CN110383573B - 串联电池单元的监测*** - Google Patents

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Abstract

电池监测电路利用模拟前端、收集并分析由模拟前端数字传输给它的数据的控制器以及被配置为测量单个电池单元的电量计来测量多个串联电池单元的各个电池单元电压和温度。

Description

串联电池单元的监测***
本申请要求美国临时专利申请序列号62/456,371的优先权，该美国临时专利申请在此通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及电池技术，尤其涉及一种用于监测电池单元的***。
背景信息
现代电子产品正变得越来越多样化、越来越便携，推动了对电池和电池管理***性能提升的需求。随着能力和性能的提升，功率需求也在不断增加。智能电池***(“SBS”)规范旨在优化性能，延长电池寿命，并为电池***内的监测参数提供工业标准一致性。集成电路(“IC”)已被使用内部软件例程创建和编程，以允许电池按照SBS规范运行。已经开发用于电池***的IC类型的示例包括模拟前端(“AFE”)测量***，该模拟前端测量***通常与用于精确估计充电状态(“SOC”)和存储在电池中的剩余电量的某种类型的电量计IC组合。在某些情况下，这两个功能组件被组合为一个包。
高单元数电池组，特别是那些配置串联电池单元以增加电池组端电压的高单元数电池组，以及放电率超过5倍容量(5C)的高放电率电池单元呈现了与电量计量准确性和决策制定相关的新挑战，以正确评估电池的健康状况，并优化性能。
基于流行集成电路的电池电量计量的工业标准算法包括德州仪器(TexasInstruments)的阻抗跟踪(Impedance Track)(“IT”)和美信集成(Maxim Integrated)提供的ModelGauge m3和m5算法。这些算法利用瞬时温度、电压和电流输入来估算SOC和剩余电荷。通过分别在充电和放电事件期间对进出电池的电荷量进行积分，并且将这个累计通过电荷的测量与高精度的单元电压和温度测量相结合，装置能够得到电池瞬时充电状态和剩余电池容量的可靠且准确的估计。
现在销售的绝大多数电量计IC都适用于单电池单元应用，诸如手机，MP3播放器和一些平板电脑。这些“单单元(single cell)”电量计IC是市售的适用于此目的的最低成本部件。这些通常被称为1S量规(表明它们用于1系列单元)。电量计IC适用于使用多个串联连接的单元的应用如笔记本电脑，但这些应用通常限于4个单元配置(4S量规)。市场上很少有选择针对串联单元数高于4的进行优化，而对于单元数高于6的几乎没有。
此外，创新和电量计量算法性能增强首先在高容量单单元电量计中发生，且很难进入多单元数IC。如果单单元IC可以有效地用于多单元应用，则在成本和性能方面都存在显著优势。
用于单单元电池电量计量的典型电路配置在图1中示出。电量计IC包含单模拟输入，用于每个关键参数的测量——单元端电压、对应于单元温度的电压(通常使用廉价的热敏电阻)、以及电池充电和放电电流(使用低值电流感测电阻器)。没有对测量多于一个单元的电压或温度的规定。
附图说明
图1示出了现有技术的单单元电量计IC连接方案的框图。
图2示出了根据本发明实施例配置的多电池单元电量计***的框图。
图3示出了配置有本发明实施例的设备的示例。
具体实施方式
参考图2，本发明的实施例提供了一种电池监测电路200，该电池监测电路200利用市售的模拟前端测量电路(“AFE”)201(在本文中也可简称为“模拟前端”且可实现为IC)来测量多个串联单元204(例如，可从美信集成(Maxim Integrated)购得的型号MAX11068，或任何其他等效装置)的各个单元电压和温度。电池监测电路200还包括控制器202(可以实现为微控制器)，该控制器202收集和分析由AFE 201数字传输给它的数据，一个或多个数字可编程电压源(“DPVS”)205，单单元电量计IC 203(本文也可简称为“电量计”)，诸如相对于图1描述的电量计IC(即，单单元电量计IC 203包含用于每个关键参数的测量的单模拟输入：单元端电压，对应于单元温度的电压(例如，通常使用廉价的热敏电阻)，以及用于提供电池充电和放电电流的电流传感器211(例如，可以使用任何市售的低值电流感测电阻器，或者如果可用，可以使用在AFE 201内实现的电流传感器)。
本发明的实施例被配置为在AFE 201直接测量串联电池组件204中的每个单独电池单元(例如，单元1...单元n，其中n是正整数)的电压和温度参数的情况下操作。在本发明的实施例中，n大于1，且可以大于4。AFE 201随后通过信号线260将其逐个单元的电压和温度测量值数字地传送到控制器202(例如，通过诸如I2C，UART，SMB之类的数字通信协议，或一些其它数字数据通信方案)。控制器202包含根据需要预编程的控制程序，以处理和操纵输入的单元电压和温度数据，确定诸如最小值，最大值，平均值，加权平均值之类的值或可从单元电压和温度两者的实际测量值导出的值的任何其它数值表示，并准备该数据以呈现给电量计IC 203。因为廉价电量计IC的输入本质上只是模拟的，所以控制器202将所选和处理的单元电压和对应于温度信息的电压以数字形式转发到该一个或多个DPVS 205，DPVS205将数字数据分别转换为单元电压和对应于温度的电压的模拟表示。每个DPVS 205的模拟输出(例如，V出1，V出2(Vout1，Vout2))与电量计IC 203的每个模拟输入(例如，V入，T入(Vin，Tin))直接连接。
每个单独的DPVS可被配置为数模转换器(“DAC”)，脉冲宽度调制(“PWM”)控制电压源，或具有可编程的和稳定的模拟电压输出的任何其他合适类型的数字可编程电压源。不同类型的DPVS可以被用于相同的***中(例如，用于电压的DAC和用于对应于温度的电压的PWM)。每个DPVS可被配置为使得其输出具有低周期性和随机偏差(即，低噪声)、低电压偏差或漂移、电压设定点精度为+/-1mV、以及对编程输出电压电平的变化的快速响应和建立时间。
该一个或多个DPVS可以被配置为在控制器202内实现的功能块，或者是存在于控制器202外部并且通过数字通信总线在外部连接到控制器202的单独模块，诸如图2中所描绘的。
电量计IC 203可具有一个或多个数字输出，且可包括用于***控制的专用的通用输入/输出(“GPIO”)引脚和/或模拟输出。在本发明的实施例中，由电量计制造商编程，并且存在于用于单个电池单元的电量计IC 203中的内部控制和电量计量算法是完全未被修改的。根据本发明的实施例，电量计算法尽管未被修改，但是其在***200中被配置为在多单元环境里起作用，作为在输入(例如，V入，T入(Vin，Tin))处向电量计IC 203呈现模拟单元电压和对应于温度的电压的经处理/经操纵/经优化值的结果，该经处理/经操纵/经优化值由控制器202从如本文所述的从任意数量的n个串联单元聚合的数据中选择或以其他方式导出。电量计IC 203的数字输出270可以将一包数据或命令返回到控制器202，该控制器202存储和处理该数据，并可以利用该数据用于控制电池组件204或用于向外部装置或用户(例如，见图3)呈现状态信息或警告消息。从电量计IC 203到控制器202(例如，经由数据总线270)，以及从控制器202到外部装置或用户(例如，经由数据总线280)的数字输出通信可以通过I2C、UART、SMB或任何其他数字数据通信协议进行发送。可以根据本发明的实施例配置数字数据以包含指向外部***或用户的命令(例如，参见图3)以控制电池充电(例如，连接或断开电池充电器)或电池放电(例如，打开或关闭功率负载)。例如，数字数据可包含与充电状态、健康状态或用于指示电池组件204当前状态的其他电量计参数相关的信息，但是本发明并不旨在仅限于这些形式的信息。
***200可被配置为使得使用位于电池组件204附近不同位置的任意数量N(其中N≥1)的热电偶或热敏电阻206来测量电池组件204中的一个或多个电池单元附近的一个或多个温度，这些热电偶或热敏电阻206将其结果输出到控制器202的一个或多个输入(例如，T入1，T入2，......T入3(Tin1，Tin2，......Tin3))。控制器202可被配置为比较各个温度，并根据电池组件204的状态选择温度的最小值、最大值、平均值或任何其他表示以呈现给电量计IC203。例如，最大温度可被用于放电期间的电量计量，平均温度可在充电期间使用，或来自损坏或非工作的热敏电阻206的数据可以从控制器202的计算中丢弃，从而提高***200的容错性。
由AFE 201测量的来自n个单独单元中的任何一个的电压可被类似地处理。在非常高的单元数电池组件204中，一个或多个这样的AFE电路或IC可被“堆叠”，允许电池单元数(即，n)从几十增加到几百单元。这种高单元数的应用在汽车工业中是常见的。在这样的配置中，测量的单元电压可由控制器202通过数字通信连接从AFE 201收集，并且控制器202可以解释测量的单元电压并基于电池组件204的当前状态执行编程的逻辑运算和优化。
一旦单元电压和温度已经被收集并处理，控制器202就被配置为将单元电压和/或对应于温度的电压的经处理/经操纵/经优化的数字表示传输到该一个或多个DPVS 205。该一个或多个DPVS 205随后将单元电压和/或对应于温度的电压的数字表示转换为它们的模拟等效物，并将这些模拟等效物呈现给电量计IC 203的模拟输入。然后，电量计IC 203接受电压和对应于温度的电压的模拟输入，并将它们用作其内部算法的输入。控制器202可被预编程以负责确保该一个或多个DPVS 205被连续地馈送经过处理/操纵/优化的数据以用于精确的电量计量。经处理/操纵/优化的数据可以是电池组件204中的最高或最低单元电压或温度的单个瞬时测量、平均测量、最小测量、最大测量，或基于电池状况、瞬时工作点或健康状态选择的电压，温度或其他参数的任何其他导出表示。呈现给电量计IC 203的经处理/操纵/优化的数据在电池组件204的不同操作状态(诸如静置，充电或放电)期间可以是不同的。
在高单元数电池组件中，电池组件204中不同的电池单元之间肯定会存在轻微但可测量的容量不匹配。这意味着在放电期间，n个电池单元中的一个(或多个)将在其余电池单元之前耗尽能量，迫使放电持续时间过早缩短。有时这种缩短的运行时间可能很显著，特别是在电池单元经历高温和循环的老化效应之后。在具有大量串联电池单元的电池组件中，普通电量计IC仅看单个电池单元(1S量规)或总单元堆的一小部分(4S量规)，并且无法检测不直接在其测量域中的单个电池单元的电压。通过经由AFE 201单独地监测所有n个电池单元的电压，并且使用本文描述的方法，控制器202可被配置为通过在逐秒的基础上选择并向电量计IC 203呈现最合适的电池单元电压，优化电量计算法的准确性以及由电量计IC203返回的所得充电状态和剩余容量估算。在放电期间，最小单元电压可被用于最准确地预测放电终止阈值；并且在电池充电期间，所有n个电池单元的平均电压可被用于提供整个电池组件204的充电状态的最佳估计。至于什么表示要由控制器202呈现给电量计IC 203的经处理/操纵/优化数据的这些决定可以被预编程到控制器202的内部软件中。
此外，某些电量计，诸如阻抗跟踪电量计，在操作期间创建不同充电状态下的内部单元电阻的内部表。这个表是通过分析放电期间的单元电压偏差对瞬时电流，并将其与充电状态相关联而创建的。确定和跟踪具有最高阻抗的电池单元可能很重要，因为这(1)是整个电池组件204的老化的最佳确定，并且(2)将成为能够支持高放电电流的限制因素。本发明的实施例为阻抗测量算法提供始终被呈现有来自具有最高阻抗的单个电池单元的电压数据的能力，使得始终确保阻抗表的准确性和有用性。
图3示出了可被配置有本发明的实施例的设备300。设备300可以是利用多单元电池组件204用作内部电力的任何装置。这种设备300可以是计算机***的机架，电动自行车，电动摩托车，电动汽车，混合动力汽车等。在本发明的示例性实施例中，如图2所示耦合到电池组件204的电池监测电路200，可以与电力管理单元(“PMU”)或任何其他主机***301(诸如计算机显示器、计算机***或任何其他合适的装置)进行电子通信。
在本发明的实施例中，预编程到控制器202中的控制程序(例如，用于实现本文公开的各种功能)可以通过将控制器202耦合到PMU或主机***301的数据总线280输入到控制器202中。此外，来自电量计IC 203的可以经由信号线270传输到控制器202的数据输出可随后由控制器202经由数据总线280转发到PMU或主机***301。
除非明确陈述相反情况，“或”指的是包含性的或，不是指排他性的或。例如，条件A或B满足以下任何一项：A为真(或存在)且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)且B为真(或存在)，以及A和B均为真(或存在)。
而且，“一”或“一个”的使用被用于描述本文描述的元素和资源。这仅仅是为了方便，并且给出了本发明一般意义上的范围。这种描述应该被理解为包括一个或至少一个，且单数也包括复数，或反之亦然，除非明确指出其他含义。例如，当本文描述单个装置时，可以使用多于一个装置来代替单个装置。类似地，在本文中描述了多于一个装置的情况下，可以用单个装置代替那一个装置。
除非另有限定，本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可在实践或测试本发明的实施例时被使用，但是本文描述了合适的方法和材料。
在本文未描述的范围内，关于特定材料，处理动作和电路的许多细节是常规的，并且可以在计算、电子和软件领域的教科书和其他来源中找到。
应当理解，本文所描述的特定实施例通过解说的方式示出，而不是作为对本发明的限制。在不脱离本发明范围的情况下，本发明的主要特征可以用于各种实施例中。

Claims (20)

1.一种***，被配置为用于监测多单元电池组件中的多个电池单元，包括：
模拟前端，被配置为接收来自所述多个电池单元中的每一个的电压信号；
控制器，被配置为接收来自所述模拟前端的输出，并根据对来自所述模拟前端的所述输出执行的预编程算法产生数字信号；
电路，被配置为将所述数字信号转换为模拟电压信号；以及
电量计，被配置为接收和处理所述模拟电压信号。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述电量计是具有用于测量电池单元端电压的第一单模拟输入的单单元电量计。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述单单元电量计具有用于测量电池单元温度的第二单模拟输入，以及用于测量电池单元充电和放电电流的第三和第四单模拟输入。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于，被配置成将所述控制器的所述数字信号转换为所述模拟电压信号的所述电路包括数字可编程电压源(“DPVS”)。
5.如权利要求4所述的***，其特征在于，所述DPVS包括数模转换器。
6.如权利要求1所述的***，进一步包括热敏电阻，所述热敏电阻被配置为靠近所述电池组件，其中所述热敏电阻的输出被配置为耦合到所述控制器的输入。
7.如权利要求1所述的***，进一步包括电流传感器，所述电流传感器被配置为耦合到所述电池组件，其中所述电流传感器的输出被配置为耦合到所述电量计的模拟输入。
8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述模拟前端被配置为接收来自所述电池组件中多于四个电池单元的电压信号。
9.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述控制器和所述电路被配置为将表示电池单元温度的单电压信号输出到所述电量计。
10.如权利要求1所述的***，进一步包括主机***，所述主机***被配置为与所述控制器进行数字通信。
11.如权利要求1所述的***，进一步包括所述电量计的数字信号输出，所述电量计的数字信号输出耦合到所述控制器的数字输入。
12.一种电池***，包括：
多个电池单元，其在多单元电池组件中；
模拟前端，被配置为接收来自所述多个电池单元中的每一个的电压信号，并产生第一数据信号，所述第一数据信号作为所接收的来自所述多个电池单元中的每一个的电压信号的函数；
控制器，被配置为接收来自所述模拟前端的所述第一数据信号，并根据对来自所述模拟前端的所述第一数据信号执行的预编程算法产生第二数据信号；
第一数字可编程电压源(“DPVS”)，被配置为将所述第二数据信号转换为表示电池单元电压参数的第一模拟电压信号；以及
电量计，被配置为接收和处理所述第一模拟电压信号。
13.如权利要求12所述的电池***，其特征在于，所述电量计是具有用于测量电池单元端电压的单模拟输入的单单元电量计，其中用于测量电池单元端电压的单模拟输入被配置为接收来自所述第一DPVS的所述第一模拟电压信号。
14.如权利要求13所述的电池***，其特征在于，所述电量计包括一对模拟输入，所述一对模拟输入被配置为测量电池单元充电和放电电流。
15.如权利要求14所述的电池***，进一步包括电流传感器，所述电流传感器耦合在所述多单元电池组件和所述电量计的所述一对模拟输入之间，所述电量计的所述一对模拟输入被配置为测量电池单元充电和放电电流。
16.如权利要求12所述的电池***，进一步包括被配置为靠近所述电池组件的热敏电阻，其中，所述热敏电阻的输出被配置为耦合到所述控制器的输入，其中所述控制器进一步被配置为接收所述热敏电阻的输出，并根据对所述热敏电阻的所述输出执行的预编程算法产生第三数据信号。
17.如权利要求16所述的电池***，进一步包括第二DPVS，所述第二DPVS被配置为将所述第三数据信号转换为表示与所述热敏电阻的所述输出有关的温度参数的第二模拟电压信号，并且其中，所述单单元电量计具有用于测量电池单元温度的单模拟输入，其中用于测量电池单元温度的单模拟输入被配置为接收来自所述第二DPVS的所述第二模拟电压信号。
18.如权利要求17所述的电池***，其特征在于，所述电量计被配置为向所述控制器传输根据对所述第一和第二模拟电压信号的处理而创建的输出数据信号。
19.一种设备，包括：
多个电池单元，其在多单元电池组件中；
模拟前端，被配置为接收来自所述多个电池单元中的每一个的电压信号，并产生第一数据信号，所述第一数据信号作为所接收的来自所述多个电池单元中的每一个的电压信号的函数；
控制器，被配置为接收来自所述模拟前端的所述第一数据信号，并根据对来自所述模拟前端的所述第一数据信号执行的预编程算法产生第二数据信号；
热敏电阻，被配置为靠近所述电池组件，其中，所述热敏电阻的输出被配置为耦合到所述控制器的输入，其中所述控制器进一步被配置为接收所述热敏电阻的所述输出并根据对所述热敏电阻的所述输出执行的预编程算法产生第三数据信号；
第一数字可编程电压源(“DPVS”)，被配置为将所述第二数据信号转换为表示电池单元电压参数的第一模拟电压信号；以及
第二DPVS，被配置为将所述第三数据信号转换为表示与所述热敏电阻的所述输出有关的温度参数的第二模拟电压信号；
电力管理单元或主机***，通过数字通信链路耦合到所述控制器；以及
电量计，被配置为接收和处理所述第一和第二模拟电压信号，其中，所述电量计是具有用于测量电池单元端电压的单模拟输入的单单元电量计，其中用于测量电池单元端电压的所述单模拟输入被配置为接收来自所述第一DPVS的所述第一模拟电压信号，并且其中所述单单元电量计具有用于测量电池单元温度的单模拟输入，其中用于测量电池单元温度的所述单模拟输入被配置为接收来自所述第二DPVS的所述第二模拟电压信号，其中所述电量计被配置为向所述控制器传输输出数据信号，所述控制器随后被配置为经由所述数字通信链路将所述输出数据信号转发到所述电力管理单元或所述主机***。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述多单元电池组件被配置为为电动汽车供电。
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