一种提高电池测试通量的装置
技术领域
本发明设计一种电池测试装置,尤其设计了一种提高电池测试通量的装置。
背景技术
通量组合材料实验技术诞生于上世纪90年代中期,是一种材料科学研究方法的系统工程,通过提高单次实验的通量,加快新材料研发速率,从而弥补工业发展需求和先进材料研发进展之间的鸿沟。经过十几年的发展,高通量组合材料实验技术已广泛应用于储能材料、相变材料、智能涂层材料等领域中,成功地促进了这些领域的快速发展。近期,将高通量实验技术从基础材料研究延展至元器件研发,逐渐成为本领域工作人员公认的一种发展趋势和努力方向。
目前,全球各国均希望通过能源结构调整应对资源与环境危机。在此背景下,电化学储能电池作为新能源体系中的一种关键元器件,引起了广泛的研究兴趣。用于评估电池性能的电池测试装置是化学储能电池研究活动中不可或缺的重要工具。研究人员针对储能电池的研发需求,发展了一系列的高通量电化学研究工具。
现有的高通量电化学研究工具,一类如所发展的扫描电解液滴探针技术,能够以较高的空间分辨率快速、自动化地分析大量样品的电化学特性,然而,这类基于微区三电极的表征技术,其探针结构使得它们更适于材料样品的高通量或微区分析,难以在电池器件形态下实现器件或材料的高通量性能评估。
另一类如Wang等人所发展的多通道电池测试系统,通过构建多组电池测试通道,从而能够以电池器件为样品,在电池形态下并行评估大量样品的器件或材料性能。事实上,Wang等人所发展的多通道电池测试系统的设计思想与市场中的绝大多数商用多通道电池测试产品的相同。这类产品的每一通道均是一套独立、完整的激励-测量系统,虽然较好地照顾了各种研究活动的需求,但系统成本极高,难以推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前难以在电池形态下评估分析大量样品的器件或材料性能,同时过高的系统成本,难以推广应用。
为解决上面的技术问题,本发明提供了一种提高电池测试通量的电路,在电池器件中评估电极材料的工作电压、电极材料的电子、离子电导率、电解质材料的稳定电压窗口和离子导通率等,以并行激励、分时测量方式取代常规多通道电池测量系统中的并行独立测试通道,显著降低系统复杂度和成本。该电路包括:供电模块分别与控制器、DC/DC电源转换器模块串联;所述控制器还与隔离模块、模拟数字转换器、跟随器依次串联;所述跟随器与多个电流检测放大器并联;所述多个电流检测放大器通过金手指接口与多个电池样品阴极串联;所述的DC/DC电源转换器模块与阳极板或阴极板相连;
所述控制器经由所述串口读取上位机输入的实验设置参数,输出特征控制信号,传输给所述DC/DC电源转换器模块;所述DC/DC电源转换器模块接收到特征控制信号,将供电模块提供的电压或电流调制根据接收到的特征控制信号,调制为带有特征的激励信号;所述的带有特征的激励信号通过金手指接口以及电路并行地施加至各个电池材料样品;所述的电池材料样品的电化学响应信号经由所述的跟随器传输至模拟数字转换器,转化后的数字信号,经由所述的隔离模块,并由所述的控制器逐一读取数据经串口传输至上位机,记录实验数据。
进一步,该电路还包括:基准电压模块,所述的基准电压模块与电流检测放大器相连,还与模拟数字转换器相连。
进一步,该电路还包括:精密电阻,所述精密电阻通过金手指接口与电池材料样品连接。
进一步,该电路还包括:过流保护模块,所述过流保护模块一端与精密电阻串联,一端接地。
有益效果:防止电路出现短路,烧坏电路的现象。
在上述技术方案的基础上,本发明还涉及一种提高电池测试通量的装置,该装置还包括:电池测试封装盒、对电极;
所述电池测试封装盒,用于为电池测试提供无水无氧的安全环境,电池测试封装盒中装有电解质溶液;
所述的对电极用于与电池样品形成化学电池回路;
所述的跟随器用于读取以及隔离前后的信号,便于采样信号的逐一通过,防止干扰。
在上述技术方案的基础上,本发明还涉及一种提高电池测试通量的方法,该方法的步骤如下:
步骤S1,控制器经串口读取上位机输入的实验设置参数,输出特征控制信号,传输给DC/DC电源转换器模块;
步骤S2,所述步骤S1中的DC/DC电源转换器模块接收到特征控制信号,将供电模块提供的电压或电流根据接收到的特征控制信号,调制为带有特征的激励信号;
步骤S3,所述步骤S2中的激励信号通过金手指接口,并行地被施加至各个电池样品,使得带有特征的激励信号转变成电化学响应信号;
步骤S4,控制器控制跟随器,逐一采样所述S3中各个电池样品在某一激励下的电化学响应信号,该电化学响应信号经跟随器传输至模拟数字转换器,转化成数字信号;
步骤S5,所述步骤S4中的数字信号经隔离模块传输至所述的控制器;
步骤S6,所述控制器将数字信号传输至上位机,上位机根据预设程序处理得到所需的实验数据。
步骤S7,返回S1步骤,控制器根据上位机输入的实验参数输出下一特征控制信号,重复S2-S6步骤。
进一步,所述的带有特征的激励信号是恒流电源或恒压电源在控制器控制下,根据上位机输入的实验设置参数,输出的具有特征波形的电压或电流信号。
进一步,所述的电池材料样品,包含有2个或2个以上电池材料样品,其还包含电极引线。
有益效果:样品对激励信号的电化学响应往往需数毫秒或数秒,因此每一激励信号状态需维持数毫秒至数秒,而读取一条样品通路上的数据仅需数微秒,因而可在每一步采用并行激励、分时测量的方案,即对各个样品并行施以分辨率极高的激励信号,并行激励时,使用一个激励源即可,节省成本,对各个样品逐个扫描采样在分时测量时,使用一个测量表头即可实现,节省成本,对长达数十小时甚至数十天的测试过程来说,在电池材料样品对某一激励信号的电化学响应过程中,逐一读取上百条通路的响应信号,相当于同步完成了所有样品的测试,同时在保证精度不变的情况下,整体上降低了系统的成本,提高了效率。
附图说明
图1为本发明的电池测试电路图。
图2为本发明的电池测试装置图。
图3为本发明的电池测试方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
本发明所公开的一种提高电池测试通量的电路,如附图1所示,该电路包括如下:
供电模块分别与控制器、DC/DC电源转换器模块串联;所述控制器还与隔离模块、模拟数字转换器、跟随器依次串联;所述跟随器与多个电流检测放大器并联;所述多个电流检测放大器通过金手指接口与多个电池样品阴极串联;所述的DC/DC电源转换器模块与阳极板或阴极板相连;
所述控制器经由所述串口读取上位机输入的实验设置参数,输出特征控制信号,传输给所述DC/DC电源转换器模块;所述DC/DC电源转换器模块接收到特征控制信号,将供电模块提供的电压或电流调制根据接收到的特征控制信号,调制为带有特征的激励信号;所述的带有特征的激励信号通过金手指接口以及电路并行地施加至各个电池材料样品;所述的电池材料样品的电化学响应信号经由所述的跟随器传输至模拟数字转换器,转化后的数字信号,经由所述的隔离模块,并由所述的控制器逐一读取数据经串口传输至上位机,记录实验数据。
本发明所公开一种提高电池测试通量的装置,如附图2所示,该装置还包括:电池测试封装盒、对电极;
所述电池测试封装盒,用于为电池测试提供无水无氧的安全环境,电池测试封装盒中装有电解质溶液;
所述的对电极用于与电池样品形成化学电池回路;
所述的跟随器用于读取以及隔离前后的信号,便于采样信号的逐一通过,防止干扰。
本发明所公开的一种提高电池测试通量的方法,如附图3所示,该方法步骤包括如下:
步骤S1,控制器经串口读取上位机输入的实验设置参数,输出特征控制信号,传输给DC/DC电源转换器模块;
步骤S2,所述步骤S1中的DC/DC电源转换器模块接收到特征控制信号,将供电模块提供的电压或电流根据接收到的特征控制信号,调制为带有特征的激励信号;
步骤S3,所述步骤S2中的激励信号通过金手指接口,并行地被施加至各个电池样品,使得带有特征的激励信号转变成电化学响应信号;
步骤S4,控制器控制跟随器,逐一采样所述S3中各个电池样品在某一激励下的电化学响应信号,该电化学响应信号经跟随器传输至模拟数字转换器,转化成数字信号;
步骤S5,所述步骤S4中的数字信号经隔离模块传输至所述的控制器;
步骤S6,所述控制器将数字信号传输至上位机,上位机根据预设程序处理得到所需的实验数据。
步骤S7,返回S1步骤,控制器根据上位机输入的实验参数输出下一特征控制信号,重复S2-S6步骤。
实施例1
本发明可同时测量120组电池样品的C-V曲线,大大提高实验的效率。以100的样品的测试为例,原本需要数百小时完成的测量工作可在数小时内完成,实验效率提高2个数量级别。目前使用120个电池样品是我们目前所使用的系统的一个典型值,120以上或以下任一数量的样品也可以测量,也可以表述为2个或2个以上的数量样品。
在基片上,集成多个待测试的电池材料样品或电池器件,每一电池器件/电池材料样品均通过独立的路线与测试系统相连接,可并行/同步进行测试表征。
实施例2
如图2所示用于电池测试电路图。具体说明如下:控制器、串口、供电模块、DC/DC模块串联;所述控制器还与隔离模块、模拟数字转换器、跟随器依次串联;所述跟随器与每个电流检测放大器并联;所述每个电流检测放大器通过金手指接口与每个电池样品阴极串联;所述的电流检测放大器与跟随器并联;所述的DC/DC模块与阳极板相连。
供电模块:本系统采样220V交流供电,220V交流经过整流电路成为直流电源,然后经过直流降压电路将电压转换为所需的电压值。
DC/DC:该模块主要讲供电部分输出的直流电压降压或升压为指定的正负电压值并稳压。(可考虑使用线性稳压源或电源模块)
控制器:本系统中控制器主要负责充放电开关的开启和关闭,接收和处理每路采集回来的电流和电压值,控制与上位机通信等。该控制器可考虑采用STM32、DSP或FPGA。(根据实际IO口的需求)
串口:主要负责于上位机的通信。
芯片阵列:在阴极通过芯片阵列的形式经过金手指连接到电路。
阳极板:系统中的电池组检测采用并联的形式,阳极统一接在一块锂板上。
检流精密电阻:采用阻值较小(1毫欧姆左右)精度较高的电阻(千分之一精度以上)
电流检测放大器:检测精密电阻两端的微弱电压信号,接着内部放大该信号,然后将电压传输至下一级。需要配基准。
基准电压模块:为电流检测放大器和ADC提供基准电压
过流保护模块:在每路的检测都加入一个过流保护电路,形式多样,如加保险丝等。
控制器经由串口读取上位机输入的实验设置参数,根据实验程序的设计,输出特定的电压或电流波形,传输给DC/DC模块。DC/DC模块根据所接收到的波形,将供电模块提供的电压或电流调制为所需激励信号(某一电压值或电流值)。上述激励信号通过包含金手指的连同电路并行地施加至各个样品。样品的电化学响应信号(一电压或电流值)经由跟随器传输至ADC模块,转化为数字信号后,经由隔离模块(隔离模块用于防止前后两个信号相互干扰),由控制器经串口传输至上位机,记录实验数据。
电路中的控制器可考虑采用STM32、DSP或FPGA;电路中采用高精度的DC/DC电源提供所需要的正负电压来给样品组充电和放电;装置中利用MOSFET半导通时的阻抗特性来分压,提供给样品特定的电压,其中可通过控制器来实现从-5V到0V和0V到5V的每0.2秒变化5mV的电压提供给样品组;流过每组样品的电流采样,是采用高精度的精密电阻加电流检测放大器的形式来实现的,其精度较高,电路结构较简单。电压采样,是采用精密电阻分压的形式来实现的。所检测的电压和电流信号进过电流检测放大器放大,然后经过阻抗匹配电路即跟随器传输给高精度的16位ADC(模拟信号转换器),高精度ADC将模拟信号转换为数字信号,经过隔离后传输到控制器,控制器处理后最后经串口传输到上位机进行显示。
在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。