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1、(10)申请公布号 CN 102810890 A (43)申请公布日 2012.12.05 CN 102810890 A *CN102810890A* (21)申请号 201210174888.1 (22)申请日 2012.05.30 13/150,959 2011.06.01 US H02J 7/00(2006.01) H01M 10/44(2006.01) (71)申请人 NXP 股份有限公司 地址 荷兰艾恩德霍芬 (72)发明人 约翰尼斯PM范拉莫林 曼塞阿斯约翰内斯杰拉尔德 斯拉莫尔斯 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 王波波 (54) 发明名称。
2、 电池监视电路、 装置及方法 (57) 摘要 本公开的各个方面涉及对电池单元的监视。 根据不同实施例， 对具有串联连接的多个电池单 元的电池组进行监视。例如通过如下步骤将电 流分立注入所述多个电池单元中单独的单元 ： 操 作在单独的单元两端耦合的平衡电路， 来将电流 ( 例如， 正电流或负电流 ) 注入单元。对于每个电 池单元， 响应于注入到电池单元中的电流， 提供对 电池单元的单元电压加以指示的输出。还提供对 通过每个电池单元的电流加以指示的输出。从与 每个独立单元相对应的相应输出中， 提取每个单 元的电流和电压输出的幅度和相位特性， 以提供 对一个或多个单元的阻抗特性的指示。 (30)优先。
3、权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 9 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 9 页 附图 4 页 1/3 页 2 1. 一种能量存储单元装置， 包括 ： 多个电池单元 ； 电流注入电路， 被配置为将电流分别注入所述多个电池单元中单独的电池单元 ； 阻抗检测电路， 被耦合为检测响应于注入的电流， 检测所述多个电池单元的阻抗特 性 ； 数据提取电路， 与阻抗检测电路耦合， 并且被配置为从阻抗检测电路接收与所检测到 的阻抗特性相关的高带宽阻抗数据， 将阻抗数据的低频分量与阻抗数据的高频分量分离， 以及从高带。
4、宽数据提取所述多个电池单元的阻抗信息 ； 以及 输出电路， 被配置为提供低频分量和所提取的阻抗信息， 作为对能量存储单元装置的 阻抗特性加以指示的输出。 2. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 电流注入电路被配置为通过如下步骤将电流分别 注入所述多个电池单元中单独的电池单元 ： 在所述多个电池单元中的单个电池单元的两端 耦合单元平衡电路， 以将电流注入到该单个电池单元中， 其中， 单元平衡电路被耦合为在所 述单个电池单元与至少另一个电池单元之间传递电流。 3. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 电流注入电路被配置为通过如下步骤将电流分别 注入所述多个电池单元中单独的电池单元 ： 选择电。
5、池单元的子集， 以基于子集的电荷特性的状态进行评估， 以及 对于子集中的每个电池单元， 在该电池单元的两端单独耦合单元平衡电路， 以独立于 注入子集中其它电池单元的电流， 将电流注入到该电池单元中， 其中， 单元平衡电路被耦合 为在单独的电池单元与至少另一个电池单元之间传递电流。 4. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 数据提取电路包括 ： 滤波器， 被配置为分离阻抗数据的低频分量， 以及 离散傅立叶变换电路， 被配置为从高带宽分量中提取阻抗信息。 5. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 阻抗检测电路包括电压检测电路和电流检测电路， 电压检测电路被配置为对于每个电 池单元， 检测该电池。
6、单元两端的电压， 电流检测电路被配置为检测通过电池单元的电流， 以 及 数据提取电路和阻抗检测电路被集成到公共电路上， 数据提取电路包括电压变换电路 和电流变换电路， 电压变换电路被配置为从电压检测电路的输出的高带宽分量中提取电压 幅度和相位信息， 电流变换电路被配置为从电流检测电路的输出的高带宽分量中提取电流 幅度和相位信息。 6. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 电流注入电路被配置为通过如下步骤将电流分别注入所述多个电池单元中单独的电 池单元 ： 对于每个电池单元， 使用调制信号来操作开关， 以使平衡电路与电池单元选择性地 耦合和去耦合， 从而按照一定的占空比将电流注入到电池单元中，。
7、 其中所述占空比被限制 为对注入到电池单元中的电流量加以限制， 以及 阻抗检测电路被配置为基于调制信号检测每个电池单元的阻抗特性。 7. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 电流注入电路包括， 平衡电路， 被配置为在不同电池单元之间平衡电荷， 以及 权 利 要 求 书 CN 102810890 A 2 2/3 页 3 调制器， 被配置为， 对于每个电池单元在断开和闭合位置之间操作开关， 以一定的频率 循环地将平衡电路耦合至电池单元， 其中所述频率实现了将预定电流注入电池单元以用于 阻抗测量。 8. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 电流注入电路被配置为通过如下步骤将电流分别 注入所述多个。
8、电池单元中单独的电池单元 ： 对于每个电池单元， 闭合将以下项中的至少一 项耦合的开关 ： 电池单元两端的电阻器电路， 用于被动地泄放 (bleed) 来自电池单元的电流， 以及 电池单元两端的电感器电路， 用于主动地感应通过电池单元的电流。 9. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 电流注入电路包括开关式 - 调制器和余弦发 生器， 开关式 - 调制器和余弦发生器被配置为对于所述多个电池单元中的每个电池单 元， 在接通和关断状态之间切换平衡器电路， 以相对于电池单元中的另一电池单元将电流 单独注入该电池单元中。 10. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 输出电路被配置为向电池组控制器提。
9、供低频分 量， 所述电池组控制器控制所述多个电池单元之间的电荷的平衡。 11. 如权利要求 1 所述的装置， 其中， 电流注入电路被配置为通过如下步骤将电流分别 注入所述多个电池单元中单独的电池单元 ： 对于每个电池单元， 控制平衡电路以预定的频 率和幅度来注入电流， 以便于阻抗检测电路检测阻抗特性。 12. 如权利要求 1 所述的装置， 还包括， 平衡电路， 被配置为在电池单元之间平衡电荷， 以及 电池组控制器， 被配置为 ： 基于低频分量来控制平衡电路， 以及 使用所提取的阻抗信息和低频分量来确定能量存储单元装置的基于阻抗的状况。 13. 一种用于监视电池组的监视电路， 所述电池组具有串联。
10、连接的多个电池单元， 所述 监视电路包括 ： 电流注入电路， 被配置为将电流分别注入所述多个电池单元中单独的电池单元 ； 电压检测电路， 被配置为对于每个电池单元， 响应于注入的电流， 提供对电池单元的单 元电压加以指示的输出 ； 电流检测电路， 被配置为提供对通过与电池单元串联连接的电路的电流加以指示的输 出， 从而指示通过电池单元的电流 ； 以及 提取电路， 被配置为提取电流检测电路和电压检测电路的输出的幅度和相位特性， 以 响应于注入的电流， 提供对单元的阻抗特性的指示。 14. 如权利要求 13 的电路， 还包括 ： 第一和第二低频滤波器电路， 分别被配置为提供电压检测电路和电流检测电。
11、路的经低 频滤波的输出， 以及 电池组控制器， 被耦合为接收滤波电路的低频输出， 并且被配置为使用所述低频输出 来估计电池单元的电荷状态 SoC。 15. 如权利要求 13 的电路， 其中， 电流注入电路包括 ： 波发生器， 被配置为产生具有一定频率的信号， 其中以所述频率将电流选择性地注入 权 利 要 求 书 CN 102810890 A 3 3/3 页 4 电池单元以用于阻抗检测， 以及 - 调制器， 被耦合为接收产生的信号， 并且响应于所述产生的信号来操作开关， 以 将平衡电路耦合至电池单元， 从而将电流间歇地注入到电池单元中 ； 提取电路包括至少一个离散傅立叶变换电路， 所述离散傅立叶。
12、变换电路被配置为产生 所述幅度和相位特性。 16. 如权利要求 13 的电路， 其中， 电流注入电路被配置为通过以测量频率注入电流， 来将电流分别注入所述多个电池单 元中单独的电池单元 ； 电流检测电路被配置为通过提供对未注入电流的电池单元的单元电压加以指示的组 电流输出， 来提供对通过与电池单元串联连接的电路的电流加以指示的输出 ； 以及 数据提取电路被配置为响应于所述组电流输出指示了在未注入电流的电池单元中存 在处于测量频率的组电流， 将另一电池单元中的测量检测为不可靠。 17. 一种用于在电池组电路中监视电池组的方法， 所述电池组包括串联连接的多个电 池单元， 所述方法包括 ： 将电流分。
13、别注入所述多个电池单元中单独的电池单元 ； 对于每个电池单元， 响应于注入电池单元的电流， 提供对电池单元的单元电压加以指 示的输出 ； 提供对通过每个电池单元的电流加以指示的输出 ； 以及 针对每个单元， 提取电流和电压输出的幅度和相位特性， 以提供对单元的阻抗特性的 指示。 18. 如权利要求 17 所述的方法， 其中， 将电流分别注入所述多个电池单元中单独的电池单元包括 ： 循环地将平衡电路耦合至 电池单元， 以将电流注入电池单元 ； 提取幅度和相位特性包括 ： 操作在电池组电路中集成的离散傅立叶变换部件， 以分别 确定对电池单元的电压和通过电池单元的电流加以指示的输出的幅度和相位特性，。
14、 从而提 供对每个电池单元的阻抗的指示。 19. 如权利要求 17 所述的方法， 其中， 将电流分别注入所述多个电池单元中单独的电 池单元包括 ： 基于达到阈值的电池单元的状况， 确定要监视的电池单元的子集， 以选定频率对电压和组电流的频谱进行测量， 以及 响应于组电流提供了处于选定频率的非足够信号， 将电流注入所述电池单元的子集中 的至少一个电池单元。 20. 如权利要求 19 所述的方法， 还包括 ： 响应于组电流包括处于选定频率的信号， 丢弃 所提取的幅度和相位特性， 并且重复执行注入电流的步骤、 提供输出的步骤以及提取的步 骤。 权 利 要 求 书 CN 102810890 A 4 1。
15、/9 页 5 电池监视电路、 装置及方法 技术领域 0001 本公开涉及电池监视， 具体涉及电池监视电路、 装置及方法。 背景技术 0002 在许多可再充电电池(rechargeable battery)应用中， 比如在混合/电动车辆的 电池系统中使用的可再充电电池应用中， 大量串联电池用于产生高压， 其中， 该高压可以被 用于驱动汽车发动机之类的部件。在这些系统中， 了解串联电池 ( 例如， 电池组 (battery pack)的SoH(健康状态(State of Health)和SoC(电荷状态(State of Charge)是重 要的。 0003 估计或确定 SoH 和 / 或 SoC。
16、 的一种方式包括使用电池单元的阻抗， 其中单元的阻 抗 ( 及其随着时间的变化方式 ) 可以用于精确地确定这些特性。尽管一般并不根据阻抗直 接获得 SoC， 但是知道 SoH 可以有助于改善 SoC 估计， 特别是在单元变旧并且经历更多充电 / 放电周期时。了解 SoH 和 / 或 SoC 还使得可以应用能够使电池组的日历寿命 (calendar life)、 循环寿命 (cycle life) 和能量存储能力最大化的期望 / 最佳充电和放电策略。 0004 因此， 有用的是， 按照精确而可靠的方式确定电池单元的状况， 以在多种单元监视 和控制应用中使用。例如， 对于控制单元的充电以及提供对电。
17、池的总体电荷水平的指示而 言， 这些信息可能是有用的。 0005 然而， 检测电池单元特性可能是具有挑战性的。 例如， 可以同时测量电池单元电压 和电流来估计阻抗， 但是这种测量可能是具有挑战性的。 此外， 这些方法可能导致无法精确 地表示电池单元阻抗。 此外， 许多单元状况检测方法可能需要对大量数据的传输和处理， 这 对于多种系统而言实现起来可能是具有挑战性的。 0006 这些和其它问题对于电池单元特性的监视仍然给出了挑战。 发明内容 0007 各种示例性实施例涉及对电池 ( 如， 在电动车辆中使用的电池组 ) 特性的监视。 0008 根据示例性实施例， 能量存储单元装置包括多个电池单元、 。
18、电流注入电路、 阻抗检 测电路和与阻抗检测电路相耦合的数据提取电路。 电流注入电路将电流分别注入所述多个 电池单元中单独的电池单元， 阻抗检测电路响应于注入电流， 检测所述多个电池单元的阻 抗特性。数据提取电路从阻抗检测电路接收与检测到的阻抗特性相关的阻抗数据， 将阻抗 数据的低频分量与阻抗数据的高带宽(例如， 包括高频)分量相分离， 以及从高带宽数据中 提取所述多个电池单元的阻抗信息。所述装置还包括输出电路， 该输出电路提供低频分量 和从高带宽分量提取的阻抗信息， 作为对能量存储单元装置的阻抗特性加以指示的输出。 0009 另一示例性实施例涉及一种用于监视电池组的监视电路， 所述电池组具有串。
19、联连 接的多个电池单元。所述监视电路包括电流注入电路和电压检测电路， 电流注入电路将电 流分别注入所述多个电池单元中单独的电池单元， 对于每个电池单元， 响应于注入的电流， 电压检测电路提供对该电池单元的单元电压加以指示的输出。所述电路还包括电流检测 说 明 书 CN 102810890 A 5 2/9 页 6 电路， 该电流检测电路提供对通过电池单元串联连接的电阻器电路上的电压加以指示的输 出， 从而指示通过电池单元的电流。提取电路提取电流检测电路和电压检测电路的输出的 幅度和相位特性， 以响应于注入的电流， 提供对所提取的幅度和相位及单元的阻抗特性加 以指示的输出。 0010 另一示例性实。
20、施例涉及在电池组电路中(例如， 在控制电路中)监视电池组， 所述 电池组包括串联连接的多个电池单元。 将电流分别注入所述多个电池单元中单独的电池单 元。 对于每个电池单元， 响应于注入电池单元中的电流， 提供对电池单元的单元电压加以指 示的输出， 还提供对通过每个电池单元的电流加以指示的输出。 针对每个单元， 提取电流和 电压输出的幅度和相位特性， 以提供对单元的阻抗特性的指示。 0011 以上讨论 / 综述并非旨在描述本公开的每个实施例或每种实现。附图和以下描述 也对多种实施例进行了举例说明。 附图说明 0012 结合附图， 通过考虑以下详细描述， 可以更全面地理解各种示例性实施例， 其中 。
21、： 0013 图 1 示出了根据本发明示例性实施例的用于测量电池组的单元特性的系统 ； 0014 图 2 示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的测量电池组的单元特性的 流程图 ； 0015 图 3 示出了根据另一示例性实施例的能量存储单元装置 ； 0016 图 4 示出了根据本发明示例性实施例的用于测量电池组的单元特性的系统， 该系 统具有针对 ADC 的多路服用输入。 具体实施方式 0017 尽管本发明可以具有多种修改和备选形式， 但是在附图中仅以示例的方式示出了 本发明的细节， 并且将详细描述这些细节。然而， 应该理解， 目的并非将本发明限于所描述 的特定实施例。相反， 目的在于覆盖落。
22、在包括权利要求中限定方面的本发明的范围内的所 有修改、 等同和备选形式。 此外贯穿本申请， 所使用的术语 “示例” 仅是说明性的， 而非限制。 0018 本发明的多个方面可应用于涉及电池和 / 或电池控制的多种不同类型的设备、 系 统和布置中， 所述电池和/或电池控制包括涉及汽车应用的电池和/或电池控制。 尽管本发 明不必限制于此， 但是通过以这种背景来对示例进行论述， 可以认识到本发明的各个方面。 0019 在一个或多个实施例中， 在具有多个电池单元的电池组中， 检测电池单元的阻抗 特性。检测通过单元 ( 例如， 串联耦合的单元 ) 的电流和单独的单元的电压， 并使用所述电 流和电压来提供阻。
23、抗特性。根据电池单元的频率特性来处理检测到的电池单元的分量， 以 减少为了表征阻抗而传输的数据量。在一些实现中， 对检测到的电池单元参数的高带宽分 量进行预处理和传输， 以确定电池组中单独的单元的阻抗特性。 0020 多种实施例涉及监视不同类型状况下的单元性能。 在单元的寿命期间监视单元阻 抗， 其中使用参数的不同值来获取与单元的性质有关的有用信息。 可以记录这种多维信息， 并将这种多维信息来提供可以被用来确定电池特性的信息。例如， 这种方法可以促进对阻 抗曲线的检测 / 确定， 其中阻抗曲线对应于多个参数中的一个或多个， 所述多个参数例如 是单元化学性质、 单元温度、 DC 单元电流、 电荷。
24、状态 (SoC)、 单元循环寿命和单元日历使用 说 明 书 CN 102810890 A 6 3/9 页 7 年限 (calendar age)。 0021 在多种实现中， 按照频率来分离电池电特性， 并且如下使用 / 处理所述电池电特 性以用于通信。使用低频 ( 例如， 高达 4Hz) 来确定 SoC 和一个电池单元 / 多个电池单元 的阻抗曲线的低频部分。使用较高频 ( 例如， 4Hz 以上 ) 来确定一个电池单元 / 多个电 池单元的阻抗曲线的高频部分。通过如下步骤降低传输数据 ( 经由汽车数据总线传输至中 央系统 ) 的数据速率 ： 分离低频部分， 传输低频数据， 预处理高带宽 ( 包。
25、括高频 ) 数据以提 取可以被用来确定电池阻抗特性的数据， 以及传输所提取的数据 ( 例如， 在适当情况下被 压缩)。 在特定实施例中， 在传输至外部设备(例如， 电池控制器)之前， 还对低频部分进行 预处理。 0022 对于与基于阻抗确定电池特性相关的一般信息， 以及对于与可以根据一个 或多个示例实施例实现的这些方法相关的特定信息， 可以参考 F.Huet 的美国专利公 开 2005/218915A1“A review of impedance measurements for determination of State-of-Charge and State-of-Health of s。
26、econdary batteries” ， J.Power Sources， Vol.70， No.1， 59-69(January 1998)， 以及 J.L.Jespersen 等人的 “Capacity measurement of Li-Ion batteries using AC impedance spectroscopy” ， World Electric Vehicle Journal Vol.3， 它们的全部公开一并在此作为参考。 0023 在另一示例实施例中， 能量存储单元包括多个电池单元、 电流注入电路、 阻抗检测 电路和与阻抗检测电路相耦合的数据提取电路。 电流注入电路。
27、例如通过选择性地在每个单 元两端 ( 例如， 循环地 ) 耦合单元平衡 (cell balance) 电路或其它类型的电路， 来独立于 其它单元将电流注入多个电池单元中单独的电池单元。响应于电池单元中注入的电流， 阻 抗检测电路检测多个电池单元的阻抗特性。 例如， 在一种或多种状况下， 通过响应于注入的 电流来检测单元两端的电压， 可以使用特定电池单元两端的该电压的输出 ( 以及检测到的 和 / 或已知的通过电池单元的电流 ) 来指示该单元的阻抗特性， 从而指示该单元的健康型 状况 (health-type condition)。 0024 数据提取电路从阻抗检测电路接收与检测到的阻抗特性相关。
28、的阻抗数据， 并且分 离所述阻抗数据的低频分量。可以在内部处理低频分量， 或者可以将低频分量发送至外部 电路以用于评估 ( 例如， 并且用于 SoC 估计和单元平衡操作 )。在提取电路处， 本地地处理 高带宽分量， 以提取多个电池单元的阻抗信息。输出电路提供低频分量和从高带宽分量中 提取的阻抗信息， 作为对能量存储单元装置的阻抗特性加以表示的输出。 0025 在一些实施例中， 选择电池单元的子集以基于该子集的电荷特性的状态来进行评 估， 从而使用电池单元的子集来识别要监视的单元。 例如， 如果电池单元的子集的操作特性 被检测为超出特定范围， 则可以如本文所述来评估子集中的每个单元。 例如， 可。
29、以使用该方 法来促进在不必评估所有单元的情况下评估电池组。在一种实现中， 对于子集中的每个电 池单元， 在该电池单元的两端耦合单元平衡电路， 以独立于注入子集中其它电池单元的电 流， 将电流注入该电池单元。 0026 在多种实施例中， 将数据提取电路与阻抗检测电路集成到公共电路上。数据提取 电路包括电压变换电路和电流变换电路， 电压变换电路被配置为从电压检测电路的输出的 高带宽分量 ( 包括高频 ) 中提取电压的幅度和相位信息， 电流变换电路被配置为从电流检 测电路的输出的高带宽分量中提取电流的幅度和相位信息。 说 明 书 CN 102810890 A 7 4/9 页 8 0027 可以间歇地。
30、或循环地实现电流的分别注入， 以对注入每个单元中的电流量加以控 制。在一些实施例中， 本文讨论的电流注入电路通过如下步骤将电流分别注入多个电池单 元中单独的电池单元中 ： 对于每个电池单元， 使用调制信号来操作开关， 以使平衡电路 ( 或 其它电流源 ) 与电池单元选择性地耦合和去耦合。按照一定的占空比注入电流， 其中所述 占空比限制了注入电池单元的电流量。 阻抗检测电路基于调制信号检测每个电池单元的阻 抗特性。可以以一定的频率来执行这种注入， 其中所述频率实现了将预定电流注入电池单 元以用于阻抗测量。能够注入电流的方式包括 ： 例如， 在电池单元两端耦合电阻器电路， 以 被动地泄放来自电池单。
31、元的电流， 或者在电池单元两端耦合电感器电路， 以主动地感应通 过电池单元的电流。 0028 如上所讨论的， 多种实施例涉及使用单元平衡电路将电流注入电池单元以用于阻 抗测量。例如， 可以使用电阻式和电感式平衡系统之一或两者来实现这些实施例。此外， 在 本文描述为可利用电阻性系统来实现的多种实施例是可以利用其它系统来实现的， 如， 电 感性系统 ( 例如， 使用将偏置电流保持在几乎为零的电感式平衡器， 而不是根据偏置电流 来调制信号的电阻性平衡器 )。 0029 在多种实现中， 使用平衡电路来驱动电流通过电池组中单独的单元， 其中， 电压 / 电流水平保持较低以便于将电池建模为线性系统。与电池。
32、串联连接的电阻器将电流转 换成电压。使用带通滤波器来在不期望的信号 ( 例如， 噪声和失真 ) 到达幅度和相位仪 (amplitude-and-phase meter) 之前消除该不期望的信号， 其中所述幅度和相位仪测量电 池电压以及转换电阻器两端的电压。 通常地， 仪表和带通滤波器是匹配的(例如， 相同的)， 以确保这些电路中增益和延迟时间的匹配。如下， 根据测量得到的电压的幅度和相位确定 电池的阻抗 (Z) 的实部和虚部。 0030 0031 0032 0033 在以上等式中， Rconv两端的电压的相位被限定为零。 0034 电压 / 电流源可以受测量系统 ( 例如， 正弦波发生器 ) 。
33、的控制， 或者不受执行测量 的系统的直接控制 ( 例如， 经由电动车的牵引发动机的驱动电流， 其中电动车使用了电池 组 )。当利用汽车来实现时， 在汽车休止 (at rest) 时可以实现测量系统控制， 在汽车移动 时可以使用驱动电流控制方法。通过使用测量系统控制， 可以在任何时刻以任何期望的频 率来测量电池阻抗。此外， 在发生测量的环境是低噪声 / 失真型环境的应用中， 可以省略特 定的带通滤波器。 0035 现在转到附图， 图 1 示出了根据另一示例性实施例的系统 100， 所述系统 100 测量 ( 例如， 检测 ) 电池组 110 的单元阻抗。例如， 可以在电池组休止时和 / 或在电池。
34、组充电或 放电时测量阻抗。模数转换器 (ADC)120 测量 121 处的单元电压， ADC 130 测量将组电流转 换为电压的电阻器 131 上的电压， 以分别提供单元电压和组电流， 以用于表征被测量的单 元的阻抗特性。一般地， 可以按照这种方式使用这些分量来表征多种单元的阻抗。 说 明 书 CN 102810890 A 8 5/9 页 9 0036 抗混叠滤波器 (anti-alias filter)122 和 132( 例如， 约 10kHz) 分别对 ADC 120 和 130 的输入处提供的电压 ( 信号 ) 进行滤波。ADC 120 的输出耦合至串联连接的低通滤 波器 123 和 。
35、124， 类似地， ADC 130 的输出耦合至串联连接的低通滤波器 133 和 134。对于 串联连接的低通滤波器中的每一个， 第一滤波器具有比第二滤波器大得多的截止频率 ( 例 如， 分别为约 2kHz 和 4Hz)。第一低通滤波器 123 和 133 的输出分别被馈送至离散傅立叶 变换 (DFT) 处理器 125 和 135， 离散傅立叶变换 (DFT) 处理器 125 和 135 检测经由 ADC 120 和 130 呈现的一个测量频率 / 多个测量频率的幅度和相位。 0037 第二低通滤波器 124 和 134 的输出均被馈送至组控制器 (pack controller)140， 以。
36、用在 SoC 估计中。在一些实现中， 组控制器 140 还使用第二低通滤波器 124 和 134 的输 出来测量/检测低频下的单元阻抗。 在这些实现中， 通过以下步骤计算阻抗 ： 获取电压测量 和电流测量的幅度和相位并相除。组控制器 140 被实现为系统 100 的一部分， 或者被单独 实现， 在单独实现时系统 100 提供输出以供组控制器使用。 0038 系统 100 还包括 ( 余弦 ) 正弦发生器 150 和 - 调制器 152， ( 余弦 ) 正弦发生 器 150 和 - 调制器 152 通过如下步骤将电流注入单独的单元 ( 例如， 在 121 处的 ) ： 使 用诸如脉冲密度调制 (。
37、PDM) 调制信号之类的调制信号， 利用开关 158 来接通 / 关断具有泄 放电阻器 154 和电容器 156 的平衡器。对信号进行调制， 以应用期望的信号频率。 0039 可以结合这些和其它实施例实现多种 ( 余弦 ) 正弦发生器。对于与这些发生器相 关的一般信息， 以及对于与可以结合这些实施例实现的 DFT 发生器相关的特殊信息， 可以 参考2011年5月4日提交的题为 “Method to measure the impedances of battery cells in a(H)EV application” 的序列号为13/100,652的美国专利申请， 其全部公开一并在此作 为。
38、参考。 0040 产生通过系统 100 中的单元的电流的分量的值被用作与该电流相关的输入， 而不 必在平衡电流的路径中使用电流计。利用这一点以及要被测量阻抗的电池单元的电压， 计 算出经调制的平衡器注入到单元中的电流的值。 0041 在一些实施例中， 省略了低通滤波器 123 和 133 之一或两者， 其中 ADC 120 和 130 的输出分别直接连接至第二低通滤波器 124 和 134 以及 DFT 处理器 125 和 135， 以将比特 流直接传递至第二低通滤波器 124 和 134 以及 DFT 处理器 125 和 135。在这些实现中， 被 示为与一个或多个低通滤波器 ( 现在省略了。
39、 ) 相连的 ADC 之一或两者被实现为 - 转 换器。在特定实现中， - 转换器产生单比特比特流， DFT 处理器 125 和 135 使用全加器 (full-adder) 电路 ( 例如， 替代乘法器 ) 来简化电路 ( 例如， 比特指示加或减 )。 0042 在一些实现中， ( 余弦 ) 正弦波发生器 150 每次使用一个频率驱动电池单元 121， 其中 DFT 处理器 125/135 可被实现为调制电路。在其它实现中， ( 余弦 ) 正弦波发生器 150 使用具有多于一个频率的信号来驱动电池单元 121， 这促进了信号的快速测量 ( 例如， 相对 于在每个感兴趣的频率下重复测量而言 )。
40、。 0043 在一些实施例中， 使用过采样 - 转换器实现 ADC， 过采样 - 转换器以高线 性度工作在低功率下以对低频进行测量。过采样 - 转换器便于使用比具有尼奎斯特比 率 ADC 的系统中使用的抗混叠滤波器小的抗混叠滤波器， 表现出前述低功率 / 高线性度特 性， 并且还凭借其尺寸而便于与其它电路集成。 0044 如图1所示或者如本文所描述的， 施加的调制可以包括执行/遵循一种算法， 该算 说 明 书 CN 102810890 A 9 6/9 页 10 法用于通过在 mHz 至 kHz 范围内的多种频率下的电压测量和电流测量来测量 / 确定阻抗。 对于电阻性调制和电感性调制之一或两者，。
41、 多个实施例涉及通过利用经 PWM( 脉冲宽度调 制 )、 PDM( 脉冲密度调制 ) 或两者调制的信号来驱动开关 ( 例如， 图 1 中的开关 158) 来实 现这种调制。 此外， 可以脉冲的频率和幅度被定制为适应特定的电池组操作， 以实现足以评 估电池单元的信号并减少功率损耗。例如， 通过作用在活动时钟沿 (active clock edge)， 可以在全数字系统中使用 PDM， 其中， 全数字系统的时钟频率被设计为尽可能低以使耗散 (dissipation) 保持较低。在这些应用中， 可以使用去耦合电容器来产生平滑的正弦波。 0045 在一些实施例中， 经由平衡器电路注入电池单元的电流是。
42、以大于平衡器电路使用 的平衡电流的值来注入的， 以确保阻抗测量的精度。 在这些实施例中， 在平衡中使用的外部 电阻器的值被设置为比用于平衡的电阻器低。为了减小有效平衡电流， 与电阻器串联地布 置开关， 并且以相对高的频率 ( 例如， 具有固定占空比的 100kHz 方波 ) 来驱动开关， 以限 制通过电阻器的平均平衡电流， 并使耗散保持在可操作的 ( 例如， 安全的 ) 限度内， 从而使 电阻器的温度保持在可操作的 ( 例如， 安全的 ) 限度内。 0046 可以按照不同方式执行本文讨论的阻抗测量， 以适应特定应用。 在一些实施例中， 再次参考图 1， 在系统 100 向其提供输出的主 CPU。
43、 上分析针对 ( 以 10S/s 采样的 )4Hz 频率 和更低频率的阻抗数据， 以及在集成 DFT 处理器 125/135 中处理阻抗数据中包括高于 4Hz 频率的分量。在集成 DFT 处理器 125、 135 中， 或者在用于电池组的控制器上， 处理低于 4Hz 的频率。 0047 在一些实施例中， DFT 125/135 之一或两者对信号进行预处理， 以减少向 CPU 传输 的数据量。在一些实现中， 以大约 10 个频率来测量和提供阻抗， 以便于确定整个曲线 ( 例 如， 针对 10mHz( 毫赫兹 ) 至 2kHz 的频率范围 )。 0048 可以对系统 100 进行多种改变或修改， 。
44、以适应应用。例如， 可以使系统 100 的电流 和电压测量路径中的模拟滤波器和数字滤波器相匹配 ( 例如， 实质上相同 )， 以便于匹配的 /精确的输出。 作为另一示例， 系统100可以被扩展为包括用于向电池组中的大量电池单元 (例如， 电池组的节(section)注入电流并监视这些电池单元的电路。 在这些情况下， 电池 节 (battery section) 可以指的是共享单元平衡和测量分量 ( 例如， 5-17V， 取决于该节中 的单元数目、 单元化学性质、 SoC 和温度 ) 的一组电池单元 (a group of battery cells)。 模块 (module) 是具有组合电压 。
45、( 例如， 高达 60V) 的一组电池节， 分片 (slice) 是产生与总 体电池组相同的电压 ( 例如， 100V 至 600V) 的一组串联连接的模块。电池组可以包括单个 分片或者一组并联连接的分片， 其中并联连接提高了电池组的能量含量 (energy content) 和供电能力 (power capability)， 但是并不增大电压。可以独立地驱动电流通过每个电池 单元， 从而减小可能与电流通过整个电池组相关的功率汲取(power draw)。 例如， 如与单元 相连的虚线所示 ( 参见， 例如 121)， 可以在电池组中包括大量这种部件， 并相应地监视这些 部件。在特定实施例中，。
46、 使用相同硬件例如通过选择性地连接图 1 所示的各种部件 ( 例如， ADC/ 滤波器电路、 DFT 处理器和 ( 余弦 ) 正弦发生器 / 调制器电路 ) 来测量若干单元的阻 抗。此外， 在这些应用中， 可以在公共 IC 中实现电流发生器和电压测量电路以便于同步。 0049 图 2 示出了根据另一示例性实施例测量电池组中多个单元中的一个或多个单元 的单元阻抗的流程图。以下讨论关于单个单元的测量， 但是可以利用电池组中的附加单元 实现。 说 明 书 CN 102810890 A 10 7/9 页 11 0050 在块 210 中， 将电流选择性地 ( 例如， 循环地 ) 注入多个电池单元中单独。
47、的电池单 元。在块 220 处， 响应于电池单元中注入的电流， 检测电池单元的阻抗特性。例如， 这种阻 抗特性检测可以包括检测单元两端的电压， 并且还可以包括检测与单元串联的电阻器两端 的电压， 以对于通过单元的电流提供基于电压的指示。 0051 在块230处， 接收与检测到的阻抗特性相关的阻抗数据(例如， 检测到的一个或多 个电压的数字表示 )， 并对所述阻抗数据进行滤波， 以分离所述阻抗数据的低频分量。在块 240 处， 从高带宽分量中提取所述多个电池单元的阻抗信息。在块 250 处， 提供从高带宽分 量中提取的阻抗信息， 作为对能量存储单元装置的阻抗特性加以指示的输出。还提供低频 分量以。
48、供在块 250 处处理， 或者在块 240 处提取之后提供低频分量。 0052 图 3 示出了根据另一示例性实施例的能量存储单元装置 300。装置 300 包括多个 电池单元310-N和电流注入电路320， 电流注入电路320将电流分别注入多个电池单元中单 独的电池单元。 例如， 可以如虚线所示耦合注入电路320， 以(例如， 经由开关)连接至多于 一个单元 310-N。在一些实施例中， 对于每个电池单元 310-N， 包括如所示的针对电池单元 310 的注入电路 320。 0053 在单元310-N两端耦合阻抗检测电路330(例如， 被示为耦合在310两端)， 以响应 于电池单元中注入的电流。
49、来检测电池单元的基于电压的阻抗特性。阻抗检测电路 330 还被 耦合为例如经由与单元一致(in-line with)的电阻器来检测通过单元的电流， 并且阻抗检 测电路 330 可以分别针对电阻器处的电流 ( 例如， 由电阻器两端的电压表示 ) 和单独的电 池单元处的电压包括单独的检测部件。 0054 数据提取电路 340 耦合至阻抗检测电路， 并且被配置为从阻抗检测电路接收与检 测到的阻抗特性相关的阻抗数据， 分离阻抗数据的低频分量， 并且从高带宽(包括高频)分 量中提取多个电池单元的阻抗信息。 0055 输出电路350提供经由数据提取电路340接收的低频分量以及从高带宽分量中提 取的阻抗信息， 作为对能量存储单元装置的阻抗特性加以指示的输出。可以直接从阻抗检 测电路 330 提供低频分量， 或者在数据提取电路 340 处理之后提供低频分量。 0056 图4示出了根据本发明示例性实施例的用于利用针对ADC的多路复用输入来测量 电池组的单元特性的系统400。 系统400包括与图1中的部件类似的。