本發(fā)明設(shè)計(jì)一種電池測(cè)試方法，尤其設(shè)計(jì)了一種提高電池測(cè)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(chǔ)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(shì)和努力方向。

目前，全球各國(guó)均希望通過能源結(jié)構(gòu)調(diào)整應(yīng)對(duì)資源與環(huán)境危機(jī)。在此背景下，電化學(xué)儲(chǔ)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(píng)估電池性能的電池測(cè)試裝置是化學(xué)儲(chǔ)能電池研究活動(dòng)中不可或缺的重要工具。研究人員針對(duì)儲(chǔ)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(dòng)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(píng)估。

另一類如Wang等人所發(fā)展的多通道電池測(cè)試系統(tǒng)，通過構(gòu)建多組電池測(cè)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(píng)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(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與市場(chǎng)中的絕大多數(shù)商用多通道電池測(cè)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(lì)-測(cè)量系統(tǒng)，雖然較好地照顧了各種研究活動(dòng)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(píng)估分析大量樣品的器件或材料性能，同時(shí)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(cè)試通量的電路，在電池器件中評(píng)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(lì)、分時(shí)測(cè)量方式取代常規(guī)多通道電池測(cè)量系統(tǒng)中的并行獨(dú)立測(cè)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(gè)電流檢測(cè)放大器并聯(lián)；所述多個(gè)電流檢測(cè)放大器通過金手指接口與多個(gè)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(hào)，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(hào)，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(hào)，調(diào)制為帶有特征的激勵(lì)信號(hào)；所述的帶有特征的激勵(lì)信號(hào)通過金手指接口以及電路并行地施加至各個(gè)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(hào)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(hào)，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(cè)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(cè)試通量的裝置，該裝置還包括：電池測(cè)試封裝盒、對(duì)電極；

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

所述的對(duì)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(hào)，便于采樣信號(hào)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(cè)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(hào)，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(hào)，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(hào)，調(diào)制為帶有特征的激勵(lì)信號(hào)；

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

步驟S4，控制器控制跟隨器，逐一采樣所述S3中各個(gè)電池樣品在某一激勵(lì)下的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)，該電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)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(hào)；

步驟S5，所述步驟S4中的數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)，重復(fù)S2-S6步驟。

進(jìn)一步，所述的帶有特征的激勵(lì)信號(hào)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(hào)。

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

有益效果：樣品對(duì)激勵(lì)信號(hào)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(lì)信號(hào)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(lì)、分時(shí)測(cè)量的方案，即對(duì)各個(gè)樣品并行施以分辨率極高的激勵(lì)信號(hào)，并行激勵(lì)時(shí)，使用一個(gè)激勵(lì)源即可，節(jié)省成本，對(duì)各個(gè)樣品逐個(gè)掃描采樣在分時(shí)測(cè)量時(shí)，使用一個(gè)測(cè)量表頭即可實(shí)現(xiàn)，節(jié)省成本，對(duì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)甚至數(shù)十天的測(cè)試過程來說，在電池材料樣品對(duì)某一激勵(lì)信號(hào)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(hào)，相當(dāng)于同步完成了所有樣品的測(cè)試，同時(shí)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(cè)試電路圖。

圖2為本發(fā)明的電池測(cè)試裝置圖。

圖3為本發(fā)明的電池測(cè)試方法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)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(cè)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(gè)電流檢測(cè)放大器并聯(lián)；所述多個(gè)電流檢測(cè)放大器通過金手指接口與多個(gè)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(hào)，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(hào)，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(hào)，調(diào)制為帶有特征的激勵(lì)信號(hào)；所述的帶有特征的激勵(lì)信號(hào)通過金手指接口以及電路并行地施加至各個(gè)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(hào)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(hào)，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(cè)試通量的裝置，如附圖2所示，該裝置還包括：電池測(cè)試封裝盒、對(duì)電極；

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

所述的對(duì)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(hào)，便于采樣信號(hào)的逐一通過，防止干擾。

本發(fā)明所公開的一種提高電池測(cè)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(hào)，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(hào)，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(hào)，調(diào)制為帶有特征的激勵(lì)信號(hào)；

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

步驟S4，控制器控制跟隨器，逐一采樣所述S3中各個(gè)電池樣品在某一激勵(lì)下的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)，該電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)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(hào)；

步驟S5，所述步驟S4中的數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)，重復(fù)S2-S6步驟。

實(shí)施例1

本發(fā)明可同時(shí)測(cè)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(cè)試為例，原本需要數(shù)百小時(shí)完成的測(cè)量工作可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)效率提高2個(gè)數(shù)量級(jí)別。目前使用120個(gè)電池樣品是我們目前所使用的系統(tǒng)的一個(gè)典型值，120以上或以下任一數(shù)量的樣品也可以測(cè)量，也可以表述為2個(gè)或2個(gè)以上的數(shù)量樣品。

在基片上，集成多個(gè)待測(cè)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(cè)試系統(tǒng)相連接，可并行/同步進(jìn)行測(cè)試表征。

實(shí)施例2

如圖2所示用于電池測(cè)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(gè)電流檢測(cè)放大器并聯(lián)；所述每個(gè)電流檢測(cè)放大器通過金手指接口與每個(gè)電池樣品陰極串聯(lián)；所述的電流檢測(cè)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(cè)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(cè)放大器：檢測(cè)精密電阻兩端的微弱電壓信號(hào)，接著內(nèi)部放大該信號(hào)，然后將電壓傳輸至下一級(jí)。需要配基準(zhǔn)。

基準(zhǔn)電壓模塊：為電流檢測(cè)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(cè)都加入一個(gè)過流保護(hù)電路，形式多樣，如加保險(xiǎn)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(lì)信號(hào)(某一電壓值或電流值)。上述激勵(lì)信號(hào)通過包含金手指的連同電路并行地施加至各個(gè)樣品。樣品的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)(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(hào)后，經(jīng)由隔離模塊(隔離模塊用于防止前后兩個(gè)信號(hào)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(shí)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(cè)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(jiǎn)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(cè)的電壓和電流信號(hào)進(jìn)過電流檢測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換器)，高精度ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(duì)上述術(shù)語的示意性表述不必須針對(duì)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(gè)或多個(gè)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)。