专利名称：电池单元阻抗谱测量系统的制作方法
技术领域：
本专利申请描述了电池单元阻抗谱测量装置。
背景技术：
在具有可重复充电电池的系统中，了解电池单元的阻抗是重要的。了解单元的阻抗及其随时间变化的方式有利于精确地估计电池组的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)， 这在 J. L. Jespersen 等人的 “Capacity measurement of Li-Ion batteries using AC impedance spectroscopy”，World Electric Vehicle Journal Vol. 3 中进行了描述。这也使得使用最佳充电和放电策略成为可能，所述最佳充电和放电策略可以使使用寿命、生命周期和电池组的储能能力最大化。在本文的描述中，将使用以下在图8中示出的定义。图8示出了电池组的简化框图，该电池组具有以下定义的组件。-单元或电池单元基本组件。电压典型地2.5-4. 2V，取决于化学性质和SOC-部件共享单元平衡组件及测量组件的单元组。电压典型地5-17V，取决于部件中单元的数目、单元化学过程(cell chemistry)和SoC-模块部件组。电压通常被选为“安全电压”，即直至60V-片段串联连接的模块组，产生与总电池组的电压相同的电压。电压取决于应用，一些地方在范围IOOV到600V之间-组或电池组并联连接的片段组，构成用于应用中的总电池。并联连接提高了电池组的能量容量以及供电能力，但是并未提高其电压。在许多应用中，电池组仅包括一个单片段。电压取决于应用，一些地方在范围IOOV到600V之间。
图1示出了电池单元的简化模型。电容器模拟化学的电荷储存。当电流流经三个阻抗时，三个阻抗模拟引起电池单元电压变化的不同效应。第一阻抗Zm,。模拟电池单元中材料的电阻和由电池单元的构造(例如缠绕或扁平电极)引起的电感。第二阻抗Zkin模拟动力学效应。第三阻抗Zdif模拟扩散效应。第一阻抗更像与电感串联的电阻，其它两个阻抗是非线性时变的阻抗。电极的活性表面区域随着电池的老化而减少。这本身表示为尤其是Zm,。的增加，因而是电池单元的SoH的良好指示符。获取关于这些阻抗的消息的标准方式是同时测量电池单元电压和电流。例如以1 秒的间隔规则地重复该测量。然后将测量的结果用于拟合模型。模型输出SoC和SoH。这种工作方式意味着对包括三个阻抗的电池单元的所有参数进行了直接地测量。如果对一个或多个阻抗进行直接测量是可能的，那么可以提高模型估计其它阻抗和参数的精度。这有助于提高SoC和SoH指示的精度。相当直接地测量阻抗的一种方式是使用验电法(electroscopy)。验电法是确定不同频率电池阻抗的技术。通常在尼奎斯特曲线图中表示验电法测量的结果在X轴和Y轴上表示阻抗的实部与虚部的图。以不同的频率重复测量，并在图2中示出了结果。曲线清楚地示出了三个部分。高频率部分(即kHz)范围是对阻抗Zm,。的指示。低频率部分(即Hz)范围是对“动力学”阻抗的指示，极低阻抗部分(即，mHz)部分是对“扩散”阻抗的指示。图3示出了基本的谱测量装置。电源驱动电流经过电池组。在当前的系统中，电源通常是电压源，但是也可以是电流源。电压/电流水平被选为低，所以电池在测量看来可以认为是线性系统。与电池串联连接的电阻器将电流转换为电压。在非期望的信号(即， 噪声)和畸变到达幅度/相位仪表之前，带通滤波器将其去除。使用相同的幅度/相位仪表来测量电池电压和转换电阻器两端的电压。所有的仪表和带通滤波器是相同的，以确保这些电路中的相同增益和相同延迟时间。通过所测量电压的幅度和相位，可以容易地发现电池阻抗的实部与虚部
权利要求
1.一种电池单元测量系统，包括与脉冲密度调制电路(PDM)耦合的信号产生器，脉冲密度调制电路产生驱动开关的控制信号，开关连接在电池单元的第一端子与泄放阻抗(Lbal)的第一端子之间，泄放阻抗 (Lbal)的第二端子与电池单元的第二端子耦合；泄放阻抗(Lbal)的第一端子与第二开关的第一端子耦合； 泄放阻抗(Lbal)的第二端子与第三开关的第一端子耦合；第二开关的第二端子与第三开关的第二端子相互耦合，并且还与低通滤波器(LPF)耦合；将低通滤波器产生的信号输入模数转换器(ADC)，模数转换器提供表示泄放阻抗(Lbal) 两端的信号或电池单元的端子之间的信号的信号。
2.如权利要求1所述的电池单元测量系统，其中，泄放阻抗是电阻器或电感器。
3.如权利要求1所述的电池单元测量系统，还包括带通滤波器，所述带通滤波器与模数转换器耦合并且还与幅度/相位检测器耦合，幅度/相位检测器和信号产生器由相同的信号(f&J驱动。
4.如前述权利要求中任一项所述的电池单元测量系统，其中，模数转换器是过采样 sigma/delta 转换器。
5.如前述权利要求中任一项所述的电池单元测量系统，其中，信号产生器提供正弦输出，并且包括查找表。
6.如权利要求1或2所述的电池单元测量系统，其中，模数转换器的输出与数字傅立叶变换电路(DFT)耦合。
全文摘要
本发明描述了电池单元测量系统，包括与脉冲密度调制电路(PDM)耦合的信号产生器，脉冲密度调制电路产生驱动开关的控制信号，开关连接在电池单元的第一端子与泄放阻抗(Lbal)的第一端子之间，泄放阻抗(Lbal)的第二端子与电池单元的第二端子耦合。泄放阻抗(Lbal)的第一端子与第二开关的第一端子耦合。泄放阻抗(Lbal)的第二端子与第三开关的第一端子耦合。第二开关的第二端子与第三开关的第二端子相互耦合，并且还与低通滤波器(LPF)耦合。将低通滤波器(LPF)产生的信号输入模数转换器(ADC)，模数转换器提供表示泄放阻抗(Lbal)两端的信号或电池单元的端子之间的信号的信号。
文档编号G01R27/02GK102466766SQ201110329220
公开日2012年5月23日 申请日期2011年10月26日 优先权日2010年10月28日
发明者曼塞阿斯·约翰内斯·杰拉尔德斯·拉莫尔斯, 约翰尼斯·P·M·范拉莫林 申请人:Nxp股份有限公司