管理多单元电池的方法及系统与流程

相关申请

本申请与2017年11月15日提交的、申请号为62/586,884的美国临时专利申请相关，主张享有其权益以及优先权，并通过引用的方式合并与此。

本申请主要涉及用于平衡和保护多单元电池的电压传感器。

背景技术：

在对多个串联的电池单元充电时，期望保持电池单元之间的平衡电压，以确保安全有效的充电操作。在对多个串联的电池单元充电电池电压不相等的情况下，可能会超过给定电池上的最大电压，从而导致电池发生灾难性故障，或是触发保护电路来启动安全开关，以避免电池单元充电过度而导致电池组耗尽或是阻止电池组充满电。灾难性故障可能导致爆炸和火灾，这在许多情况下可能是灾难性且危及生命的。在由于不匹配而提前触发安全开关的情况下，电池组的容量就会显著降低，这既昂贵又麻烦。

通常在现有技术中，提供电荷平衡的方法通常是使用极其精准的模拟数字转换器(adc)来测量每一电池的电压，然后比较每一电池的测量结果，从而做出如何克服不平衡的决定。然而，当前的解决方案，无论是离散形式还是集成电路形式，都过于昂贵，且潜在的成本阻止了其在许多对成本敏感的应用，例如在便携式计算机电池组和其他应用中的使用。

现有技术中的另一种方法是设置一刚好低于最大电压的阈值，以使得在充电期间，通过该阈值的第一组电池将被开关绕过，从而使电压较低的电池获得上升的机会。这是强制平衡的尝试，但实际上这并不是一种非常有效的方法。例如，如果用户从未将电池充电到所述电平，则不会触发平衡动作。

电荷平衡的一种方法可以是任何电压过高的电池的无源放电，以匹配最低值电池的电压。这种无源放电可以是一种有效且低成本的解决方案。然而，可以采用其他复杂的方法来将电荷引导到较低电压的电池中，以试图使它们达到与较高电压的电池相同的电平，从而实现所有电池之间的相等电压。

在德州仪器公司(texasinstruments)、亚德诺半导体技术有限公司(analogdevices)以及凌特公司(lineartechnology，现在是亚德诺半导体技术有限公司的一部分)的集成电路解决方案的例子中人们可以看到分辨率在14到16位左右的adc的使用。这是高精度和高成本的，因为在硅面积上实施是庞大的，并且还需要在集成电路的制造过程中进行大量的测试和调整以确保其精度，这也是高成本的。adc测量中的任何不准确之处都可能导致在测量电池电压时出现错误，从而违背这种电路的目的。

在电荷平衡之前，有两种方法来使用adc测量多单元电池的每个电池两端的电压。一种方法是使用公共adc，但以时间间隔切换输入，以使用相同的adc测量每一电池。

图1示出了这种系统10的示例，其中多路复用配置用于利用相同的adc来测量每一电池。s1和s2同时移动以在任何给定时间将adc的输入连接到单个电池单元(b1，b2，b3，b4，b5或b6)的电池单元端子，从而使得adc的输入在任何情况下都是b1，b2，b3，b4，b5或b6的电池单元端子。这有利于电池的adc的简化和再使用，但具有模拟开关s1和s2实现的复杂性，以及使浮动adc并保持相对精度的复杂性。事实上，只有一个时间复用的adc来测量多个电池单元电压还导致了缺乏对负载注入噪声的抗扰性，因为对所有电池的测量不是同时进行的，因此不会以同样的方式对所有读数产生噪声影响。

图2示出了系统20，其中，以模拟电平转换器代替浮动adc，所述模拟电平位移器用于将每个电池单元电压转换为固定点，例如接地参考电压，然后使用s1和s2进行多路复用以连接至adc终端。该系统20的问题是这种模拟电平转换器的复杂性和不准确性。

在电荷平衡之前，使用adc测量多单元电池中每个电池单元两端的电压的另一种方法是使用多个adc，以便每个电池单元都由专用adc来进行测量。图3中示出了此类系统30的示例。每一adc后面都有一个数字电平位移器，以将adc转换结果带到一个单点，在该点，数字电路可以处理来自所有电池的所有数据和读数。该系统30具有多个adc、复杂性以及成本的缺点。

这些方法中的每一种都有优点和缺点。在使用多个高分辨率adc的情况下，人们可以看到成本是如何上涨的，因为此类高分辨率adc的成本并不低，因此拥有多个的实例将增加大量成本。这种方法还有另一个缺点，即adc之间的任何变化都会直接导致非理想平衡。这种系统的优点是可以同时完成多个电池的数据转换，这将减少普遍存在的由可变性和非恒定负载引起的噪声干扰的可能性。

使用单个adc多路复用以测量多个电池的方法，除了重滤波和求平均值之外，无法保证在整个测量过程中不受负载变化的影响，这可能会产生其本身的不利影响。该系统的其他缺陷可能与以下事实有关：使用非理想开关在串联的电池之间切换adc。提供此类切换的电路可能是不准确性的根源，因为它们必须具有相同的输入/输出比，从相对于地面的第一个电池到远离地面的最高电池。此类模拟电压的电平转换可能是不准确，并且容易出错的，这是经验丰富的模拟ic设计人员都知道，并且能很好地理解的。该系统的优势在于降低了成本，因为只有一个高分辨率adc的实例，并且由于只有一个adc，因此消除了adc之间的差异问题。

上述情况取决于adc和相关电路的准确性，因此在封装、最终测试和调整后所增加的任何不准确性都会再次导致不够理想的测量，并可能降低收益。最终测试和调整后的这种不准确性可能是由于adc和支撑电路的封装偏移，热不平衡和非线性温度系数以及老化引起的。

希望克服本领域中的一个或多个这些和/或其他缺陷。

技术实现要素：

本文描述的示例性实施方式具有创新性特征，其中没有一个是不可或缺的，也没有哪一个对它们的理想属性负有唯一的责任。以下描述以及附图详细阐述了本发明的某些说明性实施方式，其表明了可以执行本发明的各种原理的几种示例性方式。然而，说明性示例并未穷尽本发明的许多可能的实施方式。在不限制权利要求的范围的情况下，现将总结一些有利特征。当结合附图考虑时，将在本发明的以下详细描述中阐述本发明的其他目的、优点和新颖特征，其中，这些描述旨在进行说明而非限制本发明。

一些实施方式涉及一种系统，其包括具有n个彼此电串联布置的电池单元的多单元电池；包括彼此串联电连接的n个同值电阻的电阻梯(resistorladder)，该电阻梯与多单元电池并联电连接；n个电压传感器；n个电阻电路，每个电阻电路跨接每个电阻的第一端和第二端，以测量相应电阻两端的电阻电压；n个电池单元电路，每一电池单元电路跨接每一电池单元的第一和第二端，以测量相应电池单元两端的电池单元电压；多个开关，其被配置为在第一状态或第二状态下操作，所述第一状态将每个电阻电路电耦接至相应的电压传感器的输入端，以及所述第二状态将每个电池单元电路电耦接至相应的电压传感器的输入端；电耦接到每个电压传感器的输出端的逻辑电路；电耦接到所述逻辑电路的存储电路，其中，当所述开关处于第一状态时，每一电压传感器将对应的电阻电压转换为具有与该电阻电压相对应的特性的电阻输出信号，以及，当所述开关处于第二状态时，每一电压传感器将对应的电池单元电压转换为具有与该电池单元电压相对应的特性的电池单元输出信号；其中，所述逻辑电路确定每一电池单元电压相对于理想平衡电压以及其它电池单元电压的关系。

其它实施方式涉及一种用于平衡多单元电池的方法，其包括：在第一状态下操作多个开关，以使来自多单元电池的电流流过包括多个相同电阻的电阻梯；提供每个相同电阻两端的电阻电压作为到相应电压传感器的输入；利用每一电压传感器将相应的电阻电压转换为电阻输出信号，该电阻输出信号具有与所述电阻电压相对应的特性；确定每一电压传感器的特性的偏移量；在第二状态下操作多个开关，以将来自多单元电池中的每一电池单元端口的相应输出信号引导至相应的电压传感器；提供每个电池单元两端的电池单元电压作为相应电压传感器的输入；利用每一电压传感器将相应的电池单元电压转换为电池单元输出信号，所述电池单元输出信号具有与所述电池单元电压相对应的特性；应用特性中的偏移量以确定每一电池单元的相对校正的电池单元电压。

此外，其它实施方式还涉及一种用于控制电气系统的方法，所述电气系统包括但不限于例如多单元电池系统，所述方法包括：在第一已知温度下获得电量传感器的第一组已知电输出；在不同于与所述第一已知温度的第二已知温度下获得所述电量传感器的第二组已知电输出；测量所述电池系统中至少一个位置处的工作温度；利用所测得的工作温度，使用先前在第一和第二已知温度下获得的已知电输出来计算对应于所测得的工作温度的一对参考电输出值；以及在所计算的一对参考电输出值之间进行插值，以根据所测得的工作温度和所述参考电输出值确定温度校正的电量。

附图说明

为了更全面地理解本发明的本质和优点，请结合附图并参考以下对优选实施方式的详细描述，其中：

图1根据现有技术示出了示例性系统的示意图，其中，多路复用配置用于使用相同的adc来测量每个电池单元；

图2根据现有技术示出了图1的系统，其具有模拟电平转换器以将每一电池单元电压转换为定点，例如，接地参考电压，然后利用s1和s2多路复用以连接到adc终端；

图3根据现有技术示出了示例性系统的示意图，其使用专门的adc来测量每一电池单元电压；

图4根据一种或多种实施方式，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每一电池两端的电压的系统40的示意图；

图5示出了图4的系统中的代表性信道的示意图，其中开关处于第一状态；

图6示出了图4的系统中的代表性信道的示意图，其中开关处于第二状态；

图7根据一种或多种实施方式，示出了的逻辑电路的框图；

图8根据一种或多种实施方式，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每一电池两端的电压的系统的示意图；

图9根据一种或多种实施方式，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每一电池两端的电压的系统的示意图；

图10根据其它实施方式，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每一电池两端的电压的系统的示意图；

图11根据一种或多种实施方式，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每一电池两端的电压的系统的示意图；

图12根据一种或多种实施方式，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每一电池两端的电压的系统的示意图；

图13示出了系统的框图，以说明本文所述的一个或多个实施例如何集成到单个集成电路中；

图14示出了系统的框图，该系统是图13所示系统的替代实施方式；

图15示出用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每个电池两端的电压的系统的替代实施方式的示意图；

图16a示出了级联形式的系统的实施方式的示意图，其中，与单个ic相比，具有有限个电池单元输入的(多个)ic可以被堆栈以管理和使用更多数量的电池单元；

图16b代表具有至少一个共享电池被管理或平衡的电池管理或平衡ic；

图17根据一种或多种实施方式，示出了用于平衡多单元电池中的电池单元的流程图；

图18根据一种或多种实施方式，示出了用于平衡多单元电池中的电池单元的流程图；

图19示出了传感器的特性输出与温度的关系曲线；

图20示出了与图19相对应的vco或adc输出与温度的关系曲线；

图21示出了在本发明的各方面中使用的示例性组件，包括电阻和mosfet组件；以及

图22示出了用于获得精确电压或电流输出信号的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图4根据一个或多个实施例，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每个电池两端的电压的系统40的示意图。所述系统40包括多单元电池400、电阻梯410、包括开关s1、s2、s2a、s3、s3a和s4的多个开关420，包括vco1-vco4的多个压控振荡器(vco)430、多个数字电平位移器440和逻辑电路450。

所述多单元电池400包括多个电池单元b1-b4。多个电池单元b1-b4彼此电串联设置。电池单元b1-b4可以是相同的，但随着时间的流逝，设计或制造商的差异或缺陷会导致电池以各种方式彼此偏离，因此需要平衡电池。电阻梯410包括彼此电串联设置的多个电阻r1-r4。电阻r1-r4彼此相同或基本相同(通常情况下，相同)。通常，存在n个电池单元b1-bn和n个电阻r1-rn。尽管将电池单元b1-b4和电阻r1-r4分别描述为彼此相同或基本相同，但应理解的是，由于制造、杂质、缺陷、材料来源和/或其他原因，电池单元和/或电阻之间可能存在一些变化。

多单元电池400与电阻梯410电并联设置。由于电阻r1-r4彼此相同，所以多单元电池400两端的合并电压在每个电阻r1-r4上均匀地分配，而不管每个电池的电压如何(例如，电压是否彼此相等或不相等)。因此，每个电阻r1-r4上的电压代表或模拟电池单元b1-b4的理想平衡电压。作为示例，如果电池单元b1-b4均匀平衡，则b1两端的电压将等于r1两端的电压，b2两端的电压将等于r2两端的电压，b3两端的电压将等于r3两端的电压，以及b4两端的电压将等于r4两端的电压。如果一个或多个电池单元失去不平衡，那么这将是不成立的，并且一个或多个电池单元电压将与相关的电阻两端的电压不匹配。

每个vco430电耦接到至少一个开关420。在图4中，顶部和底部的vco430(分别为vco4和vco1)电耦接至一个开关420(分别为开关s4和s1)。中间的vco(vco2和vco3)电耦接到两个开关420(对于vco2为s2和s2a，对于vco3为s3和s3a)。因此，通常总共有(n-2)×2+2个开关420，其中n是电池单元或vco的数量。在一些实施方式中，顶部和底部的vco可以电耦接到两个开关，在这种情况下，总共有2n个开关420。所述系统40可包括此处所描述的其它开关。

所述开关420具有第一状态421和第二状态422。如图5所示，在第一状态421，开关420将电阻电路460电耦接到对应的vco430。通常，有n个vco430和n个电阻电路460。每一电阻电路460跨接相应电阻(例如，r1、r2、r3或r4)的第一和第二侧462、464，以测量其电压(例如，其电阻电压)。如图6所示，在第二状态422，开关420将多个电池单元电路470电耦接到对应的vco。通常，存在n个电池单元电路470。每个电池单元电路470跨接相应的电池单元(例如，b1、b2、b3或b4)的第一和第二端子472、474，以测量其电压(例如，其电池单元电压)。

图5和图6是系统40的部分放大图，以示出与电池单元b3、电阻r3以及开关s3和s3a相关电阻电路460和电池单元电路470。图5示出处于第一状态421的开关s3和s3a，并且图6示出处于第二状态422的开关s3和s3a。

每个vco430将其输入电压转换成具有与其输入电压相对应的频率的输出信号。输入电压的变化导致输出信号频率的相应变化。因此，vco430用作电压传感器。例如，参考图5，当开关s3和s3a处于第一状态421时，vco3将r3的电阻电压转换成具有与电阻电压相对应的频率的输出信号(例如，电阻频率信号)。当开关s3和s3a处于第二状态422时，如图6所示，vco3将b3的电池电压转换成具有与b3的电池单元电压相对应的频率的输出信号(例如电池单元频率信号)。

vco430的输出信号由数字电平位移器440电平转换到某个单一点，在该点上，输出信号可以由逻辑电路450处理。逻辑电路450可以包括算术逻辑单元(alu)、微控制器(mcu)、状态机、数字机或其他逻辑电路。

图7根据一个或多个实施例，示出了逻辑电路70的框图。逻辑电路70可以与逻辑电路450相同或不同。逻辑电路70包括多个计数器700，alu710和存储电路720。在一些实施例中，alu710可以替换为数字机、状态机或微控制器。

每个计数器700电耦接到相应的vco420的输出端，以接收其输出信号(例如，电阻频率信号或电池单元频率信号)。每个计数器700的输出端电耦接到与存储电路720电连通的alu710的输入端。在操作中，每个计数器700确定在诸如1毫秒的预定时间段内来自对应的vco420的输出信号中的振荡总数。alu710控制计数器700和预定时间段的长度。每个计数器700测得的振荡总数是vco420输出信号的频率的函数。因此，由每个计数器700测量的振荡总数与对应的vco420的输入电压相对应(例如，成比例)，根据开关420的状态421、422，所述vco420的输入电压为电阻电压或是电池单元电压。由每个计数器700测量的振荡总数还取决于相应的vco420内的任何不准确性。

在计数器700确定来自vco420的输出信号中的振荡总数之后，alu710比较振荡次数以确定与vco420的输入电压间的相对差。

当开关420处于第一状态421时，逻辑电路70可以校准系统40。由于每个电阻r1-r4两端的电压相同或基本相同，因此，每个计数器700测量的振荡总数的任何差异都是由于vco420中的不准确性所致。alu710可以将这些差异(例如，偏移量，校准数据等)存储在存储电路720中，例如，在多个偏移寄存器中。可以通过几种不同的方式来计算偏移量，例如，每个测量的输出(预定时间段内的振荡总数)与该组内所测量的最低或最高的输出间的距离，或者所有输出从一个固定点或随机数的距离。这是因为在某些实施方式中，系统的目的是确定电池单元电压的相对测量，以确定它们是否相等(或基本相等，例如彼此之间的误差在0.1％以内)，从而确定电池单元b1-b4是否平衡。不需要实际或绝对电池单元电压来确定它们彼此相等还是基本相等。

在校准之后，当开关420处于第二状态422时，alu710可以利用所存储的偏移量来确定电池单元电压和/或电池单元b1-b4的平衡。所存储的偏移量可以提高包括vco420的系统40的精度，该精度可能比现有系统中使用的adc精度低。

在一些实施方式中，还可以通过使用参考电压来确定实际或绝对电池单元电压。例如，逻辑电路450或70可以确定相对于已知参考电压(图4中通过s1连接到vco1的v参考)的偏移量，使得用于校准的参考值是基于至少一个通道的精确电压测量值。因此，开关420中的至少一个(例如，s1)可以具有第三状态以确定参考电压v参考，其可以用作当开关处于如上所述的第一状态421时用作确定偏移量的参考点。

在一些实施方式中，所述参考电压可以等于绝对最大安全电池单元电压，以帮助监测和防止每个电池单元电压在充电时超过安全水平。可以在每个通道中重复图4所示的v参考，以使每个vco420(vco1-vco4)都可以具有其自身的准确参考电压(v参考1-v参考4)，如图8中的系统80所示。系统80在其他方面与系统40相同。

系统80中的参考电压可以提供一种用于监测每一电池单元b1-b4的最大充电电压的方式，即使是每个vco420是非线性的、也具有不同的偏移量、不同的温度系数和增益斜率变化，这是因为每个电池单元b1-b4以及vco420都可以经常根据已知的参考电压v参考(n)进行校准。同样，可以通过使用(一个或多个)参考电压来准确检测实际或绝对电池单元电压来防止过度放电，以及防止超出安全点的过度放电。

此外，使用一个或多个准确的参考电压进行校准以及设置过充电和/或过放电的阈值，还将允许通过插值法合理准确地测量任何点处的电池单元电压，这可以基于使用上述校准，准确的参考电压和偏移量抵消的电池单元电压测量，或是通过确保在使用仅具有其中一个vco时的精确参考电压时，vco420(或adc，如下所述)是线性的且具有合理匹配的增益。一方面，该电路可以引起所有测量的偏移量，这是通过使用偏移来实现的。另一方面，该电路可以使用校准来校正增益误差。当所有vco(或adc)都有其自身的准确参考电压时，仅需抵消偏移即可提供合理准确的电池单元电压测量，可潜在适用于确定电池中的剩余电量和其它遥测需求。如果参考值仅用于提供上限和下限阈值，则无需计算或使用偏移量。

使用该系统的另一种可能的测量方法是对每个电池单元或整个多单元电池使用温度传感器。也可以使用上述方法来校准到vco(或adc，如下所述)的输入。应当清楚的是，一旦有了上述的系统，其可以执行自校准，就可以用来相对准确地测量任何输入电压。这可能包括温度传感器的电压输出或其他电压。如果使用温度传感器，该电路还可以防止过热，并在必要时提供从电池端子断开电池的手段。这样的电路是常用且能够理解的。

图9根据一个或多个实施例，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每个电池单元两端电压的系统90的示意图。系统90与系统40相同，只是增加了开关s5和s6，以在不使用时断开电阻梯410的连接，以减少多单元电池400的电流泄漏。这些开关可以放在各个地方以断开泄漏路径。

图10根据其它实施例，示出了用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每个电池单元两端电压的系统1000的示意图。系统1000与系统40相同，除了系统使用adc1030代替vco430。adc1030以类似于vco430的方式起到电压传感器的作用。每个adc1030的输出是输入电压的数字编码值。上述校准方法也可以利用系统1000中的adc1030来实现，这就消除了对现有系统中高精度adc的需求。在系统1000中，即使是不准确和未修正的adc也能实现对电池单元的准确测量和监控。

图8和图9中所示的其它实施方式(例如，用于指示一个vco420的参考电压以及断开电阻梯410的其它开关)也适用于系统1000，分别如图11和12所示。对图8和图9的描述也分别适用于图11和图12。

图13是系统1300的框图，以说明如何将本文所述的一个或多个实施例集成到单个集成电路(ic)1301或多个ic上。在示例中，ic1301包括如上所述的电阻梯410、开关420、vco430和/或adc1030、数字电平位移器440以及逻辑电路450、70。放电开关q1、q2、q3和q4用于降低所选电池单元上的电压或选择性地从其释放电荷。放电开关由本发明的控制电路驱动，该控制电路被配置和设置为在电池单元平衡期间将放电开关导通(或断开)一定时间。在所示的示例中，放电开关由ic1301控制，以高于最低电池单元电压的方式对电池单元b1-b4进行放电，以迫使所有电池单元几乎相等。在一示例中，电池电压被带到或保持在彼此的百分之一(1％)以内。在另一个例子中，电池电压被带到或保持在彼此的百分之一的十分之一(0.1％)以内。注意，q1-q4也可以集成到ic1301中，但是更常见的是将它们作为单独元件保留。设置放电电阻dr1、dr2、dr3和dr4的值以控制各个电池单元的放电率。注意，ic1301可以具有更多或更少的感测和控制电路。本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的精神的前提下，本发明的电路可以多种可接受的方式来实现。具体地，所描述的电路可以在同一集成电路(ic)上包括本发明的部分或全部元件，或者可以将这些元件分布在不同的电路上以具有多ic实现。

图14是系统1400的框图，该系统是系统1300的替代实施方式。在系统1400中，逻辑电路1450未集成在ic中，而是为了灵活性而保持分离。例如，逻辑电路1450可以由用户定制。否则，系统1400与系统1300相同。数字逻辑电路1450可以与数字逻辑电路450和/或70相同或不同。

图15是用于在电荷平衡之前测量多单元电池的每个电池单元两端的电压的系统1500的替代实施例的示意图。系统1500与系统40相同，除了模拟电平位移器1510电设置在开关420和vco430之间，并且移除了系统40中的数字电平位移器440。模拟电平位移器1510用于将所有电池单元电压带到一个公共节点，例如所有vco430参考的接地点，然后vco430的输出可以连接到逻辑电路450。该方案还将通过校准来校正模拟电平位移器1510的误差，例如，类似于如上所述的校正vco或adc的误差。在一些实施例中，图15中的一些或全部vco430可以由adc代替。

图16a是级联形式的系统1600的实施例的示意图，其中具有有限的电池单元输入的ic1601、1602可以被堆栈以管理和使用比单个ic更多的电池单元。进行电平转换，使得顶部ic1601将通过串行连接1610将数据传递到其相邻的ic1602。然后合并来自两个ic1601、1602的数据，并传送到数字逻辑450以进行最终读取、校正/校准和使用。ic1601、1602可以与ic1301相同。需注意的是，ic1601和/或1602可具有其它的或更少的感测和控制电路以分别与其它的或更少的电池单元相连接。此外，通信端口1610可用于将输出传送到图中的上部ic，以控制放电开关和其他控制信号以及内部开关。在该配置中，可以使底部ic的顶部电池单元与顶部ic的底部电池单元重叠，这样一个电池是共享的。这可能是能实现更精确平衡的链接，因为顶部和底部ic将不得不迫使所有其它电池匹配该共享电池。因此，多个分离的集成电路可以协同管理多电池体系的充电、放电或平衡，而两个或多个ic可以对共享的电池单元成员进行充电或放电或平衡。

图16b示出了两个ic1652、1654的实施例，例如，一个在另一个之上分别称为顶部ic和底部ic。可以将其概括为多个ic，并且可以本领域技术人员认为合适的方式对其进行设置和配置。两个ic1652、1654可以各自管理或平衡多个电池单元(例如，三个电池单元)。在该示例中，ic1652被配置和设置为管理电池单元1660-1663，而ic1654被配置设置为管理电池单元1663-1666。需注意的是，示例中的电池单元1663可以由两个ic1652或1654管理。可以看到，可以将一个共用或共享电池单元耦接到两个ic，以达到平衡的目的。一方面，公共放电开关可以由多个ic控制，以便控制、管理或平衡公共电池单元或一组电池单元。再者，本领域技术人员将理解的是，可以由两个或更多个ic管理多个共享电池单元而不会失去通用性。

图17根据一个或多个实施例，示出了用于平衡多单元电池中的电池单元的流程图1700。在步骤1710中，多单元电池和控制系统(例如系统40)被通电。在步骤1720中，在开关处于第一状态的情况下操作电压传感器(例如，adc或vco)以执行自校准。测量电阻梯中相同电阻两端的电阻电压，以确定adc或vco中的任何误差或不准确性。该步骤包括使用计数器来确定每个vco的输出信号中在预定时间段内的振荡总数，或者是寄存器保存每个adc的输出。在步骤1730，确定每个输出信号和信道的偏移量。偏移量可以是相对于已知参考电压的最小的振荡总数、最大的振荡总数、随机数或振荡总数。偏移量存储在存储器，例如偏移量寄存器中。再有，vco和adc的实现方式也有所不同，但是通常这些组件会响应于感测到的电压起作用，其中，vco输出可计数的振荡，而adc输出与所感测到的电压相对应的可确定的adc输出信号。

在步骤1740中，系统确定偏移量是否超出预定范围，这可以表示测量中的错误。如果是这样，则在步骤1750中报告故障(例如，在用户界面上)，并且流程返回到步骤1740以重新计算偏移量。如果偏移量在预定范围内，则流程图1700将进行到步骤1760。在步骤1760中，开关在第二状态下操作，以例如通过对来自每个vco或adc的输出信号中的预定时间段内的振荡总数进行计数来测量每个电池单元上的电池单元电压。

在步骤1770中，应用所存储的偏移量来校正误差或adc或vco中的不准确性。在步骤1780中，系统确定在每个信道中(例如，对于每个vco输出)计算的振荡总数是否彼此相等或基本相等。如果是这样，则流程图1700返回到步骤1760以重新测量电池单元电压。然而，如果基于自上一次校准以来经过的时间和/或其他因素需要进行新的校准，则流程图1700返回到步骤1720以重新校准adc或vco。如果至少一个信道中的振荡总数不等于其它信道，则在步骤1790中，系统将具有高于(例如，更高的振荡总数)最低电池单元电压的电池单元放电一段可以由用户定义的时间。如上所述，电池单元已适当地放电之后，流程图1700返回步骤1760或1720。

在本系统和方法中，我们还可以采用一种或多种放电算法。例如，我们可以同时对所有电压高于最低电池电压的电池进行放电。在另一个示例中，我们可以按选定的配置或给定的顺序一次放电一个电池单元。本领域技术人员能理解对适合于给定应用的一套多单元电池中的电池单元的子集进行选择性放电的其它替代方式。机器学习引擎或方法可用于优化上述特定电池单元的充电、放电和/或平衡过程。任何合适的计算机处理器或数据存储都可以用与影响电池单元管理和监控的电气、热、化学或其他参数有关的历史数据进行编程。

在某些方面，电压和电压阈值用于控制电池单元的充电和平衡。在另一方面，温度和温度阈值用于控制电池单元的充电和平衡。例如，一些实施例提供了对所测量的处于预设阈值处的电池单元的可控或切换放电。可以在多个电池单元中重复该过程，直到电池单元基本均匀地充电或平衡为止。

本文提到的偏移量计算对于某些实施例是可选的。换句话说，在一些实施例中可以省略偏移量计算，并且将电池单元电压与电阻电压简单地进行比较，其中，该电阻电压代表平衡的多电池组中的目标电压。如果电池电压高于该理想电压，则系统将强制放电，直到给定的电池电压接近目标电压或理想电池电压为止。通过重复应用此步骤，最终所有电池单元都将具有目标电压或将具有几乎相等的电压并达到平衡。

图18根据一个或多个实施例，示出了用于平衡多单元电池中的电池单元的流程图1800。流程图1800包括步骤1710-1750，其与上文在流程图1700中所描述的相同。在步骤1850，系统测量至少一个电池单元中的已知参考电压。例如，如上所述，用于至少一个电压传感器(例如，vco或adc)的开关可以在第三状态下操作以测量已知参考电压。在步骤1860，系统使用已知参考电压的测量值(例如，输出信号在预定时间段内的振荡总数)来确定每一电池单元的绝对最大允许值(例如，输出信号在预定时间段内的最大振荡总数)，该值对应于每个电池单元的最大允许电池单元电压。绝对最大允许值存储在存储器中。

在步骤1870，测量电池单元电压(例如，在开关处于第二状态时)。步骤1870可以与步骤1760相同。在步骤1880中，应用所存储的偏移量(来自步骤1730)来校正adc或vco中的错误或不准确性。步骤1880可以与步骤1770相同。在步骤1890，系统确定所测量的任何电池单元的电池单元电压是否大于最大允许电池单元电压(例如，在步骤1860所存储的值)。如果是，则在步骤1895，系统例如，在用户显示器上报告最大电池单元电压故障。如果否或在步骤1895之后，则系统在步骤1896中确定在每个信道(例如，对于每个adc或vco输出)中计算的振荡总数彼此相等或基本相等，例如，如上文在步骤1780中所述的那样。如果是，则在步骤1897，系统会将电压相对高于最低电池单元电压的电池放电一段时间，该时间可以由用户设置。如果否或者在步骤1897之后，则系统返回到步骤1870以重新测量电池单元电压。然而，如果需要新的校准，则基于自上一次校准以来经过的时间和/或其他因素，流程图1800可返回到步骤1720以重新校准adc或vco。

本文所公开的和权利要求书所涉及的是通过强制平衡多单元电池来进行校准的系统和方法，以使串联的多个电池单元在本发明中所使用的某些部件的精度范围内，例如，在上述数字和/或模拟部件的无偏公差内各自具有相同或基本相同的电压。

本领域技术人员可能会认识到，传统上检测最大或最小参考电压以平衡电池可能需要昂贵的组件。此外，此类系统可能与温度相关(具有温度系数)，从而降低了其精度。一方面，本发明人描述了一种利用校准引擎进行校准的方法，该校准引擎提供了用于在不使用物理电压参考电路的情况下检测这种最大和最小电池单元电压的校准参考。

作为示例性而非限制性的，考虑锂离子电池在损坏之前的典型上限，约为4.2v。该值可能因确切的化学和制造过程而变化。电池在损坏之前通常还具有较低的阈值，约为2.5v。如果温度不是影响因素，则可以将4.2v应用于每个信道，记录非易失性存储器中的输出，然后以该数字作为参考来检测电池电压何时高于4.2v或低于2.5v。在一个或多个实施例中，本系统和方法可以采用温度传感器来提供温度参考并校正由温度变化引起的误差。该温度测量不需要精确，仅在进行插值时用作相对温度和参考。在其他实施例中，不需要温度补偿。

图19示出了特性1900，其显示了温度传感器的输出与温度的关系，在响应方面，该关系优选是线性的，或者在所关注的温度范围内基本上是线性的。因此，温度传感器的输出与其温度的关系将是或近似于如图所示的直线1910。通过使用已讨论的相同vco或adc电路，温度传感器的输出也可以数字化并记录下来。如果在制造测试期间，我们施加一第一温度并将结果记录在非易失性存储器中，然后施加第二温度并将其记录在非易失性存储器中，则可以计算出线的斜率，并执行插值以找到这条线上的任何点。使用相同的方法，电压检测器(vco和/或adc)可以在两个相同的精确温度下测量已知电压，例如4.2v，并将结果记录在非易失性存储器中。还可以在这两个测量值之间画一条线，这也将显示该斜率与温度的关系。该电路还应设计成使电压测量电路的输出也接近于线性。

图20示出了示例性的插值图2000，以更精确地说明温度对电测量量，例如，温度相关传感器的电压或电流输出的影响。在水平轴上示出了温度，并在垂直轴上示出了电量(电压或电流)。在产品制造的最后步骤中，我们在两个已知温度下施加两个已知电压。例如，使用制造现场的已知电压和温度读数，我们绘制了在已知的第一已知温度(2001)处的已知电压v1以及在第二已知温度t2(2003)处的相同电压v1。同样，我们绘制了在相同的第一已知温度t1(2002)处和相同的第二已知温度t2(2004)处的第二已知电压v2。如图所示，这组点是可信的，并可用于创建v1的第一特性线2010和v2的第二特性线2020。现在，一旦设备进入现场(用于产品中)，我们就可以使用这两条可信赖的特性线2010和2020从测量的温度tx处插值与温度相关的电量(例如vx)。具体地，在操作的设备(在现场)上获得的给定测量温度tx下，我们因此可以知道在测量温度tx处可以绘制垂直线2030，该垂直线2030将与第一和第二电压曲线2010和2020分别相交于点2011和2021，该点2011和2021分别对应于插值电压v1j和v2j，并且我们可以从定义v1j和v2j的交点2011和2021计算出所需的插值电压vx。从数学上讲，该插值识别出了((t2-t1)/(t2-tx))＝((v2_i-vx)/(v2_i-v1_i))的比率，或考虑到基于在操作测量温度tx处的插值v1j和v2j，tx和vx间一一对应关系的任何其他适当关系。我们可以将交点2001、2002、2003和2004称为已知的电输出值，并将点2011和2021称为参考电输出值。可以将测量的温度tx定义为测量的操作温度，因为它通常是在多单元电池系统运行期间在现场获得的。其结果是经过温度校正的电量vx(或电流ax)。

在某些方面，第一和第二温度在绝对意义上是已知的，例如，它们是在测量尺度(例如，摄氏、华氏、开尔文等)内已知的相应温度。然而，在其他方面，第一温度和第二温度只能相对于彼此或某个其他参考点来相对确定，而在绝对意义上是未知的。

另一方面，本发明的系统和技术可以用于确定基于温度的测量值，以在电气系统中的多个量之间进行插值，其中，多单元电池管理系统只是一个示例。

另一方面，可以测量和校准电流测量。电池组通常在充电和放电期间通常需要防止短路和过流情况。通常将测量值与参考点进行比较，该参考点反映了过流阈值。

图21示出了可以在这里使用的三种传感器。传感器可以使用阻断mosfets中的一个电阻感测2110，或者使用两个阻断mosfet2130来充当电流测量的源。通过任何电阻的电流都会产生电压。该电压通常太小而无法直接使用，因此需要放大。所使用的电阻，无论是低成本的感测电阻、电路板迹线、还是mosfet，均具有初始公差，如果不考虑这些公差，则将产生误差。放大器也具有偏移量，并可能具有温度系数。这些元件也具有温度系数，从而使得在加热时电阻会上升或下降。上述方法可以克服初始误差以及温度系数。在最终测试中，可以在温度t1施加已知电流。然后将该结果保存在非易失性存储器中。然后在施加温度t2的同时重复该过程。利用这两个点和温度测量值，可以对所有将来的测量值进行插值和补偿，从而对与上述阈值相关的电流进行相对准确的测量。

图22示出了如何利用如上所述的插值确定电量(例如，电压或电流)，如果该电量的传感器是温度相关的话。该图给出了一种用于将其应用于诸如来自vco的电压信号以及用于电流信号的方法，但是这些方法是相似的，并且根据本发明，本领域技术人员可以在必要时调整其应用。我们在这里讨论关于电压(以及v1、v2、vx等值)的示例，但是这些同样也可以用电流来表示，例如a1、a2、ax等。

以下步骤可在受控环境中完成，例如制造本发明的管芯或器件的最后阶段。在2200，我们采用第一已知温度(t1)并存储该温度。在步骤2202，在温度t1下施加第一已知电压(v1)，并且还记录电量值v1的输出。在步骤2204，在第一已知温度t1下施加第二已知电压v2，并且存储电量的输出。这些在温度t1下的电量形成了上面图20中的第一和第二电压曲线2010和2020上的值2001和2002。在该示例中，以上值被存储在非易失性存储设备或类似单元中，如在步骤2206所描述的，但如本领域技术人员将理解的是，存储的动作和具体实现方式以及这样做的时间可以变化。

然后在步骤2208，将器件或管芯置于第二已知温度t2下，其中t2不同于第一温度t1。例如，可以在受控环境中将设备或样品从第一温度t1加热到第二温度t2。在一示例中，t1可以处于室温或接近室温(例如，大约25℃，以及t2可以处于或接近此类器件的较高工作温度，例如50℃或70℃)。再次，这些是说明性的示例，并且本领域技术人员可以理解的是本发明涵盖了其变型。在温度t2时，施加已知的第一和第二电压v1和v2，并且分别在步骤2210和2212获得并存储该电量的输出。t2处的这些读数表示图20中的已知量2203和2204。这些值再次存储在存储器中以在步骤2214中用当前的插值方案。

一旦投入运行或在现场，例如安装在多单元电池组中，便测量上述实际表观温度tx并确定插值电量，以得到如在上述步骤2218中所述的温度补偿以及插值电电量(例如vx)。

现有技术使用昂贵且高精度的电池监控系统电路来测量电池电压、进出电池的电流、温度或这些输入的组合，以确定电池组的充电状态，也称为电量测量。所提出的系统和方法可以针对所有三种输入使用所提出的低成本且简单的测量系统，并因此可以用来执行此类电量测量。还可以利用每一测量中的几个已知的和预定的点来执行人工智能领域的专家所已知的机器学习算法，从而通过充放电循环，所述系统就可以基于最近的历史得到电池组中剩余的电量。

在某些方面，机器学习、人工智能、神经网络或专家系统可以被用作上述的一部分或与之结合以开发用于多电池系统的充电、放电或平衡的最佳策略。具有先前数据的查找表、填入有来自历史运行或工厂或客户测试结果的信息的数据库，以及本领域技术人员已知的其它基于数据的方法都可以用来实现这一方面。

本发明不应被视为仅限于上述特定实施例，而应理解为涵盖如所附权利要求中合理列出的本发明的所有方面。在阅读了本发明之后，本发明可能适用的各种修改、等效工艺以及许多结构，对于本领域技术人员来说将是显而易见的。权利要求旨在覆盖这种修改及其等同形式。