电池阻抗检测系统、设备及方法
2020-01-10

电池阻抗检测系统、设备及方法

本发明的多个方面涉及到监视电池单元。根据本发明的多个实施例,一种能量存储单元设备包括分别将电流注入到多个能量存储电池单元的各个中的电流注入电路,和响应于注入电流检测多个电池单元每个的阻抗特性的阻抗检测电路。滤波器电路接收有关检测阻抗特性的阻抗数据,并将阻抗数据的低频分量与阻抗数据的高频分量分离开。存储器电路存储包括低频和高频分量的高带宽数据所对应的数据,以及访问电路向电池组控制器提供多个电池单元的低频分量。访问电路还访问电池组控制器并基于传输高带宽数据的可用带宽向电池组控制器提供所存储的各个电池单元的子集的高带宽数据。

图1中所示的与低通滤波器(以及去伪滤波器)有关的相应频率范围是示例性的,并且可以进行修改以适应特别的应用。例如,低通滤波器124和135可以设置到足以提供电池单元111的SoC指示的阻抗特性频率,同时在总线160上通信的低频分量内限制数据大小。

可以对系统100进行多种变型或修改以适应各种应用。例如,可以使系统100的电流和电压测量路径中的模拟和数字滤波器相匹配(例如实质上相同)以便于匹配输出或使输出更精确。在另一示例中,系统100可以扩展为包括在电池组(例如电池组的某个分部)中注入电流以及监视大量电池单元的电路。在这些情况下,电池分部可以指共享单元平衡和测量部件的一组电池单元(例如在5-17V,取决于该分部中单元的数量、单元化学作用、SoC以及温度)。模块是指具有组合电压(例如直到60V)的一组电池分部,分片是指产生与总电池组相同的电压(例如100V到600V)的一组串联连接的模块。电池组可以包括单个分片或一组并联连接的分片,其中所述并联连接增加了含能量和电池组的功率容量,但是不会提高电压。可以驱动电流分别通过每个电池单元,从而减少与传输电流通过整个电池组有关的功率汲取。例如,对于所示短划线连接的单元,可以在电池组中设置大量的这种部件并进行监视。在一些实施例中,例如通过选择性地连接如图1所示的多个部件(例如ADC/滤波器电路,以及正弦(余弦)发生器/调制器电路),采用相同的硬件测量多个单元的阻抗。此外,在这些应用中,电流发生器和电压测量电路可以实施在公共IC上以便于实现同步。

可以对系统100进行多种变型或修改以适应各种应用。例如,可以使系统100的电流和电压测量路径中的模拟和数字滤波器相匹配(例如实质上相同)以便于匹配输出或使输出更精确。在另一示例中,系统100可以扩展为包括在电池组(例如电池组的某个分部)中注入电流以及监视大量电池单元的电路。在这些情况下,电池分部可以指共享单元平衡和测量部件的一组电池单元(例如在5-17V,取决于该分部中单元的数量、单元化学作用、SoC以及温度)。模块是指具有组合电压(例如直到60V)的一组电池分部,分片是指产生与总电池组相同的电压(例如100V到600V)的一组串联连接的模块。电池组可以包括单个分片或一组并联连接的分片,其中所述并联连接增加了含能量和电池组的功率容量,但是不会提高电压。可以驱动电流分别通过每个电池单元,从而减少与传输电流通过整个电池组有关的功率汲取。例如,对于所示短划线连接的单元,可以在电池组中设置大量的这种部件并进行监视。在一些实施例中,例如通过选择性地连接如图1所示的多个部件(例如ADC/滤波器电路,以及正弦(余弦)发生器/调制器电路),采用相同的硬件测量多个单元的阻抗。此外,在这些应用中,电流发生器和电压测量电路可以实施在公共IC上以便于实现同步。

如本文中所讨论的,多个实施例涉及到使用单元平衡电路将电流注入到电池单元以进行阻抗测量。例如可以使用电阻性和电感性平衡系统的之一或二者来实现这些实施例。进一步,本文中描述的可通过电阻性系统实现的多个实施例也可以采用其它系统实现,例如电感性系统(例如使用可以将偏置电流维持在近乎为零的电感性平衡器代替调制偏置电流上信号的电阻性平衡器)。

可以间歇或周期地实现电流的分别注入(separateinject1n),以控制注入到每个单元中的电流数量。在一些实施例中,本文讨论的电流注入电路就将电流分别地注入到多个电池单元的单独电池单元中,并且对于每个电池单元,利用调制信号操作开关以选择性地将平衡电路与该电池单元(或其它电流源)耦合或去耦。阻抗检测电路基于该调制信号检测每个电池单元的阻抗特性。可以在能有效将预定电流注入到电池单元以进行阻抗测量的频率下执行这种注入。可以注入电流的示例方式包括在电池单元上耦合电阻器电路以从电池单元无源地流出电流,或者在电池单元上耦合电阻器电路以通过该电池单元有源地导入电流。

具体实施方式

总线160的类型和操作可以根据具体实施方式而变化。在一些实施例中,总线160是汽车总线,例如具有大约500kb/s数据速率的CAN(控制器区域网)总线。例如,对于具有100个单元的电池组来说,滤波器124和135(作为4Hz滤波器)的输出产生14kb/s(100单元时间,每单元时间每秒10次采样,每次采样14比特)。当低通滤波器123和134实施为每个滤波器具有70kb/s数据率的2kHz滤波器时,可以在给定时间内通过总线160传输多达7个单元的阻抗特性的高带宽数据。控制数据和其它数据也会消耗一些总线带宽,因此,实际上可同时观察到的单元的最大数量是有限的。在这些实施方式中,存储器电路140配置为存储10ms的数据(假定1Hz的轮询速率)或每单元7kb的数据。根据测量频率和期望的测量精度,组控制器170在一定量的时间内从期望的单元读取数据。

估计或确定SoH和/或SoC的一种方式包括使用电池单元的阻抗,其中电池单元的阻抗(以及它随时间变化的方式)可用于精确地确定这些特性。虽然SoC通常不直接由阻抗得出,但是知道SoH有助于提高对SoC的估计,特别是当电池单元老化并且已经经历多次的充电/放电循环的情况下。了解SoH和/或SoC还可以应用期望/最佳的充电和放电策略,这可以增强电池组的使用寿命、循环寿命以及储能容量。

在块250中,基于传输高带宽分量的可用带宽选择要向其提供高带宽分量的电池单元的子集。在块260中,将多个电池单元的低频分量以及所选择的各个电池单元的子集的高带宽分量提供给电池组控制器。如果在块265中完成评估,则流程结束。如果在块265中未完成评估,则在块270中基于传输高带宽分量的可用带宽选择下一个单元子集,并且流程在块260中再次继续。

在一些实施例中,省略了低通滤波器123和134中的一个或两个,并且ADC122和133的输出分别直接连接到低通滤波器124和135,以及连接到存储器电路140。