软件可配置的电池管理系统和方法与流程

本公开内容一般涉及用于管理能量存储设备的系统和方法。更具体地，本公开内容涉及用于监测、控制和保护可再充电电池的系统和方法。

背景技术：

可再充电高功率电池是个体电池元的集合，所述个体电池元被分组成可以堆叠以形成单个电池的电池元组或电池元块，使得电池组的顶部具有最高电压并且底部电池元具有最低电压。鉴于现代高性能电池的增加的能量密度，以及对快速充电的更快增长的需求，超过安全的充电和放电电流、电压、温度和其它参数的事件可能会对电路造成永久性损坏，例如，通过由于锂离子电池元以低于或高于制造商推荐的电压限制来充电引起过热的电池元而造成的物理损坏。

出于安全、用户友好和法规遵从的原因，通常对充电和放电电压进行监测，例如，作为冗余安全检查的一部分，以确保在可接受的范围内操作，以便防止系统故障、意外损坏或简单地性能和电池寿命降低。

监测电池电压的另一个原因是：电池中的不同电池元不具有完全相同的电池元化学性质。这导致内部电阻的变化，其造成针对在其它方面相同的电池元的不相等的充电时间和变化的输出(即，开路)电压。在理想的操作状况下，电池元块中的每一个电池元是完全可充电至完全相同的容量并且生成相同的、最高的可允许开路电压的，使得电池组中的电池元集合保持尽可能高的总电池电压。这将消除对能量转移和电荷重新分配的需要，以及确保对电池的容量的最佳利用。

然而，由于制造差异，实际上不可能制造出具有相同电属性的电池元来存储和提供电池可以容纳的相同的最大电荷量。例如，为了达到完全相同的开路电压，具有高内部阻抗的电池元将要求比具有较低内部阻抗的电池元要高的充电电流。类似地，串联的电池元串中最弱(即，最次)的电池元将具有最低的容量(和开路电压)，并且因此支配了整个串的充电时间，导致次佳的电池性能。

由电荷不平衡引起的低效随着时间的推移，通过以下各项而恶化：变化的负载条件(例如，在短持续时间再生制动时的过度充电)、老化(电化学材料的损坏导致容量的损失)、充电循环中的滞后以及最终缩短电池寿命的其它事件。

因此，实时地并且利用最小的复杂度来监测和配置构成电池的所有电池元的状况将是期望的，使得可以在必要时在电池元之间重新分配电荷，以便防止不期望的过度充电和充电条件不足。

在许多应用中，电池电压通过电压测量系统来监测，所述电压测量系统位于具有用于感测电池堆中的最高电压的专用电压引脚的pcb上。该引脚位于电池本身的外部，并且连接到电池组的顶部。因为取决于应用，组中的电池元的数量可以随电池而不同，所以传统的电池监测系统可以利用针对不同的电池组配置而不同的pcb，或者利用随后根据在任何给定的组中电池元的数量来手动配置的单个pcb。换句话说，每一个板都具有必须根据电池元的数量来手动配置的、用于确定组中的顶部电压位置的专用电压检测引脚。

另外，为了减少整体布线和与其相关联的复杂度/低效，许多现有系统使用了多个分布式监测电路，例如，具有固定数量的引脚的板，所述板容纳用于监视固定数量的电池元(例如，14个电池元)的固定数量的通道。实际上，共享控制板的电池元的数量是由该板的额定电压来确定的。因此，包括例如八个电池元的组的电池系统将必须使用被设计为监测和控制恰好如要被测量的电池元的数量的通道的以下各项：针对八个电池元定制的板、针对八个电池元定制的配线(harness)等。

替代地，用户可以为能够承受多于八个电池元(例如，14个电池元)的电压的单个高容量板设计支付额外费用。此外，板将必须经历任何硬件和软件修改，所述硬件和软件修改是由在板被设计用于的电池元数量与板最终操作的电池元数量之间的不匹配所必需的。这种修改包括将开关引脚硬接线到板中，或者使用物理地短路通道的跳线以便调节要控制的电池元的数量。该替代方法的额外要求包括扫描板的所有通道，并且随后忽略或屏蔽来自不需要的通道的数据作为错误数据。除了增加的复杂度之外，跳线还倾向发生故障，并且因此不适用于在提高的安全标准下进行操作的应用，诸如航空航天和电气交通工具应用。

因此，为了克服现有方法的缺点，需要的是监测系统和方法，其提供在选择感测到电池元块中的最高电压的位置时的灵活性，以便支持控制板在不需要繁琐的硬件修改或者定制板的增加成本的情况下连接到任何数量的电池元，以匹配在不同设计中的不同数量的电池元。

技术实现要素：

本申请的实施例提供软件可配置的电池监测和管理系统和方法，其提供了在选择感测到电池元块中的最高电压的位置时的灵活性，以便支持控制板连接到任意数量的电池元(诸如，电化学电池元)。

在本申请的方面中，一种用于验证电池组顶部处的电压的方法包括：从在电池组中的电池元块中的一个或多个电池元上执行的测量中获得个体电池元电压；确定电池组是否包括汇流条；确定个体电池元电压的总和，包括任何汇流条电压；将包括任何汇流条的电池堆的顶部的电压与个体电池元电压的总和进行比较，以获得可以用于检测汇流条的故障的比较结果；以及响应于比较结果超过预定门限，发起动作。方法还可以包括：至少使用在电池元块中的两个相邻电池元之间的电压来确定汇流条的位置。可以顺序地测量个体电池元电压以确定一个或多个电池元中的哪些电池元耦合到节点以及确定在相邻电池元之间的电压差。此外，可以自动确定电池组中具有最高电压的电池元。

在本申请的方面中，一种软件可配置的电池管理系统包括：多路转接器，其将两个或更多个电池堆耦合到模数转换器；可以包括电池堆的软件可配置的电池管理电路，所述电池组包括被配置为耦合到电压节点的多个电池元；汇流条，其耦合到多个电池元；开关，其被配置为将多个电池元中的一个或多个电池元耦合到电压节点；放大器，其耦合到电压节点以放大多个电池元中的一个或多个电池元的个体电池元电压，和用于表示电池组顶部处的电压的电压；耦合到放大器的加法器电路，所述加法器电路生成个体电池元电压的总和；以及耦合到放大器的处理器，所述处理器执行包括以下各项的步骤：收集数据以确定电池组中汇流条的存在和位置中的至少一项，以及将个体电池元电压的总和与电池堆顶部处的电压进行比较，以获得比较结果。

附图说明

参考本发明的实施例，在附图中说明本发明的示例。这些附图旨在是说明性的而非限制性的。虽然本发明一般是在这些实施例的背景下描述的，但是应当理解的是，本发明并不旨在将其保护范围限制到这些特定实施例。

图1是根据本公开内容的各个实施例的，说明性软件可配置的电池管理系统的示意图。

图2是根据本公开内容的各个实施例的，用于验证电池组顶部处的电压的说明性软件可配置的电路的示意图，所述电池组包括电池堆，所述电池堆包括汇流条。

图3是根据本公开内容的各个实施例的，用于验证在电池堆顶部处生成的电压的说明性软件可配置的电路的示意图，所述电池堆包括汇流条。

图4是根据本公开内容的各个实施例的，用于验证电池堆顶部处的电压的说明性过程的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的阐述了特定细节，以便提供对本发明的理解。然而，对本领域技术人员将是显而易见的，能够在没有这些细节的情况下实践本发明。此外，本领域技术人员将认识到以下描述的本发明的实施例可以是以各种方式(诸如，过程、装置、系统、设备或方法)在有形计算机可读介质上实现的。

附图中示出的组件或模块说明了本发明的示例性实施例，并且意在避免模糊本发明。还应当理解的是，贯穿本论述组件可以被描述为单独的功能单元，所述功能单元可以包括子单元，但是本领域技术人员将认识到，各种组件或其部分可以被分成单独的组件，或者可以被集成在一起，包括被集成在单个系统或组件内。应当注意的是，本文论述的功能或操作可以被实现为组件。组件可以在软件、硬件或其组合中实现。

此外，在附图内的组件或系统之间的连接不旨在限于直接连接。相反，在这些组件之间的数据可以由中间组件修改、重新格式化、或以其它方式改变。此外，可以使用更多或更少的连接。还应注意的是，术语“耦合”、“连接”或“通信耦合”应被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。

说明书中对“一个实施例”，“优选的实施例”，“实施例”或“各实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中并且可以包括在多于一个实施例中。此外，说明书中各处出现的上述短语不一定都指的是相同的一个或多个实施例。

在说明书中的各个地方使用特定术语仅用于说明而不应被解释为限制。服务、功能或资源不限于单个服务、功能或资源；这些术语的使用可以指可以分布或聚合的相关服务、功能或资源的分组。此外，存储器、数据库、信息库、数据存储、表格、硬件等的使用本文中可以用于指代可以输入或以其它方式记录信息的一个或多个系统组件。

此外，还应注意的是：(1)可以可选地执行某些步骤；(2)步骤可以不限于本文中所阐述的特定顺序；(3)某些步骤可以以不同的顺序执行；(4)某些步骤可以同时进行。

在本文献中，“电池元”和“电池单元”可以互换使用。类似地，术语“组”、“堆”和“块”，如“电池元堆”、“电池组”、“电池元组”或“电池单元块”可以互换地使用。要理解的是，本公开内容的电池管理系统和方法可以应用于广泛种类的能量源，诸如高容量电容器、锂离子电池元、燃料电池元和其它电化学和非化学电池、及其组合。

图1是根据本公开的各实施例的，说明性软件可配置的电池管理系统的示意图。系统100包括电池堆120，继而，包括电池元112-116，开关124，电阻器132-134，放大器130，多路转接器160和adc162。

电池元112-116是生成可测量电压的任何类型的能量源。在电化学电池元中，电池元电压，即开路电压，通常是电池元保持电荷的容量的函数。在实施例中，电池元112-116是以串联配置被电耦合的电池单元。然而，这不是对本公开内容的保护范围的限制。本领域技术人员将认识到，电池元112-116可以被实现为串联和并联的电池元配置的任意组合。

在实施例中，个体电池元(例如，112-116)被布置为形成电池堆120，电池堆120包括某个数量的电池元(例如，此处，14)，其向电池供应等于串联连接的电池元112-116的电压中的每一个电压的总和的电压，如图1所示。要注意的是，尽管本文仅呈现了范围从8到14个电池元的设计，但使用本公开的实施例的设计可具有包括任何数量的电池元的堆。若干电池对120可堆叠在一起。

在操作中，每一个电池元112可以耦合到专用开关124，所述专用开关124允许个体电池元或电池元的组被分接并耦合到节点136。如图1中所示，电阻器132与电阻器134一起形成电阻分压器，其也被耦合到节点136。电阻器134可以被耦合到参考电位，诸如地电位150。在实施例中，电阻分压器辅助将例如，在电池堆120的顶部处或在任何电池元112-116处所测量的模拟电压数字化。

在实施例中，电阻器132-134被耦合到放大器130，例如，差分放大器，其测量并放大在电阻器134处的电压降。在实施例中，电压降表示由电池对120生成的最高电压。放大的电压可以例如经由多路转接器160提供给adc162，多路转接器160可以从任何数量的电池单元(例如，此处，电池元112-116)接收电压信号，以确定总电池电压。本领域技术人员将理解，多路转接器160可以接收和多路传输任何数量的额外信号，例如，可以随后由adc162转换并且根据需要进一步处理的诊断信号。

在实施例中，开关124可以是包括作为半导体工艺的结果而形成的内体二极管的晶体管。要理解的是，开关124可以利用任何已知的开关驱动器来打开和关闭。例如，如果开关124是nmos设备，则它可以利用小面积电荷泵(未示出)来在接通与断开状态之间切换。

在实施例中，每一个电池元112-116供应可以例如通过使用放大器130被检测到的电压(例如，4.2v)，以顺序地测量个体电池元的电压，并确定例如，在相邻电池元之间的电压差。一旦放大器130将放大的电压提供给adc162，就可以例如通过加法器电路(未示出)来将它们相加，以获得个体电池元112-116的电压的总和。在实施例中，随后可以将该电压与例如在耦合到电池元14116的顶板的节点136处测量的所有电池元120的总电压进行比较，以便验证所测量的总电压。在实施例中，使用电阻器134来检测该总电压，并且其值可以存储在寄存器(未示出)中。在寄存器中的值可以在每一次在电池元112-116中执行电压扫描时进行更新。在实施例中，为了与传统设备兼容，电路100可以包括所谓的vblock引脚128，其可以保持浮置，即，不通过开关连接到电路100的其余部分。

在实施例中，可以采用算法来执行堆个体电池元电压的顺序测量，例如，通过在电池元14116处进行测量，随后在电元13处进行测量，依此类推，直到电池元8112，以便确定哪些电池元120实际上耦合到节点136。

在实施例中，数个开关124以如下的方式布置：使得在开关124被打开时，在开关124中的相对的体二极管的组合起作用以阻止流过节点136的，即，到电阻分压器132-134的电流。在实施例中，电阻分压器132-134向下分割在节点136处的电压到能够由放大器130进行测量并通过adc162进行处理的合适的电压值。要注意的是，可以使用单个adc162和单个多路转接器160以这种方式评估任何数量的电池堆120。

在实施例中，一旦算法识别出承载最高电压的电池的位置，所述位置就可用于定义由电池堆120生成的最高电压。这为用户提供了使用软件来配置开关124，诸如以选择应当感测和监测到在块中的最高电压的位置的灵活性，无论是在在常规操作期间，作为初始化过程的一部分，还是作为冗余安全检查，例如，验证电池元112-116的正确操作或以识别故障状况。

在实施例中，通过使用adc162或类似电路来验证正确的操作，以将确定的最高电压(例如，在电池堆顶部处的开关vblk128处，例如在位置140处)与电池元112-116的电压的总和进行比较，例如，作为满足安全要求的诊断测量，或者用以确定两个值之间的差是否超过用户定义的门限。例如，如果电池元112-116的个体电压的总和与在开关vblk128处的电压不相符，则这可以指示电池元112-116中的一个或多个电池元112-116经历故障。如果这样，则在实施例中，可以生成警报或安全通知并将其传送给例如，系统100的用户。

本领域技术人员将理解，系统100可以在单个集成电路中实现并且与其他系统集成，例如，作为车辆管理系统的一部分。要理解的是，虽然可以使用利用内体二极管的一个或多个晶体管来实现开关124，如关于图2更详细地讨论的，但是各种实施例可以使用其它开关，诸如机械继电器，例如，与外部二极管和其它分立电子组件的组合。还要理解的是，尽管未在图1中示出，但是系统100可以包括额外的组件，诸如控制开关124的逻辑电路、独立电源等，以促进在系统100中的元件之间的互操作性并提供额外的特征，诸如基于所获得的电池电压来测量或计算功耗。

图2是根据本公开内容的各个实施例的，用于验证电池组顶部处的电压的说明性软件可配置的电路的示意图，所述电池组包括电池堆，所述电池堆包括汇流条。与图1中相同的附图标记以相同方式进行了标示。出于简洁的目的，这里不再重复对其功能的描述。

电路200包括电池堆210、212和电路220、222，电路220、222均可以包括高电压多路转接开关组208，低电压信号放大器204、低电压多路转接开关组260以及adc262。在实施例中，每一个电池堆210、212可以包括其自己的汇流条214，其可以被实现为将电池堆210、212彼此连接的电线。汇流条(例如，216)可以耦合到顶部引脚218，如图2所示。在实施例中，向负载(诸如，电气引擎的电动机)提供电力的个体电池堆210、212可以经由具有固有电阻的汇流条(例如，214)彼此连接。

在实施例中，adc262可以被实施为以双极模式进行操作，所述双极模式执行允许考虑负电压值的双极测量。替代地，adc262可以被配置为在双极模式与单极模式之间切换，这允许在零到满量程范围中的测量。

在操作中，由于汇流条214、216增加阻抗，这会干扰电池电压测量，因此汇流条214、216在理想状态下被排除出确定在堆210、212本身中的最高电压的电压测量。因此，知晓堆210、212是否包括汇流条214、216及其位置(即，知晓堆210、212在哪里结束)将是有利的。

在实施例中，顶部电池元连接到引脚(例如，218)，所述引脚耦合到汇流条(例如，216)，所述电池元可以经历双极测量例如，以实现对电流流到电池中造成的负电压的测量。如果替代双极测量，将要使用单极测量，则测量将指示零电压而不是任何可能存在的负电压，因此，导致对在电池堆210顶部处存在的实际电压的众多测量结果。换言之，测量负电压的故障将引起在对电池元112电压总和的测量与安全性测量之间的不符。因此，在实施例中，知晓汇流条(例如，216)的位置被用于进行adc262是否应当在引脚218处进行双极测量而不是单极测量的确定。

在实施例中，相邻电池之间的电压可以被确定且可以用于区分汇流条(例如，216)的存在和电池元的存在。例如，知晓的是，汇流条通常不会发展到超过例如500mv的电压降，即使在峰值电流负载条件下也是如此，并且还知晓取决于电池元化学和类型，电池电压通常不超过例如1.5v，所以能够相对容易地区分汇流条与电池元。

有利地，将汇流条216并入电压测量还允许检测汇流条216本身的某些故障。例如，在其中汇流条216经历开路状况的情况下，导致的电阻串的阻抗变化将引起用以指示开路状况的在引脚218处的电压测量。

在实施例中，图2中的电路200利用多路转接器206来按顺序地测量个体电池元112处的电池元电压并确定例如，在相邻电池之间的电压差。例如，可以通过耦合到电路200的微控制器来执行对电池元电压的比较与求和。一旦知晓了所有顶部电池元和汇流条的位置，则堆电池元电压的后续扫描测量实际上在连接到电池元(例如，电池元112)或汇流条(例如，汇流条216)的引脚(例如，218)处的电压，同时排除未如此连接的引脚。有利地，这节省了时间并提供了更有效的扫描。

要理解的是，在实施例中，电池堆210、212可以被实现为没有利用汇流条的低电压(例如，48v)电路，使得顶部引脚(例如，218)可以直接连接到电池堆中的顶部电池元，如图1所示。

图3是根据本公开内容的各个实施例的，用于验证在电池堆顶部生成的电压的说明性软件可配置的电路的示意图。出于简洁的目的，将与图1和图2中示出的组件相似的组件以相同方式标示。电路300包括电压引脚312-316、块电压引脚128、开关324、电阻器132-134、放大器130以及保护电路340(其可以是esd二极管或保护电路300的任何数量的组件和接口的其它设备)。

放大器130可以用于测量跨越电阻器134的电压降，其表示由电路300生成的最高电压。在实施例中，可以在将经放大的电压提供给adc(在图3中未示出)之前与其它电压进行多路转接，所述adc能够计算在电压引脚312-316处的电压总和。在实施例中，每一个电压引脚312-316可以耦合到电池元，诸如，充当恒压源的电池元。

在实施例中，开关324可以是包括晶体管302、306的晶体管电路，晶体管302、306均分别包括内体二极管304和308。在实施例中，内体二极管304、308具有公用电连接，例如，晶体管302、306的公用源引脚。

在操作中，当晶体管302、306被配置使得开关324打开且内体二极管304、308被导向相反方向时，内体二极管304、308防止电流流过开关324，因为无论对开关324的哪一端应用较高(或较低)电压，内体二极管304、308中的一个都将会反向偏置，使得针对开关关闭的情况，电流被阻止流过包括两个二极管304、308的电路径，实际上将引脚312-316彼此隔离并允许在不将电池元彼此短路的情况下的软件可配置的对个体引脚(和汇流条)的测量。

有利地，这移除了作为电池堆上的负载的电阻分压器132-134。更重要的是，引脚312-316处接收到的电压将变得在电阻器134处可测量而无需电流流过开关324，即，无需任何额外的电压降，否则将引起ir损失，这会干扰电压测量的准确性。应用于电压引脚312-316的电压(比在内体二极管304、308处的任何电压降要小)可以由放大器130检测。在实施例中，放大器130确定电压引脚312-316之间的电压，据此可以确定在特定电压引脚312-316处的电压。

在实施例中，电阻分压器132-134将电压向下分割为合适的电压值，如先前所述，所述电压值能够由放大器130测量并能够被输出为模拟电压信号138，其可以通过adc数字化并被进一步处理。

不同于使用被附接到被设计为硬连线的板的专用引脚以监测固定数量的电池元的现有设计，本文提出的实施例向用户提供了确定电池元块中的那个电池元可以被视为块的顶部而无需从外部将任何设备连接到引脚128且无需将每一个电池元硬连线到引脚128的灵活性。用户可以选择感测到块中的最高电压的引脚128的位置。

在实施例中，基于对例如在常规操作或作为初始化过程的部分的最高电压位置的确定，所述位置可以用于执行诊断过程，例如，冗余的诊断安全性测量，其验证连接到电压引脚312-316所有电池元是否如预期进行操作。在实施例中，电压引脚128可以通过从配置菜单中取消选择选项来被闲置，即，处于电浮动电势。

在实施例中，电压引脚128可以用于适应传统的电路，以及使板完全后向可兼容，以支持对被设计为期望电压引脚128的现有系统的电压测量。在这些实施例中，可以如其它输入引脚312-316那样处置电压引脚128。

在实施例中，电压引脚128可以被选择性地连接到汇流条，如关于图2所讨论的那样。汇流条可以被包括在对图3中的电路300中的最高电压的测量中，例如以允许用户获得和记录跨越汇流条的阻抗发展的电压。因此，在实施例中，电压引脚128可以被连接以包括汇流条。例如，如果只具有8条导线的配线被用于被设计为容纳14个通道的板，则板的顶部5个引脚(引脚9-14)可以是浮置的，电压引脚128可以耦合到电池元9以包括汇流条，同时电源输入可以连接到电池元8，以便排除汇流条。

图3中描绘的电路并不限于其中示出的或附图文字中描述的结构性细节。本领域技术人员将意识到，合适的监测系统可以例如，通过代替地测量电流并随后将结果转换成电压信息来确定一些或所有电压。

图4是根据本公开内容的各个实施例的，用于验证电池堆顶部的电压的说明性过程的流程图。验证过程400开始于步骤402，此时，在实施例中，与电池堆中的电池元块中的个体电池元相关联的电压，是例如经由测量可以耦合或不耦合到电池元的电压节点上的电压的adc测量来确定的。

在步骤404处，adc测量可以用于确定例如汇流条的存在，和汇流条相对于块中的电池元的位置，以及作为诊断测量的部分。在实施例中，辅助电路可以用于自动定位在电池元块中的最高电压或与该最高电压相关的电压。可以在耦合到电池元块中的电池元中的任一个电池元的专用引脚处发现最高电压，或者如果电池元块包括汇流条，则可以在耦合到该汇流条的引脚处发现最高电压。

在步骤406处，确定个体电池元的电压的总和，所述总和包括可能存在的任何汇流条电压。

在步骤408处，可以将个体电池元的电压的总和与电池堆顶部的电压(包括任何汇流条电压)进行比较以获得比较结果。

最后，在步骤410处，一旦该结果超过门限(例如用户可选择的门限)，就可以使用比较结果以例如触发指示紧急过程的安全警报。要注意的是，额外的步骤可以包括在某些时间关闭电路的一部分以减少总功耗。

本领域技术人员将认识到，计算系统或编程语言对于实践本发明并不是关键性的。本领域技术人员还将认识到，上述多个元件可以在物理上和/或功能上被分成子模块或者组合在一起。

本领域技术人员将意识到，前述示例和实施例是示例性的，以及不限制本公开内容的保护范围。本公开内容旨在使本领域技术人员在阅读本说明书和研究附图后显而易见的所有的置换、增强、等效物、组合和改进包括在本公开内容的真实精神和保护范围内。还应当注意的是，任何权利要求的元素可以被以不同方式布置，包括具有多个依赖性、配置和组合。