本發(fā)明設(shè)計(jì)一種電池測試方法，尤其設(shè)計(jì)了一種提高電池測試通量的電路、裝置及方法。

背景技術(shù)：

通量組合材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)誕生于上世紀(jì)90年代中期，是一種材料科學(xué)研究方法的系統(tǒng)工程，通過提高單次實(shí)驗(yàn)的通量，加快新材料研發(fā)速率，從而彌補(bǔ)工業(yè)發(fā)展需求和先進(jìn)材料研發(fā)進(jìn)展之間的鴻溝。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，高通量組合材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于儲能材料、相變材料、智能涂層材料等領(lǐng)域中，成功地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的快速發(fā)展。近期，將高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)從基礎(chǔ)材料研究延展至元器件研發(fā)，逐漸成為本領(lǐng)域工作人員公認(rèn)的一種發(fā)展趨勢和努力方向。

目前，全球各國均希望通過能源結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)對資源與環(huán)境危機(jī)。在此背景下，電化學(xué)儲能電池作為新能源體系中的一種關(guān)鍵元器件，引起了廣泛的研究興趣。用于評估電池性能的電池測試裝置是化學(xué)儲能電池研究活動中不可或缺的重要工具。研究人員針對儲能電池的研發(fā)需求，發(fā)展了一系列的高通量電化學(xué)研究工具。

現(xiàn)有的高通量電化學(xué)研究工具，一類如所發(fā)展的掃描電解液滴探針技術(shù)，能夠以較高的空間分辨率快速、自動化地分析大量樣品的電化學(xué)特性，然而，這類基于微區(qū)三電極的表征技術(shù)，其探針結(jié)構(gòu)使得它們更適于材料樣品的高通量或微區(qū)分析，難以在電池器件形態(tài)下實(shí)現(xiàn)器件或材料的高通量性能評估。

另一類如Wang等人所發(fā)展的多通道電池測試系統(tǒng)，通過構(gòu)建多組電池測試通道，從而能夠以電池器件為樣品，在電池形態(tài)下并行評估大量樣品的器件或材料性能。事實(shí)上，Wang等人所發(fā)展的多通道電池測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與市場中的絕大多數(shù)商用多通道電池測試產(chǎn)品的相同。這類產(chǎn)品的每一通道均是一套獨(dú)立、完整的激勵-測量系統(tǒng)，雖然較好地照顧了各種研究活動的需求，但系統(tǒng)成本極高，難以推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是目前難以在電池形態(tài)下評估分析大量樣品的器件或材料性能，同時過高的系統(tǒng)成本，難以推廣應(yīng)用。

為解決上面的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種提高電池測試通量的電路，在電池器件中評估電極材料的工作電壓、電極材料的電子、離子電導(dǎo)率、電解質(zhì)材料的穩(wěn)定電壓窗口和離子導(dǎo)通率等，以并行激勵、分時測量方式取代常規(guī)多通道電池測量系統(tǒng)中的并行獨(dú)立測試通道，顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。該電路包括：供電模塊分別與控制器、DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊串聯(lián)；所述控制器還與隔離模塊、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、跟隨器依次串聯(lián)；所述跟隨器與多個電流檢測放大器并聯(lián)；所述多個電流檢測放大器通過金手指接口與多個電池樣品陰極串聯(lián)；所述的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊與陽極板或陰極板相連；

所述控制器經(jīng)由所述串口讀取上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)，輸出特征控制信號，傳輸給所述DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊；所述DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊接收到特征控制信號，將供電模塊提供的電壓或電流調(diào)制根據(jù)接收到的特征控制信號，調(diào)制為帶有特征的激勵信號；所述的帶有特征的激勵信號通過金手指接口以及電路并行地施加至各個電池材料樣品；所述的電池材料樣品的電化學(xué)響應(yīng)信號經(jīng)由所述的跟隨器傳輸至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號，經(jīng)由所述的隔離模塊，并由所述的控制器逐一讀取數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸至上位機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，該電路還包括：基準(zhǔn)電壓模塊，所述的基準(zhǔn)電壓模塊與電流檢測放大器相連，還與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器相連。

進(jìn)一步，該電路還包括：精密電阻，所述精密電阻通過金手指接口與電池材料樣品連接。

進(jìn)一步，該電路還包括：過流保護(hù)模塊，所述過流保護(hù)模塊一端與精密電阻串聯(lián)，一端接地。

有益效果：防止電路出現(xiàn)短路，燒壞電路的現(xiàn)象。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還涉及一種提高電池測試通量的裝置，該裝置還包括：電池測試封裝盒、對電極；

所述電池測試封裝盒，用于為電池測試提供無水無氧的安全環(huán)境，電池測試封裝盒中裝有電解質(zhì)溶液；

所述的對電極用于與電池樣品形成化學(xué)電池回路；

所述的跟隨器用于讀取以及隔離前后的信號，便于采樣信號的逐一通過，防止干擾。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還涉及一種提高電池測試通量的方法，該方法的步驟如下：

步驟S1，控制器經(jīng)串口讀取上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)，輸出特征控制信號，傳輸給DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊；

步驟S2，所述步驟S1中的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊接收到特征控制信號，將供電模塊提供的電壓或電流根據(jù)接收到的特征控制信號，調(diào)制為帶有特征的激勵信號；

步驟S3，所述步驟S2中的激勵信號通過金手指接口，并行地被施加至各個電池樣品，使得帶有特征的激勵信號轉(zhuǎn)變成電化學(xué)響應(yīng)信號；

步驟S4，控制器控制跟隨器，逐一采樣所述S3中各個電池樣品在某一激勵下的電化學(xué)響應(yīng)信號，該電化學(xué)響應(yīng)信號經(jīng)跟隨器傳輸至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；

步驟S5，所述步驟S4中的數(shù)字信號經(jīng)隔離模塊傳輸至所述的控制器；

步驟S6，所述控制器將數(shù)字信號傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)程序處理得到所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

步驟S7，返回S1步驟，控制器根據(jù)上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)參數(shù)輸出下一特征控制信號，重復(fù)S2-S6步驟。

進(jìn)一步，所述的帶有特征的激勵信號是恒流電源或恒壓電源在控制器控制下，根據(jù)上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)，輸出的具有特征波形的電壓或電流信號。

進(jìn)一步，所述的電池材料樣品，包含有2個或2個以上電池材料樣品，其還包含電極引線。

有益效果：樣品對激勵信號的電化學(xué)響應(yīng)往往需數(shù)毫秒或數(shù)秒，因此每一激勵信號狀態(tài)需維持?jǐn)?shù)毫秒至數(shù)秒，而讀取一條樣品通路上的數(shù)據(jù)僅需數(shù)微秒，因而可在每一步采用并行激勵、分時測量的方案，即對各個樣品并行施以分辨率極高的激勵信號，并行激勵時，使用一個激勵源即可，節(jié)省成本，對各個樣品逐個掃描采樣在分時測量時，使用一個測量表頭即可實(shí)現(xiàn)，節(jié)省成本，對長達(dá)數(shù)十小時甚至數(shù)十天的測試過程來說，在電池材料樣品對某一激勵信號的電化學(xué)響應(yīng)過程中，逐一讀取上百條通路的響應(yīng)信號，相當(dāng)于同步完成了所有樣品的測試，同時在保證精度不變的情況下，整體上降低了系統(tǒng)的成本，提高了效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電池測試電路圖。

圖2為本發(fā)明的電池測試裝置圖。

圖3為本發(fā)明的電池測試方法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明所公開的一種提高電池測試通量的電路，如附圖1所示，該電路包括如下：

供電模塊分別與控制器、DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊串聯(lián)；所述控制器還與隔離模塊、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、跟隨器依次串聯(lián)；所述跟隨器與多個電流檢測放大器并聯(lián)；所述多個電流檢測放大器通過金手指接口與多個電池樣品陰極串聯(lián)；所述的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊與陽極板或陰極板相連；

所述控制器經(jīng)由所述串口讀取上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)，輸出特征控制信號，傳輸給所述DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊；所述DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊接收到特征控制信號，將供電模塊提供的電壓或電流調(diào)制根據(jù)接收到的特征控制信號，調(diào)制為帶有特征的激勵信號；所述的帶有特征的激勵信號通過金手指接口以及電路并行地施加至各個電池材料樣品；所述的電池材料樣品的電化學(xué)響應(yīng)信號經(jīng)由所述的跟隨器傳輸至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號，經(jīng)由所述的隔離模塊，并由所述的控制器逐一讀取數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸至上位機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明所公開一種提高電池測試通量的裝置，如附圖2所示，該裝置還包括：電池測試封裝盒、對電極；

所述電池測試封裝盒，用于為電池測試提供無水無氧的安全環(huán)境，電池測試封裝盒中裝有電解質(zhì)溶液；

所述的對電極用于與電池樣品形成化學(xué)電池回路；

所述的跟隨器用于讀取以及隔離前后的信號，便于采樣信號的逐一通過，防止干擾。

本發(fā)明所公開的一種提高電池測試通量的方法，如附圖3所示，該方法步驟包括如下：

步驟S1，控制器經(jīng)串口讀取上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)，輸出特征控制信號，傳輸給DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊；

步驟S2，所述步驟S1中的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊接收到特征控制信號，將供電模塊提供的電壓或電流根據(jù)接收到的特征控制信號，調(diào)制為帶有特征的激勵信號；

步驟S3，所述步驟S2中的激勵信號通過金手指接口，并行地被施加至各個電池樣品，使得帶有特征的激勵信號轉(zhuǎn)變成電化學(xué)響應(yīng)信號；

步驟S4，控制器控制跟隨器，逐一采樣所述S3中各個電池樣品在某一激勵下的電化學(xué)響應(yīng)信號，該電化學(xué)響應(yīng)信號經(jīng)跟隨器傳輸至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；

步驟S5，所述步驟S4中的數(shù)字信號經(jīng)隔離模塊傳輸至所述的控制器；

步驟S6，所述控制器將數(shù)字信號傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)程序處理得到所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

步驟S7，返回S1步驟，控制器根據(jù)上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)參數(shù)輸出下一特征控制信號，重復(fù)S2-S6步驟。

實(shí)施例1

本發(fā)明可同時測量120組電池樣品的C-V曲線，大大提高實(shí)驗(yàn)的效率。以100的樣品的測試為例，原本需要數(shù)百小時完成的測量工作可在數(shù)小時內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)效率提高2個數(shù)量級別。目前使用120個電池樣品是我們目前所使用的系統(tǒng)的一個典型值，120以上或以下任一數(shù)量的樣品也可以測量，也可以表述為2個或2個以上的數(shù)量樣品。

在基片上，集成多個待測試的電池材料樣品或電池器件，每一電池器件/電池材料樣品均通過獨(dú)立的路線與測試系統(tǒng)相連接，可并行/同步進(jìn)行測試表征。

實(shí)施例2

如圖2所示用于電池測試電路圖。具體說明如下：控制器、串口、供電模塊、DC/DC模塊串聯(lián)；所述控制器還與隔離模塊、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、跟隨器依次串聯(lián)；所述跟隨器與每個電流檢測放大器并聯(lián)；所述每個電流檢測放大器通過金手指接口與每個電池樣品陰極串聯(lián)；所述的電流檢測放大器與跟隨器并聯(lián)；所述的DC/DC模塊與陽極板相連。

供電模塊：本系統(tǒng)采樣220V交流供電，220V交流經(jīng)過整流電路成為直流電源，然后經(jīng)過直流降壓電路將電壓轉(zhuǎn)換為所需的電壓值。

DC/DC：該模塊主要講供電部分輸出的直流電壓降壓或升壓為指定的正負(fù)電壓值并穩(wěn)壓。(可考慮使用線性穩(wěn)壓源或電源模塊)

控制器：本系統(tǒng)中控制器主要負(fù)責(zé)充放電開關(guān)的開啟和關(guān)閉，接收和處理每路采集回來的電流和電壓值，控制與上位機(jī)通信等。該控制器可考慮采用STM32、DSP或FPGA。(根據(jù)實(shí)際IO口的需求)

串口：主要負(fù)責(zé)于上位機(jī)的通信。

芯片陣列：在陰極通過芯片陣列的形式經(jīng)過金手指連接到電路。

陽極板：系統(tǒng)中的電池組檢測采用并聯(lián)的形式，陽極統(tǒng)一接在一塊鋰板上。

檢流精密電阻：采用阻值較小(1毫歐姆左右)精度較高的電阻(千分之一精度以上)

電流檢測放大器：檢測精密電阻兩端的微弱電壓信號，接著內(nèi)部放大該信號，然后將電壓傳輸至下一級。需要配基準(zhǔn)。

基準(zhǔn)電壓模塊：為電流檢測放大器和ADC提供基準(zhǔn)電壓

過流保護(hù)模塊：在每路的檢測都加入一個過流保護(hù)電路，形式多樣，如加保險絲等。

控制器經(jīng)由串口讀取上位機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)，輸出特定的電壓或電流波形，傳輸給DC/DC模塊。DC/DC模塊根據(jù)所接收到的波形，將供電模塊提供的電壓或電流調(diào)制為所需激勵信號(某一電壓值或電流值)。上述激勵信號通過包含金手指的連同電路并行地施加至各個樣品。樣品的電化學(xué)響應(yīng)信號(一電壓或電流值)經(jīng)由跟隨器傳輸至ADC模塊，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，經(jīng)由隔離模塊(隔離模塊用于防止前后兩個信號相互干擾)，由控制器經(jīng)串口傳輸至上位機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

電路中的控制器可考慮采用STM32、DSP或FPGA；電路中采用高精度的DC/DC電源提供所需要的正負(fù)電壓來給樣品組充電和放電；裝置中利用MOSFET半導(dǎo)通時的阻抗特性來分壓，提供給樣品特定的電壓，其中可通過控制器來實(shí)現(xiàn)從-5V到0V和0V到5V的每0.2秒變化5mV的電壓提供給樣品組；流過每組樣品的電流采樣，是采用高精度的精密電阻加電流檢測放大器的形式來實(shí)現(xiàn)的，其精度較高，電路結(jié)構(gòu)較簡單。電壓采樣，是采用精密電阻分壓的形式來實(shí)現(xiàn)的。所檢測的電壓和電流信號進(jìn)過電流檢測放大器放大，然后經(jīng)過阻抗匹配電路即跟隨器傳輸給高精度的16位ADC(模擬信號轉(zhuǎn)換器)，高精度ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過隔離后傳輸?shù)娇刂破?，控制器處理后最后?jīng)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。

在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個或多個實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。