CN102466766B - 电池单元阻抗谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了电池单元测量系统，包括：与脉冲密度调制电路(PDM)耦合的信号产生器，脉冲密度调制电路产生驱动开关的控制信号，开关连接在电池单元的第一端子与泄放阻抗(L_bal)的第一端子之间，泄放阻抗(L_bal)的第二端子与电池单元的第二端子耦合。泄放阻抗(L_bal)的第一端子与第二开关的第一端子耦合。泄放阻抗(L_bal)的第二端子与第三开关的第一端子耦合。第二开关的第二端子与第三开关的第二端子相互耦合，并且还与低通滤波器(LPF)耦合。将低通滤波器(LPF)产生的信号输入模数转换器(ADC)，模数转换器提供表示泄放阻抗(L_bal)两端的信号或电池单元的端子之间的信号的信号。

Description

电池单元阻抗谱测量系统

技术领域

本专利申请描述了电池单元阻抗谱测量装置。

背景技术

在具有可重复充电电池的系统中，了解电池单元的阻抗是重要的。了解单元的阻抗及其随时间变化的方式有利于精确地估计电池组的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)，这在J.L.Jespersen等人的“Capacitymeasurement of Li-Ion batteries using AC impedance spectroscopy”，WorldElectric Vehicle Journal Vol.3中进行了描述。

这也使得使用最佳充电和放电策略成为可能，所述最佳充电和放电策略可以使使用寿命、生命周期和电池组的储能能力最大化。

在本文的描述中，将使用以下在图8中示出的定义。图8示出了电池组的简化框图，该电池组具有以下定义的组件。

-单元或电池单元：基本组件。电压：典型地2.5-4.2V，取决于化学性质和SOC

-部件：共享单元平衡组件及测量组件的单元组。电压：典型地5-17V，取决于部件中单元的数目、单元化学过程(cell chemistry)和SoC

-模块：部件组。电压：通常被选为“安全电压”，即：直至60V

-片段：串联连接的模块组，产生与总电池组的电压相同的电压。电压：取决于应用，一些地方在范围100V到600V之间

-组或电池组：并联连接的片段组，构成用于应用中的总电池。并联连接提高了电池组的能量容量以及供电能力，但是并未提高其电压。在许多应用中，电池组仅包括一个单片段。电压：取决于应用，一些地方在范围100V到600V之间。

图1示出了电池单元的简化模型。电容器模拟化学的电荷储存。当电流流经三个阻抗时，三个阻抗模拟引起电池单元电压变化的不同效应。第一阻抗Z_m，c模拟电池单元中材料的电阻和由电池单元的构造(例如缠绕或扁平电极)引起的电感。第二阻抗Z_kin模拟动力学效应。第三阻抗Z_dif模拟扩散效应。第一阻抗更像与电感串联的电阻，其它两个阻抗是非线性时变的阻抗。电极的活性表面区域随着电池的老化而减少。这本身表示为尤其是Z_m，c的增加，因而是电池单元的SoH的良好指示符。

获取关于这些阻抗的消息的标准方式是同时测量电池单元电压和电流。例如以1秒的间隔规则地重复该测量。然后将测量的结果用于拟合模型。模型输出SoC和SoH。这种工作方式意味着对包括三个阻抗的电池单元的所有参数进行了直接地测量。如果对一个或多个阻抗进行直接测量是可能的，那么可以提高模型估计其它阻抗和参数的精度。这有助于提高SoC和SoH指示的精度。

相当直接地测量阻抗的一种方式是使用验电法(electroscopy)。验电法是确定不同频率电池阻抗的技术。通常在尼奎斯特曲线图中表示验电法测量的结果：在X轴和Y轴上表示阻抗的实部与虚部的图。以不同的频率重复测量，并在图2中示出了结果。曲线清楚地示出了三个部分。高频率部分(即kHz)范围是对阻抗Z_m，c的指示。低频率部分(即Hz)范围是对“动力学”阻抗的指示，极低阻抗部分(即，mHz)部分是对“扩散”阻抗的指示。

图3示出了基本的谱测量装置。电源驱动电流经过电池组。在当前的系统中，电源通常是电压源，但是也可以是电流源。电压/电流水平被选为低，所以电池在测量看来可以认为是线性系统。与电池串联连接的电阻器将电流转换为电压。在非期望的信号(即，噪声)和畸变到达幅度/相位仪表之前，带通滤波器将其去除。使用相同的幅度/相位仪表来测量电池电压和转换电阻器两端的电压。所有的仪表和带通滤波器是相同的，以确保这些电路中的相同增益和相同延迟时间。通过所测量电压的幅度和相位，可以容易地发现电池阻抗的实部与虚部：

$\left|Z_{\mathrm{bat}}\right|=\frac{V_{\mathrm{bat}}}{V_{\mathrm{conv}}}{R}_{\mathrm{conv}}$

在以上等式中，将R_conv两端电压的相位定义为0。

电压/电流源可以在测量系统(例如正弦波产生器)的控制之下，或者可以不在测量系统(例如电动车的牵引发送机的驱动电流)的直接控制之下。当车辆没有行使时，可以使用第一种方法。当驱动车辆时，即车辆在行使时，使用第二种方法。第一种方法的优点是可以在任意时间以任意期望频率测量电池阻抗。在第二种方法中，存在电流中在某些时间没有特定频率分量的情况。

上述解决方案强迫电流经过电池组，并且对组两端的电压进行测量。但是，在锂离子电池组中，期望获知每个独立单元的SoC和SoH。锂离子电池组通常具有与每个单元相连的监控电路。这些电路对所有单元的电压和温度进行监控，并且这些电路通常包括用于所谓单元平衡的附加电路：通过泄放最满单元或者将高电荷单元的电荷移动到低电荷单元来均分所有单元中的电荷。

当想要测量每个独立单元的阻抗时，不得不对每个独立单元上的电压进行测量。已知的解决方案驱动电流流经整个电池组，但是如果想要测量一个单元的电压，则仅需驱动电流流经该单元。单元平衡电路可以有助于此。如图4所示，单元平衡电路具有以下能力：通过切换泄放电阻器(bleed resistor)(即无源平衡器)或电感器(即，单元两端的有源平衡器)，从独立单元抽取电流。如图4a所示，只要必须泄放单元，那么电阻式平衡器的开关是持续闭合的。如图4b所示，以MHz范围的高频率打开及闭合电感式平衡器的开关。否则，通过电感器的电流会上升到不能接受的高水平。

发明内容

本发明的目的是提供用于单元电池阻抗的简化测量环境。

1.该目的在电池单元测量系统中得以实现，所述电池单元测量系统包括：

-与脉冲密度调制电路耦合的信号产生器，脉冲密度调制电路产生驱动开关的控制信号，开关连接在电池单元的第一端子与泄放阻抗(bleeding impedance)的第一端子之间，泄放阻抗的第二端子与电池单元的第二端子耦合；

-泄放阻抗的第一端子与第二开关的第一端子耦合；

-泄放阻抗的第二端子与第三开关的第一端子耦合；

-第二开关的第二端子与第三开关的第二端子相互耦合，并且还与低通滤波器耦合；

-将低通滤波器产生的信号输入模数转换器，模数转换器提供表示泄放阻抗两端的信号或电池单元的端子之间的信号的信号。

令人吃惊地，使用以上装置，用于测量电池组的电路装置可以容易地适于测量电池的每个单元。在本发明的一个实施例中，电池单元测量系统还包括带通滤波器，所述带通滤波器与模数转换器耦合，并且还与幅度/相位检测器耦合，幅度/相位检测器和信号产生器由相同的信号驱动。

有利地，在本发明电池单元测量系统的另一实施例中，模数转换器是过采样sigma/delta转换器。

在本发明另一实施例中，信号产生器提供正弦输出，并且包括查找表。

有利地，模数转换器的输出信号与数字傅立叶变换电路耦合。

附图说明

从附图的示例性描述将明了以上和其它优点，其中：

图1描述了简化的电池模型，

图2描述了简化的电池阻抗的尼奎斯特曲线图，

图3描述了用于电池单元的基本阻抗测量电路，

图4描述了电阻式平衡器(图4a)和电感式平衡器(图4b)中的用于电池单元的阻抗测量电路，

图5描述了根据本发明的用于电池单元的阻抗测量系统，

图6描述了本发明实施例，

图7描述了本发明的另一实施例，以及

图8说明了本申请中使用的主要概念和定义。

具体实施方式

图5描述了根据本发明的用于电池单元的阻抗测量系统。

阻抗测量的算法需要以从mHz到kHz的范围内的不同频率来测量电压/电流。对于电阻式和电感式的情况，这可以通过驱动例如脉宽调制(PWM)信号或脉冲密度调制(PDM)信号来实现。可以容易地实现采用PWM和PDM信号的系统。但是，在采用被设计为尽可能地低的时钟频率的全数字系统中，PDM可能是优选的解决方案，在该系统中保持耗散低是重要的。PWM需要电路的一部分在小于一个时钟周期内响应，而PDM则仅对有效时钟沿起作用。在图5中，将数字正弦波信号转换为打开和闭合开关的PDM信号，所述开关与平衡电路的电感器相连或与电阻式平衡器情况下的平衡电路的电阻器相连。多路复用模数转换器(ADC)对开关两端的电压或电池单元两端的电压进行转换。不需要对开关两端的电压或电池单元两端的电压进行交替地测量。当在内部产生正弦波时，仅在此时必须对其进行测量，并对测量的单元电压进行校准。这有助于节电，原因在于这意味着可以在很长一段时间将ADC保持在备用模式。将幅度/相位检测器的输出发送到微控制器以用于进一步的处理。如果需要，在ADC输出信号进入幅度/相位检测器之前，对其进行带通滤波。当电池待用时，在常规平衡过程期间进行阻抗测量。当优选地对电池组进行平衡时，尽管要浪费一些能量，但是也可以测量阻抗。如果使用电感式平衡器，那么所浪费的能量是最少的，因为在测量阻抗时可以在两个单元之间泵取能量。

在该测量设备的“电阻式”和“电感式”版本之间存在重要的差异。在电阻式方法中，正弦波调制偏置电流，在电感式方法中，正弦波可以具有零偏置点。电池单元是高度非线性系统，其中，非线性具有ms量级或更长的时间常数。结果，与在电感式平衡器中的测量相比，在电阻式平衡器中对阻抗曲线的动力学部分和扩散部分的测量没有那么精确。但是这不表示该方法在电阻式平衡系统中没有用处。其可以用于测量Z_{m， c}。该阻抗通常是图1中所示的最小阻抗。这表示最困难地是使用传统的曲线拟合方法来估计。因为Z_m，c是SoH的最佳指示阻抗，所以直接测量可以有助于比传统方法更早地发现单元的劣化或例如单元触点的腐蚀。

因此想要在不用耗尽电池能源的情况下测量其性质，所以想要测量的频率要从低到非常低，需要的线性非常高，并且功耗必须非常低。具有斩波输入级的过采样sigma-delta转换器可以满足这些需求。过采样ADC的优点是ADC前方的低通滤波器仅必须在采样频率具有良好的抑制。与不得不抑制kHz频率的滤波器相比，抑制MHz频率的低通滤波器需要小得多的组件，所以，可以更容易地将其集成。

当电池单元待用时，其产生非常小的低频率噪声。因此，将ADC后方的数字带通滤波器变成低通滤波器是可能的。ADC自身的l/f噪声是最大的噪声因素，但是可以通过为ADC提供斩波输入级来将其移动到高频带。

使用方波替代正弦波将使电路更简单。但是，电池单元的高度非线性的特点意味着更难从测量中得出可靠的结论。

PDM正弦波包括许多高频分量。为了使用尽可能纯的正弦波来驱动单元，明智地是将去耦电容器尽可能近地与IC相连。

电池单元的阻抗是非常低的。因此，重要地是在最后的结果中不包括电池单元和测量电路之间导线的阻抗。避免这种情况的最精确方法是使用四线电压测量，即，流向电池的电流使用两条线，而使用另外的两条线来测量电池单元端子处的电压。但是，因为这会花费两条额外的导线以及额外的IC引脚，所以更好地是在制造电池组期间对测量电路与电池单元之间的导线的阻抗进行测量。可以随后在运行期间从测量结果中减去该值。导线通常不经受严重的老化效应，所以可以仅考虑温度变化(可以任何方式测量的参数之一)效应。双线解决方案的附加的优点是例如，更容易检测坏导线或腐蚀触点。

图6描述了本发明实施例。可以若干方式实现绿框中的所有电路部件。图7示出了需要非常简单且小的电路的实现。正弦波产生器可以是LUT，即查找表电路。可以将PDM实现为数字sigma-delta调制器。可以将带通滤波器与幅度/相位检测器的组合实现为数字傅立叶变换(DFT)电路。通常可以使用比带通滤波器和幅度/相位检测器中的组件之和更少的组件来实现DFT电路。

应该注意地是本发明的保护范围不限于本文描述的实施例。权利要求中的参考标记也不是限制本发明的保护范围。词语“包括”不排除权利要求中所提及的那些部件之外的其它元件。元件之前的词语“一个”不排斥多个这种元件。可以以专用硬件形式或以编程目的的处理器形式来实现构成本发明一部分的装置。本发明在于每个新的特征或特征的组合。

Claims (6)

1.一种电池单元测量系统，包括：

与脉冲密度调制电路（PDM）耦合的信号产生器，脉冲密度调制电路产生驱动第一开关的控制信号，第一开关连接在电池单元的第一端子与泄放阻抗（L_bal）的第一端子之间，泄放阻抗（L_bal）的第二端子与电池单元的第二端子耦合；

泄放阻抗（L_bal）的第一端子与第二开关的第一端子耦合；

泄放阻抗（L_bal）的第二端子与第三开关的第一端子耦合；

第二开关的第二端子与第三开关的第二端子相互耦合，并且还与低通滤波器（LPF）耦合；

将低通滤波器产生的信号输入模数转换器（ADC），模数转换器提供表示泄放阻抗（L_bal）两端的信号或电池单元的端子之间的信号的信号。

2.如权利要求1所述的电池单元测量系统，其中，泄放阻抗是电阻器或电感器。

3.如权利要求1所述的电池单元测量系统，还包括带通滤波器，所述带通滤波器与模数转换器耦合并且还与幅度/相位检测器耦合，幅度/相位检测器和信号产生器由相同的信号（f_clock）驱动。

4.如前述权利要求中任一项所述的电池单元测量系统，其中，模数转换器是过采样sigma/delta转换器。

5.如权利要求1所述的电池单元测量系统，其中，信号产生器提供正弦输出，并且包括查找表。

6.如权利要求1或2所述的电池单元测量系统，其中，模数转换器的输出与数字傅立叶变换电路（DFT）耦合。