CN115825788A - 电池的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种电池的测量系统，用于对待测电池进行测量，电池的测量系统包括：信号转换模块和信号处理模块；信号转换模块包括电压信号输入端和电流信号输出端，电压信号输入端接入电压激励信号，信号转换模块用于将电压激励信号转换为电流信号并通过电流信号输出端输出，以激励待测电池产生响应信号；信号处理模块用于采集电压激励信号和待测电池产生响应信号并进行处理；其中，信号转换模块包括：第一运算放大单元、第二运算放大单元、第三运算放大单元、功率放大电路和第一电阻。本发明实施例的技术方案，有助于提升电池的测量系统的驱动能力，从而满足大容量小阻抗的待测电池的阻抗谱测量需求。
Description
技术领域
本发明实施例涉及储能技术领域，尤其涉及一种电池的测量系统。
背景技术
电化学阻抗谱技术(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)，是测量分析电池状态特性的有效工具。向电池施加一定频率的小幅度电流/电压激励，可以在电池两端得到其电压/电流响应，电压与电流的比值即为该频率下电池的复阻抗。一定频率范围下的电池复阻抗就构成了电池的阻抗谱。图1是相关技术中的一种电池阻抗谱的奈奎斯特图示意图。其中，横坐标ZRe表示阻抗实部，纵坐标-Zlm表示阻抗负虚部，二者的单位均为欧姆Ω，曲线中每个点代表某个频率下电池的复阻抗。图中越向左的点其频率越高，越向右的点其频率越低。奈奎斯特图与横轴的交点呈现纯阻性，代表电池的交流内阻。B1区域的曲线为高频段曲线，表示离子穿过电极粒子固液相界面(Solid-liquid Interface，简称SEI)膜的过程；B2区域的曲线为中频段曲线，其中的圆弧反映电池电极界面处的电化学反应过程；B3区域的曲线为低频段曲线，其中的斜线反映离子再电极之间扩散的过程。可见，电池阻抗谱能够在频域内将电池不同时间尺度的内部过程特性解耦。
现有技术中，电池的阻抗谱可以利用电化学工作站等仪器测量得到。电化学工作站多用于电化学实验室评价电极材料性能，测量对象多为极小容量的钮扣电池，其内阻较大，测量难度不大。但是，对于电动车、储能电站常用的大容量、小内阻电池，电化学工作站的电流驱动能力不足，所激发出的电池端电压变化信噪比较低，难以满足大容量、小阻抗电池的测量需求。阻抗谱测量技术的现状限制了该技术在相关领域的应用。
发明内容
本发明实施例提供了一种电池的测量系统，以满足大容量小阻抗的待测电池的阻抗谱测量需求。
本发明实施例提供了一种电池的测量系统，用于对待测电池进行测量，所述电池的测量系统包括：
信号转换模块，包括电压信号输入端和电流信号输出端，所述电压信号输入端接入电压激励信号，所述待测电池连接于所述电流信号输出端和接地端之间，所述信号转换模块用于将所述电压激励信号转换为电流信号并通过所述电流信号输出端输出，以激励所述待测电池产生响应信号；
信号处理模块，连接所述电压信号输入端和所述待测电池，用于采集所述电压激励信号和所述待测电池产生响应信号并进行处理；
其中，所述信号转换模块包括：第一运算放大单元、第二运算放大单元、第三运算放大单元、功率放大电路和第一电阻；所述第一运算放大单元的反相输入端连接所述电压信号输入端，所述第一运算放大单元的同相输入端接地，所述第一运算放大单元的输出端连接所述功率放大电路的输入端；所述功率放大电路的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二运算放大单元的同相输入端，所述第二运算放大单元的反相输入端和输出端连接所述第三运算放大单元的反相输入端和输出端，所述第三运算放大单元的同相输入端连接接地端，所述第一电阻的第一端和所述第三运算放大单元的输出端连接所述第一运算放大单元的反相输入端。
可选地，所述功率放大电路包括：第一二极管、第二二极管、第二电阻、第三电阻、第一晶体管和第二晶体管；
所述第一二极管连接于所述第一晶体管的基极和所述功率放大电路的输入端之间，所述第二二极管连接于所述功率放大电路的输入端和所述第二晶体管的基极之间，所述第一晶体管的集电极接入第一电源信号，所述第二晶体管的集电极接入第二电源信号，所述第一晶体管的发射极和所述第二晶体管的发射极连接所述功率放大电路的输出端，所述第二电阻连接于所述第一晶体管的基极和集电极之间，所述第三电阻连接于所述第二晶体管的基极和集电极之间。
可选地，所述功率放大电路包括：第一二极管、第二二极管、第二电阻、第三电阻、第一晶体管、第二晶体管、至少一个第三晶体管和至少一个第四晶体管；
所述第一二极管连接于所述第一晶体管的基极和所述功率放大电路的输入端之间，所述第二二极管连接于所述功率放大电路的输入端和所述第二晶体管的基极之间，所述第一晶体管的集电极接入第一电源信号，所述第二晶体管的集电极接入第二电源信号，所述第二电阻连接于所述第一晶体管的基极和集电极之间，所述第三电阻连接于所述第二晶体管的基极和集电极之间；
至少一个所述第三晶体管与所述第一晶体管并联，至少一个所述第四晶体管与所述第二晶体管并联，所述第三晶体管的基极连接所述第一晶体管的发射极，所述第四晶体管的基极连接所述第二晶体管的发射极，所述第三晶体管的发射极和所述第四晶体管的发射极连接所述功率放大电路的输出端。
可选地，所述第三晶体管和所述第四晶体管的数量均为1个，所述第一晶体管和所述第三晶体管构成达林顿管，所述第二晶体管和所述第四晶体管构成达林顿管。
可选地，所述第三晶体管和所述第四晶体管的数量均为至少两个；
所述功率放大电路包括还包括第三二极管和第四二极管，所述第三二极管连接于所述第一晶体管的基极和所述第一二极管之间，所述第四二极管连接于所述第二二极管和所述第二晶体管的基极之间；
所述第二电阻和所述第三电阻的阻值可调。
可选地，所述功率放大电路包括还包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻连接于所述第三晶体管的发射极和所述功率放大电路的输出端之间，所述第五电阻连接于所述第四晶体管的发射极和所述功率放大电路的输出端之间。
可选地，所述第一运算放大单元包括第一运算放大器，所述第二运算放大单元包括第二运算放大器，所述第三运算放大单元包括第三运算放大器；
所述第一运算放大器作为加法器，所述第二运算放大器作为电压跟随器，所述第三运算放大器作为反相器。
可选地，所述电压信号输入端的电压和流过所述第一电阻的电流之间的数值关系表示为：
Is＝-Vin；
其中，Is表示流过所述第一电阻的电流，Vin表示所述电压信号输入端的电压。
可选地，所述电池的测量系统还包括信号发生设备，所述信号处理模块包括信号采集设备和控制单元；
所述信号发生设备连接所述电压信号输入端，用于产生所述电压激励信号；
所述信号采集设备连接所述电压信号输入端和所述待测电池，用于采集所述电压激励信号和所述待测电池产生响应信号，所述控制单元与所述信号发生设备和所述信号采集设备通信连接，用于对所述信号发生设备和所述信号采集设备进行控制，并对所述电压激励信号和所述待测电池产生响应信号进行处理。
可选地，所述信号处理模块还用于根据所述电压激励信号的频率和所述待测电池产生的电压响应信号和电流响应信号，生成所述待测电池的阻抗谱。
本发明实施例提供的电池的测量系统，用于对待测电池进行测量，电池的测量系统包括信号转换模块和信号处理模块，信号转换模块包括电压信号输入端和电流信号输出端，信号转换模块的电压信号输入端接入电压激励信号，以应用信号转换模块将电压激励信号转换为电流信号并通过电流信号输出端输出，从而激励待测电池产生响应信号，通过信号处理模块采集电压激励信号和待测电池产生响应信号并进行处理，有助于生成待测电池的阻抗谱。本发明实施例的技术方案，通过信号转换模块将电压激励信号转换为电流信号，以激励待测电池产生响应信号，并通过信号转换模块中的功率放大电路将第一运算放大单元的输出电流进行放大，以提升电池的测量系统的驱动能力，从而满足大容量小阻抗的待测电池的阻抗谱测量需求。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是相关技术中的一种电池阻抗谱的奈奎斯特图示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电池的测量系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种信号转换模块的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种信号转换模块的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种信号转换模块的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种信号转换模块的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种电池的测量系统的结构示意图；
图8是采用电化学工作站和电池的测量系统对待测电池进行阻抗谱测量得到的奈奎斯特图对比示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图2是本发明实施例提供的一种电池的测量系统的结构示意图。图3是本发明实施例提供的一种信号转换模块的结构示意图。结合图2和图3，该电池的测量系统用于对待测电池10进行测量，该电池的测量系统具体包括：信号转换模块20和信号处理模块30。信号转换模块20包括电压信号输入端和电流信号输出端，电压信号输入端接入电压激励信号Vin，待测电池10连接于电流信号输出端和接地端之间，信号转换模块20用于将电压激励信号Vin转换为电流信号并通过电流信号输出端输出，以激励待测电池10产生响应信号。信号处理模块30连接电压信号输入端和待测电池10，用于采集电压激励信号Vin和待测电池10产生响应信号并进行处理。
其中，信号转换模块20具体包括：第一运算放大单元A1、第二运算放大单元A2、第三运算放大单元A3、功率放大电路210和第一电阻R1；第一运算放大单元A1的反相输入端连接电压信号输入端，第一运算放大单元A1的同相输入端接地，第一运算放大单元A1的输出端连接功率放大电路210的输入端；功率放大电路210的输出端连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接第二运算放大单元A2的同相输入端，第二运算放大单元A2的反相输入端和输出端连接第三运算放大单元A3的反相输入端和输出端，第三运算放大单元A3的同相输入端连接接地端，第一电阻R1的第一端和第三运算放大单元A3的输出端连接第一运算放大单元A1的反相输入端。
具体地，待测电池10可以是用于电动车和储能电站等领域的电池，与纽扣电池等小容量、大内阻的电池相比较，待测电池10的容量相对较大，内阻相对较小。信号转换模块20的电压信号输入端接入的电压激励信号Vin，可以是设定频率的电压激励信号，设定频率可以包括不同的频率。信号转换模块20能够将电压激励信号Vin转换为电流信号并通过电流信号输出端输出，以使待测电池10在电流信号的激励下产生电压响应信号和电流响应信号。信号处理模块30可以采集电压激励信号Vin和待测电池10产生响应信号，并对电压激励信号Vin和待测电池10产生的响应信号进行处理，例如根据待测电池10的电压响应信号和电流响应信号的比值，确定待测电池10在电压激励信号Vin对应的频率下的复阻抗，并确定待测电池10在不同频率的电压激励信号Vin的激励下的复阻抗，从而生成待测电池10的阻抗谱。
信号转换模块20的作用相当于电压控制的电流源电路，信号转换模块20的电压信号输入端接入的电压激励信号Vin，可作为第一运算放大单元A1的反相输入端的输入信号，第一运算放大单元A1的输出端的信号经过功率放大电路210进行处理，以将输出电流进行放大后，通过功率放大电路210的输出端输出，并依次经由第二运算放大单元A2和第三运算放大单元A3进行处理后经反馈回路反馈至第一运算放大单元A1的反相输入端。
信号转换模块20的具体工作原理如下：
示例性地，第一运算放大单元A1包括第一运算放大器，第二运算放大单元A2包括第二运算放大器，第三运算放大单元A3包括第三运算放大器。第一运算放大器可作为加法器，第二运算放大器可作为电压跟随器，第三运算放大器可作为反相器。功率放大电路210的输出端和第一电阻R1的第一端的电位可记作V1，第一电阻R1的第二端的电位可记作V2。由于第二运算放大单元A2即第二运算放大器作为电压跟随器，因此第二运算放大单元A2的输出端的电位也为V2。由于第三运算放大单元A3即第三运算放大器作为反相器，因此第三运算放大单元A3的输出端的电位Vout可表示为：
功率放大电路210的输出端和第三运算放大单元A3的输出端均连接至第一运算放大单元A1的反相输入端，由于第一运算放大单元A1即第一运算放大器作为加法器，第一运算放大单元A1的反相输入端的电位可记作V-，对其列写KCL方程，由虚断特性可以得到：
根据运算放大器的虚短和虚断特性，将第一运算放大单元A1的同相输入端的电位记作V+，则有：
V-＝V+＝0 (3)
综合式(2)和(3)得到：
Vin＝V2-V1 (4)
根据第二运算放大单元A2的虚断特性，流过第一电阻R1的电流为Is，结合第一电阻R1的伏安特性可得：
其中，RT表示第一电阻R1的阻值，选取第一电阻R1的阻值RT＝1Ω，综合式(4)和(5)得到：
Is＝-Vin (6)
其中，Vin表示电压信号输入端的电压激励信号Vin的电压值。
由式(6)得到了信号转换模块20的电压信号输入端的电压和流过第一电阻R1的电流之间的数值关系，也即信号转换模块20的电流信号输出端的电流和电压信号输入端的电压之间的转换关系，实现了电压-电流转换的功能。
本发明实施例的技术方案，通过电池的测量系统对待测电池进行测量，电池的测量系统包括信号转换模块和信号处理模块，信号转换模块包括电压信号输入端和电流信号输出端，信号转换模块的电压信号输入端接入电压激励信号，以应用信号转换模块将电压激励信号转换为电流信号并通过电流信号输出端输出，从而激励待测电池产生响应信号，通过信号处理模块采集电压激励信号和待测电池产生响应信号并进行处理，有助于生成待测电池的阻抗谱。本发明实施例的技术方案，通过信号转换模块将电压激励信号转换为电流信号，以激励待测电池产生响应信号，并通过信号转换模块中的功率放大电路将第一运算放大单元的输出电流进行放大，以提升电池的测量系统的驱动能力，从而满足大容量小阻抗的待测电池的阻抗谱测量需求。
本发明的技术方案中，信号转换模块的具体结构可以有多种，下面以其中的几种为例进行说明。
图4是本发明实施例提供的另一种信号转换模块的结构示意图。参见图4，在一种实施例中，可以设置功率放大电路210包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第二电阻R2、第三电阻R3、第一晶体管T1和第二晶体管T2。第一二极管D1连接于第一晶体管T1的基极和功率放大电路210的输入端之间，第二二极管D2连接于功率放大电路210的输入端和第二晶体管T2的基极之间，第一晶体管T1的集电极接入第一电源信号V10，第二晶体管T2的集电极接入第二电源信号V20，第一晶体管T1的发射极和第二晶体管T2的发射极连接功率放大电路210的输出端，第二电阻R2连接于第一晶体管T1的基极和集电极之间，第三电阻R3连接于第二晶体管T2的基极和集电极之间。
本实施例中，由于第一运算放大单元A1输出的电流较小，为满足叠加信号的转换要求，可以设置功率放大电路210的具体结构为甲乙类功率放大电路，以对第一运算放大单元A1的输出电流进行放大。
继续参见图4，可选地，功率放大电路210还包括第六电阻R6和第七电阻R7，第六电阻R6连接于第二电阻R2和第一晶体管T1的集电极之间，第七电阻R7连接于第三电阻R3和第二晶体管T2的集电极之间。示例性地，第二电阻R2和第三电阻R3的阻值均为3kΩ，第六电阻R6和第七电阻R7的阻值均为1Ω。
图5是本发明实施例提供的另一种信号转换模块的结构示意图。参见图5，本实施例中，可以设置功率放大电路210包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第二电阻R2、第三电阻R3、第一晶体管T1、第二晶体管T2、至少一个第三晶体管T3和至少一个第四晶体管T4。第一二极管D1连接于第一晶体管T1的基极和功率放大电路210的输入端之间，第二二极管D2连接于功率放大电路210的输入端和第二晶体管T2的基极之间，第一晶体管T1的集电极接入第一电源信号V10，第二晶体管T2的集电极接入第二电源信号V20，第二电阻R2连接于第一晶体管T1的基极和集电极之间，第三电阻R3连接于第二晶体管T2的基极和集电极之间。至少一个第三晶体管T3与第一晶体管T1并联，至少一个第四晶体管T4与第二晶体管T2并联，第三晶体管T3的基极连接第一晶体管T1的发射极，第四晶体管T4的基极连接第二晶体管T2的发射极，第三晶体管T3的发射极和第四晶体管T4的发射极连接功率放大电路210的输出端。
继续参见图5，进一步地，在一种实施例中，可以设置第三晶体管T3和第四晶体管T4的数量均为1个，第一晶体管T1和第三晶体管T3构成达林顿管，第二晶体管T2和第四晶体管T4构成达林顿管。
图6是本发明实施例提供的另一种信号转换模块的结构示意图。参见图6，在另一种实施例中，可以设置第三晶体管T3和第四晶体管T4的数量均为至少两个。功率放大电路210包括还包括第三二极管D3和第四二极管D4，第三二极管D3连接于第一晶体管T1的基极和第一二极管D1之间，第四二极管D4连接于第二二极管D2和第二晶体管T2的基极之间；第二电阻R2和第三电阻R3的阻值可调。
具体地，本发明各实施例中，第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4均可以是三极管，具体可以是功放管。由于第一晶体管T1和第二晶体管T2需要输出大幅值电流，大电流流过功放管时会产生较高温升，功放管长时间工作在高温条件下会影响其寿命，使得功放管的可靠性降低，同时温度变化对功放管特性的影响较大，从而会影响电池的测量系统的精度。针对上述问题，本发明实施例通过设置至少一个第三晶体管T3与第一晶体管T1并联，至少一个第四晶体管T4与第二晶体管T2并联，能够通过至少一个第三晶体管T3分担第一晶体管T1的输出电流，并通过至少一个第四晶体管T4分担第二晶体管T2的输出电流，从而减小每个第三晶体管T3和每个第四晶体管T4上的电流，有助于降低第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的功耗，缓解第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的温升，从而延长第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3和第四晶体管T4的使用寿命，以提升电池的测量系统的精度和稳定性。
需要说明的是，图6示意性地示出了第三晶体管T3和第四晶体管T4的数量均为2个的情况，本实施例中，当第三晶体管T3和第四晶体管T4的数量均为2个时，与图4所示的方案相比，能够使每个第三晶体管T3流过的电流，均为图4中的第一晶体管T1上的电流的一半，并且使每个第四晶体管T4流过的电流，均为图4中的第二晶体管T2上的电流的一半，从而降低每个功放管的功耗，缓解每个功放管的温升，延长每个功放管的使用寿命，并提升电池的测量系统的精度和稳定性。在其他实施例中，还可以根据功率放大电路210的输出电流需求，来设置第三晶体管T3和第四晶体管T4的数量，当第三晶体管T3和第四晶体管T4的数量无法满足功率放大电路210的输出电流需求时，可以设置更多的第三晶体管T3与第一晶体管T1并联，并设置更多的第四晶体管T4与第二晶体管T2并联，以通过并联功放管的方式来提升功率放大电路210的性能，同时，还可以结合功率放大电路210的成本考量来设置第三晶体管T3和第四晶体管T4的数量，以避免成本过高。
继续参见图6，可选地，功率放大电路210包括还包括第四电阻R4和第五电阻R5，第四电阻R4连接于第三晶体管T3的发射极和功率放大电路210的输出端之间，第五电阻R5连接于第四晶体管T4的发射极和功率放大电路210的输出端之间。
具体地，每个第三晶体管T3的发射极均串接有一第四电阻R4，每个第四晶体管T4的发射极均串接有一第五电阻R5，第四电阻R4用作第三晶体管T3的反馈电阻，第五电阻R5用作第四晶体管T4的反馈电阻。由于功放管受制造精度的影响，每个功放管的参数都有着细微的差别。当两个功放管并联时，如果某个功放管的电流较大，那么其温度也会上升得更加快速，因为功放管的放大倍数是正温度系数，随着温度的上升，功放管的集电极电流IC也会随之上升，这便进一步提高了功放管的温度，使功放管有着烧毁的风险。本实施例的技术方案，通过在每个第三晶体管T3的发射极和每个第四晶体管T4的发射极均加装反馈电阻，若第三晶体管T3和第四晶体管T4中的任一功放管的电流变大，则在反馈电阻上的压降也会变大，又由于电路设计每个功放管的基极与发射级之间电压UBE加上反馈电阻的压降相同，这就会使得该功放管的UBE减小，根据三极管的输入特性曲线，该功放管的基极电流IB会减小，进而使功放管的集电极电流IC减小，这便形成了一个负反馈，可以使电路安全稳定的运行。
继续参见图6，在上述各实施例的基础上，可选地，信号转换模块还包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。
其中，第八电阻R8连接于信号转换模块20的电压信号输入端和第一运算放大单元A1的反相输入端之间。第九电阻R9连接于第一运算放大单元A1的同相输入端和接地端之间。第十电阻R10的第一端连接第二运算放大单元A2的反相输入端和输出端，第十电阻R10的第二端连接第十一电阻R11的第一端和第三运算放大单元A3的反相输入端，第十一电阻R11的第二端连接第三运算放大单元A3的输出端。第十二电阻R12的第一端连接第三运算放大单元A3的输出端，第十二电阻R12的第二端连接第十三电阻R13的第一端和第一运算放大单元A1的反相输入端，第十三电阻R13的第二端连接功率放大电路210的输出端。第十四电阻R14连接于第三运算放大单元A3的同相输入端和接地端之间。第十五电阻R15连接于信号转换模块20的电流信号输出端和待测电池10之间。第一电容C1的第一极接入第一电源信号V10，第一电容C1的第二极接地。第二电容C2的第一极接入第二电源信号V20，第二电容C2的第二极接地。第三电容C3连接于信号转换模块20的电流信号输出端和第十五电阻R15之间。
示例性地，第一电源信号V10的电压值为+15V，第二电源信号V20的电压值为-15V。第八电阻R8、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13的阻值均为10kΩ。第九电阻R9和第十四电阻R14的阻值均为5.1kΩ。第一电容C1和第二电容C2的容值均为100pf。
图7是本发明实施例提供的另一种电池的测量系统的结构示意图。参见图7，可选地，电池的测量系统还包括信号发生设备40，信号处理模块30包括信号采集设备310和控制单元320。信号发生设备40连接电压信号输入端，用于产生电压激励信号Vin。信号采集设备310连接电压信号输入端和待测电池10，用于采集电压激励信号Vin和待测电池10产生响应信号，控制单元320与信号发生设备40和信号采集设备310通信连接，用于对信号发生设备40和信号采集设备310进行控制，并对电压激励信号Vin和待测电池10产生响应信号进行处理。
具体地，结合图6和图7，信号发生设备40具体可以是激励信号发生设备，信号发生设备40可以发出设定频率的电压激励信号Vin。信号采集设备310具体可以是同步信号采集设备，信号采集设备310可以采集电压激励信号Vin和待测电池10产生响应信号，待测电池10产生响应信号可以包括待测电池10的电压响应信号和电流响应信号，电压响应信号即为待测电池10两端的电压信号，电流响应信号可以是流过第十五电阻R15的电流信号。控制单元320可配置于上位机中，信号发生设备40和信号采集设备310均与上位机通信连接，以通过上位机中的控制单元320以编程的方式对信号发生设备40和信号采集设备310进行控制，向信号发生设备40下发信号发送指令，以控制信号发生设备40产生设定频率的电压激励信号Vin并发送至信号转换模块20，向信号采集设备310下发数据采集指令，以控制信号采集设备310采集电压激励信号Vin和待测电池10产生响应信号，上位机中的控制单元320还可以对电压激励信号Vin和待测电池10产生响应信号进行处理。示例性地，信号处理模块30中的控制单元320可以根据电压激励信号Vin的频率和待测电池10产生的电压响应信号和电流响应信号，生成待测电池10的阻抗谱。
示例性地，将图6所示的信号转换模块20应用于图7中的电池的测量系统，可以对大容量、小阻抗的待测电池10进行阻抗谱测量，当对微欧量级阻抗的50Ah大容量三元锂离子电池进行测量时，电池的测量系统能够长时间稳定提供幅值高达10A的正弦激励电流，可以满足微欧量级的内阻测量，且精度较高。图8是采用电化学工作站和电池的测量系统对待测电池进行阻抗谱测量得到的奈奎斯特图对比示意图。参见图8，曲线100为采用电化学工作站对微欧量级阻抗的50Ah大容量三元锂离子电池进行测量得到的阻抗谱曲线，曲线200为将图6所示的信号转换模块20应用于图7中的电池的测量系统，对微欧量级阻抗的50Ah大容量三元锂离子电池进行测量得到的阻抗谱曲线。可见，本发明实施例提供的电池的测量系统，将并管技术与电流源电路相结合，能够满足大容量小阻抗电池阻抗谱测量需求，有助于解决常规电化学工作站无法测量大容量小阻抗电池阻抗谱的问题，同时具有较低的成本。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电池的测量系统，其特征在于，用于对待测电池进行测量，所述电池的测量系统包括：
信号转换模块，包括电压信号输入端和电流信号输出端，所述电压信号输入端接入电压激励信号，所述待测电池连接于所述电流信号输出端和接地端之间，所述信号转换模块用于将所述电压激励信号转换为电流信号并通过所述电流信号输出端输出，以激励所述待测电池产生响应信号；
信号处理模块，连接所述电压信号输入端和所述待测电池，用于采集所述电压激励信号和所述待测电池产生响应信号并进行处理；
其中，所述信号转换模块包括：第一运算放大单元、第二运算放大单元、第三运算放大单元、功率放大电路和第一电阻；所述第一运算放大单元的反相输入端连接所述电压信号输入端，所述第一运算放大单元的同相输入端接地，所述第一运算放大单元的输出端连接所述功率放大电路的输入端；所述功率放大电路的输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二运算放大单元的同相输入端，所述第二运算放大单元的反相输入端和输出端连接所述第三运算放大单元的反相输入端和输出端，所述第三运算放大单元的同相输入端连接接地端，所述第一电阻的第一端和所述第三运算放大单元的输出端连接所述第一运算放大单元的反相输入端。
2.根据权利要求1所述的电池的测量系统，其特征在于，所述功率放大电路包括：第一二极管、第二二极管、第二电阻、第三电阻、第一晶体管和第二晶体管；
所述第一二极管连接于所述第一晶体管的基极和所述功率放大电路的输入端之间，所述第二二极管连接于所述功率放大电路的输入端和所述第二晶体管的基极之间，所述第一晶体管的集电极接入第一电源信号，所述第二晶体管的集电极接入第二电源信号，所述第一晶体管的发射极和所述第二晶体管的发射极连接所述功率放大电路的输出端，所述第二电阻连接于所述第一晶体管的基极和集电极之间，所述第三电阻连接于所述第二晶体管的基极和集电极之间。
3.根据权利要求1所述的电池的测量系统，其特征在于，所述功率放大电路包括：第一二极管、第二二极管、第二电阻、第三电阻、第一晶体管、第二晶体管、至少一个第三晶体管和至少一个第四晶体管；
所述第一二极管连接于所述第一晶体管的基极和所述功率放大电路的输入端之间，所述第二二极管连接于所述功率放大电路的输入端和所述第二晶体管的基极之间，所述第一晶体管的集电极接入第一电源信号，所述第二晶体管的集电极接入第二电源信号，所述第二电阻连接于所述第一晶体管的基极和集电极之间，所述第三电阻连接于所述第二晶体管的基极和集电极之间；
至少一个所述第三晶体管与所述第一晶体管并联，至少一个所述第四晶体管与所述第二晶体管并联，所述第三晶体管的基极连接所述第一晶体管的发射极，所述第四晶体管的基极连接所述第二晶体管的发射极，所述第三晶体管的发射极和所述第四晶体管的发射极连接所述功率放大电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的电池的测量系统，其特征在于，所述第三晶体管和所述第四晶体管的数量均为1个，所述第一晶体管和所述第三晶体管构成达林顿管，所述第二晶体管和所述第四晶体管构成达林顿管。
5.根据权利要求3所述的电池的测量系统，其特征在于，所述第三晶体管和所述第四晶体管的数量均为至少两个；
所述功率放大电路包括还包括第三二极管和第四二极管，所述第三二极管连接于所述第一晶体管的基极和所述第一二极管之间，所述第四二极管连接于所述第二二极管和所述第二晶体管的基极之间；
所述第二电阻和所述第三电阻的阻值可调。
6.根据权利要求5所述的电池的测量系统，其特征在于，所述功率放大电路包括还包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻连接于所述第三晶体管的发射极和所述功率放大电路的输出端之间，所述第五电阻连接于所述第四晶体管的发射极和所述功率放大电路的输出端之间。
7.根据权利要求1所述的电池的测量系统，其特征在于，所述第一运算放大单元包括第一运算放大器，所述第二运算放大单元包括第二运算放大器，所述第三运算放大单元包括第三运算放大器；
所述第一运算放大器作为加法器，所述第二运算放大器作为电压跟随器，所述第三运算放大器作为反相器。
8.根据权利要求1所述的电池的测量系统，其特征在于，所述电压信号输入端的电压和流过所述第一电阻的电流之间的数值关系表示为：
Is＝-Vin；
其中，Is表示流过所述第一电阻的电流，Vin表示所述电压信号输入端的电压。
9.根据权利要求1所述的电池的测量系统，其特征在于，所述电池的测量系统还包括信号发生设备，所述信号处理模块包括信号采集设备和控制单元；
所述信号发生设备连接所述电压信号输入端，用于产生所述电压激励信号；
所述信号采集设备连接所述电压信号输入端和所述待测电池，用于采集所述电压激励信号和所述待测电池产生响应信号，所述控制单元与所述信号发生设备和所述信号采集设备通信连接，用于对所述信号发生设备和所述信号采集设备进行控制，并对所述电压激励信号和所述待测电池产生响应信号进行处理。
10.根据权利要求1-9中任一所述的电池的测量系统，其特征在于，所述信号处理模块还用于根据所述电压激励信号的频率和所述待测电池产生的电压响应信号和电流响应信号，生成所述待测电池的阻抗谱。
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|---|---|---|---|
| CN202211651945.0A CN115825788A (zh) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | 电池的测量系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116204034A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-06-02 | 青岛艾诺仪器有限公司 | 一种功放源激励电压的动态调整系统及方法 |
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