CN109073713B - 用于使用频率响应来测量测试电池的内部阻抗的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了电池阻抗测试设备、电路、系统以及相关的方法。阻抗测量设备包括：电流驱动器，该电流驱动器配置为响应于控制信号生成要施加于测试电池的激励电流信号；和处理器，该处理器与电流驱动器可操作地耦合。处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成控制信号。自动测范围模式将激励电流信号在多个不同振幅上施加至测试电池以便在每个振幅测量对激励电流信号的响应。测量模式针对响应于自动测范围模式的结果的振幅将激励电流信号施加至测试电池。对于低阻抗电池，可以获得改进的灵敏度和分辨率，且具有快速的测量时间。

Description

用于使用频率响应来测量测试电池的内部阻抗的设备、系统 和方法
优先权要求
本申请要求2016年3月3日提交的申请序列号为15/060,183的待决的美国专利申请“用于使用频率响应来测量测试电池的内部阻抗的设备、系统和方法(Device,System,and Method for Measuring Internal Impedance of a Test Battery Using FrequencyResponse)”的申请日期的权益，该申请的公开内容由此通过引用其全文并入本文。
相关申请
本申请涉及2014年6月4日提交的、公布为US 2014/0358462的、申请号为14/296,321的待决的美国专利申请，该申请要求2013年6月4日提交的、申请号为61/831,001的美国临时申请的权益。本申请也涉及2015年7月1日提交的、申请号为14/789,959的待决的美国专利申请。上述申请中的每一个的公开内容由此通过引用其全文并入本文。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
本发明是在由美国能源部授予的第DE-AC07-05-ID14517号合同下得到政府支持而作出的。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
本公开的各实施例涉及用于储能单元(诸如电化学电池单元)的阻抗测量的装置、系统和方法，且更具体地涉及储能单元的健康状况的分析。
背景技术
可再充电电池中的电极的化学变化可能导致电池的电容、电荷保持的持续时间、充电时间、以及其他功能参数的劣化。电池劣化可能随着电池的寿命而积累。环境因素(例如，高温)和功能因素(例如，不恰当的充电和放电)可能加速电池劣化。依赖于可再充电电池电量的系统的操作者可能期望对他们使用的电池的劣化进行监测。电池劣化的一个指标是电池阻抗的增加。
图1是使用电化学阻抗测量(EIM)系统在数个不同的频率处测量出的新电池的阻抗曲线102和老化的电池的阻抗曲线104。Y轴是虚数阻抗并且X轴是图1中标绘的多个不同频率的实数阻抗。如图1中所示，老化的电池(曲线104)在每个不同的频率处呈现出比新电池(曲线102)更高的阻抗。依赖于可再充电电池的系统的操作者可以使用阻抗数据(诸如图1的阻抗数据)以便确定在发生失效之前需要更换电池。这样的预先更换可防止可能在电池失效的事件中发生的昂贵的延迟和财产损伤。而且，对电池的持续的可靠性的了解可以防止与不必要地更换仍具有剩余的大量寿命的电池相关联的费用。
当在500mA的激励电流范围处进行操作时，现有的阻抗测量系统具有大约0.1mOhm的分辨率。结果，现有的阻抗测量系统可以能够利用足够的分辨率来确定呈现出10mOhm内部阻抗的测试电池的阻抗。现有的阻抗测量系统的分辨率可能限制了对呈现出较低内部阻抗(例如1mOhm)的电池进行测试的能力。其他阻抗测量的方法(例如，电化学阻抗光谱)可以获得高分辨率，但可能调谐起来慢(诸如需要大约10分钟数量级的时间以获取测量)。
发明内容
本文中公开了阻抗测量设备。阻抗测量设备包括：电流驱动器，该电流驱动器配置为响应于控制信号生成要施加至测试电池的激励电流信号；和处理器，该处理器与电流驱动器可操作地耦合。处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成控制信号。自动测范围模式在多个不同的振幅上将激励电流信号施加至测试电池，以便在每个振幅测量对激励电流信号的响应。测量模式针对响应于自动测范围模式的结果的振幅将激励电流信号施加至测试电池。
在一些实施例中，公开了阻抗测量系统。阻抗测量系统包括测试电池和与测试电池可操作地耦合的阻抗测量设备。阻抗测量设备包括：前置放大器，该前置放大器包括电流驱动器和与测试电池可操作地耦合的信号测量模块；电流控制信号生成器，该电流控制信号生成器与前置放大器可操作地耦合；数据采集系统，该数据采集系统与前置放大器可操作地耦合；和处理器，该处理器与电流控制信号生成器和数据采集系统可操作地耦合。处理器配置为：控制电流控制信号生成器以便在自动测范围模式期间将电流控制信号发射至前置放大器，从而使电流驱动器生成呈现出一振幅范围的激励电流信号；控制数据采集系统以在自动测范围模式期间分析来自信号测量模块的测试电池的响应；至少部分基于在自动测范围模式期间分析测试电池的响应，控制电流控制信号生成器以在测量期间将电流控制信号发射至前置放大器，从而使电流驱动器生成呈现出经选择的振幅的激励电流信号；并且控制数据采集系统以在测量模式期间分析来自信号测量模块的测试电池的响应，以便确定测试电池的阻抗。
在一些实施例中，公开了测量测试电池的阻抗的方法。该方法包括：将激励电流信号施加至包括多个脉冲的测试电池，该多个脉冲在自动测范围模式期间呈现出不同的振幅；测量响应于在多个不同的振幅上的激励电流信号的、来自测试电池的电信号；将激励电流信号施加至在测试模式期间呈现出固定振幅的测试电池，其中至少部分基于对自动测范围模式期间测量出的电信号的分析来设定该固定振幅；以及测量响应于激励电流信号的(该激励信号在测量模式期间呈现出固定振幅)、来自测试电池的电信号以便确定测试电池的内部阻抗。
附图说明
图1是使用电化学阻抗测量系统在数个不同的频率处测量出的新电池的阻抗曲线和老化的电池的阻抗曲线。
图2是根据本公开的实施例的配置为执行测试电池的实时阻抗频谱测量的阻抗测量系统的简化框图。
图3是图2的阻抗测量系统的阻抗测量设备的所选的特征的简化框图。
图4是图3的电流驱动器的简化框图。
图5示出图2和3的前置放大器的信号测量模块的电路图。
图6是示出根据本公开的实施例的用于操作电池的阻抗测量系统的方法的流程图。
具体实施方式
在以下的详细描述中，参考形成本文的一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实践本公开的具体实施例。对这些实施例足够详细地进行描述，以便使得本领域普通技术人员能够实践本公开。然而，应理解，详细描述和特定实例在指示本公开的实施例的示例时仅通过举例而非通过限制方式给出。根据本公开，可以作出落在作为基础的发明概念的范围内的多种替代、修改、添加或其组合，且这对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
根据惯例，可以不按比例绘制附图中所示的各种特征。本文中呈现的图示不意味着是任何特定装置(例如，设备、系统等)或方法的实际视图，而仅是用于描述本公开的各种实施例的理想化的示图。相应地，为了清楚起见，可以任意地放大或缩小各种特征尺寸。此外，为了清楚起见，可以简化一些附图。因此，附图可能没有描绘给定的装置的所有部件或特定方法的所有操作。
本文所描述的信息和信号可以使用各种各样的不同技术和技巧中的任何技术和技巧来表示。例如，贯穿说明书引述的数据、指令、命令、信息、信号、位、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或它们的任何组合来表示。为展示和描述清楚起见，一些附图可以将信号展示为单个信号。本领域普通技术人员应当理解的是，信号可以表示信号的总线，其中总线可具有各种位宽，并且可以在包括单个数据信号的任何数量的数据信号上实现本公开。
结合本文中所公开的实施例被描述的各种解说性逻辑框、模块、电路、和算法动作可以被实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，以其功能性的形式对各种解说性组件、块、模块、电路、以及动作进行一般化描述。这种功能能否被实施为硬件或软件要取决于强加于整体系统的具体应用程序和设计约束。技术人员可针对每个特定应用以不同方式来实施所描述的功能，但是这种实施决策不应当被解释为致使脱离本文中所描述的本公开的实施例的范围。
此外，注意到可以以被描绘为流程图、流图、结构图或框图的过程的形式来描述实施例。尽管流程图可以将操作动作描述成顺序的过程，但这些动作中的许多可以以另一顺序、并行地或基本上同时地进行。此外，可以重排这些动作的顺序。过程可以对应于方法、功能、规程、子例程、子程序等等。此外，可以以硬件、软件或这两者的方式来实现本文中所公开的方法。如果以软件的方式实现，则可将各功能作为计算机可读介质上的一条或多条计算机可读的指令(例如，计算机代码)来进行存储或传送。计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质两者，这些介质包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。计算机可读介质可以包括易失性和非易失性存储器，诸如例如磁性和光学存储设备，诸如例如硬盘驱动器、磁盘驱动器、磁带、CD(压缩碟)、DVD(数字多功能碟或数字视频碟)、固态存储设备(固态驱动器)和其他类似的存储设备。
应当理解到，本文中使用诸如“第一”、“第二”等指定对元素的任何引述不限制这些元素的数量或次序，除非明确阐明这种限制。确切而言，这些指定可在本文中用作区别两个或更多个元素或者元素实例的便捷方法。因此，对第一元素和第二元素的引述并不意味着这里可以采用仅两个元素或者第一元素必须以某种方式位于第二元素之前。同样，除非另外声明，否则一组元素可包括一个或多个元素。当描述电路元件(诸如，例如电阻器、电容器、以及晶体管)时，电路元件的指示符以元件类型指示符(例如，R、C、M)开头，随后是数字指示符。
如本文中所使用的，术语“储能单元”和“多个储能单元”指代可再充电电化学电池单元，该可再充电电化学电池单元将化学能转换为储能单元的正极端子与负极端子之间的直流电压电势。本文中可以可互换地使用每个术语“电池”、“单元”、以及“电池单元”。
如本文中所使用的，术语“中间范围电压”指的是在接近50V的范围中的电压。因此，中间范围电压可以包括大约40V至60V的平均电压，该平均电压取决于针对给定的系统所期望的容差而具有大约90％至99％的变化。
如本文中所使用的，术语“高范围电压”指的是在接近300V的范围中的电压。因此，高范围电压可以包括大约250V至350V的平均电压，该平均电压取决于针对给定的系统所期望的容差而具有大约90％至99％的变化。
如本文中所使用的，术语“正弦曲线”以及“正弦曲线的”指代至少基本上根据(例如，具有各种幅度和相位偏移的)正弦或余弦函数而随时间振荡的电信号(例如，电流和电压电势)。如应当对于本领域普通技术人员是显而易见的那样，可以将任何给定的正弦曲线信号同样地表达为正弦函数或余弦函数，因为正弦和余弦仅是互相的经相位偏移的版本。本文中将正弦曲线信号公开为被施加至储能单元和分流器(例如，用于校准目的的已知电阻值的电阻器)。在一些情况中，更具体地在本文中将这些正弦曲线信号称为正弦信号或余弦信号。当正弦曲线信号首先被断言为导电线(例如，正极或负极电池端子、电路板上的导电迹线、电线等)时，对正弦信号和余弦信号的这些特定的参考可以指示相对于时间的这种信号的相位。
如本文中所使用的，术语“正弦曲线之和(SOS)”指代根据正弦曲线信号之和而振荡的电信号。SOS信号可以包括正弦信号之和、余弦信号之和、或他们的组合。例如，谐波正交同步变换(HOST)SOS信号可以包括具有基频的基础正弦曲线信号，该基础正弦曲线信号与具有基频的连续整谐频率的一个或多个正弦曲线信号相加，并且该基础正弦曲线信号对于每一个连续谐波在正弦信号与余弦信号(或它们的某一经相位偏移的版本)之间交替。被共同相加到HOST SOS中的谐波正弦曲线信号的正交性质可以用于减少或消除多余的瞬变。尽管本文中参考SOS信号提供了示例，但本公开的实施例也构想使用其他类型的激励信号，包括交替正弦、余弦(ASC)信号之和。
图2是根据本公开的实施例的配置为执行测试电池205的实时阻抗频谱测量的阻抗测量系统200的简化框图。测试电池205指代被测试的电池，且可以是由终端用户部署并使用的实际的电池。阻抗测量系统200可以包括可操作地耦合至测试电池205的阻抗测量设备(IMD)210(有时称为阻抗测量箱(IMB))。IMD 210可以包括处理器212、数据采集系统(DAS)214、SOS生成器(SOSG)216、前置放大器218、和电源222。IMD 210可以用于各种不同的环境和电池类型中，使得可以原位监测电池的健康度。作为示例，可以将阻抗测量系统200并入具有包括一个或多个储能单元的电池的汽车或其他车辆内。这样的车辆可以包括电动车辆或混合动力车辆。也可以构想到可以在(诸如，通过非限制的方式，与可操作地耦合至太阳能、风能、或潮汐能能量生成系统的储能单元相关联的)非车辆应用中采用本公开的实施例。
SOSG 216可以配置为生成传至前置放大器218的SOS控制信号以便控制由前置放大器218输出的SOS电流信号。可以选择SOS控制信号以便使前置放大器218提供包括多个不同的电流信号之和SOS电流信号，该多个不同的电流信号具有用于对测试电池205的阻抗进行测试的多个感兴趣的不同频率。在一些实施例中，SOS控制信号可以包括与对于要由前置放大器218输出的SOS电流信号的所期望的电流成比例的电压信号。相应地，SOS控制信号可以包括SOS电压信号。本文中使用SOS信号作为示例，并且SOSG 216可以是配置为控制其他类型的激励电流信号以施加至测试电池205的激励电流控制信号生成器。因此，本文中使用SOS信号作为可以被施加至测试电池205的信号的非限制性示例。
IMD 210可以配置为在测试电池205的端子处测量电信号206，该电信号206响应于SOS电流信号被施加至测试电池205的端子。前置放大器218可以配置为响应于从测试电池205接收到电信号206测量电池响应信号(例如，电压响应和/或电流响应)。DAS 214可以配置为接收电池响应信号并在SOS控制信号的频率处计算测试电池205的阻抗。以该方法，IMD210可配置为基本上同时地在多个不同的频率处对测试电池205的阻抗进行测试。
在一些实施例中，DAS 214可以将测量出的电压响应除以测量出的电流响应从而获取测试电池205的阻抗响应。在这样的实施例中，可以不需要校准，因为可以由测量出的电压除以测量出的电流来确定测试电池205的阻抗。在一些实施例中，DAS 214可以配置为仅测量测试电池205对于SOS电流信号356的电压响应(图3)。在这样的实施例中，可能需要校准以确定测试电池205的阻抗。构想到不同的校准方法(例如，单分流器校准、多分流器校准等)，其可以用于对信号的实数和虚数部分进行考虑。对于单分流器方法，可以确定标准偏差以用于随时间的对其的测量，并且随后可以通过使已知单分流器电阻的比例等于测量随其时间记录的标准偏差来确定未知分流器电阻。
IMD 210可以利用数据处理方法(例如，算法)来生成电池阻抗频谱数据225。可以将阻抗频谱数据225从IMD 210传输到远程计算机230。可以以任何合适的格式(例如，逗号分隔值(CSV)格式)来格式化阻抗频谱数据225。每个单独的频谱可以包括时间戳、信息头，且阻抗频谱数据225可以包括频率、阻抗的实数部分、阻抗的虚数部分以及针对该频谱的共模电池电压。可以随阻抗频谱数据225被传输至远程计算机230的附加数据包括SOS RMS电流和幅值以及相位校准常数。远程计算机230可以包括个人计算机、平板计算机、笔记本计算机、智能手机、服务器、车辆计算机(例如，中央处理器)、或其他合适的计算设备。
用户可以经由接口(诸如通用串行总线(USB)接口、硬线串行接口、硬线平行接口、无线接口(例如，WiFi、
Figure GDA0002944334810000071
蓝牙
Figure GDA0002944334810000072
)、或其他合适的接口)来使用命令235从而从远程计算机230来控制IMD 210。例如，为了输入对IMD210的控制约束、执行嵌入式系统诊断、校准、或执行手动阻抗频谱采集的目的，可以能够经由远程计算机230或IMD 210上的人机界面来控制IMD 210。IMD 210对于SOS控制信号内的每个频率可以实现最小三个点的幅值和相位校准。
处理器212可以配置为同步并控制DAS 214、SOSG 216、以及前置放大器218。在一些实施例中，可以根据设定的进度表和/或由远程计算机230所指定的控制参数来执行测量。作为非限制示例，处理器212可以与远程计算机230对接以便下载所期望的参数和命令并上传各种测量出的数据。作为非限制示例，处理器212或未示出的其他设备(诸如存储器)可以包括足够的缓冲处理器以：保持采集到的电池响应时间记录直到进行处理为止；保持所期望数量的电池阻抗频谱以用于存档；保持系统控制以及界面软件；保持高分辨率SOS样本；并且保持阻抗频谱控制参数。处理器212可以进一步配置为接受下载的阻抗频谱控制和校准参数，并在远程计算机230的指导下上传到远程计算机230所存档的电池阻抗频谱数据。
在操作中，当执行测量时，DAS 214可以将数字信号(“上电”)发射到电源222以使电源222对系统的其余部分(例如，前置放大器218)进行上电。电信号206可以由前置放大器218中来测量并作为模拟信号“电池电压”输入至DAS 214。DAS 214或处理器212中的至少一个可以将电压数字化并可以将经数字化的结果发送至远程计算机230。远程计算机230或处理器212中的至少一个随后可以处理测量出的DC电池电压，并使用DAS 214来将一系列数字信号(例如，“降压信号”、“降压D/A控制”等)发送至前置放大器218以生成DC偏置电压从而从测试电池205的总响应中减去DC电压响应。如将参考图5在以下进一步讨论的，低降压信号和高降压信号可以生成以获取更高的增益信号，该增益信号用于改进的测量分辨率。
利用连接至测试电池205的前置放大器218，远程计算机230或处理器212中的至少一个将测量信号(诸如，例如SOS控制信号或其他合适的测量信号)发送至前置放大器218。当利用SOS电流激励测试电池205时，在其端子处出现的电压可以是测试电压加上作用在测试电池205的内部阻抗上的SOS电流的任何电压降。当被捕捉到并被处理时，该SOS电压降将产生针对测试电池205的电池阻抗的频谱。一个挑战可能是电池电压可能比SOS电压降大两个数量级。由此，为了准确地检测该信号，可以在测量SOS电压降之前减去电池电压，这允许A/D转换器的分辨率的所有的位聚焦在所期望的信号上以极大地改善准确度。可以通过以下处理来完成电池电压的减去：在SOS电流的施加之前测量电池电压，并随后反馈计算机生成的降压电压(该降压电压利用微分放大器被从总电池电压中减去)以仅生成SOS电压。
在一个实施例中，在处理器212的控制下，SOSG 216可以配置为合成要由DAS 214使用的采样时钟。可以以取决于所使用的数据处理方法而不同的速率来选择采样时钟频率。SOSG 216可以具有输出至平滑滤波器306(图3)的用于DAC的可编程信号电平，这使得处理器212能够控制传至测试电池205的SOS RMS电流电平。在处理器212的控制下，SOSG 216可以配置为以自动测范围模式以及测量模式来操作。可以在测量模式之前进行自动测范围模式，以便确定应当在测试模式期间用于SOS电流的SOS电流振幅。将参考图6来在以下进一步解释自动测范围模式和测量模式。
DAS 214可以配置为具有所期望的分辨率(例如，16位、32位等)，并接受来自SOSG216的外部采样时钟，时钟频率可以介于例如从1kHz到100kHz的范围。DAS 214可以在其自动测范围模式或其测量模式期间接收来自处理器212的启用信号以便在将SOS电流信号施加至正被测试的测试电池205的同时开始采集数据。DAS 214可以接收由前置放大器218调节以用于数字化的模拟电池电压信号。DAS 214可以包括缓冲存储器，以便保持用于上传至存储器(未示出)的经数字化的电池电压信号的样本。采集到的样本中的每一个可以成为时间记录阵列的一部分，该时间记录阵列被输入进数据处理方法中。此外，DAS 214可以在SOS电流的应用之前获取DC电压的测量和测试电池205的管壳温度。
在一些实施例中，SOS电流导线可以配置为双绞线并利用保险丝来保护。前置放大器218可利用全微分电池电压感测，并可以包含从对SOS电流激励的电池响应中将共模电池电压偏置掉(bias out)的方法。该偏置可以使DAS 214的全分辨率能够聚焦在对SOS电流的测试电池响应上而非对平均电池电压的测试电池响应上
前置放大器218输入信号可以是来自SOSG 216的零阶保持SOS控制信号。前置放大器218可以包括作为平滑滤波器306(图3)的有源巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器，并且包括在8kHz处的大约1dB的衰减和对于SOS信号上的零阶保持所引入的频率的60dB的衰减。随后可以将SOS控制信号馈送至电流驱动器308(图3)中，该电流驱动器将电流SOS控制信号转换为被提供至测试电池205的电流(例如，“SOS电流”)。前置放大器218的信号测量模块310(图3)可以检测电池电压并将其减去DC降压电压以便作为可被DAS214数字化的电池响应。可以通过本文中所讨论的各种数据处理方法来使用合成的电池响应以便生成阻抗频率。
在一些实施例中，在前置放大器218与测试电池205之间可以包括可选的连接电路(未示出)以隔离前置放大器218的至少一个信号线，该信号线从源自测试电池205的直流电压中提供SOS电流信号。结果，包括在前置放大器218中的敏感的电子器件可以不暴露于源自测试电池205的直流电压电势的极端值。而且，前置放大器218可以经受与若模拟接地延伸到前置放大器218的外部相比较少的噪声。结果，当SOS电流信号未被发送至测试电池205时，可以断开至测试电池205的连接。在2014年6月4日提交的题为“用于通过测量频率响应来测试电化学电池单元的装置以及方法(Apparatuses and Methods for TestingElectrochemical Cells by Measuring Frequency Response)”的美国专利申请公开第2014/0358462号中，描述了使用耦合至前置放大器218与测试电池205之间的继电器的这样的可选连接电路的示例。如之前所描述的，该申请的公开内容通过以上引用其全文并入本文。
图3是图2的阻抗测量系统200的IMD 210的经选择的特征的简化框图。如图3中所示，IMD 210可以包括SOS控制模块302、数模转换器(DAC)304、平滑滤波器306、信号测量模块310以及阻抗计算模块312。SOSG 216可以包含SOS控制模块302与DAC 304。前置放大器218可以包含平滑滤波器306、电流驱动器308、和信号测量模块310。DAS 214可以包含阻抗计算设备312。
SOS控制模块302可以配置为生成数字SOS信号350，该数字信号305包括具有多个不同频率正弦曲线之和，对于测试电池205(图2)的阻抗测量而言，该多个不同频率是感兴趣的。可以至少在数字SOS信号350的多个不同频率中的最高的频率的尼奎斯特(Nyquist)速率处对数字SOS信号350进行采样。数字SOS信号350也可以表示数字SOS信号350的多个不同频率中的最低的频率的至少一个周期。SOS控制模块302可以配置为向DAC 304提供数字SOS信号350。
DAC 304可以配置为将数字SOS信号350转换为被发射至前置放大器218的模拟信号。如本领域普通技术人员应该理解的，数字信号(诸如数字SOS信号350)仅能够表明非连续信号电平的离散集。结果，当数字信号被转换为模拟信号时，模拟等效可能表现出阶梯式或“波浪式”的波动。因此，由DAC 304生成的模拟信号可能是表现出阶梯式波动的波浪式SOS信号352。可以由前置放大器218内的平滑滤波器306来接收该波浪式SOS信号352。在一些实施例中，可将平滑滤波器306并入到SOSG 216内。
平滑滤波器306可以配置为使波浪式SOS信号352“平滑”以便提供平滑的SOS控制信号354。通过非限制性示例的方式，平滑滤波器306可以包括低通滤波器，该低通滤波器配置为使波浪式SOS信号352的阶梯式波动平滑。可以将平滑的SOS控制信号354提供至电流驱动器308。响应于被提供至电流驱动器308的平滑的SOS控制信号354，电流驱动器308可以将相对应的SOS电流信号(图2)发射至测试电池205。
如本领域普通技术人员应该理解到的，滤波器可以改变周期性信号的振幅、相位、或它们的组合。应当理解，滤波器可以改变以不同方式在不同频率处振荡的信号的不同成分的振幅和相位。相应地，至少部分地归因于平滑滤波器306，可以从数字SOS信号350的不同的频率成分的相对应的幅值和频率在幅值、频率、或它们的组合上变更平滑的SOS控制信号354的不同频率成分中的每一个。
在一些实施例中，已知平滑滤波器306的性质以便分析性地估计平滑滤波器306的频率响应。在一些实施例中，校准可以用于确定对平滑滤波器306的频率响应。SOS控制模块302可以使用平滑滤波器306的频率响应来考虑幅值、相位、或它们的组合的预期变化，期望平滑滤波器306将该预期变化强加于SOS控制信号354的不同频率成分上。当生成数字SOS信号350时，SOS控制模块302可补偿预期变化。换句话说，SOS控制模块302可以配置为预均衡数字SOS信号350以便补偿平滑滤波器306的响应。通过非限制性示例的方式，如果期望平滑滤波器306衰减并使波浪式SOS信号352的第一频率成分偏移已知量，则SOS控制模块302可以预先增加幅值并使数字SOS信号350的相对应的第一频率成分的相位偏移已知量从而补偿预期变化。
信号测量模块310可以配置为在测试电池205的端子处测量电信号206。通过非限制性示例的方式，信号测量模块310可以配置为测量对SOS信号的测试电池205的电压响应、对SOS信号的测试电池205的电流响应、或它们的组合。信号测量模块310可以配置为向阻抗计算模块312提供测量出的信号数据360，该信号数据360指示了对SOS信号的测试电池205的测量出的响应。
阻抗计算模块312可以配置为使用来自信号测量模块310的测量出的信号数据360来计算测试电池205的经确定的阻抗(阻抗数据362)。通过非限制性示例的方式，测量出的信号数据360可以包括对SOS信号356的测试电池205的电压响应和电流响应这两者(图2)。阻抗计算模块312可以配置为，对于SOS电流信号356的多个不同频率中的每一个，将电压响应除以电流响应以便确定针对多个不同频率中的每一个的阻抗数据362。
并且通过非限制性示例的方式，测量出的信号数据360可以仅包括对SOS信号356的测试电池205的电压响应。阻抗计算模块312可以配置为使用电压响应和来自控制电路系统的之前或随后的校准的校准数据来估计电流响应。可以通过将SOS电流信号356施加于一个或多个已知阻抗的分流器并测量和存储校准数据包括对SOS电流信号356的一个或多个分流器的响应，来测量已知校准响应。
阻抗计算模块312可以配置为提供或存储阻抗数据362，该阻抗数据362包括在数字信号350中所包括的频率(即，在波浪式SOS信号352、SOS控制信号354、以及SOS电流信号356中所包括的相同的频率)中的每一个处的测试电池205的经确定的阻抗。在一些实施例中，可以(例如，以列表形式、曲线形式、表格形式等在电子显示器上)向阻抗测量系统200(图2)的用户显示阻抗数据362。在一些实施例中，可以自动地处理阻抗数据362以便确定是否应该替换测试电池205，并且可以向用户通知该自动确定。在一些实施例中，可以自动地处理阻抗数据362以确定对于测试电池205剩余多少寿命的估计。可以由阻抗测量系统200在本地执行这种自动处理，由配置为与阻抗测量系统200进行通信的计算设备(例如，远程计算机230)来远程地执行这种自动处理，或由它们的组合来执行这种自动处理。当IMD 210检测到应当替换测试电池时，可提供警告(例如，视觉警告、听觉警告、或它们的组合)。
图4是图3的电流驱动器308的简化框图。在一些实施例中，电流驱动器308可以包括差分电流源，该差分电流源包括推式电流源410和挽式电流源420，该推式(push)电流源410和挽式(pull)电流源420配置为接收(例如，通过平滑滤波器306(图3)的)SOS控制信号354并且生成提供至测试电池205的SOS电流信号356。SOS电流信号356可以包括与SOS控制信号354的电压电势成比例的电流信号。如之前讨论的，SOS电流信号356可以包括正弦电流信号之和，该正弦电流信号具有用于测试电池205阻抗测量的感兴趣的频率。
推式电流源410可以配置为将电流I推推入测试电池205中，并且挽式电流源420可以配置为从测试电池205中拉出电流I拉。电流驱动器308的模拟接地端子GND可以在推式电流源410和挽式电流源420之间是浮动的，这使模拟接地端子GND与测试电池205的端子隔离。推式电流源410和挽式电流源420可以是高阻抗电流源。结果，可以充分地高电阻接地隔离SOS电流激励电路系统。结果，可在IMD 210(图2)内移动系统模拟接地GND，相比于在许多传统的系统中，在IMD 210中更好地屏蔽系统模拟接地GND免受噪声。此外，可以使向第一运算放大器412、第二运算放大器422供电的电流驱动器电压(例如，在±30V处)平衡，这可进一步减少来自电源222(图2)的噪声。作为针对电流驱动器308的经平衡的电压，若测试电池205连接在后方，则对于保护电流驱动器308而言保护器不是必需的。
在一些实施例中，推式电流源410可以包括可操作地耦合至运算放大器电流源结构中的电阻器RINA1、RINA2、RFA1、RFA以及RSA的第一运算放大器412。输入电阻器RINA1和RINA2可以分别可操作地耦合至第一运算放大器412的反向输入以及非反向输入。第一运算放大器412的非反向输入可以配置为接收通过电阻器RINA2的SOS控制信号354。可以通过电阻器RINA1来将第一运算放大器412的反向输入可操作地耦合至模拟接地GND。可以选择电阻器RINA1和RINA2以具有相同的电阻值RINA。
还可以通过电阻器RFA1来将第一运算放大器412的反向输入可操作地耦合至第一运算放大器412的输出。可以通过电阻器RFA2和RSA来将第一运算放大器412的非反向输入可操作地耦合至第一运算放大器412的输出。可以选择电阻器RFA1和RFA2以具有相同的电阻值RFA。可以将推式电流源410定位于电阻器RFA2与RSA之间。相应地，可以在电阻器RFA2与RSA之间提供SOS信号356的推部分。这样配置的话，可以将由推式电流源410提供的SOS电流信号356的推部分表达为：
Figure GDA0002944334810000141
其中，I推是由推式电流源410提供的电流，且VSOS控制是SOS控制信号354的电压电势。如可以通过观察该表达式从而了解到的，I推与VSOS控制成比例。
在一些实施例中，挽式电流源420可以包括可操作地耦合至运算放大器电流源配置中的电阻器RINB1、RINB2、RFB1、RFB2以及RSB的第二运算放大器422。输入电阻器RINB1和RINB2可以分别地可操作地耦合至第二运算放大器422的反向输入和非反向输入。第二运算放大器422的反向输入可以配置为通过电阻器RINB2来接收SOS控制信号354。可以通过RINB10来将第二运算放大器422的非反向输入可操作地耦合至模拟接地GND。电阻器RINB1和RINB2可以选择以具有相同的电阻值RINB。
还可以通过RFB1来将第二运算放大器422的反向输入可操作地耦合至第二运算放大器422的输出。可以通过电阻器RFB2和RSB来将第一运算放大器412的非反向输入可操作地耦合至第二运算放大器422的输出。可以选择电阻器RFB1和RFB2以具有相同的电阻值RFB。可以将挽式电流源420定位于电阻器RFB2与RSB之间。相应地，可以通过电阻器RFA2与RSA之间的节点来拉出SOS信号356的拉部分I拉。这样配置的话，可以将由挽式电流源420提供的SOS电流信号356的拉部分I拉表达为：
Figure GDA0002944334810000142
其中，I拉是由挽式电流源420拉出的电流，且VSOS控制是SOS控制信号354的电压电势。从对该式的观察中显而易见的是，I拉与VSOS控制成比例。在2015年7月1日提交的题为“用于通过测量频率响应来测试电化学电池单元的装置以及方法(Apparatuses and Methods forTesting Electrochemical Cells by Measuring Frequency Response)”的美国专利申请第14/789,959号中，描述了关于包括推式电流源和挽式电流源的附加的细节。如之前所描述的，该申请的公开内容通过以上引用其全文并入本文。在一些实施例中，电流驱动器308可以包括单端电流驱动器以替代图4的推挽式(push-pull)电流驱动器。在2014年6月4日提交的题为“用于通过测量频率响应来测试电化学电池单元的装置以及方法(Apparatusesand Methods for Testing Electrochemical Cells by Measuring FrequencyResponse)”的美国专利申请第2014/0358462号中，描述了单端电流驱动器的示例。如之前所描述的，该申请的公开内容通过以上引用其全文并入本文。
图5示出图2和3的前置放大器218的信号测量模块310的电路图。信号测量模块310可以适合与中间范围电压系统(例如，大约50V)以及高范围电压系统(例如，大约300V)一起使用。也可以构想到其他的电压范围。信号测量模块310包括可操作地耦合为第一增益级(第一放大器510)以及从第一增益级级联的附加的增益级(第二放大器520、第三放大器530)的多个放大器510、520、530。第一增益级呈现出第一增益(增益A)、第二增益级呈现出第二增益(增益B)，且第三增益级呈现出第三增益(增益C)。
可以将测试电池205连接至充当衰减器的第一放大器510。如图5中所示，测试电池205的正极端子可以(例如，通过电阻器R1)耦合至第一放大器510的反相输入，且测试电池205的负极端子可以(例如，通过电阻器R2、R3的分压器)耦合至第一放大器510的非反相输入。第一放大器510的输出(即，输出A)可以返回至DAS 214(图2)。可以为了所期望的增益A来选择电阻器R1、R2、R3和R4的值。在一些实施例中，增益A是大约-0.166。因此，对于50V的电池，作为输出A发送至DAS 214的电压可以在约+/-10V的范围内。对于300V的电池，作为输出A发送至DAS 214的电压可以在约±60V的范围内。
第二放大器520可以用于调节电池电压并设定合适的电压以用于与从DAS 214接收到的低降压信号进行对比。具体地，第二放大器520可以(例如，通过电阻器R5)在其反相输入处接收来自第一放大器510的输出(即，输出A)，且(例如，通过电阻器R6、R7的分压器)在其非反相输入处接收来自DAS 214的降压信号。第二放大器520的输出(即，输出B)可以返回至DAS 214。可以为了所期望的增益B来选择电阻器R5、R6、R7和R8的值。在一些实施例中，增益B是大约-20(例如-19.85)。因此，对于50V电池(假设增益A是大约-0.166)，作为输出B发送至DAS 214的电压可以在约+/-200V的范围内。对于300V电池(假设增益A是大约-0.166)，作为输出B发送至DAS 214的电压可以在约±1.2kV的范围内。
第三放大器530可以用于调节电池电压并设定合适的电压以用于与来自DAS 214降压信号进行对比。具体地，第三放大器530可以(例如，通过电阻器R9/R10和R11的分压器)在其非反相输入处接收来自第二放大器520的输出(即，输出B)，且(例如，通过电阻器R13、R14的分压器)在其非反相输入处接收来自DAS 214的降压信号。第三放大器530的输出(即，输出C)可以返回至DAS 214。可以为了所期望的增益C来选择电阻器R9、R10、R11、R12、R13和R14的值。在一些实施例中，增益C是大约+20(例如+19.95)。因此，对于50V电池(假设增益A是大约-0.166，且增益B是大约-20)，作为输出C发送至DAS 214的电压可以在约+/-4kV的范围内。对于300V电池(假设增益A是大约-0.166，且增益B是大约-20)，作为输出C发送至DAS214的电压可以在约+/-24kV的范围内。
信号测量模块310的总增益可以是每一个增益A、B、C的乘积。因此，当增益A≈-0.166、增益B≈-20、且增益C≈+20时，总增益可以是大约+66(例如，66.4)。相比于许多传统系统(其在约17的数量级上)，可以提高总增益，(例如，提高大约4的因子)增加的增益可以有助于增加的灵敏度以及信号测量模块310的分辨率。在信号测量模块310的增益级中具有至少两个偏置电压反馈线可以使得能够安全地增加总增益。
当生成降压信号时，可以将每一个输出A、输出B、以及输出C发射至DAS 214以用于反馈。DAS 214可以配置为适配降压信号的生成，该降压信号的生成响应于从输出A、输出B、以及输出C接收到的反馈。具体地，第二放大器520可以在其非反相输入处接收低降压信号，且第三放大器530可以在其反相输入处接收高降压信号。结果，低降压信号用于限定电压，由第二放大器520将该电压与第一放大器510的输出(输出A)相比较以生成第二放大器的输出(输出B)。此外，高降压信号用于限定电压，由第三放大器530将该电压与第二放大器520的输出(输出B)相比较以生成第三放大器的输出(输出C)。
图6是示出根据本公开的实施例的用于操作阻抗测量系统的方法的流程图600。可以以自动测范围模式以及测量模式来操作阻抗测量系统。自动测范围模式可以使得IMD能够在呈现出更广范围的阻抗的各种电池上操作。在操作610处，IMD可以对测试电池上执行自动测范围功能以确定要在测量模式期间使用的电流振幅。在操作620处，可以对测试电池上执行测量以确定阻抗测量，该阻抗测量可以向阻抗测量系统通知测试电池的健康度。IMD的处理器可以配置为控制SOSG以便在进入测量模式之前执行电流激励信号的自动测范围。作为示例，在由前置放大器的信号测量模块获取到所期望的降压电压之后但是在测量模式期间执行阻抗测量之前，可以进行电流激励信号的自动测范围。
具体参考图3的视图中的操作610，SOSG 216可以使电流驱动器308生成SOS电流信号356作为增加的或减少的振幅的脉冲。例如，第一脉冲可以呈现第一振幅，第二脉冲可以呈现第二振幅，第三脉冲可以呈现第三振幅等等。在一些实施例中，脉冲的振幅可以顺序地增加，而在其他实施例中，脉冲的振幅可以在最小值处开始并顺序地减少。在又一实施例中，振幅可以是不同的幅值，但不一定呈相继次序。在一些实施例中，可以在正弦波的一个周期(例如100Hz)上执行脉冲的序列。可以利用DAS 214来分析针对这些自动测范围脉冲的电压响应，该DAS 214可用于确定将在测量相位期间使用什么SOS电流电平。在一些实施例中，DAS 214可以确定：脉冲的序列中的哪一个脉冲是在测量信号中发生电压限幅之前的最后一个脉冲。在一些实施例中，脉冲可以在正弦波的单个周期上高于1Hz且低于尼奎斯特频率从而使得能够快速确定RMS激励电流。对于采用时间串扰补偿(TCTC)方法的实施例，可以保守地选择RMS激励，是因为捕捉到的时间记录中的饱和可能破坏阻抗测量。
具体参考图3的视图中的操作620，处理器212可以配置为：使SOSG 216控制电流驱动器308在其测量模式期间至少部分地基于自动测范围模式的结果来生成SOS电流信号356。在一些实施例中，处理器212可以在自动测范围模式期间测量出的电池电压的电压限幅之前使用针对SOSG 216的设定来使SOS电流信号356具有最大振幅。现有传统IMD通常具有为了安全地避免电压限幅而被降低的固定的电流电平(例如，0.5ARMS)，而本公开的实施例可具有伴有增加的增益的可变电流电平，从而使得在仍避免电压限幅的同时，IMD可以在测量模式期间以更接近其峰值性能来操作。结果，激励电流的最大可能电流振幅可能被硬件支持的所限制(例如，2ARMS、3ARMS、4ARMS等等)，而不是被限制为确保避免电压限幅的固定值。因此，自动测范围特征可用于从可能的电流振幅范围中确定在测量模式期间使用什么电流振幅。
在测量模式期间，可以采用多个不同数据处理方法来从电信号206(图2)中确定测试电池205的阻抗。作为示例，DAS 214所使用的数据处理方法可包括时间串扰补偿(TCTC)方法，诸如例如2014年6月24日提交的题为“储能设备的分析中的串扰补偿(CrosstalkCompensation in Analysis of Energy Storage Devices)”的美国专利8,762,109。在一些实施例中，DAS 214所使用的数据处理方法包括HOST方法，诸如在2015年7月1日提交的题为“用于通过测量频率响应来测试电化学电池单元的装置以及方法(Apparatuses andMethods for Testing Electrochemical Cells by Measuring Frequency Response)”的美国专利申请第14/789,959号中描述的那样。如之前所描述的，该申请的公开内容通过以上引用其全文并入本文。在一些实施例中，是在2012年4月3日发布的题为“通过测量频率响应来检测系统功能的方法(Method of Detecting System Function by MeasuringFrequency Response)”的美国专利8,150,643中公开的快速求和变换(FST)方法。在一些实施例中，DAS 214所使用的数据处理方法可包括基于在2013年1月8日发布的题为“通过测量频率响应来检测系统功能的方法(Method of Detecting System Function by MeasuringFrequency Response)”的美国专利8,352,204中描述的基于三元组的一般化求和变换(GFST)方法。上述申请中的每一个的公开内容由此通过引用其全文并入本文。还构想到其他方法，包括经修改的TCTC和HOST方法。
数据处理方法可以配置为容忍超范围饱和。例如，可针对信号饱和检查电池电压的捕捉到的时间记录，并且可丢弃该电压时间记录内的高于或低于满量程电压的任何样本。此外，在电流时间记录内，可以将同样的条件应用于电流时间记录内的高于或低于满量程电流的被丢弃的样本。结果，数据处理方法可以配置为补偿被删除的数据点。
作为示例，数据处理方法中的一些是基于具有作为倍频谐波(例如，HOST)的频率扩展的SOS信号。利用这样的HOST方法，频率扩展是如下的十个单位上的谐波：1、2、3、4、5、7、9。在一些实施例中，HOST方法可以在频率之间的正弦和余弦之间交替。结果，作为谐波的正弦余弦交替的扩展在频率之间提供了额外水平的正交性。此外，若获取了电压时间记录和电流时间记录这两者并且使用HOST方法来将它们处理成频域，则针对特定频率处的电流响应的电压响应比是该频率处的阻抗。因此，使用HOST方法的测量可以是自校准的，且因为两个测量都响应于同样的平滑滤波器，所以也可不需要平滑滤波器的预加重。
如以上讨论的，HOST方法可以采用交替的正弦、余弦(ASC)信号来代替纯SOS信号。如果十个测量单位上的频率扩展过于精细，则信噪比(SNR)可以是分给大量频率的信号功率，这可能导致针对每个频率的降低的信噪比。为了导出这些方法，可假设：给定的数字M和频率的扩展fK(当fM≤2000Hz时)。对于HOST方法，利用用于激励测试电池的ASC电流信号，可以通过式(1)给出电流激励。
Figure GDA0002944334810000191
其中：IP是每个频率处的峰值电流，Δt是样本时间步长，且IASC是计算机所生成的电流。通过式(2a)给出捕捉到的电压时间记录，且通过式(2b)给出捕捉到的电流时间记录。
Figure GDA0002944334810000192
其中：RIO表示电流测量系统中的任何DC偏移，I2j是f2j正弦频率的幅值，I2j-1是f2j-1余弦频率的幅值，φI2j是f2j正弦频率的相位，且φI2j-1是f2j-1余弦频率的相位。
Figure GDA0002944334810000193
其中：RVO表示电流测量系统中的任何DC偏移，V2j是f2j正弦频率的幅值，V2j-1是f2j-1余弦频率的幅值，φV2j是f2j正弦频率的相位，且φV2j-1是f2j-1余弦频率的相位。
将式(2a)和式(2b)解析为用于通用时间记录的式(3)：
Figure GDA0002944334810000194
Figure GDA0002944334810000195
其可以被转换成矩阵形式并进一步简化为：
Figure GDA0002944334810000196
其中：
Figure GDA0002944334810000201
且其中：
Figure GDA0002944334810000202
式(4)随后可用于解析式(2a)以及(2b)，这可导致第i个频率处的电池阻抗，该第i个频率大约是：
Figure GDA0002944334810000203
当如果N个剩余的样本是使得N＞(2M+1)则样本在正或负满量程电压或电流处时，式(5)可以与来自捕捉到的被丢弃的时间记录的样本一起运算。在一些实施例中，可以选择第二阶巴特沃斯低通滤波器以用于平滑滤波器(图3)，这可导致对于低通滤波器的以下传递函数H(s)方程：
Figure GDA0002944334810000211
在一些实施例中，可以将传递函数H(s)的截止频率选择为1Hz或另一个合适频率。可以利用激励电流信号内的大于最高频率(例如，2kHz)的尼奎斯特频率来选择激励电流信号。利用所选的激励电流的频率，可基于自动测范围模式期间执行的分析来选择激励电流信号的振幅。激励电流信号随后可以在测量模式期间与关于图5在以上所描述的增加的增益一起使用。
作为激励电流振幅增加与增益增加相组合的结果，可以相比于现有IMD改善灵敏度以及分辨率。基于初步检测，灵敏度以及分辨率的改善量可以是大约10至15的因子。作为本文中所讨论的特征的结果，IMD可以配置为测量呈现出低阻抗(例如，在约1mOhm至5mOhm之间、小于约1mOhm等等)的高功率电池单元的内部阻抗，同时还可以在快速测量(例如，10秒或更少)的情况下保持高分辨率(例如，至少约0.01mOhm)。这样的特性是优于使用IMD的传统方法(其具有对于低阻抗的分辨率限制)以及其他使用电化学阻抗光谱(其测量缓慢)的改进之处。
附加实施例包括：
实施例1。一种阻抗测量设备，包括：电流驱动器，该电流驱动器配置为响应于控制信号生成要施加于测试电池的激励电流信号；以及处理器，该处理器可操作地与电流驱动器耦合，所述处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成控制信号，其中：自动测范围模式将激励电流信号在多个不同的振幅上施加至测试电池以便在每个振幅上测量对激励电流信号的响应；并且测量模式针对响应于自动测范围模式的结果的振幅将激励电流信号施加于测试电池。
实施例2。实施例1的阻抗测量装置，进一步包括前置放大器，该前置放大器包括电流驱动器和信号测量模块，该信号测量模块配置为响应于激励电流信号被施加于测试电池而测量电信号。
实施例3。实施例1或实施例2的阻抗测量设备，其中，电流驱动器呈现出大于大约20的总增益。
实施例4。实施例3的阻抗测量设备，其中，总增益大于大约60。
实施例5。实施例2至4中的任一项的阻抗测量设备，其中，电流驱动器包括至少三个级联增益级，来自每个增益级的输入被反馈至处理器以便确定从处理器传输回电流驱动器的多个降压电压。
实施例6。实施例5的阻抗测量设备，其中，至少三个级联增益级包括第一增益级，该第一增益级呈现出大约-0.166的第一增益；第二增益级，该第二增益级呈现出大约-20的第二增益；以及第三增益级，该第三增益级呈现出大约20的第三增益。
实施例7。实施例1至6中的任一项的阻抗测量设备，其中，电流驱动器配置为生成正弦曲线之和(SOS)电流信号或交替的正弦、余弦(ASC)之和的信号中的至少一个信号。
实施例8。实施例1至7中的任一项的阻抗测量设备，其中，电流驱动器包括差分电流源，该差分电流源包括可操作地耦合至测试电池的上挽电流源和下挽电流源。
实施例9。一种阻抗测量系统，包括：测试电池；以及可操作地耦合至测试电池的阻抗测量设备，其中阻抗测量设备包括：前置放大器，该前置放大器包括电流驱动器和与测试电池可操作地耦合的信号测量模块；电流控制信号生成器，该电流控制信号生成器与前置放大器可操作地耦合；数据采集系统，该数据采集系统与前置放大器可操作地耦合；和处理器，该处理器与电流控制信号生成器和数据采集系统可操作地耦合，其中，处理器配置为：控制电流控制信号生成器以便在自动测范围模式期间将电流控制信号发射至前置放大器，从而使电流驱动器生成呈现出一振幅范围的激励电流信号；控制数据采集系统以在自动测范围模式期间分析来自信号测量模块的测试电池的响应；至少部分基于在自动测范围模式期间分析测试电池的响应，控制电流控制信号生成器以在测量期间将电流控制信号发射至前置放大器，从而使电流驱动器生成呈现出经选择的振幅的激励电流信号；并且控制数据采集系统以在测量模式期间分析来自信号测量模块的测试电池的响应，以便确定测试电池的阻抗。
实施例10。实施例9的阻抗测量系统，其中，电池包括一个或多个储能单元。
实施例11。实施例9或实施例10的阻抗测量系统，其中，数据采集系统包括阻抗计算模块，该阻抗计算模块执行数据处理方法以便确定测试电池的阻抗，其中，数据处理方法配置为捕捉电压时间记录或电流时间记录中的至少一个时间记录，并且丢弃电压或电流时间记录内的高于或低于相应时间记录的满量程的样本
实施例12。实施例9至11中的任一项的阻抗测量系统，其中，数据采集系统包括阻抗计算模块，该阻抗计算模块执行数据处理方法以便确定测试电池的阻抗，其中，从时间串扰补偿(TCTC)方法、谐波正交同步变换(HOST)方法、快速求和变换(FST)方法、和基于三元组的广义快速求和变换(GFST)方法所组成的群组中选择该数据处理方法。
实施例13。实施例9至12中的任一项的阻抗测量系统，进一步包括：远程计算机，该远程计算机与阻抗测量设备可操作地耦合，该远程计算机配置为控制阻抗测量设备并且从阻抗测量设备接收阻抗数据。
实施例14。实施例9至13中的任一项的阻抗测量系统，其中，前置放大器进一步包括平滑滤波器，该平滑滤波器可操作地耦合在电流控制信号生成器与电流驱动器之间。
实施例15。实施例9至14中的任一项的阻抗测量系统，其中，对于自动测范围模式和测量模式中的每一个模式，激励电流信号包括正弦曲线之和(SOS)电流信号或交替的正弦、余弦(ASC)之和信号中的至少一个信号。
实施例16。实施例9至15中的任一项的阻抗测量系统，其中，测试电池呈现出约1mOhm至5mOhm之间的内部阻抗。
实施例17。实施例9至16中的任一项的阻抗测量系统，其中，在测量时间为约10秒或更少的情况下，阻抗测量设备呈现出至少0,01mOhm的分辨率。
实施例18。实施例9至17中的任一项的阻抗测量系统，进一步包括含有测试电池的车辆。
实施例19。实施例18的阻抗测量系统，其中，车辆进一步包括阻抗测量设备。
实施例20。一种测量测试电池的阻抗的方法，该方法包括：将包括多个脉冲的激励电流信号施加于测试电池，该多个脉冲在自动测范围模式期间呈现出不同的振幅；在多个不同振幅上测量来自测试电池的、响应于激励电流信号的电信号；将在测试模式期间呈现出固定振幅的激励电流信号施加于测试电池，其中，至少部分基于对自动测范围模式期间测量出的电信号的分析来设定该固定振幅；以及测量响应于激励信号的、来自测试电池的电信号(该电信号在测量模式期间呈现出固定振幅)以便确定测试电池的内部阻抗。
实施例21。实施例20的方法，其中，固定振幅对应于多个脉冲内的在自动测范围模式期间确定为在电信号中已经发生了电压限幅之前的至少一个脉冲的振幅。
实施例22。实施例20或实施例21的方法，其中，将激励电流信号施加于测试电池包括将呈现出约40V至60V之间或约250V至350V之间的平均中间范围电压的激励电流信号施加于测试电池。
尽管已经联系附图对某些说明性实施例进行了描述，但本领域普通技术人员将认识和理解，本发明所涵盖的实施例不限于本文中明确地示出和描述的那些实施例。相反，在不脱离本公开所涵盖的实施例的范围(诸如本文中所要求的那些权利要求，包括法律等效方案)的情况下，可以对本文所描述的实施例进行许多添加、删除、和修改。另外地，可以将来自一个经公开的实施例的特征与来自另一个经公开的实施例的特征进行组合而仍被本公开涵盖。

Claims (22)

1.一种阻抗测量设备，包括：
电流驱动器，所述电流驱动器配置为响应于控制信号而生成要被施加至测试电池的激励电流信号；以及
处理器，所述处理器与所述电流驱动器可操作地耦合，所述处理器配置为在自动测范围模式和测量模式期间生成所述控制信号，其中：
所述自动测范围模式将所述激励电流信号在多个不同的振幅上施加至所述测试电池，以便在每个振幅测量对所述激励电流信号的响应；以及
所述测量模式：
针对响应于所述自动测范围模式的结果的振幅将所述激励电流信号施加至所述测试电池；并且
捕捉电压时间记录和电流时间记录中的至少一个时间记录，并且丢弃所述电压时间记录和所述电流时间记录内的高于或低于相应时间记录的满量程的样本。
2.如权利要求1所述的阻抗测量设备，进一步包括前置放大器，所述前置放大器包括所述电流驱动器和信号测量模块，所述信号测量模块配置为响应于所述激励电流信号被施加于所述测试电池而测量电信号。
3.如权利要求1或权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述电流驱动器呈现出大于大约20的总增益。
4.如权利要求3所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述总增益大于大约60。
5.如权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述信号测量模块包括至少三个级联增益级，来自每个级联增益级的输出被反馈至所述处理器以便确定从所述处理器传输回所述电流驱动器的多个降压电压。
6.如权利要求5所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述至少三个级联增益级包括：呈现出大约0.166的第一增益的第一增益级、呈现出大约-20的第二增益的第二增益级、呈现出大约20的第三增益的第三增益级。
7.如权利要求1或权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述电流驱动器配置为生成正弦曲线之和(SOS)电流信号或交替的正弦、余弦(ASC)之和信号中的至少一个。
8.如权利要求1或权利要求2所述的阻抗测量设备，其特征在于，所述电流驱动器包括差分电流源，所述差分电流源包括可操作地耦合至所述测试电池的上挽电流源和下挽电流源。
9.一种阻抗测量系统，包括：
测试电池；以及
阻抗测量设备，所述阻抗测量设备可操作地耦合至所述测试电池，其中，所述阻抗测量设备包括：
前置放大器，所述前置放大器包括可操作地与所述测试电池耦合的电流驱动器和信号测量模块，其中所述电流驱动器包括具有输出的至少一个增益级，所述输出被反馈至处理器以便确定从所述处理器传输回所述电流驱动器的降压电压；
电流控制信号生成器，所述电流控制信号生成器可操作地与所述前置放大器耦合；
数据采集系统，所述数据采集系统可操作地与所述前置放大器耦合；和
所述处理器，所述处理器可操作地与所述电流控制信号生成器和所述数据采集系统耦合，其中，所述处理器配置为：
确定通过所述电流驱动器施加至所述测试电池的所述降压电压，并且在施加所述降压电压后，所述处理器进一步配置为：
控制所述电流控制信号生成器在自动测范围模式期间将电流控制信号发射至所述前置放大器，以便使所述电流驱动器生成呈现出一振幅范围的激励电流信号；
控制所述数据采集系统，以对在所述自动测范围模式期间来自所述信号测量模块的所述测试电池的响应进行分析；
控制所述电流控制信号生成器在测量期间将所述电流控制信号发射至所述前置放大器，以便至少部分基于在所述自动测范围模式期间分析所述测试电池的所述响应，使所述电流驱动器生成呈现出经选择的振幅的所述激励电流信号；并且
控制所述数据采集系统，以对在测量模式期间来自所述信号测量模块的所述测试电池的响应进行分析，以便确定所述测试电池的阻抗。
10.如权利要求9所述的阻抗测量系统，其特征在于，所述电池包括一个或多个储能单元。
11.如权利要求9所述的阻抗测量系统，其特征在于，所述数据采集系统包括阻抗计算模块，所述阻抗计算模块执行数据处理方法以便确定所述测试电池的所述阻抗，其中，所述数据处理方法配置为捕捉电压时间记录或电流时间记录中的至少一个时间记录，并且丢弃所述电压或电流时间记录内的高于或低于相应时间记录的满量程的样本。
12.如权利要求9至11中的任一项所述的阻抗测量系统，其特征在于，所述数据采集系统包括阻抗计算模块，所述阻抗计算模块执行数据处理方法以便确定所述测试电池的所述阻抗，其中，所述数据处理方法选择自时间串扰补偿(TCTC)方法、谐波正交同步变换(HOST)方法、快速求和变换(FST)方法、和基于三元组的广义快速求和变换(GFST)方法组成的群组中。
13.如权利要求9至11中的任一项所述的阻抗测量系统，进一步包括远程计算机，所述远程计算机与所述阻抗测量设备可操作地耦合，所述远程计算机配置为控制所述阻抗测量设备并且从所述阻抗测量设备接收阻抗数据。
14.如权利要求9至11中的任一项所述的阻抗测量系统，其特征在于，所述前置放大器进一步包括平滑滤波器，所述平滑滤波器可操作地耦合在所述电流控制信号生成器与所述电流驱动器之间。
15.如权利要求9至11中的任一项所述的阻抗测量系统，其特征在于，所述激励电流信号包括正弦曲线之和(SOS)电流信号或交替的正弦、余弦(ASC)之和信号中的至少一个信号。
16.如权利要求9至11中的任一项所述的阻抗测量系统，其特征在于，所述测试电池呈现出约1mOhm至5mOhm之间的内部阻抗。
17.如权利要求16所述的阻抗测量系统，其特征在于，在测量时间是约10秒或更少的情况下，所述阻抗测量设备呈现出至少0.01mOhm的分辨率。
18.如权利要求9至11中的任一项所述的阻抗测量系统，进一步包括含有所述测试电池的车辆。
19.如权利要求18所述的阻抗测量系统，其特征在于，所述车辆进一步包括所述阻抗测量设备。
20.一种测量测试电池的阻抗的方法，所述方法包括：
在自动测范围模式期间，将激励电流信号施加至测试电池，所述激励电流信号包括呈现出不同的振幅的多个脉冲；
测量响应于所述不同的振幅上的所述激励电流信号的、来自所述测试电池的电信号；
在测量模式期间，将呈现出固定振幅的所述激励电流信号施加至所述测试电池，其中，至少部分基于在所述自动测范围模式期间测量的所述电信号的分析来设置所述固定振幅；以及
测量响应于在所述测量模式期间呈现出所述固定振幅的所述激励电流信号的、来自所述测试电池的所述电信号，以便确定所述测试电池的内部阻抗，其中在所述测量模式期间测量所述电信号进一步包括：捕捉电压时间记录或电流时间记录中的至少一个时间记录并且丢弃所述电压时间记录和所述电流时间记录内的高于或低于相应时间记录的满量程的样本。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述固定振幅对应于所述多个脉冲内的在所述自动测范围模式期间确定为已经在所述电信号中发生电压限幅之前的至少一个脉冲的振幅。
22.如权利要求20或权利要求21所述的方法，其特征在于，将所述激励电流信号施加于所述测试电池包括将呈现出约40V至60V之间或约250V至350V之间的平均中间范围电压的所述激励电流信号施加于所述测试电池。
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