[发明专利]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

说明书

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。

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。