CN102447139B - 对电光源进行控制的电池监测系统及电池监测方法 - Google Patents

对电光源进行控制的电池监测系统及电池监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电池的电池监测系统，所述电池包括多个电池单元。所述电池监测系统包括与电池相连的开关阵列，所述开关阵列包括分别与电池中的多个电池单元相连的多个第一开关组；能量存储元件(例如采样电容)分别经由多个第一开关组对所述多个电池单元的电池电压进行采样；比较器经由第二开关组接收采样到的电池电压，并将每个电池电压与参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生例如过压或低压等错误状态。采用本发明可避免电池的错误状态，从而延长电池寿命，与现有技术相比具有更好功效。

Description

对电光源进行控制的电池监测系统及电池监测方法
技术领域
本发明涉及一种电池管理系统，尤其是涉及一种用于包含多个电池单元的电池监测系统及电池监测方法。
背景技术
包括多个电池单元的电池用于例如笔记本电脑，电动车(Electrical Vehicle，EV)，混合型电动车(Hybrid Electrical Vehicle，HEV)和能量存储系统等各种应用系统中。运行中，电池单元可发生例如过压或低压等错误状态，从而损坏电池单元。
图1所示为现有技术的一种用于电池110的电池监测系统100。在图1中，电池110包括多个电池单元111和112。电池监测系统100包括多个滤波器120和122，多个电压-电流转换器130和132，以及多个比较器140和142，从而实时地分别监测电池单元111-112的电池电压。每个电压电流转换器130和132包括放大器和移位器(未图示)，将每个电池的电池电压转换成电流。感应电阻151和153分别与电压-电流转换器130和132相连，并将电流转换成与相应的电池单元的电池电压成比例的电压。相应的比较器将感应电阻的电压与参考值进行比较，以判定相应的电池单元是否发生错误状态(如，过压或低压)。
监测每一个电池单元的电池电压都需要相应的一组滤波器，放大器，移位器和比较器。因此，这种复杂的结构能耗较大，并增加了电池监测系统100的成本。另外，多个滤波器和感应电阻会引起电流之间不一致，从而产生检测误差，由此影响电池监测系统100的精确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种电池监测系统，避免发生错误状态，以延长电池寿命并提高系统的功效。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于电池的电池监测系统，所述电池包括多个电池单元，所述电池监测系统包括：多个第一开关组，所述多个第一开关组分别与所述多个电池单元相连；能量存储元件，所述能量存储元件与所述第一开关组相连，且分别经由所述第一开关组对所述电池单元的电池电压进行采样；以及比较器，所述比较器经由第二开关组与所述能量存储元件相连，且将所述每个电池电压与第一参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生错误状态，其中，所述第二开关组与所述多个第一开关组中的一个开关组交替地闭合。
本发明还提供了一种电池动力系统，其包括：包括多个电池单元的电池；电池监测系统，所述电池监测系统与所述电池相连，且监测所述电池单元的电池电压，以判定是否有电池单元发生错误状态，所述电池监测系统包括：多个第一开关组，所述多个第一开关组分别与所述多个电池单元相连；能量存储元件，所述能量存储元件与所述第一开关组相连，且分别经由所述第一开关组对所述电池单元的电池进行采样；以及比较器，所述比较器经由第二开关组与所述能量存储元件相连，且将所述每个电池电压与第一参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生所述错误状态，其中，所述第二开关组与所述多个第一开关组中的一个开关组交替地闭合；给所述电池动力系统提供能量的发动机；以及控制器电路，所述控制器电路连接在所述电池监测系统和所述发动机之间，且控制所述电池给所述发动机提供能量。
本发明还提供了一种电池监测方法，所述电池包括多个电池单元，所述电池监测方法包括：经由能量存储元件分别经由多个第一开关组对所述多个电池单元的电池电压进行采样，其中，所述多个第一开关组分别与所述多个电池单元相连，并与所述能量存储元件相连；经由第二开关组接收来自于所述能量存储元件采样的每个电池电压，其中，所述第二开关组和所述多个第一开关组中的一个开关组交替地闭合；以及将所述每个电池电压与第一参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生错误状态。
与现有技术相比，本发明的电池监控系统以及方法采用开关模式结构，从而避免电池发生错误状态，由此，延长了电池寿命并提高系统的功效。
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。
附图说明
图1所示为现有技术的一种用于电池的电池监测系统的方框图；
图2所示为根据本发明的一个实施例的用于电池的电池监测系统的方框图；
图3A所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统判定过压错误状态的时序图；
图3B示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统判定低压错误状态的时序图；
图4所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统的操作流程图；
图5所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统进行过压验证的流程图；
图6所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统进行低压验证的流程图；
图7所示为根据本发明的一个实施例的电池动力系统(例如电动车)中，由电池给发动机供电的方框图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。虽然本发明将结合实施例进行阐述，但应理解为这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明意在涵盖由后附权利要求项所界定的本发明精神和范围内所定义的各种可选项、可修改项和等同项。
在一个实施例中，本发明公开了一种用于电池的电池监测系统。所述电池监测系统包括与电池相连的开关阵列，所述开关阵列包括分别与电池中的多个电池单元相连的多个第一开关组。能量存储元件(例如采样电容)分别经由多个第一开关组对所述多个电池单元的电池电压进行采样。比较器经由第二开关组接收采样到的电池电压，并将每个电池电压与参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生例如过压或低压等错误状态。由此，可避免电池的错误状态，从而延长电池寿命。与图1的现有技术相比，本发明的电池监测系统具有更好功效。
图2所示为根据本发明的一个实施例的用于电池210的电池监测系统200的方框图。在图2中，电池210包括多个电池单元210_0-210_3。然而，电池210可包括其它数目的电池单元。
在一个实施例中，电池监测系统200包括振荡器220，计数器230和与振荡器220相连的状态机240。振荡器220产生振荡信号以驱动计数器230和状态机240。与状态机240相连的计数器230计算振荡信号的脉冲的数目，并控制状态机240。由引脚INPUT处输入的控制信号控制状态机240的闭合或断开。状态机240控制开关阵列250和开关组270，依次对电池210_0-210_3的电池电压进行采样，从而根据采样的电池电压判定电池单元210_0-210_3中是否的有电池单元发生错误状态。
在图2中，开关阵列250包括多个开关组250_0-250_3。然而，开关阵列250可根据电池单元的数量包括其它数目的开关组。开关组250_0-250_3分别与电池单元210_0-210_3相连，并与能量存储元件(例如，采样电容260)相连。在图2中，采样电容260位于电池监测系统200的外部。在另外的实施例中，采样电容260可集成在电池监测系统200中。开关组250_0-250_3中的每个开关组包括第一开关和第二开关，且由状态机240的相应控制信号控制。例如，电池单元210_0的正极经由开关组250_0的第一开关和引脚CS+与采样电容260的第一端相连。电池单元210_0负极经由开关组250_0的第二开关和引脚CS-与采样电容260的第二端相连。状态机240的控制信号控制开关组250_0中的第一开关和第二开关。开关组270包括第一开关和第二开关。开关组270中的第一开关连接在采样电容260的第一端和比较器280之间。在一个实施例中，开关组270中的第二开关连接在采样电容260的第二端和接收参考信号的一端之间。在图2所示的实施例中，参考信号为地。状态机240的控制信号控制开关组270中的第一开关和第二开关。
在一个实施例中，状态机240交替闭合开关组250_0和开关组270。当开关组250_0闭合而开关组270断开时，采样电容260经由开关组250_0对电池单元210_0的电池电压进行采样，且电荷在采样电容260上保持预定时间。由此，执行了采样-保持程序。当开关组250_0断开而开关组270闭合时，电池单元210_0断开与采样电容260的连接，采样电容260的电压经由开关组270发送给比较器280，以判定是否发生错误状态。开关组250_0的电流损耗取决于采样电容260的容抗，采样频率和电池单元210_0的电池电压。有利的是，开关组250_0具有更好的功效。
状态机240根据地址选取存储器201中的预定阈值。预定阈值表示例如过压状态或低压状态等错误状态。在一个实施例中，存储器201为电可擦除可编程只读存储器(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM)。数模(Di gital to Analog，D/A)转换器290将阈值转换成模拟参考信号。数模转换器290连接在存储器201和比较器280之间。在采样-保持程序之后，状态机240执行比较程序。更具体地说，比较器280将电池单元210_0的电池电压与表示预设阈值的模拟参考信号进行比较，以判定电池单元210-0是否发生例如过压状态或低压状态等错误状态。如果电池单元210_0发生错误状态，状态机240通过引脚OUTPUT通知外部装置。如果电池单元210_0未发生错误状态，状态机240对其它电池单元210_1-210_3分别执行采样-保持和比较程序，直到电池监测系统200监测了电池210中的所有电池单元的电池电压。
有利的是，电池监测系统200采用了开关模式结构。电池监测系统200闭合开关阵列250中的相应的开关组，对相应的电池单元的电池电压进行采样。电池监测系统200还闭合开关组270，将采样到的电池电压与参考信号进行比较，以保护电池单元210_0-210_3，避免发生错误状态。由此，延长了电池寿命。另外，电池监测系统200具有更好的功效。
图3A所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统200判定过压错误状态的时序图；图3B所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统200判定低压错误状态的时序图。图3A和图3B将结合图2进行描述。
如图3A所示，波形301表示过压阈值的模拟参考信号S0V。波形303表示过压释放阈值的模拟参考信号S0V_RELEASE。波形320表示电池210中电池单元的电池电压。波形340显示了比较器280的输出信号，表示电池单元是否发生过压状态。比较器280分别将电池电压与模拟参考信号SOV和模拟参考信号SOV_RELEASE进行比较。在一个实施例中，当电池电压大于模拟参考信号SOV且在预定的过压延迟时间之后仍大于模拟参考信号S0V_RELEASE时，比较器280的输出信号为逻辑高，表示发生了过压状；否则，比较器280的输出信号为逻辑低，表示未发生过压状态。
相似地，如图3B所示，波形302表示低压阈值的模拟参考信号SUV。波形304表示低压释放阈值的模拟参考信号SUV_RELEASE。波形360表示电池210中的电池单元的电池电压。波形380显示了比较器280的输出信号，表示电池单元是否发生低压状态。比较器280分别将电池电压与模拟参考信号SUV和模拟参考信号SUV_RELEASE进行比较。在一个实施例中，当电池电压小于模块参考信号SUV且在预定的低压延迟时间之后仍小于模拟参考信号SUV_RELEASE时，比较器280的输出信号为逻辑低，表示发生了低压状态；否则，比较器280的输出信号为逻辑高，表示未发生低压状态。
图4所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统200的操作流程图400。图4结合图2、图3A和图3B进行描述。
在步骤411中，电池监测系统200启动。在步骤420中，状态机240将参数C设为初始值，如0。在步骤420中，在状态机240的控制下，开关组270断开，而开关组250_C闭合。在步骤422的回路延迟时间之后，采样电容260经由开关组250_C对电池单元210_C进行采样，并将表示电池电压VCS的电荷保持预定时间。由此，执行了采样-保持程序。
在预定延迟时间之后，在步骤431中，在状态机240控制下，开关组250_C断开，而开关组270闭合。在步骤433的采样延迟之后，将电池电压VCS发送给比较器280。在步骤440中，状态机240选取存储器201的地址，并根据地址读取过压阈值。数模转换器290将过压阈值从数字信号转换成模拟参考信号S0V。在步骤422中，比较器280将电池电压VCS与模拟参考信号S0V进行比较。如果VCS大于S0V，转到步骤451中进行过压验证。如果VCS等于或小于S0V，转到步骤460中，由状态机240选取存储器201的地址，并根据地址读取低压阈值。数模转换器290将低压阈值转换成模拟参考信号S0V。在步骤462中，比较器280将电池电压VCS与模拟参考信号SUV进行比较。如果VCS小于SUV，转到步骤471中进行低压验证。如果VCS等于或大于SUV，转到在步骤480中，将参数C加1。
在步骤482中，将参数C的值与电池210中的电池单元的总数N进行比较。如果C小于N，转到步骤491中，由状态机240断开开关组270并闭合开关组250_C。随后，流程图400回到步骤422，对下一电池单元进行采样-保护和比较程序，即分别对其它电池单元进行采样-保护和比较程序，直到参数C等于N。如果参数C等于N，流程图400回到步骤420，电池监测系统200启动新的周期，以监测电池单元。
图5所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统200进行过压验证的流程图451。图5结合图2至图4进行描述。
在步骤511中，启动过压验证。在步骤521中，状态机240选取存储器201的地址，并根据地址读取过压释放阈值。数模转换器290将过压释放阈值转换成模拟参考信号SOV_RELEASE。在步骤531中，在状态机240的控制下，开关组270断开，而开关组250_C闭合。采样电容260对电池单元210_C的电池电压进行采样，并将电荷保持预定时间。在步骤541的过压延迟时间之后，在步骤551中，开关组250_C断开，而开关组270闭合。在步骤561中，将VCS与SOV_RELEASE进行比较，以判定是否发生过压状态。如果VCS大于SOV_RELEASE，转到步骤571，由状态机240经由引脚OUTPUT告知外部装置电池单元210_C发生过压状态。随后，流程图451回到步骤531。如果VCS小于S0V_RELEASE，转到步骤581，电池单元210_C未发生过压状态。随后，流程图451回到图4中的步骤480，将参数C加1。
图6所示为根据本发明如图2所示实施例的电池监测系统200进行的低压验证的流程图471。图6结合图2至图4进行描述。
在步骤610中，启动低压验证。在步骤620中，状态机240选取存储器240的地址，并根据地址读取低压释放阈值。数模转换器290将低压释放阈值转换成模拟参考信号SUV_RELEASE。在步骤630中，在状态机240的控制下，开关组270断开，而开关组250_C闭合。采样电容260对电池单元210_C进行采样，并将电荷保持预定时间。在步骤640的低压延迟时间之后，在步骤650中，开关组250_C断开，而开关组270闭合。在步骤660中，将VCS与SUV_RELEASE进行比较，以判定是否发生低压状态。如果VCS小于SUV_RELEASE，转到步骤670，由状态机240经由引脚OUTPUT告知外部装置电池单元210_C发生低压状态。随后，流程图471回到步骤630。如果VCS大于SUV_RELEASE，转到步骤680，电池单元210_C未发生低压状态。随后，流程图471回到图4中的步骤480，将参数C加1。
图7所示为根据本发明的一个实施例的系统700(例如电动车)中，由电池701给发动机707供电的方框图。图7结合图2至图6进行描述。
在一个实施例中，电池监测系统200和电池701可集成在电池包中。控制器电路705控制电池701给发动机707的供电。电动车或混合电动车包括电池701，电池监测系统200，控制器电路705和发动机707。有利的是，电池监测系统200采用开关模式结构以及采样-保持和比较技术，对电池单元的电池电压进行监测。因此，电池701可避免错误状态。由此，延长电池701的寿命，并提高系统700的可靠性，从而改善电动车或混合电动车系统的功效，并降低污染物和温室气体的排放以及对原始资源的依赖。
因此，本发明所述的用于电池的电池监测系统判定电池中的电池单元是否发生错误状态。所述电池监测系统包括多个第一开关组。第一开关组分别与分别与电池单元相连，并与能量存储元件相连。在运行中，状态机交替地闭合所述多个第一开关组中的一个开关组和第二开关组。由此，能量存储元件分别经由所述多个第一开关组中的一个开关组对电池单元的电池电压进行采样，并将电池电压经由第二开关组发送给比较器。电池电压与一个或多个阈值进行比较，以判定相应的电池单元是否发生错误状态。
有利的是，由于采用开关模式结构以及采样-保护和比较技术检测电池单元的电池电压，电池单元避免了错误状态，从而延长电池寿命。另外，电池监测系统具有更好的功效。
上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离后附权利要求书所界定的本发明精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (16)

1.一种用于电池的电池监测系统，所述电池包括多个电池单元，其特征在于，所述电池监测系统包括：
多个第一开关组，所述多个第一开关组分别与所述多个电池单元相连；
能量存储元件，所述能量存储元件与所述第一开关组相连，且分别经由所述第一开关组对所述电池单元的电池电压进行采样；以及
比较器，所述比较器经由第二开关组与所述能量存储元件相连，且将所述每个电池电压与第一参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生错误状态，
其中，所述第二开关组与所述多个第一开关组中的一个开关组交替地闭合，所述第二开关组包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述能量存储元件的第一端和所述比较器之间，所述第二开关连接在所述能量存储元件的第二端和参考端之间；所述每个第一开关组包括第三开关和第四开关，所述第三开关连接在所述每个电池单元的正极与所述能量存储元件的第一端之间，所述第四开关连接在所述每个电池单元的负极与所述能量存储元件的第二端之间。
2.根据权利要求1所述的电池监测系统，其特征在于，所述电池监测系统还包括：
状态机，所述状态机与所述第一开关组和所述第二开关组相连，且控制所述第二开关组和所述多个第一开关组中的一个开关组交替地闭合，所述状态机还与所述比较器相连，并接收所述比较器的比较结果，以判定是否发生所述错误状态。
3.根据权利要求2所述的电池监测系统，其特征在于，所述电池监测系统还包括：
存储器，所述存储器与所述状态机相连，且存储表示所述错误状态的阈值；以及
数模转换器，所述数模转换器与所述存储器和所述比较器相连，且将所述阈值转换成所述第一参考信号。
4.根据权利要求2所述的电池监测系统，其特征在于，所述电池监测系统还包括：
振荡器，所述振荡器与所述状态机相连，且产生振荡信号以驱动所述状态机；以及
计数器，所述计数器与所述振荡器相连，且计算所述振荡信号的脉冲数目，以控制所述状态机。
5.根据权利要求1所述的电池监测系统，其特征在于，如果所述电池电压大于所述第一参考信号，且在延迟时间之后，所述电池电压仍大于第二参考信号，则所述电池监测系统判定发生所述错误状态。
6.根据权利要求1所述的电池监测系统，其特征在于，如果所述电池电压小于第三参考信号，且在延迟时间之后，所述电池电压仍小于第四参考信号，则所述电池监测系统判定发生所述错误状态。
7.一种电池动力系统，其特征在于，所述电池动力系统包括：
包括多个电池单元的电池；
电池监测系统，所述电池监测系统与所述电池相连，且监测所述电池单元的电池电压，以判定是否有电池单元发生错误状态，所述电池监测系统包括：
多个第一开关组，所述多个第一开关组分别与所述多个电池单元相连；
能量存储元件，所述能量存储元件与所述第一开关组相连，且分别经由所述第一开关组对所述电池单元的电池进行采样，其中，所述每个第一开关组包括第三开关和第四开关，所述第三开关连接在所述每个电池单元的正极与所述能量存储元件的第一端之间，所述第四开关连接在所述每个电池单元的负极与所述能量存储元件的第二端之间；以及
比较器，所述比较器经由第二开关组与所述能量存储元件相连，且将所述每个电池电压与第一参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生所述错误状态，其中，所述第二开关组与所述多个第一开关组中的一个开关组交替地闭合，所述第二开关组包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述能量存储元件的第一端和所述比较器之间，所述第二开关连接在所述能量存储元件的第二端和参考端之间；
给所述电池动力系统提供能量的发动机；以及
控制器电路，所述控制器电路连接在所述电池监测系统和所述发动机之间，且控制所述电池给所述发动机提供能量。
8.根据权利要求7所述的电池动力系统，其特征在于，所述电池监测系统还包括：
状态机，所述状态机与所述第一开关组和所述第二开关组相连，且控制所述第二开关组和所述第一开关组中的一个开关组交替闭合，所述状态机还与所述比较器相连，并接收所述比较器的比较结果，以判定是否发生所述错误状态。
9.根据权利要求8所述的电池动力系统，其特征在于，所述电池监测系统还包括：
存储器，所述存储器与所述状态机相连，且存储表示所述错误状态的阈值；以及
数模转换器，所述数模转换器与所述存储器和所述比较器相连，且将所述阈值转换成所述第一参考信号。
10.根据权利要求8所述的电池动力系统，其特征在于，所述电池监测系统还包括：
振荡器，所述振荡器与所述状态机相连，且产生振荡信号以驱动所述状态机；以及
计数器，所述计数器与所述振荡器相连，且计算所述振荡信号的脉冲的数目，以控制所述状态机。
11.根据权利要求7所述的电池动力系统，其特征在于，如果所述电池电压大于所述第一参考信号，且在延迟时间之后，所述电池电压仍大于第二参考信号，则所述电池监测系统监测发生所述错误状态。
12.根据权利要求7所述的电池动力系统，其特征在于，如果所述电池电压小于第三参考信号，且在延迟时间之后，所述电池电压仍小于第四参考信号，则所述电池监测系统判定发生所述错误状态。
13.一种电池监测方法，所述电池包括多个电池单元，其特征在于，所述电池监测方法包括：
经由能量存储元件分别经由多个第一开关组对所述多个电池单元的电池电压进行采样，其中，所述多个第一开关组分别与所述多个电池单元相连，并与所述能量存储元件相连，所述每个第一开关组包括第三开关和第四开关，所述第三开关连接在所述每个电池单元的正极与所述能量存储元件的第一端之间，所述第四开关连接在所述每个电池单元的负极与所述能量存储元件的第二端之间；
经由第二开关组接收来自于所述能量存储元件采样的每个电池电压，其中，所述第二开关组和所述多个第一开关组中的一个开关组交替地闭合，所述第二开关组包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述能量存储元件的第一端和比较器之间，所述第二开关连接在所述能量存储元件的第二端和参考端之间；以及
经由所述比较器将所述每个电池电压与第一参考信号进行比较，以判定是否有电池单元发生错误状态。
14.根据权利要求13所述的电池监测方法，其特征在于，所述电池监测方法还包括：
从存储器中获取表示所述错误状态的阈值；以及
经由数模转换器将所述阈值转换成所述第一参考信号。
15.根据权利要求13所述的电池监测方法，其特征在于，如果所述电池电压大于所述第一参考信号，且在延迟时间之后，所述电池电压仍大于第二参考信号，则判定发生所述错误状态。
16.根据权利要求13所述的电池监测方法，其特征在于，如果所述电池电压小于第三参考信号，且在延迟时间之后，所述电池电压仍小于第四参考信号，则判定发生所述错误状态。
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