专利名称：用于测量电池内阻的系统和方法
技术领域：
本公开内容一般地涉及测量电池内阻，并且具体地涉及一种用于测量电池的内阻并且产生电池上更少的消耗而且比先前使用的测量系统更快速地实现电阻测量的系统和方法。
背景技术：
电池的内阻表明电池向负载或者电路供给电力的容量。可以定期地测量内阻以保证电池满足预定健康状态(State of Health, SOH)。基于各种类型的电池(如铅、铅酸和铅钙电池)的现场测试，一旦内阻增加至高于它的标称值25%，电池就不能满足它的容量要求并且无法进行容量测试。现在参照图1，示出了电池电阻的示意模型。该模型包括自然电容Xc、机电电阻& 和金属电阻IV金属电阻&与机电电阻&和自然电容Xc的并联组合串联。机电电阻&代表电池的内阻并且包括电阻RPASTE、REi mE和I SEPEEATOK的串联组合。 Rpaste代表在电池的金属网格上使用的单元浆(cell paste)呈现的电阻。RElEC ote代表电池中的电解液的电阻。&ΕΡΕΚΑΤ。Κ代表电池中的隔膜(s^arator)的电阻。金属电阻 Rm 包括电阻 Rqeid to post、Rgeidλ Rstrap、^terminal post 白勺串联组合。Rgrid to post 代表在电池接柱与连接多个电池单元的金属网格之间的结电阻呈现的电阻。Rckid代表金属网格呈现的电阻。&ΤΚΑΡ代表将电池接柱连接到另一电池的接柱的传导条或者线呈现的电阻。 Rp0ST代表电池接柱呈现的电阻。现在参照图2，示波器迹线示出了在根据现有技术进行的内阻测试期间的电池电压的例子。迹线20代表电池电压。水平轴22代表每个划分为IOOmS的时间。在时间M 之前，电池电压处于浮充电压。浮充电压是在电池完全充满电并且无负载时的电池电压。在时间24，向电池施加电负载。电池电压在时间沈呈指数下降至负载电压。电池内阻可以估计为Δν/Ι，其中ΔΥ是无负载电压与负载电压之差，并且I是电池电流。在时间沈之后，去除负载并且电池电压恢复至浮充电压。图2示出了电池电阻测试的每个迭代可能耗时约400mS。
发明内容
在一个方面中，本公开内容涉及一种用于测量电池的内阻的系统。该系统可以包括处理器；负载模块，用于响应于处理器在电池两端施加负载；电流感测子系统，用于感测流向负载模块的电流并且根据电流来生成感测电流信号；以及复用器子系统，与电流感测子系统连通用于检测在电池两端耦合和从电池释放负载模块时的电压，并且根据电压来生成电压信号；以及滤波和放大子系统，用于响应于复用器子系统对每个电压信号的电平进行滤波和放大以产生处理器在确定电池的内阻时所使用的成对修改的电压信号。在另一方面中，本公开内容涉及一种用于测量电池的内阻的系统。该系统可以包括处理器；负载模块，用于响应于处理器在电池两端施加负载；电流感测子系统，用于感测流向负载模块的电流并且根据电流来生成感测电流信号；以及复用器模块，与电流感测子系统连通用于检测在负载模块两端的电压并且根据电压来生成成对电压信号，一个电压信号是在电池两端耦合负载时，而一个电压信号是在电池两端未耦合负载时；以及电平移位、滤波和放大子系统，响应于复用器模块和电流感测子系统，对电压信号进行滤波以减少每个电压信号的带宽，以由此产生带宽减少的电压信号；对带宽减少的电压信号进行电平移位以产生电平移位的电压信号；并且放大电平移位的电压信号以产生成对修改的电压信号，并且其中修改的电压信号在已经向电池施加负载之后随着电池恢复而形成电平移位的电压信号的电压阶跃的放大部分。在另一方面中，本公开内容涉及一种用于测量电池的内阻的方法。该方法可以包括在电池的成对端子两端施加负载；感测流过负载的电流并且根据电流来生成感测的电流信号；测量在电池两端的电压改变以产生电压信号；对电压信号进行滤波以产生带宽减少的电压信号；对带宽减少的电压信号进行电平移位以产生移位的电压信号；放大移位的电压信号以产生放大的电压信号；并且使用放大的电压信号和感测的电流信号以计算电池的内阻。
这里描述的附图仅出于示例目的而不用来以任何方式限制本公开内容的范围。图1是示出了典型现有技术的电池的电池电阻的示意模型；图2是示出了在根据现有技术进行内阻测试期间的电池电压的例子的示波器迹线.
一入 ，图3A是根据本公开内容一个方面的电池测试器的一个实施例的框图；图;3B是图3A的电池测试器的电平移位、滤波和放大子系统的一个实施例的框图；图4是示出了在图3A的电池测试器进行电池电阻测试之时可能在受测试的电池两端出现的电压波形的例子的示波器迹线；图5是图4中所示示波器迹线的部分的放大图，该图更详细地图示了图1的电池测试器分析的电压波形的阶跃部分；并且图6是示出了图3A的系统可以进行的操作的流程图。
具体实施例方式现在参照图3A，示出了根据本公开内容一个方面的电池测试器50的一个实施例的功能框图。电池测试器50可以采用电平移位、滤波和放大模块52。为了方便，该部件将通篇简称为“放大模块” 52，其中理解放大模块52不仅仅执行放大功能。放大模块52还可以包括高速模数转换器(A/D)模块52a。放大模块52的速度允许电池测试器50利用电池的性质以进行比现有技术的系统可能的电池电阻测试更快的电池电阻测试。在图3A中图示了电池40-1.....40-N并且为了方便将它们统一简称为“电池40”。
电池40串联连接以形成电池串42。将电池40-N表示为相连接的受测试的电池；然而应当理解任意电池40可以是受测试的电池。电池测试器50可以包括处理器M。处理器M与计算机可读存储器56连通。存储器56可以存储由处理器M执行的指令。指令可以实施如下方法控制向受测试的电池 40-N施加的负载、经由复用器(MUX)模块58和放大模块52读取电池电流和电池电压，并且基于读数来计算受测试的电池40-N的电池内阻。处理器M可以经由无线网络模块60和光纤或者有线网络模块62中的至少一个模块传达读数和电池电阻估计。可替换地，这样的信息可以存储在数据存档74中，数据存档74可选地包括可拆卸存储器用于在以后时间的后续分析。处理器M可以经由温度模块 64读取受测试的电池40-N的温度。温度模块64可以包括提供如下电信号的热电偶和热敏电阻，该电信号表明受测试的电池40-N的温度。可配置负载模块70可以用来选择性地向电池串42施加负载。负载模块70可以包括按照来自处理器M的适当的控制信号、在电池串42两端或者仅在电池串42的一个或者多个单独的电池的子集两端选择性地并联连接的多个负载电阻器。更具体地，由处理器 M控制的晶体管或者其它适当的开关元件可以开关负载，使得可以在电池串42两端耦合具体所期望的负载。在一个方面中，负载模块70可以包括由晶体管或者其它适当的开关元件开关的4欧姆负载、3欧姆负载和0. 3欧姆负载。然而负载模块70可以包括更大或者更少数目的可开关负载，并且具体的电阻值4、3和0. 3欧姆仅为示例，因为其它电阻负载可以用来满足具体应用的需要。处理器M可以基于存储器56中存储的表来选择负载组合。该表可以表明针对电池串42中的电池电压和电池40的数目的特定组合来打开哪个或者哪些负载。电池测试器50还可以包括生成如下信号的电流感测模块72，该信号代表流过电池串 42的电流量。电流感测模块可以包括向复用器模块58提供信号的0.01欧姆的分流电阻器。在一个例子中，0. 01欧姆的分流电阻器可以具有1. 0%的初始容差和75ppm/°C的温度系数。在一个例子中，分流电阻器在电池串42两端耦合的施加时间持续时间限于约50ms， 并且更优选地限于持续时间约为IOms的脉冲。复用器模块58选择性地将多个信号之一耦合到A/D模块52的输入。在复用器模块58的输入处的信号包括在负载和无负载条件之下获得的受测试的电池的电压和来自电流感测模块72的信号。如果未使用复用器模块58，则可以分别采用两个A/D模块52来数字化电池电压信号和来自电流感测模块72的信号。电力供给模块76可以用来调节来自电池串42的电力以向电池测试器50的各种部件供电。为了方便，已经省略从电力供给模块76到电池测试器50的各种部件的连接线。 可选地，可以在电池测试器50中包括独立电池78以向用于向电池测试器的各种部件供电的电力模块76提供电力。这将无需从电池串42获得电力以向电池测试器50的部件供电。现在参照图:3B，框图示出了放大模块52的一个示例性实施例。放大模块52可以包括对来自复用器模块58的信号进行滤波的可选低通滤波器(“LPF”)模块59。在一个实施例中，LPF模块59形成如下滤波器，该滤波器提供在约IKHz与50KHz之间的截止频率。 在一个具体实施例中，LPF滤波器模块59形成如下处理器可配置滤波器，该滤波器具有在用于电压、电流、电池单元间和级间(intercell and intertier)测量的IkHz与用于电阻测量的50kHz之间可选择的截止频率。经由从处理器M接收的控制信号进行精确截止频率的选择。LPF模块59的输出与运算放大器61的第一输入(例如非反相输入)连通。可以向运算放大器61的第二输入(例如反相输入)施加基准电压。基准电压可以由数模(D/A) 模块63生成，在一个实施例中数模(D/A)模块63可以形成8位D/A模块。D/A模块63可以由处理器M编程。运算放大器61的输出基于在它的第一和第二输入两端的电压差生成电压。向运算放大器61的第一输入提供的信号可以被认为是“带宽减少的信号”，因为该信号已经由LPF模块50滤波。向运算放大器61的第二输入施加的输入信号可以被认为是基准信号，因为该信号分量旨在于帮助对复用器模块58测量的电压信号的电平进行移位。在一个例子中，D/A模块63可以施加适用于按照预定因子，如因子四，来缩减测量的电压信号的基准信号。当处理电压时，运算放大器61的输出可以被认为是“电平移位的电压信号”。D/A模块63和运算放大器61操作用以进行合作地、选择性地DC移位和/或放大由LPF模块59提供的带宽减少的信号。对带宽减少的信号进行移位之所以有利是因为这去除了它的部分DC电压，这允许它随后被放大而不超过放大模块52的A/D模块52a的范围。放大带宽减少的信号也允许更容易分辨小电压阶跃。最终结果是增加了电池电压阶跃 Δ V的动态范围，这在分析的电池电压阶跃内允许更大的A/D分辨率(即增加的A/D计数的数目)。 可以向可编程增益放大器65施加运算放大器61的输出。放大器65的增益可以由处理器M控制。在一个实施例中，放大器65的增益可以由处理器M选择成增益1、10或者40以优化所得电压测量。放大器65的输出可以被认为是可以由第二 LPF模块67滤波的“修改的”电压信号。可以针对受测试的电池的负载和无负载条件产生修改的电压信号。 在一些实施例中，第二 LPF模块67可以实施为五阶巴特沃斯(Butterworth)滤波器。截止频率可以是25kHz。第二 LPF模块67的输出与A/D模块52a的输入连通。在一些实施例中，A/D 模块 52a 可以是逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register，SAR) ADC。 A/D模块的分辨率5 可以是16位。A/D模块5 将A/D转换结果传达到处理器M。现在参照图4，示波器迹线示出了在电池测试器50进行电池电阻测试之时在受测试的电池(例如电池40-N)两端出现的电压波形的例子。迹线100代表电池电压。在时间 102，负载模块70向电池串42施加负载。在一个例子中，负载代表持续时间为IOms的脉冲。 首先对在负载电阻两端的分流电压进行采样、并且此后允许例如约为5ms的短时间延迟以允许复用器模块58稳定(settle)也可以是有利的。当负载耦合到受测试的电池(例如电池40-N)时，电池电压以第一、快速的速率减少直至时间104。在时间104，电池电压开始以比它在时间102与104之间的时段期间减少的速率更慢的速率减少。在时间106，处理器M从电池串42断开(S卩“释放”)负载模块 70。从时间106直至时间108，电池电压然后以第一、快速的速率增加。在时间108，电池电压开始以比它在时间106与108之间的时段期间增加的速率更慢的速率增加。电池电压在时间108之后继续增加或者恢复。受测试的电池的内阻可以估计为Δν/Ι，其中Δ V是分别在时间102和104的电压之差或者分别在时间106和108的电压之差。时间102对应于向电池串42施加负载的瞬间，并且时间106与从电池串42释放(即去除)负载的瞬间重合。时间104表示电压波形从它的快速的下降速率转变成较慢的下降速率的时间点。时间108表示电压波形从快速的增加速率转变成较慢的增加速率的时间点。现在参照图5，示出了按照因子250来放大的图4的电压波形迹线100的视图。高度放大的视图更详细地示出了在时间106与108之间形成的电压“阶跃”和在时间108开始向较慢电压增加的转变。应当理解在时间106与108之间的流逝时间(以及类似地在时间102与104之间的流逝时间)被期望范围基于电池串42中的电池类型和数量以及电池 40的健康状态从约2微秒到约400微秒。最终结果是增加了图4和图5中所示电压“阶跃” 的动态范围，这对于更小的输入电压改变而言造成更大的A/D转换器计数差异。作为电池测试器50的潜在性能的一个具体例子，考虑应用30A的测试电流和内阻为100微欧姆的受测试的电池GO-N)。测量的电压将近似为3mV。在没有放大模块52提供的增益时，A/D模块5 将近似地测量3mV/62. 5 μ V,这将近似等于48次计数。这将少于每微欧姆1个计数。在放大模块52的转移函数中包括增益40将明显增加每微欧姆的计数次数如下(3mv/62. 5 μ V) * 40 = 1920 次计数；并且1920次计数/100微欧姆=每微欧姆的近似19. 2次计数，这将最小可检测分辨率设置成少于1微欧姆。也应当理解，图4-5中所示估计电池电阻的方法比现有技术的方法快若干倍。负载电流的短暂持续时间允许负载模块70采用比现有技术更小(即具有更少的吸收能量的热质量)的负载。同时，负载电流的短暂持续时间与现有技术相比，对受测试的电池放电更少。负载电流的短暂持续时间还允许在比使用现有技术的方法时更少的时间内完成所有电池40的电池电阻测试。负载电流的短暂持续时间和在时间106与108之间的流逝时间(以及类似地在时间102与104之间的流逝时间)的短暂持续时间需要适当快速的A/D模块52a。在一些实施例中，可以用逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器来实施A/D模块52a。在一些实施例中， A/D模块5 提供16位结果。可以增加或者减少位数以分别增加和减少电池电阻估计的分辨率。参照图6，图示了流程图200，该流程图提供了电池测试器50在进行电池电阻确定的操作期间可以进行的各种操作。在操作202，处理器M可以选择要向电池串42(或者可替代地仅向电池42的电池子集)施加的负载。在操作204，可以在电池串42两端施加来自负载模块70的所选负载。在操作206，电流感测模块72可以对流过所选负载的分流电阻器的电流进行采样并且提供给处理器M。在操作208，复用器模块58感测在电池单元测量点两端的电压。在操作210，可以从温度模块64获得受测试的电池的温度。在操作212，放大模块52可以进行对分流电阻器两端的感测电压的电平移位、滤波和放大以产生负载、修改的电压信号。在操作214，处理器M可以释放负载。在操作216，复用器模块58可以获得在电池单元测量点两端的无负载电压。在操作218，再次进行感测电压信号的电平移位、 滤波和放大以产生用于无负载电压测量的无负载、修改的电压信号。在操作220，处理器M 可以分析无负载、修改的电压信号和负载、修改的电压信号以确定电池内阻。在操作222，处理器52可以使用有线网络模块62或者无线网络模块60之一将电池内阻传达到外部子系统(例如显示器)。可替代地，可以在数据存档74中保存电池内阻以供将来分析。已经提供示例实施例使得本公开内容将是透彻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如具体部件、设备和方法的例子以提供对本公开内容的实施例的透彻理解。本领域技术人员将清楚不需要运用具体细节、示例实施例可以用许多不同形式来实施并且不应理解为限制本公开内容的范围。在一些示例实施例中并未详细描述公知过程、公知设备结构和公知技术。这里所用术语仅出于描述特定示例实施例的目的而不用于进行限制。如这里所用，除非上下文另有明示，单数形式“一个/ 一种”和“该/所述”可以用来也包括复数形式。 术语“包括”、“具有”为包含意义并且因此指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件、但是并不排除存在或者添加一个或者多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/ 或其组合。除非具体标识为执行顺序，这里描述的方法步骤、过程和操作将不理解为必然要求它们以讨论或者图示的特定顺序来执行。也将理解可以采用附加或者替代步骤。当元件或者层被称为“在另一元件或者层上”、“对接到”、“连接到”或者“耦合到” 另一元件或者层时，它可以直接在另一元件或者层上或者对接、连接或者耦合到另一元件或者层，或者可以存在居间元件或者层。对照而言，当元件或者层被称为“直接在另一元件或者层上”、“直接对接到”、“直接连接到”或者“直接耦合到”另一元件或者层时，可以没有居间元件或者层存在。应当以类似方式解释用来描述元件之间关系的其它字眼(例如
“在......之间”比对“直接在......之间”、“相邻”比对“直接相邻”等)。如这里所用，
术语“和/或”包括一个或者多个关联列举项目中的任何或者所有组合。
权利要求
1.一种用于测量电池的内阻的系统，所述系统包括处理器；负载模块，用于响应于所述处理器在所述电池两端施加负载；电流感测子系统，用于感测流向所述负载模块的电流并且根据所述电流来生成感测电流信号；以及复用器子系统，与所述电流感测子系统连通，用于检测在所述电池两端耦合和从所述电池释放所述负载模块时的电压，并且根据所述电压来生成电压信号；以及滤波和放大子系统，用于响应于所述复用器子系统对每个所述电压信号的电平进行滤波和放大以产生所述处理器在确定所述电池的所述内阻时所使用的成对修改的电压信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述负载模块包括可配置负载模块，用于响应于所述处理器、根据向所述负载模块施加的控制信号在所述电池两端施加多个不同负载之ο
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述复用器响应于所述处理器将所述电压信号和感测电流信号中的所选信号输出到所述滤波和放大子系统。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波和放大子系统包括用于对所述电压信号进行滤波并且产生带宽减少的电压信号的低通滤波器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述滤波和放大子系统还包括用于对每个所述电压信号进行电平移位的电平移位部件。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述滤波和放大子系统包括低通滤波器，用于生成带宽减少的电压信号；以及放大器，用于响应于所述处理器、根据预定增益来放大所述带宽减少的电压信号以生成所述修改的电压信号；以及所述修改的电压信号形成滤波放大的电压信号，其中所述处理器能够分析来自所述滤波放大的电压信号的阶跃部分。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述预定增益包括所述处理器选择的多个不同增Irft-Z-"‘ O
8.根据权利要求1所述的系统，还包括温度模块，用于监视所述电池的温度并且将表明所述电池的所述温度的温度信号提供给所述处理器的输入。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括电力供给模块，用于对来自用来向所述系统供电的所述电池的信号进行滤波。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括独立电池，用于向所述电力供给模块76供给电力。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述修改的电压信号限定在已经向所述电池施加所述负载之后、由于所述电池恢复而形成的电压阶跃的放大部分。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括以下模块中的至少一个模块无线网络模块，用于传达所述处理器的与所述电池的所述内阻有关的输出；以及有线网络模块，用于传达所述处理器的与所述电池的所述内阻有关的输出。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括数据存档，用于存储由所述处理器生成的与所述电池的所述内阻有关的信息。
14.一种用于测量电池的内阻的系统，所述系统包括 处理器；负载模块，用于响应于所述处理器在所述电池两端施加负载； 电流感测子系统，用于感测流向所述负载模块的电流并且根据所述电流来生成感测电流信号；以及复用器模块，与所述电流感测子系统连通，用于检测在所述负载模块两端的电压并且根据所述电压来生成成对电压信号，一个电压信号是在所述电池两端耦合所述负载时，而一个电压信号是在所述电池两端未耦合所述负载时；以及电平移位、滤波和放大子系统，响应于所述复用器模块和所述电流感测子系统， 对所述电压信号进行滤波以减少每个所述电压信号的带宽，以由此产生带宽减少的电压信号；对所述带宽减少的电压信号进行电平移位以产生电平移位的电压信号；并且放大所述电平移位的电压信号以产生成对修改的电压信号，并且其中所述修改的电压信号在已经向所述电池施加负载之后、随着所述电池恢复而形成所述电平移位的电压信号的电压阶跃的放大部分。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述负载模块包括可配置负载模块，用于响应于所述处理器、根据所述处理器向所述负载模块施加的控制信号在所述电池两端施加多个不同负载之一。
16.根据权利要求14所述的系统，还包括以下模块中的至少一个模块 温度模块，用于感测所述电池的温度并且向所述处理器提供相关信号；以及存储器，用于存储所述处理器在所述系统的操作期间使用的信息。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述电平移位、滤波和放大子系统包括 低通滤波器，用于对所述电压信号进行滤波以产生带宽减少的电压信号；以及可变增益放大器，由来自所述控制器的增益信号进行控制。
18.根据权利要求14所述的系统，还包括以下模块中的至少一个无线网络模块，用于传达所述处理器的与所述电池的所述内阻有关的输出；以及有线网络模块，用于传达所述处理器的与所述电池的所述内阻有关的输出。
19.根据权利要求14所述的系统，还包括以下各项中的至少一项 独立电池，用于向所述系统提供电力；以及数据存档，用于存储与所述电池的内阻有关的信息以供将来使用。
20.一种用于测量电池的内阻的方法，所述方法包括 在所述电池的成对端子两端施加负载；感测流过所述负载的电流并且根据所述电流来生成感测的电流信号； 测量在所述电池两端的电压改变以在所述电池两端施加所述负载时和在从所述电池释放所述负载时产生成对电压信号；对所述电压信号进行滤波以产生带宽减少的电压信号； 对所述带宽减少的电压信号进行电平移位以产生移位的电压信号； 放大所述移位的电压信号以产生放大的电压信号；并且使用所述放大的电压信号和所述感测的电流信号以计算所述电池的所述内阻。
全文摘要
在一个方面中，本发明内容涉及一种用于测量电池的内阻的系统(50)。该系统可以包括处理器(54)；负载模块(70)，用于响应于处理器在电池两端施加负载；电流感测子系统(72)，用于感测流向负载模块的电流并且根据电流来生成感测电流信号；复用器模块(58)，与电流感测子系统连通，用于检测在电池两端耦合和从电池释放负载时的电压，并且根据电压来生成电压信号；以及滤波和放大子系统(52)，用于响应于复用器模块对每个电压信号的电平进行滤波和放大以产生处理器在确定电池内阻时所使用的修改的电压信号。
文档编号G01R31/36GK102216793SQ200980107882
公开日2011年10月12日 申请日期2009年3月3日 优先权日2008年3月5日
发明者爱德华·温莎·德沃, 马克·杰弗里·拉齐科夫斯基 申请人:利厄伯特公司