DE102019106612A1

DE102019106612A1 - Batteriediagnosesystem, -schaltung und -verfahren, das einen Redundanzmessansatz mit einem zweiten Pfad verwendet

Info

Publication number: DE102019106612A1
Application number: DE102019106612.3A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Hofer; Jesus Ruiz Sevillano; Felix Weidner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2019-09-19
Also published as: US20210132156A1; JP2019179029A; JP6775625B2; US10901045B2; US20190285699A1; CN110275116A; US11656294B2

Abstract

Ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batteriediagnostik umfasst: Messen einer ersten Spannung über einer ersten Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterie über einen ersten Messpfad eines Netzes unter Verwendung einer ersten Messschaltung, wobei das Messen der ersten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem Spannungsabtastwert während einer ersten Zeitdauer unter Verwendung der ersten Messschaltung umfasst; Messen einer zweiten Spannung über der ersten Batteriezelle über einen zweiten Messpfad des Netzes unter Verwendung einer zweiten Messschaltung, wobei das Messen der zweiten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem zweiten Spannungsabtastwert während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst, wobei der zweite Messpfad des Netzes von dem ersten Messpfad des Netzes verschieden ist; Vergleichen der gemessenen ersten Spannung mit der gemessenen zweiten Spannung; und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein elektronisches System und ein Verfahren und in bestimmten Ausführungsformen ein Batteriediagnosesystem und -verfahren, das einen Redundanzmessansatz mit einem zweiten Pfad verwendet.
Hintergrund
Elektrofahrzeuge sind Fahrzeuge, die zum Antrieb einen Elektromotor verwenden. Typischerweise verwendet ein Elektrofahrzeug einen Batteriepack zum Versorgen des Elektromotors. Ein Batteriepack umfasst in der Regel einen Stapel Batteriezellen in Reihe, um Spannungen, wie z.B. 400 V oder höher, zu erzielen. Zum Beispiel kann ein Batteriepack einen Stapel von 96 in Reihe verbundenen Lithiumionenbatteriezellen umfassen. Spannungen niedriger als 400 V können auch verwendet werden.
Da Elektrofahrzeuge in der Regel durch einen Batteriepack angetrieben werden, stellt die Gesundheit des Batteriepacks ein wichtiges Sicherheitsbedenken dar. In manchen Fällen kann ein Ausfall einer einzelnen Batteriezelle des Batteriepacks katastrophal sein. Aufgrund von Herstellungsabwandlungen oder Abwandlungen, die mit dem Gebrauch zusammenhängen, können einige Batteriezellen eine geringfügig geringere Kapazität aufweisen als andere Batteriezellen im Batteriepack. Ohne ein Ausgleichen von Batteriezellen können eine oder mehrere Batteriezellen nach mehreren Lade-/Entladezyklen ausfallen.
Fahrzeuge überwachen daher in der Regel jede einzelne Batteriezelle und gleichen sie regelmäßig aus. Das Überwachen und Ausgleichen der Batteriezellen wird typischerweise durch eine externe integrierte Schaltung (IC) vorgenommen, die oft Batteriestapelüberwachungseinrichtung, Batterieüberwachungs-IC oder Abtast-IC genannt wird, die über ein Ausgleichsnetz mit dem Batteriepack verbunden ist. In einigen Implementierungen überwacht die externe IC die Spannung über jeder Batteriezelle des Batteriepacks und entlädt dann einige der Batteriezellen auf der Grundlage der überwachten Spannung, um sicherzustellen, dass jede Batteriezelle in Bezug auf die anderen Batteriezellen im Batteriepack ausgeglichen ist. Da das zum Verbinden der externen IC mit dem Batteriepack verwendete Ausgleichsnetz ausfallen kann, kann die externe IC in der Lage sein, als eine andere Diagnosefunktion offene Schaltungen des Ausgleichsnetzes zu detektieren.
Kurzdarstellung
Es werden ein Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert, eine Schaltung, wie in Anspruch 10 definiert, und ein Batteriemanagementsystem, wie in Anspruch 18 definiert, bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen. Die Schaltungen und die Systeme können ausgelegt sein, um ein oder mehrere der Verfahren durchzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen einer Batteriediagnostik: Messen einer ersten Spannung über einer ersten Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterie über einen ersten Messpfad eines Netzes unter Verwendung einer ersten Messschaltung, wobei das Messen der ersten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem ersten Spannungsabtastwert während einer ersten Zeitdauer unter Verwendung der ersten Messschaltung umfasst; Messen einer zweiten Spannung über der ersten Batteriezelle über einen zweiten Messpfad des Netzes unter Verwendung einer zweiten Messschaltung, wobei das Messen der zweiten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem zweiten Spannungsabtastwert während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst; wobei der zweite Messpfad des Netzes von dem ersten Messpfad des Netzes verschieden ist; Vergleichen der gemessenen ersten Spannung mit der gemessenen zweiten Spannung; und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltung: eine erste Messschaltung, die ausgelegt ist, um mit einer ersten Batteriezelle über einen ersten Pfad eines Netzes gekoppelt zu sein; eine zweite Messschaltung, die ausgelegt ist, um mit der ersten Batteriezelle über einen zweiten Pfad des Netzes gekoppelt zu werden, wobei der zweite Pfad von dem ersten Pfad verschieden ist; und eine Steuerung, die zum Folgenden ausgelegt ist: Bewirken, dass die erste Messschaltung eine erste Vielzahl von Spannungsabtastwerten über einem ersten und einem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während einer ersten Zeitdauer misst; Bewirken, dass die zweite Messschaltung eine zweite Vielzahl von Spannungsabtastwerten über dem ersten und dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während der ersten Zeitdauer misst; Vergleichen einer Ausgabe der ersten Messschaltung mit einer Ausgabe der zweiten Messschaltung, und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
In einer Ausführungsform umfasst ein Batteriemanagementsystem: eine wiederaufladbare Batterie, die N in Reihe gekoppelte Batteriezellen umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl größer null ist; ein Ausgleichsnetz, das mit der wiederaufladbaren Batterie gekoppelt ist; und eine Batterieüberwachungsschaltung, die mit dem Ausgleichsnetz gekoppelt ist, wobei die Batterieüberwachungsschaltung umfasst: einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC), der einen Eingang aufweist, der zum Koppeln mit einer ersten Batteriezelle von den N Batteriezellen über einen ersten Pfad des Ausgleichsnetzes ausgelegt ist, wobei der Signa-Delta-ADC mit einem ersten Referenzspannungsgenerator gekoppelt ist; eine Messschaltung, die einen Eingang aufweist, der ausgelegt ist, um mit der ersten Batteriezelle über einen zweiten Pfad des Ausgleichsnetzes gekoppelt zu werden, wobei der zweite Pfad von dem ersten Pfad verschieden ist, wobei die Messschaltung mit einem zweiten Referenzspannungsgenerator gekoppelt ist, der von dem ersten Referenzspannungsgenerator der verschieden ist, wobei die Messschaltung eine andere Architektur aufweist als der Sigma-Delta-ADC; und eine Steuerung, die zum Folgenden ausgelegt ist: Steuern des Sigma-Delta-ADC, um eine erste Vielzahl von Spannungsabtastwerten über einem ersten und einem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während einer ersten Zeitdauer zu messen, Steuern der Messschaltung, um eine zweite Vielzahl von Spannungsabtastwerten über dem ersten und dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während der ersten Zeitdauer zu messen, Vergleichen einer Ausgabe des Sigma-Delta-ADC mit einer Ausgabe der Messschaltung, und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
Figurenliste
Für ein vollständigeres Verständnis der der vorliegenden Erfindung und der Vorteile davon wird nun Bezug auf die nachfolgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen. Es zeigen:

1 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsformverfahrens zum Detektieren eines Ausfalls eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein schematisches Diagramm, das ein mögliches Messsystem zum Erzielen gleichzeitiger Messwerte zeigt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 Zeitdiagramme zum Messen einer Spannung über jeder der Batteriezellen des Batteriemanagementsystems von 7, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsformverfahrens zum Detektieren eines Ausfalls eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Jeweilige Bezugszeichen und -symbole in verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein, solange nicht anders angegeben, auf entsprechende Elemente. Die Figuren sind derart gezeichnet, dass sie die wichtigen Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar veranschaulichen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Um bestimmte Ausführungsformen verständlicher darzustellen, kann ein Buchstabe, der Abwandlungen derselben Struktur, desselben Materials oder Prozessschritts anzeigt, auf eine Figurennummer folgen.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Das Ausbilden und Verwenden der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform werden nachstehend ausführlich besprochen. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in einer breiten Vielfalt von bestimmten Kontexten verkörpert werden können. Die besprochenen konkreten Ausführungsformen bilden lediglich Beispiele konkreter Weisen zum Bereitstellen und Verwenden der Erfindung und beschränken nicht den Umfang der Erfindung.
Die nachstehende Beschreibung veranschaulicht die verschiedenen konkreten Einzelheiten, um ein gründliches Verständnis einiger Ausführungsbeispiele gemäß der Beschreibung bereitzustellen. Die Ausführungsformen können ohne eine oder mehrere der konkreten Einzelheiten oder mit anderen Verfahren, Komponenten Materialien und dergleichen erzielt werden. In anderen Fällen sind an sich bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht dargestellt oder ausführlich beschrieben, um die verschiedenen Aspekte der Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Verweise auf „eine Ausführungsform“ in dieser Beschreibung zeigen an, dass eine bestimmte Ausgestaltung, Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, die/das im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest einer Ausführungsform aufgenommen ist. Folglich beziehen sich Ausdrücke, wie z.B. „in einer Ausführungsform“, die an verschiedenen Stellen der vorliegenden Beschreibung auftreten können, nicht notwendigerweise auf exakt dieselbe Ausführungsform. Des Weiteren können konkrete Anordnungen, Strukturen oder Merkmale in einer oder mehreren Ausführungsformen in einer beliebigen geeigneten Weise kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf Ausführungsformen in einem bestimmten Kontext einer Diagnoseschaltung, die mit einem Batteriepack eines Elektrofahrzeugs gekoppelt ist und ausgelegt ist, um Ausfälle im Batteriepack, Ausgleichsnetz, und anderen Komponenten, die sich innerhalb und außerhalb der Diagnoseschaltung befinden, unter Verwendung redundanter Spannungsmessschaltungen, die mithilfe verschiedener Technologien implementiert sind, zu detektieren. Einige Ausführungsformen können in Systemen, die von einem Elektrofahrzeug verschieden sind, verwendet werden, wie z.B. anderen Systemen, die Spannung messen. Technologien zum Messen einer Spannung, die von den hier beschriebenen verschieden sind, können ebenfalls verwendet werden.
Systemredundanz kann in kritischen Sicherheitssystemen, wie z.B. Batteriemanagementsystemen, verwendet werden, um die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems zu verringern. Um die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls zu verringern, ist es im Allgemeinen am wirksamsten, wenn das redundante System und das primäre System nicht korreliert sind (d.h. sich gegenseitig ausschließen). Je weniger zum Beispiel das redundante Messsystem mit dem primären System korreliert ist, desto niedriger ist in der Regel die Wahrscheinlichkeit, dass das primäre System und das redundante System als Folge eines einzelnen konkreten Ereignisses oder einer Grundursache ausfallen (auch als Mehrfachausfall bekannt).
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ein Batteriemanagementsystem eine Batterieüberwachungs-IC, die eine Redundanz zum Überwachen der Spannung über jeder Batteriezelle eines Batteriepacks verwendet. Die Spannung über einer Batteriezelle wird mit einer primären Spannungsmessschaltung und mit einer sekundären Spannungsmessschaltung gemessen. Die primäre und die sekundäre Spannungsmessschaltung werden mit unterschiedenen Technologien implementiert, verwenden verschiedene Referenzspannungsgeneratoren, und Messen die Spannung über der Batteriezelle gleichzeitig über verschiedene Pfade. Fehler innerhalb der Batterieüberwachungs-IC oder außerhalb der Batterieüberwachungs-IC, wie z.B. fehlerhafte Komponenten und leckende Pfade, können detektiert werden, indem ein Unterschied zwischen den Spannungen, die durch die primäre und die sekundäre Spannungsmessschaltung gemessen werden, mit einem Spannungsschwellenwert verglichen werden.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Batteriemanagementsystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Einige Komponenten und Einzelheiten des Batteriemanagementsystems 100 sind zu Klarheitszwecken weggelassen. Das Batteriemanagementsystem 100 umfasst einen Batteriepack 101, der mit einer Batterieüberwachungs-IC 102 über ein Analogfilter- und Ausgleichsnetz 104 gekoppelt ist. Die Batterieüberwachungs-IC 102 umfasst eine ESD-Schutzschaltung 106 (elektrostatische Entladung), Open-Loop-Diagnose- und Ausgleichsschaltung 108 und eine Spannungsmessschaltung 109. Der Batteriepack 101 umfasst eine Vielzahl von in Reihe gekoppelten Batteriezellen. Jedoch zeigt 1 zu Klarheitszwecken lediglich eine Batteriezelle celli des Batteriepacks 101.
In Normalbetrieb wird die Spannung über der Batteriezelle cell_i durch die Spannungsmessschaltung 109 überwacht. Die durch die Spannungsmessschaltung 109 gemessene Spannung wird verwendet, um zum Beispiel zu bestimmen, ob die Batteriezelle celli entladen werden sollte, um in Bezug auf andere Batteriezellen im Batteriepack 101 ausgeglichen zu sein. Die Spannung über der Batteriezelle celli kann auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Batteriezelle cell_i entladen oder überladen ist. Die Spannung über der Batteriezelle celli kann auch zu anderen Zwecken verwendet werden, wie z.B. um ein System-on-Chip (SoC) in einer Leerlaufspannung (OCV) neu zu kalibrieren.
Die Spannungsmessschaltung 109 umfasst eine Redundanz zum Messen der Spannung über der Batteriezelle celli. Zum Beispiel umfasst die Spannungsmessschaltung 109 eine Spannungsmessschaltung 110 und eine Spannungsmessschaltung 112. Die Spannungsmessschaltungen 110 und 112 können mit verschiedenen Messschemen implementiert werden. Verschiedene Messschemen umfassen eine unterschiedliche Architektur (z.B. SAR-ADC oder Σ-Δ-ADC) und/oder ein unterschiedliches Messprinzip. Zum Beispiel könnte die Spannungsmessschaltung 110 als ein 13-Bit-Σ-Δ-ADC mit einer spezifischen digitalen Filterung implementiert werden und die Spannungsmessschaltung 112 könnte als ein 16-Bit-Σ-Δ-ADC, der eine andere digitale Filterung verwendet, implementiert werden. Jede der Spannungsmessschaltungen 110 und 112 verwendet eine andere Referenzspannung. Referenzgeneratoren 111 und 113 erzeugen die Referenzspannungen jeweils für die Spannungsmessschaltungen 110 und 112.
Wie in 1 dargestellt, misst die Spannungsmessschaltung 110 die Spannung über der Batteriezelle celli unter Verwendung eines Pfads 122 und die Spannungsmessschaltung 112 misst die Spannung über der Batteriezelle cell_i unter Verwendung eines Pfades 124. Die Pfade 112 und 124 verwenden verschiedene Pins der Batterieüberwachungs-IC 102 und verwenden verschiedene Komponenten des Analogfilter- und Ausgleichsnetzes 104. Die Pfade 112 und 124 können auch verschiedenen EDS-Strukturen ausgesetzt werden, da jeder Pin der Batterieüberwachungs-IC 102 seine eigene ESD-Schutzschaltung aufweist. Die ESD-Strukturen der Pins der IC 102 sind in 1 zu Klarheitszwecken gemeinsam als ESD-Schutzschaltung 106 dargestellt. Die Pfade 112 und 124 können auch verschiedenen Schaltungen der Open-Loop-Diagnose- und Ausgleichsschaltung 108 ausgesetzt werden (je nach der Implementierung der Open-Loop-Diagnose- und Ausgleichsschaltung 108).
Beide Spannungsmessschaltungen 110 und 112 messen die Spannung über der Batteriezelle cell_i zum selben Zeitpunkt. Die Filterungscharakteristiken der Pfade 112 und 124 werden bemessen, um vergleichbare Ergebnisse zu ermöglichen, wenn dasselbe Signal zum selben Zeitpunkt durch beide Messschaltungen 110 und 112 gemessen wird.
Die Referenzgeneratorschaltungen 111 und 113 können auf eine beliebige in der Technik bekannte Weise implementiert werden. Zum Beispiel können die Referenzgeneratorschaltungen 111 und 113 durch Verwenden unabhängiger Bandlückenschaltungen implementiert werden, die unabhängige Spannungen zuführen, die als Referenzen für die Spannungsmesseinheiten 112 und 110 zu verwenden sind. In einigen Ausführungsformen kann die Architektur der jeweiligen Bandlückenschaltungen und Spannungsregler unterschiedlich sein. In anderen Ausführungsformen kann die Architektur der Referenzgeneratorschaltungen 111 und 113 identisch sein. Andere Implementierungen sind ebenfalls möglich.
Die Open-Loop-Diagnose- und Ausgleichsschaltung 108 detektiert durch Durchführen eines Open-Loop-Tests, ob eine Bedingung eines offenen Kreises im Analogfilter- und Ausgleichsnetz 104 vorhanden ist. Die Open-Loop-Diagnose- und Ausgleichsschaltung 108 entlädt auch die Batteriezelle cell_l auf eine gewünschte Spannung, um die Batteriezelle celli in Bezug auf andere Batteriezellen im Batteriepack 101 auszugleichen. Die Open-Loop-Diagnose- und Ausgleichsschaltung 108 kann auf eine beliebige in der Technik bekannte Weise implementiert werden. Zum Beispiel umfassen typische Implementierungen Stromquellen, Komparatoren und Transistoren.
Das Analogfilter- und Ausgleichsnetz 104 umfasst ein Ausgleichsnetz, das Widerstände umfasst, und ein analoges Filter, das Kondensatoren umfasst, die in Kombination mit den Widerständen des Ausgleichsnetzes eine Filterung bereitstellen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel weisen in einigen Ausführungsformen die Wiederstände R1 einen Widerstand von 5 Ω auf, der Widerstand R2 weist einen Widerstand von 20 Ω und die Kondensatoren C1 weisen eine Kapazität von 330 nF auf. Andere Widerstands- und Kapazitätswerte können verwendet werden. Zum Beispiel können die Widerstände der Widerstände R1 und R2 und die Kapazitäten der Kondensatoren C1 auf der Grundlage der erwünschten Filterungscharakteristiken gewählt werden, um es zu ermöglichen, dass die Messungen von 112 und 110 beim Messen desselben Signals zum gleichen Zeitpunkt vergleichbar sind. In einigen Ausführungsformen können die Filterungscharakteristiken des Ausgleichsnetzes durch eine anschließende Filterung nach dem Abtasten der Spannung ergänzt werden, um eine übereinstimmende effektive Gesamtfilterungscharakteristik zu erhalten. Das Analogfilter- und Ausgleichsnetz 104 kann mit anderen Anordnungen implementiert werden, wie zum Beispiel in 3 und 4 dargestellt.
Die ESD-Schutzschaltung 106 stellt an einige oder alle Pins der Batterieüberwachungs-IC 102 einen Pfad für eine ESD-Entladung bereit. Die ESD-Schutzschaltung 106 kann auf eine beliebige in der Technik bekannte Weise implementiert werden. Zum Beispiel können ESD-Dioden in einer Sperrrichtungskonfiguration zwischen einem Pin (z.B. Ui) und einem Masseknoten und/oder einem Batterieversorgungsknoten und/oder einem anderen Pin der Batterieüberwachungs-IC 102 gekoppelt werden. Andere Implementierungen sind ebenfalls möglich.
Die Batterieüberwachungs-IC 102 wird in einem monolithischen Halbleitersubstrat implementiert. In einigen Ausführungsformen kann die Batterieüberwachungs-IC 102 in einer Mehrfach-Chip-Architektur implementiert werden, bei der zum Beispiel die Spannungsmessschaltung 110 in einem ersten monolithischen Halbleitersubstrat zusammen mit dem Referenzgenerator 111 angeordnet wird, und die Spannungsmessschaltung 112 zusammen mit dem Referenzgenerator 113 in einem zweiten monolithischen Halbleitersubstrat, das von dem ersten monolithischen Halbleitersubstrat verschieden ist, angeordnet und in demselben Package gehäust wird. Andere Implementierungen sind ebenfalls möglich.
Der Batteriepack 101 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen. Zum Beispiel kann der Batteriepack 101 12 in Reihe gestapelte wiederaufladbare Lithiumionenbatteriezellen umfassen, aendere Anzahl von in Reihe gestapelten Batteriezellen kann ebenfalls verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können Stapel von in Reihe gekoppelten Batteriezellen mit anderen Stapeln von Batteriezellen parallel und/oder in Reihe gekoppelt werden. Zum Beispiel kann ein Batteriepack 4 Stapel von 8 in Reihe verbundenen Batteriezellenstapeln umfassen, wobei die 4 Stapel parallel verbunden sind und wobei jeder der 8 in Reihe verbundenen Batteriezellenstapel 12 in Reihe verbundene Lithiumionenbatteriezellen umfasst. Einige Batteriepacks können Batteriezellen mit einer anderen Chemie verwenden. Zum Beispiel können einige Batteriepacks andere auf Lithium basierende Chemien verwenden. Andere Chemien können verwendet werden.
Vorteile einiger Ausführungsformen umfassen die Erhöhung der Robustheit des Batteriemanagementsystems gegen einen Mehrfachausfall, indem redundante Spannungsmessschaltungen vorhanden sind, die auf unabhängigen Messschaltungen basieren, welche mit verschiedenen Messtechnologien implementiert sind, und indem verschiedene Referenzspannungen und verschiedene Messpfade verwendet werden. Einige Ausführungsformen verbessern ferner die Diagnosefähigkeiten, indem eine statistische Analyse zwischen den Spannungsmessungen beider Spannungsmessschaltungen durchgeführt werden, wie zum Beispiel Prüfen auf eine Korrelation zwischen den durch beide Spannungsmessschaltungen gemessenen Messwerten.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsformverfahrens 200 zum Detektieren eines Ausfalls eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 kann unter Verwendung des Batteriemanagementsystems 100 implementiert werden. Alternativ kann das Verfahren 200 in anderen Batteriemanagementsystemimplementierungen implementiert werden. Die nachstehende Diskussion nimmt an, dass das Batteriemanagementsystem 100, wie in 1 dargestellt, das Verfahren 200 implementiert.
In Schritt 202 wird eine Spannung über einer Batteriezelle, wie z.B. der Batteriezelle cell_i, des Batteriepacks 101, durch eine erste Spannungsmessschaltung, wie zum Beispiel die Spannungsmessschaltung 110, gemessen. Die erste Spannungsmessschaltung wird mit der Batteriezelle über ein Netz, wie z.B. das Analogfilter- und Ausgleichsnetz 104, gekoppelt. Die erste Spannungsmessschaltung misst die Spannung über der Batteriezelle über einen ersten Pfad während einer ersten Zeit.
In Schritt 204 wird die Spannung über der Batteriezelle durch eine zweite Spannungsmessschaltung, wie zum Beispiel die Spannungsmessschaltung 112, gemessen, die von der ersten Spannungsmessschaltung verschieden ist. Die zweite Spannungsmessschaltung misst die Spannung über der Batteriezelle über einen zweiten Pfad während der ersten Zeit. Mit anderen Worten messen die erste Spannungsmessschaltung und die zweite Spannungsmessschaltung gleichzeitig die Spannung über der Batteriezelle mithilfe verschiedener Pfade.
In Schritt 206 wird die durch die erste Spannungsmessschaltung gemessene Spannung mit der durch die zweite Spannungsmessschaltung gemessenen Spannung verglichen. Wenn die Spannungen, die durch die erste und die zweite Spannungsmessschaltung gemessen werden, im Wesentlichen gleich sind (d.h. der Unterschieden zwischen den Messwerten kleiner gleich einem Spannungsschwellenwert Vth ist), arbeitet das Batteriemanagementsystem normal, und die gemessene Spannung kann zu anderen Zwecken verwendet werden, wie zum Beispiel zum Entscheiden, ob die Batteriezelle neu auszugleichen ist oder der Ladevorgang anzuhalten ist. Wenn die Spannungen, die durch die erste und die zweite Spannungsmessschaltung gemessen werden, verschieden sind (z.B. ist der Unterschied zwischen den Messwerten größer als der Spannungsschwellenwert V_th ), wird ein Fehler detektiert.
Da die erste und die zweite Spannungsmessschaltung dasselbe Signal zur gleichen Zeit mit vergleichbaren Filtern messen, werden plötzliche Änderungen der Spannung der Batteriezelle durch beide Spannungsmessschaltungen gleich erfasst. Eine solche Gleichtaktunterdrückung ermöglicht es, dass ein niedriger Spannungsschwellenwert Vth zum Bestimmen, ob ein Fehler vorliegt, eingestellt wird. Das Verwenden eines niedrigen Spannungsschwellenwertes V_th kann die Detektion von Fehlern, wie z.B. eines Leckstroms des Kondensators des Analogfilter- und Ausgleichsnetzes 104, eines Leckstroms in den Pins Ui und/oder Gi der Batterieüberwachungs-IC 102, eines Leckstroms in den ESD-Strukturen und eines Leckstroms in Transistoren 116 und/oder 118, ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen wird zum Beispiel unter Verwendung von Lithiumionenbatteriezellen bestimmt, dass die erste und die zweite Spannung im Wesentlichen gleich sind, wenn der absolute Wert des Unterschieds zwischen der ersten und der zweiten Spannung kleiner ist als ein Spannungsschwellenwert Vth von z.B. 10 mV. Niedrigere Schwellenwerte, z.B. 5 mV oder niedriger, oder höhere Schwellenwerte, z.B. 20 mV, 50 mV oder höher, können auch verwendet werden.
Vorteile einiger Ausführungsformen umfassen die Detektion von Fehlern über eine Open-Loop-Detektion hinaus. Zum Beispiel können Leckströme in verschiedenen Komponenten innerhalb der Batterieüberwachungs-IC und außerhalb der Batterieüberwachungs-IC detektiert werden.
3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems 300 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Batteriemanagementsystem 300 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie das Batteriemanagementsystem 100 und kann das Verfahren 200 zum Detektieren eines Fehlers des Batteriemanagementsystems implementieren. Jedoch umfasst das Batteriemanagementsystem 300 zwei verschiedene Pins entlang der verschiedenen Pfade zum Überwachen jedes Knotens über der Batteriezelle celli. Zum Beispiel kann auf einen Knoten BCi unter Verwendung eines Pfads 310 über einen Pin U_l oder über einen Pfad 312 unter Verwendung eines Pins G_i-1 zugegriffen werden, und auf einen Knoten BC_i-1 kann unter Verwendung des Pfads 310 über den Pin U_l-1 oder über den Pfad 312 unter Verwendung des Pins G_i-2 zugegriffen werden.
In einigen Ausführungsformen wird die Spannungsmessschaltung 110 als ein primäre Messschaltung verwendet, um die Spannung über der Batteriezelle celli unter Verwendung der Pins Ui und U_i-1 genau zu messen, während die Spannungsmessschaltung 112 als eine sekundäre Messschaltung aus Sicherheitsgründen verwendet wird, um die durch die Messschaltung 110 gemessene Spannung unter Verwendung der Pins G_i-1 und G_i-2 zu verifizieren. Durch Verwenden von zwei unabhängigen Pins für die sekundäre Messschaltung, wie in 3 dargestellt, wird die durch die zweite Messschaltung gemessene Spannung nicht z.B. durch Ausgleichsströme beeinflusst. Zum Beispiel können Ausgleichsströme in den Pin G_i-1 einfließen und durch den Pin G_i-2 herausfließen.
Vorteile einiger Ausführungsformen umfassen die Aufnahme eines redundanten Spannungsmesspfads, indem vorhandene Strukturen des Ausgleichsnetzes, wie zum Beispiel in 1 und 3 dargestellt, wiederverwendet werden.
4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Einige Komponenten und Einzelheiten des Batteriemanagementsystems 400, wie z.B. ESD-Strukturen und Open-Loop-Diagnose- und Ausgleichsschaltungen wurden zu Klarheitszwecken weggelassen. Das Batteriemanagementsystem 400 umfasst n in Reihe angeordnete Batteriezellen, die über ein Analogfilter- und Ausgleichsnetz 404 mit einer Batterieüberwachungs-IC 402 gekoppelt sind. Die Batterieüberwachungs-IC 402 umfasst n Spannungsmessschaltungen 410 und n Spannungsmessschaltungen 412. Jede Batteriezelle ist mit einer jeweiligen Spannungsmessschaltung 410 und Spannungsmessschaltung 412 über das Analogfilter- und Ausgleichsnetz 404 gekoppelt.
In einigen Ausführungsformen kann n 12 betragen. In solchen Ausführungsformen kann die Spannung am Pin VS in Normalbetrieb zum Beispiel ungefähr 60 V betragen. Andere Ausführungsformen können mit n kleiner als 12, wie zum Beispiel 6 oder weniger, implementiert werden. Andere Ausführungsformen können mit Werten, die höher als 12 sind, wie zum Beispiel 15, 24 oder höher, implementiert werden.
Wie in 4 dargestellt, wird jede der redundanten Spannungsmessschaltungen mit der jeweiligen Batteriezelle über 3 Pins gekoppelt, ähnlich der Ausgestaltung, die in 1 dargestellt ist. Einige Ausführungsformen können das Batteriemanagementsystem 400 unter Verwendung einer 4-Pin-Ausgestaltung implementieren, wie in 3 dargestellt.
Indem n Spannungsmessschaltungen 410 und n Spannungsmessschaltungen 412 vorhanden sind, kann das Batteriemanagementsystem 400 die Spannung über jeder der n Batteriezellen gleichzeig messen. Mit anderen Worten können zugehörige Spannungen aller der Batteriezellen des Batteriepacks 101 durch die jeweiligen Spannungsmessschaltungen 410 und 412 gleichzeitig und redundant gemessen werden.
Einige Ausführungsformen können einen oder mehrere Multiplexer (MUXs) verwenden, um eine Spannungsmessschaltung zwischen zwei oder mehreren Batteriezellen gemeinsam zu nutzen. Zum Beispiel zeigt 5 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Batteriemanagementsystem 500 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie das Batteriemanagementsystem 400. Das Batteriemanagementsystem 500 nutzt jedoch die Spannungsmessschaltung 510 über den n Batteriezellen des Batteriepacks 101 unter Verwendung eines MUX 505, anstatt dass n Spannungsmessschaltungen 510 vorhanden sind.
Das Batteriemanagementsystem 500 misst gleichzeitig die Spannung über jeder der n Batteriezellen des Batteriepacks 101 unter Verwendung der Spannungsmessschaltung 510 und der entsprechenden Spannungsmessschaltung 512. Zum Beispiel wird die Spannung über der Batteriezelle cell₁ durch die Spannungsmessschaltung 5120 und durch die Spannungsmessschaltung 510 gleichzeitig gemessen, wobei der MUX 505 ausgelegt ist, um die mit der Batteriezelle cell₁ assoziierten Kanäle auszuwählen. Nachdem die Spannung über der Batteriezelle cell₁ gemessen wurde, kann die Spannung über der Batteriezelle cell₂ durch die Spannungsmessschaltung 5121 und durch die Spannungsmessschaltung 510 gleichzeitig gemessen werden, wobei der MUX 505 ausgelegt ist, um die mit der Batteriezelle cell₂ assoziierten Kanäle auszuwählen. Die Sequenz wird für jede der Batteriezellen im Batteriepack 101 wiederholt, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge.
Wie in 5 dargestellt, wird die Spannungsmessschaltung 510 über den n Batteriezellen des Batteriepacks 101 gemeinsam genutzt. Einige Ausführungsformen können eine Spannungsmessschaltung 510 über k Batteriezellen gemeinsam nutzen, wobei k kleiner gleich n ist.
Einige Ausführungsformen können auch die Spannungsmessschaltung 512 über mehr als einer Batteriezelle gemeinsam nutzen. Zum Beispiel zeigt 6 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Batteriemanagementsystem 600 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie das Batteriemanagementsystem 500. Das Batteriemanagementsystem 600 nutzt jedoch die Spannungsmessschaltung 512 über den n Batteriezellen des Batteriepacks 101 unter Verwendung eines MUX 604, anstatt dass n Spannungsmessschaltungen 512 vorhanden sind.
Das Batteriemanagementsystem 600 misst gleichzeitig die Spannung über jede der n Batteriezellen des Batteriepacks 101 unter Verwendung der Spannungsmessschaltungen 510 und 612. Zum Beispiel wird die Spannung über der Batteriezelle cell₁ durch die Spannungsmessschaltung 510 und 612 gleichzeitig gemessen, wobei die MUXs 505 und 604 jeweils ausgelegt sind, um die mit der Batteriezelle cell₁ assoziierten Kanäle auszuwählen. Nachdem die Spannung über der Batteriezelle cell₁ gemessen wurde, kann die Spannung über der Batteriezelle cell₂ durch die Spannungsmessschaltungen 510 und 612 gleichzeitig gemessen werden, wobei die MUXs 505 und 604 jeweils ausgelegt sind, um die mit der Batteriezelle cell₂ assoziierten Kanäle auszuwählen. Die Sequenz wird für jede der Batteriezellen im Batteriepack 101 wiederholt, obwohl nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge.
Wie in 6 dargestellt, wird die Spannungsmessschaltung 612 über den n Batteriezellen des Batteriepacks 101 gemeinsam genutzt. Einige Ausführungsformen können eine Spannungsmessschaltung 612 über j Batteriezellen gemeinsam nutzen, wobei j kleiner ist als n. In einigen Ausführungsformen kann j gleich k sein. In einigen Ausführungsformen können j, k und n einander gleich sein.
7 zeigt ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems 700 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Batteriemanagementsystem 700 umfasst einen Batteriepack 701 (der zum Beispiel 12 Lithiumionenbatteriezellen aufweist) und eine Batterieüberwachungs-IC 702, die über ein Analogfilter- und Ausgleichsnetz 703 mit dem Batteriepack 701 gekoppelt ist. Das Batteriemanagementsystem 700 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie das Batteriemanagementsystem 600. Das Batteriemanagementsystem 700 implementiert jedoch eine Spannungsmessschaltung 612 mit einem SAR-ADC 706 und implementiert 12 Σ-Δ-ADCs704, wobei jeder mit der jeweiligen Batteriezelle des Batteriepacks 701 über ein Analogfilter- und Ausgleichsnetz 703 gekoppelt ist, anstelle einer einzelnen Spannungsmessschaltung 510, die mit dem Batteriepack über den MUX 505 gekoppelt ist. Der Referenzgenerator 111 stellt eine Referenzspannung V_ref1 an alle 12 Σ-Δ-ADCs 704 bereit, während der Referenzgenerator 113 eine Referenzspannung V_ref2 an den SAR-ADC 706 bereitstellt.
In Normalbetrieb konfiguriert die Steuerung 702 den MUX 604 derart, dass er einen Kanal (z.B. CH₀) wählt, der mit einer bestimmten Batteriezelle (z.B. cell₁ ) assoziiert ist, und konfiguriert den SAR-ADC 707 und den jeweiligen Σ-Δ-ADC 704 (z.B. den Σ-Δ-ADC 7040), um gleichzeitig die Spannung über der bestimmten Batteriezelle zu messen. Der Prozess wird für jede der Batteriezellen im Batteriepack 701 wiederholt.
Wie an sich bekannt, erzeugen, obwohl der Σ-Δ-ADC 704 und der SAR-ADC 706 jeweils einen digitalen Welt erzeugen, der mit der abgetasteten analogen Spannung am Eingang assoziiert ist, der Σ-Δ-ADC 704 und der SAR-ADC 706 ihren jeweiligen digitalen Wert durch Verwenden einer anderen Architektur und eines anderen Betriebsprinzips. Zum Beispiel tastet ein SAR-ADC typischerweise einen analogen Spannungsabtastwert am ADC-Eingang ab und hält ihn, und erzeugt dann eine Spannung mit einem m-Bit-DAC und vergleicht die von dem m-Bit-DAC erzeugte Spannung mit der am Eingang abgetasteten Spannung unter Verwendung eines Komparators. Die durch den SAR-DAC erzeugte digitale Ausgabe stellt den digitalen Code dar, der, wenn er zum Konfigurieren des m-Bit-DAC verwendet wird, die Spannung erzeugt, die am nächsten jener der abgetasteten Eingabe liegt. Typischerweise verwendet ein SAR-ADC eine binäre Suche, um einen solchen m-Bit-DAC-Code zu finden. Der M-Bit-DAC weist typischerweise 8, 10, 12 oder mehr Bits auf.
Ein Σ-Δ-ADC verwendet eine Kombination aus Überabtastung und Rauschformungstechniken, um die analoge Eingabe in eine digitale Ausgabe umzuwandeln. Typischerweise wird ein 1-Bit-DAC in Kombination mit einem Differenzierer, einem Integrator und einer Digitalfilterung verwendet, um den digitalen Code zu erzeugen. Im Gegensatz zum SAR-ADC wird der Σ-Δ-ADC meistens unter Verwendung einer digitalen Logik anstatt analoger Komponenten implementiert. SAR-ADCs und Σ-Δ-ADCs sind in der Technik allgemein bekannt und werden nicht weiter besprochen.
Da Σ-Δ-ADCs und SAR-ADCs typischerweise unterschiedliche Abtastraten aufweisen, können die Filterungscharakteristiken des Analogfilter- und Ausgleichsnetzes 703 derart ausgelegt werden, dass sie eine Abtaststörung für beide Typen von ADCs verhindern. In einigen Ausführungsformen wird ein Antialiasing durch Reduzieren von Rauschen auf Werte, die niedriger sind als z.B. 1 m V, bei einer Frequenz fs/2, wobei fs die Abtastfrequenz des langsamsten ADC (z.B. des SAR-ADC) ist, erzielt.
Die Batterieüberwachungs-IC 702 wird in einem monolithischen Halbleitersubstrat implementiert. In einigen Ausführungsformen kann die Batterieüberwachungs-IC 702 in einer Mehrfach-Chip-Architektur implementiert werden, bei der zum Beispiel der SAR-ADC 706 und der MUX 604 in einem ersten monolithischen Halbleitersubstrat zusammen mit dem Referenzgenerator 111 angeordnet werden, und der Σ-Δ-ADC 704 zusammen mit dem Referenzgenerator 113 in einem zweiten monolithischen Halbleitersubstrat, das von dem ersten monolithischen Halbleitersubstrat verschieden ist, angeordnet und in demselben Package gehäust wird. Andere Implementierungen sind ebenfalls möglich.
8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Messsystems 800 zum Erzielen gleichzeitiger Messwerte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Messsystem 800 misst gleichzeitig die Spannung über der Zelle cell_i für die gleiche Zeitdauer mit einer primären Messschaltung 804 und einer sekundären Messschaltung 810 und erzeugt ein primäres Messergebnis und ein sekundäres Messergebnis auf der Grundlage der jeweiligen gemessenen Spannung. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungsmessschaltung 110 als die primäre Messschaltung 804 implementiert werden und die Spannungsmessschaltung 112 kann als die sekundäre Messschaltung 810 implementiert werden.
Das Messsystem 800 umfasst die primäre Messschaltung 804, die sekundäre Messschaltung 810 und Antialiasing-Filter 802 und 808. In einigen Ausführungsformen entsprechen die Antialiasing-Filter 802 und 808 Analogfilter- und Ausgleichsnetzen (wie z.B. den vorstehend beschriebenen 104, 404 und 703). 8 zeigt ein primäres Messergebnis und ein sekundäres Messergebnis, wobei jedes 16 Bits aufweist. Es versteht sich, dass andere Werte, wie z.B. 8 Bits, 12, Bits, 14 Bits, 24 Bits, 32 Bits verwendet werden können.
Die primäre Messschaltung 804 weist eine effektive Gesamtfilterungscharakteristik auf, die die Filterungscharakteristiken des Antialiasing-Filters 802 und eines Abtast- und Mittelungsblocks 806 umfasst. Die sekundäre Messschaltung 810 weist eine effektive Gesamtfilterungscharakteristik auf, die die Filterungscharakteristiken des Antialiasing-Filters 808 und des Abtastblocks 812 und des digitalen Mittelungsblocks 814 umfasst. Die effektiven Gesamtfilterungscharakteristiken der primären Messschaltung 804 und der sekundären Messschaltung 810 werden bemessen, um es zu ermöglichen, dass dasselbe Signal zum selben Zeitpunkt durch beide Messschaltungen 804 und 810 gemessen wird.
In einigen Ausführungsformen werden die effektiven Gesamtfilterungscharakteristiken der Messschaltungen 804 und 810 einander angepasst, indem ähnliche dominante Pole und ähnliche Sprungantworten vorhanden sind. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann in einer Ausführungsform, in der die primäre Messschaltung 804 mit einem Σ-Δ-ADC implementiert wird und die sekundäre Messschaltung 810 mit einem SAR-ADC implementiert wird, das Antialiasing-Filter 802 einen Pol von ungefähr 500 kHz aufweisen, der Σ-Δ-ADC weist einen Abtast- und Mittelungsblock 806, der das jeweilige Eingangssignal bei ungefähr 20 MHz abtasten kann und ein mittelndes Filter N-ter Ordnung mit einem Pol bei ungefähr 100 Hz aufweist, wobei n größer gleich 1 sein kann, das Antialiasing-Filter 808 kann einen Pol von ungefähr 10 kHz aufweisen, der SAR-ADC weist einen Abtastblock 812 auf, der das Eingangssignal bei ungefähr 400 Hz abtasten kann, und ein digitaler Mittelungsblock 814 N-ter Ordnung kann eine digitale Mittelung mit einem Pol bei ungefähr 100 Hz durchführen. In diesem Beispiel liegt der dominante Pol jeder der Messschaltungen 804 und 810 bei ungefähr 100 Hz mit der gleichen Frequenzsteigung (z.B. 20 dB pro Dekade, wenn n gleich 1 ist). Andere Werte für die Polfrequenzen, Abtastfrequenzen und Ordnung der Filter können verwendet werden.
Einige Ausführungsformen können ähnliche (einander angepasste) effektive Gesamtfilterungscharakteristiken erzielen, ohne dass sie gleiche dominante Pole aufweisen, die mit der gleichen Rate abklingen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die primäre Messschaltung 804 einen Pol erster Ordnung bei 100 Hz und einen Pol erster Ordnung bei 105 Hz aufweisen, während die sekundäre Messschaltung 810 einen Pol zweiter Ordnung bei 99 Hz aufweisen kann. In einer solchen Ausführungsform wird die effektive Gesamtfilterungscharakteristik der primären Messschaltung 804 als mit der effektiven Gesamtfilterungscharakteristik der sekundären Messschaltung 810 übereinstimmend betrachtet. Andere Filterungscharakteristiken und andere Werte für die dominanten Pole und Frequenzsteigungen können verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen wird der Σ-Δ-ADC mit einem kaskadierten Integrator-Kamm-(CIC)-Filter erster Ordnung implementiert. Das CIC-Filter kann auf eine beliebige in der Technik bekannte Weise implementiert werden.
In einigen Ausführungsformen können die Messschaltungen 804 und 810 auf dieselbe Weise implementiert werden. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen die Messschaltungen 804 und 810 beide mit Σ-Δ-ADCs implementiert werden. In einigen Ausführungsformen können die Messschaltungen 804 und 810 beide mit SAR-ADCs implementiert werden. In noch anderen Ausführungen wird die primäre Messschaltung 804 mit einem Σ-Δ-ADC implementiert, während die sekundäre Messschaltung 810 mit Komparatoren implementiert wird. Andere Implementierungen sind ebenfalls möglich.
9 zeigt Zeitdiagramme zum Messen einer Spannung über jeder der 12 Batteriezellen des Batteriepacks 701, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Signalverlauf 904 entspricht einem Umwandlungstiming des Σ-Δ-ADC 704. Ein Signalverlauf 906 entspricht einem Umwandlungstiming des SAR-ADC 706 und des assoziierten MUX 604. Ein Signalverlauf 905 ist eine vergrößerte Version eines Abschnitts der Signalverläufe 904 und 906.
Wie in 9 dargestellt, wird während einer Diagnosezeit t_{CH_Diagnose} die Spannung über jeder der 12 Batteriezellen des Batteriepacks 701 gemessen. Zum Beispiel misst während der Zeit t_ch0 der Σ-Δ-ADC 7040 die Spannung über der Batteriezelle cell₁ , während der SAR-ADC 706 die Spannung über dem Kanal CHo des MUX 604 misst, der mit der Spannung über der Batteriezelle cell₁ assoziiert ist. Während der Zeit tc_h1 misst der Σ-Δ-ADC 7041 die Spannung über der Batteriezelle cell₂ , während der SAR-ADC 706 die Spannung über dem Kanal CH₁ des MUX 604 misst, der mit der Spannung über der Batteriezelle cell₂ assoziiert ist. Die Sequenz wird für alle der 12 der Batteriezellen des Batteriepacks 701 wiederholt.
Wie im Signalverlauf 905 dargestellt, messen der SAR-ADC 706 und der jeweilige Σ-Δ-ADC 704 die Spannung über der jeweiligen Batteriezelle zum selben Zeitpunkt und für die gleiche Zeitdauer. Mit anderen Worten sollte, auch wenn der SAR-ADC 706 typischerweise eine kleinere Anzahl von Abtastwerten während der Messzeit sammelt als der Σ-Δ-ADC 704, die Zeit, während der die Abtastwerte gesammelt werden, gleich sein. Die durch jeden ADC während der Messzeit gesammelten Abtastwerte werden dann jeweils gemittelt (z.B. unter Verwendung eines Tiefpassfilters), um einen jeweiligen Endwert zu erhalten. Zum Beispiel werden die Frequenz J des Σ-Δ-ADC 704 und die Anzahl von Q eingegebenen Abtastwerten, die durch den Σ-Δ-ADC 704 aufgenommen werden, derart gewählt, dass sie die gleiche Zeit in Anspruch nehmen wie die Zeit, die durch den SAR-ADC 706 in Anspruch genommen wird, um L Abtastwerte bei einer Frequenz P aufzunehmen. Wenn, als ein nicht beschränkendes Beispiel, die Zeitdauer t_ch0 75 µs beträgt, sammelt der SAR-ADC 706, der bei 666 kHz arbeitet, 50 Eingabeabtastwerte, während der Σ-Δ-ADC 7040 1024 Abtastwerte des Eingangssignals sammelt, während er bei einer Übertastrate von 13,65 MHz arbeitet. In einigen Ausführungsformen wird die Zeit t₁ zwischen Umwandlungen zum Beispiel auf 1 µs minimiert.
10 zeigt ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Batteriemanagementsystems 1000 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Batteriemanagementsystem 1000 umfasst einen Batteriepack 701 und eine Batterieüberwachungs-IC 1002, die über ein Analogfilter- und Ausgleichsnetz 703 mit dem Batteriepack 701 gekoppelt ist. Das Batteriemanagementsystem 1000 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie das Batteriemanagementsystem 400. Das Batteriemanagementsystem 1000 implementiert jedoch jede Spannungsmessschaltung 410 mit einem jeweiligen Σ-Δ-ADC 704 und jede der Spannungsmessschaltungen 512 mit einer jeweiligen Komparatorschaltung 1008. Der Referenzgenerator 111 stellt eine Referenzspannung V_ref1 an alle 12 Σ-Δ-ADCs 704 bereit, während der Referenzgenerator 113 eine Referenzspannung V_ref2 an den DAC 1016 bereitstellt, der eine Referenz an alle Komparatorschaltungen 1008 liefert.
In Normalbetrieb arbeitet jede der Komparatorschaltungen 1008 als ein Fensterkomparator. Der hohe Schwellenwert und der niedrige Schwellenwert jeder Komparatorschaltung 1008 werden durch den DAC 1016 bereitgestellt.
Während der Messzeit sammelt der jeweilige Σ-Δ-ADC 704 Abtastwerte und erzeugt einen digitalen Wert, der mit der gemessenen Spannung assoziiert ist, während die jeweilige Komparatorschaltung 1008 eine Vielzahl von Vergleichsergebnissen erzeugt und als einen Endwert das häufigste Vergleichsergebnis erzeugt. Unter der Annahme, dass die Batteriezelle cell₁ eine Spannung V3 (z.B. 3,6 V) über ihren Anschlüssen aufweist, sammelt zum Beispiel der Σ-Δ-ADC 7040 eine Vielzahl von Abtastwerten während einer ersten Messzeit und erzeugt als ein Ergebnis einen digitalen Wert, der 3,6 V entspricht. Während der gleichen ersten Messzeit vergleicht die Komparatorschaltung 10080 den Wert an ihren Eingängen mit den durch den DAC 1016 bereitgestellten Werten und für jeden Vergleich erzeugt sie einen Wert (z.B. 0), der die Tatsache repräsentiert, dass die Eingabe außerhalb des Fensters liegt, wenn die Spannung außerhalb des Fensters liegt, und einen Wert (z.B. 1), der die Tatsache repräsentiert, dass die Eingabe innerhalb des Fensters liegt, wenn die Spannung innerhalb des Fensters liegt. Wenn die Komparatorschaltung 10080 Z Abtastwerte (z.B. 100 Abtastwerte) erzeugt, von denen mehr Abtastwerte (z.B. 51 oder mehr) innerhalb des Fensters liegen (z.B. 1) und weniger Abtastwerte (z.B. 49 oder weniger Abtastwerte) außerhalb des Fensters liegen (z.B. 0), ist das Endergebnis, dass die Eingabe innerhalb des Fensters liegt (z.B. 1), was bedeutet, dass die abgetastete Spannung innerhalb der durch den DAC 1016 bereitgestellten Grenzen liegt. Wenn von den Z Abtastwerten mehr Abtastwerte stattdessen außerhalb des Fensters liegen (z.B. 0) und weniger Abtastwerte innerhalb des Fensters liegen (z.B. 1), ist das Endergebnis, dass die Eingabe außerhalb des Fensters liegt (z.B. 0), was bedeutet, dass die abgetastete Spannung außerhalb des durch den DAC 1016 bereitgestellten Fensters liegt. Die gleiche Messung wird für jede Batteriezelle des Batteriepacks 701 durchgeführt. Auf diese Weise können die Komparatorschaltungen 1008 verwendet werden, um zu verifizieren, dass die durch den jeweiligen Σ-Δ-ADC 704 gemessene Spannung innerhalb des durch den DAC 1016 spezifizierten Fensters liegt.
In einigen Ausführungsformen erzeugt die Komparatorschaltung 10080 eine 0, wenn die Eingabe außerhalb des Fensters liegt, und eine 1, wenn die Eingabe innerhalb des Fensters liegt. In anderen Ausführungsformen erzeugt die Komparatorschaltung 10080 eine 1, wenn die Eingabe außerhalb des Fensters liegt, und eine 0, wenn die Eingabe innerhalb des Fensters liegt. In anderen Ausführungsformen erzeugt die Komparatorschaltung 10080 einen negativen Wert, wenn die Eingabe außerhalb des Fensters liegt, und einen positiven Wert, wenn die Eingabe innerhalb des Fensters liegt. In anderen Ausführungsformen erzeugt die Komparatorschaltung 10080 einen positiven Wert, wenn die Eingabe außerhalb des Fensters liegt, und einen negativen Wert, wenn die Eingabe innerhalb des Fensters liegt. Andere Implementierungen sind möglich.
In einigen Ausführungsformen kann der DAC 1016 den hohen Schwellenwert auf den gleichen Pegel einstellen wie die maximale empfohlene Betriebsspannung für die Batteriezelle (z.B. 4,5 V für eine Lithiumionenzelle) und den niedrigen Schwellenwert auf die minimale Betriebsspannung für die Batteriezelle (z.B. 2,7 V für eine Lithiumionenzelle) einstellen. Andere Ausführungsformen können ein engeres Fenster, wie zum Beispiel ein 50-mV-Fenster oder niedriger, implementieren.
Die Spannungskurve einer Batteriezelle, wie z.B. einer Lithiumbatteriezelle quer durch verschiedene Ladungsniveaus ist nicht linear. Wenn zum Beispiel eine Lithiumbatteriezelle vollständig aufgeladen ist, kann die Spannung über der Batteriezelle so hoch wie 4,2 V oder höher sein, und wenn die Lithiumbatteriezelle entladen ist, kann die Spannung über der Batteriezelle 3 V oder niedriger sein. Die meiste Zeit (z.B. von einem Ladungsniveaus von 80 % bis zu einem Ladungsniveaus von 20 %) kann die Spannung ungefähr 3,6 V betragen. Um ein enges Fenster (von z.B. 5 mV) eines Vergleichs der Komparatorschaltung 1008 während verschiedener Punkte in der Ladungskurve zu erzielen, erzeugen einige Ausführungsformen die Werte des Fensters dynamisch. Zum Beispiel können einige Ausführungsformen eine erste Messung mit dem entsprechenden Σ-Δ-ADC während einer ersten Zeit vornehmen, dann den DAC 1016 konfigurieren, um ein Fenster zu erzeugen, das an dem gemessenen Wetz zentriert ist, und dann gleichzeitig während einer zweiten Zeit die Spannung über der Batteriezelle mit dem jeweiligen Σ-Δ-ADC 704 und der jeweiligen Komparatorschaltung 1008 messen.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsformverfahrens 1100 zum Detektieren eines Ausfalls eines Batteriemanagementsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1100 kann unter Verwendung des Batteriemanagementsystems 1000 implementiert werden. Alternativ kann das Verfahren 1100 in anderen Batteriemanagementsystemimplementierungen implementiert werden. Die nachstehende Diskussion nimmt an, dass das Batteriemanagementsystem 1000, wie in 10 dargestellt, das Verfahren 1100 implementiert.
In Schritt 1102 wird eine erste Spannung Volt₁ über einer Batteriezelle, wie z.B. der Batteriezelle cell₁ , des Batteriepacks 701, durch eine erste Spannungsmessschaltung, wie zum Beispiel einen Σ-Δ-ADC 7040 über einen ersten Pfad während einer ersten Zeit gemessen.
In Schritt 1104 werden ein hoher Spannungsschwellenwert V_{th_high} und ein niedriger Spannungsschwellenwert V_{th_Low} auf der Grundlage der ersten Spannung eingestellt. Wenn zum Beispiel die erste gemessen Spannung 3,6 V beträgt, kann der höhere Spannungsschwellenwert V_{th_high} auf 3,65 V eingestellt werden und der niedrigere Spannungsschwellenwert V_{th_low} kann auf 3,55 V eingestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann die gemessene Spannung zwischen dem hohen Spannungsschwellenwert V_{th_high} und einem gewählten niedrigen Spannungsschwellenwert V_{th_low} zentriert sein. In anderen Ausführungsformen ist die gemessene Spannung möglicherweise nicht zwischen dem hohen Spannungsschwellenwert V_{th_high} und einem gewählten niedrigen Spannungsschwellenwert V_{th_low} zentriert. Die Spannungsschwellenwerte werden an einen Fensterkomparator, wie z.B. eine Komparatorschaltung 10080, zum Beispiel durch Verwenden eines DAC, wie z.B. des DAC 1016, angelegt.
In Schritt 1106 wird eine zweite Spannung Volt₂ unter Verwendung der ersten Spannungsmessschaltung während einer zweiten Zeit gemessen. Während derselben zweiten Zeit wird eine dritte Spannung Volt₃ mit der Komparatorschaltung abgetastet, um zu bestimmen, ob die Spannung Volt₃ innerhalb des Fensters liegt, das durch den hohen Spannungsschwellenwert V_{th_high} und den niedrigen Spannungsschwellenwert V_{th_low} spezifiziert ist.
Wenn die zweite Spannung Volt₂ außerhalb des Fensters liegt, wird Schritt 1102 erneut ausgeführt, wie durch Schritt 1110 gezeigt. Die Spannung Volt₂ kann zum Beispiel wegen einer plötzlichen Stromspitze außerhalb des Fensters liegen. Wenn die Spannung Volt₂ innerhalb des Fensters liegt und die Komparatorschaltung anzeigt, dass die dritte Spannung Volt₃ innerhalb des Fensters liegt, dann arbeitet das Batteriemanagementsystem normal und keine Fehler beeinflussen die Messungen. Wenn andernfalls die Spannung Volt₂ innerhalb des Fensters liegt und die Komparatorschaltung anzeigt, dass die dritte Spannung Volt₃ außerhalb des Fensters liegt, wird ein Fehler detektiert, wie durch Schritte 1112 und 1116 gezeigt.
In einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren 1100 sequenziell in jeder Batteriezelle ausgeführt. In anderen Ausführungsformen führen mehrere Speicherzellen (wie z.B. 2, 3, 4 oder mehr, einschließlich aller Speicherzellen des Batteriepacks 701) gleichzeitig das Verfahren 1100 aus.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden hier kurz dargestellt. Andere Ausführungsformen können ebenfalls aus der Gesamtheit der Beschreibung und den hier beanspruchten Ansprüche verstanden werden.

Beispiel 1. Verfahren zum Bereitstellen einer Batteriediagnostik, wobei das Verfahren umfasst: Messen einer ersten Spannung über einer ersten Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterie über einen ersten Messpfad eines Netzes unter Verwendung einer ersten Messschaltung, wobei das Messen der ersten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem ersten Spannungsabtastwert während einer ersten Zeitdauer unter Verwendung der ersten Messschaltung umfasst; Messen einer zweiten Spannung über der ersten Batteriezelle über einen zweiten Messpfad des Netzes unter Verwendung einer zweiten Messschaltung, wobei das Messen der zweiten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem zweiten Spannungsabtastwert während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst, wobei der zweite Messpfad des Netzes von dem ersten Messpfad des Netzes verschieden ist; Vergleichen der gemessenen ersten Spannung mit der gemessenen zweiten Spannung; und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
Beispiel 2. Verfahren nach Beispiel 1, wobei der mindestens eine erste Spannungsabtastwert unter Verwendung eines ersten Messschemas aufgenommen wird und der mindestens eine zweite Spannungsabtastwert unter Verwendung eines zweiten Messschemas aufgenommen wird, wobei das zweite Messschema von dem ersten Messschema verschieden ist.
Beispiel 3. Verfahren nach einem der Beispiele 1 oder 2, wobei das Messen der ersten Spannung ferner ein Aufnehmen einer ersten Vielfalt von Spannungsabtastwerten während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der ersten Messschaltung umfasst; und wobei das Messen der zweiten Spannung ferner ein Aufnehmen einer zweiten Vielzahl von Spannungsabtastwerten während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst.
Beispiel 4. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei das Messen der zweiten Spannung ferner ein Mitteln einer Ausgabe der zweiten Messschaltung unter Verwendung einer Mittelungsschaltung, die mit der zweiten Messschaltung gekoppelt ist, umfasst.
Beispiel 5. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei das Diagnoseausgangssignal aktiviert wird, wenn ein Unterschied zwischen der gemessenen ersten Spannung und der gemessenen zweiten Spannung höher ist als ein erster Spannungsschwellenwert.
Beispiel 6. Das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 5, wobei die erste Messschaltung einen ersten dominanten Pol aufweist und die zweite Messschaltung einen zweiten dominanten Pol aufweist, wobei das Verfahren ferner ein einander Anpassen des ersten dominanten Pols und des zweiten dominanten Pols umfasst.
Beispiel 7. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 6, wobei eine erste effektive Gesamtfilterungscharakteristik des ersten Messpfads zusammen mit der ersten Messschaltung im Wesentlichen ähnlich einer zweiten effektiven Gesamtfilterungscharakteristik des zweiten Messpfads zusammen mit der zweiten Messschaltung ist.
Beispiel 8. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 7, ferner umfassend: Bereitstellen einer ersten Referenzspannung an die erste Messschaltung mit einem ersten Referenzspannungsgenerator, und Bereitstellen einer zweiten Referenzspannung an die zweite Messschaltung mit einem zweiten Referenzspannungsgenerator, der von dem ersten Referenzspannungsgenerator verschieden ist.
Beispiel 9. Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 8, ferner umfassend: Bereitstellen der ersten Referenzspannung an eine dritte Messschaltung mit dem ersten Referenzspannungsgenerator, wobei die dritte Messschaltung und die erste Messschaltung auf einem gleichen Messschema basieren; Messen einer dritten Spannung über einer zweiten Batteriezelle der wiederaufladbaren Batterie über einen dritten Messpfad des Netzes unter Verwendung der dritten Messschaltung, wobei das Messen der dritten Spannung ein Aufnehmen einer dritten Vielzahl von dritten Spannungsabtastwerten während einer zweiten Zeitdauer unter Verwendung der dritten Messschaltung umfasst, wobei die zweite Zeitdauer nach der ersten Zeitdauer liegt, wobei die zweite Batteriezelle in Reihe mit der ersten Batteriezelle gekoppelt ist; Messen einer vierten Spannung über der zweiten Batteriezelle über einen vierten Messpfad des Netzes unter Verwendung der zweiten Messschaltung, wobei das Messen der vierten Spannung ein Aufnehmen einer vierten Vielzahl von vierten Spannungsabtastwerten während der zweiten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst, wobei der vierte Messpfad von dem dritten Messpfad verschieden ist; Vergleichen der gemessenen dritten Spannung mit der gemessenen vierten Spannung; und Aktivierten des Diagnoseausgangssignals, wenn ein Unterschied zwischen der dritten Spannung und der vierten Spannung höher ist als ein erster Spannungsschwellenwert.
Beispiel 10. Schaltung, umfassend: eine erste Messschaltung, die ausgelegt ist, um mit einer ersten Batteriezelle über einen ersten Pfad eines Netzes gekoppelt zu sein; eine zweite Messschaltung, die ausgelegt ist, um mit der ersten Batteriezelle über einen zweiten Pfad des Netzes gekoppelt zu werden, wobei der zweite Pfad von dem ersten Pfad verschieden ist; und eine Steuerung, die zum Folgenden ausgelegt ist: Bewirken, dass die erste Messschaltung eine erste Vielzahl von Spannungsabtastwerten über einem ersten und einem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während einer ersten Zeitdauer misst, Bewirken, dass die zweite Messschaltung eine zweite Vielzahl von Spannungsabtastwerten über dem ersten und dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während der ersten Zeitdauer misst, Vergleichen einer Ausgabe der ersten Messschaltung mit einer Ausgabe der zweiten Messschaltung, und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
Beispiel 11. Schaltung nach Beispiel 10 wobei die erste Messschaltung eine andere Architektur aufweist als die zweite Messschaltung.
Beispiel.12. Schaltung nach einem der Beispiele 10 oder 11, wobei die erste Messschaltung einen ersten dominanten Pol aufweist, die zweite Messschaltung einen zweiten dominanten Pol aufweist, und der erste dominante Pol dem zweiten dominanten Pol im Wesentlichen gleich ist.
Beispiel 13. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 12, ferner umfassend: einen ersten Referenzspannungsgenerator, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt ist; und einen zweiten Referenzspannungsgenerator, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt ist.
Beispiel 14. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 13, wobei die erste Messschaltung einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC) umfasst und die zweite Messschaltung einen sukzessives Approximations-Register-Analog-Digital-Wandler (ADC) umfasst.
Beispiel 15. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 13, wobei die zweite Messschaltung einen Fensterkomparator umfasst, und wobei die Steuerung ausgelegt ist, um eine obere Grenze des Fensterkomparators und eine untere Grenze des Fensterkomparators auf der Grundlage der Ausgabe der ersten Messschaltung einzustellen.
Beispiel 16. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 15, ferner umfassend: einen ersten Abtastanschluss, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt ist und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle über das Netz gekoppelt zu werden; einen zweiten Abtastanschluss, der mit der ersten Messschaltung und der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden; und einen ersten Stromanschluss, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden.
Beispiel 17. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 15, ferner umfassend: einen ersten Abtastanschluss, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle über das Netz gekoppelt zu werden; einen zweiten Abtastanaschluss, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden; und einen ersten Stromanschluss, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden; und einen zweiten Stromanschluss, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden.
Beispiel 18. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 17, wobei die erste effektive Gesamtfiltercharakteristik des ersten Pfads ungefähr gleich einer zweiten effektiven Gesamtfiltercharakteristik des zweiten Pfads ist.
Beispiel 19. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 18, wobei das Netz ein Ausgleichsnetz umfasst.
Beispiel 20. Schaltung nach einem der Beispiele 10 bis 19, wobei die erste Messschaltung eine erste Sprungantwort aufweist, die zweite Messschaltung eine zweite Sprungantwort aufweist, und die erste Antwort im Wesentlichen gleich der zweiten Sprungantwort ist.
Beispiel 21. Batteriemanagementsystem, umfassend: eine wiederaufladbare Batterie, die N in Reihe gekoppelte Batteriezellen umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl größer null ist; ein Ausgleichsnetz, das mit der wiederaufladbaren Batterie gekoppelt ist; und eine Batterieüberwachungsschaltung, das mit dem Ausgleichsnetz gekoppelt ist, wobei die Batterieüberwachungsschaltung umfasst: einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC), der einen Eingang aufweist, der zum Koppeln mit einer ersten Batteriezelle von den N Batteriezellen über einen ersten Pfad des Ausgleichsnetzes ausgelegt ist, wobei der Signa-Delta-ADC mit einem ersten Referenzspannungsgenerator gekoppelt ist; eine Messschaltung, die einen Eingang aufweist, der ausgelegt ist, um mit der ersten Batteriezelle über einen zweiten Pfad des Ausgleichsnetzes gekoppelt zu werden, wobei der zweite Pfad von dem ersten Pfad verschieden ist, wobei die Messschaltung mit einem zweiten Referenzspannungsgenerator gekoppelt ist, der von dem ersten Referenzspannungsgenerator verschieden ist, wobei die Messschaltung eine andere Architektur aufweist als der Sigma-Delta-ADC; und eine Steuerung, die zum Folgenden ausgelegt ist: Steuern des Sigma-Delta-ADC, um eine erste Vielzahl von Spannungsabtastwerten über einem ersten und einem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während einer ersten Zeitdauer zu messen, Steuern der Messschaltung, um eine zweite Vielzahl von Spannungsabtastwerten über dem ersten und dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während der ersten Zeitdauer zu messen, Vergleichen einer Ausgabe des Sigma-Delta-ADC mit einer Ausgabe der Messschaltung, und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
Beispiel 22. Batteriemanagementsystem nach Beispiel 21, das ferner N Sigma-Delta-ADCs und N Messschaltungen umfasst, wobei die N Sigma-Delta-ADCs den Sigma-Delta-ADC umfassen, und wobei jeder der N Sigma-Delta ADCs mit einer jeweiligen Batteriezelle von den N Batteriezellen gekoppelt ist, und wobei die N Messschaltungen die Messschaltung umfassen, und wobei jede der N Messschaltungen mit einer jeweiligen Batteriezelle der N Batteriezellen gekoppelt ist.
Beispiel 23. Batteriemanagementsystem nach Beispiel 21, wobei der Sigma-Delta-ADC einen ersten dominanten Pol N-ter Ordnung aufweist, wobei N eine positive ganze Zahl größer gleich 1 ist, die Messschaltung einen zweiten dominanten Pol der N-ten Ordnung aufweist, und der erste dominante Pol im Wesentlichen gleich dem zweiten dominanten Pol ist.

Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sollte diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinne ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der Ausführungsbeispiele sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden für einen Fachmann unter Bezugnahme auf die Beschreibung offensichtlich sein. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche beliebige derartige Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer Batteriediagnostik, wobei das Verfahren umfasst: Messen einer ersten Spannung über einer ersten Batteriezelle einer wiederaufladbaren Batterie über einen ersten Messpfad eines Netzes unter Verwendung einer ersten Messschaltung, wobei das Messen der ersten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem ersten Spannungsabtastwert während einer ersten Zeitdauer unter Verwendung der ersten Messschaltung umfasst, Messen einer zweiten Spannung über der ersten Batteriezelle über einen zweiten Messpfad des Netzes unter Verwendung einer zweiten Messschaltung, wobei das Messen der zweiten Spannung ein Aufnehmen von mindestens einem zweiten Spannungsabtastwert während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst, wobei der zweite Messpfad des Netzes von dem ersten Messpfad des Netzes verschieden ist, Vergleichen der gemessenen ersten Spannung mit der gemessenen zweiten Spannung, und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Spannungsabtastwert unter Verwendung eines ersten Messschemas aufgenommen wird und der mindestens eine zweite Spannungsabtastwert unter Verwendung eines zweiten Messschemas aufgenommen wird, wobei das zweite Messschema von dem ersten Messschema verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Messen der ersten Spannung ferner ein Aufnehmen einer ersten Vielzahl von Spannungsabtastwerten während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der ersten Messschaltung umfasst, und wobei das Messen der zweiten Spannung ferner ein Aufnehmen einer zweiten Vielzahl von Spannungsabtastwerten während der ersten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Messen der zweiten Spannung ferner ein Mitteln einer Ausgabe der zweiten Messschaltung unter Verwendung einer Mittelungsschaltung, die mit der zweiten Messschaltung gekoppelt ist, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Diagnoseausgangssignal aktiviert wird, wenn ein Unterschied zwischen der gemessenen ersten Spannung und der gemessenen zweiten Spannung höher ist als ein erster Spannungsschwellenwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Messschaltung einen ersten dominanten Pol aufweist und die zweite Messschaltung einen zweiten dominanten Pol aufweist, wobei das Verfahren ferner ein einander Anpassen des ersten dominanten Pols und des zweiten dominanten Pols umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine erste effektive Gesamtfilterungscharakteristik des ersten Messpfads zusammen mit der ersten Messschaltung im Wesentlichen ähnlich einer zweiten effektiven Gesamtfilterungscharakteristik des zweiten Messpfads zusammen mit der zweiten Messschaltung ist.
Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 7, ferner umfassend: Bereitstellen einer ersten Referenzspannung an die erste Messschaltung mit einem ersten Referenzspannungsgenerator, und Bereitstellen einer zweiten Referenzspannung an die zweite Messschaltung mit einem zweiten Referenzspannungsgenerator, der von dem ersten Referenzspannungsgenerator verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Bereitstellen der ersten Referenzspannung an eine dritte Messschaltung mit dem ersten Referenzspannungsgenerator, wobei die dritte Messschaltung und die erste Messschaltung auf einem gleichen Messschema basieren, Messen einer dritten Spannung über einer zweiten Batteriezelle der wiederaufladbaren Batterie über einen dritten Messpfad des Netzes unter Verwendung der dritten Messschaltung, wobei das Messen der dritten Spannung ein Aufnehmen einer dritten Vielzahl von dritten Spannungsabtastwerten während einer zweiten Zeitdauer unter Verwendung der dritten Messschaltung umfasst, wobei die zweite Zeitdauer nach der ersten Zeitdauer liegt, wobei die zweite Batteriezelle in Reihe mit der ersten Batteriezelle gekoppelt ist, Messen einer vierten Spannung über der zweiten Batteriezelle über einen vierten Messpfad des Netzes unter Verwendung der zweiten Messschaltung, wobei das Messen der vierten Spannung ein Aufnehmen einer vierten Vielzahl von vierten Spannungsabtastwerten während der zweiten Zeitdauer unter Verwendung der zweiten Messschaltung umfasst, wobei der vierte Messpfad von dem dritten Messpfad verschieden ist, Vergleichen der gemessenen dritten Spannung mit der gemessenen vierten Spannung, und Aktivierten des Diagnoseausgangssignals, wenn ein Unterschied zwischen der dritten Spannung und der vierten Spannung höher ist als ein erster Spannungsschwellenwert.
Schaltung, umfassend: eine erste Messschaltung, die ausgelegt ist, um mit einer ersten Batteriezelle über einen ersten Pfad eines Netzes gekoppelt zu sein, eine zweite Messschaltung, die ausgelegt ist, um mit der ersten Batteriezelle über einen zweiten Pfad des Netzes gekoppelt zu sein, wobei der zweite Pfad von dem ersten Pfad verschieden ist, und eine Steuerung, die zum Folgenden ausgelegt ist: Bewirken, dass die erste Messschaltung eine erste Vielzahl von Spannungsabtastwerten über einem ersten und einem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während einer ersten Zeitdauer misst, Bewirken, dass die zweite Messschaltung eine zweite Vielzahl von Spannungsabtastwerten über dem ersten und dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während der ersten Zeitdauer misst, Vergleichen einer Ausgabe der ersten Messschaltung mit einer Ausgabe der zweiten Messschaltung, und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
Schaltung nach Anspruch 10, wobei die erste Messschaltung eine andere Architektur aufweist als die zweite Messschaltung, und/oder wobei die erste Messschaltung einen ersten dominanten Pol aufweist, die zweite Messschaltung einen zweiten dominanten Pol aufweist, und der erste dominante Pol dem zweiten dominanten Pol im Wesentlichen gleich ist.
Schaltung nach Anspruch 10 oder 11, ferner umfassend: einen ersten Referenzspannungsgenerator, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt ist, und einen zweiten Referenzspannungsgenerator, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste Messschaltung einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler umfasst und die zweite Messschaltung einen sukzessives Approximations-Register-Analog-Digital-Wandler umfasst, und/oder wobei die zweite Messschaltung einen Fensterkomparator umfasst, und wobei die Steuerung ausgelegt ist, um eine obere Grenze des Fensterkomparators und eine untere Grenze des Fensterkomparators auf der Grundlage der Ausgabe der ersten Messschaltung einzustellen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, ferner umfassend: einen ersten Abtastanschluss, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle über das Netz gekoppelt zu werden, einen zweiten Abtastanschluss, der mit der ersten Messschaltung und der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden, und einen ersten Stromanschluss, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, ferner umfassend: einen ersten Abtastanschluss, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle über das Netz gekoppelt zu werden, einen zweiten Abtastanschluss, der mit der ersten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden, einen ersten Stromanschluss, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem ersten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden, und einen zweiten Stromanschluss, der mit der zweiten Messschaltung gekoppelt und ausgelegt ist, um mit dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle gekoppelt zu werden.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei eine erste effektive Gesamtfiltercharakteristik des ersten Pfads ungefähr gleich einer zweiten effektiven Gesamtfiltercharakteristik des zweiten Pfads ist, und/oder wobei die erste Messschaltung eine erste Sprungantwort aufweist, die zweite Messschaltung eine zweite Sprungantwort aufweist, und die erste Antwort im Wesentlichen gleich der zweiten Sprungantwort ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Netz ein Ausgleichsnetz umfasst.
Batteriemanagementsystem, umfassend: eine wiederaufladbare Batterie, die N in Reihe gekoppelte Batteriezellen umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl größer null ist, ein Ausgleichsnetz, das mit der wiederaufladbaren Batterie gekoppelt ist, und eine Batterieüberwachungsschaltung, die mit dem Ausgleichsnetz gekoppelt ist, wobei die Batterieüberwachungsschaltung umfasst: einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (ADC), der einen Eingang aufweist, der zum Koppeln mit einer ersten Batteriezelle von den N Batteriezellen über einen ersten Pfad des Ausgleichsnetzes ausgelegt ist, wobei der Signa-Delta-ADC mit einem ersten Referenzspannungsgenerator gekoppelt ist, eine Messschaltung, die einen Eingang aufweist, der ausgelegt ist, um mit der ersten Batteriezelle über einen zweiten Pfad des Ausgleichsnetzes gekoppelt zu werden, wobei der zweite Pfad von dem ersten Pfad verschieden ist, wobei die Messschaltung mit einem zweiten Referenzspannungsgenerator gekoppelt ist, der von dem ersten Referenzspannungsgenerator verschieden ist, wobei die Messschaltung eine andere Architektur aufweist als der Sigma-Delta-ADC, und eine Steuerung, die zum Folgenden ausgelegt ist: Steuern des Sigma-Delta-ADC, um eine erste Vielzahl von Spannungsabtastwerten über einem ersten und einem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während einer ersten Zeitdauer zu messen, Steuern der Messschaltung, um eine zweite Vielzahl von Spannungsabtastwerten über dem ersten und dem zweiten Anschluss der ersten Batteriezelle während der ersten Zeitdauer zu messen, Vergleichen einer Ausgabe des Sigma-Delta-ADC mit einer Ausgabe der Messschaltung, und Erzeugen eines Diagnoseausgangssignals auf der Grundlage des Vergleichs.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 18, das ferner N Sigma-Delta-ADCs und N Messschaltungen umfasst, wobei die N Sigma-Delta-ADCs den Sigma-Delta-ADC umfassen, und wobei jeder der N Sigma-Delta ADCs mit einer jeweiligen Batteriezelle von den N Batteriezellen gekoppelt ist, und wobei die N Messschaltungen die Messschaltung umfassen, und wobei jede der N Messschaltungen mit einer jeweiligen Batteriezelle der N Batteriezellen gekoppelt ist.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 18 oder 19, wobei der Sigma-Delta-ADC einen ersten dominanten Pol N-ter Ordnung aufweist, wobei N eine positive ganze Zahl größer gleich 1 ist, die Messschaltung einen zweiten dominanten Pol der N-ten Ordnung aufweist, und der erste dominante Pol im Wesentlichen gleich dem zweiten dominanten Pol ist.