电压补偿的主动电池平衡的制作方法
【专利摘要】一种监测装置，包括：输入端子，所述输入端子配置为从电池系统管理（BSM）接收输入信号；输出端子，所述输出端子配置为输出用于确定开路电池电压的电池参数，所述开路电池电压与所述电池组内的多个电池中的一个相关联，所述电池组基于从所述BSM接收到的输入信号连接至所述监测装置；处理器；以及存储可执行指令的存储器，所述可执行指令用于使所述处理器：测量与所述电池组内的多个电池中的所述一个相关联的电池电压；测量与测量到的平衡电流相关联的电压降；通过基于所述测量到的电压降调整所述测量到的电池电压，计算所述开路电池电压；以及基于所述计算出的开路电池电压平衡所述电池组，其中平衡以及计算所述开路电池电压同时进行。
【专利说明】电压补偿的主动电池平衡
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年4月5号申请的、题为"浮充电压补偿的主动电池平衡器使电 池容量恢复最大化并提高电池组模块设计的安全性"的美国临时申请号61/809, 192的权 益，其公开内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0003] 大部分电池组监视器（BSM)直接连接至电池组，并且只能测量单个的电池电压。通 过场效应管（M0SFET)以及电阻器的进行的被动平衡（Passive balancing)通常被用于平衡 电池电压和/或电池存储的电荷。在BSM测量电池电压期间，可能必须关闭电池平衡；否则， 可能引入显著的读数（reading)错误。这可能归因于电缆阻抗、互连阻抗、电池阻抗以及内 部电池等效串联电阻器（ESR)中的电阻器压降（IR drop)。由于这些电阻器压降，电池平衡 占空比可能减少或者在一些情况下平衡可能是不可能的。没有已知的在主动或被动平衡期 间用于在ESR、电线电缆以及用于计算精确的电池浮充电压的连接器中补偿电阻器压降（IR drops)的替代方法。在业内有用于通过在整个电池组的充电与放电期间为电池ESR补偿计 算浮充电压的方法，但是不适用于电池测量期间平衡。
[0004] 这样，存在需求来在平衡期间启用BSM测量电池电压测量，并克服平衡期间的测 量误差(如电池浮充电压的误差补偿)，这允许一个平衡控制电路在电池的充电和放电期间 安全地运转、增加平衡占空比、以及优化平衡控制电路的规模和成本。
【发明内容】
[0005] 在一个总的方面中，本申请描述了一种监测装置，所述监测装置配置为在电池组 平衡期间监测开路电池电压。所述监测装置包括输入端子，所述输入端子配置为从电池系 统管理（BSM)接收输入信号；输出端子，所述输出端子配置为输出用于确定开路电池电压 的电池参数，所述开路电池电压与电池组中的多个电池中的一个相关联，所述电池组基于 从BSM接收到的输入信号连接至所述监测装置；处理器；以及存储可执行指令的存储器，所 述可执行指令用于使所述处理器：测量与所述电池组中多个电池中的所述一个相关联的电 池电压；测量与测量到的平衡电流相关联的电压降；通过基于所述测量到的电压降调整测 量到的电池电压，计算开路电池电压；以及基于所述计算出的开路电池电压平衡所述电池 组，其中平衡以及计算开路电池电压同时进行。
[0006] 上述总的方面可包括下面的特征中的一个或多个。所述监测装置可在BSM和电池 组之间，并可进一步包括：集成电源开关；以及模拟多路复用器，所述模拟多路复用器配置 为在所述输出端子上基于在所述输入端子上接收到的输入信号提供可测量的参数，所述测 量参数包括平衡启用的所述电池组内的多个电池中的所述一个的电池电压、平衡禁用的电 池电压、与平衡电流成比例的电压、与监测装置的内部芯片温度成比例的电压、和/或信号 交换（handshake)电压。所述信号交换电压可决定由BSM测量读数的精确度。
[0007] 所述监测装置可进一步包括用于测量平衡电流的电流检测放大器，其中存储器进 一步存储可执行指令，所述可执行指令用于使所述处理器主动监测所述监测装置的平衡电 流，以及用于基于监测到的平衡电流计算电压降，以避免所述多个电池中的所述一个在平 衡期间过度充电或充电不足。所述监测装置可包括单片回扫DC/DC转换器。所述存储器可 进一步存储可执行指令，所述可执行指令用于使所述处理器：在输入端子上接收的输入信 号的第一下降沿上，激活所述监测装置；创建一个定义窗口时间的时间窗口，在所述时间窗 口内所述监测装置是活动的；在所述时间窗口期间计算输入端子上的负脉冲的数目；在输 出端子上输出对应于输入端子上的最后一个已知的负脉冲计数的信号交换电压；以及一旦 所述时间窗口到期，基于计算的负脉冲的数目，输出与电池参数成比例的电压。
[0008] 所述监测装置可通过单线式电池连接（connection)连接至电池组，在所述单线式 电池连接中，所述监测装置到电池组的接地连接与另一个监测装置到电池组的Vcell连接 共享共同的通路。所述存储器可进一步存储可执行指令，所述可执行指令用于使所述处理 器基于下面的公式计算所述开路电池电压：V n，A = Vn，B+In · *Rn，A+( In_ I MOD) * ^n, CELL
[0009] 其中，Vn，A为与所述多个电池中的所述一个相关的开路电池电压，V n，B为所述监测 装置为多个电池中的一个测量到的电池电压，IVu和Rni B为与连接所述监测装置的接地 端子和电池的负性端子的线路相关联的电阻，Rn，A和R n，B为与连接所述监测电路的引脚 (pin)和所述电池的正性端子的线路相关联的电阻，为与所述多个电池中的所述一个 的下面的电池以及上面的电池不具有共享路径的所有阻抗导致的电阻，1"为与所述多个电 池中的上述一个相关联的平衡电流，I n_i为与所述多个电池中的所述一个的下面的电池相 关联的平衡电流，In+1为与所述多个电池中的所述一个的上面的电池相关联的平衡电流，以 及I?为同时流经所述多个电池的电流。
[0010] 所述监测装置可通过双线式电池连接（connection)连接至电池组，在所述双线式 电池连接中，所述监测装置到电池组的接地连接不与第二监测装置到电池组的Vcel 1连接 共享共同的路径，所述第二监测电路临近并在监测电路的下面。所述存储器可进一步存储 可执行指令，所述可执行指令用于使所述处理器基于下面的公式计算与所述监测电路相关 联的阻抗：
[0011]
【权利要求】
1. 一种监测装置，其特征在于，所述监测装置配置为在电池组平衡期间监测开路电池 电压，所述监测装置包括： 输入端子，所述输入端子配置为从电池系统管理（BSM)接收输入信号； 输出端子，所述输出端子配置为输出用于确定开路电池电压的电池参数，所述开路电 池电压与所述电池组内的多个电池中的一个相关联，所述电池组基于从所述BSM接收到的 输入信号连接至所述监测装置； 处理器；以及 存储可执行指令的存储器，所述可执行指令用于使所述处理器： 测量与所述电池组内的多个电池中的所述一个相关联的电池电压； 测量与测量到的平衡电流相关联的电压降； 通过基于所述测量到的电压降调整所述测量到的电池电压，计算所述开路电池电压； 以及 基于所述计算出的开路电池电压平衡所述电池组，其中平衡以及计算所述开路电池电 压同时进行。
2. 权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置在所述BSM和所述电池组之 间，并进一步包括： 集成电源开关；以及 模拟多路复用器，所述模拟多路复用器配置为在输出端子上基于在所述输入端子上接 收到的所述输入信号提供可测量的参数，所述测量参数包括平衡开启的所述电池组内的多 个电池中的所述一个的电池电压、平衡禁用的电池电压、与平衡电流成比例的电压、与所述 监测装置的内部芯片温度成比例的电压、和/或信号交换电压。
3. 权利要求2所述的监测装置，其特征在于，所述信号交换电压决定由所述BSM测量读 数的精确度。
4. 权利要求1所述的监测装置，其特征在于，进一步包括用于测量平衡电流的电流检 测放大器，其中所述存储器进一步存储可执行指令，所述可执行指令用于使所述处理器主 动监测所述监测装置的所述平衡电流，并用于基于所述监测到的平衡电流计算所述电压 降，以避免所述多个电池中的所述一个在平衡期间过度充电或充电不足。
5. 根据权利要求1所述的监测电路，其特征在于，所述监测装置包括单片反激式直流/ 直流转换器。
6. 权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述存储器进一步存储可执行指令，所述 可执行指令用于使所述处理器： 在所述输入端子上接收到的输入信号的第一下降沿上，激活所述监测装置， 创建一个定义窗口时间的时间窗口，在所述时间窗口内所述监测装置是活动的， 在所述时间窗口期间，计算在所述输入端子上的负脉冲的数目， 在所述输出端子上输出对应于所述输入端子上的最后一个已知的负脉冲计数的信号 交换电压， 以及一旦所述时间窗口到期，基于计算的负脉冲的数目，输出与电池参数成比例的电 压。
7. 权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置通过单线式电池连接连接 至所述电池组，在所述单线式电池连接中，所述监测装置到所述电池组的接地连接与另一 个监测装置到所述电池组的Vcell连接共享共同的路径。
8. 根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于，所述存储器进一步存储可执行指令， 所述可执行指令用于使所述处理器基于下面的公式计算所述开路电池电压： Vn，A - Vn，B+In · (Rn-l，A+Rn，B) _In-l · Rn-l，B_In+l · Rn，A+(In_lMQD) · Rn, CELL，其中： Vn，A为与所述多个电池中的所述一个相关联的所述开路电池电压， Vn，B为所述监测装置为多个电池中的一个测量到的电池电压， iUA和iUB为与连接所述监测装置的接地端子和所述电池的负性端子的线路相关联 的电阻， Rn，A和Rn，B为与连接所述监测电路的Vcell引脚和所述电池的正性端子的线路相关联 的电阻， Rn，CM为与所述多个电池中的所述一个的下面的电池以及上面的电池不具有共享路径 的所有阻抗导致的电阻， In为与所述多个电池中的所述一个相关联的平衡电流， Im为与所述多个电池中的所述一个的下面的电池相关联的平衡电流， In+1为与所述多个电池中的所述一个的上面的电池相关联的平衡电流，以及 I?为同时流经所述多个电池的电流。
9. 权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置通过双线式电池连接连接 至所述电池组，在所述双线式电池连接中，所述监测装置到所述电池组的接地连接不与第 二监测装置到所述电池组的Vcell连接共享共同的路径，所述第二监测电路临近并在所述 监测电路的下面。
10. 权利要求9所述的监测装置，其特征在于，所述存储器进一步存储可执行指令，所 述可执行指令用于使所述处理器基于下面的公式计算与所述监测电路相关联的阻抗： " ^n.MODLn ~ ^H.MODiA ~ n ~ ^ MOD ) * ^n.CHU. . κ=--；- -;^，其中： 1 η 对应于所述监测装置被禁用的所述多个电池中的所述一个的电池电压， \ΜΕ1对应于所述监测装置被启用的所述多个电池中的一个的电池电压， Ιη为与所述多个电池中的所述一个相关联的平衡电流， I?为同时流经所述多个电池的电流，以及 Rn，CEi为所述多个电池中的一个的直流电阻（DCR)及连接电阻。
11. 权利要求10所述的监测装置，其特征在于，所述存储器进一步存储可执行指令，所 述可执行指令用于使所述处理器基于下面的公式用双线式电池连接计算所述开路电池电 压： Vn，A - Vn，B+In · Rn+(Ιη_Ι|Κ?) · Rn，CELL_In-l · Rn-1，其中： Vn，A为与所述多个电池中的所述一个相关联的开路电池电压， Vn，B为所述监测装置为所述多个电池中的所述一个测量到的电压， Rn为与连接至所述多个电池中的所述一个的监测装置的引脚相关联的阻抗， Rm为与连接至所述多个电池中的所述一个的下面的电池的监测装置相关联的阻抗， Rn，CM为所述多个电池中的一个的DCR及连接电阻， In为与所述多个电池中的所述一个相关联的平衡电流， Im为与所述多个电池中的所述一个的下面的电池相关联的平衡电流，以及 I?为同时流经所述多个电池的电流。
12. 权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述存储器进一步存储可执行指令，所 述可执行指令用于使所述处理器测量与所述多个电池中的所述一个相关联的电压跌落并 基于所述电压跌落和所述电压降计算所述开路电池电压。
13. 权利要求1所述的监测装置，其特征在于，在与所述多个电池中的所述一个相关联 的监测装置的阈值时间开启之后，所述电压跌落被加到所述电压降上计算开路电池电压。
14. 一种系统，其特征在于，包括： 多个模块，每个模块包括电池组、权利要求1的用于平衡所述电池组的多个电池中的 一个的监测电路，以及用于测量开路电压的模块系统管理，其中测量所述开路电池电压和 平衡所述电池同时进行； 模块-到-组-平衡器，所述模块-到-组-平衡器耦合至所述多个模块，并包括多个 平衡器，每个所述平衡器都与所述多个模块中的一个相关联，所述模块-到-组-平衡器配 置为平衡所述模块之间的电压或存储电荷。
15. -种IR补偿的主动电池平衡方法，其特征在于，包括步骤： 在监测装置的输入端子处以及从电池系统管理（BSM)接收输入信号； 响应于所述输入信号，激活用于平衡耦合到所述监测装置的电池组内的多个电池中的 一个的所述监测装置； 测量与所述多个电池中的一个相关联的电池电压； 测量与测量到的平衡电流相关联的电压降； 通过基于所述测量到的电压降调整所述测量到的电池电压，由处理器计算与所述多个 电池中的所述一个相关联的开路电池电压；以及 基于所述处理器计算出的开路电池电压平衡所述电池组，其中平衡和计算所述开路电 池电压同时进行。
16. 权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括在输出端子上基于在所述输入 端子上接收到的输入信号提供可测量的参数，其中，所述测量参数包括平衡启用的所述电 池组内的多个电池中的所述一个的电池电压、平衡禁用的电池电压、与平衡电流成比例的 电压、与所述监测装置的内部芯片温度成比例的电压、和/或信号交换电压。
17. 权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括： 主动监测所述监测装置的所述平衡电流；以及 基于所述监测到的平衡电流计算所述电压降，以避免所述多个电池中的所述一个在平 衡期间过度充电或充电不足。
18. 权利要求15所述的方法，其特征在于，所述监测装置包括单片回扫DC/DC转换器。
19. 权利要求15所述的方法，其特征在于，激活所述监测装置包括：在所述输入端子上 接收的输入信号的第一下降沿上激活所述监测装置，所述方法进一步包括： 创建一个定义窗口时间的时间窗口，在所述时间窗口内所述监测装置是活动的； 在所述时间窗口期间计算所述输入端子上的负脉冲的数目；以及 在所述输出端子上输出对应于所述输入端子上的最后一个已知的负脉冲计数的信号 交换电压；以及 一旦所述时间窗口到期，基于计算的负脉冲的数目输出与电池参数成比例的电压。
20. 权利要求15所述的方法，其特征在于，计算所述开路电池电压包括基于下面的公 式计算所述开路电压： Vn，A - Vn，B+In · (Rn-l，A+Rn，B) _In-l · Rn-l，B_In+l · Rn，A+(In_lMQD) · Rn, CELL，其中： Vn，A为与所述多个电池中的所述一个相关联的所述开路电池电压， Vn，B为所述监测装置为所述多个电池中的所述一个测量到的电池电压， IVu和IVu为与连接所述监测装置的接地端子与所述电池的负性端子的线路相关联 的电阻， Rn，A和Rn，B为与连接所述监测电路的v Mll引脚与所述电池的正性端子的线路相关联的 电阻， Rn，cm为与所述多个电池中的所述一个的下面的电池以及上面的电池不具有共享路径 的所有阻抗导致的电阻， ιη为与所述多个电池中的所述一个相关联的平衡电流， Im为与所述多个电池中的所述一个的下面的电池相关联的平衡电流， ιη+1为与所述多个电池中的所述一个的上面的电池相关联的平衡电流，以及 I?为同时流经模块中的所述多个电池的电流，所述模块包括所述监测装置以及所述 BSM。
21. 权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括计算与用于基于下面的公式计 算所述开路电池电压的监测电路相关联的阻抗：
，其中： 对应于所述监测装置被禁用的所述多个电池中的所述一个的电池电压， \?_对应于所述监测装置被启用的所述多个电池中的所述一个的电池电压， In为与所述多个电池中的所述一个相关联的平衡电流， I?为同时流经所述多个电池的电流，以及 Rn，CM为多个电池中的一个的直流电阻及连接电阻。
22. 权利要求21所述的方法，其特征在于，计算所述开路电池电压包括基于下面的公 式计算所述开路电压： Vn，A - Vn，B+In · Rn+(Ιη_Ι|Κ?) · Rn，CELL_In-l · Rn-1，其中： Vn，A为与所述多个电池中的所述一个相关联的开路电池电压， Vn，B为所述监测装置为所述多个电池中的所述一个测量到的电池电压， Rn为与连接至所述多个电池中的所述一个的监测装置的引脚相关联的阻抗， Rm为与连接至所述多个电池中的所述一个的下面的电池的监测装置相关联的阻抗， Rn，CM为所述多个电池中的一个的DCR及连接电阻， In为与所述多个电池中的所述一个相关联的平衡电流， Im为与所述多个电池中的所述一个的下面的电池相关联的平衡电流，以及 I?为同时流经模块中的所述多个电池的电流，所述模块包括所述监测装置以及所述 BSM。
23. -种监测装置，其特征在于，包括： 输入端子，所述输入端子配置为从电池系统管理（BSM)接收输入信号； 输出端子，所述输出端子配置为输出用于确定开路电池电压的电池参数，所述开路电 池电压与所述电池组内的多个电池中的一个相关联，所述电池组基于从所述BSM接收到的 输入信号连接至所述监测装置； 处理器；以及 存储可执行指令的存储器，所述可执行指令用于使所述处理器： 测量与所述电池组内的多个电池中的所述一个相关联的电池电压； 测量与测量到的平衡电流相关联的电压降； 通过基于所述测量到的电压降调整所述测量到的电池电压，计算所述开路电池电压； 计算与所述多个电池中的所述一个相关联的容量； 基于所述计算出的容量计算所述多个电池中的所述一个的存储电荷； 基于所述计算出的存储电荷平衡所述电池组，其中平衡以及计算所述开路电池电压同 时进行。
24. 权利要求23所述的监测装置，其特征在于，所述存储器进一步包括存储可执行指 令，所述可执行指令用于使所述处理器基于下面的公式计算所述容量：
Δ Qn表不在一个时间周期内所述多个电池中的所述一个中的存储电荷的变化量， A%SOCn表示在所述时间周期内所述多个电池中的所述一个的电荷状态（SOC)的百分 比变化，以及 Capacity。表示所述多个电池中的所述一个的容量。
25. 权利要求24所述的监测装置，其特征在于，为了计算所述开路电池电压，所述存储 器进一步存储可执行指令以计算第一开路电压和第二开路电压，并计算所述SOC的百分比 变化，所述存储器进一步存储可执行指令以使用查阅表，所述查询表配置为使所述第一开 路电池电压与第一百分比SOC相关，以及使所述第二开路电池电压与第二百分比SOC相关， 以便所述第一百分比SOC与所述第二百分比SOC之间的区别对应于所述SOC的百分比变 化。
26. 权利要求25所述的监测装置，其特征在于，所述存储器进一步存储可执行指令，所 述可执行指令用于使所述处理器基于下面的公式计算所述容量： Qn=%SOCn · Capacityn，其中： %SOCn表示所述多个电池中的所述一个的百分比SOC，以及 Capacity。表示所述多个电池中的所述一个的容量。
【文档编号】H02J7/00GK104104130SQ201410139360
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2013年4月5日
【发明者】戴夫·迪克亚姆·金, 罗伯特·乔恩·米利肯 申请人:凌力尔特有限公司