电池单体监控系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年10月16日提交的美国临时申请序列号62/572,654和2018年10月15日提交的美国实用新型申请序列号16/159,958的权益。这些申请的全部公开内容通过引用整体并入本文。

本发明大体上涉及一种用于具有多个电池单体的电池的电池单体监控系统。本发明还涉及一种操作电池单体监控系统的方法。

背景技术：

这部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

电池通常用于从便携式电子设备到电动和混合动力车辆的大量不同的应用中。例如，车辆电池包括多个电池单体，并且可以包括电池监控系统。典型的电池监控系统监控总体电池温度、电压和电流，并且有时将监控“模块”水平上的这些参数。模块是以可以针对模块单独测量参数的方式被连接的电池中的多个电池单体的子集。

然而，在电池水平或模块水平上的监控没有给出对电池中每个单个单体的性能的最佳了解。当模块或电池中的电池单体的数量较大时，尤其如此。当大量单体的参数组合在一起进行批量测量时，单个单体的微小变化是很难辨别的。因此，仍然需要一种改进的电池单体监控系统。

技术实现要素：

该部分提供了本公开的一般概述，并且不是其全部范围或其所有特征和优点的全面公开。

本发明的一个目的是提供一种解决和克服上述缺点的电池单体监控系统。

因此，本公开的一个方面是提供一种用于具有多个电池单体的电池的电池单体监控系统。电池单体监控系统包括感测线和多个单体感测单元，每个单体感测单元包括电连接到多个电池单体中的一个电池单体和感测线的储能电路。每个储能电路具有取决于多个电池单体中的一个的所关心的单体参数的中心频率。电池单体监控系统还包括单体感测读取器单元，其通过感测线电耦合到多个单体感测单元，并且被配置为确定多个单体感测单元中的每一个的储能电路的中心频率，并且因此确定多个电池单体中的每一个的所关心的单体参数。所述多个单体感测单元中的每一个的储能电路包括变容二极管和至少一个电感器，所述变容二极管与所述多个电池单体中的所述一个电池单体电连接，用于根据所述多个电池单体中的所述一个电池单体的所述所关心的单体参数来提供可变变容二极管电容，所述至少一个电感器与所述多个电池单体中的所述一个电池单体串联连接在所述多个电池单体中的所述一个电池单体和所述变容二极管之间。

根据本公开的另一方面，还提供了一种用于电池的电池单体的电池单体监控系统的单体感测单元。所述单体感测单元包括储能电路，该储能电路具有中心频率，并且包括正极电池节点和负极电池节点，所述正极电池节点用于耦合到所述多个电池单体中的一个电池单体的正极端子，所述负极电池节点用于耦合到所述多个电池单体中的所述一个电池单体的负极端子。该储能电路还包括用于耦合到感测线的正极感测节点和具有第一电感的第一电感器，所述第一电感器电连接在所述正极电池端子和所述正极感测节点之间，于阻断交流电和射频信号。此外，储能电路还包括用于耦合到模拟接地的负极感测节点。储能电路还包括变容二极管，所述变容二极管电连接所述负极感测节点和所述正极感测节点，并且与所述电池单体并联，用于根据所述多个电池单体中的所述一个电池单体的单体电压来提供可变变容二极管电容。

根据本公开的又一方面，还提供了一种操作电池单体监控系统的方法。该方法开始于步骤：改变电连接到所述多个电池单体中的一个电池单体的多个单体感测单元中的每一个单体感测单元的储能电路的变容二极管的可变变容二极管电容，所述可变变容二极管电容取决于所述多个电池单体中的所述一个电池单体的所关心的单体参数。该方法继续步骤：响应于改变所述可变变容二极管电容，改变包括至少一个电感器的所述储能电路的中心频率，所述至少一个电感器与所述多个电池单体中的所述一个电池单体串联连接在所述变容二极管和所述多个电池单体中的所述一个电池单体之间。接下来，该方法包括以下步骤：使用通过感测线电耦合到所述多个单体感测单元的单体感测读取器单元来确定所述多个单体感测单元中的每一个单体感测单元的所述储能电路的所述中心频率。该方法结束于步骤：使用所述单体感测读取器单元，基于确定的所述多个单体感测单元中的每一个单体感测单元的所述储能电路的所述中心频率来确定所述多个电池单体中的每一个电池单体的所述所关心的单体参数。

进一步的应用领域将从本文提供的描述中变得显而易见。发明内容中的描述和具体示例仅出于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

在此描述的附图仅用于说明所选择的实施例，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。

图1示出了根据本公开的方面的电池监控系统；

图2示出了根据本公开的方面的图1的电池单体监控系统的单体感测单元；和

图3和4示出了操作根据本公开的方面的图1和图2的电池单体监控系统的方法。

具体实施方式

在以下描述中，阐述细节以提供对本发明的理解。在一些情况下，为了不使本公开模糊，没有详细描述或示出某些电路，结构和技术。

总的来说，本发明涉及一种非常适合在许多应用中使用的类型的电池单体监控系统。将结合一个以上的示例实施例来描述本发明的电池单体监控系统及相关联的操作方法。然而，所公开的具体示例实施例仅被提供用于以足够清楚的方式描述本发明的概念，特征，优点和目的，以允许本领域技术人员理解和实践本公开。具体地，提供示例实施例以便本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员完全地传达范围。阐述了许多特定细节，例如特定元件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式来实现，并且不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，不详细描述公知的处理、公知的设备结构和公知的技术。

参考附图，其中在几个视图中相同的数字表示相应的部件，用于具有多个电池单体24的电池22的电池单体监控系统20在图1和图2中示出。电池单体监控系统20包括射频(rf)感测线或感测线26。

多个单体感测单元28中的每一个都包括储能电路30，该储能电路30具有中心频率并且电连接到感测线26。如图2最佳所示，储能电路30包括用于耦合到多个电池单体24中的一个的正极端子的正极电池节点32和用于耦合到多个电池单体24中的一个的负极端子的负极电池节点34。储能电路30还包括正极感测节点36和具有第一电感的第一电感器38，第一电感器38电连接在电池22的正极端子和正极感测节点36之间，用于阻断交流和射频信号。储能电路30还包括负极感测节点40和具有第二电感的第二电感器42，第二电感器42电连接在电池22的负极端子和负极感测节点40之间，用于阻断交流和射频信号。

储能电路30还包括电连接负极感测节点40和正极感测节点36的变容二极管44或电压可变电容器。更详细地，变容二极管44具有电连接到负极感测节点40的变容二极管阳极46和电连接到正极感测节点36的变容二极管阴极48。因此，变容二极管44与电池单体24并联布置，用于根据例如多个电池单体24中的一个的单体电压来提供可变变容二极管电容(例如，根据单体电压而变化)。变容二极管44的其它布置也是可能的。储能电路30还包括与变容二极管44并联电连接在变容二极管阳极46和变容二极管阴极48之间的并联电容器50。因此，储能电路30具有取决于所关心的单体参数(例如，多个单体感测单元28中的每一个所连接的电池单体24的单体电压)的谐振或中心频率。

在所公开的配置中，储能电路30的谐振频率是固定电感器(l)和电容器(c)元件(例如，第一电感器38和第二电感器42以及并联电容器50)以及变容二极管44的可变变容二极管电容的函数。随着每个电池单体24的单体电压改变，储能电路30的谐振频率由于变容二极管44的可变变容二极管电容的改变而改变。通过改变电感器38,42,52和/或电容器50,54,56的值，将在多单体电池系统(例如，电池22)中使用的多个单体感测单元28中的每一个调谐到不同的或唯一的标称中心频率。

多个单体感测单元28中的每一个还包括具有第一阻断电容的第一阻断电容器54，第一阻断电容器54电连接在正极感测节点36和感测线26之间，用于阻断来自电池22的直流电。各自具有内联电感的一对内联电感器52也彼此并联连接，并且电连接到负极感测节点40。此外，多个单体感测单元28各自包括具有第二阻断电容的第二阻断电容器56，该第二阻断电容器56电连接在一对内联电感器52和模拟接地58之间，用于阻断来自电池22的直流电。

虽然如上所述实现了多个单体感测单元28，但是可以以多种方式实现每个单体感测单元28。例如，分立元件(例如，电感器38,42,52和电容器50,54,56)可以设置在刚性或柔性电路板上。单体感测单元28因此可以包括来自分立元件的电感和电容值，电路板或单体“寄生”电感和电容，或两者的组合。或者，电感器38,42,52和电容器50,54,56可以集成在例如单个芯片上。单体感测单元28可以替代地或附加地包括具有有源元件的分立或集成电路，以创建响应于单体参数或者具有有源元件的分立或集成电路的边缘振荡器，从而缓冲读线射频进入或离开单体感测单元28。电池单体24中的现有结构也可用作谐振电路(即，储能电路30)的一部分。另外，可以通过使用rlc电路并且响应于单体参数独立地改变r,l和c来同时进行感测多个单体参数。

如图1最佳所示，单体感测读取器单元60电耦合到感测线26，并且包括可变频率射频发生器62，用于将具有可变的信号频率的射频信号输出到多个单体感测单元28(例如，通过感测线26)。因此，所公开的电池单体监控系统20利用有界介质(即，布线)来在单体感测读取器单元60和多个单体感测单元28之间创建射频连接。应当理解，虽然电池单体监控系统20可以使用有界介质，但是它也可以利用无界介质(即，无线)。因此，单体感测读取器单元60和单体感测单元28之间的通信可以利用有界的或无界的介质。

单体感测读取器单元60还被配置为当信号频率变化时测量感测线26的阻抗，并确定多个单体感测单元28中的每一个的中心频率。因此，单体感测读取器单元60包括馈送到感测线26的可变频率射频发生器62，以及用于读取感测线26的阻抗的阻抗测量单元64。在操作中，单体感测读取器单元60扫描可变频率射频发生器62的频率，并且在扫描操作期间测量感测线26的阻抗。当连接到感测线26的不同单体感测单元28对射频扫描信号作出响应(例如，谐振)时，阻抗随频率而变化。在射频扫描期间所得到的阻抗测量结果指示连接到感测线26的每个单体感测单元28的中心频率。换句话说，多个单体参数换能器(即，单体感测单元28)由单个模数转换器(即，单体感测读取器单元60)读取。这形成了具有多个换能器和少数转换器的整个电池单体监控系统20。

此外，单体感测读取器单元60被配置为基于所确定的中心频率来确定分别电连接到多个单体感测单元28之一的多个电池单体24中的每一个的单体电压。具体地，通过分析每个单体感测单元28的中心频率，由于由单体电压驱动的变容二极管44的可变变容二极管电容引起的中心频率的偏移，可以确定电池22中的每个电池单体24的单体电压。该分析的结果可以被数字地传送以供电池监控和控制算法使用。

单体感测读取器单元60可以以多种方式实现。例如，在一个实例中，单体感测读取器单元60可以使用具有模拟输入和输出的微控制器来实现，模拟输入和输出用于生成射频信号并读取感测线26的阻抗。另外，单体感测读取器单元60可以使用扫描正弦波来识别例如每个单体感测单元28的中心频率。或者，单体感测读取器单元60可以使用伪随机噪声信号和频率分析方法来识别感测线26的阻抗的总频率响应，或者使用脉冲信号和脉冲响应分析来识别感测线26的总频率响应。单体感测读取器单元60还可以通过使用复阻抗测量来感测多个单体参数，以识别每个单体感测单元28中的r,l和c值。

此外，可以通过使用所连接的对电流或温度敏感的电路元件来测量其它单体参数(例如单体电流或单体温度)，以形成具有变化的谐振频率的储能电路30。例如，可以通过使用连接的霍尔效应传感器来感测单体电流，以产生响应于与单体电流相关的磁场的变化的电压。霍尔电压又可以改变储能电路30中的变容二极管44的电容。

电池单体监控系统20还可以通过使用数字电路(未示出)读取单体电压来实现，该数字电路由来自单体感测读取器单元60的数字代码激活。该数字电路通过测量和发送所关心的单体参数来响应该激活。数字电路可以包含模数转换器以确定用于传输的单体电压，或者可以包含测量和传输单体电压的模拟装置。这可以是在接收到数字代码时接通的压控振荡器。

如图3和4中最佳所示，还提供了一种操作电池单体监控系统20的方法。该方法包括步骤100，使用单体感测读取器单元60的可变频率射频发生器62，通过感测线26向多个单体感测单元28输出具有可变的信号频率的射频信号。该方法进行到102，用可变频率射频发生器62改变射频信号的信号频率。

该方法继续步骤104，基于多个电池单体24中的每一个的所关心的单体参数(例如，单体电压)来改变电连接到多个电池单体24中的一个的多个单体感测单元28中的每一个的储能电路30的变容二极管44的可变变容二极管电容。该方法的下一个步骤是106，响应于改变可变变容二极管电容而改变每个储能电路30的中心频率，该储能电路30包括至少一个电感器38,42，该电感器38,42在变容二极管44和多个电池单体24中的一个电池单体之间串联连接多个电池单体24中的一个电池单体。

该方法继续到步骤108，随着信号频率变化，使用单体读取器单元60测量耦合到多个单体感测单元28的感测线26的阻抗。具体地，该方法还可以包括通过使用单体感测读取器单元60识别所述多个单体感测单元28中的每一个的电阻和电感以及电容中的至少一个来测量复阻抗，以感测多个电池单体24中的一个的多个所关心的单体参数的步骤。然后，在110，使用通过感测线26电耦合到多个单体感测单元28的单体感测读取器单元60来确定多个单体感测单元28中的每一个的储能电路30的中心频率。

该方法结束于步骤112，基于确定的多个单体感测单元28中的每一个的储能电路30的中心频率，使用单体感测读取器单元60来确定多个电池单体24中的每一个的所关心的参数(例如，单体电压)。

显然，可以对这里描述和说明的内容进行改变，而不脱离所附权利要求限定的范围。出于说明和描述的目的，已经提供了对实施例的上述描述。其并非旨在穷举或限制本公开。特定实施例的各个元件或特征通常不限于该特定实施例，但是，在适用的情况下，即使没有具体示出或描述，也可以互换并用于所选实施例中。其也可以以多种方式变化。这样的变化不应被认为偏离本公开，并且所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。本领域技术人员将认识到，与示例电池监控系统相关联地揭示的概念同样可实施于许多其它系统中，以控制一个以上的操作和/或功能。

提供示例实施例以使本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员完全传达范围。阐述了许多具体细节，例如特定元件，装置和方法的实例，以提供对本发明实施例的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用特定的细节，示例性实施例可以以许多不同的形式来实现，并且不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，不详细描述公知的处理，公知的装置结构和公知的技术。

这里使用的术语仅仅是为了描述特定的示例性实施例，而不是为了限制。如本文所用，单数形式“一个”、“一”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定所述特征、整体、步骤、操作、组件和/或元件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、组件、元件和/或组的存在或添加。除非特别标识为性能顺序，否则本文所述的方法步骤，处理和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或说明的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替代的步骤。

当元件或层被称为“在另一个元件或层上”，“接合”，“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上，接合、连接或耦合到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”，“直接接合”，“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元件或层时，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以类似的方式来解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

尽管术语第一，第二，第三等在本文中可用于描述各种元件，组件，区域，层和/或部分，但这些元件，组件，区域，层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语可以仅用于将一个元件，组件，区域，层或部分与另一个区域，层或部分区分开。当在本文中使用时，术语如“第一”,“第二”和其它数字术语并不意味着序列或次序，除非上下文清楚地指出。因此，下面讨论的第一元件，组件，区域，层或部分可以被称为第二元件，组件，区域，层或部分，而不背离示例实施例的教导。