CN102193031A - Ac阻抗测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AC阻抗测量装置，包括：信号发生器，其构造为将其上叠加了周期信号的第一信号提供至DUT；傅里叶变换单元，其构造为对从DUT输出的电流数据和电压数据执行傅里叶变换，其中使用变换窗口同时顺次平移所述变换窗口的起始时间，从而得到电压数据和电流数据的多个傅里叶变换数据串；差分序列计算器，其构造为顺次计算电压数据的傅里叶变换数据串的第一差分序列和电流数据的傅里叶变换数据串的第二差分序列；和阻抗计算器，其构造为基于第一差分序列与第二差分序列的比值来计算DUT的阻抗。

Description

AC阻抗测量装置

本申请要求2010年3月16日提交的日本专利申请第2010-058729号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及AC阻抗测量装置。更具体来说，本发明涉及对电池充电和放电期间的AC阻抗特性的测量进行改进。

背景技术

近年来，可再充电的二次电池在保护环境和成本方面吸引了人们的注意。在二次电池的研究开发领域，存在以较高的精度测量期望频率处的阻抗特性的需求。

图6是例示了用于使用AC方法测量二次电池的阻抗的结构的示意图。振荡器2将AC信号施加至作为被测装置(下文中称为“DUT”)的二次电池，电压表3和电流表4分别测量DUT 1的端子电压和电流。基于电压和电流的测量值来计算幅度比值和相位差。通过这种方式来计算DUT 1的阻抗。

计算出的DUT 1的阻抗具有幅度信息和相位信息，因此可以由复数表示。DUT 1的阻抗可以在复数平面上显示为一个点，其中水平轴表示实轴，垂直轴表示虚轴。特别地，其中将虚部的极性翻转并且绘出了每个频率处的阻抗的视图被称为Cole-Cole图，其通常用作在例如电化学领域中确定DUT 1的内部特性或劣变的指标。

存在这样一种方法，其中通过对测量得到的电压和电流执行傅里叶变换并且得到二者的比值来计算每个频率处的阻抗。在这种情况下，测量稳态中的电压和电流，而不考虑瞬态响应。当电压和电流数据针对傅里叶变换而截取的部分(下文中称为“变换窗口”)是信号周期的整数倍时，阻抗计算结果与变换窗口的起始相位无关，从而能够精确地计算阻抗。

即使变换窗口不是信号周期的整数倍，也能够通过使用周期大于信号周期的采样数据执行傅里叶变换或者使用诸如Hanning窗口函数或Hamming窗口函数的窗口函数计算阻抗，来减少阻抗测量中的误差。

JP-A-2007-265895描述了仅使用几乎0Hz的频率f处(低频域)的DC分量来测量阻抗特性，而不测量针对AC信号的响应，从而能够高速测量燃料电池的特性。

JP-A-2007-258661描述了在层叠陶瓷电容器的制造过程中使用AC阻抗测量来评估层叠陶瓷电容器。

JP-A-2007-17405描述了在钢筋腐蚀度的评估中使用AC阻抗测量。

不过，在各种材料特性的评估中，为了尽可能在接近实际使用情况的条件下测量阻抗，必需在存在恒定电流流过或者存在瞬态变化的状态下测量阻抗。

然而，在电池或电容器的情况下，当恒定电流持续流过时，端子电压由于例如离子扩散、化学反应、和内部容量而逐渐改变。

当在瞬态下施加AC信号时，测量其中AC信号叠加在瞬态响应上的DUT的输出电压。当使用通过对输出电压执行傅里叶变换而得到的值来计算阻抗时，该阻抗包括由瞬态响应导致的误差。

存在一种使用例如多重回归分析来根据测得的数据计算瞬态响应的近似表达的方法。但是在这种方法中，计算近似表达会占用较长时间，并在计算中存在较大误差。

当使用诸如Hanning窗口函数或Hamming窗口函数的窗口函数时，需要超过信号周期的测量时间以减小误差。

另外，存在一种将变换窗口的相位平移一次、并且基于阻抗差来计算傅里叶变换期间的瞬态响应的影响的方法。不过，当瞬态响应无法被线性近似时，难以减小误差。

发明内容

本发明的示例性实施例能够解决上述问题以及未在上文描述的其它问题。不过，不要求本发明解决上述所有问题，因此本发明的示例性实施例可能无法解决每个问题。

因此，本发明的一个示例性方面是提供一种AC阻抗测量装置，其即使在电压或电流的瞬态响应中也能够以较小的误差测量阻抗。

根据本发明的一个或多个示例性方面，提供了一种AC阻抗测量装置。该装置包括：信号发生器，其构造为将其上叠加了周期信号的第一信号提供至DUT(被测装置)；傅里叶变换单元，其构造为对从DUT输出的电流数据和电压数据执行傅里叶变换，其中使用变换窗口同时顺次平移所述变换窗口的起始时间，从而得到电压数据和电流数据的多个傅里叶变换数据串，其中所述变换窗口具有第一信号的周期的整数倍的时间宽度，并且所述电流数据和电压数据中的至少一个包括瞬态响应；差分序列计算器，其构造为顺次计算电压数据的傅里叶变换数据串的第一差分序列，以及电流数据的傅里叶变换数据串的第二差分序列；和阻抗计算器，其构造为基于第一差分序列与第二差分序列的比值来计算DUT的阻抗。

根据本发明的一个或多个示例性方面，所述傅里叶变换单元被构造为在第一信号的周期的六分之一至六分之五的范围内顺次平移变换窗口的起始时间。

根据本发明的一个或多个示例性方面，所述周期信号包括多个频率分量，并且所述阻抗计算器被构造为针对每个频率分量计算DUT的阻抗。

根据本发明的一个或多个示例性方面，该装置还包括：采样单元，其构造为基于采样时钟将从DUT输出的电流数据和电压数据转换成数字信号。

根据本发明，即使在电压或电流的瞬态响应中，也能够显著降低对阻抗计算的影响。即使无法线性近似输出的变化，也能够以高精度测量阻抗。能够在短时间内测量阻抗，而无需等待逐步输入的输出的稳定。

从后续说明书、附图和权利要求中能够清楚看出本发明的其它方面和优点。

附图说明

图1是例示了本发明的实施例的框图；

图2是例示了算术单元17的处理运算的示意流程的流程图；

图3是例示了当起始时间变化时傅里叶变换结果的轨迹的视图；

图4是例示了当将变换窗口平移一定次数时阻抗计算结果中的误差的视图；

图5是例示了当变换窗口平移时由瞬态响应中的差别导致的傅里叶变换结果的轨迹的视图；

图6是例示了根据现有技术的AC阻抗测量装置的示例结构的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的示例性实施例进行说明。图1是例示了本发明的实施例的框图。在图1中，信号发生控制器5控制周期信号发生器6、DC信号发生器7、和时钟发生器8来基于设定的信号产生并输出预定信号。

周期信号发生器6将预定的周期信号输出至加法器9的一个输入端子，DC信号发生器7将预定的DC信号输出至加法器9的另一个输入端子。加法器9将其中在DC信号上叠加了周期信号的信号输出至输出信号发生器10。

输出信号发生器10将其中在DC信号上叠加了周期信号的电流或电压信号施加至DUT 1。

电流测量单元11测量流经DUT 1的电流，并将电流信号提供至采样单元12。采样单元12基于从时钟发生器8接收的采样时钟将电流测量单元11测得的电流信号转换成数字信号，并将该数字信号存储在电流数据存储单元13中。

电压测量单元14测量DUT 1的端子电压并将电压信号提供至采样单元15。采样单元15基于从时钟发生器8接收的采样时钟将电压测量单元14测得的电压信号转换成数字信号，并将该数字信号存储在电压数据存储单元16中。

算术单元17读取存储在电流数据存储单元13中的电流数据和存储在电压数据存储单元16中的电压数据，去除瞬态响应的影响，并对DUT 1的阻抗执行预定运算。

显示单元18以适当的形式显示算术单元17对DUT 1的阻抗的运算结果。

图2是例示了算术单元17的处理运算的流程的示意流程图。首先，算术单元17设置运算起始时间(步骤S1)并设置变换窗口的时间宽度(步骤S2)。然后，算术单元17获取电流数据和电压数据作为用于运算的傅里叶变换数据(步骤S3)。

算术单元17对所获取的电流数据和电压数据执行傅里叶变换(步骤S4)。然后，算术单元17存储变换结果并创建数据串(步骤S5)。改变运算起始时间，将步骤S1至S5重复执行预定的次数。

然后，算术单元17使用以这种方式计算的多个傅里叶变换串来顺次计算这多个傅里叶变换数据串的差分序列(步骤S6)。然后，算术单元17基于所述差分序列的计算结果根据电流数据和电压数据的比值来计算DUT 1的阻抗(步骤S7)。

接下来，对电流控制中的详细阻抗计算运算进行说明。图3是例示了在DUT 1的两端测得的电压和电流的傅里叶变换结果的轨迹的视图，其中对处于10A放电状态的DUT 1施加1Ao-p/0.1Hz的AC电流，并且变换窗口的起始时间发生变化。根据实际电池阻抗的测量结果，DUT 1的内阻是4mΩ，瞬态响应电压为-0.11×√t[V]。

变换窗口的时间宽度为10s，在变换窗口的起始时间t处测得的电流和电压的短时傅里叶变换结果分别是Is(t)和Vm(t)。

当变换窗口从t＝10s开始连续平移时得到的短时傅里叶变换结果绘出图3的下部分所示的轨迹。电流的傅里叶变换结果绘出以原点为中心的圆，而电压的傅里叶变换结果与电流不同，其受到瞬态响应分量的影响而不构成圆。

使用该轨迹上的任意点的数据来计算阻抗。图4示出了基于当变换窗口从t＝10s平移2.5s时的数据的阻抗计算结果，以及绝对值相对真值(4mΩ)的误差。

在现有技术方法中，其中基于从一个变换窗口得到的傅里叶变换数据来计算阻抗，例如，t＝10s处的阻抗计算如下：

Z＝V(10)/I(10)＝(8.13-0.23i)[Ω]

绝对值相对真值(4mΩ)的误差为+103.4％。

然后，将变换窗口平移2.5s以获取傅里叶变换数据，并执行如下计算。

Z＝{V(12.5)-V(10)}/{I(12.5)-I(10)}＝(4.13+0.18i)[mΩ]

在这种情况下，绝对值相对真值的误差为+3.4％，这小于t为10s时的误差。

此外，将变换窗口平移2.5s以获取傅里叶变换数据，并执行如下计算。

Z＝[{V(15)-V(12.5)}-{V(12.5)-V(10)}]/[{I(15)-I(12.5)}-{I(12.5)-I(10)}]＝(3.992+0.03i)[mΩ]

在这种情况下，绝对值相对真值的误差为-0.18％。

另外，将变换窗口平移2.5s以获取傅里叶变换数据，并执行如下计算。

Z＝[{(V(17.5)-V(15))-(V(15)-V(12.5))}-{(V(15)-V(12.5))-(V(12.5)-V(10))}]/[{(I(17.5)-I(15))-(I(15)-I(12.5))}-{(I(15)-I(12.5))-(I(12.5)-I(10))}]＝(3.994+0.003i)[mΩ]

在这种情况下，绝对值相对真值的误差为-0.15％。

通过这种方式，根据通过平移变换窗口得到的傅里叶变换数据串计算电流和电压的差分序列以及根据串计算差分序列的差分序列计算处理重复执行，直到数据达到统一。

基于剩余电流数据和剩余电压数据的比值来计算DUT 1的阻抗。随着通过平移变换窗口得到的傅里叶变换数据串的数量的增多，计算结果变得更接近真值。

下面针对“随着通过平移变换窗口得到的傅里叶变换数据串的数量的增多，计算结果变得更接近真值”这一事实进行说明。

当所施加的电流的DC分量为idc、AC叠加分量为is(t)、测量得到的电流为im(t)、瞬态响应电压为vr(t)、测量得到的电压是vm(t)、阻抗为Za时，测量得到的电流和电压可以表示如下：

im(t)＝idc+is(t)；以及

vm(t)＝Za(idc+is(t))+vr(t)

当在具有AC信号周期的时间宽度的变换窗口的起始时间t＝t₀处对信号执行短时傅里叶变换时，该短时傅里叶变换的结果可以表示如下：

Im(t₀)＝Is(t₀)

Vm(t₀)＝Za·Is(t₀)+Vr(t₀)

在这种情况下，可以建立如下表达式A：

Vm(t₀)/Im(t₀)＝Za+{Vr(t₀)/Is(t₀)}…(A)

在计算得到的阻抗值Za中，第二项为误差。这时根据现有技术的阻抗计算处理。

然后，执行第一差分序列计算处理并建立如下表达式B：

{Vm(t₁)-Vm(t₀)}/{Im(t₁)-Im(t₀)}＝Za+[{Vr(t₁)-Vr(t₀)}/{Is(t₁)-Is(t₀)}]…(B)

在计算得到的阻抗值Za中，第二项为误差。

类似地，执行第二差分序列计算处理并建立如下表达式C：

[{Vm(t₂)-Vm(t₁)}-{Vm(t₁)-Vm(t₀)}]/[{Im(t₂)-Im(t₁)}-{Im(t₁)-Im(t₀)}]＝Za+[{Vr(t₂)-Vr(t₁)}-{Vr(t₁)-Vr(t₀)}]/[{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₁)-Is(t₀)}]…(C)

执行第三差分序列计算处理并建立如下表达式D：

[{Vm(t₃)-Vm(t₂)}-{Vm(t₂)-Vm(t₁)}-{Vm(t₂)-Vm(t₁)}-{Vm(t₁)-Vm(t₀)}]/[{Im(t₃)-Im(t₂)}-{Im(t₂)-Im(t₂)}-{Im(t₂)-Im(t₁)}-{Im(t₁)-Im(t₀)}]＝Za+[{Vr(t₃)-Vr(t₃)}-{Vr(t₃)-Vr(t₁)}-{Vr(t₂)-Vr(t₁)}-{Vr(t₁)-Vr(t₀)}]/[{Is(t₃)-Is(t₃)}-{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₁)-Is(t₀)}]…(D)

图5示出了当变换窗口沿时间平移时的瞬态响应的傅里叶变换的轨迹。由于瞬态响应可以被线性近似时的傅里叶变换结果收敛于一个点，因此得到Vr(t₀)＝Vr(t₁)。

因此根据表达式B得到如下关系：

{Vm(t₁)-Vm(t₀)}/{Im(t₁)-Im(t₀)}＝Za

可以精确计算出阻抗值Za。

然而，当瞬态响应无法被线性近似时，例如，当瞬态响应近似于指数函数或者与时间的平方根成比例时，Vr(t₀)不等于Vr(t₁)，并会保留有误差分量。

对于图3所示的傅里叶变换的轨迹，尽管电流的傅里叶变换的轨迹绘出了圆形，但是瞬态响应的傅里叶变换的轨迹绘出直线或者具有较小曲率从而收敛于原点的曲线。

因此，当变换窗口在信号周期的六分之一至六分之五的范围内从t₀平移至t₁、t₂、t₃……时，针对|Is(t₀)|≤|Is(t₁)-Is(t₀)|≤|{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₁)-Is(t₀)}|≤|[{Is(t₃)-Is(t₃)}-{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₁)-Is(t₀)}]|，满足|Vr(t₀)|≥|Vr(t₁)-Vr(t₀)|≥|{Vr(t₂)-Vr(t₁)}-{Vr(t₁)-Vr(t₀)}|≥|[{Vr(t₃)-Vr(t₃)}-{Vr(t₃)-Vr(t₁)}-{Vr(t₂)-Vr(t₁)}-{Vr(t₁)-Vr(t₀)}]|。

因此，表达式(A)至(D)中的每一个的误差项如下：|Vr(t₀)|/|Is(t₀)|≥|Vr(t₁)-Vr(t₀)|/|Is(t₁)-Is(t₀)|≥|{Vr(t₂)-Vr(t₁)}-{Vr(t₁)-Vr(t₀)}|/|{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₁)-Is(t₀)}|≥|[{Vr(t₃)-Vr(t₃)}-{Vr(t₃)-Vr(t₁)}-{Vr(t₂)-Vr(t₁)}-{Vr(t₁)-Vr(t₀)}]|/|[{Is(t₃)-Is(t₃)}-{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₂)-Is(t₁)}-{Is(t₁)-Is(t₀)}]|。

也即，当重复执行计算通过平移变换窗口从测得的电流和测得的电压得到的傅里叶变换数据串的差分序列的处理以计算阻抗时，能够通过增加变换窗口平移的次数来减小误差。

变换窗口的时间宽度可以是信号周期的整数倍。

可以以任何间隔来平移变换窗口。不过在重复执行差分序列计算处理时，平移间隔应当设置为使得就与瞬态响应变化的平衡而言减小阻抗的测量误差。一般来说，优选使变换窗口在叠加信号周期的六分之一至六分之五的范围内平移。

当通过平移变换窗口得到的电流和电压的傅里叶变换数据串为I₁，I₂，I₃…和V₁，V₂，V₃…并且计算得到的阻抗为Z时，电流和电压的傅里叶变换数据串可以代入如下表达式。

$Z=\frac{\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{nCk}\·{(-1)}^{n+k}\·\mathrm{Vk})}{\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{nCk}\·{(-1)}^{n+k}\·\mathrm{Ik})}$

从周期信号发生器6输出的周期信号不限于单频率的信号，还可以包括其它已知的频率分量。在这种情况下，可以针对每个频率分量计算阻抗。

如上文所述，根据本发明，即使在电压或电流存在瞬态响应时也能够实现以较小误差测量阻抗的AC阻抗测量装置。

尽管参照特定的示例性实施例对本发明进行了图示和说明，但其它的实现方式也落入权利要求的保护范围内。本领域技术人员能够理解，在不偏离由权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下可以在形式和细节上做出各种改变。

Claims (5)

1.一种AC阻抗测量装置，包括：

信号发生器，其构造为将其上叠加了周期信号的第一信号提供至被测装置；

傅里叶变换单元，其构造为对从被测装置输出的电流数据和电压数据执行傅里叶变换，其中使用变换窗口同时顺次平移所述变换窗口的起始时间，从而得到电压数据和电流数据的多个傅里叶变换数据串，其中所述变换窗口具有第一信号的周期的整数倍的时间宽度，并且所述电流数据和电压数据中的至少一个包括瞬态响应；

差分序列计算器，其构造为顺次计算电压数据的傅里叶变换数据串的第一差分序列和电流数据的傅里叶变换数据串的第二差分序列；和

阻抗计算器，其构造为基于第一差分序列与第二差分序列的比值来计算被测装置的阻抗。

2.根据权利要求1的装置，

其中所述傅里叶变换单元被构造为在第一信号的周期的六分之一至六分之五的范围内顺次平移变换窗口的起始时间。

3.根据权利要求1的装置，

其中所述周期信号包括多个频率分量，并且

所述阻抗计算器被构造为针对每个频率分量计算被测装置的阻抗。

4.根据权利要求2的装置，

其中所述周期信号包括多个频率分量，并且

所述阻抗计算器被构造为针对每个频率分量来计算被测装置的阻抗。

5.根据权利要求1的装置，还包括：

采样单元，其构造为基于采样时钟将从被测装置输出的电流数据和电压数据转换成数字信号。

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