CN108445399A - 用于测量电池内部状态的传感器*** - Google Patents

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林辛凡
本杰明·A·塔巴托斯基-布什
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Abstract

本公开涉及用于测量电池内部状态的传感器***。描述了用于感测车辆电池的内部状态的***和方法。根据该内部状态信息，可测量、计算或推断出电池的各种物理特性。一种车辆可包括电动马达、电池和传感器，所述电池用于储存用于所述电动马达的电能，所述传感器连接到所述电池以感测电池状态、接收输入信号并且无线地发送指示电池状态的输出信号。所述传感器可以是无源的并且被嵌入在电池的结构内。所述传感器可以是具有磁场传感器的声表面波传感器，所述声表面波传感器可以是磁阻感测器件和温度传感器。

Description

用于测量电池内部状态的传感器***
技术领域
各个实施例涉及用于感测电池状态的***和方法以及使用所述***和方法的车辆。
背景技术
可使用各种传感器来监测车辆中使用的电池，以确定电池的物理特性。可通过附连至电池的汇流条上的热敏电阻器的测量值来近似估计电池的温度；温度传感器也可直接安装在电池单元壳体上。可使用芯片来测量电池单元电压，所述芯片可被复用到多个电池单元、通过电池壳体与物理布线连接并且从电池单元本身汲取电力。用于电流测量的现有技术使用电阻分流器或霍尔效应电流传感器，霍尔效应电流传感器在连接到电池的载流导体的两侧上产生电势差。当期望提高由电池供电的车辆的效率时，关于电池物理状态的更准确的数据可使性能得到改善。
发明内容
描述了用于感测车辆的电池的内部状态的***和方法。根据所述内部状态的信息，可测量、计算或推断出电池的各种物理特性。
一种电动车辆(例如，混合动力电动车辆(HEV))可包括电动马达、电池、传感器和控制电路，所述电池用于储存用于所述电动马达的电能，所述传感器连接到所述电池以感测电池状态、接收输入信号并且无线地发送指示所述电池状态的输出信号，所述控制电路用于接收所述输出信号并且控制所述电动马达和所述电池。在特定示例中，所述电池可具有基于所述电池的状态而变化的物理特性。所述物理特性可由所述传感器测量。所述传感器可以是无源的并且被嵌入在所述电池的结构中。
在示例中，一种电动车辆或混合动力车辆可包括：电动马达；电池，用于储存用于所述电动马达的电能；声表面波传感器，用于无线地感测所述电池的磁场以及所述电池的温度，所述声表面波传感器包括磁场反应器件，所述磁场反应器件响应于所述磁场而改变表面波。
在示例中，所述声表面波传感器包括无源射频识别标签。
在示例中，所述控制电路基于来自所述声表面波传感器的输出信号来控制所述电动马达和所述电池。
在示例中，所述控制电路根据来自所述声表面波传感器的输出信号来确定电池状态。
在示例中，所述电池状态是荷电状态(SOC)或健康状态(SOH)。
在示例中，所述声表面波传感器被嵌入在所述电池的壳体内，并且与所述电动马达的控制电路无线地通信。
在示例中，所述声表面波传感器包括多个声反射器，并且还被配置为将输入信号转换为声表面波信号，所述声表面波信号由所述多个声反射器反射以形成响应信号并且被所述磁场反应器件修改。
在示例中，所述磁场反应器件包括巨磁阻抗(GMI)薄膜。
在示例中，机械吸收器在声表面波(SAW)基板上且与所述GMI薄膜相邻，匹配电路将所述GMI薄膜电连接至所述声反射器。
在示例中，所述声反射器包括具有指条的叉指反射器，所述指条的厚度为与SAW基板上的信号有关的λ/8。应注意的是，λ为传播波的波长。
在示例中，所述声表面波传感器包括用于将感测到的磁场转换为输出电压的电路。
本公开还包括一种电池监测***，所述电池监测***可包括：声表面波传感器，用于无线地感测电池的状态，并且声表面波传感器具有磁场感测器件、温度传感器和换能器，所述磁场感测器件用于基于电池电极处的磁场修改SAW信号，所述温度传感器用于感测电池处的温度，所述换能器用于无线地输出包括温度和电池状态的输出信号；控制电路，用于将感测到的磁场转换为输出电压信号。
在示例中，所述声表面波传感器包括无源射频识别标签。
在示例中，所述输出电压表示所述磁场的强度，所述磁场的强度与电池中的锂化程度直接相关。可根据所述输出电压信号确定电池的荷电状态(SOC)或健康状态(SOH)或者与电池的荷电状态(SOC)或健康状态(SOH)相关联。
在示例中，所述声表面波传感器被嵌入在电池的壳体内。
在示例中，所述声表面波传感器包括多个声反射器，并且所述磁场感测器件包括连接到所述多个声反射器中的至少一个的GMI薄膜。
在示例中，所述磁场感测器件包括机械吸收器，所述机械吸收器与所述多个声反射器中的一个以及所述GMI薄膜相邻。
在示例中，所述磁场感测器件包括连接到声反射器和所述GMI薄膜的匹配电路
在示例中，所述换能器包括用于将感测到的磁场转换为输出信号的转换电路，所述输出信号从所述声表面波传感器被无线地发送至车辆上的外部电路。
在示例中，所述声反射器包括具有指条的叉指反射器，所述指条的厚度为与SAW基板上的信号有关的λ/8。
在示例中，SAW传感器被标定为：将所述传感器的表示电池端子处的0％锂化和100％锂化的两个极端偏转设置为所述传感器的两个极端位置。传感器的这两个极端位置允许传感器处于其感测范围内，使得传感器可更准确地感测锂化程度，锂化程度可被用于推导电池容量和电池荷电状态
本公开还描述了一种可充电电池的监测***，所述监测***可包括以上示例中的任何示例。这样的监测***可被用于车辆(诸如，汽车、混合动力电动车辆)、移动电子装置、移动通信装置等。
还公开了一种电池状态确定方法，所述方法可包括：无线地发送输入信号，通过连接到电池的无源传感器接收所述输入信号，输出基于电池的模量而变化的输出信号，使用所述输出信号确定电池状态。
附图说明
图1是具有电池组的示例性电动车辆。
图2由电池单元以及电池单元监测和控制***组成的电池组布置。
图3A和图3B示出了根据此处的教导的基于电池单元的物理特性而具有不同的传感器读数的传感器。
图4是根据示例性实施例的用于与电池单元一起使用的传感器的示图。
图5是根据示例性实施例的用于与电池单元一起使用的传感器的示图。
图6是根据示例性实施例的用于与电池单元一起使用的传感器的示图。
图7是根据示例性实施例的用于电动车辆的电池传感器***的示意图。
图8是根据示例性实施例的用于电动车辆的电池传感器***的参考电路的示意图。
图9示出了根据示例性实施例的电池传感器的磁场强度与输出电压的曲线图。
具体实施方式
在此，本文详细描述了本发明的具体实施例；然而，应理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种形式和替代形式来实施。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。
图1描绘了电动车辆***100的示例。***100可包括电动车辆102，电动车辆102可以是具有牵引电池的混合动力电动车辆、全电动车辆等。***100还可包括用于给电动车辆102充电的电源126。电动车辆102可包括一个或更多个电动马达104，电动马达104机械地连接至混合动力传动装置106。此外，混合动力传动装置106机械地连接至发动机(例如，内燃发动机)108。混合动力传动装置106还可机械地连接至驱动轴110，驱动轴110机械地连接至车轮112。电动马达104可在发动机108启动时提供推进。电动马达104可在发动机108关闭时提供减速能力。电动马达104可被配置为发电机，并且能够通过回收在摩擦制动***中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济性效益。由于电动车辆102可在特定状况下以电动模式操作，因此电动马达104还可减少污染物排放。
牵引电池或电池组114储存可被电动马达104使用的能量。在各个实施例中，车辆电池组114可提供高电压DC输出(例如，大于100伏特、大约200伏特、大于300伏特)。电池组114电连接至电力电子模块116。电力电子模块116还电连接至电动马达104，并提供在电池组114与电动马达104之间双向传输能量的能力。例如，电池组114可提供DC电压，而电动马达104可使用三相AC电流来运转。电力电子模块116可例如通过使用逆变器模块将DC电压转换为电动马达104所需要的三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块116还将使用逆变器模块或其它电路，以将来自用作发电机的电动马达104的三相AC电流转换为电池组114需要的DC电压。在此描述的方法同样适用于纯电动车辆或者使用电池组的任何其它装置或车辆。
电池组114除了提供用于推进的能量以外，还可为其它车辆电力***提供能量。这样的***可包括DC/DC转换器模块118，DC/DC转换器模块118将电池组114的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供应。其它高电压负载(诸如，压缩机和电加热器)可直接连接至来自电池组114的高电压总线。在车辆中，低电压***可电连接至12V电池120。纯电动车辆可具有类似的结构但是没有发动机108。
可通过外部电源126对电池组114进行再充电。外部电源126可通过充电端口124的电连接来向车辆102提供AC电力或DC电力。充电端口124可以是被配置为从外部电源126向车辆102传输电力的任意类型的端口。充电端口124可电连接至电力转换模块122。电力转换模块可对来自外部电源126的电力进行调节，以向电池组114提供合适的电压水平和电流水平。在一些应用中，外部电源126可被配置为向电池组114提供合适的电压水平和电流水平，电力转换模块122可以不是必需的。在一些应用中，电力转换模块122的功能可设置在外部电源126中。车辆发动机、传动装置、电动马达、电池、电力转换和电力电子模块可由动力传动***控制模块(PCM)128控制。
电池组114可包括多个电池单元，所述多个电池单元具有用于将电池单元电连接至其它电路的电极。可通过在电池组或在每个电池单元中放置无源传感器来感测电池参数和状态。电池外部的信号可询问传感器。在示例中，信号还激励传感器。传感器可包括射频识别标签装置以及电池感测电路和其它科技装置。传感器随后将感测到的电池组外部的信号发送给与其它车辆电路连接的接收器。
图1除了示出插电式混合动力车辆，还可在去除发动机108的情况下示出电池电动车辆(BEV)。同样地，图1可在去除组件122、124和126的情况下示出传统的混合动力电动车辆(HEV)或功率分流式混合动力电动车辆。图1还示出了包括电动马达、电力电子模块116、DC/DC转换器模块118、电力转换模块122和电池组114的高电压***。高电压***和电池组包括高电压组件(包括汇流条、高电压连接器、高电压导线和电路中断装置)。
电池组内的单独的电池单元可由各种化学配方构成。电池组化学成分可包括但不限于锂离子、锂离子聚合物铅酸、镍镉(NiCd)或镍-金属氢化物(NIMH)。图2示出了由N个电池单元模块202简单串联构成的电池组200。电池单元模块202可包括与在电极处形成的连接并联电连接的单个电池单元或多个电池单元。然而，电池组可由串联、并联或它们的某种组合连接的任意数量的单独的电池单元和电池单元模块组成。***可具有监测和控制电池组200的性能的一个或更多个控制器(诸如，电池控制模块(BCM))208。BCM208可监测多个电池组水平特性(诸如，由电流传感器206测量的电池组电流、电池组电压210和电池组温度212)。在特定布置中，电流传感器206的性能可被用于建立可靠的电池监测***。电流传感器的精度可有助于估计电池荷电状态和容量。电流传感器(包括霍尔效应IC传感器、变压器或电流钳、电压与通过的电流成正比的电阻器、利用干涉仪测量由磁场产生的光的相位变化的光纤或罗氏线圈)可利用基于物理原理的各种方法来检测电流。在电池单元正在充电使得进入电池单元的电流超过阈值或电池单元正在放电使得离开电池单元的电流超过阈值的情况下，电池控制模块可通过使用电路中断装置(circuit interrupt device，CID)(诸如，熔断器或断路器)使电池单元断开连接。
当荷电状态变化时，电池单元可呈现物理变化(诸如，膨胀和收缩(其改变电池单元的杨氏模量))。至于包括由金属氧化物和锂离子制成的电极的锂(Li)离子电池，锂分别在放电和充电期间嵌入电极和从电极中脱嵌。这个过程引起微观结构变化(膨胀和收缩)，从而改变了电极的模量(材料性质)。例如，石墨的模量随着锂的嵌入而增大。当充满锂时，石墨电极的杨氏模量变化将近三倍。可根据在此描述的***和方法(例如，在电池单元或电池组处的传感器或者在电池单元或电池组内的传感器)来测量模量的变化。
除了电池组水平特性之外，还可存在需要被测量和监测的电池单元水平特性。例如，每个电池单元或电池单元的代表性子集的端电压、电流和温度可被测量。***可使用传感器模块204来测量一个或更多个电池单元模块202的特性。所述特性可包括电池单元电压、温度、存在时间、充电/放电周期数等。在示例中，传感器模块204将测量电池单元电压。电池单元电压可以是单个电池的电压或者是并联或串联电连接的一组电池的电压。电池组114可利用多达Nc个传感器模块204来测量电池单元202的代表性样本或所有电池单元202的特性。传感器模块204可与电池单元传感器220通信。电池单元传感器220-1、220-2……220-N-1和220-N被固定到每个电池单元1、2……N-1和N上。电池单元传感器可以是与电池单元结构成一体的无源传感器(例如，射频识别标签、声表面波传感器或其它类似的传感器)。电池单元传感器220可感测电池单元的物理特性并且产生输出信号，所述输出信号可响应于测量的电池单元物理特性而被传感器模块204接收。每个传感器模块204可将测量值传输至BCM208，以进行进一步的处理和协调。传感器模块204可将模拟或数字形式的信号传输至BCM 208。电池组114还可包括电池配电模块214，电池配电模块214控制电流流进和流出电池组114。
图3A和图3B示出了根据此处的教导的用于读取电池单元的物理特性的传感器301。传感器301与电池单元220相邻。传感器301可感测信号305(在图3B中为305’)，以确定电池的特性。传感器301可以是可发射和感测磁场的隧穿磁阻(TMR)器件，所述隧穿磁阻器件具有由薄绝缘体(例如，几个原子厚的MgO)分隔的两个磁性层(例如，诸如CoFeB的铁磁体)。TMR器件使用量子力学过程通过被称作隧穿的过程来读取磁场。通过允许电流流过绝缘体，在金属之间产生偏置电压。量子隧穿的可能性与电子自旋对准直接相关，可通过引入外部磁场来操纵和控制电子自旋对准，其结果如下：随着磁场强度增大，电子自旋对准增强，更多的电子可隧穿绝缘体。随着更多的电子隧穿绝缘体，器件的电阻降低。因此，传感器的磁阻是传感器性能的第一指示：例如，各向异性传感器具有2％-3％的磁阻，而巨型传感器具有15％-20％的磁阻。相比之下，实现磁性隧道结的传感器具有200％的磁阻。
在示例中，传感器301在电池壳体307内与电池的电极306相邻设置。处于第一状态的电极306的物理特性产生第一信号场305。处于第二状态的电极306的物理特性的变化产生第二信号场305’。在示例中，电极306包括用于锂(Li)离子电池的电池阳极材料，并且包括金属氧化物和可容易地嵌入金属氧化物和从金属氧化物中脱嵌的锂离子。锂是顺磁材料，因此阳极磁性能(即，磁化率)在充电和放电周期期间改变。在存在磁场305的情况下，阳极被磁化。完全充电的电池的磁场305可被感测并用作基线(图3A)。如图3B所示，当电池放电时，磁场305’将被扰乱，并且将直接测量电池的荷电状态(SOC)。图3A示出了100％的SOC的电池的磁场305的响应。图3B示出了20％的SOC的电池的磁场305’的响应。具有较低电荷的电池具有可测量的磁化率的增大，并且因此与具有较大荷电状态的电池相比存在更大的磁场。在当前示例中，与完全充电的电池的电池电极相比，具有20％荷电状态的电池的电池电极的磁化率增大了三倍。
锂离子电池的正电极(即，金属氧化物)和锂离子(Li+)由于它们的电子结构而是顺磁材料。锂离子可分别在充电周期期间容易地从金属氧化物中脱嵌，并且在放电周期期间容易地嵌入金属氧化物。这导致正电极的磁性能(即，磁化率)变化。在存在磁场的情况下，正电极被磁化。如在此所描述的，完全充电的电池的磁场可被感测并且用作分析的基线。当电池充电/放电时，磁场将因Li+的脱嵌/嵌入而被扰动，这将直接测量锂化的程度。锂化的程度与电池的SOC以及退化相关。锂化可表示结合到电池电极上的锂的程度或量。
图3A和图3B示出了完全充电的电池(100％的SOC)的磁场响应和放电的电池(例如，20％的SOC)的磁场响应。在当前示例中，与完全充电的电池的正电极相比，具有20％的SOC的电池的正电极的磁化率增大了大约三倍。尽管上述示例描述了锂离子电池，但是这样的感测原理可用于感测使用顺磁电极材料的其它电池类型(例如，铅酸电池)。
此外，所提出的技术也可用于更准确地确定电池在整个寿命期间的容量。众所周知，电池性能将随着时间的推移由于容量衰减和阻抗增长而降低。容量衰减的主要原因是活性锂的损耗。诸如PHEV或BEV，对于电池管理***(BMS)来说，对使用宽范围的SOC的电池的容量变化进行实时跟踪是至关重要的。所提出的技术通过直接测量最小和最大电池电压阈值处的锂含量来避免在上述问题陈述中所提到的错误。
尽管上述示例描述了锂离子电池，但是该技术还可用于感测其它电池类型(例如，铅酸电池和磷酸铁锂电池)。
传感器301可以是不需要发射信号的无源传感器，并且传感器301感测电池电极的磁场。感测到的磁场的变化可指示电池物理特性的变化。
在使用中，SAW传感器301被标定为：将所述传感器的表示电池端子处的0％锂化和100％锂化的两个极端偏转设置为所述传感器的两个极端位置。传感器的这两个极端位置允许传感器处于其感测范围内，使得传感器可更准确地感测锂化程度，锂化程度可被用于推导电池容量和电池荷电状态。
图4示出了用于电池或电池单元的传感器400的示意图。传感器可以是声表面波传感器。传感器400可包括利用基板406上的多个反射器的单端口双延迟正交频率编码(OFC)。其它无线编码可被用于向传感器400发送信息和能量信号。反射器可以是集成电路、微机电***等。器件封装407在一个端部处支撑基板406，使得另一端部是悬臂式的并且可偏转。偏转运动可被感测，并且所得到的数据可表示电池状态或其它电池信息。在示例中，基板406可以是YZ LiNbO3结构。在图4中，示出了每个OFC组(4031至4036)有三个反射器，在换能器409的相对侧上的两个组中一共有六个反射器。芯片4031至4036可以是从换能器409接收表面波并且将指示与电池有关的信息的信号返回给换能器409的声表面波器件。电池可在SAW基板406上施加应变，所述应变通过发送至/来自反射器4031至4036的信号被感测。反射器4031、4033和4035的组被设置在基板的直接由封装407支撑的端部。反射器4031、4033和4035可测量电池处的温度(无论是电池内邻近内部电池化学成分处的温度还是电池封装或壳体上的温度)。反射器4031、4033和4035还可提供非应变信号或位移基线信号，所述非应变信号或位移基线信号可在确定传感器400的另一端部处的应变或位移时使用。第二组反射器4032、4034和4036被设置在基板的不直接由封装407支撑的另一端部。第二组反射器4032、4034和4036在基板406的作为悬臂式基板的自由端的端部。反射器4032、4034和4036可测量基板所经历的应变(无论是电池内邻近内部电池化学成分处的应变还是电池封装或壳体上的应变)。在示例中，设置在悬臂式基板的自由端处的磁体408可引起应变。磁体408产生磁场并且经由电池内的电磁场感测电池的变化。在示例中，磁体408感测车辆电池的邻近区域内的磁场。当磁体408与电池的磁场进行电磁相互作用时，基板被移动并且基板的位移可由反射器4032、4034和4036感测。尽管在此描述的是反射器，但是反射器4031至4036可包括电子结构、MEMS结构或它们的组合。传感器400可包括如在此所描述的叉指换能器。
基于声表面波(SAW)的器件(可被设计用于有线操作或无线操作)提供用于经由磁场感测来测量活性锂浓度的传感器平台。这些传感器基于压电效应，使得在压电基板中的SAW信号的传播速度响应于表面扰动而变化。SAW器件对温度、压力、应力、液体粘度和表面效应敏感。为了测量充电/放电的电池单元的磁场响应，将必须利用磁性元件改变SAW的表面，以将磁场变化转换为表面扰动。分别如图4至图6所示，在各个示例中，SAW基板中的传播路径可利用磁阻(MR)膜、巨磁阻抗(GMI)薄膜被覆盖或者在SAW基板的悬臂式结构中嵌入永磁体。在可用的磁场传感器中，基于SAW的薄膜GMI提供了良好的特性(例如，对磁场的高频敏感性、与高频操作和标准的精密制造过程的兼容性以及易于与SAW器件和电子电路集成)。
图5示出了用于电池或电池单元的传感器500的示意图，传感器500与上面关于图4描述的传感器400类似。传感器500包括膜器件520，膜器件520可以是磁阻(MR)膜或巨磁阻抗(GMI)薄膜，所述磁阻(MR)膜或巨磁阻抗(GMI)薄膜可响应于电池单元的电极的磁场而改变SAW基板上的信号的扰动。传感器500包括第二膜器件525，第二膜器件525可以是磁阻(MR)膜或巨磁阻抗(GMI)薄膜，所述磁阻(MR)膜或巨磁阻抗(GMI)薄膜可响应于电池单元的电极的磁场而改变SAW基板上的信号的扰动。SAW传感器500可具有器件520和525中的一个或两者。第一膜器件520可朝向SAW基板406的中心(例如，邻近输入/输出换能器409或在换能器409与应变感测器件4032、4034以及4036之间)被放置。第二膜器件525可放置在SAW基板406上的其它位置处。
图6示出了用于电池或电池单元的传感器600的示意图。传感器600可以是与如上所述的传感器400和500类似的声表面波传感器。
图7示出了具有SAW传感器子***702和电子控制模块703的部分车辆***700，所述SAW传感器子***702具有磁场传感器。在此处所描述的各个实施例中，磁性传感器元件由集成到SAW***中的GMI薄膜传感器组成。在示例性实施例中，磁性传感器元件可以仅是GMI传感器。如前所述，集成的SAW-GMI传感器可以是无线的。
为了获得对磁场的高敏感度，GMI传感器714与输出端口(例如，SAW***(例如，***400、500或600)的处于工作频率的换能器409(图6))相匹配。当GMI传感器714的阻抗随着从电池施加的磁场变化而变化时，匹配减弱，这导致从反射器4032、4034或4036反射的信号的幅值变化。由于压电材料对环境变化(例如，温度变化)敏感，因此参考反射器4031、4033或4035(例如，叉指换能器)被用于提供使得能够提取活性锂浓度的信号。与输入和输出反射器4032、4034或4036相邻的机械吸收器(例如，604)抑制来自基板上的其它结构或基板的边缘的反射。在示例中，传感器负载与反射器4034的最佳工作点相匹配。由于GMI传感器605是电感元件，所以通过导致负载阻抗的串联电容来实现匹配，所述负载阻抗通过下列等式给出：
Z＝1/jωCm+R+jωL(Hext) (1)
其中，Cm为匹配电容，R为GMI传感器的平均电阻(在考虑的磁场范围内)，L(Hext)为GMI传感器的电感。
再次参照图7，电池控制模块703是电气化车辆中的从SAW-GMI传感器***702接收模拟格式的信息的控制模块。在该示例中，存在将BCM 208连接至SAW-GMI传感器***702的三个通信信道731、732和733。通信信道731上的CS_VREF信号从控制模块703向SAW-GMI传感器***702提供电力供应和精确参考。在操作中，控制模块703提供允许SAW-GMI传感器***702中的电路进行操作的电源。在示例中，CS_VREF信号是到SAW-GMI传感器***的电力供应和参考电压的组合。SAW-GMI传感器***的参考地在通信信道732上并且是CS_REF信号。第三通信信道733包括针对来自SAW-GMI***702的数字输出信号的模拟输出信号。在示例中，信道733上的输出信号是从0伏特到CS_VREF伏特的范围内的电压。应理解的是，因电池或电池单元内的锂化而产生磁场由SAW-GMI传感器***702测量，并且与该磁场有关的信息通过SAW-GMI传感器***702内的电路被编码成呈现为信道733上的CS_AOUT的瞬时电压。在示例中，通过SAW-GMI元件714的磁场的瞬时值与第三信道733上的CS_AOUT的瞬时电压之间存在特定数学关系。
SAW-GMI元件714可包括反射器403、匹配电路、GMI传感器，并且可选地包括可使用信道731、732和733与换能器通信的机械吸收器。在示例中，数字处理器715接收来自SAW-GMI元件714的输出，并且例如使用数学关系对来自SAW-GMI元件714的信号进行处理。数学关系的形式可以是用于对从SAW-GMI元件到数模转换器722的输出的信号进行处理的指令，所述数模转换器722还可包括用作输入缓冲器或输出缓冲器的存储器。数字处理器715还可存储查找表，所述查找表允许输入基于数学关系而与输出相关联。
控制模块703包括作为第三信道733的终端的缓冲器和滤波器电路744。缓冲器和滤波器电路744接收表示电池锂化的测量值的输出信号。如果来自SAW-GMI传感器***702的输出信号是模拟信号，则模数转换器745从缓冲器和滤波器电路744接收该信号。如果缓冲且滤波后的表示第三信道733上的电压信号CS_AOUT的信号为数字信号，则缓冲器和滤波器电路可直接连接到主控制器750。否则，A/D转换器745向控制器750输出数字信号。在示例中，A/D转换器745实际上被包含在主控制器750内。主控制器750可包括处理器、存储器以及用于接收输入并产生到车辆模块的输出控制信号(包括SOC的估计值、电池健康状态和其它电池状态信息)的其它电路，SOC的估计值、电池健康状态和其它电池状态信息中的至少一些依赖于来自SAW-GMI元件714的测量值或者通过来自SAW-GMI元件714的测量值得到。
控制模块703还可包括参考电路755，参考电路755例如通过第一通信信道731和第二通信信道732向SAW-GMI传感器702提供组合的电力供应和精准参考信号。参考电路可连接到车辆地以及电源轨(例如，来自车辆的B+或12V的电源馈送(来自电气化车辆的铅酸非牵引电池的标准汽车12V电源))。参考电路755还可通过第二通信信道732将参考地传送给SAW-GMI传感器702。在示例中，控制模块703的铜地平面连接到车辆中的底盘参考。该控制模块的铜地平面能够位于参考电路内部(例如，当电路为固态时)。换句话说，通信信道732与控制模块的连接到车辆底盘的地平面是等电位的。
图8示出了包括连接到通信信道731和732的端子的参考电路755。B+电力馈送801输入到参考电路755(例如，输入到电源电路802)。电源电路802将来自车辆的大约12V的B+电力馈送801转移至精确参考电路804。精确参考电路804在端子805处输出精确调节电压(PREF)。PREF信号被馈送到缓冲器电路806。在示例中，来自缓冲器806的输出被输出到第一通信信道731。缓冲器电路806用于确保CS_VREF电压与PREF电压相同。缓冲器电路806应该仅允许从PREF 19、20到输出到通信信道731的CS_REF下降几毫伏。参考电路框755中的电路的结果是通过应用到SAW-GMI传感器702的输入的第一信道731输出的精确参考电压CS_REF与到控制模块703中的A/D转换器745的精确参考信号相同。
返回参照图7，SAW-GMI传感器702包括SAW-GMI电路714。SAW-GMI电路714由与SAW器件集成在一起的GMI薄膜以及关联的接口电路组成。接口电路能够将SAW-GMI中的扰动转换为可由数字处理器715读取的简单的模拟信号(标量电压)。SAW-GMI传感器702的放置使得SAW-GMI元件714靠近锂离子电池单元。如在此进一步解释的，电池单元内的锂化程度与可在电池单元附近测量的磁场强度密切相关。GMI传感器非常敏感，例如，范围是±300μT，敏感度为4mV/μT。集成的SAW-GMI传感器***702将磁场转换为第三通信信道733上的可测量的电压(CS_AOUT)。在示例中，这样的SAW-GMI传感器***702使得当通过SAW-GMI元件714的磁场在从-300μT至+300μT的范围内变化时，输出信号(CS_AOUT)的电压在从+0.5V至+4.5V的范围内变化。
SAW-GMI元件714的输出可以是被馈送到SAW-GMI传感器***702的数字处理器电路715的模拟电压。
图9示出了磁场对从传感器子***702输出的电压的传递函数的曲线图900，传感器子***702测量电池单元内的端子处的锂离子。传感器子***702测量磁场并且使用传递函数(可以是存储在传感器子***702的电路中的公式或查找表)将表示电压的数字信号的电压信号输出到电池控制模块(BCM)703。在示例中，磁场可在从大约负300微特斯拉至300微特斯拉的范围内变化。输出信号可在0.5伏特至4.5伏特之间的范围内变化。电池单元内的锂化程度与可使用在此描述的传感器在电池单元附近测量的磁场强度密切相关。在GMI传感器示例中，GMI传感器在例如±300μT的范围内是敏感的，并且敏感度为4mV/μT。
可操作所述***以无线地检测电池的状态。一种方法可包括：向电池无线地传输输入信号；在连接至电池的无源传感器处接收所述输入信号；输出基于电池的模量而变化的响应信号；并且基于所述响应信号输出电池状态。
在示例中，所述输入信号为磁场。
在示例中，所述输入信号为电磁场，传感器为感测电池的电极处的磁场的声表面波传感器。SAW传感器包括温度传感器和磁场传感器。
在示例中，输出响应信号包括将响应信号从声表面波传感器输出到电池外的接收器。
在使用中，可被设计为用于无线操作的基于声表面波(SAW)的器件提供经由磁场感测来测量活性锂浓度的传感器平台。这些传感器基于压电效应，使得在压电基板中的SAW信号的传播速度响应于表面扰动而变化。SAW器件对温度、压力、应力、液体粘度和表面效应敏感。为了测量充电/放电的电池单元的磁场响应，将必须利用磁性元件改变SAW的表面，以将磁场变化转换为表面扰动。本公开包括利用磁阻(MR)膜、巨磁阻抗(GMI)薄膜覆盖传播路径或者在悬臂式基板结构中嵌入永磁体。在可用的磁场传感器中，基于SAW的薄膜GMI提供了良好的特性(例如，对磁场的高频敏感性、与高频操作和标准的精密制造过程的兼容性以及易于与SAW器件和电子电路集成)。
在此描述的***和方法可测量荷电状态以及在每个电池单元处和在每个电池单元内的温度。具体地，使用可被嵌入在电池单元内的智能传感器***来直接测量电池单元的物理特性或内部状态可提供关于电池单元的操作状态的更精确的知识。该知识可被用于电池单元和车辆的控制技术。使用能够进行无线通信的无源传感器允许直接测量电池单元特性(这是迄今为止不可能的)。由于过去无法进行这些直接测量，所以控制算法做出可能不准确的假设或者可能以低效的方式运行。这些直接测量可单独使用或者与电池单元电压测量技术结合使用。
在此描述的传感器和标签被封装以抵御车辆环境。车辆环境包括温度和湿度以及与车辆行驶和发动机振动相关联的振动。安装至电池或安装在电池内的传感器和标签被进一步封装，以抵御-40℃至75℃的温度范围(存储温度：85℃)和电池的可能的腐蚀性环境。传感器可与车辆内的其它通信装置或配对的组件无线地通信。在此描述的传感器***可观察电池的内部状态，并且使用该信息来确定例如电压、SOC、局部温度、健康状态等的信息。与当前的传感器相比，这些传感器被认为是低维护率的，这是因为它们没有电池或其它电源需要被替换、补充能量或连接。这些传感器的尺寸小(在某一实例中，为米粒级)，并且因此确保了在电池上或在电池内的部署不显眼。相信这些传感器可促进多个传感器的部署以形成分布式无线传感器网络以及保持与车辆的电磁兼容性(因为这些器件功率低并且具有小的电磁场)。
本公开使用术语“芯片”，“芯片”可以是可执行在此描述的功能的电路、集成电路、封装电路、微机电***(MEMS)或它们的组合。在各个示例中，芯片可能必须满足内部电池状况的极端环境、电池被封装或安装在遭受高温和严寒状况的车辆内，并且保持可操作。
在各个实施例中，本公开解决将高电压电池用作牵引电池的电气化车辆的需求。电气化车辆的控制具有必须被估计的两个参数(即，每个电池单元的荷电状态(SOC)和容量)。先前的方法无法直接测量SOC和容量，而是基于电压、电流和温度的输入来估计SOC和容量。关于如何估计SOC和容量，存在大量的技术。应该注意的是，电池单元的电压、电流、温度与SOC之间不存在简单的关系，电池单元的电压是路径函数，尤其是关于最近的电流历史的函数。为了增加复杂性，可被测量的电池单元电压实际上是两个电压的差(即，电池单元内的两个电极中的每个电极处的反应差异)。即使因荷电状态(SOC)与电池化学成分相关联且开路电压(OCV)与SOC之间有良好的关系使得静置状态的开路电压(OCV)作为先前的最佳电压测量值，OCV也并不完美，原因在于不仅电池必须静置一段时间，而且SOC与OCV的关系本身也会在特定情况下随着时间变化。
获知电池的容量对于必须估计剩余里程(剩余能量可行驶距离)的应用(诸如，电池电动车辆)而言是重要的。尽管新的电池的容量是已知的，但是电池的容量通常随时间显著地变化。先前的方法要求将容量计算为使用的电荷量与在里程内的荷电状态变化量之间的比值(如下面的等式所示)。这会产生很大的误差(即，电流积分的误差以及起初的荷电状态和结束时的荷电状态的误差)，因此必须注意何时计算容量。进行估计的示例可在第8751086号美国专利中找到。
当前描述的方法和***提供对在电气化车辆中使用的类型的锂电池单元的荷电状态和/或容量的直接测量。这可提供直接测量正电极的活性锂的浓度的非侵入性方法。例如，与库仑计数相比，本公开可避免将在现有技术的SOC计算中存在的累积误差。在使用中，所述方法和***可被用作廉价的实验室工具，用于监测将在实际使用中出现的电池单元行为(即，不参与电池单元反应的“参考电极”)。传感器器件可被设计为测量温度和活性锂的浓度两者。由于器件可被配置为以无线方式进行通信，所以这将省去现今在电池组中用于测量温度的NTC热敏电阻以及关联的导线。将认识到，SOC不仅仅通过电流的积分来确定。
尽管上面描述了示例性实施例，但并不意在这些实施例描述本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。此外，可组合各种执行实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (20)

1.一种车辆，包括：
电动马达；
电池，用于储存用于所述电动马达的电能；
声表面波传感器，用于无线地感测所述电池的磁场以及所述电池的温度，所述声表面波传感器包括磁场反应器件，所述磁场反应器件响应于作为所述电池的电极处的锂化的函数的所述磁场而改变表面波。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述声表面波传感器包括无源射频识别标签。
3.如权利要求1所述的车辆，还包括控制电路，所述控制电路基于来自所述声表面波传感器的输出信号来控制所述电动马达和所述电池。
4.如权利要求3所述的车辆，其中，所述控制电路根据来自所述声表面波传感器的输出信号来设置电池状态。
5.如权利要求4所述的车辆，还包括用于根据由所述声表面波传感器感测的磁场推导荷电状态(SOC)或健康状态(SOH)的电路。
6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述声表面波传感器被嵌入在所述电池的壳体内，并且与所述电动马达的控制电路无线地通信。
7.如权利要求1所述的车辆，其中，所述声表面波传感器包括多个声反射器，并且将输入信号转换为声表面波信号，所述声表面波信号由所述多个声反射器反射以形成响应信号并且被所述磁场反应器件修改。
8.如权利要求7所述的车辆，其中，所述磁场反应器件包括巨磁阻抗(GMI)薄膜。
9.如权利要求8所述的车辆，还包括机械吸收器和匹配电路，所述机械吸收器在声表面波(SAW)基板上且与所述GMI薄膜相邻，所述匹配电路将所述GMI薄膜电连接至所述多个声反射器中的至少一个。
10.如权利要求9所述的车辆，其中，所述多个声反射器中的所述至少一个包括具有指条的叉指反射器，所述指条的厚度为与SAW基板上的信号有关的λ/8。
11.如权利要求8所述的车辆，其中，所述声表面波传感器包括用于将感测到的磁场转换为输出电压的电路。
12.一种电池监测***，包括：
声表面波传感器，用于无线地感测电池的状态，并且具有磁场感测器件、温度传感器和换能器，所述磁场感测器件用于基于电池电极处的磁场修改SAW信号，所述温度传感器用于感测电池处的温度，所述换能器用于无线地输出包括温度和电池状态的输出信号；
控制电路，用于将感测到的磁场转换为输出电压信号。
13.如权利要求12所述的电池监测***，其中，所述声表面波传感器包括无源射频识别标签。
14.如权利要求12所述的电池监测***，其中，所述控制电路将所述输出电压信号转换为荷电状态(SOC)或健康状态(SOH)。
15.如权利要求12所述的电池监测***，其中，所述声表面波传感器被嵌入在电池的壳体内。
16.一种电池监测***，包括：
声表面波传感器，用于无线地感测电池的状态，并且具有磁场感测器件、温度传感器和换能器，所述磁场感测器件用于基于电池电极处的磁场修改SAW信号，所述温度传感器用于感测电池处的温度，所述换能器用于无线地输出包括温度和电池状态的输出信号；
控制电路，用于将感测到的磁场转换为输出电压信号，
其中，所述声表面波传感器包括多个声反射器，所述磁场感测器件包括连接到所述多个声反射器中的至少一个的巨磁阻抗(GMI)薄膜。
17.如权利要求16所述的电池监测***，其中，所述磁场感测器件包括机械吸收器，所述机械吸收器与所述多个声反射器中的一个以及所述GMI薄膜相邻。
18.如权利要求17所述的电池监测***，其中，所述磁场感测器件包括连接到声反射器和所述GMI薄膜的匹配电路。
19.如权利要求18所述的电池监测***，其中，所述换能器包括用于将感测到的磁场转换为输出信号的转换电路，所述输出信号从所述声表面波传感器被无线地发送至车辆上的外部电路。
20.如权利要求19所述的电池监测***，其中，所述多个声反射器中的所述至少一个包括具有指条的叉指反射器，所述指条的厚度为与所述声表面波传感器的基板上的信号有关的λ/8。
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