用于储能系统诊断的降低的堆电压电路的制作方法

本公开大体上涉及用于储能系统的诊断。

背景技术：

质子交换膜(pem)燃料电池由于其能够在低温下工作的能力以及其重量轻和体积小而成为最重要的燃料电池类型之一。这使得pem燃料电池成为固定式应用和汽车应用中具有竞争力的替代电力源。但是，pem燃料电池的广泛使用取决于其可靠性和成本效益。这些年来，燃料电池行业已经开发出更持久的膜电极组件(mea)以避免故障并延长使用寿命，但是pem燃料电池仍然容易受到氢泄漏的影响，这可能导致性能下降和潜在的安全问题。尽管膜降解的发生可以延迟，但mea出现针孔在现有技术措施下是不可避免的。

由于mea中存在针孔，因此氢可能通过mea从阳极泄漏到阴极。在充足的氢交叉泄漏速率下，由于与阴极侧上的反应物氧直接再结合，燃料电池性能下降。这种再结合影响了用于电化学反应的氧的可用量。在严重的情况下，燃料电池可能遭受燃料和/或空气不足。燃料与氧的直接再结合导致在阴极侧上形成水，由于在阴极中消耗氧和/或水积聚而导致受影响的电池空气不足。

处理mea针孔的现有工作是有限的。weber(adamz.weber，“gas-crossoverandmembrane-pinholeeffectsinpolymer-electrolytefuelcells(聚合物-电解质燃料电池中的气体交叉和膜-针孔效应)”，journalofelectrochemicalsociety(电化学学会学报)，155(6)b521-b531，2008)开发了数学模型来模拟pem燃料电池中针孔的效应。weber的研究示出了电池电压和电流密度的性能下降。lin等人(r.lin，e.gülzow，m.schulze和k.a.friedrich，“investigationofmembranepinholeeffectsinpolymerelectrolytefuelcellsbylocallyresolvedcurrentdensity(通过局部解析的电流密度研究聚合物电解质燃料电池中的膜针孔效应)”，journaloftheelectrochemicalsociety(电化学学会学报)，158(1)b11-b17，2011)也考虑到电流密度的下降。氢泄漏也可以通过监测漏电流的增加和电压下降来检测(soshinnakamura，eiichikashiwa，hideouoshisasou，suguruhariyama，tsutomuaoki，yasujiogami和hisaonishikawa，“measurementofleakcurrentgenerationdistributioninpefcanditsapplicationtoloadfluctuationtestingunderlowhumidification(pefc中漏电流产生分布的测量及其在低加湿下负载波动测试中的应用)”，electricalengineeringinjapan(日本电气工程)，vol.174，no.1,2011(第47卷，第1期，2011)；b.t.huang，y.chatillon，c.bonnet，f.lapicque，s.leclerc，m.hinaje，s.relel，“experimentalinvestigationofpinholeeffectonmea/cellaginginpemfc(关于pemfc中mea/电池老化的针孔效应的实验研究)”，internationaljournalofhydrogenenergy(氢能国际学报38：543-550，2013)。然而，通过测量电池电压来检测小的氢泄漏可能不可行，其中随着泄漏率的逐渐增加，电压降低最小。

这些研究也只处理了单个小尺寸的mea。在实际的工业应用中，使用包含多个串联单元电池的较大堆来提供大量的电力；即几十千瓦的量级。由于尺寸大且缺乏适当的模型，这种尺寸的堆需要能够检测操作中的氢泄漏并且有效地量化氢泄漏率的诊断工具。了解燃料电池运行期间氢泄漏的量或速率可能有助于建立缓解标准，以降低其对堆性能的影响。

词语“诊断”通常意指检测、隔离和故障识别。通过使用电化学阻抗谱(eis)可以检测到pem电池中不同速率的氢交换泄漏。

神经网络用于故障诊断，用于表示燃料电池系统的复杂行为，而不需要推导出数学模型(参见例如：n.yousfi-steiner，d.candusso，d.hissel，ph.mocoteguy，“model-baseddiagnosisforprotonexchangemembranefuelcells(用于质子交换膜燃料电池的基于模型的诊断)”，mathematicsandcomputersinsimulation(数学与计算机模拟)81：158-170，2010；justolobato，pablocanizares，manuela.rodrigo，josej.linares，ciprian-georgepiuleac，silviacurteanu，“theneuralnetworksbasedmodelingofapolybenzimidazole-basedpolymerelectrolytemembranefuelcell:effectoftemperature(基于神经网络的聚苯并咪唑类聚合物电解质膜燃料电池的建模：温度的影响)”，journalofpowersources(电源杂志)192：190-194，2009)。由于阻抗特征的一致模式和输入到神经网络中的大型数据集，可以评估泄漏率对燃料电池系统的影响，而不需要事先知晓所遇到的内部质量和热传递。

电化学阻抗谱(eis)是可用于对dc电力产生装置执行宽频率范围的阻抗测量的实验技术。eis的主要优点是可以在频域中解决负载条件下影响整个pem燃料电池性能的个体贡献(参见c.brunetto，a.moschetto，g.tina，“pemfuelcelltestingbyelectrochemicalimpedancespectroscopy(通过电化学阻抗谱测试pem燃料电池)”，electr.powersyst.res.79：17-26，2009)。氢泄漏对单个电池的影响使用eis方法评估。为了确定不同氢泄漏率下的阻抗行为，将阴极中降低的氧浓度阻抗特征与氢泄漏的阻抗特征进行比较并且因此映射到氢泄漏的阻抗特征。然后将这些故障阻抗特征用于检测堆中的反向潜在故障或其结果。

eis通常使用频率响应分析器(fra)将小的ac电压或电流扰动信号施加到电池，并在宽频率范围内测量其输出信号。通过在每个特定频率下将电压除以电流而以幅值和相位角的形式来计算阻抗。阻抗谱能够表征材料的许多电特性及其与电极的界面。这种能力使得eis技术广泛用于pem燃料电池的建模和诊断，其中，可以通过将阻抗谱拟合到等效电路模型的参数中而区分影响电池性能的个体贡献。文献中已经提出具有不同配置、部件和复杂程度的电路。

例如，在可能具有约300-800伏特(v)的工作电压的动力型dc电力产生装置中，以这样的高电压执行诊断可能提供不充分的高电压与低电压隔离，并且需要使用相对高的成本、较高电压的信号处理电子器件。

技术实现要素：

因此，本发明人已经确定，提供诸如燃料电池系统或电池模块的dc电力产生装置的降压表示将是有利的，其允许诊断系统有效地操作，同时减少或消除高压电击的危险，改进堆高电压与低电压的隔离，并且允许使用低成本、低电压的信号处理电子器件。

在使用中将直流(dc)电源联接到交流(ac)信号诊断系统的低电压接口，所述dc电源包括正节点，所述ac信号诊断系统包括将ac信号施加到dc电源的诊断信号输出节点，所述ac信号诊断系统还包括测量输入节点，所述低电压接口可被总结为包括接口输入节点、第一接口输出节点和降压电路，其中，接口输入节点可电联接到dc电源的正节点，第一接口输出节点可电联接到ac信号诊断系统的测量输入节点，降压电路电联接到接口输入节点和第一接口输出节点，所述降压电路：可经由接口输入节点从dc电源接收输入电压，所述输入电压包括dc分量和ac分量；可减小输入电压的dc分量而基本上不影响输入电压的ac分量的幅值或相位，或者减小输入电压的dc分量并对输入电压的ac分量进行恒定放大或恒定相移，从而提供测量电压；以及可经由第一接口输出节点将测量电压提供到ac信号诊断系统的测量输入节点。

所述降压电路可包括串联电联接在接口输入节点与第一接口输出节点之间的dc电压源，以及所述降压电路可在接口输入节点与第一接口输出节点之间维持零相位或恒定相位。对于频率在0.01hz和5000hz之间的ac信号，降压电路可减小输入电压的dc分量而基本上不影响输入电压的ac分量的幅值或相位，或者减小输入电压的dc分量并对输入电压的ac分量进行恒定放大或相移。降压电路可包括与偏置电流源串联电联接的至少一个电阻器。降压电路可包括与偏置电流源串联电联接的至少一个齐纳二极管。降压电路可包括与偏置电流源串联电联接的vbe倍增器电路。偏置电流源可提供相对于输出电压的零相位或恒定相位电流响应。降压电路可包括以下之一：与偏置电流源串联电联接的至少一个电阻器；与偏置电流源串联电联接的至少一个齐纳二极管以及与偏置电流源串联电联接的vbe倍增器电路，偏置电流源的输入阻抗比所述至少一个电阻器或所述至少一个齐纳二极管或所述vbe倍增器电路的阻抗大至少10倍。降压电路可将输入电压的dc分量减小到小于60伏特的电压。第一接口输出节点可电联接到ac信号诊断系统的负载或由dc电源驱动的系统负载中的至少之一。降压电路可包括第二接口输出节点，所述第二接口输出节点可电联接到ac信号诊断系统的诊断信号输出节点，其中：所述降压电路减小输入电压的dc分量而基本上不影响输入电压的ac分量的相位，或者减小输入电压的dc分量并对输入电压的ac分量进行恒定相移，或者减小输入电压的dc分量而基本上不影响诊断信号输出节点的ac分量的幅值，从而提供降低的电压；以及经由第二接口输出节点将降低的电压提供到ac信号诊断系统的诊断信号输出节点。降压电路可包括串联电联接在接口输入节点与第二接口输出节点之间的至少一个电阻器。降压电路可包括串联电联接在接口输入节点与第二接口输出节点之间的至少一个齐纳二极管。降压电路可包括串联电联接在接口输入节点与第二接口输出节点之间的受控电压源或恒定电压负载组中的至少之一。减小输入电压的dc分量可包括将输入电压施加到具有电流源的电路，所述电流源具有相对于输出电压的零相位或恒定相位电流响应。降压电路可包括具有主动相位补偿或被动相位补偿中的至少之一的受控电压源。

直流(dc)电力系统可被总结为包括dc电源、交流(ac)信号诊断系统和低电压接口，其中，dc电源包括正节点，交流(ac)信号诊断系统包括将ac信号施加到dc电源的诊断信号输出节点，ac信号诊断系统还包括测量输入节点，低电压接口包括电联接到dc电源的正节点的接口输入节点、电联接到ac信号诊断系统的测量输入节点的第一接口输出节点以及电联接到接口输入节点和第一接口输出节点的降压电路，所述降压电路：可经由接口输入节点从dc电源接收输入电压，所述输入电压包括dc分量和ac分量；可减小输入电压的dc分量而基本上不影响输入电压的ac分量的幅值或相位，或者减小输入电压的dc分量并对输入电压的ac分量进行恒定放大或恒定相移，从而提供测量电压；以及可经由第一接口输出节点将测量电压提供到ac信号诊断系统的测量输入节点。

dc电源可包括燃料电池堆。ac信号诊断系统可包括电化学阻抗谱(eis)系统。

一种方法可被总结为包括：在低电压接口的电联接到直流(dc)电源的正节点的接口输入节点处接收输入电压，所述输入电压包括dc分量和ac分量；减小输入电压的dc分量而基本上不影响输入电压的ac分量的幅值或相位，或者减小输入电压的dc分量并对输入电压的ac分量进行恒定放大或恒定相移，以产生测量电压；以及经由电联接到ac信号诊断系统的测量输入节点的第一接口输出节点将测量电压提供到ac信号诊断系统的测量输入节点，ac信号诊断系统包括在使用中将ac信号施加到dc电源的诊断信号输出节点。

减小输入电压的dc分量可包括：将输入电压施加到具有串联电联接在接口输入节点与第一接口输出节点之间的dc电压源的电路，以及在接口输入节点与第一接口输出节点之间维持零相位或恒定相位。减小输入电压的dc分量可包括将输入电压施加到具有与接口输入节点和第一接口输出节点串联电联接的至少一个电阻器的电路。减小输入电压的dc分量可包括将输入电压施加到具有与接口输入节点和第一接口输出节点串联电联接的至少一个齐纳二极管的电路。减小输入电压的dc分量可包括将输入电压施加到具有与接口输入节点和第一接口输出节点串联电联接的vbe倍增器电路的电路。减小输入电压的dc分量可包括将输入电压施加到具有电流源的电路，所述电流源具有相对于输出电压的零相位或恒定相位电流响应。减小输入电压的dc分量可包括将输入电压施加到具有以下之一的电路：与接口输入节点和第一接口输出节点串联电联接的至少一个电阻器，与接口输入节点和第一接口输出节点串联电联接的至少一个齐纳二极管或者与接口输入节点和第一接口输出节点串联电联接的vbe倍增器电路，以及减小输入电压的dc分量可包括将输入电压施加到具有电流源的电路，所述电流源具有相对于输出电压的零相位或恒定相位的电流响应或者所具有的输入阻抗比所述至少一个电阻器或所述至少一个齐纳二极管或所述vbe倍增器电路的阻抗大至少10倍。减小输入电压的dc电流可包括将输入电压的dc分量减小到小于60伏特的电压。所述方法还可包括：减小输入电压的dc分量而基本上不影响输入电压的ac分量的相位，或者减小输入电压的dc分量并对输入电压的ac分量进行恒定相移，或者减小输入电压的dc分量而基本上不影响诊断信号输出节点的ac分量的幅值，以产生降低的电压；以及经由第二接口输出节点将降低的电压提供到ac信号诊断系统的诊断信号输出节点。减小输入电压的dc电流可包括：将输入电压施加到包括串联电联接在接口输入节点与第二接口输出节点之间的受控电压源或恒定电压负载组中的至少之一的电路。将输入电压施加到电路可包括：将输入电压施加到包括具有主动相位补偿或被动相位补偿中的至少之一的受控电压源的电路。

附图说明

在附图中，相同的附图标记标识相同的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些可以被放大和定位以提高附图易读性。此外，所绘制的元件的特定形状不一定旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且可能已经被单独选择以便于在附图中识别。

图1是根据一个示出的实施方式的dc供电装置的示意图，该dc供电装置包括联接在直流(dc)电源和诊断系统之间的低电压接口。

图2是根据一个示出的实施方式的dc供电装置的示意图，该dc供电装置的示意图包括联接在dc电源和诊断系统之间的低电压接口。

图3是根据一个示出的实施方式的低电压接口的包括多个串联连接的齐纳(zener)二极管的纯dc降压电路的示意图。

图4是根据一个示出的实施方式的低电压接口的包括vbe倍增器电路的纯dc降压电路的示意图。

图5是根据一个示出的实施方式的低电压接口的降压电路的示意图。

图6是根据一个示出的实施方式的示出用于降压测量实现方式和用于高电压测量实现方式的eis轮廓特征的比较的曲线图。

图7是根据一个示出的实施方式的示出作为频率的函数的降压测量实现方式的测量误差的百分比的曲线图。

图8是根据一个示出的实施方式的展现高达几千赫兹的零相位的二端电流源的示意图。

图9是根据一个示出的实施方式的展现高达几千赫兹的零相位的高阻抗电流源的示意图。

图10是根据一个示出的实施方式的包括主动相位补偿的电流源的示意图。

图11是根据一个示出的实施方式的包括联接在dc电源和诊断系统之间的低电压接口的诊断测试设置的示意图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对各种公开的实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下或者利用其它方法、部件、材料等来实践实施方式。在其它情况下，未详细示出或描述与dc电源、系统或电路和/或分析器相关联的公知结构以避免不必要地使实施方式的描述模糊。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和后续的权利要求书中，词语“包括(comprising)”与“包括(including)”同义，并且是包含性的或开放性的(即不排除另外的未列举的元件或方法动作)。

在本说明书全文中，对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，在本说明书全文中各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”并不一定全部指相同的实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施方式中。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，除非内容明确地另外指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。还应该注意的是，除非内容明确地另外指出，否则术语“或”通常以包括“和/或”的含义使用。

本文中提供的本公开的标题和摘要仅是为了方便，并不解释实施方式的范围或含义。

本公开的实施方式涉及用于降低储能装置或dc电源(例如，燃料电池堆、电池)的电压的系统和方法，所述储能装置或dc电源供应到一个或多个ac信号诊断系统而不影响由所述一个或多个诊断系统获得的测量结果。这样的操作在利用较低成本部件的同时提供了执行高级分析(例如，eis、频率分析)的可靠而有效的方法。

图1示出了诸如电动车辆、电网、备用电力系统等的dc供电装置或系统100的各种部件的示意图。dc供电装置100包括dc电源102，诸如燃料电池堆或电池堆。dc供电装置100可以向联接到dc电源102的dc系统负载104供应电力。具体地，dc电源102的正节点114可选地经由低通滤波器105联接到dc系统负载104的正节点126。dc电源102的负节点118联接到dc系统负载104的负节点128。例如，dc系统负载104可例如是电动马达或其它合适的dc负载。

dc供电装置100还包括ac信号诊断系统106(诸如eis系统或总谐波失真分析(thda)系统)，其被用于经由叠加ac电流和负载产生器108向dc电源102施加小幅值ac信号。这样的系统的非限制性示例包括具有一个或多个电子负载模块(例如，型号plz664wa)的kikusui型号kfm2150fc阻抗计或者具有型号为si1255hf的频率响应分析器的solartron型号1286电化学接口。由诊断系统106的测量子系统110分析dc电源102的ac电压和电流响应，以确定dc电源在一个或多个频率下的一个或多个特性(例如，阻抗)。在一些实施方式中，可以利用eis来识别和量化dc电源102内发生的各种物理化学过程。

如以下进一步讨论的，ac信号分析被用于评估dc电源102的健康，并且在一些实施方式中，被用于识别存在不想要的混合ac/dc电路，例如识别是否有ac泄漏从ac电路进入高电压直流(hvdc)总线电路。通过使用本文所公开的技术将诊断系统106移动到低电压dc(lvdc)，因设备故障或由于维护期间的人为错误而导致失去hvdc隔离的可能性大大降低。此外，由于诊断系统106在较低电压下运行，所以诊断设备内故障的可能性也降低。

dc供电装置102包括低电压接口112，其包括电联接在dc电源102的正节点114和诊断系统106的降压测量节点116之间的零相位或恒定相位纯dc降压电路a。具体地，电路a包括电联接到dc电源102的正节点114的输入节点a1、电联接到诊断系统106的降压测量节点116的输出节点a2和电联接到dc电源的负节点118的节点a3，节点a3电联接到接地参考120。

低电压接口112还包括电联接在dc电源的正节点114和诊断系统106的正输出节点122之间的零相位或者恒定相位降压电路b，诊断系统106的正输出节点122提供恒定ac增益的叠加ac电流信号。具体地，电路b包括电联接到dc电源102的正节点114的输入节点b1和电联接到诊断系统106的正输出节点122的输出节点b2。诊断系统106的负输出节点124电联接到接地参考120。

根据所获得的特定类型的测量和/或根据包括在诊断系统106中的特定设备，电路a和b可以分开使用或一起使用。在图1中，电压v1是dc电源102的正节点114处相对于dc电源的负节点118处的电压v4(其在此所示的实施方式中也是接地参考120)的电压。电压v2是来自电压v1的在输出节点a2处由电路a提供的经降低的电压，电压v3是来自电压v1的由电路b的输出节点b2提供的经降低的电压。

虽然电路a或b中可能发生部件故障，但使用降低的电压和低电流(特别是在电路a中)使得它们本质上更可靠。在发生故障的情况下，hvdc隔离的损失并不明显，并且通过简单地监测它们的输出电压来更容易地检测和隔离电路a或b中的故障。

电路a仅减小电压v1的dc分量而(基本上)不影响电压v1的ac分量的幅值或相位，和/或仅引入对电压v1的ac分量的恒定放大或相移(即，电路a具有基本上为零的电抗，并且理想地基本上为零的电阻)。这可以通过电路a在dc电源102的正节点114和诊断系统106的测量输入节点116之间提供串联dc电压源来实现。电路a的存在于输出节点a2处的输出(即，电压v2)具有与电压v1中存在的ac分量基本上相同的ac分量，但具有明显较低的dc电压。例如，电压v2的dc分量可以小于60v(例如，20v、30v、40v)，而电压v1的dc分量可以大于300v(例如，500v、800v)。相反，电路a可能对电压v1的ac分量的幅值或相位基本上没有影响(例如，对幅值影响0-15％，对相位影响0-3度)。

由于电路a专门针对诊断系统106的测量而降低电压v1，因此与流过dc系统负载104的电流相比，流过电路a的电流较小。因此，电路a可以独立地或经由节点x直接地从dc电源102供电，其中节点x将电路a的节点a3电联接到接地参考120。如以下进一步讨论的，电路a的零相位或恒定相位属性应适用于诊断系统106所需的频率范围(例如，0.01hz至2khz、0.01hz至5khz、0.01hz至10khz)。

电路b进行操作以将电压从电压v1降低到电压v3而不影响相位元素，或者相移恒定值，和/或不影响诊断信号的ac分量的幅值。与电路a相反，当诊断信号是电流时，电路b可以改变电压v1的ac分量的幅值以提供电压v3。由于二端电路b与由诊断系统106的叠加ac电流和负载产生器108提供的电流控制负载串联，所以可以使用电阻部件。为了确保节点b2处的低电压(即使当断开诊断系统106时)，电阻部件也可以与恒流源联接，例如，电阻部件可以经由节点y联接到接地参考120。

对于较宽范围的负载电流，可以使用受控电压源或恒定电压负载组(例如，参见图5)。在一些实施方式中，受控电压源或负载组可以是双节点电路(例如，节点b1和b2)。在一些实施方式中，电路b可以可选地经由节点y使用电接地参考120。

针对开关型系统负载104(例如，dc-dc转换器或逆变器)，可以包括可选的低通滤波器(lpf)105。

在图1中所示的实施方式中，由于在测量期间使用系统负载104，因此大部分dc电力由该负载而不是诊断系统106处理，这允许使用相对较小的诊断系统。

将注意的是，如果系统负载104为开关型，则来自这些类型负载的ac电流泄漏可能影响测量精度。然而，这不是与本公开的降压eis/ac分析技术有关的问题，而是测量本身的性质。虽然这些开关型负载的工作频率通常高于包含燃料电池堆健康数据的测量频率，但存在不想要的ac分量仍可能影响测量结果。在一些实施方式中，这可以通过图1的lpf105适当地对负载进行滤波和/或通过使用更宽的测量窗口并且使用测量窗口的平均值或中值作为数据点来减轻。

在诸如测试实施方式的一些实施方式中，可以使用本文公开的系统和方法通过增加现有测试设备的电压容量或通过允许在更高电压的堆上使用较低电压的诊断设备来改进现有测试设备。例如，图11示出了诊断测试设置1100的示意图，其包括联接在dc电源102和诊断系统1102之间的低电压接口112。在该实施方式中，诊断系统1102包括dc负载单元1104。对于窄范围的负载电流，低电压接口112的电路b可以使用电阻器(例如，无感电阻器)来实施。对于较宽范围的负载电流，可以使用受控电压源或恒定电压负载组(例如，参见图5)。应理解的是，图11的诊断系统1102也可以与图2所示和以下讨论的单个零相位或恒定相位纯dc降压电路c一起使用。

图2示出了另一实施方式的dc供电装置200的各部件的示意图。dc供电装置200在很多方面类似于图1的dc供电装置100，因此为了简洁起见，不提供对类似或相同部件的讨论。

在图2所示的实施方式中，电路a和b被单个零相位纯dc降压电路c取代。电路c包括电联接到dc电源102的正节点114的输入节点c1以及电联接到诊断系统106的正节点122和诊断系统的测量输入节点116的输出节点c2。类似于图1的电路b，电路c可以包括恒定电压负载组或电压源。电路c的具有电压v5的输出节点c2具有与电压v1中存在的ac分量相同的ac分量，但是具有明显较低的dc电压分量(例如，50v与300v)。在一些实施方式中，受控电压源或负载组可以是双节点电路(例如，节点c1和c2)。在一些实施方式中，电路c可以可选地经由节点y使用电接地参考120。

由于测量信号z直接从负载线的降压侧(即，电压v5)馈送到诊断系统106的测量输入节点116，因此对于诊断系统106所需频率范围以及在期望负载下，电路c应满足零相移属性。例如，诊断系统106可能需要处于0.01hz与2khz之间、处于0.01hz与5khz之间等的频率范围。

将注意的是，在所述测量的负载很小或几乎不需要关注的情况下，以上讨论的图1的实施方式具有仅使用低功率电路a的灵活性。此外，高电流电路b不需要具有几乎为零的等效电阻，因此可以使用无感电阻器来实施，从而实现有成本效益且简单的解决方案。此外，即使需要使用受控电压源或恒定电压负载组来代替无感电阻器，这些单元的等效电阻也不受关注。通常，仅仅重要的是电路的等效串联电抗保持为零或基本上为零。这种电路的设计比较简单，而且对于宽范围负载来说更为通用。在图2的实施方式中，针对负载和测量信号二者使用单个电路(即，电路c)提供了统一的解决方案和较小的封装(footprint)，并且简化了布线。

图3示出了可以被实施为实现图1的电路a的操作的电路a'。与图1的电路a类似，电路a'包括节点a1、a2和a3。电路a'包括与使齐纳二极管偏置的高阻抗和/或零相位或恒定相位电流源cs串联连接的多个齐纳二极管d1至dn。电流源cs包括联接到节点a2的第一节点csp和联接到节点a3的第二节点csn。

齐纳二极管d1至dn接收电压v1(图1)并且将电压v1的纯dc分量降低到电路a'的输出节点a2，输出节点a2被馈送到如图1所示的诊断系统106的测量输入节点116。高阻抗电流源cs使齐纳二极管d1至dn偏置，使得齐纳二极管两端的dc电压降基本上恒定。实际上，可以选择齐纳二极管d1至dn的数量来实现期望的dc电压降。例如，根据期望的dc电压降低的量和由每个齐纳二极管提供的电压降低的量，所使用的齐纳二极管的数量可以是1、3、10、20等。由电流源cs提供的电流可以取决于在电路a'中使用的齐纳二极管的具体类型和数量。在一些实施方式中，电流源cs提供具有在5ma和100ma之间的幅值的电流。

齐纳二极管d1至dn可以是任何合适的齐纳二极管。通常，齐纳电压低于5.6v的齐纳二极管主要使用电子量子隧穿机制，并且倾向于具有低于“理想”的齐纳行为。这意味着在导通期间内部电阻相对较高，这会降低整个系统的响应。具有非常高齐纳电压(例如，30v以上)的齐纳二极管具有高得多的温度系数。这影响电压降低的量，并可能在窄电压裕度(margin)的情况下引起问题。此外，由于雪崩机制和电子量子隧穿机制二者是有效的并且对所述装置具有相反的温度系数效应，因此在低压二极管处补偿温度系数更容易。前者可能影响降压电路的功能，但后者不影响所述电路的功能。

通常，如果导通期间二极管的等效ac电阻高，则可能降低性能。这不仅取决于电压范围而且取决于制造过程。

图4示出了可以被实施为实现图1的电路a的操作的电路a”。电路a”包括与图1的电路a的节点a1、a2和a3对应的节点a1、a2和a3。电路a”还包括与图3所示的零相位高阻抗电流源cs串联连接的vbe倍增器电路400。vbe倍增器电路400包括一对电阻器r1和r2以及晶体管402。晶体管402是复合结构，其包括连接在一起的两个双极晶体管(集成或分开的器件)，使得由第一晶体管放大的电流被第二晶体管进一步放大，这比每个晶体管单独提供了高得多的公共/发射极电流增益。在至少一些实施方式中，晶体管402是达林顿(darlington)晶体管。在一些实施方式中，vbe倍增器电路可以使用一个或多个晶体管而不是图4中所示的晶体管402来实施。为了增加电路的电压处理能力，vbe倍增器可以通过堆叠被三个或更多个串联连接的电阻器的网络偏置的两个或更多个晶体管而布置成共源共栅配置。类似地，可以实施vgs倍增器，其中，晶体管402是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

电阻器r1和r2串联电联接以形成分压器，所述分压器为晶体管402的基极b设置电压。分压器的输出电压vbe可以表示为：

vbe＝(r2/(r1+r2))*vce

由于电压vbe由晶体管402的基极-发射极结的正向电压决定，所以电压vce调整为满足以下关系：

vce＝((r1+r2)/r2)*vbe

因此，vbe倍增器电路400的正向电压降(为电压vce)是vbe电压的倍数。可以选择电阻器r1和r2的值的比率以获得电压vce的期望值。在一些实施方式中，两个电阻器r1和r2可以实施为可由vbe倍增器控制器404控制的一个或多个可变分压器(“微调器”)，使得由vbe倍增器电路提供的电压降可被调整以提供期望的dc电压降。在这样的实施方式中，可以控制可变分压器以在电路a”的节点a2处提供所选的dc电压电平。

实际上，在一些方面，图4的电路a”可能比图3的电路a'有优势。例如，由于电压vce与电压vbe成比例并且电压vbe仅随电流略微改变，因此vbe倍增器电路400在其电流改变时保持几乎恒定的正向电压降。此外，vbe倍增器电路400可以补偿晶体管的温度系数以及大信号特性的厄利(early)效应。

作为非限制性示例，在一些实施方式中，根据期望的电压降，电阻器r1可以具有8.5kω的值，电阻器r2可以具有120ω的值。晶体管402可以例如是型号为2sd2390的晶体管。晶体管402的额定值(rating)可以由期望的电压降和通过电路的电流来确定。电压由系统的电压额定值来确定。就电流而言，通常，优选的，集电极-发射极电流越高，vbe倍增器的ac阻抗越低。但是，通过增加电流，电流源的内部阻抗可能变低，这是不期望的。因此，需要将这种权衡考虑在内。注意，具有强负反馈的电流源(即，图10的电流源1000)的ac阻抗较少受电流增加的影响。晶体管402的增益也是重要的，较高的增益为倍增器产生更好的“理想”的齐纳式行为。也可以使用mosfet，但是由于较低的跨导，双极结型晶体管(bjt)可能是优选的。

图5示出了可以实施为分别实现图1和图2的电路b和c中的任一个的操作的电路b'/c'。电路b'/c'包括呈mosfetq1形式的通路(pass)元件，其与负载线输入节点b1/c1(见图1和2)和负载线输出节点b2/c2两端的二极管da反并联联接。电路b'/c'包括控制元件500，控制元件500包括运算放大器op1、参考电压源502以及反馈电阻器r3和r4，其中反馈电阻器r3和r4改变mosfetq1的电阻使得从负载线输入节点b1/c1到负载线输出节点b2/c2的电压降保持恒定而无论输入电压和负载如何。参考电压源502的输出电联接到运算放大器op1的反相节点，反馈电阻器r3和r4的输出节点504电联接到运算放大器的正节点。运算放大器op1的输出节点电联接至mosfetq1的栅极节点。

电路b'/c'可以使用dc电源102(图1)自身的电压来操作，或者可以使用独立的电力供应来消除可能的干扰。此外，可以从高增益或达林顿bjt、绝缘栅双极型晶体管(igbt)或其它合适的部件中选择通路元件来代替mosfetq1。由于电路b'/c'中的高耗散功率，多个通路元件(例如，多个mosfet)可以并联联接，每个都具有专用的源极/发射极电阻rs，以提高电路的电力处理能力。对于在体内具有二极管的晶体管(例如，mosfet、一些达林顿bjt、大多数igbt)，可以省略反并联二极管da。在一些实施方式中，如果通路元件(例如，mosfetq1)两端的电压降处于运算放大器op1的操作区域中，则可以省略反馈网络电阻器r4并且r3短路。

电路b'/c'还可以包括可选的相位补偿电路506，如图5所示。相位补偿电路506可以通过将一个或多个极点引入到反馈电路而被动地或主动地实施。

在一些实施方式中，晶体管q1可以是mosfet(例如，型号irfp250)或bjt(例如，mjl3281)。电压额定值可以由系统电压决定，电流额定值可以由负载(包括ac叠加电流)确定，两者都具有安全裕度。增益(或跨导)越高，系统的ac阻抗(理论上)越低。

在一些实施方式中，电阻器rs可以具有0.01ω的值，并且可以是无感型电阻器。例如，电阻器r3可以具有82kω的值，以及电阻器r4可以具有1kω的值。通常，优选的，电阻器r3和r4的温度系数较低。如果使用相位补偿，则电阻器r3和r4通常可以具有非常低的有效补偿容差(例如，0.1％容差)。

图6是示出本文所讨论的用于降压测量实现方式和用于高电压测量实现方式的eis轮廓特征的比较的曲线图600。图7是示出作为频率的函数的本公开的降压测量实现方式的测量误差的百分比的曲线图700。如图6和图7中所示，降压测量紧密跟踪高电压测量。

图8、图9和图10分别示出了可以用来实施图3和图4所示的零相位和/或高阻抗电流源cs的三个电流源800、900和1000的示意图。

首先参照图8，电流源800是具有节点csp和节点csn的双节点装置，所述节点csp和节点csn分别与图3和图4的电流源cs的节点csp和csn对应。电流源800包括多个分立的bjt晶体管q2至q6和多个电阻器r5至r7。

晶体管q4、q5和q6以及电阻器r7共同为q4建立独立供应的电流。晶体管q2和q3以及电阻器r5和r6形成反映流经晶体管q4的电流的电流镜，然后通过晶体管q2、q5和q6将电流再次馈送回电路。电阻器r5和r6可以相同并且提供负反馈，这使得晶体管q2和q3的vbe轮廓之间的任何差异最小化。

启动电路块802被用于启动电流源800，这是因为在电流源启动时，没有电流初始通过晶体管q4。启动电路块802仅在电流源电路800中建立设置电流之前起作用。

作为非限制性示例，晶体管q2和q3可以是型号2sa1667晶体管，晶体管q4可以是型号2sc4381晶体管，并且晶体管q5和q6可以是型号2sc3902晶体管。例如，电阻器r5和r6可以具有33ω的值，并且电阻器r7可以具有56ω的值。

图9的电流源900在许多方面类似于图8的电流源800，因此为了简洁起见，未提供所述两个电流源之间的相同部件的讨论。电流源900具有比电流源800更大的阻抗。例如，电流源900可以具有比电流源800的阻抗大10至100倍的阻抗。

除了电流源800的部件之外，电流源900还包括晶体管q7至q11以及电阻器r8和r9。晶体管q4是与晶体管q5至q7和齐纳二极管dz1一起建立通过电阻器r7和r8的电流的主晶体管。电阻器r8和r9可以是相同的。可替代地，如果期望在输出处具有电流倍增，则电阻器r8和r9可以具有彼此不同的电阻。

如图9所示，电流源900包括包含晶体管q5至q7和齐纳二极管dz1的支路。三个晶体管q5、q6和q7中的第一个对晶体管q4的电压vbe进行补偿。晶体管q6和q7对晶体管q8和q9的电压vbe进行补偿。齐纳二极管dz1、r7和r8用于建立电流。因此，通过晶体管q4的电流等于dz1的电压除以电阻器r7和r8的总和。

晶体管q8至q11形成共源共栅配置中的电流镜，其增加了电流源900的输出阻抗。

如图9所示，电流源900需要另外的电压供应vcc来操作，这与图8的双节点电流源800相反。电压供应vcc可以直接从dc电源102(图1)获得或者可以从单独的电源获得。在一些实施方式中，例如，电压供应vcc被设置在12v和24v之间。

作为非限制性示例，晶体管q2和q3可以是型号2sa1667晶体管，晶体管q4和q8至q11可以是型号2sc4381晶体管，以及晶体管q5至q7可以是型号2sc3902晶体管。齐纳二极管dz1可例如具有6.8v的齐纳电压。例如，电阻器r5和r6可以具有33ω的值，电阻器r7可以具有270ω的值，以及电阻器r8和r9可以具有10ω的值。

有利地，电路800和900针对温度漂移进行补偿并且独立于所述供应电压。

图10示出了作为具有主动相位补偿的可调电流源的电流源1000。电流源1000包括控制运算放大器op2和可选的反馈运算放大器op3(例如，型号lt1632)。电流源1000还包括mosfetq12、电阻器r10至r13和电流设置点块1002。作为非限制性示例，mosfetq12可以是型号irf610的mosfet-n晶体管。晶体管q12也可以用bjt晶体管(例如，型号fjaf4310)或bjt达林顿晶体管(例如，型号2sd2390)代替。例如，电阻器r10可以是100ω，电阻器r11和r12可以是10kω，以及电阻器r13可以是10ω。电阻器r11和r12可以具有低容差(例如，0.1％或更好)，并且电阻器r13可以是无感的。电流源1000包括节点csp和节点csn，其分别对应于图3和图4的电流源cs的节点csp和csn。

控制运算放大器op2通过电阻器r10控制晶体管q12，电阻器r10用于改善电路对晶体管q12的栅极的容性负载的稳定性。流过晶体管q12的电流的反馈由感测电流的电阻器r13提供，并且经由运算放大器op3将反馈发送到运算放大器op2的反相输入。在一些实施方式中，晶体管q12可以用高增益或达林顿bjt代替。

电流设置点块1002向运算放大器op2的非反相输入端提供参考电压vref。运算放大器op2控制通过q12的输出电流，以实现r13两端的感测电压等于设置点参考电压vref。换句话说，输出电流等于由电阻器r13分压的参考电压vref。

反馈运算放大器op3及其相关电路(即，电阻器r11和r12)为电流源1000提供主动相位补偿。特别地，运算放大器op3用于消除控制运算放大器op2的极点。

在一些实施方式中，运算放大器op2和op3由相同封装(例如，单片双运算放大器封装，例如型号lt1632)中的相同晶片形成，使得它们的物理特性几乎相同。在这种情况下，运算放大器op2的零点和运算放大器op3的零点几乎是相同的。类似地，运算放大器op2的极点和运算放大器op3的极点也几乎相同。因此，运算放大器op3可以配置为使得控制运算放大器op2的极点被抵消，并且电流源1000的零相位属性可以被扩展到相对较高的频率(例如，5khz、10khz)，这对于某些测量可能是期望的。

在一些实施方式中，电流源1000可以利用被动相位补偿来代替主动相位补偿。在一些实施方式中，电流源1000可以使用与solimana.m和ismailm.，activecompensationofopamps(运算放大器的主动补偿)，ieeetransactionscircuitsandsystems(ieee会报电路和系统)，26，1979，112-117中描述的主动补偿电路类似或相同的主动补偿电路。

前面的详细描述已经通过使用框图、示意图和示例阐述了装置和/或过程的各种实施方式。只要这样的框图、示意图和示例包含一个或多个功能和/或操作，本领域技术人员将会理解，可以通过各种硬件、软件、固件或者实际上它们的任何组合来单独地和/或共同地实施此类框图、流程图或示例中的每个功能和/或操作。在一个实施方式中，本主题可以通过专用集成电路(asic)来实施。然而，本领域技术人员将认识到，本文公开的实施方式可全部或部分地在标准集成电路中等效地实施为在一个或多个计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实施为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)、实施为在一个或多个控制器(例如，微控制器)上运行的一个或多个程序、实施为在一个或多个处理器(例如，微处理器)上运行的一个或多个程序、实施为固件或者实际上实施为它们的任何组合，并且根据本公开设计电路和/或针对软件和/或固件编写代码将完全在本领域普通技术人员的技能范围内。

本领域技术人员将认识到，本文阐述的许多方法或算法可以采用附加的动作，可以省略一些动作和/或可以以与所指定的顺序不同的顺序来执行动作。

以上描述的各种实施方式可以被组合以提供进一步的实施方式。在不违反本文具体教导和定义的范围内，本说明书中提及的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物(包括2014年2月19日提交的序列号为61/941,927的美国临时专利申请、2015年2月19日提交的第pct/us2015/016698号国际专利申请以及2015年7月17日提交的序列号为62/194,073号的美国临时专利申请)通过引用以其整体并入本文。如果必要的话，可以修改实施方式的各方面以采用各种专利、申请和出版物的系统、电路和构思来提供进一步的实施方式。

根据以上详细描述，可以对这些实施方式作出这些和其它改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求书中公开的具体实施方式，而应该被解释为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求所授予的等同的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。