CN110289656B - 电池管理电路及电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池管理电路，包括信号提取单元、时钟捕捉单元、压控振荡器以及电压采样单元。信号提取单元适于从连接到电池管理电路的通信总线中提取同步脉冲信号。时钟捕捉单元连接信号提取单元，适于根据同步脉冲信号产生时钟信号。压控振荡器适于将电池单元电压转换为电压频率信号。电压采样单元适于根据时钟信号对电压频率信号采样，获得电池单元电压的采样电压。

Description

电池管理电路及电池模块
技术领域
本发明涉及电池组，尤其是涉及电池组的电池管理电路及电池模块。
背景技术
电池管理系统(Battery Management System，BMS)是电池与用户之间的纽带，能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电或过度放电，保障电池安全，广泛应用于电动汽车、水下机器人等领域。
电池管理系统能够测量电池单元的各种关键参数，例如单元电压。通常使用由带隙参考电路产生的参考电压来测量单元电压。精确电压测量的挑战之一是产生足够精确和稳定的参考电压。不仅该参考电压的绝对精度应在100μV的范围内，还需要在寿命期和机械应力条件下保证这种精度。由于PN结对老化和应力的敏感性，使用带隙基准很难实现这种精度。
一种可能的解决方案是使用基于齐纳二极管的参考电压。该解决方案的缺点是齐纳二极管需要大约6V的电源，这在单个电池单元的电池管理系统中是不可用的。这种电池管理系统连接到具有1.5V量级的最小电源的单个电池单元。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电池管理电路及电池模块，不必依赖于参考电压且具有更高的单元电压测量精度。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种电池管理电路，包括信号提取单元、时钟捕捉单元、压控振荡器以及电压采样单元。信号提取单元适于从连接到电池管理电路的通信总线中提取同步脉冲信号。时钟捕捉单元连接信号提取单元，适于根据同步脉冲信号产生时钟信号。压控振荡器适于将电池单元电压转换为电压频率信号。电压采样单元适于根据时钟信号对电压频率信号采样，获得电池单元电压的采样电压。
在本发明的一实施例中，电池管理电路还包括分频器，连接在所述时钟捕捉单元和所述电压采样单元之间，适于对所述时钟信号进行分频，其中所述电压采样单元使用经过分频的时钟信号进行所述采样。
在本发明的一实施例中，所述时钟捕捉单元包括锁频环或锁相环。
在本发明的一实施例中，所述电压采样单元包括计数器，其中所述计数器的数据输入端输入所述电压频率信号，重置端输入所述时钟信号。
在本发明的一实施例中，电池管理电路还包括校准单元，根据所述压控振荡器和电压采样单元的传输函数校准所述采样电压。
在本发明的一实施例中，电池管理电路还包括内部温度传感器，适于检测所述电池管理电路的内部温度，所述校准单元连接所述内部温度传感器，且适于使用所述内部温度校准所述采样电压。
在本发明的一实施例中，所述压控振荡器包括环形振荡器，所述环形振荡器以可调节电压为电源，所述环形振荡器输出所述电压频率信号。
在本发明的一实施例中，所述压控振荡器还包括分压电路、比较器和晶体管。分压电路连接电池单元电压，适于输出电池单元电压的比例电压；比较器的正输入端连接可调节电压，负输入端连接比例电压；晶体管的源极连接电池单元电压，漏极连接可调节电压，栅极连接比较器的输出端。
本发明还提出一种电池模块，包括多组电池单元、多个如上所述的电池管理电路以及模块控制器。每个电池管理电路与一组电池单元对应地连接。模块控制器，通过通信总线连接至少部分电池管理电路，其中所述模块控制器配置为传输基于系统时钟的同步脉冲信号。
在本发明的一实施例中，所述模块控制器适于连接到晶体振荡器。
本发明还提出一种电池模块，包括多组电池单元、多个电池管理电路以及模块控制器。电池管理电路与一组电池单元对应地连接。模块控制器通过通信总线连接至少部分电池管理电路，模块控制器具有系统时钟。所述电池管理电路配置为将内部时钟锁定为所述系统时钟。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，不必依赖于参考电压来测量电压，而是使用非常精确的基于晶体的时序参考用于电压测量，从而提高了测量的精确度。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1是根据本发明一实施例的电池模块的示意图。
图2是本发明一实施例的电池管理电路的框图。
图3是本发明一实施例的电池管理电路的电池单元电压为低电平的波形图。
图4是本发明一实施例的电池管理电路的电池单元电压为高电平的波形图。
图5是本发明一实施例的压控振荡器的电路图。
图6是本发明另一实施例的电池管理电路的框图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
本发明的实施例描述一种电池管理电路(battery management circuit)。在本发明的上下文中，电池管理电路可用于管理一个或多个电池单元(battery cell)。典型地，一个电池管理电路实施为一个芯片，用于管理一组电池单元。许多电池管理电路和可选的额外器件组成电池管理系统(battery management system)。
在本发明的实施例中，电池管理电路不必依赖于参考电压且具有更高的单元电压测量精度。在电池模块中，中央微控制器(MCU)使用非常精确的基于晶体的时序参考，驱动与所有的电池管理电路通信。通过将每个电池管理电路的系统时钟锁定到MCU的时钟，可以在电池管理电路中获得精确的时序参考，可用于电压测量。
图1是根据本发明一实施例的电池模块的示意图。参考图1所示，电池模块100可包括多组电池110，例如110_1,110_2,…和110_n，在此，n为正整数。每组电池110可包括一个或多个电池单元，图中示意了2个。每组电池110的电池单元之间可以是串联的或者并联的。各组电池110_1,110_2和110_n之间也可以是串联的或者并联的。在图1中示意了电池单元及电池组串联的例子。在图1中，设置了多个电池管理电路120，例如120_1,120_2,…和120_n。每个电池管理电路120可并联到对应的一组电池110上，用于监测和管理该组对应的电池。举例来说，电池管理电路120可监测对应一组电池110的单元电压。在一些实施例中，每个电池管理电路120实施为一个半导体芯片，但并不以此为限。各个电池管理电路120之间可连接以进行通信。举例来说，各个电池管理电路120可通过通信总线通信。通信总线的形式可以是已知的各种合适的通信总线。在一个实施例中，可以使用菊花链通信总线。在图1中示意了各个电池管理电路120之间的接口IOtop和IObot。
这些电池管理电路120也可连接到电池模块控制器130以交换数据。举例来说，电池管理电路120可将测量的电池电压提供给电池模块控制器130。电池模块控制器130可控制包括多组电池110的整个电池模块的工作。电池模块控制器130连接到晶体132。电池模块控制器130内部的振荡器(图未示)可利用晶体132产生非常精确的系统时钟，作为时序参考。系统时钟的频率取决于技术选择、处理/计算所需的速度，功耗要求等等。在实际实施时，系统时钟的频率范围可在几十MHz在几百MHz之间。电池模块控制器130的振荡器用于驱动用于控制所有电池管理电路120的通信总线。在通过通信总线捕获电池模块控制器130的总线工作频率后，每个电池管理电路120可以将其内部时钟锁定到总线工作频率，从而具有相同的非常高的绝对精度。
尽管图1示出的是基于单节电池管理电路的电池管理系统。然而，相同的原理可以应用于其他类型的系统，其中具有高绝对精度的基于晶体的振荡器信号可用于锁定。
每个电池管理电路120中的精确时钟可用于测量电池电压。图2是本发明一实施例的电池管理电路的框图。参考图2所示，电池管理电路120可包括信号提取单元121、时钟捕捉单元122、分频器123、压控振荡器124、电压采样单元125以及校准单元126。信号提取单元121适于连接到通信总线IO bus。通信总线上有来自电池模块控制器130的包含系统时钟的同步脉冲信号。信号提取单元121从通信总线中提取同步脉冲信号。通信信号总是使用特定的数据速率或时钟信号运行，信号提取单元121的目的是提取该信号中的定时信息。信号提取单元121的确切实现很大程度上取决于通信总线的调制。例如，通信信号可以是曼彻斯特编码，这意味着时钟和数据在单个信号中组合。信号提取单元121可以基于通信总线信号的边缘提取同步脉冲信号。这些同步脉冲信号形成时钟捕捉单元122的输入，使得可以生成锁定到通信总线频率的时钟信号。
时钟捕捉单元122连接信号提取单元121，适于根据同步脉冲信号产生时钟信号Clk。此时钟信号Clk的频率可以与电池模块控制器130内系统时钟的频率相同。在本发明的实施例中，时钟捕捉单元122可实施为锁频环(Frequency Locked Loop,FLL)或锁相环(Phase Locked Loop,PLL)。
另一方面，压控振荡器(VCO)124适于将电池单元电压Vbat转换为电压频率信号Vfm。在此，电池单元电压Vbat可为模拟值，电压频率信号可为包含频率信息的数字值。此频率信息与电池单元电压Vbat的幅值相关。例如，幅值越大，频率越大。
电压采样单元125可根据时钟信号Clk对电压频率信号Vfm采样，获得电池单元电压的采样电压D。典型地，可以通过分频器123对时钟信号Clk进行分频，得到分频信号Rst。电压采样单元125使用分频信号Rst进行采样。在一个实施例中，电压采样单元125可包括计数器。计数器的数据输入端输入电压频率信号Vfm，重置端输入时钟信号Clk或其分频信号Rst。在图2的示例中，示出了使用分频器123的例子，然而可以理解，本发明涵盖不使用分频器123的例子。下文以使用分频器123为例进行说明。计数器可对由分频信号Rst所定义的时间窗口内，电压频率信号Vfm的周期数进行计数，计数值反映了电池单元电压Vbat。Rst信号确定了测量的积分时间。Rst信号的周期越长，所计数的Vfm的周期越多，测量的分辨率就越高。Rst信号的频率取决于电池管理电路120的应用要求和噪声性能。Rst最可能的最小周期是几ms的量级，对应几百Hz的频率。
通过在由Rst信号设置的时间窗口期间计数Vfm的周期数，计数器的输出将表示电池单元电压。通过使计数器周期更长，输出的分辨率增加，代价是测量速度变慢。
图3是本发明一实施例的电池管理电路的电池单元电压为低电平的波形图。参考图3所示，电池单元电压Vbat为低电平时，其转换的电压频率信号的频率也较低，脉冲较不密集。电池管理电路从通信总线捕捉到时钟信号Clk，经分频得到Rst信号，用来对Vfm信号采样，得到采样电压D。D为在Rst的一个周期逐渐升高的信号。再经校准后，得到测量电压VMout。图4是本发明一实施例的电池管理电路的电池单元电压为高电平的波形图。与图3相比，电池单元电压Vbat为高电平，其转换的电压频率信号的频率也较高，脉冲更密集。相应地，采样电压D和测量电压VMout的幅值也更高。
在前文的例子中，设VCO 124的传输函数为f，则电压频率Vfm＝f(Vbat)。函数f描述了由VCO建立的Vbat的值与Vfm的频率之间的关系。在理想情况下，会存在线性关系，例如：
freqVfm＝F(Vbat)＝100MHz+10MHz·Vbat
在这个例子中，当Vbat＝5V时，VCO 124的频率将是150MHz。需要利用这种关系将电压采样单元125的输出(这是Vfm频率的度量)转换为等效值Vbat。
电压采样单元125的输出可能需要校准，使得VMout＝f-1(D)＝Vbat。相应地在本实施例中，电池管理电路120还可包括校准单元126，可根据VCO 124的传输函数来校准采样电压D。
严格地说，在前文提到的等式VMout＝f-1(D)＝Vbat是不够准确的。在一个实施例中，最好还考虑电压采样单元125的传递函数，将D转换回Vbat。然而，校准单元126的主要目的是将值D转换回Vbat的等效值。除了其他参数之外，它还将使用VCO 124的传递函数f，例如Rst信号的频率。
图5是本发明一实施例的压控振荡器的电路图。参考图5所示，压控振荡器124可包括环形振荡器502。环形振荡器502以可调节电压Vdd为电源，环形振荡器502输出电压频率信号Vfm。
可调节电压Vdd可通过下述方式构造。压控振荡器124还包括分压电路504、比较器506和晶体管508。分压电路504可连接电池单元电压Vbat，分压电路504适于输出电池单元电压Vbat的比例电压。比较器506的正输入端连接可调节电压Vdd，负输入端连接比例电压，比较器506的输出端输出二者比较的结果。晶体管508的源极连接电池单元电压Vbat，漏极连接可调节电压Vdd，栅极所述比较器的输出端。
环形振荡器502的输出频率与其电源电压之间有显著的关系。因此可以通过电源电压Vdd来调节输出频率。
环形振荡器502的输出频率与温度之间也有显著关系，因此需要参考温度做校准。图6是本发明另一实施例的电池管理电路的框图。参考图6所示，电池管理电路120还可包括内部温度传感器127，适于检测电池管理电路的内部温度。校准单元127连接此内部温度传感器127，且适于使用内部温度传感器127所检测的内部温度来校准采样电压。内部温度传感器127的输出可用于通过校准补偿VCO 124的温度灵敏度。以这种方式，环形振荡器502的输出频率(使用精确的参考频率测量)可以映射回等效的输入电压Vbat。
在本发明的上述实施例中，环形振荡器的选择仅出于简化目的。在其他实施例中，可以使用输出频率取决于电源电压的任何其他振荡器。可以考虑的压控振荡器的另一种可能实现是电压平均反馈张弛振荡器(VAF)，其设计为具有独立于电源和温度的输出频率。该实现也不需要电压参考。
本发明中描述的模数转换器(ADC)的类型在本领域中称为“中间FM级ADC”或“电压到频率转换器”。本发明的一个特点是将这种类型的ADC应用于电池管理电路，受益于MCU提供的基于晶体的频率参考，该频率参考在所有电池管理电路间分发。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种电池管理电路，包括：
信号提取单元，适于从连接到所述电池管理电路的通信总线中提取同步脉冲信号；
时钟捕捉单元，连接所述信号提取单元，适于根据所述同步脉冲信号产生时钟信号；
压控振荡器，适于将电池单元电压转换为电压频率信号；以及
电压采样单元，适于根据所述时钟信号对所述电压频率信号采样，获得所述电池单元电压的采样电压。
2.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，还包括分频器，连接在所述时钟捕捉单元和所述电压采样单元之间，适于对所述时钟信号进行分频，其中所述电压采样单元使用经过分频的时钟信号进行所述采样。
3.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述时钟捕捉单元包括锁频环或锁相环。
4.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述电压采样单元包括计数器，其中所述计数器的数据输入端输入所述电压频率信号，重置端输入所述时钟信号。
5.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，还包括校准单元，适于根据所述压控振荡器和/或电压采样单元的传输函数校准所述采样电压。
6.如权利要求5所述的电池管理电路，其特征在于，还包括内部温度传感器，适于检测所述电池管理电路的内部温度，所述校准单元连接所述内部温度传感器，且适于使用所述内部温度校准所述采样电压。
7.如权利要求1所述的电池管理电路，其特征在于，所述压控振荡器包括：
环形振荡器，所述环形振荡器以可调节电压为电源，所述环形振荡器适于输出所述电压频率信号。
8.如权利要求7所述的电池管理电路，其特征在于，所述压控振荡器还包括分压电路，连接所述电池单元电压，所述分压电路适于输出所述电池单元电压的比例电压；
比较器，所述比较器的正输入端连接所述可调节电压，负输入端连接所述比例电压；以及
晶体管，所述晶体管的源极连接所述电池单元电压，漏极连接所述可调节电压，栅极连接所述比较器的输出端。
9.一种电池模块，包括：
多组电池单元；
多个如权利要求1-8任一项所述的电池管理电路，每个电池管理电路与一组电池单元对应地连接；以及
模块控制器，通过通信总线连接所述多个电池管理电路的至少一部分，其中所述模块控制器配置为传输基于系统时钟的同步脉冲信号。
10.如权利要求9所述的电池模块，其特征在于，所述模块控制器具有振荡器，所述振荡器适于连接到外部晶体。
11.一种电池模块，包括：
多组电池单元；
多个电池管理电路，每个电池管理电路与一组电池单元对应地连接；以及
模块控制器，通过通信总线连接所述多个电池管理电路的至少一部分，所述模块控制器具有系统时钟；
其中所述电池管理电路配置为将内部时钟锁定为所述系统时钟，根据所述系统时钟的时钟信号对所述电池单元的电压频率信号采样，获得所述电池单元的采样电压。
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