CN106208173A - 电池充电装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种电池充电装置和方法。多种方法、装置和系统针对电池充电应用。根据本文所讨论的一个或多个实施例，调制用于对电池充电的充电电流，并基于电池的阻抗，设置已调制充电电流的频率。基于在使用已调制充电电流对所述电池充电期间所述电池展示出的阻抗来估计所述电池的温度。在多种实施例中，基于估计的温度来控制电池充电速率。

Description

电池充电装置和方法

技术领域

多种实施例的方面针对用于对电池充电并控制电池充电的方法和装置。

背景技术

随着消费者对设备中越来越多功能的需求急剧增加，使用可再充电电池的需求同样急剧增加。这种高功能性通常需要较高的处理电力，这样对电池操作提出更多需求。此外，这种功率消耗可以对电池再充电提出更大的需求。此外，用户通常需要快速的充电速率，以便可以在较短时间段内对电池充电。

电池单元的特性和性能很大程度上取决于它的温度。在高温或低温下，可能降低电流驱动能力和电荷接受能力。如果电池单元的负载和充电器不考虑这种影响，则可能严重缩短电池的寿命。然而，确定电池的温度是富有挑战性的。例如，电池内的温度会改变，电池单元的热质量会使电池组内的温度改变，并且难以从电池单元的外侧或外部检测到。由于电池特性和老化效应与温度相关，希望在1K内知晓每个电池单元的温度。如果没有在电池单元的化学活性部分内部进行感测，则难以获得这种测量准确度。此外，在具有多个串联电池单元的大型电池组中(诸如，用于电动车辆的电池)测量温度变得更复杂。通常，最弱的电池单元决定了电池组的容量和电流驱动能力。然而，在不同温度下，最弱的电池单元可能是不同的。尽管可以将热模型(thermal model)用于识别每个单元温度，但是这种模型难以实现。此外，尽管可以将不同传感器用于每个电池单元，这种方法成本高且难以实现。此外，快速充电和测量温度的困难会引入过热问题和相关影响。

上述和其它事物呈现出对多种应用的电池充电方法、装置及其实现方案的挑战。

发明内容

多种示例实施例针对一种电池充电方法、装置和它们的实现方案。

根据示例实施例，装置包括第一电路，调制用于对电池充电的充电电流，并基于电池的阻抗设置已调制充电电流的频率。第二电路基于在使用已调制充电电流对所述电池充电期间所述电池展示出的阻抗来估计所述电池的温度。

在更具体的实施例中，所述装置包括电流调制电路，对充电源提供的充电电流进行调制，并将已调制充电电流提供为用于对电池充电的输出。阻抗检测电路与电流调制电路进行操作，以便基于已调制电流的频率检测电池的阻抗，并基于检测到的阻抗修改已调制的充电电流的频率。温度估计电路基于检测到的阻抗来估计电池的温度；电流调节器电路基于估计的温度来调节提供作为输出的充电电流。

另一实施例针对如下方法。调制对电池充电的充电电流，并基于电池的阻抗设置已调制充电电流的频率。基于在使用已调制充电电流对电池进行充电期间所述电池展示出的阻抗来估计电池的温度。在一些实施例中，响应于估计的温度超过了预定阈值，通过减小充电电流来调节充电电流。例如，调制充电电流可以包括：将充电电流的频率设置为指示电池阻抗曲线的虚部的零交叉点的频率，或将其设置为电池阻抗曲线的相交点(intercept point)。然后，可以使用零交叉点和/或线性内插以及指示相交点的频率来估计电池的温度。

上述讨论/概述不是为了描述本公开的每个实施例或每个实现方案。以下附图和具体描述示例性地示出了多种实施例。

附图说明

可以根据以下结合附图的详细描述，更全面地理解多种示例实施例，附图中：

图1示出了根据示例实施例的电池充电装置的框图；

图2示出了根据更具体实施例的电池管理装置；

图3示出了根据另一实施例的另一电池管理装置；

图4示出了根据一个或更多个实施例用于估计温度的非零相交(intercept)频率f(_0.5)的曲线图；

图5示出了根据一个或更多个实施例用于估计温度的非零相交频率f(_1.0)的曲线图；

图6示出了根据一个或更多个实施例用于估计温度的在1510Hz频率处相移曲线图；

图7示出了根据一个或更多个实施例用于估计温度的在1914Hz频率处相移曲线图；

图8示出了根据一个或更多个实施例用于估计温度的在3888Hz频率处相移曲线图；

图9示出了根据一个或更多个实施例用于估计温度的在4923Hz频率处相移曲线图。

尽管这里讨论的多种实施例应该包括多种修改和备选形式，然而在附图中示例性地示出了并详细描述了实施例的多个方面。然而，应理解这么做的目的不是为了将本发明限于所述的具体实施例。相反，而是为了涵盖落在本公开范围内的所有修改、等同物和替换物，所述本公开范围包括由权利要求限定的多个方面。此外，贯穿本申请所用的术语“示例”仅是说明性的，而不是为了进行限制。

具体实施方式

确信本公开的多个方面可应用于多种不同类型的涉及电池充电的装置、系统和方法。尽管不必这样限制，然而可以通过对在该背景下对示例的讨论认识到本发明的多个方面。

多种示例实施例针对基于对电池内的温度的估计来控制电池充电。基于在使用一个或更多个特定频率调制的电流对电池充电期间该电池的阻抗，来执行温度估计。例如这种方法可以涉及：使用有利于检测该电池在电池充电期间展示出的阻抗曲线的相交点的充电电流频率，来估计温度。这种相交可以例如涉及高频相交或零交叉相交。多种方法和装置可以执行这种方案。

在其它示例实施例中，一种装置包括第一(充电)电路，使用基于电池阻抗设置的频率来调制提供给电池的充电电流。在一些实现方案中，设置频率以使检测到的阻抗在特定频率处展示出相交，这样有助于进行精确的温度测量。在这种背景下，可以基于检测到的阻抗，修改调制充电电流的频率，以便实现与相交相对应的所需频率。第二(温度估计)电路基于电池在使用已调制充电电流对该电池进行充电期间展示出的阻抗来估计该电池的温度。在一些实现方案中，该装置还使用估计的温度来调节充电电流，诸如，响应于估计的温度超过了预定阈值来减小充电电流。在更具体的实施例中，第三(阻抗检测)电路检测该电池的阻抗，并与第一充电电路进行操作以便基于经过电池的电压和电流的相位差来修改已调制充电电流的频率。

以多种方式中的一种或更多种方式来调制充电电流。在一些实施例中，在使得阻抗的虚部为零的频率处调制充电电流，在该频率下，电池两端的电压和经过电池的电流是同相的，或该频率指示了电池阻抗曲线的虚部的零交叉点。在其它实施例中，充电电流被设置为使阻抗的虚部为正数的频率，该频率指示阻抗曲线虚部的非零相交频率(例如，其中非零相交被用于指示温度)。因此，这种非零相交点可以被确定为电池的奈奎斯特曲线与平行于实轴的线相交的频率，其中虚部不等于零(例如，0.5mΩ或1.0mΩ，如图4和5所示)。在另一实施例中，在阻抗的虚部为正数的频率处调制充电电流，电池温度基于电流和电压之间的相位，其中该电流和电压是在使用已调制充电电流对电池充电期间电池展示出的电流和电压。在其它实施例中，在监控电池的阻抗的同时修改充电电流的频率，将充电电流的频率设置为使被监控的阻抗指示电池阻抗曲线的相交点的频率。在更具体实施例中，其中将充电电流调制为指示电池阻抗曲线的相交点的频率，通过使用线性内插估计温度，基于在使用已调制充电电流对电池充电期间电池展示出的阻抗来估计电池的温度。

另一实施例针对一种如下装置，可以使用上述一个或更多个方法来实现该装置。电流调节电路调制由充电源提供的充电电流，将已调制充电电流提供作为用于对电池充电的输出。阻抗检测电路与电流调制电路进行操作以便基于已调制电流的频率检测电池的阻抗，并基于检测到的阻抗修改已调制充电电流的频率。温度估计电路基于检测到的阻抗来估计电池的温度；电流调节器电路基于估计的温度来调节提供作为输出的充电电流。

使用多种方案中的一个或更多个方案来设置已调制充电电流的频率。在一些实施例中，基于以下参数中的一个或更多个参数来设置频率：经过电池的电压和电流的相位差；电池阻抗的虚部为零的频率；电池两端的电压和经过电池的电流处于同相的频率；充电电流的频率与指示电池阻抗曲线的虚部的零交叉点的频率；以及使检测到的阻抗指示电池阻抗曲线的相交点的频率。

在更具体的实施例中，电流调制电路通过基于由阻抗检测电路检测到的阻抗将充电电流的频率设置为指示电池阻抗曲线的相交点的频率，来调制充电电流。温度估计电路通过使用线性内插以及指示相交点的频率来估计温度，基于在使用已调制充电电流对电池充电期间该电池展示出的阻抗，来估计该电池的温度。

图1示出了根据另一示例实施例的电池充电装置100的框图。电池充电装置100包括DCDC转换器110，将来自源120的输入DC电压转换为DC电流，以便对电池130进行充电。阻抗检测电路140检测电池130的阻抗特性，温度估计电路150基于检测到的阻抗来估计电池130的温度。充电电流调节器电路160基于估计的温度来调节电流(例如，以便保护过热)，充电电流调制器170调制充电电流的频率以便有利于阻抗检测。在一些实施例中，充电电流调制器170调制充电电流的频率，以便提供与阻抗检测电路140检测到的阻抗曲线的虚部的零交叉点相对应的频率。这种方案还有利于进行精确温度测量。

在一些实施例中，充电电流调节器160根据电池的充电类型(例如，慢或快)和/或充电状态，来改变充电电流。当电池的单元到达特定化学相关电压(例如，4.3V)时，电压保持恒定，由于单元接近满电状态，缓慢减小电流。这种方法可以与如上所述的温度估计和相关电流控制相结合。在一些实现方案中，通过诸如电阻器或Hall器件的安培计来测量DCDC转换器110的输出电流。将安培计的输出与参考信号进行比较以便控制DCDC转换器的占空比，参考信号是保持电流恒定(I_charge)的信号。当电池电压到达其最大电平时，通过使信号V_max作为输入的控制环路将电池电压保持为恒定。最小检测器传送正确信号以便获得所需的充电特性。

将多种方法用于基于阻抗来估计温度以便控制对电池的充电。在一些实施例中，电池的奈奎斯特曲线被用于根据频率来估计电池的阻抗。在多种实现方案中，相交频率(奈奎斯特曲线相交实轴的频率)被用作电池温度的指示符。

图2示出了根据更具体实施例的电池管理装置200。电池管理装置200包括充电器210，使用所需电流驱动电池；以及电池单元监管器(supervisor)220，监控电池电压。在一些实现方案中，针对由充电器210进行充电的电池中的每个单元，执行多个单元监管器(诸如单元监管器220)。充电器210包括DCDC转换器211，使用电压源219向安培计212提供输出，安培计继而将输出提供给比较器213。低通滤波器214还将输出提供给比较器215，其中还向比较器215提供目前的最大电压输入。比较器215向最小检测器216提供输出，向最小检测器216馈送根据特定属性设置电流的信号I_charge。正弦信号发生器217产生参考信号，该参考信号在加法器218处与最小检测器216的输出相加，被提供作为比较器213的另一输入，作为控制DCDC转换器211的占空周期的参考信号。参考信号包括与信号I_charge相对应的DC分量和通过正弦信号发生器217产生的AC分量(例如，可以改变其频率)。低通滤波器214确保当充电器处于恒压模式下时不抑制所产生的正弦信号。只要电池电压到达所设最大电平，就通过包括信号V_max作为其输入的控制环路来将电池电压保持为恒定，其中通过最小检测器216的控制使控制环路有效。

单元监管器220包括低通滤波器221，耦接用以接收单个单元230两端的信号，并向模数转换器(ADC)222提供输出。ADC 222向另一低通滤波器223提供输出，低通滤波器223提供指示电池电压的输出。正弦(或余弦)信号发生器224向同步解调器225提供参考信号，同步解调器225还接收ADC 222的输出并产生指示电池230的阻抗的实部和虚部的输出。例如可以由充电器210使用这些方面，以便设置经由DCDC转换器211提供的已调制充电电流的频率和/或电平。在一些实现方案中，控制对充电电流的调制，使得对单元的较小调制足够低(例如，1mV或更少)以便减轻单元寿命的减小。

可以通过基于电池监管器220的输出检测电池的阻抗方面，来估计温度，诸如如美国专利申请序列号No.13/555,923所述，该专利申请通过全文引用合并于此。例如，可以通过改变正弦信号的频率并查找以下频率来针对系统中的每个单个单元确定温度：使电池的虚部等于零的频率，在该频率处电池两端的电压和通过电池的电流是同相的频率，或相交点处的频率。

在一些实施例中，诸如对于具有较少数目的单元的系统，如具有一个电池单元的移动电话、具有两个单元的平板电脑或具有三个单元的膝上型计算机，充电器210和单元监管器220可以被方便地集成在一个集成电路(IC)中。在一些实现方案中，充电器210的正弦信号发生器和单元监管器220的(余)正弦信号发生器是同一组件。在其它实施例中，诸如在具有大量电池单元的汽车应用中，与充电器和监管器方面相关的功能可以分布在若干IC中(例如，充电器的正弦信号发生器和监管器的余弦信号发生器是同步的，如美国专利申请序列号No.14/107,530所述，通过引用将该申请全文合并于此)。

现参考图3，示出了根据另一实施例的另一电池管理装置300。电池管理装置300与图2所示的装置200相似，其中用采样保持(S/H)电路314代替充电器210的恒压环路中的低通滤波器214。用于与图2中的附图标记相似的附图标记来标注电池管理装置300的其它方面(例如，DCDC转换器211和311)，因此电池管理装置300的特征如图2所示。S/H电路314与由正弦信号发生器317产生的正弦波同步地进行采样，可以在其输出处有效地消除正弦波。

将通过阻抗以及充电电流的相关频率来估计温度的多种方案实现为适应一个或更多个实施例。例如，阻抗的低频和中频分量可以被用于估计温度。针对不同温度令电池阻抗为实数且交变电压和电流之间的相移为零的相交频率可以被用作温度的指示。可以根据L.H.J.Raijmakers、D.L.Danilov、J.P.M.van Lammeren、M.J.G.Lammers、P.H.L.Notten在“Sensorless battery temperature measurements based onelectrochemical impedance spectroscopy，”Journal of Power Sources(2013)中所述的方案来执行这种方法，通过引用将该文献全文合并于此。

多种实施例针对基于这种阻抗曲线图的非零相交频率来检测温度。在这种情况下，进行测量的频率被设置为特定正虚数阻抗值(例如，在电池阻抗的电感性区域中)。可以使用在高于零相交频率的频率下观察非零相交频率，以便避免低频，这样允许忽略电荷转移处理的影响，并缓解干扰，这是由于这种干扰的幅度在较高频率下较小。这种非零相交频率随着阻抗的正虚数值越高而增加，可以将其用于进行准确温度测量。

用于估计电池温度的另一方法涉及在特定频率下测量在交变电流和电压之间的相移，选择该特定频率使得阻抗的虚部是正数(例如，在电池阻抗的电感性区域中)。在这种方案下，相移也是正数，由于可以通过在阻抗的电感性区域中进行测量使得该频率超出发生主电化学蓄电反应的频率范围。

在一些实施例中，如下所示地测量相交频率。通过首先测量任意频率下的电池阻抗来得到测量值序列。如果阻抗的虚部高于目标值(例如，零或非零)，则接下来尝试更高的频率。如果阻抗的虚部低于该目标值，则接下来尝试更低的频率。可以重复这个步骤以便得到两个(或多个)测量值，可以通过内插将该测量值用于估计温度。在一些实现方案中，为了令测量时间尽可能的短，同时将两个测量频率注入单元。硬件解决方案可以处理两个同时注入的频率，诸如，通过使用图2的正弦(或余弦)信号发生器224和同步解调器225以及复用器，或复制这些电路以便在两个不同频率下进行测量。可以通过选择两个频率使得在前一测量中发现的相交点在这两个频率的中间(halfway)(诸如以高于单元热时间常数的倒数的速率来测量温度)，来执行这种方法。在一些实施例中，当电池组处于热平衡时，用位于电池组中某处的外部温度传感器来校准针对老化电池单元的温度估计。

图4和5示出了根据一个或多个实施例可以用于估计温度的非零相交频率f(0.5)和f(1.0)的曲线图。针对多种示例实现方案，水平轴示出了温度，垂直轴示出了对应非零相交点。可以使用这种曲线图、使用令阻抗的虚部为正数的频率，来将不同频率与对应温度进行匹配从而基于相关阻抗来估计温度。

图6-9示出了根据一个或多个实施例用于估计温度的在大约为1510Hz、1914Hz、3888Hz和4923Hz的对应频率处相移的曲线图。针对对应实现方案，水平轴示出了温度，垂直轴示出了交变电流和电压之间的相移。可以将展示出的相移与温度之间的相关性用于针对对应阻抗来估计温度，其中频率是令阻抗的虚部为正数的频率。

可以组合或单独执行这里所述和附图所示的多种实施例，以便用于多种应用。可以将多种实施例实现为一个或更多个方面和方案，以便实现多种结果。在一些实施例中，执行温度估计而无需使用温度传感器和相关线缆。在其它实施例中，减小或消除由于电池单元的热质量而引起的测量滞后，诸如用于快速充电应用，其中如果在单元内出现故障，则电池温度可能会非常快速提升。在另一实施例中，测量电池单元中的电流和电压之间的相位差，可以将相位差单独用于提供对温度的估计(例如，不必知道或检测信号幅度)。此外，可以结合诸如在以下文献之一或其二者中所述的多个方面来实现一个或更多个实施例：Young-Jin Hong和Chi-Su Kim的“Modeling of the thermalbehaviour of a Lithium-Ion battery pack”Advanced Automotive Batteryconference 2010；以及P.H.L.Notten、J.H.G.op het Veld、J.R.G.van Beek的“Boostcharging Li-ion batteries：A challenging new chargingconcept”Journal of Power Sources(2005)，其中通过引用将所述文献全文合并于此。

可以实现多种组块、模块或其它电路，以便实施实施这里所述的和附图所示的一个或多个操作和功能。在这种背景下，“组块”(还有时称作“逻辑电路”或“模块”)是实施一个或多个这些操作/功能或相关操作/功能(例如，控制对充电电流的频率的调制、估计组块或控制充电电流大小)的电路。例如，在一些上述实施例中，一个或多个模块是分立的逻辑电路或可编程的逻辑电路，配置为用于实现与图1所示的电路模块相同的操作/功能。在一些实施例中，这种可编程电路是一个或多个计算机电路，编程为执行指令(和/或配置数据)的集(集合)。指令(和/或配置数据)可以是固件或软件的形式，所述固件或软件存储在存储器(电路)中并可从存储器(电路)进行访问。例如，第一和第二模块包括基于CPU硬件的电路和固件形式的指令集的组合，其中第一模块包括具有一个指令集的第一CPU硬件电路，第二模块包括具有另一指令集的第二CPU硬件电路。

一些实施例针对于一种计算机程序产品(例如，非易失性的存储设备)，包括在其上存储有指令的机器或计算机可读介质，其中通过计算机(或其它电子设备)执行所述指令以便执行这些操作/功能。

基于以上讨论和说明，本领域技术人员应认识到可以对多种实施例进行多种修改和改变，而不完全符合本文所示和所述的示例实施例和应用。例如，可以执行不同调制和相关调整方案以便实现足以估计可工作程度的温度的阻抗测量。这种修改不脱离本发明多种方面的实质精神和范围，所述本发明多种方面的实质精神和范围包括权利要求中所述的多个方面。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

第一电路，配置并布置为调制用于对电池电充的充电电流，并基于所述电池的阻抗设置已调制充电电流的频率；以及

第二电路，配置被并布置为基于在使用已调制充电电流对所述电池充电期间所述电池展示出的阻抗来估计所述电池的温度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电路配置并布置为响应于所述温度超过了预定阈值，通过减小充电电流来调节所述充电电流。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电路配置并布置为基于所述阻抗修改调制所述充电电流所处的频率。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括：第三电路，配置并布置为检测所述电池的阻抗，并配置并布置为与所述第一电路进行操作，以便基于经过电池的电压和电流的相位差来修改已调制充电电流的频率。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电路配置并布置为通过将充电电流的频率设置为指示所述电池阻抗曲线的虚部的零交叉点的频率，来调制所述充电电流。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电路配置并布置为通过将充电电流的频率设置为使阻抗虚部为正数且指示了阻抗虚部的非零相交频率的频率，来调制所述充电电流。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电路配置并布置为基于所述非零相交频率以及非零相交频率和温度之间的相关性来估计电池的温度。

8.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一电路配置并布置为以使阻抗虚部为正数的频率来调制充电电流；以及

所述第二电路配置并布置为基于在使用已调制充电电流对所述电池充电期间所述电池展示出的电压和电流之间的相位来估计所述电池的温度。

9.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一电路配置并布置为通过将充电电流的频率设置为指示电池阻抗曲线的相交点的频率，来调制充电电流；以及

所述第二电路配置并布置为：通过使用线性内插以及指示相交点的设置频率来估计温度，基于在使用已调制充电电流对所述电池充电期间所述电池展示出的阻抗来估计所述电池的温度。

10.一种装置，包括：

电流调制电路，配置并布置为调制由充电源提供的充电电流，并提供已调制充电电流作为用于对电池充电的输出；

阻抗检测电路，配置并布置为与电流调制电路进行操作，以便基于已调制电流的频率来检测电池的阻抗，并基于检测到的阻抗修改已调制充电电流的频率；

温度估计电路，配置并布置为基于检测到的阻抗来估计电池的温度；以及

电流调节器电路，配置并布置为基于估计的温度来调节被提供作为输出的已调制充电电流。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述阻抗检测电路配置并布置为与电流调制电路进行操作，以便基于经过所述电池的电压和电流的相位差来修改已调制充电电流的频率。

12.根据权利要求10所述的装置，其中所述电流调制电路配置并布置为通过将充电电流的频率设置为指示所述电池阻抗曲线的虚部的零交叉点的频率，来调制所述充电电流。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述电流调制电路配置并布置为通过将充电电流的频率设置为使阻抗虚部为正数且指示所述电池阻抗曲线的虚部的非零相交频率的频率，来调制所述充电电流。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述温度估计电路配置并布置为基于所述非零相交频率以及非零相交频率和温度之间的相关性，来估计电池的温度。

15.根据权利要求10所述的装置，其中：

所述电流调制电路配置并布置为通过设置使阻抗虚部为正数的频率来调制充电电流；以及

所述温度估计电路配置并布置为基于在使用已调制充电电流对所述电池充电期间所述电池展示出的电压和电流之间的相位来估计所述电池的温度。

16.根据权利要求10所述的装置，其中：

所述电流调制电路配置并布置为通过基于由阻抗检测电路检测到的阻抗将充电电流的频率设置为指示电池阻抗曲线的相交点的频率，来调制充电电流；以及

所述温度估计电路配置并布置为通过使用线性内插以及指示相交点的设置频率来估计温度，基于在使用已调制充电电流对所述电池充电期间所述电池展示出的阻抗来估计所述电池的温度。

17.一种方法，包括

调制用于对电池充电的充电电流；

基于所述电池的阻抗，设置已调制充电电流的频率；以及

基于在使用已调制充电电流对所述电池进行充电期间所述电池展示出的阻抗，来估计电池的温度。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：响应于估计的温度超过了预定阈值，通过减小充电电流来调节充电电流。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述调制充电电流包括以下步骤中的至少一个：

将充电电流的频率设置为指示所述电池阻抗曲线的虚部的零交叉点的频率；

将充电电流的频率设置为使阻抗虚部为正数且指示阻抗曲线的虚部的非零相交频率的频率；以及

基于经过所述电池的电压和电流的相位差来设置充电电流的频率。

20.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述调制充电电流包括将充电电流的频率设置为指示所述电池的阻抗曲线的相交点的频率；以及

所述估计电池温度包括使用线性内插以及指示相交点的频率来估计温度。