CN114096864A - 电池管理电路、电池管理***以及电池管理网络 - Google Patents

电池管理电路、电池管理***以及电池管理网络 Download PDF

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小林仁
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Nuvoton Technology Corp Japan
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Abstract

电池管理电路(105)具备：基准信号产生部(109)，产生具有不同相位的第1及第2基准频率信号；交流叠加部(104)，将具有第1基准频率信号的频率成分的交流电流叠加于二次电池；电压测量部(115)，通过以比第1基准频率信号高的频率进行采样，测量二次电池的电压；电流测量部(112)，通过以比第1基准频率信号高的频率进行采样，测量二次电池的电流；以及转换部(118b)，通过将电压测量部(115)及电流测量部(112)的测量结果乘以第1基准频率信号及第2基准频率信号，将测量结果转换为复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分。

Description

电池管理电路、电池管理***以及电池管理网络
技术领域
本公开涉及管理电池的状态的电池管理电路、电池管理***以及电池管理网络。
背景技术
正在进行HEV(Hybrid Electric Vehicle，混合动力汽车)或EV(ElectricVehicle，电动汽车)等以二次电池为电源而行驶的汽车的开发。另外，为了安全地使用二次电池，已知有通过电池管理***(BMS：Battery Management System)进行电池余量推定以及异常检测等的技术。
例如，专利文献1公开了一种电池状态判定装置，能够测量电池的复数阻抗，并诊断电池的容量和劣化量。
专利文献2公开了一种不进行电池的完全充放电就能够进行容量维持率的判定的容量维持率判定装置。
专利文献3公开了一种车辆控制器，其使用与电池的阻抗对应的RC电路模型的参数来对电池的充放电进行编程。
非专利文献1具体公开了一种方法，该方法对电池的复数阻抗施加交流电流并测定交流电压，通过交流叠加法测定电池的复数阻抗。
现有技术文件
专利文献
专利文献1：日本特开2015-94726号公报
专利文献2：日本特开2011-38857号公报
专利文献3：美国专利第10023064号说明书
非专利文献
非专利文献1：“IC for online EIS in automotive batteries and hybridarchitecture for high-current perturbation in low-impedance cells”Z.Gong，Z.Liu，Y.Wang等，2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)
发明内容
发明要解决的问题
但是，根据现有技术，存在复数阻抗的测量中容易产生误差的问题。
本公开提供一种以简单的电路结构高精度地测量二次电池的复数阻抗的电池管理电路、电池管理***以及电池管理网络。
解决问题的手段
本公开的一个方式的电池管理电路是管理二次电池的电池管理电路，具备：基准信号产生部，产生第1基准频率信号和具有与第1基准频率信号不同相位的第2基准频率信号；交流叠加部，将具有所述第1基准频率信号的频率成分的交流电流叠加于所述二次电池；电压测量部，通过以比所述第1基准频率信号高的频率进行采样，测量所述二次电池的电压；电流测量部，通过以比所述第1基准频率信号高的频率进行采样，测量所述二次电池的电流；以及转换部，通过将所述电压测量部以及所述电流测量部的测量结果乘以所述第1基准频率信号及所述第2基准频率信号，将所述测量结果转换为复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分。
本公开的一个方式的电池管理***具备：上述的电池管理电路；以及综合控制部，该综合控制部将所述第1基准频率信号的频率指定给所述电池管理电路，所述电池管理电路将所述复数电压及所述复数电流各自的实数部成分及虚数部成分发送到所述综合控制部，所述综合控制部根据所发送的所述复数电压及所述复数电流各自的实数部成分及虚数部成分，计算指定的频率的复数阻抗。
本公开的一个方式的电池管理网络具备上述的电池管理***以及所述服务器装置，所述服务器装置基于所述测量信息生成包含推定出所述二次电池的状态的结果的电池信息。
发明的效果
根据本公开的一个方式的电池管理电路以及电池管理***，能够以简单的电路结构高精度地测量二次电池的复数阻抗。
附图说明
图1是表示实施方式的电池管理***的结构例以及电池管理服务器的框图。
图2是表示实施方式的综合控制部的结构例的图。
图3是表示实施方式的综合控制部的处理例的流程图。
图4是表示实施方式的电池单体的构造例和等效电路模型的例子的说明图。
图5A是表示实施方式的电池单体的复数阻抗的一例的科尔-科尔图。
图5B是表示实施方式的电池单体的复数阻抗的一例的波特图。
图6是表示实施方式的电池单体的复数阻抗的温度特性例的图。
图7是表示实施方式的电池管理网络的结构例的框图。
图8是表示实施方式的电池管理网络的处理例的时序图。
图9是表示变形例的电池管理***的结构例以及电池管理服务器的框图。
具体实施方式
(作为本公开的基础的见解)
本发明人发现，关于“背景技术”栏中记载的管理二次电池的装置，产生以下问题。
在通过交流叠加法测定二次电池的内部复数阻抗(也称为交流阻抗)的情况下，通常使用如下方法：以施加的交流电流为基准，用复数表现由于内部复数阻抗而产生的电压变化的相位延迟，测定该复数电压，并将测定出的复数电压除以施加电流来进行计算。施加的交流电流是将根据基准频率信号放大后的电流施加给二次电池。
在该方法中，由于将二次电池和测定的装置连接的电线(例如线束)的影响、放大基准频率信号的驱动放大器等，实际施加给二次电池的交流电流的相位经常从基准频率信号的相位发生延迟。
另一方面，电压测定是通过以与基准频率信号同步的采样时钟进行采样的AD转换器来测量的。因此，实际施加到二次电池的交流电流与电压测定定时之间的相位差表示为复数阻抗的相位误差，因此，容易在二次电池的复数阻抗中产生误差。
为了消除这种相位误差，例如，需要对交流电流进行反馈控制，以使实际施加于二次电池的交流电流的频率与原来的基准频率信号一致。
但是，在该方法中，也不能排除反馈环内的频率特性引起的相位误差、从反馈点起在后级产生的相位误差的影响。
此外，在实施反馈控制的情况下，需要将反馈环设计为能够线性动作。由于实际的二次电池的复数阻抗仅为几十～几mΩ，因此施加的交流电流需要几～几十A的电流值，很难设计为驱动放大器等具有的频率特性不影响反馈环，产生消耗电流也会增大这样的其他问题。
因此，在本公开中，提供一种不进行施加的交流电流的反馈控制，而以简单的电路结构高精度地测定二次电池的复数阻抗的电池管理电路、电池管理***以及电池管理网络。
为了解决这样的问题，本公开的一个方式的电池管理电路是管理二次电池的电池管理电路，具备：基准信号产生部，产生第1基准频率信号和具有与第1基准频率信号不同相位的第2基准频率信号；交流叠加部，将具有所述第1基准频率信号的频率成分的交流电流叠加于所述二次电池；电压测量部，通过以比所述第1基准频率信号高的频率进行采样，测量所述二次电池的电压；电流测量部，通过以比所述第1基准频率信号高的频率进行采样，测量所述二次电池的电流；以及转换部，通过将所述电压测量部以及所述电流测量部的测量结果乘以所述第1基准频率信号及所述第2基准频率信号，将所述测量结果转换为复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分。
由此，能够对二次电池的复数阻抗通过简单的电路结构来进行在实部和虚部的正交性中没有误差的高精度的测量。换句话说，以正交地生成的第1基准信号和第2基准信号为基准分离为复数电压的实部和虚部来进行测定，以与电压测定相同的第1基准信号和第2基准信号为基准分离为实部和虚部来测定复数电流，测定出的复数电压除以复数电流，由此，测量出的复数阻抗的实部和虚部的正交性仅依赖于第1基准信号和第2基准信号的正交性，所以能够进行消除了由测定电压和叠加电流的相位误差所引起的复数阻抗的相位误差的高精度的测量。
另外，由于对叠加电流的相位延迟进行修正，所以不需要对交流电流进行反馈控制，因此能够使电路结构简单。
以下，参照附图对实施方式进行说明。另外，以下说明的实施方式均表示总括性或具体的例子。以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置以及连接形态、步骤、步骤的顺序等是一例，并非旨在限定本公开。此外，本公开的实施方式不限定于当前的独立技术方案，并且可以由其他独立技术方案来表现。
另外，各图是示意图，不一定是严格图示的图。另外，在各图中，有时对实质上相同的结构标注相同的附图标记，并省略或简化重复的说明。
(实施方式1)
[结构]
首先，对实施方式1的电池管理***的结构进行说明。
图1是表示实施方式的电池管理***200的结构例以及电池管理服务器301的框图。
该图的电池管理***200具备多个电池组101、多个电池管理装置100、以及综合控制部201。综合控制部201以及多个电池管理装置100通过通信线132进行菊花链连接。
电池组101是二次电池，包括串联连接的多个电池单体B0～B5。各电池单体例如是锂离子电池，但也可以是镍氢电池等其他电池。另外，也可以是锂离子电容器这样的串联连接的蓄电单体。电池组101与负载及充电电路连接。负载例如为HEV或EV的马达，但不限定于此。另外，图1的电池组101示出了具有6个电池单体的例子，但电池组101内的电池单体的个数不限于6个。
电池管理装置100是管理电池组101的状态的装置，也称为单体管理单元(CMU：Cell Management Unit)。电池管理装置100计算电池组101的交流阻抗，具体地说，计算电池单体B0～B5各自的复数阻抗(也称为交流阻抗)。因此，电池管理装置100具备电池管理电路105和温度传感器107(例如热敏电阻)。
另外，电池管理电路105例如也可以构成为1个芯片的集成电路(IC)。另外，电池管理装置100也可以构成为安装有电池管理电路105的IC芯片和温度传感器的印刷电路基板(PCB)。
电池管理电路105具备交流叠加部104、基准信号产生部109、电流测量部112、时钟生成部113、电压测量部115、基准电压生成部117、转换部118b、积分部118c、保持部118d、温度测量部120和通信接口部131。
交流叠加部104将具有基准信号产生部109所生成的第1基准频率信号的频率成分的交流电流叠加于二次电池。图1的交流叠加部104具有将第1基准频率信号作为差动信号施加于电池组101的正极和负极的差动缓冲器。
基准信号产生部109产生第1基准频率信号和具有与第1基准频率信号正交的相位的第2基准频率信号。例如，第1基准频率信号为正弦波信号，第2基准频率信号为余弦波信号。另外，第1基准频率信号和第2基准频率信号优选在可允许的相位误差的范围内正交，没有必要准确地为90度，允许误差。而且，由于在复数平面上产生失真，计算变得非常复杂，但是，能够在第1基准频率信号和第2基准频率信号的相位为90度以外的相位，例如为45度的相位下进行测定，测定后转换为实部和虚部正交的复数平面。
另外，基准信号产生部109从综合控制部201经由通信接口部131接受所述第1基准频率信号的频率f的指定，并按照指定生成第1基准频率信号。
电流测量部112通过使用来自时钟生成部113的采样时钟信号对电池组101的电流进行采样，来测量叠加于电池组101的交流电流。电池组101的电流被测量为电流检测用电阻元件106的电压降，该电流检测用电阻元件106***到由交流叠加部104施加的交流电流所流经的路径中。该电压降与交流电流成比例，因此意味着交流电流值。更具体地说，电流测量部112具备用于测量作为二次电池的电池组101的电流的模拟数字转换器。该模拟数字转换器使用来自时钟生成部113的采样时钟信号，对电流检测用电阻元件106的电压降进行采样，并将采样到的电压降转换为数字信号。
时钟生成部113生成频率比第1基准频率信号高且与第1基准频率信号同步的采样时钟信号。采样时钟信号被供给到电流测量部112和电压测量部115。例如，在测定5KHz左右的复数阻抗的情况下，第1基准频率信号的频率为5KHz左右，采样时钟需要设定为满足所需的相位分辨率。因此，如果是在测定频率为5KHz左右时相位分辨率为1度左右的情况，则采样时钟为5KHz的360倍的1.8MHz左右即可。
电压测量部115通过使用来自时钟生成部113的采样时钟信号对电池组101的电压进行采样，来测量电池组101的电压。更具体地说，电压测量部115具备与电池组101内的电池单体B0～B5对应的相同数量的模拟数字转换器(ADC0～ADC5)。各模拟数字转换器使用来自时钟生成部113的采样时钟信号，对多个电池单体B0～B5中的对应的电池单体的电压进行采样，并将采样到的电压转换为数字信号。电压测量部115使用与电流测量部112相同的采样时钟，因此能够将测定频率与采样时钟的相位误差抑制到最小限度，实现高精度的复数频率测定。
基准电压生成部117对电压测量部115的多个模拟数字转换器(ADC0～ADC5)、电流测量部112的模拟数字转换器以及温度测量部120的模拟数字转换器供给共用的基准电压。更具体地说，基准电压生成部117是相对于温度或电源电压的变动作出稳定的恒定电压值的BGR(Band Gap Reference：带隙参考)电路，例如产生因硅的带隙引起的1.25V左右的电压。电压测量部115的多个模拟数字转换器和电流测量部112的模拟数字转换器使用相同的基准电压，因此在复数阻抗计算时，参照电压的绝对误差被分母/分子的除法运算抵消。因此，能够高精度地测定复数阻抗。
转换部118b通过将电压测量部115以及电流测量部112的测量结果乘以第1基准频率信号以及第2基准频率信号，将电压测量部115以及电流测量部112的测量结果转换为复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分。因此，转换部118b具备与电压测量部115的模拟数字转换器(ADC0～ADC5)对应的相同数量的乘法器对、和与电流测量部112的模拟数字转换器对应的乘法器对。与电压测量部115对应的各乘法器对由将对应的模拟数字转换器的转换结果(即被采样的数字电压值)乘以第1基准频率信号的乘法器、和将该转换结果乘以第2基准频率信号的乘法器构成。前者的相乘结果表示当被采样的电压表现为复数电压时的实数部成分。后者的相乘结果表示当被采样的电压表现为复数电压时的实数部成分。与电流测量部112对应的乘法器对由将对应的模拟数字转换器的转换结果(即被采样的数字电流值)乘以第1基准频率信号的乘法器、和将该转换结果乘以第2基准频率信号的乘法器构成。前者的相乘结果表示当被采样的电流表现为复数电流时的实数部成分。后者的相乘结果表示当被采样的电流表现为复数电流时的实数部成分。
另外，模拟数字转换器(ADC0～ADC5)分别例如可以是Δ-∑型的模拟数字转换器。此外，多个模拟数字转换器(ADC0～ADC5)具有相同的模拟数字转换特性。模拟数字转换特性是分辨率(比特数)等各种参数。具体地说，多个模拟数字转换器(ADC0～ADC5)中使用相同模拟数字转换器。由此，能够降低在电池单体B0～B5之间产生的、因模拟数字转换器的方式的不同而引起的转换时间(latency：延迟)的不同所引起的测量误差。
积分部118c对由电压测量部115反复测量并由转换部118b转换后的复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分进行平均化。通过该平均化也能够减少复数电压及复数电流的测量误差，能够通过过采样提高分辨率(测定精度)。通过该平均化也能够使测量高精度化。更具体地说，积分部118c与转换部118b的乘法器对对应，具备相同数量的平均化电路对。各平均化电路对由对复数电压或复数电流的实数部成分进行平均化的平均化电路、和对复数电压或复数电流的虚数部成分进行平均化的平均化电路构成。在电池单体为锂离子电池的情况下，内部复数阻抗例如为几mΩ。如果将叠加的交流电流假定为1A，则输出电压的变化仅为几mV。另一方面，锂离子电池的DC输出电压大致为3.4V左右，因此，利用与电池单体连接的模拟数字转换器来测定电压，需要动态范围为4至5V左右。在这种情况下，在复数阻抗测定精度需要8比特左右的情况下，需要具有大约18～20比特的有效比特的模拟数字转换器，但高分辨率的AD转换器的消耗电力、面积大。另一方面，为了对锂离子电池进行电化学阻抗分析而测定的内部复数阻抗，由于在从大致DC附近的0.01Hz到几十KHz的低频的范围内进行测定，所以不能通过AC连接进行复数电压的测定。在图1的结构中，通过反复施加交流电流而将复数电压或复数电流分离为实部和虚部并平均化，因此通过过采样而能够通过积分来提高分辨率，因此即使是较少的比特数(例如16比特左右)的模拟数字转换器，也能够得到20～24比特精度的复数阻抗测定结果。因此，如果能够提高复数电压的测定精度，则能够降低所施加的交流电流的大小，容易地测定容量大且内部复数阻抗小的二次电池。
保持部118d保持平均化处理后的复数电压及复数电流的实数部成分及虚数部成分。因此，保持部118d为了保持复数电压而具备与电池组101的多个电池单体相同数量的寄存器对、和用于保持复数电流的寄存器对。用于保持复数电压的各寄存器对由保持对应的电池单体的复数电压的实数部成分的寄存器(Re(Vi))和保持虚数部成分(Im(Vi))的寄存器构成。这里，i是0～5的整数。此外，用于保持复数电流的寄存器对由保持对应的电池组101的复数电流的实数部成分的寄存器(Re(I0))和保持虚数部成分(Im(I0))的寄存器构成。
温度测量部120使用设置于电池组101的温度传感器107来测量电池组101的温度。温度传感器107例如可以是热敏电阻，但也可以是使用了热电偶等其他元件的温度传感器。具体地说，温度测量部120具备模拟数字转换器以及温度计算部121。该模拟数字转换器对温度传感器107的电压进行采样，将采样的电压转换为数字值。温度计算部121计算与来自模拟数字转换器的数字电压对应的温度。
通信接口部131是用于电池管理电路105与其他电池管理电路100或综合控制部201进行通信的通信电路。通信接口部131例如用于将由保持部118d计算出的复数阻抗等发送到综合控制部201。由通信接口部131进行的通信可以是无线通信也可以是有线通信。对于由通信接口部131进行的通信的通信标准也没有特别限定。
综合控制部201将第1基准频率信号的频率f指定给电池管理电路100，并且，经由通信线132从多个电池管理装置100中收集被保持在保持部118d中的实数部成分及虚数部成分，根据收集到的复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分，计算指定的频率的复数阻抗。在阻抗的计算中，通过将被保持在保持部118d中的各复数电压分别除以复数电流来计算交流阻抗。具体地说，综合控制部201具有除法功能，例如通过将由(Re(V0)，Im(V0))表示的复数电压除以由(Re(I0)，Im(I0))表示的复数电流来计算电池单体B0的交流阻抗。
电池管理装置100是对各个电池单体进行测量管理的下级CMU(Cell ManagementUnit：单体管理单元)。与此相对，综合控制部201是管理电池组整体的上级***的BMU(Battery Management Unit：电池管理单元)。综合控制部201搭载有能够比电池管理装置100高速地进行大容量运算的MCU(Micro Control Unit：微型计算机)，进行电池控制。在图1的结构中，将作为CMU的电池管理装置100的功能限于复数电压及复数电流的测定，计算能力更高的上级的综合控制部201计算复数阻抗。由此，在复数阻抗测定中不需要搭载多个CMU侧的计算复数阻抗的运算电路，能够简化CMU的电路，低成本地实现复数阻抗测定。另外，综合控制部201通过收集复数电压及复数电流，进行测定温度引起的复数阻抗的变动的温度修正、通过对测定频率间隔进行间隔插补来缩短测定时间等运算、修正也变得容易。
接着，说明综合控制部201的结构例。
图2是表示实施方式的综合控制部201的结构例的图。
如该图所示，综合控制部201具备CPU31、存储器32、通信电路33以及无线电路34。
CPU31执行存放在存储器32中的程序。
存储器32存放用于管理多个电池管理装置100的各种程序、和包括电池组101的交流阻抗的电池状态数据等各种数据。
通信电路33通过通信线132与菊花链连接的多个电池管理装置100进行通信。
无线电路34与电池管理服务器301进行无线通信。
[动作]
接着，说明综合控制部201的具体的处理例。
图3是表示实施方式的综合控制部201的处理例的流程图。
在该图中，表示针对多个电池管理装置100中的一个电池管理装置100的处理例。综合控制部201对其他电池管理装置100也依次进行同样的处理。
首先，综合控制部201对电池管理装置100指定第1基准频率信号的频率f(S11)。由此，电池管理装置100生成所指定的频率的第1基准频率信号，进行作为二次电池的电池组101的复数电压、复数电流以及温度的测量。在这些测量完成时，综合控制部201从电池管理装置100经由通信线132取得表示测量出的复数电压、复数电流和电池组101的温度的数据(S12～S14)。此外，代替取得电池组101的温度，可以根据将计算出的复数阻抗转换为过去的复数阻抗和表示二次电池的温度的信息来推定测量时的二次电池的温度。该推定对于不具备温度传感器107的电池管理装置100是有用的。
接着，综合控制部201根据取得的数据中的复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分，计算指定的频率的复数阻抗(S15)。此外，综合控制部201也可以一边变更第1基准频率信号的频率f一边多次指定，计算与指定的频率的变化对应的复数阻抗的变化。
进而，综合控制部201生成表示将复数阻抗设为复数平面上的轨迹的科尔-科尔图的描绘数据(S16)。另外，综合控制部201也可以代替表示科尔-科尔图的描绘数据，而生成表示将复数阻抗转换为大小和相位的波特图的描绘数据。
另外，综合控制部201根据取得的温度(或者推定出的温度)，将复数阻抗标准化(S17)。具体地说，综合控制部201根据取得的温度将复数阻抗转换为与规定的温度对应的复数阻抗。另外，也可以调换步骤S16和步骤S17的顺序。即，综合控制部201也可以在基于温度的标准化之后生成描绘数据。
接着，综合控制部201基于与规定的温度对应的(即与测定温度不同的、被修正为标准温度的)复数阻抗，计算构成表示对应的电池单体的等效电路模型的电阻R、电容C等电路元件的元件常数(S18)。
进而，综合控制部201生成包含复数阻抗和上述元件常数的测量信息，对测量信息赋予识别对应的电池单体的识别信息(S19)，进而，赋予表示当前时刻和运转时间的信息(S20)。综合控制部201将赋予了识别信息、当前时刻、运转时间的测量信息作为电池状态数据，经由网络发送到电池管理服务器301(S21)。
接着，对电池单体的等效电路模型及其元件常数的例子进行说明。
图4是表示实施方式的电池单体的构造例和等效电路模型的例子的说明图。图4的(a)表示电池单体B0的符号。图4的(b)示意性地示出了电池单体B0为锂离子电池的情况下的构造例。作为等效电路模型的前提，电池单体B0具有负极电极、负极材料、电解液、隔膜、正极材料、以及正极电极。图4的(c)表示电池单体B0的等效电路模型的一例。该等效电路模型具有感应成分(日文：誘導成分)L0、电阻成分R0～R2、电容成分C1、C2以及锂离子扩散电阻成分Zw。感应成分L0表示电极线的阻抗成分。电阻成分R0表示电解液的阻抗成分。电阻成分R1和电容成分C1的并联电路表示负极的阻抗成分。由电阻成分R2、锂离子扩散电阻成分Zw及电容成分C2构成的电路部分表示正极的阻抗成分。锂离子扩散电阻Zw作为沃伯格阻抗(Warburg Impedance)而被公知。
如果计算出构成这样的等效电路模型的各电路元件的元件常数，则能够推定电池单体B0的状态。例如，能够根据元件常数随时间的变化来推定电池单体B0的劣化状态。
接下来，说明电池单体的复数阻抗的特性例。
图5A是表示实施方式的电池单体的复数阻抗的一例的科尔-科尔图。图5A的(a)和(b)中的粗实线表示没有相位误差的正确复数阻抗的例子。图5A的(a)中的粗虚线表示发生了角度固定的相位误差的情况下的复数阻抗的例子。另外，图5A的(b)中的粗虚线表示发生了延迟时间固定的相位误差的情况下的复数阻抗的例子。
科尔-科尔图也被称为复数平面图、奈奎斯特图。图5A的(a)和(b)中的粗实线对应于图4的(c)中的等效电路模型。在叠加交流电流来计算电池单体的复数阻抗的方法中，通常已知在电荷移动控速的情况下，电阻和电容由并联配置的等效电路表示，在复数平面中为半圆状。此外，在包含该沃伯格阻抗的情况下，通常已知从半圆的中途(右上附近)开始，作为由沃伯格阻抗引起的倾斜而成为以倾斜45度上升的直线。
在复数阻抗的计算中，如果电压和电流的测量***具有相位误差，则表示为复数阻抗的相位误差。通常，测量***因素的相位误差具有频率特性的情况较多，在测定不同频率下的复数阻抗的情况下成为问题。特别地，在一边使频率可变一边将各个频率的复数阻抗描绘于科尔-科尔图中的情况下，各频率相位误差在科尔-科尔图的复数平面上表示为实轴(横轴)与虚轴(纵轴)的正交误差。因此，难以描绘准确的科尔-科尔图。然而，在图1的结构中，通过在测定复数电压和复数电流之后计算复数阻抗，电压和电流的测定***的相位误差极小，能够描绘准确的科尔-科尔图。如图5A的(a)的粗虚线所示，在相位误差的角度固定的情况下，科尔-科尔图具有以原点为中心旋转的特性。另外，如图5A的(b)的粗虚线所示，在相位误差的延迟时间固定的情况下，具有如下特性：科尔-科尔图仅在高频侧旋转，在低频侧与粗实线重合。换句话说，具有如下特性：相位误差仅在高频侧产生，而在低频侧不产生。
图5B是表示实施方式的电池单体的复数阻抗的一例的波特图。图5B的(a)的上部以及(b)的上部中的粗实线表示无相位误差的正确的复数阻抗相对于频率的大小的例子。图5B的(a)的下部和(b)的下部中的粗实线表示无相位误差的正确的复数阻抗相对于频率的相位θ的例子。
图5B的(a)的下部中的粗虚线表示产生了角度固定的相位误差的情况下的复数阻抗相对于频率的相位θ的例子。另外，图5B的(b)的下部中的粗虚线表示产生了延迟时间固定的相位误差的情况下的复数阻抗相对于频率的相位θ的例子。图5B的(a)及(b)中的粗实线与图4的(c)的等效电路模型对应。
在一边使频率可变一边将复数阻抗描绘成用大小和相位表现的波特图的情况下，如果电压和电流的测定***中存在相位误差，则表示为波特图上的相位误差。因此，难以将准确的复数阻抗描绘为波特图。但是，在图1的结构中，通过在测定复数电压和复数电流之后计算复数阻抗，使电压和电流的测定***的相位误差极小，能够描绘准确的波特图。如图5B的(a)的下部所示的粗虚线那样，在相位误差的角度固定的情况下，表示相位相对于频率的波特图具有平行移动的特性。另外，如图5B的(b)的下部所示的粗虚线那样，在相位误差的延迟时间固定的情况下，表示相位相对于频率的波特图具有仅受到高频侧的影响，而在低频侧与粗实线重合的特性。换句话说，具有如下特性：相位误差仅在高频侧产生，而在低频侧不产生。
此外，图5A、图5B在推定电池单体的状态中是有用的。例如，可以认为电池单体越劣化，图5A的粗实线则越靠右变大。可以认为电池单体越劣化，图5B的上部的粗实线则越向上变大。
接着，对电池单体的温度特性进行说明。
图6是表示实施方式的电池单体的复数阻抗的温度特性例的图。该图示出了电池单体的温度为20度、25度、30度的情况下的科尔-科尔图。如上所述，电池单体的复数阻抗具有温度依赖性，但是通过将复数阻抗转换为与规定的温度对应的复数阻抗的标准化，能够减小温度依赖性的影响。
如上所述，电池管理电路105能够以简单的电路结构高精度地测量电池组101的各个电池单体的复数阻抗。
如以上说明的那样，实施方式1的电池管理电路105是管理二次电池的电池管理电路，具备：基准信号产生部109，产生第1基准频率信号、和具有与第1基准频率信号错开90度的相位的第2基准频率信号；交流叠加部104，将具有第1基准频率信号的频率成分的交流电流叠加于二次电池；电压测量部115，通过以比第1基准频率信号高的频率进行采样，测量二次电池的电压；电流测量部112，通过以比第1基准频率信号高的频率进行采样，测量二次电池的电流；以及转换部118b，通过对电压测量部115以及电流测量部112的测量结果乘以第1基准频率信号以及第2基准频率信号，将测量结果转换为复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分。
由此，能够以简单的电路结构高精度地测量二次电池的复数阻抗。
这里，电池管理电路105也可以具备时钟生成部113，该时钟生成部113生成频率比第1基准频率信号高且同步的采样时钟信号，电压测量部115以及电流测量部112使用由时钟生成部113生成的采样时钟信号进行采样。
另外，时钟生成部113也可以生成一个或多个采样时钟信号。
另外，多个采样时钟信号可以与第1基准频率信号同步，也可以与第1基准频率信号不同步。即使采样时钟信号与第1基准频率信号不同步，只要频率充分比第1基准频率信号高，电压测量部115和电流测量部112就能够高精度地测量电压和电流。
电压测量部115和电流测量部112可以使用相同的采样时钟信号，也可以使用不同的采样时钟信号。即，电压测量和电流测量的采样信号可以是相同的采样时钟信号，也可以是不同的采样时钟信号。即使是不同的采样时钟信号，只要是充分比第1基准频率信号高的频率，就能够进行与使用相同的采样时钟信号的情况下同等的测定。
在此，电压测量部115和电流测量部112可以反复测量二次电池的电压和电流，电池管理电路105可以具备积分部118c，该积分部118c将与反复测量对应的复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分平均化。
由此，能够通过平均化来提高电压测量及电流测量的分辨率，能够提高测定精度。如果能够提高复数电压的测定精度，则能够降低所施加的交流电流的大小，并且容易地测定容量大且内部复数阻抗小的二次电池。
在此，电压测量部115具备用于测量二次电池的电压的一个以上的模拟数字转换器，电流测量部112具备用于测量二次电池的电流的模拟数字转换器，电池管理电路105可以具备对电压测量部115的一个以上的模拟数字转换器和电流测量部112的模拟数字转换器供给共用的基准电压的基准电压电路117。
例如，即使是比特数少(例如16比特左右)的模拟数字转换器，也能够得到20～24比特精度的复数阻抗测定结果。此外，由于电压测定和电流测定使用相同的基准电压，在复数阻抗的计算即测量电压除以测量电流中，基准电压的绝对误差出现在分母和分子双方而被抵消。由此，能够高精度地测定复数阻抗。
在此，作为二次电池的电池组101具有串联连接的多个电池单体，电压测量部115也可以具备与电池单体相同数量的模拟数字转换器作为一个以上的模拟数字转换器，测量多个电池单体各自的电压。
由此，通过与电池单体相同数量的模拟数字转换器，能够同时并行地进行多个电池单体的电压测量和电流测量。即使在有急剧的温度变化的情况下也能够高精度地进行测量。
在此，电池管理电路105也可以是一个半导体集成电路(BMIC)。
由此，通过电池管理装置100的IC化，容易实现低成本化。
另外，实施方式1的电池管理***200具备：上述的电池管理电路105；以及综合控制部201，将第1基准频率信号的频率指定给电池管理电路100，电池管理电路100将复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分发送到综合控制部201，综合控制部201根据所发送的复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分，计算指定的频率的复数阻抗。
在此，电池管理***200具备至少一个电池管理电路105、和将综合控制部201及至少一个电池管理电路105菊花链连接的通信线132，综合控制部201可以经由通信线132从至少一个电池管理电路105收集实数部成分及虚数部成分。
由此，综合控制部201是管理电池组整体的上级***，综合控制部201使用由电池管理电路105测量出的复数电压及复数电流计算复数阻抗。由此，在复数阻抗测定中，能够简化电池管理电路105的电路结构，能够以低成本实现。另外，通过综合控制部201收集复数电压及复数电流，对于测定误差或测定温度偏差等进行高度的修正也变得容易。
在此，综合控制部201也可以在变更第1基准频率信号的频率的同时多次指定，并计算与指定的频率的变化对应的复数阻抗的变化。
由此，能够在综合控制部201的控制下计算与频率的变化对应的复数阻抗的变化。
在此，综合控制部201可以生成表示将复数阻抗设为复数平面上的轨迹的科尔-科尔图的描绘数据。
在此，综合控制部201也可以生成表示将复数阻抗转换为大小和相位的波特图的描绘数据。
由此，使用二次电池的科尔-科尔图或波特图，容易进行电池单体的(劣化状态等)状态推定。
在此，综合控制部201也可以取得二次电池的温度，根据取得的温度将复数阻抗转换为与规定的温度对应的复数阻抗。
根据该结构，能够降低二次电池的复数阻抗的温度依赖性的影响。
在此，综合控制部201也可以根据将计算出的复数阻抗转换为过去的复数阻抗和表示二次电池的温度的信息，来推定测量时的二次电池的温度。
由此，即使是没有温度传感器的电池管理装置，也能够推定二次电池的测量时的温度。
在此，综合控制部201也可以基于与规定的温度对应的复数阻抗，计算构成表示二次电池的等效电路模型的电路元件的元件常数。
由此，能够进行使用了二次电池的等效电路模型的状态推定。
在此，综合控制部201也可以在包含计算出的复数阻抗的测量信息中附加识别二次电池的识别信息，将附加了识别信息的测量信息经由网络发送到服务器装置。
由此，电池管理***200能够与服务器装置(电池管理服务器301)协同进行电池管理。
在此，综合控制部201也可以从服务器装置接收包含基于测量信息推定二次电池的状态的结果的电池信息。
(实施方式2)
接着，对电池管理服务器301是所谓的云服务器装置的情况下的电池管理网络的结构例进行说明。
图7是表示实施方式的电池管理网络的结构例的框图。该图的电池管理网络包括汽车400和云***300。
汽车400具备电池管理***200和马达401。
电池管理***200已经由实施方式1进行了说明。图7中的综合控制部201经由无线电路34与云***300的服务器装置进行通信。此外，有时在无线电路34与服务器装置301之间存在中继装置。
云***300是包括服务器装置301的网络上的服务器装置群。电池管理服务器301是配置于与电池管理***200分开的场所的服务器装置。服务器装置301是所谓的云服务器。
图8是表示实施方式的电池管理网络的处理例的时序图。
汽车400的电池管理***200在实施方式1中，在包含计算出的复数阻抗的测量信息中附加识别二次电池的识别信息，将附加了识别信息的测量信息作为电池状态数据，经由网络发送到服务器装置301(S21)。
电池管理服务器301基于电池状态数据来推定二次电池的状态(S22)，并生成包含推定结果的电池信息。二次电池的状态例如包括电池的充电状态、劣化状态、工作历史等。此外，服务器装置301把作为状态推定结果的电池信息发送到汽车400(S23)。
此外，电池管理***200进行将包含测量信息或电池信息的区块数据发送到服务器装置301的区块发行(S24)。
电池管理服务器301进行共享处理，该共享处理在云服务器装置群中共享所发行的区块数据(S25)。共享处理可以是例如被称为挖掘处理的处理。云服务器装置群将区块数据的集合体作为区块链而共享，进行将从汽车400发行的区块数据接合到区块链的处理(即挖掘处理)，进行状态推定以及劣化诊断。
在将电池管理服务器301连接到区块链的处理完成后，电池管理服务器301将表示区块承认的数据发送到汽车400(S26)。
如以上说明的那样，实施方式2的服务器装置301包含于在网络上共享电池信息的服务器装置群。
因此，能够实现云电池远程信息处理(Cloud battery telematics)。这里，云电池远程信息处理是指，使用云服务***和搭载于汽车且能够与网络连接的电池管理***200来进行电池管理，作为能够利用各种信息的信息服务的一环。
在此，综合控制部201也可以通过将包含测量信息或电池信息的区块数据发送到服务器装置，使服务器装置群共享区块数据的集合体。
由此，包含测量信息或电池信息的区块数据能够由服务器装置群共享并管理。例如，如果服务器装置群通过区块链技术管理区块数据，则能够安全地管理电池信息。
(变形例)
接着，对实施方式1和2的电池管理***200的变形例进行说明。
图9是表示变形例的电池管理***的结构例以及电池管理服务器的框图。
该图与图1相比，不同之处在于，代替电池管理电路105而具备电池管理电路105A(第1半导体集成电路)及电池管理电路105B(第2半导体集成电路)。以下，以不同之处为中心进行说明。作为单芯片半导体集成电路的电池管理电路105被分割为两个芯片的半导体集成电路。并且，电流测量部112和电压测量部115的电路结构被简化。
电池管理电路105A与电池管理装置100相比，主要不同之处在于，具有测量电压的测量部122、作为基准信号产生部109的第1基准信号产生部、和第1信号同步化部119。
电池管理电路105B具有电流测量部112、第1信号同步化部119、与基准信号产生部109等效的第2基准信号产生部、以及第2同步化部119。
第1信号同步化部控制第1基准信号产生部，以使电池管理电路105A内部的第1基准频率信号和电池管理电路105B内部的第1基准频率信号的相位一致。
第2信号同步化部控制第2基准信号产生部，以使电池管理电路105A内部的第1基准频率信号和电池管理电路105B内部的第1基准频率信号的相位一致。
测量部122具备从多个电池单体选择一个电池单体的多路复用器(MUX)、测量由多路复用器选择的电池单体的电压的一个模拟数字转换器、以及分配模拟数字转换器的转换结果的多路分配器。测量部122从多个电池单体中依次选择一个电池单体，测量其电压。另外，测量部122还测量温度。
如上所述，在变形例的电池管理***200中，二次电池具有串联连接的多个电池单体，电池管理电路105具备从多个电池单体中选择一个电池单体的多路复用器，电压测量部115的一个以上的模拟数字转换器是一个模拟数字转换器，测量由多路复用器选择的电池单体的电压。
由此，通过一个模拟数字转换器，能够依次进行多个电池单体的电压测量和电流测量，能够使电路结构简单。
这里，也可以是，电池管理电路由第1半导体集成电路(电池管理电路105A)和第2半导体集成电路(电池管理电路105B)构成，第1半导体集成电路具有电压测量部115、作为基准信号产生部109的第1基准信号产生部、以及第1信号同步化部119，第2半导体集成电路具有电流测量部112、第1信号同步化部119、与基准信号产生部109等效的第2基准信号产生部、以及第2信号同步化部119，第1信号同步化部控制第1基准信号产生部，以使第1半导体集成电路内部的第1基准频率信号与第2半导体集成电路内部的第1基准频率信号的相位一致，第2信号同步化部控制第2基准信号产生部，以使第1半导体集成电路内部的第1基准频率信号与第2半导体集成电路内部的第1基准频率信号的相位一致。
由此，如果在电池管理***200整体中仅具备一个第2半导体集成电路，则能够在一处共同地对多个电池组101进行电流的测量。换句话说，由于电流的测量不需要在多个电池组101中单独进行，所以能够使电路结构更简单。而且，通过第1、第2信号同步化部，使第1半导体集成电路内的第1基准频率信号和第2半导体集成电路内的第1基准频率信号的相位一致，因此能够高精度地进行测量。
(其他实施方式)
以上，对实施方式进行了说明，但本公开并不限定于上述实施方式。
例如，在上述实施方式中，对将EV等汽车所使用的电池作为管理对象的电池管理***进行了说明，但电池管理***也可以将任何用途的电池作为管理对象。
另外，在上述实施方式中说明的电路结构是一例，本公开不限于上述电路结构。即，与上述电路结构相同，本公开也包括能够实现本公开的特征性功能的电路。例如，在能够实现与上述电路结构相同的功能的范围内，相对于某个元件串联或并联地连接了开关元件(晶体管)、电阻元件或电容元件等元件的结构也包含在本申请中。
此外，在上述实施方式中，集成电路所包含的构成要素通过硬件来实现。但是，集成电路所包含的构成要素的一部分也可以通过执行适于该构成要素的软件程序来实现。集成电路所包含的构成要素的一部分也可以通过CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)或处理器等程序执行部读出并执行硬盘或半导体存储器等记录介质中记录的软件程序来实现。
此外，在上述实施方式中，也可以由其他的处理部执行特定的处理部所执行的处理。另外，在上述实施方式中说明的动作中，既可以变更多个处理的顺序，也可以并行进行多个处理。
此外，对各实施方式实施本领域技术人员想到的各种变形而得到的方式、或者在不脱离本公开的主旨的范围内任意组合各实施方式中的构成要素以及功能而实现的方式也包含于本公开。
产业上可利用性
本公开能够利用于管理二次电池的电池管理电路、电池管理***以及电池管理网络。
附图标记说明
31 CPU
32 存储器
33 通信电路
34 无线电路
100、100A、100B 电池管理装置
101 电池组
104 交流叠加部
105、105A、105B 电池管理电路
106 检测电阻
107 温度传感器
109 基准信号产生部
110 基准频率产生器
111 移相器
112 电流测量部
113 时钟生成部
115 电压测量部
117 基准电压生成部
118b 转换部
118c 积分部
118d 保持部
119 同步化部
120 温度测量部
121 温度计算部
122 测量部
131 通信接口部
132 通信线
200 电池管理***
201 综合控制部
300 云***
301 电池管理服务器
302 通信线
400 汽车
401 马达
B0～B5 电池单体

Claims (21)

1.一种电池管理电路，管理二次电池，其中，具备：
基准信号产生部，产生第1基准频率信号和具有与第1基准频率信号不同相位的第2基准频率信号；
交流叠加部，将具有所述第1基准频率信号的频率成分的交流电流叠加于所述二次电池；
电压测量部，通过以比所述第1基准频率信号高的频率进行采样，测量所述二次电池的电压；
电流测量部，通过以比所述第1基准频率信号高的频率进行采样，测量所述二次电池的电流；以及
转换部，通过将所述电压测量部以及所述电流测量部的测量结果乘以所述第1基准频率信号及所述第2基准频率信号，将所述测量结果转换为复数电压及复数电流各自的实数部成分及虚数部成分。
2.根据权利要求1所述的电池管理电路，其中，
所述电压测量部和所述电流测量部反复测量所述二次电池的电压和电流，
所述电池管理电路具备将与反复测量对应的所述复数电压和所述复数电流各自的实数部成分及虚数部成分平均化的积分部。
3.根据权利要求1或2所述的电池管理电路，其中，
所述电压测量部具备用于测量所述二次电池的电压的一个以上的模拟数字转换器，
所述电流测量部具备用于测量所述二次电池的电流的模拟数字转换器，
所述电池管理电路具备基准电压电路，所述基准电压电路向所述电压测量部的所述一个以上的模拟数字转换器以及所述电流测量部的模拟数字转换器供给共用的基准电压。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池管理电路，其中，
所述二次电池具有串联连接的多个电池单体，
所述电压测量部，具备与所述电池单体相同数量的模拟数字转换器作为所述一个以上的模拟数字转换器，测量多个电池单体各自的电压。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电池管理电路，其中，
所述二次电池具有串联连接的多个电池单体，
所述电池管理电路具备多路复用器，所述多路复用器从所述多个电池单体中选择一个电池单体，
所述电压测量部的所述一个以上的模拟数字转换器是一个模拟数字转换器，测量由所述多路复用器选择的电池单体的电压。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池管理电路，其中，
所述电池管理电路是一个半导体集成电路。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电池管理电路，其中，
所述电池管理电路由第1半导体集成电路和第2半导体集成电路构成，
所述第1半导体集成电路具有所述电压测量部、作为所述基准信号产生部的第1基准信号产生部、以及第1信号同步化部，
所述第2半导体集成电路具有所述电流测量部、第1信号同步化部、与所述基准信号产生部等效的第2基准信号产生部、以及第2信号同步化部，
所述第1信号同步化部控制所述第1基准信号产生部，以使所述第1半导体集成电路内部的所述第1基准频率信号与所述第2半导体集成电路内部的所述第1基准频率信号的相位一致，
所述第2信号同步化部控制所述第2基准信号产生部，以使所述第1半导体集成电路内部的所述第1基准频率信号与所述第2半导体集成电路内部的所述第1基准频率信号的相位一致。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池管理电路，其中，
所述第2基准频率信号具有与所述第1基准频率信号正交的相位。
9.一种电池管理***，其中，具备：
权利要求1至8中任一项所述的电池管理电路；以及
综合控制部，将所述第1基准频率信号的频率指定给所述电池管理电路，
所述电池管理电路将所述复数电压及所述复数电流各自的实数部成分及虚数部成分发送到所述综合控制部，
所述综合控制部根据所发送的所述复数电压及所述复数电流各自的实数部成分及虚数部成分，计算指定的频率的复数阻抗。
10.根据权利要求9所述的电池管理***，其中，具备：
至少一个所述电池管理电路；以及
通信线，将所述综合控制部和所述至少一个所述电池管理电路菊花链连接，
所述综合控制部经由所述通信线从所述至少一个所述电池管理电路收集所述实数部成分及所述虚数部成分。
11.根据权利要求9或10所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部一边变更所述第1基准频率信号的频率一边多次指定该频率，并计算与指定的频率的变化对应的所述复数阻抗的变化。
12.根据权利要求11所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部生成表示将复数阻抗设为复数平面上的轨迹的科尔-科尔图的描绘数据。
13.根据权利要求11所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部生成表示将复数阻抗转换为大小和相位的波特图的描绘数据。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部201取得所述二次电池的温度，根据取得的温度将所述复数阻抗转换为与规定的温度对应的复数阻抗。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部201根据将计算出的复数阻抗转换为过去的复数阻抗以及表示所述二次电池的温度的信息，推定测量时的所述二次电池的温度。
16.根据权利要求14所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部基于与所述规定的温度对应的复数阻抗，计算构成表示所述二次电池的等效电路模型的电路元件的元件常数。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部在包含计算出的复数阻抗的测量信息中附加识别所述二次电池的识别信息，将附加了所述识别信息的所述测量信息经由网络发送到服务器装置。
18.根据权利要求17所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部从所述服务器装置接收电池信息，所述电池信息包含基于所述测量信息所推定的所述二次电池的状态的结果。
19.根据权利要求18所述的电池管理***，其中，
所述服务器装置被包括在所述网络上共享所述电池信息的服务器装置群中。
20.根据权利要求19所述的电池管理***，其中，
所述综合控制部通过将包含所述测量信息或所述电池信息的区块数据发送到所述服务器装置，使所述服务器装置群共享所述区块数据的集合体。
21.一种电池管理网络，其中，具备：
权利要求18至20中任一项所述的电池管理***；以及
所述服务器装置，
所述服务器装置基于所述测量信息生成所述电池信息。
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