专利名称：电池阻抗检测系统、设备及方法
电池阻抗检测系统、设备及方法
背景技术：
在许多可再充电电池应用中，例如用于混合/电动车辆的电池系统中，将大量串联连接的电池用来产生高电压，所述高电压可以用于驱动诸如汽车发动机之类的部件。在这种系统中，了解串联电池(例如电池组)的SoH(健康状态)和SoC(充电状态)是很重要的。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。因此，在多种电池监测和控制应用中，以精确和可靠的方式确定电池单元的状况是有利的。例如，这种信息有利于对电池单元的充电进行控制，并有利于对电池的总充电水 平提供指示。但是，许多电池单元状况检测方法可能需要大量数据的通信和处理，这对于多种系统的实施具有挑战性。例如，许多电池应用中的可用带宽(例如在汽车系统中实现的可用带宽)可能受到相对限制。这些及其它的问题对电池单元特性的监测不断提出了挑战。

发明内容
本发明的多个示例实施例涉及到监测储能器件的特性，例如在电动车中使用的电池组。根据多个示例实施例，对电池单元的操作特性进行检测，并根据可用通信带宽对有关检测到的特性的数据进行存储和通信。在具体方面中，将多个电池单元的阻抗数据的低频分量与包括低频分量和高频分量的高带宽分量分离开。低频分量通过通信介质(例如数据总线)与高带宽分量的子集通信。可以基于通信介质中的可用带宽选择该子集。在这种情况下，多数或全部的低频分量可以与根据可用带宽(以及例如轮询周期或其它评估标准)通信的高带宽分量的较小子集进行通信。多个实施例涉及到根据电池组电池阻抗数据通信的系统、装置、设备装置和方法。上述讨论/概述并非意欲描述本发明的各个实施例或每种实施方式。下面的附图和详细描述也用于示例性说明多个实施例。


考虑到结合附图的以下详细描述，可以更完整地理解各种示例实施例，其中图I示出了根据本发明实施例的测量电池组的电池单元特性的系统；和图2示出了根据本发明一个或多个实施例的测量电池组的电池单元特性的流程图。
具体实施例方式尽管本发明可以有多种修改和可选形式，可以通过附图中的示例显示其细节并进行详细描述。但是，应该理解，这些描述的目的不是将本发明限制于所描述的具体实施例。相反，这些描述的目的是覆盖落入本发明范围(包括所述权利要求中限定各方面)内的所有的修改、等价物以及替换。此外，本申请中各处使用的术语“例如”仅用于示例性说明，而不构成限制。本发明的方面适用于多种不同类型的包含电池和/或电池控制在内以及包含汽车应用在内的装置、系统和设备。虽然本发明不必须限制于本说明书，可以利用本文通过多个示例的讨论来认识本发明的多个方面。在一个或多个实施例中，对具有多个电池单元的电池组中的电池单元检测阻抗特性。电流分别注入到单元(例如使用在单独的单元两端耦合的电路)，分别对单独单元上流 经的电流和电压进行检测以用于提供阻抗特性。对检测的阻抗特性进行滤波以产生包括电池单元的特性的低频分量和高带宽分量的数据。高带宽分量包括相对于低频分量具有更高频率的分量，还可以包括低频分量。所有电池单元的低频分量都提供有用于通过总线传输(例如分别对SoC和SoH的确定)的高带宽分量的子集。利用这种方法，可以将属于检测的阻抗特性的高带宽数据的通信限制到对其估计SoH的单元，这减少了总线上的数据通信量和/或裁减了总线上可用带宽的通信。此外，可以对低频分量进行滤波以便为可用带宽上所有电池单元提供用于SoC估计的足够数据，同时可以对高频分量的通信进行带宽抑制。可以对高带宽分量的滤波和选择性提供进行确定、设置或使用多种方法进行其它实施，在下面的讨论中结合多种实施例描述了这些实施方式的示例。对于有关基于阻抗确定电池特性的通信信息，以及有关根据一个或多个示例性实施例实施的方法的特定信息，可以参考美国专利公开2005/218915A1，以及参考F. Huet，“A review of impedance measurements for determination of State-of-Chargeand State-of-Health of secondary batteries，，，J. Power Sources，Vol. 70, No. 1，59-69 (January 1998),以及参考.L. Jespersen et al.，“Capacity measurement ofLi-Ion batteries using AC impedance spectroscopy”， World Electric VehicleJournal Vol. 3，所有这些文献都通过引用合并于此。根据更具体的示例性实施例，能量存储单元设备提供了用于评估各个电池单元的阻抗数据。所述设备包括电流注入电路，分别将电流注入到多个电池单元的各个中，以及阻抗检测电路，其耦合为响应于其中的注入电流检测多个电池单元每个的阻抗特性。滤波器电路耦合到阻抗检测电路以接收有关检测的阻抗特性的阻抗数据，并分离出阻抗数据的低频分量。存储器电路存储与高带宽分量对应的数据。访问电路对电池组控制器提供多个电池单元的低频分量，并向电池组控制器提供各个电池单元子集的高带宽分量。如上所述，可以多种方式执行高带宽分量的选择性提供，并可以在电池组控制器、存储器、阻抗检测电路或其它地方进行控制。在多个示例性实施例中，阻抗检测电路检测多个周期上多个电池单元每个的阻抗特性，低频分量在多数和/或所有周期上进行通信，同时对每个周期减少高带宽分量的集合或子集。在一个实施方式中，存储器电路存储针对非所有的多个周期的高带宽分量，针对所述非所有的多个周期存储低频分量。访问电路传递(pass)该减少的高带宽分量集合，同时对所有周期传递多数或所有的低频分量。在其它实施方式中，访问电路如上所述将所有周期的低频分量与各个电池单元的子集的高带宽分量进行通信。在另一实施方式中，访问电路访问存储器电路以向电池组控制器提供各个电池单元不同子集的高带宽分量，并针对多个周期的不同周期分别与低频分量进行通信。可以迭代执行这些方法以在几个序列周期过程中传递所有周期的高带宽数据，或者仅仅通过对需要获取SoH的单元的高带宽数据进行通信(例如基于检测的单元特性)。在其它实施例中，可以基于轮询方案提供高带宽分量，例如固定轮询方案或可以随时间动态变化(例如响应于检测到的单元特性)的动态轮询方案。在一个实施方式中，访问电路访问存储器电路以对电池组控制器提供各个电池单元子集的高带宽分量。高带宽分量是基于轮询方案对低频分量的不同子集及不同集合提供的，所述轮询方案对要向其提供高带宽分量的各个电池单元的子集进行标识。在另一实施方式中，存储器电路通过对非所有的多个周期存储高带宽分量来存储高带宽分量，从而基于轮询方案对电池组控制器提供高带宽分量。相应地，进行通信的高带宽分量表示出相对于每个周期的通信减少的数量。
在另一示例性实施例中，电流注入电路利用正弦电流将电流注入到各个电池单元中。注入电流的相位信息(例如时间戳)也馈送到存储器中。该相位信息设置有检测的阻抗特性，用于电池组控制器确定施加电流的特性。在某些实施方式中，电池组控制器发送命令给电流注入电路以设置注入电流的频率和幅度，并在处理数据过程中使用时间戳数据和已知的频率和幅度(例如，仅仅时间戳的通信就足以提供足够的数据)。在一些实施例中，基于总线的可用带宽以及计算出的通信带宽要求，通过如上所述的总线传输高带宽数据。在一个实施例中，访问电路确定通信总线上的可用带宽，以及如上所述确定传输检测到的电池单元的低频分量所需要的带宽量。基于这些计算结果以及其它总线特性(例如传输控制数据的保留带宽)可以计算在传输高带宽分量(例如对每个单元提供的完全尼奎斯特带宽)中使用的可用带宽数量。从而，根据计算的可用带宽传输高带宽分量的子集(例如属于电池单元的子集)。可以间歇或周期地实现电流的分别注入(separate injection),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。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)。在多个实施方式中，可以使用平衡电路驱动在电池组的各个单元中流经的电流，同时将电压/电流保持为低值以便于将电池建模为线性系统。可以通过与电池串联连接的电阻器将电流转换为电压。带通滤波器可用于在信号到达幅度和相位计之前去除不需要的信号(例如噪声和失真)，这些信号可以测量电池电压和转换电阻器上的电压。在许多实施方式中，所有的测量计和带通滤波器都是匹配的(例如相同)，以确保匹配这些电路中的增益和时间延迟。然后，可以根据测得电压的幅度和相位确定电池阻抗(Z)的实部和虚部，如下所述。
权利要求
1.一种能量存储单元设备，包括 电流注入电路，配置为将电流分别注入到配置为存储能量的多个电池单元的单独电池单元中； 阻抗检测电路，耦合为响应于其中注入的电流检测所述多个电池单元的每一个的阻抗特性； 滤波器电路，耦合到所述阻抗检测电路并配置为 从阻抗检测电路接收与检测的阻抗特性有关的高带宽阻抗数据， 以及 将阻抗数据的低频分量与阻抗数据的高频分量分离； 存储器电路，配置为存储与高带宽分量对应的数据；以及 访问电路，配置为向电池组控制器提供针对多个电池单元的低频分量，基于传输高带宽分量的可用带宽来访问并向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的已存储高带宽分量。
2.根据权利要求I所述的设备，其中 所述阻抗检测电路配置为通过检测针对多个周期的阻抗特性来检测所述多个电池单元每一个的阻抗特性，以及 访问电路配置为 通过提供针对多个周期的每一个的低频分量来向电池组控制器提供针对多个电池单元的低频分量，以及 访问存储器电路，通过与针对多个周期之一的低频分量一起传输针对单独的电池单元的子集的高带宽分量，以便向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量。
3.根据权利要求I所述的设备，其中 所述阻抗检测电路配置为通过检测多个周期的每一个的阻抗特性来检测多个电池单元的每一个的阻抗特性，以及 所述访问电路配置为 通过提供针对多个周期的每一个的低频分量来向电池组控制器提供针对多个电池单元的低频分量，以及 访问存储器电路，通过分别与针对多个周期中不同周期的低频分量一起向电池组控制器提供针对单独的电池单元的不同子集的高带宽分量，以便向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量。
4.根据权利要求I所述的设备，其中 所述阻抗检测电路配置为通过检测针对多个周期的阻抗特性来检测多个电池单元的每一个的阻抗特性； 存储器电路配置为通过针对非所有的多个周期存储阻抗特性的高带宽分量来存储高带宽分量；以及 访问电路配置为针对所有的多个周期向电池组控制器提供针对多个电池单元的低频分量，以及访问存储器电路，以针对所述非所有的多个周期向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量。
5.根据权利要求I所述的设备，其中访问电路配置为访问存储器电路，通过基于轮询方案与针对低频分量的不同集合一起提供针对不同子集的高带宽分量，以便向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量，所述轮询方案对要提供其高带宽分量的单独的电池单元的子集进行识别。
6.根据权利要求I所述的设备，其中 所述阻抗检测电路配置为通过检测针对多个周期的阻抗特性来检测多个电池单元的每一个的阻抗特性，以及 存储器电路配置为通过基于轮询方案针对非所有的多个周期存储高带宽分量来存储高带宽分量，所述轮询方案用于向电池组控制器提供高带宽分量。
7.根据权利要求I所述的设备，其中 所述阻抗检测电路配置为通过检测针对多个周期的阻抗特性来检测多个电池单元的每一个的阻抗特性，以及 存储器电路配置为通过针对多个周期的每个周期将与针对多个电池单元的至少一些的高带宽分量相对应的数据用针对所述多个电池单元的所述至少一些的高带宽分量相对应的当前数据来代替，以便存储与所述高带宽分量相对应的数据。
8.根据权利要求I所述的设备，其中访问电路配置为基于轮询方案向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量，所述轮询方案对在不同通信周期期间要提供其高带宽分量的单独的电池单元的子集进行识别。
9.根据权利要求I所述的设备，其中访问电路配置为访问存储器电路，以响应于从电池组控制器接收的命令向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量。
10.根据权利要求I所述的设备，其中访问电路包括与电池组控制器集成的电路，并且所述电路配置为经由通信总线访问存储器电路以访问并向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量。
11.根据权利要求I所述的设备，其中访问电路包括与电池组控制器集成的电路，并且所述电路配置为 通过通信总线接收低频分量以便向电池组控制器提供针对多个电池单元的低频分量，以及 经由通信总线访问存储器电路以访问并向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量。
12.根据权利要求I所述的设备，其中访问电路与阻抗检测电路、滤波器电路和存储器电路集成，并配置为通过通信总线向电池组控制器传输低频分量以便向电池组控制器提供针对多个电池单元的低频分量，以及 访问存储器电路，通过向电池组控制器传输所述高带宽分量以便向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量。
13.根据权利要求I所述的设备，其中访问电路配置为访问存储器电路以通过下述方式向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽分量 确定通信总线上的可用带宽； 确定传输低频分量要求的带宽数量；以及 基于确定的可用带宽和确定的传输低频分量所要求的带宽数量，确定要在总线上传输的高带宽分量的数量。
14.根据权利要求I所述的设备，其中电流注入电路配置为通过将单元平衡电路分别耦合到多个电池单元的每个两端以在其中注入电流，从而将电流分别注入到多个电池单元的单独电池单元中。
15.根据权利要求I所述的设备，其中 电流注入电路配置为利用响应于从电池组控制器接收的控制输入而设置的频率和幅度，通过将单元平衡电路分别耦合到多个电池单元的每一个两端以在其中注入电流，从而将正弦电流分别注入到多个电池单元的单独电池单元中， 存储器电路配置为存储对注入的正弦电流的相位加以表示的相位数据，以及访问电路配置为访问存储器电路以向电池组控制器提供针对注入电流的相位数据，经由该相位数据获取提供给电池组控制器的高带宽分量。
16.一种监视具有多个串联连接的电池单元的电池组的系统，该系统包括 电流注入电路，配置为分别将电流注入到多个电池单元的单独电池单元中； 单元电压检测电路，配置为响应于注入电流针对每个电池单元提供包括对电池单元的单元电压加以表示的低频和高频分量的阻抗数据； 组电流检测电路，配置为提供阻抗数据，所述阻抗数据包括对与电池单元串联连接的电阻器电路上的电压加以表示的低频和高频分量，并从而提供流经电池单元的电流的指示； 存储器电路，配置为存储与包括低频和高频分量的高带宽数据相对应的数据； 通信总线；以及 电池组控制器，配置为经由通信总线 从单元电压检测电路和组电流检测电路的每个接收所提供的针对多个电池单元的低频分量，以及 访问存储器电路，以便基于传输高带宽数据的可用带宽来检索所存储的针对单独的电池单元的子集的高带宽数据。
17.根据权利要求16所述的系统，其中电池组控制器配置为 选择电池单元之一，基于经由电池组控制器接收的低频分量而检测的电池单元的阻抗特性来评估高频阻抗分量；以及 访问存储器电路，以便通过对所选择的电池单元检索存储的高带宽数据，来检索存储的针对单独的电池单元的子集的高带宽数据。
18.根据权利要求16所述的系统，其中 存储器电路配置为存储对与检测的高频分量相对应的注入电流的相位加以表示的相位数据，以及 所述电池组控制器配置为 控制电流注入电路按照规定的频率和幅度将正弦电流注入到多个电池单元的单独电池单元中， 访问存储器电路以检索所存储的针对注入正弦电流的相位数据，经由所述相位数据获取提供给电池组控制器的高频分量，以及 利用所检索的相位数据和注入正弦电流的规定频率和幅度确定电池单元的条件。
19.一种监视具有多个串联连接的电池单元的电池组的方法，该方法包括在电池组电路中 将电流分别注入到多个电池单元的单独电池单元中； 响应于注入到电池单元的电流，针对每个电池单元提供对电池单元的单元电压加以表不的输出； 提供对流经每个电池单元的电流加以表示的输出； 将阻抗数据的低频分量与阻抗数据的高频分量分离； 存储与低频分量和高频分量相对应的高带宽数据； 向电池组控制器提供针对多个电池单元的低频分量；以及 基于用于传输高带宽数据的可用带宽向电池组控制器提供针对单独的电池单元的子集的高带宽数据。
20.根据权利要求19所述的方法，其中 提供低频分量包括提供针对多个传输周期的每个的低频分量，以及提供高带宽数据包括分别与针对多个传输周期的不同周期的低频分量一起向电池组控制器提供针对单独的电池单元不同子集的高频分量。
全文摘要
本发明的多个方面涉及监视电池单元。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。
文档编号G01R31/36GK102809691SQ20121017699
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月31日 优先权日2011年6月1日
发明者约翰尼斯·范拉莫林 申请人:Nxp股份有限公司