CN104678307A - 用于评估电池中的电池单元的电路和方法 - Google Patents

Abstract

在各种实施例中，提供了用于评估电池的电池单元的方法。方法可包括：使用电荷脉冲平衡电池的至少一个电池单元的电压，其中电荷脉冲用振荡测试信号调制；测量流过电池单元的电流并且测量电池单元两端的电压；解调测量的电流和测量的电压；以及基于解调的电流和解调的电压确定阻抗。进一步，在各种实施例中，提供了电路，其包括平衡电路，配置用于使用电流脉冲在电池的电池单元之间电感性地转移电荷；以及控制单元，配置用于控制平衡电路以提供电流脉冲，其中电流脉冲的平均值随时间振荡。

Description

用于评估电池中的电池单元的电路和方法

技术领域

各种实施例整体上涉及用于评估电池中的电池单元的电路和方法。

背景技术

电池单元(例如电化学电池单元)可以串连连接形成电池。如果在电池充电和放电期间超过电池单元的电压上限和电压下限，电池单元可能被损害。电池中电池单元的电压可使用主动平衡而被调整。在顶部平衡中，来自具有比其它电池单元更高电压的电池单元的电荷可以分配到电池。在底部平衡中，具有比其它电池单元更低电压的电池单元可以被电池充电。然而，确定电池中各个电池单元的电荷状态或健康状态可能是困难的，尤其是如果电池单元是串连连接的。

发明内容

在各种实施例中，提供了用于评估电池的电池单元的方法。方法可以包括：使用电荷脉冲平衡电池的电池单元电压，其中电荷脉冲通过振荡测试信号调制；测量流过电池单元的电流并且测量电池单元两端的电压；解调测量的电流和测量的电压；以及基于经解调的电流和经解调的电压确定阻抗。

进一步，在各种实施例中提供了电路，电路包括主动平衡电路、脉冲生成单元、测量单元、解调单元和计算单元。主动平衡电路可通过使用电流脉冲电感性地转移在相应电池单元和电池之间的电荷而被配置用于平衡电池的电池单元电压。脉冲生成单元可被配置用于生成电流脉冲，其中电流脉冲被调制具有给定的频率。测量单元可被配置用于测量电池单元两端的电压和流过电池单元的电流。解调单元可被配置用于在给定的频率下根据测量的电池单元两端的电压和流过电池单元的电流来确定电压和电流。计算单元可被配置用于根据在给定频率下确定的电压和电流来计算电池单元的阻抗。

附图说明

在附图中，贯穿不同视图，同样的附图标记一般指的是相同的部分。附图不必按比例，而是一般将重点放在图示本发明的各原理。在附图中，参考编号最左边的数字可以标识参考编号第一次出现的附图。贯穿附图相同的编号可被用于引用同样的特征和部件。在以下描述中，本发明的各种实施例参照以下附图来描述，其中：

图1示出了电路的实施例；

图2示出了用于图示平衡电路的操作的图的实施例；

图3示出了调制的电流脉冲的实施例；

图4示出了调制的电流脉冲的实施例；

图5示出了调制的电流脉冲的实施例；

图6示出了调制的电流脉冲的实施例；以及

图7示出了用于评估电池中的电池单元的方法的实施例。

具体实施方式

以下详细描述涉及附图，其通过图示的方式示出了本发明可被实践在其中的具体细节和实施例。

本文中词语“示例性的”被用于意指“用作示例、实例或图示”。本文中被描述为“示例性的”任何实施例或设计不必被解释为相对于其它实施例或设计是优选的或有利的。

图1示出了电路的实施例100。电路可被用于评估电池107中的电池单元102。例如，例如经由确定电池单元102的阻抗，它可被用于确定电池单元102的电荷状态(SoC)或者健康状态(SoH)。电路可包括电池107、平衡电路101、控制单元103、测量单元105、解调单元111和计算单元126。

电池107可包括电池单元102。电池单元102可以彼此串联连接以形成电池107。然而，他们还可以以不同方式连接。例如，电池单元102可以并联连接并且并联连接的电池单元可以与其它并联连接的电池单元串联连接。虽然只有四个电池单元102被示出，电路还可以具有不同数量的电池单元102。

电路可被配置用于将电荷转移到电池107中的任何电池单元102并且转移来自电池107中的任何电池单元102的电荷。然而，电路还可被配置用于仅仅将电荷转移到电池单元102，也就是给电池单元102充电，或者被配置用于仅仅转移来自电池单元102的电荷，也就是使电池单元102放电。

在各种实施例中，平衡电路101可包括变压器。变压器可包括初级线圈104和多个次级线圈106。例如经由磁芯108或经由另一种媒介，初级线圈104和多个次级线圈106可被磁性耦合。初级线圈104可跨电池107被耦合。相应次级线圈106可跨电池107的相应电池单元102被耦合。初级线圈104的匝数与次级线圈106的匝数的比值可以是N。作为示例，对于12个电池单元102，N可以是N＝8。

在各种实施例中，平衡电路101可以进一步包括第一开关器件110和多个第二开关器件112。第一开关器件110可被配置用于控制流过初级线圈104的电流。第一开关器件110可以与初级线圈104串联连接，其中该串联连接可跨电池107被耦合。每一个第二开关器件112可被配置用于控制流过相应次级线圈106的电流。第二开关器件112可以与相应次级线圈106串联连接，其中该串联连接可跨相应电池单元102被耦合。

第一开关器件110可以具有控制输入116。控制单元103可给控制输入116提供信号G_P，以用于控制第一开关器件110。每一个第二开关器件112可以具有相应的控制输入114。控制单元103可给相应控制输入114提供相应信号G_S1、G_S2、G_S3和G_S4，以用于控制相应第二开关器件112。第一开关器件110和多个第二开关器件112可以是MOSFET。

控制单元103可被配置用于控制平衡电路101以提供电流脉冲。它可给平衡电路101提供控制信号G_S1、G_S2、G_S3、G_S4和G_P。控制信号G_S1、G_S2、G_S3、G_S4和G_P可以控制平衡电路101以转移电荷。在各种实施例中，平衡电路101可被配置用于电感性地转移在电池107的电池单元102之间的电荷。电荷可以使用电流脉冲被转移。

控制信号G_S1、G_S2、G_S3、G_S4和G_P可以以这种方式被提供：电荷的转移可利用测试信号调制。换言之，电荷的转移可被测试信号以这种方式影响：电荷的转移可携带包含在测试信号中的信息。在各种实施例中，电荷的转移可在振幅、频率或相位方面被调制，或这些调制的组合。不同类型的调制结合图4、图5和图6来描述。

在各种实施例中，测试信号的信息可以是频率。控制单元103可以具有输入130，在该处频率f_T的振荡可被输入。频率f_T和/或一些它的谐频n·f_T可被用于激励电池单元102具有该频率，并且电池单元102的阻抗在该频率下可被测量。不要求单独的激励电路，因为激励可以在使用平衡电路101转移电荷的同时发生。

控制单元103和平衡电路101可形成脉冲生成单元。他们可以被配置使得电流脉冲的平均值随时间振荡。平均值可由脉冲的振幅、脉冲的周期(或脉冲之间的时间差)、脉冲的相位或脉冲的宽度、或它们的组合来确定。

控制单元103可以具有转换器电路132。转换器电路132可将例如频率f_T的信息转换为定时信号TS，其可以确定脉冲的振幅、周期、相位和宽度。

控制单元103可以具有分配单元134。分配单元134可将定时信号TS经由相应控制信号G_S1、G_S2、G_S3、G_S4和G_P分配给第一开关器件110或一个第二开关器件112。定时信号TS的分配可取决于电荷要被转移到和转移出哪个电池单元102。例如，如果电荷要从标记为B4的电池单元102被转移到电池107，分配单元134可输出针对控制信号G_S4的定时信号，随后是针对控制信号G_P的定时信号。作为另一个示例，如果电荷要从电池107被转移到标记为B1的电池单元102，分配单元134可输出针对控制信号G_P的定时信号，随后是针对控制信号G_S1的定时信号。

为了确定哪个电池单元102要被充电或放电，分配单元134可与电池单元102耦合，以确定他们的电压V_B1、V_B2、V_B3和V_B4。模数转换器120可与电池单元102连接，以提供他们的相应电压V1、V2、V3和V4。为简单起见，这些连接未在图1中示出。

在各种实施例中，电流脉冲的峰值(或振幅A)、相邻电流脉冲之间的时间差和电流脉冲的宽度中的至少一个可随时间以振荡的方式变化。在各种实施例中，电流脉冲的平均值的振荡可以是正弦的。正弦振荡在频域中可以更容易分析。然而，振荡不限于纯粹的正弦振荡；它可包含高次谐波。在各种实施例中，电流脉冲的平均值的振荡可以有偏移，例如M_OFFSET。偏移可比振荡振幅更大，使得平均值的振荡不改变它的符号。在各种实施例中，振荡频率，例如f_T，可低于1kHz。电流脉冲可出现在更高的频率下，例如100kHz。振荡频率可以是电流脉冲的频率的十分之一到百分之一。由于不同的频率，振荡频率可与电流脉冲的频率分离。振荡频率可从电流脉冲中被解调。

在各种实施例中，电路可进一步包括与电池107串联耦合的分流电阻器118。分流电阻器118可被用于测量流过电池107的电流I_Shunt。假设所有的第二开关器件112是关闭的，即是不导通的，且流过模数转换器120的电流是可忽略的，电流I_Shunt可等于通过每个电池单元102的电流I_B1、I_B2、I_B3和I_B4。

在各种实施例中，电路可包括测量单元105。测量单元105可被配置用于确定分流电阻器118两端的电压和相应电池单元102两端的相应电压V_B1、V_B2、V_B3和V_B4。电压可通过跨分流电阻器118和相应电池单元102连接的模数转换器120来确定。如果分流电阻器118的值Rsh是已知的，电流I_Shunt可由连接到分流电阻器118的模数转换器120提供的电压来计算。

在各种实施例中，电路可进一步包括解调单元111。解调单元111可包括多个滤波器122。滤波器122可被配置用于拒绝高于电流脉冲平均值的振荡频率的频率。换句话说，电流脉冲发生的频率可被抑制且电流脉冲平均值的振荡频率可通过滤波器122。在各种实施例中滤波器122中的一个例如经由模数转换器120被耦合到分流电阻器118并且对分流电阻器118两端的电压进行滤波。在各种实施例中，滤波器122例如经由相应模数转换器120被耦合到相应电池单元102并且对相应电池单元102两端的电压进行滤波。对分流电阻器118两端和相应电池单元102两端的电压进行滤波可提供电流脉冲的平均值。换句话说，测试信号的频率可被恢复或解调。平均值可在例如调制频率f_T的频率下振荡。

在各种实施例中，多个滤波器122的截止频率可以是可调整的。截止频率可适应于电流脉冲平均值的振荡频率。滤波器122可被耦合到输入130，在输入130处振荡频率f_T输入到控制单元103，如图1中虚线113所示。

在各种实施例中，电路可以进一步包括计算单元126。计算单元126可被配置用于确定相应电池单元102的阻抗Z1、Z2、Z3和Z4。阻抗Z1、Z2、Z3和Z4可基于分流电阻器118两端的经滤波或经解调的电压和相应电池单元102两端的相应经滤波或经解调的电压。计算单元126可包括多个除法器124，其可以用相应电池单元102两端的相应经滤波或经解调的电压除以流过相应电池单元102的经滤波或经解调的电流I。流过相应电池单元102的经滤波或经解调的电流I可基于分流电阻器118两端的经滤波或经解调的电压除以分流电阻器118的电阻Rsh。

电池单元102的阻抗可以是复杂的，也就是说它可以具有实部和虚部或者幅度和相位。实部可随操作时间增加且可被用于指示电池单元102的最大存储容量或健康状态(SoH)。虚部可随存储的电荷量成量级的减少且可被用于指示电池单元102的电荷状态(SoC)。

对于不同的频率，阻抗的实部可被绘制在X轴上，并且阻抗的虚部可被绘制在Y轴之上，从而给出尼奎斯特(Nyquist)图。尼奎斯特图可用电池单元102的等效电路来近似。等效电路可以具有串联连接到电阻器Rp和电容器Cp的并联连接的电阻器Rs。值Rs、Rp、Cp可被用于确定电池单元102的健康状态和电荷状态。

图2示出了图202、204和206的实施例200。图202、204和206可发生在电池的电池单元被主动平衡的时候，例如使用如图1示出的电路。为了说明的目的，电流脉冲没有调制而被示出。

作为示例，在图1中标记为B4的电池单元102可具有高于其它电池单元102的电压或电压V_B1、V_B2和V_B3的平均的电压V_B4。电压V_B4可以限制电池107的充电，因为电压V_B4可以不超过最大值而不损害标记为B4的电池单元102。在被动平衡中，可通过将标记为B4的电池单元102连接到电阻器来降低电压V_B4。然而，这会减少可由电池107提供的能量的量，并且还会由于耗散在电阻器中的能量而引起热问题。在主动平衡中，可通过从标记为B4的电池单元102转移电荷到电池107来降低电压V_B4。能量不会耗散，而是可以被用于给电池107的电池单元102充电。

图202、204和206被选择用于示例性情况，其中标记为B4的电池单元102具有要通过转移电荷到电池107而降低的电压。然而，以下描述还可被应用于其它电池单元102，例如标记为B1、B2和B3的电池单元102。

图202可表示随时间t的施加到标记为B4的电池单元102的第二开关器件112的控制输入114的控制信号G_S4。图204可表示随时间t的流过标记为B4的电池单元102的电流I_B4。图206可表示随时间t的流过电池107和标记为B1、B2和B3的电池单元102的电流I_Shunt。

当平衡电路101可以像变压器那样被构建时，它被操作使得电流不同时在初级线圈104和至少一个次级线圈106中流动。相反，能量或电荷转移可以是连续的。能量可首先经由次级线圈106转移到磁场中。然后，储存在磁场中的能量可被转移到初级线圈104。变压器可像回扫变压器那样被操作。

在时间t1之前，所有的控制信号G_S1、G_S2、G_S3、G_S4和G_P可以是低的且第一开关元件110和多个第二开关元件112是关闭的，也就是不导通的。没有电流I_B1、I_B2、I_B3和I_B4流过电池单元102。

在时间t1处，控制信号G_S4可改变其值，例如到高值208，并且对应的第二开关元件112可开始导通。因此，对应的次级线圈106跨标记为B4的电池单元102被连接，并且且通过标记为B4的电池单元102的电流I_B4开始斜升，见图204。斜坡212可近似为线性的：

I_B4＝-V_B4/L_S·t,  (1)

其中L_S是次级线圈106的电感。

其它控制信号G_S1、G_S2、G_S3和G_P可保持不变。由于在初级侧上的第一开关器件110保持打开，没有电流I_Shunt被建立，以对抗由I_B4的电流斜坡感生的通量，见图206。

在时间t2处，在时间段t_ON之后，控制信号G_S4可再次改变其值，例如到低值210，见图202。在这个时间，电流I_B4可以已经达到它的最大值：

$I_{B4}={\hat{i}}_{\mathrm{LS}}\≈-\frac{V_{B4}}{L_S}\·t_{\mathrm{ON}}---\left(2\right)$

在这个时间，控制信号G_S4可使对应的第二开关元件112关闭，并且在次级线圈106中的电流I_B4崩塌。

控制信号G_P可具有控制信号G_S4的逻辑上相反的值。在t2时间，控制信号G_P也可改变其值，例如到高值。在其被施加到其控制输入116时，控制信号G_P可使第一开关器件110导通，因此允许电流流过初级线圈104。然而，如果第一开关器件110具有可以充当续流二极管的集成体二极管，那么控制信号G_P可以是不必要的。第一开关器件110可以是MOSFET，例如n型MOSFET。第一开关器件110还可以是二极管，其中二极管的阴极与初级线圈104耦合且二级管的阳极例如经由分流电阻器118与电池107的负端子耦合。

由关闭对应的第二开关元件114引起的通量变化可导致初级线圈104中的电压非常快速地上升，直到它达到电池107的电压电流I_Shunt可以以下降斜坡218的形式开始流过初级线圈104。斜坡218可具有初始值：

${\hat{i}}_{\mathrm{Shunt}}\≈\frac{{\hat{i}}_{\mathrm{Ls}}}{N}---\left(3\right)$

且可随时间t减少：

$I_{\mathrm{Shunt}}={\hat{i}}_{\mathrm{Shunt}}-V_{\mathrm{Bat}}/L_P\·t---\left(4\right)$

其中L_P是初级线圈104的电感。

电流I_Shunt还可流过标记为B4的电池单元102，使得对于在t2和t3之间的时间I_B4＝I_Shunt。

在时间t3处，在时间段t_OFF之后

$t_{\mathrm{OFF}}=\frac{{\hat{i}}_{\mathrm{Ls}}}{N}\·\frac{L_P}{V_{\mathrm{Bat}}}---\left(5\right)$

电流I_Shunt返回到零。

电流脉冲的平衡周期T_Bal可由下式给出：

T_Bal≈t_ON+t_OFF  (6)

在第一时间段T1期间，电荷转移可以是电池单元102的放电。在第二时间段T2期间，电荷转移可以是电池107的充电。第一时间段T1还可包括其中没有电流流动的阶段，例如在斜坡212开始之前。第二时间段T2还可包括其中没有电流流动的阶段，例如在斜坡214结束之后。然而，如果存在没有电流流动的时间，电荷转移可能是不太有效的，因为存在没有电荷转移的时间。在图2中，第一时间段T1或第二时间段T2都没有其中没有电流流动的阶段。

在第一时间段T1和第二时间段T2期间的波形可随时间t周期性地重复，如图202、204和206所示。在电池单元102的电压已被充分降低时，例如在其电压等于或小于其它电池单元102的平均电压或者低于电压上限时，电池单元102放电和电池107充电的重复可以被停止。电池107可接着继续被充电，而没有电池单元102由于过电压被损害的风险。

在电池107充电期间，另一个电池单元102的电压可接近上允许电压。然后上面描述的程序可被应用于这个电池单元102，以将其过剩电荷分配在电池107之上。然后分配单元134可将对应的控制信号G_S1、G_S2、G_S3、G_S4和G_P施加到第一开关器件110和多个第二开关器件112。

在图2中，电流脉冲212、214和218不是调制的，也就是他们不携带测试信号的信息，且基本上随时间t保持不变。图3到图6示出了被调制的电流脉冲的实施例。

图3示出了被调制的电流脉冲I_Shunt的实施例300。为清晰起见，只有电流I_Shunt被示出，然而电流I_B1、I_B2、I_B3和I_B4针对时间段t_OFF可以是相同的，如上面描述的。波形302示出了像在图2的图206中所示的电流脉冲218那样的电流脉冲的序列。然而，相比于图206，电流脉冲可以通过变化的时间t_ON来调制：他们可具有不同宽度的t_ON、t_OFF和不同的振幅A。电流脉冲218的振幅A可以与相等。

图4示出了被调制的电流脉冲I_Shunt在不同标尺下的实施例400，以用于图3的另外图示。

脉冲的振幅A可以通过时间t_ON被确定。可以示出的是，电流脉冲302、402的振幅A与t_ON成正比，见式子2和3。电流脉冲302、402的宽度t_OFF可以通过电流斜坡214到达零值所用的时间(这可由振幅A给出)来确定。可以示出的是，电流脉冲的宽度t_OFF也与t_ON成正比。

大的t_ON值可因此导致由大时间间隔分离开的大电流脉冲302、402，并且小的t_ON值可导致由小时间间隔分离开的小电流脉冲302、402。例如，图4示出了振幅A在A_min和A_max之间并且平衡周期T_Bal在T_{Bal_min}和T_{Bal_max}之间的电流脉冲402。由于变化的t_ON可以导致不同的振幅A和不同的平衡周期T_Bal，电流脉冲I_Shunt的调制可以被认为是振幅调制和频率调制的组合。

像图2中所示，不存在其中无电荷转移的时间。不同宽度的t_ON和t_OFF可因此导致不同的平衡周期T_Bal。

可以示出的是，电流脉冲302、402在其平衡周期T_Bal内的平均值与t_ON成正比。变化的t_ON可因此导致平均值成比例的改变。图3中的波形304和图4中的波形404示出了电流峰随时间t的平均值I_{Shunt_mean}。波形304和404可通过以与平均值I_{Shunt_mean}相同的方式随时间t改变t_ON而被实现。

波形304和403可以是振荡。振荡可具有偏移M_OFFSET。偏移M_OFFSET可大于振荡的振幅M＝(A_MAX-A_MIN)/2。换句话说，平均值I_{Shunt_mean}不改变它的符号。振荡可以是具有频率f_F＝1/T_F的正弦曲线。其可以是调制频率的频率f_F＝1/T_F可以是电流脉冲的频率f_Bal＝1/T_Bal的例如十分之一到百分之一。电流脉冲的频率f_Bal可因此被滤除，例如通过低通滤波器或带通滤波器，从而留下振荡平均值I_{Shunt_mean}。

电流脉冲302和402流过电池107的所有电池单元102，使得所有的电池单元102将不仅被电流脉冲激励而且也被振荡平均值I_{Shunt_mean}激励。平均值I_{shunt_mean}可因此被用于激励电池单元102以用于如上面描述的阻抗测量。

t_ON的值可随时间t变化，并且可例如根据如下公式在转换器电路132中生成：

t_ON(t)＝t_OFFSET+A_tON·cos(2πf_F·t)  (7)

t_OFFSET和A_tON的值可以分别确定M_OFFSET和M的值。输入到控制单元103的频率f_F可被认为是测试信号且可被改变使得可在不同频率下测量电池单元102的阻抗。

图5示出了被调制的电流脉冲I_Shunt的实施例500。波形502示出了像图4所示电流脉冲402那样的电流脉冲的序列。再次，脉冲的振幅A可与t_ON成正比。再次，电流脉冲的宽度t_OFF可与t_ON成正比。然而，相比于波形402，电流脉冲502可具有恒定的平衡周期T_Bal，例如T_{Bal_max}。由于连续电流脉冲502的宽度t_ON和t_OFF不同，电流脉冲不直接相互跟随，也就是说，在第一时间段T1和第二时间段T2期间可以存在其中没有电流流过初级线圈104或次级线圈106的时间。

可以示出的是，电流脉冲502的平均值504与t_ON的平方成正比。以正弦曲线的方式改变t_ON(例如根据式子(7))可因此导致平均值的平方正弦改变。通过使用三角函数关系cos²x＝(1+cos 2x)/，2平均值将会具有频率f_T和2f_T。再次，较高频率的电流脉冲可被滤除，例如通过低通滤波器或带通滤波器。被调制的电流脉冲I_Shunt可被认为是振幅调制类型的。

图6示出了被调制的电流脉冲I_Shunt的实施例600。波形602示出了像图2所示电流脉冲218那样的电流脉冲的序列。电流脉冲的振幅A、电流脉冲的宽度t_OFF和平衡周期T_Bal可以是常数。然而，相比于图206，电流脉冲602可具有关于平衡周期的不同相移。不同的相移可被选择使得电流脉冲的平均值604随时间t(例如具有频率f_T)是周期性的，例如正弦曲线的。再次，较高频率的电流脉冲602可被滤除，例如通过低通滤波器或带通滤波器。被调制的电流脉冲I_Shunt可被认为是相位调制。

图7示出了用于评估在电池中(例如在电池107中)的电池单元(例如电池单元102)的方法的实施例700。评估电池单元可包括确定它的阻抗。这可包括确定电池单元的健康状态和电荷状态。

方法可包括平衡电池单元的电压的步骤702。电压可通过转移电池单元间的电荷而被平衡。例如，来自具有太高电压的电池单元的电荷可从该电池单元被移除，以降低电池单元的电压。电荷可从电池单元转移到电池。作为另一个示例，如果其电压太低，电荷可被添加到电池单元，以增加它的电压。电荷可从电池转移到电池单元。电荷可使用诸如电流脉冲之类的脉冲被转移。然而，不同的转移电荷的方式是可能的。

电荷转移(例如通过电流脉冲的方式)可被调制。换句话说，电荷转移或电流脉冲可通过信号被修改且可携带关于该信号的信息。电荷转移或电流脉冲可表现得像用于承载信息的信号的载波。信息可以是频率，例如f_T。调制可以是振幅调制、频率调制、相位调制、它们的组合或者任何其它种类的调制。

调制可产生电荷转移或电流脉冲的振荡值，例如周期性变化的值或衰减振荡值。值可以是例如振幅、平均值、频率或电荷转移或电流脉冲的相位，或它们的组合。例如，调制可使得平均值具有周期性变化的值，也就是正弦曲线的。

方法可包括测量流过电池单元的诸如例如电流I_shunt之类的电流以及测量电池单元两端的诸如例如V_B1、V_B2、V_B3或V_B4之类的电压的步骤704。流过电池单元的电流可以与流过电池的电流相同，例如如果电池单元相互串联连接形成电池。然而，流过相应电池单元的电流还可通过其它方法测量，例如经由与电池单元串联连接的相应分流电阻器。

方法可包括解调测量的电流和解调测量的电压的步骤706。解调可发生在频域中，例如使用诸如低通或带通滤波器122之类的滤波器。如果电流是振荡，解调可以被简化，因为振荡可具有限制于频域中特定区域的频率。然而，从被调制的电流脉冲恢复承载信息的信号的任何种类的解调可被使用。解调器的示例包括包络检波器、快速傅里叶变换(FFT)和相位解调器。

方法可以包括基于解调的电流和解调的电压确定阻抗(例如Z1、Z2、Z3和Z4)的步骤708。阻抗可通过用解调的电压除以解调的电流而获得。如果解调的电压和解调的电流以数字形式被呈现，例如如果他们是通过模数转换器120被取样的，那么除法可通过数字信号处理单元(DSP)来执行。阻抗可以具有实部和虚部。它还可以通过幅度和相位来呈现。

方法可重复步骤702、704、706和708，被调制的电荷转移或电流脉冲具有不同的频率f_T。尼奎斯特曲线可被绘出，从而利用调制信号的频率作为参数在X轴上示出实部且在Y轴上示出虚部。电池单元的等效电路模型的尼奎斯特曲线可以被拟合到测得的尼奎斯特曲线且等效电路的参数可被确定。等效电路的参数可被用于确定电池单元的电荷状态和健康状态。

方法可被重复且所有电池单元的相应阻抗可被确定。例如与被放电的电池单元不共享共同节点的电池单元的阻抗可被确定。例如，标记为B4的电池单元102可被放电且标记为B1和B2的电池单元102的阻抗Z1和Z2可被确定。或者作为另一个示例，标记为B1的电池单元102可被放电且标记为B3和B4的电池单元102的阻抗Z3和Z4可被确定。

在各种实施例中，提供了用于测量在电池(例如电池107)中的电池单元(例如电池单元102)的阻抗的方法。方法可包括将电荷转移到或出电池单元。它可进一步包括用例如t_ON(t)的测试信号调制电荷转移。在各种实施例中，测试信号可以是周期性的。在各种实施例中，电荷可被电感性地转移。然而，电荷可通过其它方式转移，例如电容性地。在各种实施例中，电荷可在脉冲中被转移。脉冲可以是电流脉冲。在各种实施例中，测试信号可调制脉冲的平均值。在各种实施例中，测试信号可调制以下各项的至少一个：脉冲的振幅、脉冲的持续时间、脉冲的频率以及脉冲的相位。在各种实施例中，在例如T1的第一时间段期间的脉冲从电池单元移除电荷，并且在例如T2的第二时间段期间的脉冲将该电荷转移到电池。在各种实施例中，在例如T1的第一时间段期间的脉冲从电池移除电荷，并且在例如T2的第二时间段期间的脉冲将该电荷转移到电池单元。在各种实施例中，在第一时间段期间的电荷移除和在第二时间段期间的电荷转移被重复，直到电池的电池单元被平衡，也就是，直到电池单元具有允许进一步给电池充电或放电而不损害电池单元的电压。在各种实施例中，电荷转移的调制可发生在第一时间段期间或在第二时间段期间，或在第一时间段期间以及在第二时间段期间。在各种实施例中，测试信号的基本周期(例如T_T)被选择成是由第一时间段和第二时间段一起定义的时间周期的10倍大。该时间周期可以是例如T_Bal。在各种实施例中，方法可进一步包括解调表示被测量的流过电池的电流(例如I)的信号，以及解调表示被测量的电池单元两端的电压(例如V1、V2、V3和V4)的信号。在各种实施例中，解调可包括对对应信号进行滤波，以抑制高于测试信号基频的频率。测试信号的基频可以是基本周期T_T的倒数。它可以是周期性测试信号的最低频率。如果测试信号不是纯粹的正弦波，那么它可以包含基频的高次谐频。在各种实施例中，方法可进一步包括使用解调信号确定电池单元的复阻抗。在各种实施例中，电池单元的阻抗可被用于确定电池单元的电荷状态和健康状态的至少一个。在各种实施例中，方法可以进一步包括在测试信号的其它频率下确定电池单元的阻抗。在各种实施例中，评估电池的所有电池单元。

图2到图6中示出的波形是顶部平衡的示例，其中标记为B4的电池单元102具有通过转移电荷到电池107而减小的电压。然而，描述还可应用于不同的情况，例如在底部平衡期间，其中电池单元102(例如标记为B4的电池单元102)具有通过从电池107转移电荷到电池单元102而增加的电压。在第一时间段T1期间，电荷的转移可以是电池107的放电。在第二时间段T2期间，电荷的转移可以是电池单元102的充电。在图2中，于是图202将示出控制信号G_P，图204将示出电流I_shunt、I_B1、I_B2、I_B3，以及图206将示出通过电池单元102的电流I_B4。

所描述的电路100和方法700使用作为回扫变压器进行操作的变压器。然而，任何其它种类的DC-DC转换器可被使用，例如升压转换器、降压转换器、具有连续或不连续电流模式的转换器、谐振转换器、同步转换器等。

所示出的电路和波形被用在主动平衡电路中。然而，方法还可用于被动平衡电路。在被动平衡电路中，从电池单元到电阻器的电荷转移可以被调制以携带用于阻抗测量所需的频率信息。

在示出的电路和波形中，被转移的电荷被储存在磁场中。然而，被转移的电荷还可被储存在电场中，例如在电容器中。在给电容器充电时，在给电容器放电时，或者在给电容器充电和放电两者时，电荷的转移可以被调制以携带用于阻抗测量所需的频率信息。电荷可经由电容器直接在两个电池单元之间转移，例如从具有最高电压的电池单元到具有最低电压的电池单元。电容器可以对电池单元多路复用。如果电荷从电池单元转移到电池，那么可以使用电荷泵。

虽然本发明已参照具体的实施例被特别地示出并描述，应该由本领域技术人员理解的是，在其中可以做出各种形式和细节的改变，而不脱离如由所附权利要求定义的本发明的精神和范围。从而本发明的范围由所附权利要求指示，并且因此旨在包含落入权利要求的等效物的含义和范围内的所有改变。

Claims (28)

1.一种电路，包括：

平衡电路，配置用于使用电流脉冲在电池中的电池单元之间电感性地转移电荷，以及

控制单元，配置用于控制所述平衡电路以提供所述电流脉冲，其中所述电流脉冲的平均值随时间振荡。

2.根据权利要求1所述的电路，其中

以下各项中的至少一个随时间以振荡方式变化：

所述电流脉冲的峰值；

在相邻电流脉冲之间的时间差；以及

电流脉冲的宽度。

3.根据权利要求1所述的电路，其中

所述平均值的所述振荡是正弦曲线的。

4.根据权利要求3所述的电路，其中

所述振荡的频率低于1kHz。

5.根据权利要求1所述的电路，其中

所述平衡电路包括变压器，

其中所述变压器包括初级线圈和多个次级线圈，其中

所述初级线圈跨所述电池被耦合，以及

所述多个次级线圈的相应次级线圈跨所述电池的相应电池单元被耦合。

6.根据权利要求5所述的电路，其中

所述平衡电路进一步包括：

多个第二开关器件，其中相应的所述第二开关器件被配置用于控制通过相应次级线圈的电流流动，其中

所述多个第二开关器件由所述控制单元控制。

7.根据权利要6所述的电路，其中

所述平衡电路进一步包括：

第一开关器件，配置用于控制通过所述初级线圈的电流流动，其中

所述第一开关器件由所述控制单元控制。

8.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：

与所述电池串联耦合的分流电阻器。

9.根据权利要求8所述的电路，进一步包括：

测量单元，配置用于确定所述分流电阻器两端的电压和相应电池单元两端的相应电压。

10.根据权利要求9所述的电路，进一步包括：

多个滤波器，配置用于拒绝比所述电流脉冲的所述平均值的所述振荡的频率高的频率，其中

所述滤波器中的一个与所述分流电阻器耦合并且对所述分流电阻器两端的所述电压进行滤波；以及

相应滤波器与相应电池单元耦合并且对所述相应电池单元两端的所述相应电压进行滤波。

11.根据权利要求10所述的电路，其中

所述滤波器的截止频率适应于所述电流脉冲的所述平均值的所述振荡的所述频率。

12.根据权利要求10所述的电路，进一步包括：

计算单元，配置用于基于所述分流电阻器两端的经滤波的所述电压和所述相应电池单元两端的经滤波的所述电压确定电池单元的阻抗。

13.一种用于评估电池的电池单元的方法，包括：

使用电荷脉冲平衡电池单元的电压，其中

所述电荷脉冲用振荡测试信号调制；

测量通过所述电池单元的电流并且测量所述电池单元两端的电压；

解调测量的所述电流和测量的所述电压；以及

基于解调的所述电流和解调的所述电压确定阻抗。

14.根据权利要求13所述的方法，其中

所述测试信号是周期性的。

15.根据权利要求13所述的方法，其中

所述电荷脉冲是电感性地生成的电流脉冲。

16.根据权利要求13所述的方法，其中

所述测试信号调制所述电荷脉冲的平均值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中

所述测试信号调制以下各项中的至少一个：

所述脉冲的振幅；

所述脉冲的持续时间；

所述脉冲的相位；以及

所述脉冲的频率。

18.根据权利要求13所述的方法，其中

在第一时间段期间的电荷脉冲从所述电池单元移除电荷并且在第二时间段期间的电荷脉冲将该电荷转移到所述电池；或者

在第一时间段期间的电荷脉冲从所述电池移除电荷并且在第二时间段期间的电荷脉冲将该电荷转移到所述电池单元。

19.根据权利要求18所述的方法，其中

重复在所述第一时间段期间的电荷的所述移除和在所述第二时间段期间的电荷的所述转移，直到所述电池的所述电池单元被平衡。

20.根据权利要求18所述的方法，其中

所述电荷转移的所述调制发生在以下各项中的至少一个期间：

第一时间段，以及

第二时间段。

21.根据权利要求18所述的方法，其中

所述测试信号的周期被选择成是由所述第一时间段与所述第二时间段一起定义的所述时间周期的10倍大。

22.根据权利要求13所述的方法，其中

解调测量的所述电流和测量的所述电压包括：

解调表示测量的通过所述电池的所述电流的采样信号；以及

解调表示测量的所述电池单元两端的所述电压的采样信号。

23.根据权利要求22所述的方法，其中

解调包括对对应信号进行滤波，以抑制高于所述测试信号的基频的频率。

24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：

使用所述解调的信号确定所述电池单元的复阻抗。

25.根据权利要求24所述的方法，其中

所述电池单元的所述阻抗被用于确定所述电池单元的以下各项中的至少一个：

电荷状态；以及

健康状态。

26.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：

在所述测试信号的其它频率下确定所述电池单元的所述阻抗。

27.根据权利要求13所述的方法，其中

所述电池的所有的所述电池单元被评估。

28.一种电路，包括：

主动平衡电路，配置用于通过使用电流脉冲在相应电池单元和电池之间电感性地转移电荷来平衡所述电池的电池单元的电压；

脉冲生成单元，配置用于生成所述电流脉冲，其中所述电流脉冲用给定的频率调制；

测量单元，配置用于测量所述电池单元两端的电压和流过所述电池单元的电流；

解调单元，配置用于在所述给定的频率下从测量的所述电池单元两端的所述电压和流过所述电池单元的所述电流确定电压和电流；以及

计算单元，配置用于从在所述给定的频率下确定的所述电压和所述电流计算所述电池单元的阻抗。