用于评估电池中的电池单元的电路和方法
【技术领域】
[0001] 各种实施例整体上涉及用于评估电池中的电池单元的电路和方法。
【背景技术】
[0002] 电池单元（例如电化学电池单元）可以串连连接形成电池。如果在电池充电和放 电期间超过电池单元的电压上限和电压下限，电池单元可能被损害。电池中电池单元的电 压可使用主动平衡而被调整。在顶部平衡中，来自具有比其它电池单元更高电压的电池单 元的电荷可以分配到电池。在底部平衡中，具有比其它电池单元更低电压的电池单元可以 被电池充电。然而，确定电池中各个电池单元的电荷状态或健康状态可能是困难的，尤其是 如果电池单元是串连连接的。
【发明内容】
[0003] 在各种实施例中，提供了用于评估电池的电池单元的方法。方法可以包括：使用电 荷脉冲平衡电池的电池单元电压，其中电荷脉冲通过振荡测试信号调制；测量流过电池单 元的电流并且测量电池单元两端的电压；解调测量的电流和测量的电压；以及基于经解调 的电流和经解调的电压确定阻抗。
[0004] 进一步，在各种实施例中提供了电路，电路包括主动平衡电路、脉冲生成单元、测 量单元、解调单元和计算单元。主动平衡电路可通过使用电流脉冲电感性地转移在相应电 池单元和电池之间的电荷而被配置用于平衡电池的电池单元电压。脉冲生成单元可被配置 用于生成电流脉冲，其中电流脉冲被调制具有给定的频率。测量单元可被配置用于测量电 池单元两端的电压和流过电池单元的电流。解调单元可被配置用于在给定的频率下根据测 量的电池单元两端的电压和流过电池单元的电流来确定电压和电流。计算单元可被配置用 于根据在给定频率下确定的电压和电流来计算电池单元的阻抗。
【附图说明】
[0005] 在附图中，贯穿不同视图，同样的附图标记一般指的是相同的部分。附图不必按比 例，而是一般将重点放在图示本发明的各原理。在附图中，参考编号最左边的数字可以标识 参考编号第一次出现的附图。贯穿附图相同的编号可被用于引用同样的特征和部件。在以 下描述中，本发明的各种实施例参照以下附图来描述，其中：
[0006] 图1示出了电路的实施例；
[0007] 图2示出了用于图示平衡电路的操作的图的实施例；
[0008] 图3示出了调制的电流脉冲的实施例；
[0009] 图4示出了调制的电流脉冲的实施例；
[0010] 图5示出了调制的电流脉冲的实施例；
[0011] 图6示出了调制的电流脉冲的实施例；以及
[0012] 图7示出了用于评估电池中的电池单元的方法的实施例。
【具体实施方式】
[0013] 以下详细描述涉及附图，其通过图示的方式示出了本发明可被实践在其中的具体 细节和实施例。
[0014] 本文中词语"示例性的"被用于意指"用作示例、实例或图示"。本文中被描述为 "示例性的"任何实施例或设计不必被解释为相对于其它实施例或设计是优选的或有利的。
[0015] 图1示出了电路的实施例100。电路可被用于评估电池107中的电池单元102。例 如，例如经由确定电池单元102的阻抗，它可被用于确定电池单元102的电荷状态（SoC)或 者健康状态（SoH)。电路可包括电池107、平衡电路101、控制单元103、测量单元105、解调 单元111和计算单元126。
[0016] 电池107可包括电池单元102。电池单元102可以彼此串联连接以形成电池107。 然而，他们还可以以不同方式连接。例如，电池单元102可以并联连接并且并联连接的电池 单元可以与其它并联连接的电池单元串联连接。虽然只有四个电池单元102被示出，电路 还可以具有不同数量的电池单元102。
[0017] 电路可被配置用于将电荷转移到电池107中的任何电池单元102并且转移来自电 池107中的任何电池单元102的电荷。然而，电路还可被配置用于仅仅将电荷转移到电池 单元102,也就是给电池单元102充电，或者被配置用于仅仅转移来自电池单元102的电荷， 也就是使电池单元102放电。
[0018] 在各种实施例中，平衡电路101可包括变压器。变压器可包括初级线圈104和多 个次级线圈106。例如经由磁芯108或经由另一种媒介，初级线圈104和多个次级线圈106 可被磁性耦合。初级线圈104可跨电池107被耦合。相应次级线圈106可跨电池107的相 应电池单元102被耦合。初级线圈104的匝数与次级线圈106的匝数的比值可以是N。作 为示例，对于12个电池单元102, N可以是N = 8。
[0019] 在各种实施例中，平衡电路101可以进一步包括第一开关器件110和多个第二开 关器件112。第一开关器件110可被配置用于控制流过初级线圈104的电流。第一开关器 件110可以与初级线圈104串联连接，其中该串联连接可跨电池107被耦合。每一个第二 开关器件112可被配置用于控制流过相应次级线圈106的电流。第二开关器件112可以与 相应次级线圈106串联连接，其中该串联连接可跨相应电池单元102被耦合。
[0020] 第一开关器件110可以具有控制输入116。控制单元103可给控制输入116提供 信号G P，以用于控制第一开关器件110。每一个第二开关器件112可以具有相应的控制输 入114。控制单元103可给相应控制输入114提供相应信号G S1、GS2、Gs3和Gs4，以用于控制 相应第二开关器件112。第一开关器件110和多个第二开关器件112可以是M0SFET。
[0021] 控制单元103可被配置用于控制平衡电路101以提供电流脉冲。它可给平衡电路 101提供控制信号G S1、GS2、GS3、Gs4和G P。控制信号GS1、GS2、GS3、G s4和G P可以控制平衡电路 101以转移电荷。在各种实施例中，平衡电路101可被配置用于电感性地转移在电池107的 电池单元102之间的电荷。电荷可以使用电流脉冲被转移。
[0022] 控制信号GS1、GS2、GS3、G s4和G p可以以这种方式被提供：电荷的转移可利用测试信 号调制。换言之，电荷的转移可被测试信号以这种方式影响：电荷的转移可携带包含在测试 信号中的信息。在各种实施例中，电荷的转移可在振幅、频率或相位方面被调制，或这些调 制的组合。不同类型的调制结合图4、图5和图6来描述。
[0023] 在各种实施例中，测试信号的信息可以是频率。控制单元103可以具有输入130， 在该处频率&的振荡可被输入。频率f JP /或一些它的谐频η · f τ可被用于激励电池单 元102具有该频率，并且电池单元102的阻抗在该频率下可被测量。不要求单独的激励电 路，因为激励可以在使用平衡电路101转移电荷的同时发生。
[0024] 控制单元103和平衡电路101可形成脉冲生成单元。他们可以被配置使得电流脉 冲的平均值随时间振荡。平均值可由脉冲的振幅、脉冲的周期（或脉冲之间的时间差）、脉 冲的相位或脉冲的宽度、或它们的组合来确定。
[0025] 控制单元103可以具有转换器电路132。转换器电路132可将例如频率fT的信息 转换为定时信号TS，其可以确定脉冲的振幅、周期、相位和宽度。
[0026] 控制单元103可以具有分配单元134。分配单元134可将定时信号TS经由相应控 制信号G S1、GS2、GS3、Gs4和G p分配给第一开关器件110或一个第二开关器件112。定时信号 TS的分配可取决于电荷要被转移到和转移出哪个电池单元102。例如，如果电荷要从标记 为B4的电池单元102被转移到电池107,分配单元134可输出针对控制信号G s4的定时信 号，随后是针对控制信号Gp的定时信号。作为另一个示例，如果电荷要从电池107被转移 到标记为Bl的电池单元102,分配单元134可输出针对控制信号G p的定时信号，随后是针 对控制信号Gsi的定时信号。
[0027] 为了确定哪个电池单元102要被充电或放电，分配单元134可与电池单元102耦 合，以确定他们的电压V B1、VB2、Vb3和V B4。模数转换器120可与电池单元102连接，以提供 他们的相应电压VI、V2、V3和V4。为简单起见，这些连接未在图1中示出。
[0028] 在各种实施例中，电流脉冲的峰值（或振幅A)、相邻电流脉冲之间的时间差和电 流脉冲的宽度中的至少一个可随时间以振荡的方式变化。在各种实施例中，电流脉冲的平 均值的振荡可以是正弦的。正弦振荡在频域中可以更容易分析。然而，振荡不限于纯粹的 正弦振荡；它可包含高次谐波。在各种实施例中，电流脉冲的平均值的振荡可以有偏移，例 如M cwset。偏移可比振荡振幅更大，使得平均值的振荡不改变它的符号。在各种实施例中， 振荡频率，例如fT，可低于1kHz。电流脉冲可出现在更高的频率下，例如100kHz。振荡频率 可以是电流脉冲的频率的十分之一到百分之一。由于不同的频率，振荡频率可与电流脉冲 的频率分离。振荡频率可从电流脉冲中被解调。
[0029] 在各种实施例中，电路可进一步包括与电池107串联耦合的分流电阻器118。分流 电阻器118可被用于测量流过电池107的电流I shunt。假设所有的第二开关器件112是关闭 的，即是不导通的，且流过模数转换器120的电流是可忽略的，电流I shmt可等于通过每个电 池单元 102 的电流 Ibi、IB2、IBjP IB4。
[0030] 在各种实施例中，电路可包括测量单元105。测量单元105可被配置用于确定分流 电阻器118两端的电压和相应电池单元102两端的相应电压V B1、VB2、Vb3和Vm。电压可通 过跨分流电阻器118和相应电池单元102连接的模数转换器120来确定。如果分流电阻器 118的值Rsh是已知的，电流1%_可由连接到分流电阻器118的模数转换器120提供的电 压来计算。
[0031] 在各种实施例中，电路可进一步包括解调单元111。解调单元111可包括多个滤波 器122。滤波器122可被配置用于拒绝高于电流脉冲平均值的振荡频率的频率。换句话说， 电流脉冲发生的频率可被抑制且电流脉冲平均值的振荡频率可通过滤波器122。在各种实 施例中滤波器122中的一个例如经由模数转换器120被耦合到分流电阻器118并且对分流 电阻器118两端的电压进行滤波。在各种实施例中，滤波器122例如经由相应模数转换器 120被耦合到相应电池单元102并且对相应电池单元102两端的电压进行滤波。对分流电 阻器118两端和相应电池单元102两端的电压进行滤波可提供电流脉冲的平均值。换句话 说，测试信号的频率可被恢复或解调。平均值可在例如调制频率4的频率下振荡。
[0032] 在各种实施例中，多个滤波器122的截止频率可以是可调整的。截止频率可适应 于电流脉冲平均值的振荡频率。滤波器122可被耦合到输入130,在输入130处振荡频率f T 输入到控制单元103,如图1中虚线113所示。
[0033] 在各种实施例中，电路可以进一步包括计算单元126。计算单