CN107923946B - 用于向电化学系统提供激励信号的系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于向电化学系统(50)提供激励信号的系统(10)，其中激励信号用于对电化学系统(50)的电化学阻抗谱诊断，电化学系统(50)可连接到系统(10)，并且系统(10)包括：功率级(12)，诸如充电器，其可连接到电化学系统(50)以向电化学系统(50)供应电能，和/或可连接到电化学系统(50)以从电化学系统(50)汲取电能；以及包括在功率级(12)中或可操作地连接到功率级(12)的激励生成单元(16)。激励生成单元(16)适于指示功率级(12)生成用于电化学阻抗谱诊断的激励信号，并且功率级(12)适于在激励生成单元(16)如此指示时生成激励信号并且将激励信号供应给电化学系统(50)。还提供了使用系统(10)向电化学系统(50)提供激励信号的方法。

Description

用于向电化学系统提供激励信号的系统及其方法
技术领域
本发明涉及生成用于通过电化学阻抗谱(Electrochemicai ImpedanceSpectroscopy)对电化学设备进行诊断的激励信号。
背景技术
电化学阻抗谱是将激励信号施加到电化学系统以引发来自电化学系统的响应信号的技术。然后可以测量响应信号以获得电化学系统的信息，诸如诊断信息。电化学阻抗谱特别地在Orazem，M.E.&Tribollet，B.Electrochemical Impedance Spectroscopy(JohnWiley&Sons，2008)中描述。激励信号通常是施加到测量系统的端子的电流信号或电压信号，并且激励信号的波形可以是具有单个或多个频率、时域脉冲或步长的正弦曲线。
电化学阻抗谱可以用于对电化学设备的诊断，其中电化学设备包括但不限于电池、燃料电池、电容器、光伏电池、光电化学电池、电解由池，参见例如Birkl，C.R.&Howey， D.a.Model identification and parameter estimation for LiFePO 4 batteries，IETHybrid Electr.Veh.Conf.2013，HEVC 20131-6(2013)，Deng，Z.等人，ElectrochemicalImpedance Spectroscopy Study of a Lithium/Sulfur Battery：Modeling andAnalysis of Capacity Fading；J.Electrochem.Soc.160，553-558(2013)，Jensen，S.H.， Hauch，A.，Knibbe，R.，Jacobsen，T.&Mogensen，M.，Modeling Degradation in SOECImpedance Spectra.J.Electrochem.Soc.160，F244-F250(2013)，Mosbaek，R.R.，Hjelm， J.，Barfod，R.，Hogh，J.，&Hendriksen，P.V.Electrochemical Characterization andDegradation Annlysis of Large SOFC Stacks by Impedance Spectroscopy。FuelCells，13(4)，605-611(2013)，Lopes，T.，Andrade，L.，Ribeiro，H.A.&Mendes， A.Characterization of photoelectrochemical cells for water splitting byElectrochemical Impedance Spectroscopy。Int.J.Hydrogen Energy 35，11601-11608(2010)，Taberna，P.L.，Simon，P.&Fauvarque，J.F.Electrochemical Characteristicsand Impedance Spectroscopy Studies of Car-Carbon-Carbon Supercapacitors。J.Electrochem.Soc.150，A292(2003)，Leever，B.J.，Bailey，C.a.，Marks，T.J.，Hersam， M.C.&Durstock，M.F.In situ characterization of lifetime and morphology inoperating bulk heterojunction organic photovoltaic devices by impedancespectroscopy。Adv.Energy Mater.2，120-128(2012)以及Fabregat-Santiago，F.等人，Correlation between photovoltaic performance and impedance spectroscopy ofdye-sensitized solar cells based on ionicliquids。J.Phys.Chem.C 111，6550-6560(2007)。
诊断可以包括确定电化学系统的各种参数，例如在以下中描述的：Buller，S.， Thele，M.，Karden，E.&De Doncker，R.W.Impedance-based non-tinear dynamic batterymodeling for automotive applicatiohs。J.Power Sources 113，422-430(2003)，Ender， M.，Weber，A.&Ivers-Tiffée，E.Analysis of Three-Electrode Selups for AC-Impedance Measurements on Lithium-Ion Cells by FEM simulations。J.Electrochem.Soc.159，A128(2012)，J.Morrison，W.Morrison和J.Cristophersen，Method of detecting system function by measurement frequency response。美国专利20 100 274 510，(2010)，Huet，F.Areview of impedance measurements fordetermining of the state-of-charge or state-of-health of secondary batteries。J.Power Sources 70，59-69(1998)，Itagaki，M.，Honda，K.，Hoshi，Y.和Shitanda，I.In-situ EIS to determine impedance spectra of lithium-ion rechargeable batteriesduring charge and discharge cycle。J.Electroanal.Chem.1-7(2014)，Jespersen， J.Capacity measurements of Li-ion batteries using AC impedance spectroscopy。World Electr.Veh.J.3，(2009)，Lvovich，V.，Wu，J.，Bennett，W.，Demattia，B.&Miller， T.Applicatiohs of AC Impedance Spectroscopy as Characterization andDiagnostic Tool in Li-Metal Battery Cells。ECS Trans.58，1-14(2014)和Mauracher， P.&Karden，E.Dynamic modelling of lead/acid batteries using impedancespectroscopy for parameter identification。J.Power Sources 67，69-84(1997)。
用于电化学阻抗谱的激励信号可以通过不同的方式实现，参见R.Robinson，System noise as a signal source for impedance measurements on batteriesconnected to operating equipment。Journal of Power Sources，vol.42，no.3，pp.381-388(1993)，Howey，D.A.，Mitcheson，P.D.，Yufit，V.，Offer，G.J.&Brandon，N.P.Onlinemeasurement of battery impedance using motor controller excitation。IEEETrans.Veh.Technol.63，2557-2566(2014)，Troeltzsch，U.&Kanoun，O.C.1-MiniaturizedImpedance Meas-urement System for Battery Diagnosis。Proc.Sens.2009，Vol.I，251-256(2009)，Beer，C.De，Bardeendse，P.，Pillay，P.，Pullecks，B.&Rengaswamy，R.Onlinefault diagnosis and impedance signature mapping of High Temperature PEM fuelcells using rapid small signal injection。Electrochim.Acta.35，1798-1803(1990)，以及Xie，C.J.，Liu，J.B.&Zhao，H.B.AC-DC Isolation of EIS Impedance Test Systemfor Li-Ion Battery Packs。Adv.Mater.Res.823，509-512(2013)。
关于现有专利公报，可以认为以下与所提及的相关：WO2012/025706 A1涉及一种控制改变功率转换器的输入阻抗以给出对电池的状况的指示的方法。US 2014/117938 A1涉及一种包括连接到开关结构的开关矩阵的诊断装置(DIA)的转换器。US2011/089907 A1涉及一种通过向电池施加脉冲负载来监测电池并确定电池的阻抗并且基于阻抗来评估电池的健康的系统。US2002/196027 A1涉及一种用于确定电池的充电状态的方法，包括当电池处于发电机模式时在电池两端持续地注入宽谱信号。FR 2 923 023 A1涉及一种具有测量单元的系统，该测量单元测量能量存储单元的复阻抗并且根据获得的阻抗值来确定能量存储单元的老化状态。WO 2015/014764 A2涉及一种用于通过借助于直流来均衡第一存储单元与第二存储单元之间的电荷状态并且将交流信号叠加在直流上来检查多个电化学存储单元的方法。
电化学阻抗谱的一个有前景的应用是用于获得在电动车辆中使用的电池的参数，诸如充电状态(SoC)和健康状态(SoH)。在这样的应用中，能够准确测量电池中的剩余电荷以便准确预测电动车辆的剩余里程是至关重要的。
同样的考虑适用于在电化学系统存储能量的几乎所有可构想的系统，无论其形状较小(如蜂窝电话或计算机中的锂离子电池)还是较大(如用于电网存储装置的电池)。
电化学阻抗谱的一个缺点是，该技术对已经是高成本的电化学系统本身(包括与其相关联的辅助装备，诸如电池管理系统和其它控制电子器件)进一步添加了成本和复杂性。
因此，一方面，更广泛地采用电化学系统作为能量的载体，特别是在电动车辆中，可能由于使用除了电化学阻抗谱以外的技术确定电化学系统的状态(例如，充电状态和健康状态)时的不准确性而受到阻碍。
另一方面，由于电化学系统的成本增加，即，为电动车辆供电所需的电池的成本增加，电化学阻抗谱的实现方式也可能妨碍例如电动车辆的更广泛采用。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种降低通过电化学阻抗谱对电化学系统进行诊断的成本和/或复杂性的系统和方法。
本发明的另一个目的是提供一种以较简单的方式和/或以较低的成本来提供用于电化学阻抗谱的激励信号的系统和方法。
上述目的中的至少一个或者从本发明的以下描述中将明显的其它目的中的至少一个是根据依照本发明的一个实现方式的用于向电化学系统提供激励信号的系统以及依照本发明的一个实现方式的向电化学系统提供激励信号的方法而实现的本发明的第一方面和第二方面。
通过使用功率级生成和供应激励信号，当由激励生成单元指示这样做时，功率级所包括的已经存在的功率电子器件现在还可以用于生成和供应激励信号，从而降低通过电化学阻抗谱获得对电化学系统的诊断的成本和复杂性。这与使用现有技术的激励生成单元形成对比，在现有技术的激励生成单元中，在激励生成单元中设置生成激励信号所需的所有部件，这导致成本和复杂性增加。在根据本发明的第一方面的系统中，功率级中一些已经存在的功率电子器件现在可以用于主要目的(即，向电化学系统供应电能或从其中汲取电能)，并且在需要时也用于生成和供应激励信号的次要目的，由此减少了这两个目的所需的部件的数量。
此外，由于功率级和激励生成单元是系统的一部分，而不是电化学系统的一部分，因此电化学系统的成本降低，因为当每个电化学系统连接到系统时，每个电化学系统可以被激励以用于电化学阻抗谱诊断的目的。
这消除了在每个电化学系统中包括激励生成单元的需要，从而进一步降低了成本。
在电化学系统是用于电动车辆的电池并且系统包括在用于电动车辆的充电站中的情况下，由于使用了更多的现有部件，因此上述可以例如使得服务工具(即，对电动车辆中电池的服务和诊断以及车队管理)能够以低成本实现。此外，在这种情况下，单个充电站可以与多个电动车辆一起使用，用于促进对多个电动车辆中的多个电化学系统的电化学阻抗谱诊断。
在本发明的语境中，术语电化学系统涵盖单个电化学设备(即单个电化学电池或单元)和以串联、并联或其组合电连接的多个电化学设备(例如电池)的集合。
电化学阻抗谱(EIS)是用于表征电化学系统和用于获得对系统的诊断的技术。该技术使用电信号(即激励信号)的注入以及对所产生的响应信号的分析。注入的信号或激励可以具有许多类型的波形，通常使用单频或多频正弦信号或时域脉冲或步长，参见Barsoukov，E.，Ryu，SH&Lee，H.A novel impedance spectrometer based on carrierfunction Laplace-transform of the response to arbitrary excitation，J.Electroanal.Chem.536，109-122(2002)。激励信号可以或者是电压信号或者电流信号。
如果激励足够小，那么测得的响应可以用于计算系统的阻抗。由于线性近似，因此小激励是主要需要的，但是对于某些电化学设备，如果激励没有保持为足够小，系统也可能改变状态。由于激励的时间依赖特性，因此在测量的系统中可能存在相位变化，并且当使用复数符号书写时，如果电压和电流由下式给出，则可以根据欧姆定律得出复电阻，或称为阻抗Z(ω)：
U(ω)＝U0·ejωt和I(ω)＝I0·ej(ωt-φ)。
由此可以得出阻抗为：
Figure GDA0002251352780000061
Z(ω)＝|Z|·ejφ＝Rreal+j·Rimg
改变正弦输入信号的激励频率导致改变的角频率ω为ω＝2πf。对于测试的频率范围内的Z(ω)，所产生的阻抗谱可以提供关于电极状况的信息并且可以用于量化电化学设备的动力学。
在其中设备以串联和并联方式互连的电化学设备的系统中，可以测量整个系统的阻抗或每个个体单元的阻抗。
术语系统涵盖术语主系统。
术语电化学系统涵盖术语次级电化学系统。
电化学系统可以包括电池、燃料电池、超级电容器、光电化学电池和太阳能电池中的任何一种。多个不同的电化学系统可以同时或依次可连接或连接到系统。
在本发明的语境中，术语可连接应当理解为也包括已连接。
功率级适于向电化学系统供应电能(例如，当功率级是充电器时)，和/或用于从电化学系统汲取电能(例如，当功率级是用于从电化学系统向电能消耗者供应电能的逆变器或转换器时)。
功率级包括功率电子器件，诸如整流器、逆变器、变压器、驱动器、滤波器等，其被组合为使得能够在系统之间转移和/或转换功率。
激励生成单元(EGU)具有直接或间接控制功率级以生成激励信号的目的。在一些实施例中，激励生成单元可以适于指示功率级通过以下来生成激励信号：生成中间激励信号，然后该中间激励信号被传递到功率级，然后由功率级将其放大和/或频移。在其它实施例中，激励生成单元仅提供基本步长信号或其它简单信号，并且功率级生成激励信号。因此，从激励生成单元到功率级的指令可以是具有预期波形和/或频率但是缺乏适当的振幅和/或频率的任何中间信号，如基本步长信号，功率级检测基本步长信号并且生成激励信号。
激励生成单元可以包括在功率级中，即，作为功率级的一部分，或者可以替代地作为单独的单元连接到功率级。
功率级可以适于通过包括可控功率电子器件来生成激励信号和/或通过包括用于设置功率电子器件的参数(诸如输出电压或电流)的可访问端子的功率电子器件来生成激励信号。然后向这些端子施加信号或指令可以使功率级改变其输出以形成激励信号。在功率级包括可控功率电子器件(诸如功率级可以通过数据总线来控制)的情况下，激励生成单元可以指示功率级以生成激励信号的方式操作其功率电子器件。
功率级可以经由主电力总线向电化学系统供应激励信号，该电力总线通常在从电化学系统和/或向电化学系统传输电力时使用。可替代地，功率级可以经由仅用于供应激励信号的次级电力总线来供应激励信号。
电化学系统可以使用标准电力电缆或任何标准连接器(诸如IEC 62196标准)连接到系统。
激励生成单元对功率级的指示可以是由系统的用户精心选择和启动的，或者可以是根据激励生成单元的适应而自发的。例如，激励生成单元可以适于指示功率级在每次电化学系统连接到系统时生成激励信号。
典型地，功率级是充电器，但是，根据本发明的至少一个实现方式，其它变体是可能的。
替代地或附加地，系统本身可以是充电器、逆变器或转换器，或者系统可以是充电器、逆变器或转换器的一部分。充电器可以是AC到DC充电器或DC到DC充电器。功率级可以向电化学系统供应电能(例如，在系统是诸如用于电动车辆的充电站中的充电器的情况下)，或者功率级可以从电化学系统中汲取电力(例如在系统被内置定位在电动车辆上，并且功率级是电动车辆的传动系中的功率转换器或功率逆变器的情况下)。
通过根据依照本发明的一个实现方式的本发明的第一方面的系统的有利实施例，可以对于电动车辆实现非常成本有效的电化学阻抗谱诊断。固定式充电站可以例如用于对多个不同的电动车辆进行再充电。电化学系统可以例如包括一个或多个锂离子电池，并且电化学系统可以经由电力电缆和连接器可连接到充电站。电化学系统可以与电动车辆集成在一起或者电化学系统可以集成在电动车辆中，或者可替代地，电化学系统可以从电动车辆中可去除。车辆或移动设备应该可连接到所述固定式充电站以从其接收电能。换言之，本发明的另一个方面因此可以涉及包括根据本发明的第一方面的系统的固定式充电站，用于对包括电化学系统的车辆或移动设备进行充电。
通过根据依照本发明的一个实现方式的本发明的第一方面的系统的有利实施例，可以对于电网存储系统和住宅能量存储系统实现非常成本有效的电化学阻抗谱诊断。因此，包括根据本发明的第一方面的系统的电网存储系统可以连接到或可连接到多个不同的电化学系统，诸如电池、燃料电池、超级电容器、太阳能电池等，而所有电化学系统可以使用单个激励生成单元来激励以用于电化学阻抗谱。
换言之，本发明的另一个方面因此可以涉及包括根据本发明的第一方面的系统的电网存储系统或住宅能量存储系统。
在根据依照本发明的一个实现方式的本发明的第一方面的系统的替代实施例中，系统包括在车辆或移动设备中。在车辆被设计为使用瞬态电化学系统(诸如可替换电池或其中电解质在使用之后被补充的电化学系统)的情况下可能是这种情况。因此，每组可更换电池不需要包括电化学阻抗谱诊断所需的所有部件；而是通过包括在车辆或移动设备中的系统来降低成本。
功率级可以例如是车辆传动系中的逆变器或转换器，或连接到电化学系统的充电器。
换言之，本发明的另一个方面因此可以涉及包括根据本发明的第一方面的系统的车辆或移动设备，其中功率级是可连接到电化学系统的车辆或移动设备传动系或功率电子器件的一部分。
为了获得电化学阻抗谱诊断，根据本发明的一个实现方式，系统还可以包括连接或可连接到电化学系统的系统响应分析器，用于测量由激励信号引发的响应。特别地，通过比较激励信号(通常是电压信号)和响应信号(通常是电流信号)来测量的是电化学系统的阻抗。系统响应分析器可以适于通过比较测得的阻抗与先前存储的阻抗测量结果来确定诊断，通过(例如通过评估阻抗的虚部与阻抗的实部的Nyquist图的外观)直接评估阻抗来确定诊断，或者通过使用电化学系统的电路模型来确定诊断。诸如充电状态(SoC)、健康状态(SoH)和剩余使用寿命(RUL)的参数可以通过以下来获得：计算阻抗的实部和虚部并且可能地在Nyquist图中表示阻抗，然后通过将电化学系统的电路模型曲线拟合到计算出的阻抗的实部和虚部或Nyquist图来确定电化学系统的SoH和/或SoC。
系统响应分析器连接到所有(如果有几个的话)连接到相同功率级的电化学系统。因此，如果几个电化学系统连接到相同功率级，那么测得的阻抗代表整个电化学系统，因此确定的电化学阻抗谱诊断也代表整个电化学系统。
在一些实施例中，系统还包括系统控制单元。系统控制单元可以包括系统响应分析器或者连接到系统响应分析器以辅助确定对电化学系统的诊断。系统控制单元可以例如是当系统是充电器的一部分时控制充电的已经存在的系统控制单元。
替代地或附加地，根据本发明的一个实现方式，个体响应分析器包括在电化学系统中或连接到电化学系统。这是有利的，因为它实现了对响应信号更详细的测量，并且因此实现了更详细的诊断。在多于一个电化学系统或包括几个电化学单元的电化学系统连接或可连接到系统的情况下，这是特别有意义的。
本发明的两个或多个实现方式的实施例可以被组合，使得系统响应分析器和一个或多个个体响应分析器都被使用。
响应分析器可以自行确定诊断，或者替代地，直接连接到电化学系统的电子控制单元可以与个体响应分析器一起工作以确定诊断。
电子控制单元可以是已经存在的电池管理系统，或者是电化学系统中的或连接到电化学系统的其它功率电子器件。
此外，个体响应分析器可以可连接到系统控制单元(如果存在的话)。
典型地，电化学系统包括根据本发明的一个实现方式的多个电化学设备和多个个体响应分析器。这使得可以确定对于每个个体电化学设备的电化学阻抗谱诊断并且由此可以更准确地确定充电状态，并且可以更有效地执行电化学系统的电荷平衡。
通常，电化学系统包括或连接到电子控制单元。在这些实施例中，电子控制单元可以包括或连接到根据本发明的一个实现方式的一个或多个个体响应分析器。电子控制单元可以帮助一个或多个个体响应分析器确定电化学阻抗谱诊断。
本发明的另一个方面涉及依照本发明的一个实现方式的电化学设施系统。
下面将参考所附示意图更详细地描述本发明及其许多优点，附图为了说明的目的示出了一些非限制性的实施例，并且其中：
附图说明
图1示出了根据本发明的第一方面和第二方面的第一实施例的用于向电化学系统提供激励信号的系统和方法，
图2示出了根据本发明的第一方面和第二方面的第二实施例的用于向电化学系统提供激励信号的系统和方法。
具体实施方式
在以下描述中，添加到标号的一个或多个’符号指示所指的元件的功能与没有’符号的标号所指示的元件相同或相似，但其结构不同。
当在附图中示出本发明的另外的实施例时，与先前示出的实施例相关的新元件具有新的标号，而之前示出的元件如上所述被引用。不同实施例中的相同元件已被给予相同的标号，并且将不对这些元件给出进一步的解释。
图1绘出了包括能够提供AC或DC输出的功率级12的系统10。主电力总线14连接到功率级12，并且功率级12还经由第一数据总线18连接到激励生成单元(EGU)16，并且经由第一电力总线20连接到主电力总线14。激励生成单元适于经由第一数据总线18指示功率级12在主电力总线14上生成激励信号，并且功率级同样适于能够接收来自激励生成单元16的指令并且生成和发射期望的激励信号。激励信号既可以在功率级12的输出端上产生，也可以作为单独的信号。
目前为止描述的系统10包括用于向电化学系统提供激励信号的所有必要的部件。
因此，第一电化学系统或设备50可以如图1所示连接到主电力总线14，用于从功率级12接收电力。典型地，系统10是用于电化学系统50的充电器的一部分或包括在其中，使得电力级12经由主电力总线14向电化学系统50提供电能，以便向电化学系统50充电。
为了获得第一电化学系统或设备50的电化学阻抗谱诊断，需要响应分析器来测量电化学系统50对来自激励生成单元的激励信号的响应信号。在最简单的实现方式中，该响应分析器由经由第二电力总线24连接到主电力总线14的系统响应分析器22来实现。如图1所示，系统响应分析器22可以与激励生成单元16分离，或者可替代地，它可以是激励生成单元16的一部分。
系统响应分析器22在主电力总线14上测量激励信号以及由激励信号引发的来自第一电化学系统或设备50的响应信号，并且根据测量结果确定阻抗。测得的阻抗可以由系统响应分析器22进一步处理以确定第一电化学设备或系统50的参数，或者可替代地，系统控制单元(SCU)26被包括在系统10中以用于确定参数。为了这个目的，系统控制单元26经由第二数据总线28连接到系统响应分析器22。系统控制单元26可以具有其它功能，诸如经由第三数据总线30控制功率级12(例如，用于控制对第一电化学设备或系统50的充电)，以及用于经由第四数据总线32控制激励生成单元16，用于控制激励生成单元16何时以及如何指示功率级12在主电力总线14上生成和发送激励信号。
虽然到目前为止描述的系统10提供了获得对于连接到系统10的主电力总线14的第一电化学系统或设备50的电化学阻抗谱诊断的成本有效的方式，但是测得的响应以及由此确定的阻抗和诊断只涉及全部的连接的第一电化学系统或设备50。特别是在多个不同的电化学设备或系统50同时连接到主电力总线14的情况下，或者在电化学设备或系统50包括多个个体单元(诸如电池单元、电容器等)的情况下，可能会需要单独地确定这些个体单元中的每一个的响应。
这可以通过以下以成本有效的方式获得：通过设置第一电化学设备或系统10中的或者连接到第一电化学设备或系统10的个体响应分析器52，其中每个电化学设备50或其单元一个响应分析器52。由于仍然只使用单个激励生成单元16和单个功率级12，因此成本仍然被最小化。优选地，如图1所示，在这种情况下，第一电化学设备或系统50包括或连接到第一电子控制单元(ECU)54，第一电子控制单元(ECU)54分别经由第五和第六数据总线56和58连接到第一电化学设备或系统50和个体响应分析器52。
电子控制单元54可以是现有的硬件，诸如电池管理系统、燃料电池管理或超级电容器堆叠管理系统、或专门设计用于获取电化学设备或系统50或其单元的个体响应的专用硬件。
获得对于个体电化学设备或系统50的电化学阻抗谱诊断可以例如用于个体电化学设备或系统50或单元之间的负载平衡和电荷平衡。
由个体响应分析器52测得的个体响应信号可以用于由个体响应分析器52单独地或者与电子控制单元54一起确定阻抗和诊断，或者替代地或附加地，诊断结果或阻抗或其它测量结果经由第七数据总线60发送到系统控制单元26。
可以同时使用系统响应分析器22和个体响应分析器52两者来获得具有不同详细程度的诊断。
本发明的一些主要优点从研究图1中明显。因此，在通常的实现方式中，系统10是用于电动车辆的固定式充电器或者是其一部分。电动车辆携带第一电化学设备或系统50并且在需要对第一电化学设备或系统50进行再充电时连接到主电力总线14。系统10中的系统控制单元26或者实际上激励生成单元16本身可以被编程为或适配为在第一电化学设备或系统50已完全充电之前、期间或之后使得功率级12在主电力总线14上生成并发送激励信号，以便获得来自第一电化学设备或系统50的响应信号。
然后可以通过系统响应分析器22与系统控制单元26一起获得电化学阻抗谱诊断，并且通过充电器将其呈现给载有第一电化学设备或系统50的电动车辆的驾驶员。
替代地或附加地，可以由个体响应分析器52获得诊断并且由电动车辆的电子控制单元54呈现。诊断可以用于向电动车辆的驾驶员提供电动车辆中的第一电化学设备或系统50的准确的充电状态、健康状态和剩余使用寿命，并且还可以被上传到管理多个电动车辆的车队管理者，以便检测需要替换第一电化学设备或系统50的电动车辆。
同样的优点也可以适用于电化学设备或系统(诸如燃料电池)的燃料的燃料填充站。因此，可以使用单个激励生成单元和功率级来获得对燃料电池动力车辆的大型车队中的燃料电池的诊断。
系统10还可以与固定式应用一起使用，诸如用于电网存储装置。因此，在功率级12是逆变器的情况下，可以从一组电化学系统50(诸如超级电容器、电池、燃料电池或太阳能电池)获得电化学阻抗谱诊断。通过实现逆变器中的或与逆变器连接的激励生成单元，可以利用单个激励生成单元16获得对几组不同类型的电化学系统的诊断，从而节省成本。
该实施例在图2中示出，其中第一和第二不同电化学设备或系统50和50′(例如电池、燃料电池、超级电容器或其它电化学设备)连接到主电力总线14，第二电化学设备或系统50′经由主电力总线分支34连接。并且，电子控制单元54和54′以及个体响应分析器52和56′可以是不同的。
在本发明的上述和其它实施例中，可以确定和监测由电化学阻抗谱提供的诊断所包括的以下参数。
充电状态-使用电化学阻抗谱，可以估计电池和超级电容器的充电状态，以便更好地平衡电池组，参见上面提到的Huet，F.。
可以使用健康状态和退化(degradation)测量来监测电化学电池的健康和退化，参见以上提到的Jensen，S.H.，Hauch，A.，Knibbe，R.，Jacobsen，T.&Mogensen，M和Huet，F.。还参见Ecker，M.，Nieto，N.， S.，Schmalstieg，J.，Blanke，H.，Warnecke，A.& Sauer，D.U.Calendar and cvcle life study of Li(NiMnCo)O2-based 18650 lithium-ion batteries，Journal of Power Sources，248(C)，839-851.(2014)和Waag，W.，
Figure GDA0002251352780000142
S.，&Sauer，D.U.Experimental investigation of the lithium-ion batteryimpedance characteristic at various conditions and aging states and itsinfluence on the application。Applied Energy，102，885-897(2013)。
充电状态、健康状态及其它充电和退化参数以及电化学电池和电化学电池组的电流-电压特性可以用于瞬态系统中的车队管理，例如，对电动车辆和/或固定式系统阵列的管理。
系统10还允许通过系统控制单元(SCU)或EGU控制的复杂的电流分布，例如，如在Bertness，K.I.和McShane，S.J.Method and apparatus for charging a battery，美国专利No.6,081,098和Cope，R.C.；Podrazhansky，Y.，The art of battery charging BatteryConference on Applications and Advances，233-235(1999)中所看到的。
参考图的部件列表：
Figure GDA0002251352780000161

Claims (11)

1.一种电化学设施系统，包括车辆和电化学系统(50)，所述车辆包括用于向所述电化学系统(50)提供激励信号的系统(10)，所述激励信号用于对所述电化学系统(50)的电化学阻抗谱诊断，所述电化学系统(50)能够连接到所述系统(10)，并且所述系统(10)包括功率级(12)，所述功率级(12)是所述电化学系统(50)的充电器并且能够连接到所述电化学系统(50)以向所述电化学系统(50)供应电能，所述功率级(12)包括激励生成单元(16)，所述功率级(12)是能够连接到所述电化学系统(50)的车辆传动系或功率电子器件的一部分，所述电化学系统(50)还包括个体响应分析器(52)，所述个体响应分析器(52)用于响应于所述激励信号测量电化学系统(50)的阻抗，所述个体响应分析器(52)还适于基于所述阻抗来确定对所述电化学系统(50)的诊断，其特征在于，所述激励生成单元(16)适于指示所述功率级(12)生成用于所述电化学阻抗谱诊断的所述激励信号，并且其中所述功率级(12)适于在所述激励生成单元(16)如此指示时生成所述激励信号并且向所述电化学系统(50)供应所述激励信号。
2.如权利要求1所述的电化学设施系统，所述充电器是AC到DC充电器。
3.如权利要求1所述的电化学设施系统，所述充电器是DC到DC充电器。
4.如权利要求1所述的电化学设施系统，所述功率级(12)是功率逆变器。
5.如权利要求1所述的电化学设施系统，所述功率级(12)是所述电化学系统(50)的功率转换器。
6.如权利要求1-5中任一项所述的电化学设施系统，所述系统(10)还包括：
-系统响应分析器(22)，用于响应于所述激励信号测量电化学系统(50)的阻抗。
7.如权利要求1-5中任一项所述的电化学设施系统，所述电化学系统(50)包括多个电化学设备(50，50′)和多个所述个体响应分析器(52，52′)，每个个体响应分析器(52，52′)与所述多个电化学设备(50，50′)中对应的一个电化学设备相关联。
8.如权利要求1-5中任一项所述的电化学设施系统，所述电化学系统(50)包括或连接到电子控制单元(54)，所述电子控制单元(54)包括或连接到所述个体响应分析器(52)或多个所述个体响应分析器(52，52′)。
9.如权利要求6所述的电化学设施系统，所述系统响应分析器(22)包括在所述激励生成单元(16)中。
10.如权利要求6所述的电化学设施系统，所述系统响应分析器(22)还适于基于所述阻抗来确定对所述电化学系统(50)的诊断。
11.一种向电化学系统(50)提供激励信号的方法，其中所述激励信号用于对所述电化学系统(50)的电化学阻抗谱诊断，所述方法包括以下步骤：
-提供如权利要求1-10中任一项所述的电化学设施系统，
-将电化学系统(50)连接到所述系统(10)，
-由所述激励生成单元(16)指示所述功率级(12)生成用于所述电化学阻抗谱诊断的所述激励信号，以及
-由所述功率级(12)生成所述激励信号并将其供应给所述电化学系统(50)。
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