CN102768305A - 电池单元阻抗测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于确定电池单元的阻抗的电路装置。第一电路配置为产生在每个周期上具有N个采样值的正弦波形和余弦波形。第二电路耦合到第一电路的输出并配置为响应于余弦波形的采样值向单元输入电流。该电流的幅度与余弦波形的采样值成比例。第三电路耦合到单元并配置为对电流输入到单元产生的单元电压电平进行采样。第四电路耦合到第三电路的输出并配置为将由第三电路采样的每个电压电平分离成实部和虚部。

Description

电池单元阻抗测量方法和装置

背景技术

在(混合)电动车中，大量串联连接的电池用于产生高电压以驱动发动机。为了使电池单元寿命(以及汽车的行驶里程)最大化，充电状态(SoC)应该维持在电池单元之间的等效电平。当对串联连接成串的电池单元充电时，它们都接收相同电平的电流。因此，原则上单元在充电后应该具有相同SoC。但是，在电池单元之间存在失配，例如对于泄漏电流的敏感性、单元容量之间的差异、以及将电流转换为化学储能的效率。因此，电池单元的SoC在充电和放电后不会相同并且会在时间上漂移。如果不采取措施，这种差异会随着每个充电/放电周期放大，导致可用电池容量和寿命的减少。

这种SoC上的差异可能导致电池单元在使用过程中过放电或者在充电过程中过充电。对于有些化学电池来说，例如锂离子电池，过充电或过放电可能损坏电池单元。例如，满充电的锂离子电池通常具有与电解质击穿阈值电压(在该电压下可能损坏单元)接近的电压。如果电池单元过充电到电压超过电解质击穿阈值电压的点，单元可能损坏。为了防止这种损坏，串联耦合电池单元的电池组通常包括单元平衡电路，用于使串联耦合的电池之间的SoC相同。通过在充电或放电过程中平衡休眠(at rest)单元的SoC，可以防止单元过充电或过放电。

在实现单元平衡时，知道电池单元的阻抗是很重要的。单元的阻抗(以及它随时间改变的方式)有助于精确估计电池组的SoC、功能状态(SoF)以及健康状态(SoH)。阻抗也可以用于实现优化的充电和放电策略以使得电池寿命、循环寿命最大化，并能利用可用的电池组能量存储容量。

测量阻抗的一个方法是使用验电法(electroscopy)。验电法是一种在不同频率下确定电池的阻抗的技术。源驱动经过电池组的电流。该源可以是电压源或电流源。通过电池单元驱动的电压和/或电流典型地具有较低幅度，因此电池在测量点处可以被看做线性系统。可以通过与电池串联的电阻器将电流转换为电压。带通滤波器可以在信号到达幅度和相位计之前去除不期望的信号(例如噪声或失真)。可以用相同的振幅和相位计测量电池和转换电阻器两端的电压。所有的测量计和带通滤波器都是相同的，以确保这些电路中具有相等的增益和时间延迟。

然后，根据以下指示可以根据测得电压的幅度和相位来确定电池阻抗的实部和虚部。

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

但是，该方法仅仅返回总的等效串联电容，而不能返回作为频率函数的完整阻抗。在电池单元中，重要的化学反应具有从毫秒到数秒的时间常数。为了捕获这些反应的所有相关信息，需要以与感兴趣的最短时间常数(奈奎斯特准则)关联的频率至少高两倍的频率进行采样。

部分由于受到间接测量限制的低采样率以及带通滤波器的响应时间，由于测得的数据不包含在高频率处发现阻抗曲线所需要的所有信息，该方法不能产生完整的阻抗曲线。

发明内容

一个或多个实施例可以解决一个或多个上述问题。

在一个实施例中，提供了一种用于确定电池单元的阻抗的电路装置。第一电路配置为产生表示正弦波形和余弦波形的采样值。N个采样值用于表示相应的正弦和余弦波形的每个周期。第二电路耦合到第一电路的输出，并配置为响应于余弦波形的采样值将电流输入到电池单元。该电流的幅度与余弦波形的采样值成比例。第三电路耦合到单元并配置为对电流输入到单元产生的单元电压电平进行采样。第四电路耦合到第三电路的输出并配置为将由第三电路采样的每个电压电平分离成实部和虚部分量。

在另一实施例中，提供了一种用于确定电池单元的阻抗的方法。该方法产生的正弦和余弦波形在每个周期具有N个采样点。对于余弦波形的每个采样点，将幅度与该采样点的值相对应的电流注入到电池单元中。测量单元两端的电压电平并将其从模拟值转换成数字值。将电压的数字值分离成实部和虚部分量。对N个数字值的实部分量求和以确定电池单元阻抗的实部分量。对N个数字值的虚部分量求和以确定电池单元阻抗的虚部分量。

在另一实施例中，提供了一种能量存储单元装置。该能量存储单元装置包括多个串联耦合的电池单元和耦合到该多个电池单元的一个电池单元的阻抗检测电路。阻抗检测电路包括配置为产生表示正弦波形和余弦波形的采样值的第一电路。N个采样值表示正弦和余弦波形的每个周期。第二电路耦合到第一电路的输出，并配置为响应于余弦波形的采样值将电流输入到所述多个电池单元的一个电池单元。注入到该单元的电流的幅度与余弦波形的采样值成比例。第三电路耦合到所述多个电池单元的一个电池单元，并配置为对电流输入到所述一个电池单元导致的所述一个电池单元两端的电压电平进行采样。第四电路耦合到第三电路的输出，并配置为将由第三电路采样的每个电压电平乘以正弦波形以产生虚部分量，以及将由第三电路采样的每个电压电平乘以余弦波形以产生实部分量。对第三电路采样的N个电压电平的实部分量求和以确定所述一个电池单元阻抗的实部分量。对采样的N个电压电平的虚部分量求和以确定所述一个电池单元阻抗的虚部分量。

附图说明

上述讨论不试图描述各个实施例或每种实施方式。通过阅读下文的详细描述以及参照附图，可以更完整的理解本发明的多个示例性实施例，在所述附图中：

图1示出了确定电池单元阻抗的方法的流程图；

图2示出了实现图1所示流程的电路；以及

图3示出了可用于产生期望的正弦和余弦波形的波形发生器的有效示例性实施方式。

具体实施方式

尽管本发明可以有多种修改和可选形式，可以通过附图中的示例显示其实施例并进行详细描述。但是，应该理解，这些描述的目的不是将本发明限制于所显示和/或描述的具体实施例。相反，这些描述的目的是覆盖落入本发明精神和范围内的所有修改、等价物以及替换。

在一个或多个实施例中，通过根据已知频谱来调制通过单元的电流，确定单元的阻抗。将单元两端的结果电压进行数字化和处理以导出单元的阻抗。

图1示出了确定电池单元的阻抗的方法的流程图。在块102处生成对应的正弦和余弦波形。每个波形包括每周期N个采样点。对于产生的余弦波形的每个采样点，在块104处将幅度与采样点对应的电流脉冲注入到测试的电池单元。对于每个采样点来说，在块106处对注入电流导致的单元两端的电压进行测量和数字化。在块110处将每个数字化的电压分离成实部分量和虚部分量。通过将数字化电压与用于产生注入电流的波形的采样点相乘，将数字化电压分离成相应的实部分量和虚部分量。

数字化电压与对应的余弦波形的采样点相乘产生了该数字化电压的实部分量。将数字化电压与对应的正弦波形的采样点相乘产生了该数字化电压的虚部分量。在块112处针对余弦波形的一个或多个周期分别累加实部分量和虚部分量，以产生单元的阻抗的最终实部分量和虚部分量。

图2示出了利用图1的处理计算单元阻抗的电路。在该说明性示例中，利用单元平衡电路206实现具有多个单元208的电池组。为了确定单元208的阻抗，根据已知波形对由单元平衡器注入到单元的电流进行控制。可以将注入电流导致的电压与已知波形进行比较以确定阻抗。电路包括波形发生器202，其配置为在目标频率和采样率下产生相应的正弦和余弦波形。在一些可选实施例中，可以在查找表(LUT)中检索波形的采样。

对于波形发生器202产生的余弦波形的每个采样，脉冲密度调制器(PDM)电路204使得单元平衡器电路206注入密度与余弦波形采样的幅度成比例的电流脉冲。电流脉冲导致在单元208两端产生电压，并且通过模数转换器(ADC)电路210对该电压进行测量和数字化。利用乘法电路212将数字化电压与相应的正弦和余弦波形的对应采样相乘，将ADC 210产生的每个数字化电压分离成实部和虚部分量。

具体地，通过将数字化电压与波形发生器202产生的余弦波形的特定采样点的缩放采样相乘来隔离实部分量，并用于在单元208中产生电流脉冲以得到具体的测量电压。类似地，通过将数字化电压与波形发生器202产生的正弦波形的对应采样相乘来隔离分量，该采样通过校准标量进行比例缩放(scale)。下面详细描述利用校准标量(未显示)缩放波形。

通过加法电路214和累加寄存器216实现的相应累加器在一个或多个余弦波形周期内分别累加实部和虚部分量。作为累加结果，得到单元的阻抗的实部和虚部。

尽管主要参照利用已知波形调制的电流注入描述了示例和实施例，一个或多个可选实施例可以利用已知波形调制由负载从单元汲取(drawnfrom)的电流。

尽管所述示例和实施例主要使用产生的余弦波形控制电流脉冲，一个或多个可选实施例可以使用产生的正弦波形控制电流脉冲。在这些实施例中，通过将数字化电压与缩放的正弦波形相乘来隔离数字化电压的实部分量。类似地，通过将数字化电压与缩放的余弦波形相乘来隔离数字化电压的虚部分量。

可以在数学上理解利用上述方法来计算单元阻抗。如果阻抗计算正确，可以将来自ADC的电压采样适配(fit on)到与波形发生器电路产生的余弦波形成比例的波形上。通过这种方式，可以通过将适配函数(fitness function)最大化来计算阻抗，

该适配函数由DC电压偏移(C)、正弦(B)幅度以及相位角(φ₀)来定义。通过重写函数以使其包括纯正弦项和余弦项，余弦项(Bsinφ₀)和正弦项(Bcosφ₀)的幅度与单元阻抗的实部和虚部相对应。

通过将该函数设置成线性形式对周期中从φ₀到φ_N的所有采样确定最大适配，

A*x＝b

对矢量x求解，其中A是定义DC偏移的线性组合的矩阵，在ADC进行采样的点(矢量b)处求解适配函数的实部和虚部(矢量x)。

$b=\left[\begin{array}{c}y1\\ y2\\ ...\\ \mathrm{yn}\end{array}\right]$

由于通过设计已经知道每个采样点的相位，矩阵A的系数对应于DC电压偏移(C)和产生的正弦和余弦波形的幅度。根据一个周期内产生的正弦和余弦波形的采样建立矩阵A。矩阵A包括与周期的每个相位相对应的行。第一列包括对应于每个相位的DC电压偏移。为简单起见，DC电压偏移可以假定为1。第二列对应于产生的余弦波形采样的幅度，第三列对应于产生的正弦波形采样的幅度。

对x求解线性适配等式(A*x＝b)，

$\stackrel{\‾}{x}=M*b$

其中

M＝(A^TA)^-1A^T

为了得到适配参数的值，并对x求解，可以根据原始采样矩阵A计算矩阵M。可以看到矩阵M的行具有有趣的属性。例如，第一行的值为常数，对于所有的值都相同并等于数据集合中采样的数目分之1(，即1/N)。第二行是余弦的缩放版本，第三行是正弦的缩放版本。

求和处理应该精确包括正弦波形的一个或多个完整周期。结果与测量频率处单元阻抗的实部和虚部成比例。需要校准标量来得到Re(Z)和Im(Z)的绝对值。矩阵M也可以写为下面显示的形式：

$M=\frac{2}{N}\left[\begin{array}{ccc}0.5& ...& 0.5\\ C1& ...& \mathrm{Cn}\\ S1& ...& \mathrm{Sn}\end{array}\right]$

对矩阵A中使用的相同值C1..Cn和S1..Sn用2/N进行比例缩放，以得到Re(Z)和Im(Z)的绝对值。

返回到图2所示电路，将来自ADC 210的采样电压与波形发生器202产生的正弦和余弦波形的缩放采样相乘。分别用矩阵A^T的第二行和第三行表示波形周期的所有采样点，其中矩阵的每列对应于周期的相位。所有采样点的缩放对应于矩阵A^T与上述等式中显示的(A^TA)^-1的乘积。

电路执行的实部分量的累加等同于矩阵M的第二行与矢量b的乘积。类似地，虚部分量的累加等同于矩阵M的第三行与矢量b的乘积。通过这种方式，当由ADC 210测量每个电压时，通过乘法电路212将矩阵M的列乘以矢量b。将得到的乘积添加到之前在实部和虚部累加器寄存器216存储的值中。例如，当矢量b的第一采样y₀到达时，将其乘以矩阵M的第一列并存储在矢量x中。当矢量b的下一采样y₁达到时，将其乘以矩阵M的第一列，添加到之前的结果中并存储在累加寄存器216(添加到矢量x)中。在累加至少一个周期的所有采样之后，单元阻抗的实部和虚部在各个累加寄存器中是可用的。

矩阵M的第一行是常数并等于(1/N)。作为累加N个采样的结果，一个周期内单元电压的累加DC值等于1。在光谱学中DC值会丢弃，因此在DC累加器不要求以硬件方式实施。

图3示出了可用于产生期望的正弦和余弦波形的波形发生器的有效示例性实施方式。在该示例性实施方式中，电路利用6个多项式系数(C0...C5)产生正弦波形和余弦波形。对于正弦/余弦波形来说，系数可以固定并硬连线(hardwired)到IC中。可选地，可以对系数进行调整以将产生的波形设置到感兴趣的频率。

可以通过将初始系数302载入到累加寄存器304来开始波形的产生。每个累加寄存器304耦合到加法器306，从而加法器和累加寄存器形成累加器。通过在相邻的累加器之间传播累加值产生每个后续采样。例如，所有的累加器会收到等于它们当前值的和的新值以及对应于下一高阶多项式系数的累加寄存器的值。

每个步骤的计算可以通过下述公式以矩阵形式进行描述：

${\stackrel{\→}{y}}_{n+1}=\left[\begin{array}{ccccc}1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\·{\stackrel{\→}{y}}_n$

矢量y_n和y_n+1描述了在一个累加步骤前后累加器中存储的值。该矩阵表示加法运算。也可以在从矢量y_o(由系数c₀…c₅确定)给出的初始值开始的(n)个步骤之后计算累加器的值。

对应于第一多项式系数的第一累加器310的输出产生所生成的正弦波形。对应于第一多项式系数的第二累加器312的输出近似等于第一累加器310的输出的一阶导数，并可以用于产生余弦波形。

例如，对于正弦波形的近似函数y＝x-x^3/6+x^5/120，通过dy/dx＝1-x^2/2+x^4/24给出相应的余弦波形的函数。尽管利用较低阶函数生成余弦，如果x的步长较小(在正弦/余弦情况下)，第二累加器312提供了一阶导数的良好近似。由于在整个周期上累加采样，在导数近似中引入的任何误差会在统计上被平均。因此，图3所示的电路提供了波形发生器的硬件效果实施方式。

基于上述讨论和示例性说明，本领域的熟练技术人员可以容易的认识到可以进行多种修改和改变，而不必严格的遵循本文中例示和描述的示例性实施例和应用。这些修改不会偏离包括下述权利要求中所阐述内容在内的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于确定电池单元的阻抗的电路装置，该电路包括：

第一电路，配置为产生表示正弦波形和余弦波形的采样值，具有表示每个正弦波形周期的N个采样值和表示每个余弦波形周期的N个采样值；

第二电路，耦合到第一电路的输出并配置为响应于余弦波形的采样值将电流输入到所述单元，所述电流的幅度与余弦波形的采样值成比例；

第三电路，耦合到所述单元并配置为对电流输入到该单元产生的单元的电压电平进行采样；以及

第四电路，耦合到第三电路的输出并配置为将由第三电路采样的每个电压电平分离成实部和虚部分量。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其中第四电路配置为通过下述方式将每个采样的电压电平分离成实部和虚部分量：

将由第三电路采样的每个电压电平乘以正弦波形以生成所述虚部分量；以及

将由第三电路采样的每个电压电平乘以余弦波形以生成所述实部分量。

3.根据权利要求2所述的电路装置，其中第四电路配置为通过下述方式将每个采样的电压电平分离成实部和虚部分量：

将由第三电路采样的每个电压电平乘以由校准标量缩放的第一电路产生的正弦波形，以生成所述虚部分量；以及

将由第三电路采样的每个电压电平乘以由校准标量缩放的第一电路的余弦波形，以生成所述实部分量。

4.根据权利要求2所述的电路装置，其中第四电路进一步配置为：

对由第三电路采样的N个电压电平的实部分量求和以确定所述电池单元的阻抗的实部分量；以及

对采样的N个电压电平的虚部分量求和以确定所述电池单元阻抗的虚部分量。

5.根据权利要求4所述的电路装置，其中第四电路包括：

第五电路，被耦合并配置为接收并累加所生成的由第三电路采样的电压电平的实部分量；以及

第六电路，被耦合并配置为接收并累加所生成的由第三电路采样的电压电平的虚部分量。

6.根据权利要求1所述的电路装置，其中第三电路配置为在等于余弦波形采样率的采样率处对电压电平进行采样。

7.根据权利要求1所述的电路装置，其中第三电路进一步配置为将采样的电压电平从模拟值转换成数字值。

8.根据权利要求1所述的电路装置，其中第二电路包括：

单元平衡电路，配置为对存储在包括所述电池单元在内的多个电池单元中的能量进行平衡；以及

脉冲密度调制电路，配置为驱动电池单元平衡电路的晶体管栅极。

9.根据权利要求4所述的电路装置，其中第四电路针对与余弦波形的频率对应的频带，确定由第三电路采样的电压电平的频域等效值。

10.根据权利要求1所述的电路装置，其中第一电路是多项式波形发生器，被配置为：

利用M个多项式系数计算正弦波形；以及

利用M个多项式中的M-1个多项式系数计算余弦波形。

11.根据权利要求10所述的电路装置，其中第一电路是M级级联累加器，第M级的输出产生正弦波形，第M-1级的输出产生余弦波形。

12.一种用于确定电池单元的阻抗的方法，该方法包括：

产生正弦波形和余弦波形，每个波形的每个周期具有N个采样点；

对余弦波形的每个采样点：

将幅度与该采样点的值相对应的电流注入到电池单元；

将单元两端的电压电平从模拟值转换成数字值；以及

将该电压的数字值分离成实部和虚部分量；

对N个数字值的实部分量求和以确定电池单元的阻抗的实部分量；以及

对N个数字值的虚部分量求和以确定电池单元的阻抗的虚部分量。

13.根据权利要求12所述的方法，其中通过下述操作将电压的数字值分离成实部和虚部分量：

将数字值乘以正弦波形以产生所述虚部分量；以及

将数字值乘以余弦波形以产生所述实部分量。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过下述操作将电压的数字值分离成实部和虚部分量：

将数字值乘以由校准标量缩放的正弦波形以产生所述虚部分量；以及

将数字值乘以由校准标量缩放的余弦波形以产生所述实部分量。

15.根据权利要求12所述的方法，其中通过在生成实部分量时累加实部分量来对实部分量求和。

16.根据权利要求12所述的方法，其中在与余弦波形的采样率相等的采样率处将单元两端的电压从模拟值转换成数字值。

17.一种能量存储单元装置，包括：

串联耦合的多个电池单元；和

耦合到所述多个电池单元中的一个电池单元的阻抗检测电路，该阻抗检测电路包括：

第一电路，配置为产生表示正弦波形和余弦波形的采样值，具有表示每个正弦波形周期的N个采样值和表示每个余弦波形周期的N个采样值；

第二电路，耦合到第一电路的输出并配置为响应于余弦波形的采样值将电流输入到所述多个电池单元中的所述一个电池单元，该电流的幅度与余弦波形的采样值成比例；

第三电路，耦合到所述多个电池单元中的所述一个电池单元并配置为对电流输入到所述一个电池单元导致的所述一个电池单元两端的电压电平进行采样；和

第四电路，耦合到第三电路的输出并配置为：

将由第三电路采样的每个电压电平乘以第一电路的正弦波形以生成虚部分量；

将由第三电路采样的每个电压电平乘以第一电路的余弦波形以生成实部分量；

对由第三电路采样的N个电压电平的实部分量求和以确定所述一个电池单元的阻抗的实部分量；和

对采样的N个电压电平的虚部分量求和以确定所述一个电池单元的阻抗的虚部分量。

18.根据权利要求17所述的能量存储单元装置，其中第二电路进一步配置为响应于余弦波形的采样值将电流输入到所述多个电池单元中的第二电池单元中。

19.根据权利要求18所述的能量存储单元装置，还包括：

第五电路，耦合到所述多个电池单元的所述第二电池单元并配置为对电流输入到所述第二电池单元导致的该第二电池单元上的电压电平进行采样；和

第六电路，耦合到第五电路的输出并配置为：

将由第五电路采样的每个电压电平乘以第一电路的正弦波形以生成所述虚部分量；

将由第三电路采样的每个电压电平乘以第一电路的余弦波形以生成所述实部分量；

对由第五电路采样的N个电压电平的实部分量求和以确定所述一个电池单元的阻抗的实部分量；和

对由第五电路采样的N个电压电平的虚部分量求和以确定所述一个电池单元的阻抗的虚部分量。

20.根据权利要求17所述的能量存储单元装置，其中

第四电路配置为通过校准标量对第一电路的正弦波形和余弦波形进行缩放；

通过第四电路与由第三电路采样的每个电压电平相乘的第一电路的正弦波形是通过校准标量缩放的第一电路的正弦波形；和

通过第四电路与由第三电路采样的每个电压电平相乘的第一电路的余弦波形是通过校准标量缩放的第一电路的余弦波形。

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