用于确定电池参数的系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年11月8日提交的序列号为63/277,143的美国临时专利申请和于2021年8月23日提交的序列号为63/236,023的美国临时专利申请的优先权，通过引用方式将上述美国临时专利申请并入本申请。申请号为PCT/US2020/062548，公开号为WO2021/113161A2的国际专利申请是相关申请，通过引用将上述国际专利申请并入本申请。

技术领域

本专利申请涉及在电池化成期间和之后测试和分选电池，并且更具体地涉及提高测量的准确性并减少确定电池特性所需的时间。

背景技术

电池制造是一个重要的行业，尤其是基于锂离子技术的电池。电池在使用前经过测试以进行质量控制。电池生产过程的一部分包括电池的最终化成和分选。本发明人的公开号为WO2021/113161A2的国际专利申请公开了一种用于在并联和串联混合连接条件下对电池进行化成和测试的系统。本发明人的专利号为6,291,972的美国专利的标题为“Systemfor Battery Formation,Charging,Discharge and Equalization(用于电池化成、充电、放电和均衡的系统)”，它公开了一种用于化成和测试电池的概念，出于所有目的通过引用将其全部并入本申请。为了质量控制和分选，化成后对电池的测试包括测量每个电池的开路电压、内阻和自放电率。

小型电子设备可以使用单个锂离子电池。电动汽车和大型蓄电设备使用将多个电池连接在一起的电池包。电池包的性能取决于电池包中最差的单体电池的性能，因此付出了巨大的努力来使用具有一致性能特性的电池制成电池包。对于如何最好地确定电池特性，然后根据共同特性对电池进行分选，已经进行了大量研究。目前，电池制造行业直接测量某些参数以及将参数值基本一致的电池进行分组。其他对电池进行分级和分选的方法包括建模、算法和电化学分析。可以直接被测量的电池参数包括其电压(通常是开路电压)、其内阻和其自放电率。

通常根据开路电压、内阻和自放电率的共同值(common values)对电池进行分选。为了确定自放电率，测量电池的开路电压，并且然后将电池储存或老化一段时间，其可以是若干日或若干周，在这之后再次测量开路电压。这一段时间产生的电压差被用于计算自放电率。电压差是一个很小的值，其很难准确测量。在电压测量之间间隔更长的时间可以提供更准确的自放电率测量。然而，由于需要提高电池和电池包的生产效率，因此需要提高自放电率测量的准确性，同时缩短老化前的开路电压测量和老化后的开路电压测量之间的电池老化时间。

发明内容

本发明提供一种差分电压表，其包括：参考电压发生器(RVG)，其被配置为产生参考电压以及通过其第一引线输出参考电压；第一运算放大器(OPA)，第一OPA具有待被连接至要测量对象的第一端的第一输入引线，被连接至该RVG的第一引线的第二输入引线，以及第一OPA被配置为通过其输出引线输出表示所述对象的电压与该参考电压之间差值的差值电压；以及模数转换器(ADC)，被配置为接收来自第一OPA的输出引线的差值电压，并将该差值电压从模拟信号转换至数字信号。

该差值电压表被用于电池测试设备中，该电池测试设备包括：充放电模块，用于向一个或多个电池提供充放电电流；以及控制单元，被配置为提供指示该一个或多个电池的参数值的输出。控制单元优选地是微控制器、或计算设备、或计算机、或个人计算机。典型的参数包括电池的开路电压(OCV)、自放电(SD)、自放电率(SDR)和/或内阻(IR)。参考电压发生器优选地被配置为产生参考电压Vref，其中第一OPA被配置为输出在时间t1和稍后的时间t2的电池的差值OCV，即，(ΔOCV1)和(ΔOCV2)，其中电池的差值OCV是电池的OCV减去Vref，并且其中，控制单元优选地被配置为将电池的SD确定为ΔOCV2-ΔOCV1，并且将电池的SDR确定为(ΔOCV2-ΔOCV1)/(t2–t1)。

控制单元优选地被配置为使充放电模块传送通过电池的电流Il和通过该电池的不同电流I2，其中控制单元被配置为从该差分电压表获得在电流I1通过电池时的差值电压ΔV1以及在电流I2通过电池时的差值电压ΔV2，并且其中，控制单元优选地被配置为将每个电池的IR确定为等于(ΔV2-ΔV1)/(I2-I1)。

本发明提供了一种电池测试机器，在该电池测试机器中使用上述电池测试设备，并且该电池测试设备优选地被配置为：与电池单元电连接；提供参考电压Vref；测量在第一时间t1的ΔOCV1，其中ΔOCV1＝OCV1-Vref；测量在第二时间t2的ΔOCV2，其中ΔOCV2＝OCV2-Vref；将该电池单元的SD计算为ΔOCV1和ΔOCV2之间的差值；以及将该电池单元的SDR计算为SD除以t2和t1之间的差值。该电池测试机器优选地被配置为：使第一电流I1和第二电流I2通过电池单元，其中I2不等于I1；测量当电流I1通过该电池单元时的电池单元的第一ΔV1＝(V1-Vref)；测量当电流I2通过该电池单元时的电池单元的第二ΔV2＝(V2-Vref)；计算ΔV＝(ΔV2-ΔV1)；将ΔI计算为I2-I1；以及计算该电池单元的IR等于ΔV/ΔI。

在另一个实施例中，本发明提供了一种使用直流电流来确定电池内阻(IR)的方法(DCIR)，该方法包括以下步骤：当使直流电流I1通过电池时测量电池在时间t1的电压V1；将通过该电池的直流电流变为I2，其中I2不等于I1；当使直流电流I2通过电池时测量电池在时间t2的电压V2；以及使用差分电压表(DVM)确定V1和V2的值。V1和V2的值是使用第一仪表放大器(INA1)确定的；DVM采用参考电压发生器来产生电压Vref；DVM采用第二仪表放大器(INA2)；将V1和Vref输入到INA2，INA2提供V1–Vref的输出；将V2和Vref输入到INA2，INA2提供V2-Vref的输出。INA1和INA2中的每一个均具有满量程范围(FSR)，并且INA2的FSR小于INA1的FSR，优选地小于0.1*INA1的FSR。将电池的IR计算为等于((V2-Vref)-(V1-Vref))/(I2-I1)。abs(Vref-V1)优选为小于或等于0.1*abs(V1)，并且abs(Vref-V2)优选为小于或等于0.1*abs(V2)。其中abs(x)表示x的绝对值。

附图说明

当结合附图考虑下面阐述的示例性实施例的详细描述时，可以获得对本发明的更好理解，其中：

图1是现有技术的数字电压表的示意图；

图2A是根据本发明的差分电压表的示意图；

图2B是根据本发明的差分电压表的示意图；

图3示出了根据本发明的使用参考电压确定SD和SDR的原理；

图4示出了使用DCIR评估来确定IR，其中，阶跃负载电流测试使用由电流变化引起的电压差来计算DCIR值；

图5是电池的简化等效电路；以及

图6是用于分级和分选电池的ΔOCV和ΔDCIR设备的示意图。

具体实施方式

本文使用的术语

OCV：电池的开路电压

SD：以OCV压降表示的自放电，通常以毫伏为单位。

SD＝ΔOCV(2-1)＝OCV2-OCV1

SDR：自放电率，以SD/Δt表示，或SD＝SDR*Δt

Vref：参考电压

IR：电池的内阻

ACIR：使用交流(AC)电流测量IR的技术

DCIR：使用直流(DC)电流测量IR的技术

ACR：使用ACIR技术测量IR的设备

t：时间。时间单位在SDR测量中可以是日，以及在DCIR测量中可以是毫秒。Δt(2-1)＝t2-t1

ADC：模数转换器

INA：仪表放大器

OPA：运算放大器

基线电压VBL：信号的直流部分或接近直流部分，其由直流和交流信号二者组成。它接近信号的平均值。Vref的设置非常接近这个基线电压。

FSR：满量程

本文公开的方法和设备使用“差分测量和基线抵消”的原理在比较应用中提供DC电压的高准确度测量。公开了在电池化成、测试和分级期间(特别是对于电池生产线)提供OCV和DCIR的高准确度的测量和比较的设备。这些方法和设备被称为用于比较的差分电压测量(ΔVMFC)或ΔVMFC技术和设备。

电池的自放电率(SDR)和内阻(IR)是用于指示电池质量的重要参数，特别是对于对电池单元进行分级和分选以及对于制造电池包。目前，开路电压(OCV)的直接测量被广泛用于SDR测量。直接用电压表或万用表测量电池单元的OCV，其优选地用高准确度来测量。图1是用于测量电池单元12的OCV的数字电压表10的示意图，其可以被称为OCV表。电压表10中的仪表放大器14具有被连接到电池单元12的一个端子的第一引线16和被连接到电池单元12的另一个端子的第二引线18。仪表放大器14具有被连接到模数转换器22的引线20，模数转换器22用于将电池单元12的OCV值提供给数字显示器24。使用电池单元在一段时间内的电压(Vcell)差来确定SDR。电池单元应该静置或老化一段时间，多至数日或数周，以获得可测量的OCV差异。因此，直接OCV测量需要较长的老化时间，而电池制造行业需要缩短老化时间以提高电池产量，降低生产成本和空间，优选地同时获得更准确的测量。ACR测量被广泛用于欧姆IR(或Ro)测量。使交流电流通过电池单元以确定ACR测量值。例如，ACR可以使用1kHz交流信号来测量。DCIR测量中的直接Vcell测量被广泛用于IR测量，包括电化学极化或Ro+Rp。业界需要更好的方法和更好的设备，其可以提供更小的空间、更低的成本、更高的电流和更高的准确度来替代传统的OCV/ACR/DCIR设备。

电池的内阻(IR)与可施加于电池的充电/放电电流有关。具有高内阻的电池会产生更高的电压降，并且会比具有低IR的电池发热更多。ACR被用于评估电池的导电电阻。使用DCIR评估来确定IR的标准方法是使用阶跃负载电流测试来通过由电流变化引起的电压差计算DCIR值。

将电池的自放电率(SDR)计算为SDR＝SD/Δt，其中SD＝ΔOCV(2-1)＝OCV2-OCV1。SDR测量的准确度取决于SD测量的准确度和Δt值。SDR的准确度可以被表示为(SDR的准确度)＝(SDR的日准确度(daily accuracy))/Δt，其可以被等价地表示为(SDR的日准确度)＝(SDR的准确度)*Δt＝(SD的准确度)/SD*Δt。

用于测量SD的现有技术是通过在时间段Δt(老化时间)中直接测量电池单元的OCV并计算SD＝ΔOCV(2-1)＝OCV2-OCV1。SD的准确度取决于OCV测量的准确度。例如，锂离子电池的OCV约为4V，并且电压表的测量范围通常约为±5V。对于在±5V范围内准确度为其FSR的±0.01％的万用表，SD的准确度为±0.01％*10V＝±0.001V或±1mV。假设典型的SD是在10日期间下降10mV，则SDR＝10mV/10日＝1mV/日，并且(SDR的日准确度)＝(SD的准确度)/SD*Δt＝±1mV/10mV*10日＝±100％*日。“SDR的日准确度”为±100％*日意味着电池单元需要老化10日以使SDR的准确度达到±10％(＝±100％*day/10日)。与OCV的测量值相比，ΔOCV(2-1)的值相对较小，这使得在不使电池单元老化较长时间(例如大约10日或更长时间)的情况下难以准确确定SDR。

本发明提供参考电压(Vref)，并在小得多的电压范围内采用差值测量ΔOCV2＝OCV2-Vref和ΔOCV1＝OCV1-Vref。然后以高得多的准确度计算电池单元的自放电SD＝ΔOCV(2-1)＝OCV2-OCV1＝ΔOCV2-ΔOCV1。对于在±50mV范围内准确度为FSR的±0.01％的电压测量，SD的准确度为±0.01％*100mV＝±0.01mV。此外，假设典型的SD是在10日期间下降10mV，则SDR的日准确度＝(SD的准确度)/SD*Δt＝±0.01mV/10mV*10days＝±1％*日。1％*day(SDR的日准确度)意味着只需老化1日即可获得±1％的SDR准确度(＝±1％*day/1day)。上述段落中不使用参考电压的OCV直接测量需要100日的老化才能达到相同的准确度，而使用参考电压的差分测量只需老化1日即可达到相同的测量准确度。这表明ΔOCV2和ΔOCV1的差分测量比现有技术中OCV2和OCV1的直接测量要准确得多。这种准确度的提高可以显著减少老化时间并减少老化电池所需的空间，同时实现与使用现有技术方法一样可靠的SDR确定。或者，使用现有技术的老化时间可以实现更准确的SDR确定，这允许将电池分选至具有更一致的SDR值的组。

图2A是差分电压表30或OCV表30的示意图。差分电压表(VM)30(ΔVM30)包括图1的VM10的功能。差分VM30也是数字的，并且测量电池单元12a的OCV。ΔVM30中的第一仪表放大器14a具有被连接到电池单元12a的一个端子的第一引线16a和被连接到电池单元12a的另一个端子的第二引线18a。第一仪表放大器14a具有被连接到模数转换器22a的引线20a，模数转换器22a用于将电池单元12a的OCV值提供给数字显示器24a。差分VM30具有参考电压发生器32和第二仪表放大器34。参考电压发生器32具有通过引线16a被连接到电池单元12a的一个端子的引线36和被连接到第二仪表放大器34的引线38。第二仪表放大器34因此具有通过引线38的来自参考电压发生器32的一个输入，以及通过引线40的来自电池单元12a的另一端子的另一个输入。第二仪表放大器34通过引线42将输出提供给模数转换器22a，用于提供对电池单元12a的电压和由发生器32产生的参考电压之间的差值的测量。第二仪表放大器34因此提供被连接到电池单元12a的引线40上的电压和被连接到参考电压发生器32的引线38上的电压之间的差值测量。差分电压表30包括来自第一仪表放大器14a(具有测量范围5V和准确度1mV)的输出和来自第二仪表放大器34(具有测量范围50mV和准确度0.01mV)的输出两者，以及这两个输出均可以在数字显示器24a上被读取。可以理解，模数转换器22a的输出数字信号不限于被提供给数字显示器24a，以及该输出数字信号还可以被提供给其他处理单元用于相应的处理。

可以理解，虽然在图3所示的实施例中采用仪表放大器14a和34来测量电池单元12a的电压以及电池单元12a的电压与发生器32产生的参考电压之间的差值电压，但是可以使用其他类型的运算放大器(OPA)代替仪表放大器14a和34来执行类似的功能。可以理解，ΔVM30可以包括更多或更少的组件，例如，在一个实施例中，ΔVM30可以不包括显示单元24a。

图2B是差分电压表60或ΔOCV表60的示意图。差分电压表(VM)60(ΔVM60)不包括图2A所示的ΔVM30的第一仪表放大器14a。差分VM60具有参考电压发生器32b和仪表放大器34b。参考电压发生器32b具有被连接到电池单元12b的一个端子的引线36b和被连接到仪表放大器34b的引线38b。仪表放大器34b因此具有通过引线38b的来自参考电压发生器32b的一个输入和来自电池单元12b的另一端子的通过引线40b的另一个输入。仪表放大器34b通过引线42b向模数转换器22b提供输出，用于提供对电池单元12b的电压和由发生器32b产生的参考电压之间的差值的测量。仪表放大器34b因此提供被连接到电池单元12b的引线40b上的电压和被连接到参考电压发生器32b的引线38b上的电压之间的差值测量。差分电压表60包括来自仪表放大器34b(具有测量范围50mV和准确度0.01mV)的输出，并且该输出可以在数字显示器24b上被读取。可以理解，模数转换器22b的输出数字信号不限于被提供给数字显示器24b，以及该输出数字信号还可以被提供给其他处理单元用于相应的处理。

图3示出了根据本发明使用参考电压确定SD和SDR的原理。图2A的电池单元12a可以在化成后不久的时间t1产生3.81225V的电势，该电势相对于地而言，在引线18a上。仪表放大器14a在引线20a上的输出将被读取为OCV1＝3.812V。如果参考电压Vref被设置为3.80000V，则引线42上的电压输出值将是3.81225V的电池电压和3.80000V的Vref之间的差，其为0.01225V，并将被读取为ΔOCV1＝0.01225V。差分电压表30将把引线42上的ΔOCV1＝0.01225V加到引线38上的Vref＝3.80000V，以产生在时间t1的电池单元12a的开路电压的第一测量值，即OCV1Δ＝ΔOCV1+Vref＝0.01225+3.80000＝3.81225V。在通常以分钟、小时或日为单位测量的某个时间段之后，使用差分电压表测量在时间t2的电压，并且电池单元12a的电压将由于自放电而下降。电池单元12a可以产生在时间t2的OCV2＝3.79135伏的电势，该电势相对于参考地而言，将出现在引线18a上。在引线38上的参考电压Vref仍将处于其设定值3.80000V。仪表放大器14a在引线20a上的输出将被读取为OCV2＝3.791V。引线42上的电压输出值ΔOCV2将是引线40上的3.79135V(与引线18a的值相同)与引线38上的Vref＝3.80000V之间的差值。ΔOCV2＝3.79135-3.80000＝-0.00865V。差分电压表30将把引线42上的ΔOCV2＝-0.00865V加到引线38上的Vref＝3.80000V，以产生在时间t2的电池单元12a的开路电压的第二测量值，即OCV2Δ＝3.80000-0.00865V＝3.79135V。

假设t2-t1＝200小时，则电池单元12a的自放电率可以被计算为SD/(t2-t1)＝(OCV1-OCV2)/(t2-t1)＝(3.812-3.791)/200＝0.00011V/小时，或为(OCV1Δ-OCV2Δ)/(t2-t1)＝((ΔOCV1+Vref)-(ΔOCV2+Vref))/(t2-t1)＝(ΔOCV1-ΔOCV2)/(t2-t1)＝(0.01225+0.00865)/200＝0.0001045V/小时。为了获得足够准确的SD和SDR读数，则t2和t1之间的电压降需要为电压读数准确度的约10倍。这意味着如果我们从引线20a读取OCV，则此电压降需要大于10mV，这是因为从20a读取的准确度为1mV。这意味着t2-t1需要至少为10mV/0.00011V/小时＝91小时。如果通过读取引线42上的ΔOCV来读取OCVΔ(准确度为0.01mV)，则电压降只需大于或等于0.1mV，并且t2-t1的值只需为0.1mV/0.0001045V/小时＝0.96小时。这大约是1小时与91小时的对比。这意味着人们可以将自放电时间减少到约1/100，以在评估自放电率时获得相同的结果。或者，可以更精确地测量每个电池的自放电率，以便在相对较短的时间内进行更好的分级和分选。本发明可被用于改变电池的分级和分选过程，其可以节省或减少存储时间和存储空间，同时提高电池和电池包的质量，以及同时改进电池制造工艺。

用于ΔOCV2和ΔOCV1的Vref值应该是相同的值，以使在SD＝ΔOCV(1-2)＝OCV1-OCV2＝ΔOCV1-ΔOCV2的计算中正确抵消Vref的值。出于同样的原因，测量期间Vref的波动/噪声应小于ΔOCV测量的误差水平(±0.01mV)。

在一个实施例中，电池单元12a的OCV的大致范围在具体实现中是已知的，因此参考电压发生器32将产生的参考电压Vref可以是预定义的，例如参考电压Vref在上面的示例中可以被预配置为3.80000伏。在另一实施例中，参考电压Vref基于电池单元12a的电压的测量值来设置。在图2A的电压表30中，INA14a可以测量电池单元12a的电压，例如电池单元12a的OCV，并且基于电池单元12a的测量电压可以将参考电压Vref设置为预配置值，例如，可以将参考电压Vref设置为最接近于电池单元12a的测量电压的多重预配置值之一。在图2B的电压表60中，INA34b可以测量电池单元12b的电压，例如电池单元12b的OCV，并且可以基于电池单元12b的测量电压将参考电压Vref设置为预配置值。例如，参考电压Vref可以被初始设置为相对较小的值，并且INA34b可以测量电池单元12b的电压和Vref之间的差值电压，并通过将该差值电压和Vref相加来获得电池单元12b的电压。然后可以将参考电压Vref设置为最接近于电池12b的测量电压的多重预配置值之一。

可以理解，图2A中的参考电压发生器32和INA34的功能与图2B中的参考电压发生器32b和INA34b的功能相似；因此，本文参考图2A来描述这些功能。

图4说明了使用DCIR评估来确定IR，其中使用阶跃负载电流测试，通过由电流变化引起的电压差计算DCIR值。图5是电池的简化等效电路，其中：

IL：通过电池单元的电流或输出到负载的电流，其中IL＝Ip+Ic；

Ip：流过极化电阻Rp的电流；

Ic：流过极化电容C的电流；

Ro：电池单元的欧姆电阻，其例如包括电解液电阻、隔膜电阻及各部件的接触电阻；

Ro上的电压降等于Vro-V1或ΔVro-ΔV1；

Ro＝abs((Vro-V1)/(I2-I1))＝abs((ΔVro-ΔV1)/(I2-I1))；

Rp上的电压降等于V2-Vro或ΔV2-ΔVro；

Rp：电池单元的极化电阻；

C:电池单元的极化电容；

Rp＝abs((V2-Vro)/(I2-I1))＝abs((ΔV2-ΔVro)/(I2-I1))；

IR＝Ro+Rp＝abs((V2-V1)/(I2-I1))＝abs((ΔV2-ΔV1)/(I2-I1))；以及

ACIR≈Ro。

参考图2A、图4和图6，电流I1(其可能是无电流)通过电池单元12a直到时间t3，电流变为I2并保持到时间t4。差分电压表30被用于测量当电流I1和I2通过电池单元12a时电池单元12a两端的电压。在电流从I1变为I2时，存在着电压从V1到Vro的瞬时下降，该电压降是由电池单元12a的欧姆电阻导致的，以及因此可以被用于测量电池单元12a的欧姆电阻。在t3和t4之间的时间间隔内，存在着从Vro到V2的额外的且逐渐的电压降。图5是电池的简化等效电路。电流IL正通过电池单元40，或者是输出到负载。电阻器42表示电池单元40的欧姆电阻。电阻器44表示电池单元40的极化电阻Rp。但是，电池单元40的极化电阻Rp不是简单地被表示为电阻器，因为电流IL也受到与极化电阻44并联的极化电容46的节制。

可以通过DCIR方法测量IR值，其中IR＝ΔV/ΔI＝(V2-V1)/(I2-I1)。准确度取决于ΔV的准确度和ΔI的值。现有技术的DCIR方法直接测量随电流变化的电池单元的Vcell，即ΔV/ΔI＝(V2-V1)/(I2-I1)。

根据本发明的ΔDCIR方法的原理是采用参考电压Vref和差值测量，其测量的是差值(Vcell-Vref)而不是Vcell，以使IR＝ΔV/ΔI＝((V2-Vref)-(V1-Vref))/(I2-I1)＝(ΔV2-ΔV1)/(I2-I1)。其准确度的提高程度，与完整Vcell的电压测量范围和Vcell-Vref的电压测量范围之间的比率成正比。Vcell-Vref可以远小于Vcell，以及用于测量ΔVcell＝Vcell-Vref的电压范围可以远小于Vcell的电压范围。因此，可以更准确地(当完整Vcell的电压测量范围与Vcell-Vref的电压测量范围之间的比率为100时，提高多至100倍)确定ΔDCIR的值，并且可以选择使用远小于在DCIR方法中使用的电流阶跃(I2-I1)，其可以低至DCIR方法中使用的电流阶跃的1％以获得相同的准确度。

用于ΔV2和ΔV1的Vref值应该相同，以便正确抵消该值，并且正确确定IR＝ΔV/ΔI＝((V2-Vref)-(V1-Vref))/(I2-I1)＝(ΔV2-ΔV1)/(I2-I1)。Vref的波动/噪声水平应小于ΔDCIR测量的误差水平。如上所述，由参考电压生成器32产生的参考电压Vref可以是预定义的，或者可以基于电池单元12a或12b的电压的测量值来设置。

ΔVM和ΔDCIR方法的原理包括以下：

Abs(V-Vref)<

测量期间Vref的波动/噪声水平应小于ΔVM或ΔDCIR测量中的误差水平。应该设置并固定Vref以进行比较测试。Vref不应随机地改变，也不应跟随V或随着V而改变。

ΔVM和ΔDCIR不被直接用于单点值/状态测量。ΔVM和ΔDCIR被用于比较目的。

与传统DCIR相比，通常更优选使用ACR来确定Ro，其中传统DCIR直接测量V1和Vro并将Ro确定为abs((V1-Vro)/(I2-I1))。在直接测量V1和Vro时，ΔV＝V1-Vro的值的准确度与V1和Vro的准确度相同。由于ΔV＝V1-Vro的值与V1的值相比通常非常小，因此确定V1-Vro的准确度相当差。例如，如果在FSR＝10V且V1-Vro为～10mV时确定V1值的准确度为±0.02％FSR或±2mV，则确定V1-Vro值的准确度约为±2mV/10mV＝±20％。

优选地在IR测量中使用尽可能小的电流，以避免破坏电池的电化学系统。电流的微小改变会导致电压的微小改变。对于I2-I1的微小电流改变，V1-Vro的电压改变也会很小，且测量的准确度会很差。

ACR通常可以利用相对较小的电流达到±0.5～1％或更好的准确度，因为它直接测量Vl的电压波动而不是Vl本身。ACR使用差分机制进行电压测量，通过将非常小的交流信号与大的直流电压基线进行隔离，其中直流电压基线约为在没有交流电流通过电池单元情况下的电池单元的电压。ACR技术由于采用包括隔离、斩波、整流、放大和过滤的复杂过程来确定交流信号，因此具有相对较低的准确度(例如±0.5％FSR)和低电流容量。ACIR技术比直接DCIR具有优势，因为它应用的电流要低得多。

ΔDCIR应该比ACIR具有优势，因为它需要类似的低电流水平但具有高得多的准确度，例如±0.02％FSR。ΔDCIR方法可以为欧姆电阻测量提供与ACR相同或更好的准确度水平。ΔDCIR方法比ACIR方法更简单、更便宜、具有更高的电流容量和更好的准确度。

作为示例，下表比较了利用不同技术ACR、DCIR和ΔDCIR得到Ro和Rp的准确度。从这个例子可以看出，当ACR的交流电流在1A以内或更低时，只有在相当大的直流电流(±5A)下，DCIR技术才可以获得与ACR技术相当的精度(0.1mΩ)。但在相当的直流电流(±0.5A)下，ΔDCIR技术可以得到比ACR提高10倍的精度(0.01mΩ)。

基于参考电压的电池单元的开路电压和内阻的差值测量可以提供对ΔOCV和ΔDCIR更准确的确定。与电压表OCV/DCIR相比，差分电压表ΔOCV/ΔDCIR以及实现该差分电压表ΔOCV/ΔDCIR的设备的准确度可以提高10～100倍。差分电压表基于使用相同的Vref进行一组相关的电压测量以进行比较。Vref值以及Vref的误差在比较中被抵消，以及因此，即使是相对较低的Vref准确度也不会影响ΔV、ΔOCV和ΔDCIR的测量准确度。尽管Vref的准确性不重要，但Vref的稳定性和恒定性很重要。Vref应该具有非常低的纹波和/或噪声，并且应该固定以进行测试。

例如，SD和SDR测量用于比较不同时间点的OCV，以对电池单元进行分级和分选。Vref值在用于SD和SDR的ΔOCV测量中被抵消，其中SD＝ΔOCV＝OCV2-OCV1＝ΔOCV2-ΔOCV1。在比较一组电池单元的SD和SDR时，也会抵消Vref值。又例如，DCIR测量是比较不同电流下的Vcell，以及当采用本文公开的ΔDCIR技术时，Vref被抵消，其中ΔV/ΔI＝((V2-Vref)-(V1-Vref))/(I2-I1)＝(ΔV2-ΔV1)/(I2-I1)。

图6是用于对新的或用过的电池进行分级和分选的ΔOCV和ΔDCIR设备的示意图，例如用于质量控制和用于将电池分选到各组中以制造电池包。测量模块50包括差分电压表(VM)52，例如参考图2A或图2B描述的差分VM30或差分VM60。测量模块50包括充放电模块54，该充放电模块54被设计和配置为向电池单元56提供充电或放电电流。具体地，充放电模块54被配置为使不同的电流通过电池单元56，该电池单元56具有第一端子56a和第二端子56b。引线52a将差分VM52连接到电池端子56a，并且引线52b将差分VM52连接到电池端子56b。引线54a将充放电模块54连接到电池端子56a，并且引线54b将充放电模块54连接到电池端子56b。微控制器58与差分VM52和充放电模块54集成在一起，通常这些组件中的每一个都安装在印制电路板上并通过迹线连接，从而组成测量模块50。测量模块50可以被用于对电池单元56进行参考图2-图4描述的测试。

图6是简化的，以显示如何对单个电池单元56进行测试。在商业应用中，有很多很多需要测试的电池。电池单元56代表电池托盘，该电池托盘可以容纳1至几百个电池。例如，电池托盘包括具有多个电池座的印制电路板(PCB)，其中每个电池座具有位于磁环中心的正极端子和位于磁环外部的一对弹簧指，用于夹持直立的圆柱形电池。每个电池座中都装有一个电池，电池座将电池的正极和负极端子连接到PCB上的迹线。PCB优选地是具有迹线和组件的多层电路板。

在一个实施例中，本发明包括一种电池测试模块，该电池测试模块包括具有前、后、左和右侧的机柜以及至少一对导轨，其中该对导轨中的一个导轨被容纳在机柜中的左侧上，以及另一个导轨被容纳在机柜中的右侧上，以及其中，该对导轨被配置为收容电池托盘，该电池托盘容纳多个电池。该电池托盘可以是在电池的化成和测试期间被使用的相同电池托盘。该电池托盘包括：具有相对的上下两侧和边缘的印制电路板(PCB)；PCB的上侧上的多个电池座；通过PCB上或PCB中的迹线与多个电池座可操作地接合的电子设备或组件，用于在化成和测试期间测量电池的参数；以及PCB边缘上的边缘连接器，其中边缘连接器通过PCB上或PCB中的迹线与该多个电池座和该电子设备或组件可操作地接合。每个电池座优选地具有两个或更多个用于保持和接合电池的直立弹簧指，其也用作负极端子，以及用于与电池的一端接触的正极端子。边缘连接器优选地具有第一和第二相对侧，每个正极端子被连接到第一侧，并且每个负极端子被连接到第二侧。电池优选地以直立位置被收进电池座中，电池的下端接触正极端子，并且弹簧指接触电池的圆柱形外壳，该圆柱形外壳是负极端子。

电池测试模块可以被并入电池化成架或电池老化架中，也可以是独立机柜。电池测试模块包括测量模块，测量模块位于机柜内，靠近后部，并且相邻于用于接收和连接电池托盘的那对导轨。测量模块被设计和配置为包括本文描述的参考电压、差分电压表和差分DCIR。测量模块被设计和配置为使用本文描述的差分测量原理确定一个或多个电池托盘中每个电池的OCV、IR和SDR。每个电池优选地被唯一地识别，例如通过将条形码附加到每个电池。测量模块优选地被设计和配置为识别具有相同或非常相似的OCV、IR和SDR值(如使用本文描述的差分测量原理确定的OCV、IR和SDR值)的各组电池。

本发明可以被用于电池分选模块中，并且可以包括电池分选模块，电池分选模块可以是独立模块或者可以被并入电池测试模块。电池测试模块优选地包括自动设备，例如机械臂。电池分选模块使用电池测试模块确定的信息，以及物理地将每个电池从电池托盘中取出，并将每个电池放入箱中，其中一个箱被指定用于一组电池。一些电池可能被认为不适合使用，并被分选到一个电池箱中，以便对这些电池进行返工、回收或丢弃。其他的箱将接收具有基本一致的OCV、IR和SDR值的电池。电池包可以由这些箱中的一个箱中的电池制成，从而电池包中的所有电池具有基本一致的OCV、IR和SDR值。

在另一个实施例中，本发明提供了一种电池分级和分选机器，其包括以下组件：用于接收和保持多个电池的电池托盘，优选地，例如在申请号为PCT/US2020/062548，公开号为WO2021/113161A2的国际专利申请中描述的双面智能电池托盘；电池测试柜；在电池测试柜中的一个或多个测量模块，例如参考图2A-图6所描述的一个或多个测量模块，其中测量模块被配置为采用如参考图2A或2B所述的差分电压表，并使用参考电压来确定每个电池单元的在两个不同时间的开路电压，以及计算每个电池单元的自放电率，并且其中测量模块被配置为使用参考电压和参照图4描述的差分DCIR方法确定每个电池单元的内阻；在电池测试柜中的充放电测试模块，优选地每个测量模块对应一个充放电测试模块；用于对电池进行分级、标记和分组的硬件和软件，其中所述分组包括将电池分成具有相似参数值的电池群组，该参数例如为开路电压、自放电率和内阻；以及电池分选单元，用于从电池托盘中取出电池并根据电池群组将电池放入箱中。本发明还包括与这些实施例中描述的设备和模块相关联的方法步骤以及用于操作这些设备和模块的方法步骤。

本发明的实施例包括以下内容。

1、一种方法：

·设置和固定接近直流电压基线的参考电压Vref；以及

·针对以下对象测量对象电压V与Vref的电压差值ΔV(v-vref)：

·针对一个对象，例如一个电池单元，在不同时间测量电压差值ΔV(v-vref)，以比较和计算该值的改变，

·针对一组对象测量电压差值ΔV(v-vref)，以比较该组对象的值的差异，以及

·针对一组对象在不同时间测量电压差值ΔV(v-vref)，以比较/计算该组对象的值的差异或改变。

2、一种设备(ΔVMFC)，其使用差分测量的原理以远高于传统的DCV直接测量的准确度来设置/测量/计算/显示以下内容，：

·对象的电压；

·对象的变化率；

·一组对象的状态差异；以及

·一组对象的变化率和/或变化率差异，其中典型的对象是电池单元。

3、一种设备，其可以设置参考电压Vref并测量/计算和输出/显示以下内容：

·对象的电压，以及

·差值电压，(ΔVMFC)，电压变化率，电压差和电压差变化率的比较。

4、一种设备，其使用ΔOCV/ΔDCIR的原理以远高于传统的Vcell直接测量的准确度来设置/

测量/计算/显示以下内容：

·设置和固定参考电压Vref；

·OCV、Vcell；

·电池单元的SD和SDR；以及

·电池单元的Ro、Rp和Ro+Rp。

5、在电池化成和测试中使用ΔVMFC或ΔOCV/ΔDCIR来进行OCV/DCIR测量和比较。

6、在电池IR测量方面使用ΔDCIR方法和设备代替ACR。

本发明的实施例1是一种用于化成和测试多个电池的方法。该方法包括以下步骤：

化成原始电池(raw battery)；以及

通过以下步骤测试原始电池：

设定参考电压Vref；

在第一时间T1测量ΔOCV1，以及之后在第二时间T2测量ΔOCV2，

计算每个电池的自放电(SD)，其为ΔOCV1和ΔOCV2之间的差值；以及

计算每个电池的自放电率(SDR)，其为SD除以T2和T1之间的差值。

本发明的实施例2，其包括实施例1，且进一步包括通过以下步骤确定该组原始电池中的每个电池的内阻(IR)：

使第一电流I1和第二电流I2通过每个电池，其中I2不等于I1，

测量每个电池单元在将电流I1通过该电池单元时的第一ΔV1＝(V1-Vref)，

测量每个电池单元在将电流I2通过该电池单元时的第二ΔV2＝(V2-Vref)，

计算ΔV为等于(ΔV2-ΔV1)；

计算ΔI为I2-I1；以及

计算IR为等于ΔV/ΔI。

本文描述的实施例仅仅是为了清楚起见的示例并且不旨在限制本发明的范围。本领域的技术人员可以做出其他变化或修改。没有必要也没有办法描述本文描述的差分测量技术的原理的所有可能的实现方式。从本文实施例得到的明显变化或变型仍在本发明的范围内。