2)实部量G(fk)和B(fk)分别是在频率fk上的单元/电池的电导和电纳。它们物理上分别在频率fk上代表同相电流幅度与电压幅度之比和正交电流幅度与电压幅度之比。复导纳和复阻抗相互之间成倒数关系Y(fk)＝1/Z(fk) (3)因此，复导纳的频谱和复阻抗的频谱包含有关单元/电池的准确的相同信息。术语“导抗”在此表示量，其中，选择是不重要的。测量的典型汽车存储电池的复导纳的实部和虚部频谱分别公开在图1a和图1b中，频率范围从5Hz到1000Hz。有关电池的大量信息表示在这个频谱图表中。例如，从图1b看到，电池接近250Hz串联谐振，低于这个频率是容性的(B＞0)，高于这个频率是感性的(B＜0)。但是，显示在图1a和图1b中的大多数电池信息是很精细的，从图表中不是很明显。图2公开了一种小信号ac等效电路模型，以帮助把图1a和图1b显示的复导抗的频谱图表简化到一小组频率独立参数。可以看出，图2的模型包括串联的两元件串联R-L子电路，和n-1两元件并联R-C子电路。因为n＝2，这个等效电路模型简化到Willihnganz和Rohner及Debardelaben讨论的简单模型。下面完全公开从点-频复导抗的测量值确定电路模型元件值的方法。图2模型的复阻抗的表达式为Z=R+jX=R1+jωL1+11/R2+jωC2+·····&am本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种从复阻抗／导纳中确定电池特性的装置，至少确定２ｎ个元件的一个元件的值，包括电化学单元或电池的等效电路模型，其中，ｎ是等于或大于２的整数，所述的装置包括： 测量电路，适合于连接到所述单元或电池，并把周期性电流通过所述的单元或电池，并测量所述单元或电池两端的周期电压，在包括所述周期电流和周期电压的分量频率的测量频率上确定所述单元或电池的复导抗的实部和虚部； 控制电路，连接到所述测量电路，并指令所述的测量电路选择ｎ个测量频率的每一个频率，因此，确定了ｎ个所述的实部、ｎ个所述的虚部和ｎ个所述的测量频率；以及 计算电路，连接到所述的测量电路和控制电路，并在数字上组合所述ｎ个实部、ｎ个虚部和ｎ个测量频率的值，以确定包括所述的电化学单元或电池的等效电路的至少２ｎ个元件的一个元件的值。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：基思S钱普林，
申请(专利权)人：基思S钱普林，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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