CN111095008A - 用于电化学阻抗谱的电气架构 - Google Patents

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Abstract

本公开提供用于电化学阻抗谱(EIS)的电气架构。EIS电路包括至少两个电流调节器和电能存储装置，所述至少两个电流调节器和电能存储装置以使流入所述相应的电流调节器的功率解耦的配置与一个或多个电化学电池单元连接。所述电能存储装置的存在使得每个调节器能够在较低功率电平下同时操作，同时诱导出期望的EIS扰动电流。针对相同电流，在低功率下操作与仅耗散性或非耗散性电流调节器相比允许更小的体积和更低的成本。此外，所述电能存储装置允许流动通过所述电流调节器的所述功率独立地变化，以便实现所述期望的EIS扰动电流，同时在所述电路中生成最少量的热量，由此允许所述电路占据最小尺寸并且产生最低成本。

Description

用于电化学阻抗谱的电气架构
技术领域
本公开涉及一种用于执行电化学阻抗谱(EIS)分析的电气架构，并且特别地涉及EIS电路、用于电动车辆的电池管理系统以及用于对一个或多个电化学电池单元执行EIS的系统和方法。
背景技术
电化学阻抗谱(EIS)总体涉及在从DC到数kHz的频率下测量电池的阻抗。EIS通常用于台式设备的离线表征，尽管它在实时系统中的应用已有一些发展。现有的在线EIS电源架构总体可分为两类：耗散性的和非耗散性的。
在耗散性方法中，使用电流调节器(诸如在具有反馈控制的情况下在线性区域中操作的MOSFET)，并且扰动能量耗散到调节器本身中。在所需的扰动电流高的情况下，耗散性方法由于在系统中生成的热量的量而可能变得不切实际。
在非耗散性方法中，诱导出扰动电流而无意于将能量转换成热量。在一个实例中，一系列DC-DC转换器连接至一串电池单元，其中每个转换器的输入端和输出端附接到相邻电池单元，并且连接方案跨越整个串。扰动电流由每个DC-DC转换器诱导出，从一个电池单元流动至其相邻电池单元，并且可以是双向的。在所需的扰动电流高的情况下，非耗散性方法与耗散性方法相比遭受更少的加热问题。然而，通常仍需要增加热管理措施并增大部件规模，这继而导致体积增大。另一个问题是磁饱和，这可致使DC-DC转换器变得不切实际地大而无法在线使用。
有意义的电压读数通常需要大的扰动电流，从而导致现有在线EIS电源架构的上面指出的缺陷。EIS所需的电流大小随电池阻抗和电压测量能力而变化，并且电池阻抗对温度非常敏感。作为突显EIS系统的电源架构可能需要具有的内容的实例，考虑44Ah锂镍锰钴氧化物软包电池单元，其标称ESR已测量为大约1mΩ。如果预期从10mV峰到峰扰动响应获得有意义的电压读数，则所需的扰动电流为10A峰到峰。在四个这样的电池单元并联连接以形成一个串联单元的示例性EV应用中，所需的扰动电流将为40A峰到峰。
因此，仍然非常期望用于实现EIS的另外的、替代的和/或改进的电气架构。
发明内容
提供了一种用于测量一个或多个电化学电池单元的阻抗的电化学阻抗谱(EIS)电路，其包括：电能存储装置；第一电流调节器，所述第一电流调节器连接在所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元之间；以及第二电流调节器。通过这种配置，流入所述第一电流调节器和所述第二电流调节器的功率被解耦。
在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器与所述一个或多个电化学电池单元串联连接；所述电能存储装置与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且所述第二电流调节器与所述电能存储装置并且与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接。
在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器与所述电能存储装置串联连接；所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且所述第二电流调节器与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置并且与所述一个或多个电化学电池单元并联连接。
在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。
在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。
在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器是耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。
在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器是非耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。
在所述EIS电路的一个方面，所述非耗散性电流调节器是输出端连接至负载的开关模式功率转换器。
在所述EIS电路的一个方面，所述开关模式功率转换器具有包括双有源桥、反激或同相升降压的任何隔离或非隔离拓扑。
在所述EIS电路的一个方面，所述开关模式功率转换器支持双向功率流。
在所述EIS电路的一个方面，连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是另一个电化学电池单元。
在所述EIS电路的一个方面，连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是一个或多个并联连接的另外的EIS电路。
在所述EIS电路的一个方面，所述耗散性电流调节器包括具有电流反馈控制环路的MOSFET。
在所述EIS电路的一个方面，所述耗散性电流调节器包括与控制开关串联的电阻器。
在所述EIS电路的一个方面，所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的一者或两者包括多个电流调节器。
在所述EIS电路的一个方面，所述电能存储装置包括电容器和电感器中的至少一者。
在所述EIS电路的一个方面，所述电能存储装置包括多个电能存储装置。
在所述EIS电路的一个方面，所述电能存储装置与控制开关串联连接。
在所述EIS电路的一个方面，所述电路还包括用于连接至所述一个或多个电化学电池单元的一个或多个开关。
还提供了一种用于具有一个或多个电化学电池单元的电动车辆的电池管理系统(BMS)。所述BMS包括如上述方面所述的EIS电路，所述EIS电路与所述一个或多个电化学电池单元连接，并且所述BMS被配置来对所述一个或多个电化学电池单元执行在线电化学阻抗谱分析。
在所述BMS的一个方面，所述电能存储装置、所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的至少一者是所述BMS的原始部件。
在一个方面，所述BMS被配置来在所述电动车辆的操作期间对所述一个或多个电化学电池单元执行实时阻抗测量，其中所述测量的阻抗用于确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。
还提供了一种用于对一个或多个电化学电池单元执行电化学阻抗谱(EIS)分析的系统，其包括：根据上述方面中任一方面所述的EIS电路，所述EIS电路与所述一个或多个电化学电池单元耦接；电流生成模块，所述电流生成模块被配置来通过所述第一电流调节器和所述第二电流调节器生成相应的电流参考信号，以在所述EIS电路中诱导出期望的EIS扰动电流；电压测量仪器，所述电压测量仪器被配置来测量所述一个或多个电化学电池单元的电压；以及阻抗确定单元，所述阻抗确定单元被配置来基于所述测量的电压和所述诱导出的EIS扰动电流来确定所述一个或多个电化学电池单元的阻抗。
所述系统还可包括控制单元，所述控制单元被配置来控制所述电流生成模块以生成所述相应的电流参考信号来诱导出所述期望的EIS扰动电流。
所述系统还可包括评估单元，所述评估单元被配置来基于所述确定的阻抗来确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。
又进一步提供了一种用于使用如上述方面所述的EIS电路来对一个或多个电化学电池单元执行电化学阻抗谱(EIS)分析的方法，所述方法包括：分别针对所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的每一者生成电流参考信号，所述相应的电流参考信号被生成以在所述EIS电路中诱导出期望的扰动电流，所述期望的扰动电流包括正弦扰动电流；诱导所述相应的电流参考信号通过所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的每一者，以在所述EIS电路中诱导出所述期望的EIS扰动电流；测量所述一个或多个电化学电池单元的电压；以及基于所述测量的电压和所述诱导出的EIS扰动电流来确定所述一个或多个电化学电池单元的阻抗。
在上述方法中，针对所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的每一者的所述电流参考信号可以是分别生成的。
所述方法还可包括：基于所述确定的阻抗来确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。
在所述方法的一个方面，所述方法还包括：在诱导所述相应的电流参考信号通过所述第一电流调节器和所述第二电流调节器之前，从所述电能存储装置释放电能。
在所述方法的一个方面，所述正弦扰动电流具有0kHz至10kHz的频率范围。
附图说明
结合附图考虑以下详述，将明白本公开的另外特征和优点，在附图中：
图1A和图1B示出根据本公开的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的表示；
图2A至图2D示出根据本公开的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的表示；
图3A至图3D示出根据本公开的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的表示；
图4示出根据图3A的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的示例性系统图；
图5示出图4所示的系统的理想稳态操作波形；
图6示出图4所示的系统的示例性示波器捕捉图；
图7示出图4所示的系统在重复的EIS测量期间的示例性示波器捕捉图；
图8示出在图4所示的系统的一个阻抗测量周期期间Qlinear的壳体温度Tcase的示例性示波器捕捉图；
图9示出在图4所示的系统的六个阻抗测量周期期间Qlinear的壳体温度Tcase的示例性示波器捕捉图；
图10示出根据一些实施方案的在图4所示的系统中使用的开关模式功率转换器的实现方式；并且
图11示出用于执行电化学阻抗谱分析的方法。
应当注意，在整个附图中，以相似附图标号标识相似特征。
具体实施方式
本公开提供用于电化学阻抗谱(EIS)的电气架构。更特别地，提供EIS电路、用于电动车辆的电池管理系统以及用于对一个或多个电化学电池单元执行EIS的系统和方法。所述EIS电路包括至少两个电流调节器和电能存储装置，所述至少两个电流调节器和电能存储装置在使流入相应的电流调节器的功率解耦的配置中与一个或多个电化学电池单元连接。电流调节器可以是耗散性或非耗散性电流调节器。所述电能存储装置的存在使得每个调节器能够在较低功率电平下同时操作，同时诱导出期望的EIS扰动电流。针对相同电流，在低功率下操作与仅耗散性或非耗散性电流调节器相比允许更小的体积和更低的成本。此外，所述电能存储装置允许流动通过所述电流调节器的所述功率独立地变化，以便实现所述期望的EIS扰动电流，同时在所述电路中生成最少量的热量，由此允许所述电路占据最小尺寸并且产生最低成本。
因此，如果在EIS电路中使用耗散性方法或耗散性电流调节器，则可抑制在系统中生成的热量的量，并且如果在EIS电路中使用非耗散性方法或非耗散性电流调节器，则可减少热管理措施并减小部件规模。此外，还可减小电流调节器的规模和成本。EIS电路可并入耗散性方法和非耗散性方法中的一者或两者。
EIS电路可被实现来提供对时变电化学电池单元等效电路模型参数值的准确确定。在具有DC偏移的一些情况下，在电化学电池单元中诱导出正弦扰动电流，并且可基于已知电流和测量的电压相量来计算阻抗。可使用曲线拟合来估计电路参数值，并且可产生用于宽范围操作条件的模型。
本文所公开的EIS电路可具有若干实际应用，包括但不限于被实现为电动车辆(EV)的电池管理系统(BMS)的一部分以实现在线EIS。为了增加EV的真实世界行驶里程，同时还降低成本，重要的是在保持安全性和使用寿命的同时将电池单元技术推向极限。提高对电池参数(诸如荷电状态(SOC)、功率能力和容量)的估计的准确性是消除通常强加在当今BMS中的保守限制的关键。在具有内置用于电池单元平衡或供应辅助负载的DC-DC转换器的EV BMS中，可以小的增量成本集成本文所公开的EIS架构。类似地，根据特定系统设置，可将其他原有/原始BMS部件用作本文所述的EIS电路中的部件。通过执行EIS计算的阻抗可用于确定EV电池的宽范围的操作条件，诸如SOC、温度和寿命。
尽管本公开可提供对集成到EV电池管理系统中以实现在线或原位EIS的参考，但是需注意，本文所公开的EIS电路和用于执行EIS的方法不限于此并且可用于所有EIS测量。
根据本公开的系统和方法利用EIS电路来对一个或多个电化学电池单元执行电阻抗谱。
下面仅以举例的方式参考图1至图11描述实施方案。
图1A和图1B示出根据本公开的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的表示。
图1A和图1B所示的EIS电路100a和100b包括第一电流调节器CR1和第二电流调节器CR2以及电能存储装置ES，所有这些均连接至一个或多个电化学电池单元EC/与其耦接。电流调节器CR1和CR2以及电能存储装置ES被配置成使得使流入相应的电流调节器的功率彼此解耦。第一电流调节器CR1连接在电能存储装置ES与一个或多个电化学电池单元EC之间。
电流调节器CR1和CR2以及电能存储装置ES可通过一个或多个开关的矩阵(未示出)连接至一个或多个电化学电池单元EC/与其耦接。因此，相同的EIS电路部件可对多个不同的EC执行EIS测量，这可帮助减少对多个EC(例如在电动车辆电池系统中)执行EIS测量所需的EIS电路的数量。在一些方面，EIS电路可包括多于两个电流调节器CR1和CR2。例如，第一电流调节器CR1和第二电流调节器CR2中的每一者可包括一个或多个电流调节器(未示出)。电能存储装置可包括多个电能存储装置。EIS电路还可包括与电能存储装置ES串联设置以提供防过电压条件的安全性的单个开关(未示出)。
在EIS电路100a中，第一电流调节器CR1与EC串联连接，并且ES和第二电流调节器CR2分别与CR1和EC并联连接。在这种配置中，通过第一电流调节器CR1和第二电流调节器CR2的电流因电能存储装置ES的存在而解耦。因此，流入相应的电流调节器CR1和CR2的功率解耦。
在EIS电路100b中，CR1与ES串联连接，并且EC和CR2分别与CR1和ES并联连接。在这种配置中，第一电流调节器CR1和第二电流调节器CR2的电压因电能存储装置ES的存在而解耦。因此，流入相应的电流调节器CR1和CR2的功率解耦。
能量存储装置的容量通常为所测试电化学电池单元的0.1％或更少，并且它的存在使得每个调节器能够在较低功率电平下同时操作，同时诱导出期望的EIS扰动电流。电流调节器中的每一个可独立地控制，以实现期望的扰动电流并且使在电路中生成的热量的量最小化。针对相同电流，在低功率下操作与仅耗散性或非耗散性电流调节器相比允许更小的体积和更低的成本。在具有内置用于电池单元平衡或供应辅助负载的DC-DC转换器的EVBMS中，可以小的增量成本集成这一架构。类似地，根据特定系统设置，可将其他原有/原始BMS部件用作本文所述的EIS电路中的部件。
图2A至图2D和图3A至图3D示出使用非耗散性(ND)和/或耗散性(D)电流调节器作为图1A和图1B所描绘的第一电流调节器CR1和第二电流调节器CR2的EIS电路100a和100b的若干可能配置。在不脱离本公开范围的情况下，存在用于EC、D、ES和ND的若干实现方式和部件以及用于EIS的宽范围的应用，并且是本领域技术人员将容易理解的。在本段的其余部分中，通过实现方式替代形式的若干实例来突显这种可能性的广度。例如，ND可实现为开关模式功率转换器，对于所述开关模式功率转换器，存在支持诸如双向电流操作/功率流、电气隔离、调节带宽能力等的特征的许多电路拓扑。ND可具有任何隔离或非隔离拓扑，例如，双有源桥、反激、同相升降压等。D可实现为MOSFET，其漏极电流由线性负栅极电压反馈环路或具有一些最小电流滤波的PWM开关控制。可替代地，D可实现为与开关串联的电阻器，包括半导体或接触器类型，诸如电动车辆中所存在的用于无源电池单元平衡的电阻器。至于EC，仅考虑锂离子电池，存在对于它们来说所需的表征频率范围可在0kHz至10kHz之间变化的电池单元化学组成、大小和参数估计算法。最后，电容器和电感器都可用于电能存储。部件替代形式选择可取决于系统约束，包括体积、成本、热管理和复杂性。每种部件组合可导致功率分配和协调方法的不同组合。然而，部件替代形式的选择并不脱离本公开的范围。
图2A至图2D示出根据本公开的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的表示。电路200a-200d描绘用于电路100a-100b中的电流调节器CR1和CR2的非耗散性或耗散性电流调节器。特别地，图2A所示的EIS电路200a对应于EIS电路100a，其中电流调节器两者都是非耗散性电流调节器ND。图2B所示的EIS电路200b对应于EIS电路100b，其中电流调节器两者都是非耗散性电流调节器ND。图2C所示的EIS电路200c对应于EIS电路100a，其中电流调节器两者都是耗散性电流调节器D。图2D所示的EIS电路200d对应于EIS电路100b，其中电流调节器两者都是耗散性电流调节器D。
图3A至图3D示出根据本公开的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的表示。电路300a-300d描绘用于电路100a-100b中的电流调节器CR1和CR2的非耗散性和耗散性电流调节器的组合。特别地，图3A所示的EIS电路300a对应于EIS电路100a，其中电流调节器中的第一个是耗散性D并且第二电流调节器是非耗散性ND。图3B所示的EIS电路300b对应于EIS电路100b，其中电流调节器中的第一个是耗散性D并且第二电流调节器是非耗散性ND。图3C所示的EIS电路300c对应于EIS电路100a，其中电流调节器中的第一个是非耗散性ND并且第二电流调节器是耗散性D。图3D所示的EIS电路300d对应于EIS电路100b，其中电流调节器中的第一个是非耗散性ND并且第二电流调节器是耗散性D。
在一些方面，ND的输出端可连接至负载(未示出)。连接至ND的负载可以是另一个EC，所述另一个EC称为例如负载EC。在用于电动车辆的特定实现方式中，负载EC可以是车辆中的任何其他EC，例如，主能量存储系统中的另一个EC或位于车辆中其他地方的另一个EC。在其他实现方式中，连接至ND电流调节器的负载可以是一个或多个并联连接的EIS电路(如上所述)，并且所有EIS电路都可一起控制以在并联连接点处实现净DC功率。
在图3A所示的示例性实施方案中，操作原理如下：调节器D中的电流由于其相对于EC的串联放置而等于EIS扰动电流。可任选地在脉冲宽度调制模式下控制耗散性电流调节器D中的电流以实现特定电流。EIS电流需要具有DC偏移，使得其始终是单向的。DC偏移受作为ES的电容器的限制电压约束，这不允许ND(其例如是开关模式功率转换器)施加高于EC的电压，并且因此将D限制为仅使EC放电。在这种情况下，电流的方向是背离EC，但是也可通过不同的协调方法使其朝向EC。当D调节EIS电流时，ES(它是电容器)存储电荷并且其电压随正弦纹波线性增加。ES电压可在测量期间保持一定的DC值，以减少在D中耗散的功率。同时，ND汲取用于保持ES电压低于极限值的预定电流。预定电流可以是正弦的，以减小ES上的纹波电压。如果ND是双向的，则可进一步减小ES上的正弦纹波电压。在D中损失的功率是EC电压、ES电压和EIS电流的函数。ND传输的功率可基于系统需求来选择。ES的能量存储容量必须考虑以下若干因素来设计：EIS扰动电流、期望的测量频率、最短的测量时间以及期望的ND操作电流。
图4示出根据图3A的实施方案的电化学阻抗谱(EIS)电路的示例性系统图。特别地，系统图400可在针对EV应用的BMS系统内实现。系统400包括EIS模块410和BMS模块420。
参考参照图1至图3所描述的电路部件，电化学电池单元EC由具有电压Vcell的四个并联的44Ah的1mΩ标称ESR的锂镍锰钴氧化物电池单元组成。耗散性电流调节器D是具有线性反馈电流调节的D2PAK MOSFET，其由标记为调节器的框内的Qlinear和其他部件组成。这一电路被设计来使放大的电流感测电压与Vref匹配，并且三角形表示电压放大器，电阻器是电流感测电阻器，并且梯形是模拟信号多路复用器。在BMS中，Qlinear通常用于电池单元电荷平衡，并且其功率传输能力尚未修改。电能存储装置ES是具有50F电容的超级电容器Cuc和控制开关Qpre，所述控制开关Qpre用于限制跨Cuc的电压并且实现对EIS功能的适当协调。非耗散性电流调节器ND是位于BMS模块中的隔离DC-DC转换器，所述隔离DC-DC转换器通常用于电池单元电荷平衡，并且其功率传输能力尚未修改。转换器使用隔离Cuk拓扑，它是由微控制器(MCU)利用源自输入电感器电流的反馈控制的占空比。在这种情况下，ND负载为12V电池，所述12V电池可与EV辅助系统电池相同。标记为仪器的方框包含阻抗测量所需的电压测量仪器和电流参考信号生成，并且应当作为低成本、高度集成的解决方案来实现。外部协调器可用于在EIS操作中管理所述系统。
图5示出图4所示的系统在阻抗测量期间的理想稳态操作波形。在图5中，Vcell由线502指示；Vuc由线504指示；Iconverter由线506指示；Icell由线508指示；并且Iuc由线510指示。EIS测量期间的峰值电流IEIS,peak由线512指示。
参考图4和图5，操作顺序如下：在系统启动时，Qpre接通并且Qlinear被控制以遵循Vref,pre，以便将Cuc充电到由线505提供的期望的测量开始电压Vuc,start。如果所述系统在完成先前周期后重新开始测量，则Cuc替代地可能需要朝向Vuc,start放电，以考虑在测量期间要注入的电荷。需要这样做以在测量过程中保持低于由线503指示的超级电容器的最大电压Vuc,max。在Tpre期间发生的初始电压预调节之后，所述系统通过接通Qpre、将Vref从Vref,pre改变到Vref,EIS、并且在恒定电流下操作DC-DC转换器来开始阻抗测量。测量阶段在Tmeasure期间发生。在这一实现方式中，选取常量而不是动态改变DC-DC转换器电流，以消除去往辅助电池的EIS频率(1/TEIS)纹波电流。电压预调节和测量周期重复进行，直到覆盖EIS频率范围为止，并且使用总时间Tcycle来执行。在这一实施方案中，频率范围在0.5Hz与2000Hz之间。
图6示出图4所示的系统的示例性示波器捕捉图600。在图6中，Vuc由线604指示；Iconverter由线606指示；Icell由线608指示；并且Iuc由线610指示。
图7示出图4所示的系统在重复的EIS测量期间的示例性示波器捕捉图700。在图7中，Vuc由线704指示；Iconverter由线706指示；Icell由线708指示；并且Iuc由线710指示。
图8示出在图4所示的系统的一个阻抗测量周期期间Qlinear的壳体温度Tcase(线820)的示例性示波器捕捉图800。所述系统在30A的峰值Icell(线808)和9s的Tmeasure下操作。60摄氏度的峰值温度指示图4所示的系统成功地减少在Qlinear中生成的热量，因为在没有Cuc贡献的DC电压的情况下，Qlinear将经历多于两倍的热量生成量并且其壳体温度将超过最大操作温度。
图9示出在图4所示的系统的六个阻抗测量周期期间Qlinear的壳体温度Tcase(线920)的示例性示波器捕捉图900。所述系统在30A的峰值Icell(线908)和9s的Tmeasure下操作。70摄氏度的稳态峰值温度指示图4所示的系统成功地减少在Qlinear中生成的热量，因为在没有Cuc贡献的DC电压的情况下，Qlinear将经历多于两倍的热量生成量并且其壳体温度将超过最大操作温度。
图10示出根据一些实施方案的在图4所示的系统中使用的开关模式功率转换器的实现方式。在图10所示的这一特定实现方式中，转换器具有隔离Cuk拓扑，其输入侧电流是数字控制的。
图11示出用于执行电化学阻抗谱(EIS)分析的方法1100。方法1100可使用如本文所述的EIS电路来执行。所述方法也可由设计来对一个或多个电化学电池单元执行EIS的系统来实现。所述系统可包括：本文所述的EIS电路；电流生成模块，所述电流生成模块被配置来通过第一电流调节器和第二电流调节器生成相应的电流参考信号；电压测量仪器，所述电压测量仪器被配置来测量电化学电池单元的电压；以及阻抗确定单元，所述阻抗确定单元被配置来基于所述测量的电压来确定电化学电池单元的阻抗。所述系统还可包括：控制单元，所述控制单元被配置来控制电流生成模块；以及/或者评估单元，所述评估单元被配置来基于所述确定的阻抗来确定电化学电池单元的一个或多个操作条件。这些系统部件可使用一个或多个硬件部件来实现。例如，在图4中，标记为仪器的方框包含阻抗测量所需的电压测量仪器和电流参考信号生成。所述系统的电流生成模块和电压测量仪器可合并为仪器模块的一部分。阻抗确定单元、控制单元和评估单元可设置为一个或多个处理装置。指令可存储在与一个或多个处理装置耦接的存储器中以用于确定阻抗、控制当前参考信号以及确定操作条件。方法1100可存储为存储在非暂时性存储器上的计算机可读指令，所述计算机可读指令可由计算装置(诸如处理器)执行以控制所述系统/EIS架构。可在线执行所述方法并且可实时测量阻抗。
方法1100包括：针对第一电流调节器和第二电流调节器中的每一者生成电流参考信号(1120)。电流参考信号是单独地可控制的/生成的，以便在EIS电路中诱导出期望的扰动电流。诱导电流参考信号通过第一电流调节器和第二电流调节器中的每一者，以在电化学电池单元中诱导出期望的扰动电流(1130)。测量一个或多个电化学电池单元的电压(1140)。基于测量的电压和诱导出的EIS扰动电流，可确定电化学电池单元的阻抗(1150)。此外，可确定电化学电池单元的操作条件，诸如荷电状态、温度、寿命等。在方法1100中，在生成和/或诱导出电流参考信号之前，可从电能存储装置释放电能(1110)。
本领域普通技术人员将理解，图1至图11所示的系统和部件可包括附图中未示出的部件。为了使说明简单且清楚，图中的元件未必按比例绘制，仅示意性示出而非限制元件结构。对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，可进行多种变化和修改。

Claims (30)

1.一种用于测量一个或多个电化学电池单元的阻抗的电化学阻抗谱(EIS)电路，其包括：
电能存储装置；
第一电流调节器，所述第一电流调节器连接在所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元之间；以及
第二电流调节器，其中流入所述第一电流调节器和所述第二电流调节器的功率被解耦。
2.如权利要求1所述的EIS电路，其中：
所述第一电流调节器与所述一个或多个电化学电池单元串联连接；
所述电能存储装置与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且
所述第二电流调节器与所述电能存储装置并且与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述一个或多个电化学电池单元并联连接。
3.如权利要求1所述的EIS电路，其中：
所述第一电流调节器与所述电能存储装置串联连接；
所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置与所述一个或多个电化学电池单元并联连接；并且
所述第二电流调节器与所述串联连接的所述第一电流调节器和所述电能存储装置并且与所述一个或多个电化学电池单元并联连接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。
5.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器和所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。
6.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器是耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是非耗散性电流调节器。
7.如权利要求1至3中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器是非耗散性电流调节器，并且所述第二电流调节器是耗散性电流调节器。
8.如权利要求4、权利要求6或权利要求7中任一项所述的EIS电路，其中所述非耗散性电流调节器是输出端连接至负载的开关模式功率转换器。
9.如权利要求8所述的EIS电路，其中所述开关模式功率转换器具有包括双有源桥、反激或同相升降压的任何隔离或非隔离拓扑。
10.如权利要求8或权利要求9所述的EIS电路，其中所述开关模式功率转换器支持双向功率流。
11.如权利要求8至10中任一项所述的EIS电路，其中连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是另一个电化学电池单元。
12.如权利要求8至10中任一项所述的EIS电路，其中连接至所述开关模式功率转换器的所述输出端的所述负载是一个或多个并联连接的另外的EIS电路。
13.如权利要求5、权利要求6或权利要求7中任一项所述的EIS电路，其中所述耗散性电流调节器包括具有电流反馈控制环路的MOSFET。
14.如权利要求5、权利要求6或权利要求7中任一项所述的EIS电路，其中所述耗散性电流调节器包括与控制开关串联的电阻器。
15.如权利要求1至14中任一项所述的EIS电路，其中所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的一者或两者包括多个电流调节器。
16.如权利要求1至15中任一项所述的EIS电路，其中所述电能存储装置包括电容器和电感器中的至少一者。
17.如权利要求1至16中任一项所述的EIS电路，其中所述电能存储装置包括多个电能存储装置。
18.如权利要求1至17中任一项所述的EIS电路，其中所述电能存储装置与控制开关串联连接。
19.如权利要求1至18中任一项所述的EIS电路，其还包括用于连接至所述一个或多个电化学电池单元的一个或多个开关。
20.一种用于具有一个或多个电化学电池单元的电动车辆的电池管理系统(BMS)，所述BMS包括如权利要求1至19中任一项所述的EIS电路，所述EIS电路与所述一个或多个电化学电池单元连接，并且其中所述BMS被配置来对所述一个或多个电化学电池单元执行在线电化学阻抗谱分析。
21.如权利要求20所述的BMS，其中所述电能存储装置、所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的至少一者是所述BMS的原始部件。
22.如权利要求20或权利要求21所述的BMS，其被配置来在所述电动车辆的操作期间对所述一个或多个电化学电池单元执行实时阻抗测量，其中所述测量的阻抗用于确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。
23.一种用于对一个或多个电化学电池单元执行电化学阻抗谱(EIS)分析的系统，其包括：
如权利要求1至19中任一项所述的EIS电路，所述EIS电路与所述一个或多个电化学电池单元耦接；
电流生成模块，所述电流生成模块被配置来通过所述第一电流调节器和所述第二电流调节器生成相应的电流参考信号，以在所述EIS电路中诱导出期望的EIS扰动电流；
电压测量仪器，所述电压测量仪器被配置来测量所述一个或多个电化学电池单元的电压；以及
阻抗确定单元，所述阻抗确定单元被配置来基于所述测量的电压和所述诱导出的EIS扰动电流来确定所述一个或多个电化学电池单元的阻抗。
24.如权利要求23所述的系统，其还包括控制单元，所述控制单元被配置来控制所述电流生成模块以生成所述相应的电流参考信号来诱导出所述期望的EIS扰动电流。
25.如权利要求23或权利要求24所述的系统，其还包括评估单元，所述评估单元被配置来基于所述确定的阻抗来确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。
26.一种使用如权利要求1至19中任一项所述的EIS电路来对一个或多个电化学电池单元执行电化学阻抗谱(EIS)分析的方法，其包括：
分别针对所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的每一者生成电流参考信号，所述相应的电流参考信号被生成以在所述EIS电路中诱导出期望的扰动电流，所述期望的扰动电流包括正弦扰动电流；
诱导所述相应的电流参考信号通过所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的每一者，以在所述EIS电路中诱导出所述期望的EIS扰动电流；
测量所述一个或多个电化学电池单元的电压；以及
基于所述测量的电压和所述诱导出的EIS扰动电流来确定所述一个或多个电化学电池单元的阻抗。
27.如权利要求26所述的方法，其中针对所述第一电流调节器和所述第二电流调节器中的每一者的所述电流参考信号是分别生成的。
28.如权利要求26或权利要求27所述的方法，其还包括基于所述确定的阻抗来确定所述电化学电池单元的一个或多个操作条件，包括荷电状态、温度和寿命。
29.如权利要求26至27中任一项所述的方法，其还包括在诱导所述相应的电流参考信号通过所述第一电流调节器和所述第二电流调节器之前，从所述电能存储装置释放电能。
30.如权利要求26或权利要求27所述的方法，其中所述正弦扰动电流具有0kHz至10kHz的频率范围。
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