专利名称：确定电池谐振的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电池谐振，更具体而言涉及用于确定电池的谐振频率的技术。
背景技术：
过去，获得电池的谐振频率是需要多达三天的昂贵且耗时的过程，需要摆满专用 设备的工作台，以及经训练的技术员来确定电池的谐振频率。甚至在测试之后，所确定的电 池谐振仍是粗略的估计值，其没有精确到足以允许最大电流传输的程度。
发明内容
本发明实现了作为确定电池的谐振频率的系统和方法的技术优点。本发明的一个 实施例利用数字或模拟的PLL来将调制的电流充电信号的相位角调整至电池的谐振频率 的相位角。本发明的第二实施例利用能量管理德尔塔函数(S函数，delta function)来 确定电池的谐振频率。第三实施例利用小信号频率扫描来确定电池的谐振频率。已授权给10C(技术公司的)专利EP 1396061以及待决的美国专利申请讲授的是 电池谐振通常在1赫兹至10千赫范围内的任何位置处，且通常在充电过程期间随着积聚在 电池中的电荷量而变。还已知的是电池在其表观的谐振频率下可以最高效地接受电荷，且 具有最小的负效应。在这里，本发明目的在于通过测量电池的阶跃响应(st印response)来 找到电池谐振处或其附近的电池谐振，并使用随着充电状态(SOC)的变化而变的谐振充电 信号。此谐振查找活动在电池充电信号停止时发生。随后，以非常低频的方波(或脉冲) 的形式施加阶跃输入电流达几个周期，并分析所产生的振铃(ringing)响应以确定其主频 率分量。在10C技术公司的充电算法之后，利用具有刚刚确定的频率的其调制分量来施加 基于充电算法的充电电流。在充电过程中周期性地且规则地应用此过程，从而在整个过程 中使用最新确定的谐振频率来进行最有效且高效的充电。这里描述的是如下的一种替代方法，其在对电池充电的过程期间识别电池谐振， 并且充电循环的后续部分期间对最新确定的谐振频率进行反复地应用。通常在所述过程期 间以固定的时间间隔进行多次此类频率确定，并随后对其进行使用。在一个实施例中，导出的调制频率是正弦波，但是根据其效果，还可以使用其它波 形。在另一实施例中，可以利用方波。在本实施方式中，使用低于实际谐振的频率可能是有 利的，以出于经济原因对实施方式进行简化。由于方波的最大谐波分量是其三阶谐波，所以 使用所计算的谐振频率的1/3的调制频率可以在较高谐振频率区域中具有良好的效果。
图1是依照本发明的示例性实施例的、用于使用数字PLL来确定电池的谐振频率的系统的图示；图2是依照本发明的示例性实施例的、用于在整个充电周期期间在相邻的 (consecutive)间隔开始时应用电流阶跃函数的方法的图示；图3是依照本发明的示例性实施例的、用于使用数字PLL来确定电池的谐振频率 的方法的图示；图4是依照本发明的示例性实施例的、用于使用“受管理(managed)，，的德尔塔函 数来确定电池的谐振频率的方法的图示；以及图5是依照本发明的示例性实施例的，用于通过频率扫描来确定电池的谐振频率 的方法的图示。
具体实施例方式电池与传输线的相似之处在于，电子朝着正引脚行进，并且混合了与通过电池的 载流子群传播延迟相关的其它现象。此类现象受到在电池单元内部以复杂的方式相互作用 的无数分量的影响，且不仅仅只受如现有技术所讲授的电池板的影响。电池端到端等效电 路对于进行识别而言是重要的，以便对作为系统的电池的谐振频率进行识别，并最后相应 地提供在电池谐振频率处或其附近的经调制的电流充电信号。数字PLL用来随着电荷的增加而调整充电信号，充电信号不限于时间、频率、相 位、提供给电池的信号宽度或信号位置，谐振在充电状态(SOC)的前5% 20%中快速减 小，并随后稳定。在一个示例性实施例中，使用模拟PLL来查找电池谐振。有利的是，查找 到电池的端到端谐振，而不仅仅是例如电池内的铅板的谐振。端到端等效电路考虑的是 (allow for)整个等效电路负载或系统的充电，而不仅仅是其一部分(诸如电池板)。对电池端到端等效电路充电具有必须提供并分析的，以便允许最高效电流充电信 号传输的特性。该等效电路基本上可以表示为具有被耦合到负载的两个端子的电流源。负 载的复谐振频率随着电池的SOC的变化而变。例如，应将电池视为用于确定谐振频率并在 谐振频率下充电的单个负载和/或时变复杂电路，可以将电池中的板视为根据充电状态而 改变谐振的可变电容器的一大部分。为了保持最高效的电流充电信号传输，电流充电信号 频率调制频率必须随着电池变得充满电而调整至电池的变化的谐振频率。参照图1，在100处示出依照本发明的示例性实施例的、用于使用数字PLL来确定 电池的谐振频率的系统的图示。系统100可以以硬件、软件、或硬件与软件的适当组合来 实现，并且其可以是在数字信号处理平台或其它适当处理平台上运行的一个或多个软件系 统。本文所使用的“硬件”可以包括独立组件、集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列、 或其它适当硬件的组合。本文所使用的“软件”可以包括一个或多个对象、代理、线程、代码 行、子程序、单独的软件应用程序、在两个或多个软件应用程序中或两个或更多处理器上运 行的两个或多个代码行或其它适当软件结构、或其它适当软件结构。在一个示例性实施例 中，软件可以包括在诸如操作系统等通用软件应用程序中运行的一个或多个代码行或其它 适当软件结构，和在专用软件应用程序中运行的一个或多个代码行或其它适当软件结构。
系统100包括电源102、电流驱动器/发生器系统104、电流充电信号处理系统106、电流/电压监视系统108、以及负载110。电源102隔离交流(AC)信号，并向电流驱动器/发生器系统104供应功率。电流驱动器/发生器系统104可以包括电流源，以向负载110提供电流充电信号。负载110是包含与负载110相关联的每个组件的“黑匣子”的等价物。在一个示 例性实施例中，负载110是可再充电锂离子电池。在第二示例性实施例中，负载110是可再 充电NiCd电池。在第三示例性实施例中，负载110是VRLA电池。电流/电压监视系统108包含电流传感器，其适合于向电流充电信号处理系统 106提供电流监视信号；以及电池温度传感器，其适合于向电流充电信号处理系统106提供 电池温度信号。传感器具有相关联的A/D转换器，并允许实现安全功能，例如，切断被供应 给电池的调制的电流充电信号，或降低充电速率。电流充电信号处理系统106可以提供多个功能，诸如系统控制、波形生成、快速 傅立叶变换(FFT)、电池电压采样、及其它适当功能。电流充电信号处理系统106适合于向 电流驱动器/发生器系统104提供调制波形、电荷充电信号、以及终止信号。在第三示例性实施例中，微处理器可以在不使用PLL、也不使用折衷固定频率的情 况下，确定要充电的电池的谐振频率并随后在要充电的电池的谐振频率处或其附近调制电 流源。为了简化电池充电器，将PLL去掉，减少了用于调整相位角的大部分计算要求，从而 减少了部件数(Piece count)，并因此降低成本和复杂性。产生了如下的解决方案，其中在 电池的谐振频率处或附近进行充电，虽然不是最佳的，但结果优于传统充电方法。参照图2，在200处示出了依照本发明的示例性实施例的用于在整个充电周期期 间，在相邻(consecutive)间隔开始时应用电流阶跃函数的方法。可以将方法200实现为 通用计算平台或其它适当系统上的算法。分析电池的振铃响应(ringing response)，并随后将所获得的基波频率应用作为 一个充电间隔期间的充电信号的调制分量。然后对下一个电池充电间隔重复该过程。在一 个示例性实施例中，充电间隔的长度为两分钟，然而，在其它实施方式中可以选择其它间隔 长度。在一个应用中，调制波形的波形状是正弦的，然而在基波频率或其子谐波处还可以利 用其它波形，例如，方波、或三角波。参照图3，在300处示出了依照本发明的示例性实施例的，用于使用数字PLL来确 定电池的谐振频率的方法。可以将方法300实现为通用计算平台或其它适当系统上的算法。方法300在302处开始，在那里，电流源生成调制的电流充电信号。在一个示例性 实施例中，调制信号被默认为先前存储的频率。在第二示例性实施例中，所述先前存储的频 率基于电池的制造商。在第三示例性实施例中，该频率取决于电池化学性质或其尺寸。随 后，该方法进行到304。在304处，对电池电压进行采样。该方法随后进行到306。在306处，匹配电池电压频率。该方法随后进行到308。在308处，确定电池电压的相位。该方法随后进行到310。在310处，确定在电池电压与调制的电流充电信号之间是否存在相位误差。如果 存在相位误差，则该方法进行到312。如果不存在相位误差，则该方法进行到314。
在312处，调整调制的电流充电信号的频率，以对准电池电压和调制的充电信号 的相位角。如果存在相位误差，则根据滞后或超前，数字PLL根据需要向上或向下调整调制 频率，以消除相位误差并保证电池电压与调制的电流充电信号同相。在一个示例性实施例 中，数字PLL向电池施加电流充电信号，且基于电流充电信号的时间延迟和/或相位延迟将 电流充电信号相位或时间调整至电池电压。该方法随后进行到314。在314处，算法是空闲的，直至下一次采样为止。在一个示例性实施例中，大约每 10秒发生采样，直至电池完全充满为止。该方法随后进行到304，并重复该过程，直至电池 充满电为止。 通常，在非常高的频率下对调制频率进行初始化，并且随着SOC的增加，该频率呈 准指数地下降，并且在准稳态水平处变得平坦。在一种情况下，对于不同的电池制造商使用 谐振平均值对比充电的曲线，平均谐振频带约为100至120赫兹，且大部分谐振充电发生在 该频率内。使谐振频率的确定和后续跟踪自动化提供了更具有成本效率的解决方案，因为 不再需要经训练的技术员。然而，这比使用固定频率需要更多的硬件。参照图4，在400处示出了依照本发明的示例性实施例的，用于使用“受管理”的德 尔塔函数(或增量函数，delta function)来确定电池的谐振频率的方法。可以将方法400 实现为通用计算平台或其它适当系统上的算法。使用无限的德尔塔函数能将电池驱动至非线性区中，并且其可能提供电池谐振的 错误指示。因此，使用“受管理”或“箝位”的德尔塔函数提供刚刚足够的能量以便在不将 电池驱动到非线性区中的情况下确定电池的谐振频率。方法400在402处开始，在那里，将“受管理”的德尔塔函数应用于电池。该方法 随后进行到404。在404处，对电池电压进行采样。该方法随后进行到406。在406处，生成电压采样信号的波特图(Bode plot)，确切地说生成增益和相位数 据。该方法随后进行到408。在408处，针对电压峰值分析不同频率下的增益和相位。在一个示例性实施例中， 电压采样信号的傅立叶分析可以确定电池谐振频率。该方法随后进行到410。在410处，通过比较各电压峰值并选择具有最高峰值的频率作为谐振频率来确定 电池谐振频率。该方法随后进行到412。在412处，在最大电流谐振频率处对电池进行充电。在例如10秒的每个采样周期 之后，向电池应用另一德尔塔函数，对电压进行采样，生成波特图数据，分析不同频率下的 增益和相位，确定新的谐振频率，并开始在该谐振频率处进行充电等等，直至电池充满电为 止。提供能量管理脉冲以使得电池不饱和是极为重要的。否则，将发生箝位，并且系统中充 满了谐波失真，使得电池的谐振频率变得模糊并浪费了能量。通常，非线性函数由于其特性 而浪费能量，因为其是饱和的，因此不能将有效的能量传输到能量存储介质。驱动电池至饱 和表面上看起来是节省能量，而实际上正在浪费能量。当充电频率误差在以内时，实现 了对电池的最高效能量传输。现在参照图5，在500处示出了依照本发明的示例性实施例的、用于通过频率扫描 来确定电池的谐振频率的方法。可以将方法500实现为通用计算平台或其它适当系统上的算法。
方法500在502处开始，在那里，接收预定义的电池频率范围。该方法随后进行到504。在504处，将扫描频率初始化为该频率范围内的最低频率。该方法随后进行到 506。在506处，将扫描频率增加10赫兹，直至覆盖整个电池频率范围。该方法随后进 行到508。在508处，通过比较具有各电压峰值的频率来确定最高峰值。该方法随后进行到 510。在510处，确定是否期望进一步的频率精选。如果期望进一步的频率精选，则该方 法进行到512。如果不期望进一步的频率精选，则该方法进行到514。在512处，通过对最高电压峰值频率信号进行抖动处理(dithering)来进一步精 选最高电压峰值频率。该方法随后进行到516。在516处，通过比较具有各电压峰值的各频率来确定最高抖动峰值。该方法随后 进行到516。在514处，在具有最高电压峰值的频率处调制该电流充电信号。使用扫频测量，在电池饱和态以下，以频率为函数来调制电流并确定哪些频率包 含电压峰值。类似于调谐电路，各电压峰值指示出电池正在接受最大电流时的频率。而且 在用探测信号来扫描电池时，可以查找到多个电流峰值。计算机随后判定哪个频率向电池 产生最大或最高效的电流传输。然后，计算机可以对其进行抖动处理，或用Af/At传输函 数进行调制。与单独扫描相反，峰值周围的抖动处理允许更快速且准确地确定电池的谐振 峰值频率。一旦确定了峰值，则施加该充电电流10秒，并停止。猜测新电压峰值或使用先前 的频率来重新开始该过程，例如，提供另一频率以进行调谐或再次抖动处理。如果抖动处理 是不期望的，则以较低频率扫描该频率，因为SOC较高。然而，抖动处理通过从粗频率间隔 尺寸开始移动、找到并记录宽的峰值、并在这些宽的峰值处进行重新抖动处理至较高分辨 率的频率间隔尺寸以找到准确得峰值，从而允许进行频率精选。重复此过程，直到分析并记 录期望的峰值为止。然而，在扫描之后，如果看起来能量是平坦的，则电池通常是饱和的。如果是饱和 的，则使德尔塔函数衰减或下降3dB或6dB，并通过上述过程来再次尝试找到峰值。通常，将较大信号减小至较小信号以找到电池未发生饱和的点。在扫描且确保没 有饱和之后，确定可以施加于电池的最大的小信号，从而给定阈值，扫描和随后抖动处理的 小信号电平应保持在该阈值以下。另外，当充电或确定谐振时，可以使用多个频率处的小信号调制，其中，存在基波 谐振频率和η倍基波谐振频率，无论其是偶数的还是奇数的，其中，在基波谐振频率下将保 持大部分能量，但基波谐振频率的谐波也将贡献相当多的能量。在一个示例性实施例中，在电池充电中利用谐振频率谐波实际上能有助于提高充 电速度。谐波充电的应用对于大型能量存储设备将是最有用。例如，叉车电池，其保持数千 安培小时的容量。我们将多频定义为不改变相位调制，而是使用多音(multi-tone)的调制 电流，其与电池的基波谐振频率和谐波的大部分能量相匹配，从而提高充电效率和充电速度并减少热量。在第二示例性实施例中，使用包含热量计、电子干涉光谱学(EIS)和稳压器的三 级测试站来确定电池的谐振频率。该稳压器用来非常精确地测量波形。EIS设备测量光谱能 量，且所述热量计测量热量。在第二示例性实施例中，集成了全部三个测量设备的设备采用 单个电池单元并且被耦合到热量计，并向该电池单元施加信号，该信号被调制或者被测试。 可以通过被精确地测量为非常接近毫微伏特的施加的波形，使用EIS来进行测量，结果，根 据波形来精确地确定从电池发出的热量。因此，可以使用此程序通过热量计来测量在到电 池的所述电荷传输上浪费了多少 能量。请注意，其没有对化学充电低效进行计算。然而，可 以使用3个系统来使该波形最优化以使谐振下的充电最优化，从而与其它非最佳方式的充 电相比较。本发明得到如下的技术优点，因为首先，从成本/经济或性能观点出发，其它解决 方案都不是最佳的。此外，固定频率方法的缺点是其对电池化学性质和/或制造商的依赖 性。这里提倡的解决方案进行了最佳折衷，由此，频率随着SOC的变化而以离散的阶跃改 变。其具有另一优点，即，其与特定电池的制造商或化学性质无关，因此，其对于使用中的实 际电池而言是特定的。本发明通过始终向被充电的电池提供被最优化的充电信号来实现了更多的技术 优点。虽然已相对于特定优选实施例描述了本发明，然而本领域的技术人员在阅读本申 请之后，许多变化和修改将变得显而易见。因此，本发明意图在于根据现有技术尽可能广泛 地将随附权利要求解释为包括所有此类变化和修改。
权利要求
一种用于确定电池的谐振频率的系统，包括电源，所述电源适合于提供功率信号；电流驱动器/发生器系统，所述电流驱动器/发生器系统适合于接收功率信号并生成电流充电信号；电流/电压监视系统，所述电流/电压监视系统适合于接收电流和电池温度信号，并生成电流监视信号和电池温度信号；电流充电信号处理系统，所述电流充电信号处理系统适合于接收电流监视信号和电池温度信号，并向所述电流驱动器/发生器系统提供控制信号，并用波形来调制所述电流充电信号；以及负载，所述负载适合于接收经调制的电流充电信号。
2.权利要求1的系统，其中，所述电流和电池信号由传感器生成。
3.权利要求1的系统，其中，用模-数转换器将所述电流和电池信号转换成数字信号。
4.权利要求1的系统，其中，所述电流充电信号处理系统执行快速傅立叶变换(FFT)。
5.权利要求1的系统，其中，所述电流充电信号处理系统向所述电流驱动器/发生器系 统供应充电断开信号。
6.一种用于在整个充电周期期间，在相邻间隔开始时应用电流阶跃函数的方法，包括向电池施加特定的频率和充电波形； 计算所述电池的谐振频率；在一个谐振充电间隔上应用所述计算出的谐振频率；以及 重复上述各步骤。
7.权利要求6的方法，其中，所述谐振充电间隔是两分钟。
8.一种用于使用锁相环来确定电池的谐振频率的方法，包括 生成电流充电信号；对电池电压进行采样；调制所述电流充电信号以匹配电池谐振频率；确定所述电池电压样本和经调制的电流充电信号的相位角；确定在所述经调制的电流充电信号与所述电池电压样本之间是否存在相位误差；调整所述经调制的电流充电信号频率以消除相位角误差；以及空闲，直至下一次电池电压采样。
9.权利要求8的方法，其中，用传感器对所述电池电压进行采样。
10.权利要求8的方法，其中，由微处理器来调制所述电流充电信号。
11.权利要求8的方法，其中，用微处理器来计算所述电池电压样本和所述经调制的电 流充电信号的相位角。
12.权利要求8的方法，其中，由微处理器来调整所述经调制的电流充电信号频率。
13.一种用于使用“受管理”的德尔塔函数来确定电池的谐振频率的方法，包括 向电池发送受管理的德尔塔函数；对电池电压进行采样；根据所述电池电压样本生成增益和相位数据；分析所述增益和相位数据以找到不同频率的电压峰值；通过选择具有最高电压峰值的频率来确定所述电池的谐振频率；以及在电池的所述谐振频率处调制所述电流充电信号。
14.权利要求13的方法，其中，所述受管理的德尔塔函数是被箝位以避免电池饱和的 德尔塔函数。
15.权利要求13的方法，其中，用传感器对所述电池电压进行采样。
16.权利要求13的方法，其中，用微处理器根据所述电池电压样本来生成所述增益和 相位数据。
17.一种用于通过频率扫描来确定电池的谐振频率的方法，包括 接收预定义的电池频率范围；将扫描频率初始化为所述电池频率范围内的最低频率；将所述扫描频率增加10Hz，直至覆盖整个所述电池频率范围为止；对所述电池电压进行采样；比较具有电压峰值的各频率以确定最高电压峰值；确定最高电压峰值频率；处理所述最高电压峰值频率信号以获得较大的谐振频率分辨率； 比较具有各电压峰值的各频率以确定具有较大的分辨率的电池谐振频率；以及 用与所述最高电压峰值相关的频率来调制电流充电信号。
18.权利要求17的方法，其中，通过抖动来处理所述最高电压峰值频率信号。
19.权利要求18的方法，其中，由微处理器来对所述最高电压峰值频率信号进行抖动 处理。
20.权利要求17的方法，其中，所述预定义的电池频率范围为IOOHz至120Hz。
21.权利要求17的方法，其中，用传感器对所述电池电压进行采样。
22.权利要求17的方法，其中，用微处理器来调制所述电流充电信号。
23.权利要求17的方法，其中，用微处理器来计算具有各电压峰值的各频率。
24.权利要求17的方法，其中，用微处理器来计算所述最高电压峰值频率。
25.权利要求17的方法，其中，通过以递增0.IHz的方式重新扫描IOHz波段的所述最 高峰值频率来处理所述最高电压峰值频率信号。
全文摘要
本发明提供了一种确定电池的谐振频率的系统和方法。本发明的一个实施例利用数字或模拟PLL来将调制的电流充电信号的相位角调整至电池的谐振频率的相位角。本发明的第二实施例利用受德尔塔函数管理的能量来确定电池的谐振频率。第三实施例利用小信号频率扫描以便确定电池的谐振频率。
文档编号H02J7/00GK101849341SQ200880114860
公开日2010年9月29日 申请日期2008年9月11日 优先权日2007年9月12日
发明者拉兹罗·塞雷尼, 约翰·阿瑟·费 申请人:先进电池管理有限责任公司