CN110739734A - 电池组堆监测和平衡电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于电池组堆监测和平衡的方法和设备。在一个实施例中，所述设备包括第一低通滤波器(LPF)，所述第一低通滤波器耦合在第一端与包括多个输入节点的电路的第一输入节点之间，其中所述第一端被配置成耦合到电池组电池的正极端。第二LPF耦合在所述第一端与所述电路的第二输入节点之间。第一电路耦合在所述第一端与第二端之间，其中所述第一电路被配置成在被启动时在所述第一端与所述第二端之间传输电流，且其中所述第二端被配置成耦合到所述电池组电池的负极端。第二电路耦合在所述第二输入节点与第三输入节点之间，其中所述第二电路被配置成响应于所述第二电路接收到控制信号而启动所述第一电路。

Description

电池组堆监测和平衡电路
技术领域
本发明涉及用于电池组堆监测和平衡的方法和设备。
背景技术
电池组包含有一个或多个个别电池组电池。电池可串联、并联或两者的混合连接在一起以递送所要电压、电容或功率密度。将参考具有串联布置(即，堆叠)的一组电池的电池组包描述本发明的技术，但应理解本发明的技术不应限于此。
可再充电电池组电池是可多次充电、放电和再充电的一种类型的电池。可再充电电池组电池可采用电极材料和电解质的不同组合的形式，包括铅酸、镍镉、镍金属氢化物、锂离子等。锂离子通常是用于可充电电池的化学选择，因为其高电容-尺寸比率和低自放电特性。虽然可再充电电池呈许多不同配置，将参考锂离子电池组电池描述本发明的技术，但是应理解本发明的技术不应限于此。
如果过热或充电过度，那么锂离子电池组电池可能会遭受热失控或电池破裂。在极端的情况下，这可能会导致爆炸或着火。放电过度是另一问题。在放电过度时，锂离子电池组电池可能会失灵和永久失效。
电池组管理系统(BMS)设置在锂离子电池组包中。BMS监测电池组电池且在电池组电池中的一个或多个被发现在不安全条件(例如，充电过度、过热、放电过度等)下操作时采取校正行动。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种设备，包括：
第一低通滤波器(LPF)，其耦合在第一端与包括多个输入节点的电路的第一输入节点之间，其中所述第一端被配置成耦合到电池组电池的正极端；
第二LPF，其耦合在所述第一端与所述电路的第二输入节点之间；
第一电路，其耦合在所述第一端与第二端之间，其中所述第一电路被配置成在被启动时在所述第一端与所述第二端之间传输电流，且其中所述第二端被配置成耦合到所述电池组电池的负极端；
第二电路，其耦合在所述第二输入节点与第三输入节点之间，其中所述第二电路被配置成响应于所述第二电路接收到控制信号而启动所述第一电路。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
第三LPF，其耦合在所述电路的第三输入节点与所述第二端之间；
第四LPF，其耦合在所述电路的第四输入节点与所述第二端之间。
在一个或多个实施例中，所述电路包括：
模/数转换器(ADC)，其包括输入节点对；
切换电路，其包括耦合到ADC的所述输入节点对的输出节点对；
其中所述切换电路被配置成分别经由所述输出节点对选择性地将所述电路的两个输入节点分别耦合到所述ADC的所述输入节点对；
其中所述ADC电路被配置成将所述ADC电路的输入节点对之间的电压转换成数字等效物以用于后续传输到所述电路外部的装置和由所述装置处理。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
第三电路，其耦合在所述第二端与第三端之间，其中第三电路被配置成在被启动时在所述第二端与所述第三端之间传输电流，其中所述第三端被配置成耦合到另一电池组电池的负极端；
第四电路，其耦合到所述第三输入端，其中所述第二电路被配置成响应于所述第四电路接收到另一控制信号而启动所述第三电路。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
数据处理装置，其被配置成将预定值和所述第一输入节点与所述第二输入节点之间的电压的数字表示进行比较；
其中所述数据处理装置被配置成响应于确定所述预定值超出所述数字表示而生成命令。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
数据处理装置，其被配置成将预定值和所述第三输入节点与所述第四输入节点之间的电压的数字表示进行比较；
其中所述数据处理装置被配置成响应于确定所述预定值超出所述数字表示而生成命令。
在一个或多个实施例中，所述第一电路包括耦合在所述第一端与所述第二端之间的P沟道MOSFET；
所述第二电路包括耦合在所述第一输入节点与所述第二输入节点之间的N沟道MOSFET。
在一个或多个实施例中，所述第三电路包括耦合在所述电池组电池的所述第二端与所述第三端之间的N沟道MOSFET；
所述第四电路包括耦合到所述第三输入节点的N沟道MOSFET。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
平衡电阻器，其耦合在所述第一端与所述第一电路之间；
其中所述第一LPF和所述第二LPF中的每一个包括电阻器和电容器；
其中所述平衡电阻器的电阻小于所述LPF电阻器的电阻。
根据本发明的第二方面，提供一种设备，包括：
第一和第二端，其被配置成分别耦合到电池组电池堆内的第一电池组电池的正极端和负极端；
第三端，其被配置成耦合到所述电池组电池堆内的第二电池组电池的负极端；
第一电路，其耦合在所述第一端与所述第二端之间且被配置成当所述第一电路被启动时传输电流以用于平衡所述第一电池组电池；
第二电路，其耦合在所述第二端与所述第三端之间且被配置成当所述第二电路被启动时传输电流以用于平衡所述第二电池组电池；
第一MOSFET，其用于当所述第一MOSFET被启动时启动所述第一电路；
第二MOSFET，其用于当所述第二MOSFET被启动时启动所述第二电路。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
第一低通滤波器，其耦合在所述第一端与电路的第一输入节点之间；
第二低通滤波器，其耦合在所述第一端与所述电路的第二输入节点之间。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
数据处理装置，其被配置成将第一预定值和所述第一输入节点与所述第二输入节点之间的电压的数字表示进行比较；
其中所述数据处理装置被配置成响应于确定所述第一预定值超出所述数字表示而生成命令。
在一个或多个实施例中，所述设备进一步包括：
第三低通滤波器，其耦合在所述第二端与电路的第三输入节点之间；
第四低通滤波器，其耦合在所述第二端与所述电路的第四输入节点之间。
在一个或多个实施例中，所述数据处理装置被配置成将第二预定值和所述第一输入节点与所述第四输入节点之间的电压的数字表示进行比较；
所述数据处理装置被配置成响应于确定所述第二预定值超出所述第一输入节点与所述第四输入节点之间的所述电压的所述数字表示而生成另一命令。
在一个或多个实施例中，所述电路包括：
模/数转换器(ADC)，其包括输入节点对；
切换电路，其包括耦合到ADC的所述输入节点对的输出节点对；
其中所述切换电路被配置成分别经由所述输出节点对选择性地将所述电路的两个输入节点分别耦合到所述ADC的所述输入节点对；
其中所述ADC电路被配置成将所述ADC电路的输入节点对之间的电压转换成数字等效物以用于后续传输到所述数据处理装置和由所述数据处理装置处理。
根据本发明的第三方面，提供一种方法，包括：
将第一预定值和存在于电路的第一与第二输入节点之间的第一模拟电压的数字表示进行比较；
在所述数字表示超出所述预定值时生成采取校正行动的命令；
其中所述第一输入节点经由第一低通滤波器(LPF)耦合到电池组电池的第一端；
其中所述第二输入端经由第二LPF耦合到所述电池组电池的所述第一端。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
将所述第一预定值和存在于所述电路的第三与第四输入节点之间的第二模拟电压的数字表示进行比较；
在所述数字表示超出所述预定值时生成命令；
其中所述第三输入节点经由第三低通滤波器(LPF)耦合到所述电池组电池的第二端；
其中所述第四输入端经由第四LPF耦合到所述电池组电池的所述第二端。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括：
将第二预定值和存在于所述电路的第一与第四输入节点之间的第三模拟电压的数字表示进行比较；
在所述第三模拟电压的所述数字表示超出所述第二预定值时生成另一命令。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括第一电路响应于所述另一命令的所述生成而在所述电池组电池的所述第一端与所述第二端之间传输电流。
在一个或多个实施例中，响应于执行存储在其存储器中的计算机可读指令而由数据处理装置实施所述比较。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
通过参考附图，可更好地理解本发明的技术，且使得本领域的技术人员清楚本发明的多个目的、特征和优点。
图1是示出电池组包的图式。
图2是图1中所示出的电池组包的图式，其中低通滤波器被添加到所述电池组包上。
图3是示出采用本发明的技术的一个实施例的电池组包的图式。
图4是图3中所示出的电池组包的图式，其中具有低通滤波器和电池平衡电路的例子实施例。
除非另外指出，否则在不同图式中使用相同参考符号指示相似或相同项目。图未必按比例绘制。
具体实施方式
BMS是管理电池组包中的一个或多个电池组电池的电子系统。BMS执行许多管理功能。举例来说，BMS监测电池组电池以实现安全操作。如果BMS确定一个或多个电池组电池在安全操作范围外操作，那么BMS采取校正行动。举例来说，BMS可通过以下方式监测跨每个电池组电池的电压：将所述电压与最小可允许电压和最大可允许电压进行比较。电池电压涉及电池电荷。如果电池电压下降到最小可允许电压(例如，2.5V)以下，那么电池可被深度放电，且BMS应通过断开接触器作出响应以防止进一步放电和对电池造成不可逆损坏。如果电池组电池电压超出最大可允许电压(例如，4.3V)，那么电池可能被充电过度，且BMS应通过断开接触器作出响应以防止进一步充电和着火。BMS可执行额外功能，例如电池平衡。通常，包中的电池将具有不同电容以存储电荷。如果没有平衡，那么最小电容电池可能成为问题。最小电容电池可能被轻易充电过度或放电过度，而具有更高电容的其它电池仅被部分充电。无源平衡允许堆看起来像每个电池与最弱电池具有相同电容。使用相对低的电流，无源平衡在充电周期期间从高度充电的电池汲极少量能量，从而使得所有电池充电到其最大电容。这通过使用与每个电池组电池并联的开关和平衡电阻器来实现。预期其它BMS管理功能。出于解释的目的，将参考在电池组包的操作期间(即，在电池组电池被充电或放电时)执行管理功能的BMS描述本发明的技术。
图1示出基本电池组包100的相关组件，所述基本电池组包100包括电池组电池102和BMS 104。电池组电池102串联堆叠或连接在一起且向负载装置提供电流I(例如，电池电动车辆的DC-AC变换器)。图1和2仅提供以解释电池组管理系统的潜在问题。
BMS 104包括电池组电池监测和平衡电路(BCC)106，和包控制器108。所述包控制器108继而包括微控制器单元(MCU)112或另一类型的数据处理装置。BCC 106经由其读取/写入(R/W)通信接口和通信总线110菊链在一起。仅出于解释的目的，示出恰好两个BCC106。
表示变量(例如，电池组电池电压Vc、电流I、温度等)的数据由MCU 112从从属BCC106请求，所述MCU 112是通信总线110的主控装置，所述从属BCC 106通过返回所请求数据应答。MCU 112基于由BCC 106返回的数据理电池102。如果MCU 112确定一个或多个电池102在安全操作范围外操作，那么MCU 112采取校正行动。举例来说，MCU112可响应于确定电池102中的一个被充电过度或放电过度而断开电池组接触器(未示出)以基本上停用堆。MCU112还可基于由BCC 106提供的电池电压管理电池102的无源平衡。通常，MCU 112控制在再充电周期期间的平衡过程以便维持所有电池电压相等且确保没有电池电压超出最大可允许电压。
每个BCC 106包括电池端节点t和电池平衡节点b。每个端节点t经由电池电阻器Rc耦合到电池组电池102的相应正极端或负极端。BCC 106可通过测量邻近端节点t处的差分电压Vtt而间接测量电池电压Vc。举例来说，BCC 106-1可通过测量邻近输入端节点t1和t2处的差分电压Vt1t2而测量电池组电池102-1的电压Vc1。如下文将更完整描述，如果没有泄漏电流流动通过电池电阻器Rc(例如，Rc1)，那么电池电压Vc(例如，Vc1)应等于差分电压Vtt(例如，Vt1t2)。
每个平衡节点b耦合到电池组电池102的端。平衡节点b中的一些经由平衡电阻器Rb耦合到电池端，而其它平衡节点b并不经由平衡电阻器Rb耦合。平衡电阻器Rb的欧姆值应基本上小于电池电阻器Rc的欧姆值。平衡电阻器Rb经由MOSFET 116选择性地耦合在一起且在电池平衡期间耗散能量。为了示出，假定电池102-1需要平衡，因为MCU112确定Vc1在再充电周期期间正比其它电池的电池电压更迅速地上升。MOSFET 116-1可响应于MCU 112确证控制信号S1而被启动(例如，接通)。所启动MOSFET 116-1经由平衡电阻器Rb1和所连接平衡节点b1和b2在电池102-1的正极端与负极端之间传输平衡电流。这减缓了电池102-1的充电，而其它电池赶上。尽管在图1中未示出，但所连接电池102的对共享共用平衡节点b，从而使得仅三个平衡节点b被提供用于电池102的对。例子共用平衡节点b在图4中示出，其在下文更完整地描述。
如上文所指出，BCC 106可通过测量差分电压Vtt而测量电池组电池电压Vc。图1示出邻近端节点t1与t2之间的差分电压Vt1t2。端输入节点t被设计成高阻抗。如果没有电流流入节点t1，那么没有电流流动通过Rc1，且因此Vt1t2＝Vc1。BCC 106将例如差分Vt1t2等电压转换成数字等效物以用于后续传输到微控制器112。微控制器112根据存储在存储器中的指令处理数字等效物以便监测电池102的不安全条件或出于平衡目的。
因为端节点t应为高阻抗，所以不应有电流经由端节点t流入BCC106。平衡输入节点b还被设计成当MOSFET 116被去启动(即，切断)时有高阻抗。不幸的是，BCC 106内部或外部的有缺陷的组件可能会产生故障。且故障可能会无意在例如终端节点t处的电压与BCC内部某处的更低电压之间形成导电路径。导电路径允许电流(在下文中，泄漏电流)流入端t。更重要的是，泄漏电流还流动通过电池输入电阻器Rc。泄漏电流跨Rc形成DC电压降，这继而会对电池电压Vc的精确测量产生问题。
如所指出，BCC 106通过测量邻近端节点t处的差分电压Vtt而间接测量电池电压Vc。在以上例子中，BCC 106通过测量输入端t1和t2处的差分电压Vt1t2而测量跨电池102-1的电压Vc1。如果不存在故障，那么Vt1t2＝Vc1。但泄漏电流可能会歪曲电池组电压Vc的测量。为了示出，假定故障使泄漏电流I-泄漏经由电池输入电阻器Rc1流入t1。I-泄漏跨Rc1形成DC电压降Verror，且因此由BCC 106-1测量的电压Vt1t2将不是Vc1的精确表示。实际上，Vt1t2＝Vc1-Verror。
继续例子故障，BCC向MCU 112传输Vt1t2＝Vc1-Verror的数字表示，且因此MCU112将被给出跨电池102-1的实际电压Vc1的不精确表示。假定Vc1超出电池102-1的安全操作的最大所允许极限。换句话说，电池102-1被充电过度。还假定Vt1t2＝Vc1-Verror下降到最大所允许极限以下。但对于I-泄漏，MCU 112将生成和发送命令以断开电池组接触器，从而停止电流I的流动。但由于Vt1t2＝Vc1-Verror低于最大可允许电压，因此MCU 112不会发出所述命令。最后，MCU 112将允许电池102-1继续在不安全条件下再充电。
为了避免像上文所提及的问题，MCU 112应检测泄漏电流的存在。不幸的是，难以检测泄漏电流，像I-泄漏。一些检测方法无法在电池组电池操作(即，被再充电或放电)的同时检测泄漏电流。其它检测方法无法检测小的泄漏电流。噪音是难以检测小的泄漏电流的主要原因。负载(例如，DC-AC变换器)在操作时会产生相当大的噪音。通过电池102中的阻抗的电流I的迅速改变也会产生相当大的噪音。由泄漏电流所致的小的DC误差电压在主要噪音量下被掩盖，所述噪音量如此大，以至于信噪比可小于-45dB。本发明的技术的一个目的是在电池组电池102被充电或放电的同时精确地检测小的泄漏电流。
图2示出具有能够检测小的泄漏电流的BMS的电池组包200的相关组件。不幸的是，图2的BMS小于对上文所指出的问题的合乎期望的方案，如下文将更完整地描述。
图2示出图1的电池组包100的一部分，其中低通滤波器202定位在电池102与相应t和b输入节点之间。基本上，低通滤波器通过以下方式操作：传递具有低于某一截止频率fc的频率的信号和衰减具有高于截止频率的频率的信号。频率fc取决于滤波器设计。
低通滤波器以许多不同形式存在。电阻器-电容器(RC)电路充当低通滤波器。一阶低通RC滤波器仅仅是跨输入端的RC串联电路，其中输出端跨电容器提供。低通RC滤波器的输出端被假定为仅连接到高阻抗。图2示出被实施为包括电阻器Rf和电容器Cf的一阶低通RC滤波器的滤波器202。用于滤波器202的截止频率fc由其时间常数τ确定，所述时间常数τ等于Rf(以欧姆为单位)和Cf电容(以法拉为单位)的乘积(即，τ＝Rf·Cf)。更具体地说，fc＝1/(2πτ)＝1/(2πRf·Cf)。
截止频率fc与时间常数τ成反比。低截止频率fc(例如，100Hz)需要大电阻Rf或大电容Cf。大电容器占用相当大的面积，昂贵，且因此不切实际。出于此原因，具有低截止频率fc的滤波器通常设计有大电阻。然而，如下文将更完整地解释，大Rf会呈现电池平衡问题。
泄漏电流可能会跨电阻器Rf和Rc形成DC电压。由电流泄漏产生的电压在下文被称为误差电压。误差电压可类似地由于DC泄漏电流进入平衡端b而跨电阻器Rf和Rb形成。在频率fc足够低的情况下，低通滤波器202消除否则将掩盖由泄漏电流所致的小的误差电压的大部分噪音。如果误差电压跨电阻器Rf和Rc1或在电阻器Rf与Rb1之间存在，那么非零电压Vt1b1将存在于输入节点t1与b1之间，同时MOSFET116-1断开。BCC 106可测量邻近t和b输入节点处的电压Vbt(在下文中诊断差分电压)，且随后向MCU 112报告这些电压以用于分析。举例来说，BCC 106-1可测量跨输入节点t1和b1的诊断电压Vt1b1，同时MOSFET 116-1断开。MCU 112可将Vt1b1的幅值与预定阈值进行比较。如果Vt1b1的幅值超出预定阈值，那么误差电压被假定为跨电阻器Rf和Rc1或跨Rf和Rb1存在。MCU 112可采取适当行动，例如在误差电压产生电池102-1在安全范围中操作的怀疑时断开一个或多个电池组接触器。
如果截止频率fc足够低，那么低通滤波器202消除否则将掩盖由像I-泄漏的泄漏电流所致的小的误差电压的大部分噪音。这使得诊断电压Vbt变为有问题泄漏电流的非常可靠的指示器。但滤波器202必须具有极低截止频率fc以满足充分消除足够噪音以使得能够检测误差电压(例如，Verror)的目的。理想地，截止频率fc应为150Hz或更小。具有fc<100Hz的滤波器202需要具有极高阻抗的Rf和/或具有极高电容的Cf。具有大电容的电容器Cf是昂贵的且占用集成电路或板印刷电路板上的相当大的面积，尤其是在其必须耐受高电压时，这通常是在BMS应用中的情况。从实际的观点来看，应使滤波器202具有更低电容电容器Cf和高欧姆电阻器Rf。不幸的是，对于容纳在无源电池平衡路径内的那些滤波器202，大电阻Rf会呈现出困难。举例来说，大电阻Rf限制了BCC 106平衡电池组电池的能力。而且，通过大Rf的电流流动可生成相当多的热量，且电池组包200不能够耗散充分足以避免被MCU112关机的热量。
本发明的技术解决这些问题等且提供用于电池组堆监测和平衡的方法和设备。本发明的技术可在电池组电池被充电或放电的同时检测小的误差电压。图3示出采用本发明的技术的一个实施例的电池组包的相关组件。图4示出图3中所示出的组件的例子实施例。
图3示出图1和2的BCC 106-1和电池组电池102-1到102-3，以及低通滤波器电路(LPF)302和电池平衡控制电路(CBC)304和306。仅出于解释的目的，示出恰好一个CBC 306。然而，应理解，可采用额外CBC 306。BCC 106-1经由通信总线110与MCU 308数据通信。MCU308的功能非常像如参考图1所描述的MCU 112。然而，MCU 308可执行额外功能。
图3示出BCC 106-1的若干内部组件。如所示出，BCC 106-1包括结构化多路复用器310，所述结构化多路复用器310由MCU 308间接控制。结构化多路复用器310充当交叉连接网络，其中任何输入端的对(例如，t1和t2)可连接到模/数转换器(ADC)316的输入端。结构化多路复用器310可由例如多路复用器320等更简单的结构化多路复用器组成，所述多路复用器320能够将其输入端的任何对连接到ADC 316-1的相应输入端312和314。举例来说，多路复用器320可将输入节点t1和t2连接到ADC 316-1的输入节点312和314。或多路复用器320可将输入节点b3和t2连接到316-1的输入节点312和314。类似多路复用器320(未示出)可将其输入端的任何对连接到ADC 316-2的相应输入端312和314。
每个ADC 316将其输入端312与314之间的电压转换成数字等效物。ADC 316的输出被提供给数字校正和寄存器组电路322。此装置可保存其接收的数字数据，直到所述数字数据可经由收发器324被传输到MCU 308以用于进一步处理为止。MCU 308基于其从BCC 106接收的数据监测和管理电池102。
BCC 106-1还包括核心逻辑模块326，所述核心逻辑模块326经由收发器324从MCU308接收控制值。BCC 106-1根据这些控制值来操作。举例来说，基于其接收的电池平衡控制值，核心逻辑326可确证控制MOSFET 116的信号S，如下文将更完整地描述。另外，核心逻辑326向多路复用器320提供控制输入以用于选择用于连接到ADC 314的平衡b和端t输入节点。
CBC 304和306可平衡电池组电池102。信号S控制MOSFET 116，继而控制CBC 304和306。重要的是，用于平衡电池102的电流流动通过CBC 304或CBC 306，而不是通过MOSFET106。为了示出，信号Sx在被确证时启动MOSFET 116x，继而启动CBC 306。在被启动时，CBC306在其N与S端之间形成低电阻路径(未示出)。用于平衡电池102-2的电流流动通过CBC306的低电阻路径以及平衡电阻器Rb1和Rbc1。CBC 304类似地操作。在被启动时，CBC 304在其N与S端之间形成低电阻路径(未示出)。举例来说，信号Sy在被确证时启动MOSFET116y，继而启动CBC304-2。在被启动时，CBC 304-2在其N与S端之间形成低电阻路径。用于平衡电池102-3的电流流动通过CBC 304-2的低电阻路径以及平衡电阻器Rb2和Rbc1。平衡电阻器Rb和Rbc具有极低阻值且在电池平衡期间基本上不会阻碍电流。CBC 304和306的N与S端之间的导电路径的电阻同样地非常低，且因此CBC 304和306在电池平衡期间基本上不会阻碍电流。
LPF 302、CBC 304和CBC 306连接在电池102与BCC 106-1之间。LPF 302过滤噪音。除平衡电池102之外，CBC 304和306也过滤噪音。这些滤波器的组合消除噪音，所述噪音否则会掩盖由泄漏电流形成的误差电压。
继续参考图3，图4示出LPF 302、CBC 304和CBC 306的例子实施例。LPF 302包括低通电阻器Rl1和Rl2，所述低通电阻器Rl1和Rl2在电池102的正极端与高阻抗输入端t之间耦合在一起。电容器CL连接在这些电阻器与地面之间的点处。如果电流由于故障而通过输入端t渗漏，那么DC电压误差将跨对应电阻器Rl1和Rl2形成。
每个CBC 304包括N沟道MOSFET 330，所述N沟道MOSFET 330在被启动时在对应电池102的端之间传输平衡电流。本领域的技术人员理解包括N沟道MOSFET 330的所启动MOSFET的源极-漏极电阻非常低。每个N沟道MOSFET 330的源极耦合到电池组电池102的负极端。每个N沟道MOSFET 330的栅极经由对应MOSFET 116选择性地耦合到电池组电池102的正极端。可通过启动N沟道MOSFET 330的对应MOSFET 116来使其启动以实现电池平衡。
电阻器Re和电容器Ce如在CBC 304中所示出耦合以在电池组102的对应端与相应平衡输入节点b之间形成低通滤波器。由电阻器Re和电容器Ce的组合提供的低通滤波器减弱了例如由于迅速地改变通过电池组电池102的阻抗的电流流动而产生的噪音。当对应MOSFET 116断开时平衡输入节点b被假定为高阻抗。然而，在泄漏电流存在于平衡输入节点b处时可跨电阻器Re形成DC误差电压。
每个CBC 306连接到紧邻平衡节点对b。举例来说，CBC 306连接到紧邻平衡节点b2和b3。每个CBC 306包括P沟道MOSFET 332，所述P沟道MOSFET 332在被启动时在对应电池102的端之间传输平衡电流。每个P沟道MOSFET 332的源极耦合到电池组电池102的正极端。每个P沟道MOSFET 332的栅极经由对应MOSFET 116选择性地耦合到电池组电池102的负极端。可通过启动P沟道MOSFET 332的对应MOSFET 116来使其启动以实现电池平衡。
CBC 306包括两个低通滤波器。第一低通滤波器由电阻器Rx和电容器Cx的组合形成，所述电阻器Rx和电容器Cx如所示出耦合在对应电池组电池102的正极端与两个紧邻平衡节点b的第一平衡节点(例如，b2)之间，CBC 306连接到所述第一平衡节点。第二低通滤波器由电阻器Re和电容器Ce的组合形成，所述电阻器Re和电容器Ce如所示出耦合在对应电池组电池102的负极端与两个紧邻平衡节点b的第二平衡节点(例如，b3)之间，CBC 306连接到所述第二平衡节点。第一和第二低通滤波器阻断更高频率噪音到达其相应平衡节点b，当对应MOSFET116断开时所述相应平衡节点b中的每一个被假定为高阻抗。然而，可在泄漏电流流动存在于Re连接到的平衡输入节点b处时跨电阻器Re形成DC误差电压，或可在泄漏电流存在于Rx连接到的平衡输入节点b处时跨电阻器Rx形成DC误差电压，或可在电阻器Rbc断开的同时泄漏电流流动通过MOSFET 332时跨电阻器Rbc形成DC误差电压。这些误差电压可本身表现为非零诊断电压Vbt。预期其它误差电压且也可被检测为非零诊断电压Vbt。
BCC 106可向MCU 308提供平衡b与端t输入节点之间的电压的数字表示。举例来说，BCC 106-1可向MCU 308提供以下各项之间的电压的数字表示：节点b1和t1；节点b3和t2；节点b4和t3；节点t1和t2；和/或节点t2和t3。MCU 308包括非暂时性存储器(例如，闪存存储器)和中央处理单元(CPU)，所述中央处理单元根据存储在非暂时性存储器中的指令处理由BCC 106提供的电压。包外部的计算机系统可经由例如因特网等数据通信链路向MCU308传输指令以用于存储在非暂时性存储器中。
MCU 308响应于执行存储在其非暂时性存储器中的指令而处理其从BCC 106接收的电压。为了示出，BCC 106-1可通过测量耦合到电池102的输入节点t之间的差分电压Vtt而向MCU 308报告电池电压Vc。没有会形成泄漏电流的任何故障，差分电压Vtt将精确地表示相应电池电压Vc。MCU 308可将其接收的差分电压Vtt的量值与最小可允许电压和最大可允许电压进行比较。如果差分电压Vtt幅值被发现在可接受电压的范围外，那么MCU 308可采取适当行动。举例来说，如果MCU 308确定差分电压Vt1t2超出最大可允许电压，那么MCU308可断开电池组接触器。
误差电压由泄漏电流形成。误差电压可能会导致电池电压Vc的不精确的测量。MCU308可通过监测b与t节点之间的诊断电压Vbt而检测泄漏电流。举例来说，非零诊断电压Vb4t3可由于通过CBC 304-2或通过LPF 302-3的Rl1和Rl2的组合的泄漏电流流动而存在于输入节点b4与t3之间。或非零诊断电压Vb3t2可由于流动通过Rx、Rbc1或LPF 302-2的Rl1-1和Rl2-1的组合的泄漏电流而存在于输入节点b3与t2之间。MCU 308可从BCC 106请求诊断电压Vbt，包括Vb4t3和Vb3t2。MCU 308可将诊断电压Vbt的幅值与预定值进行比较。如果诊断电压Vbt的幅值超出预定值，那么MCU 308可推断存在潜在危险的电流泄漏且应采取适当校正行动。为了示出，MCU 308可确定非零诊断电压Vb3t2超出预定值，这可暗示误差电压跨Rx、Rbc1或LPF 302-2的Rl1-1和Rl2-1的组合存在，这继而暗示MCU 308不会经由Vt1t2接收Vc2的精确测量或经由Vt2t3接收Vc3的精确测量。不具有电池电压Vc的精确测量可能会导致如上文所提及的危险情形。非零诊断电压Vb3t2还可暗示跨电阻器Rbc1存在误差电压，这继而暗示电流正通过不活跃MOSFET332泄漏，这可为另一危险情形。最后，MCU 308可响应于确定诊断电压的幅值超出预定值而采取校正行动作为安全措施，例如断开电池组接触器。重要的是，诊断电压Vbt不取决于电压Vc。因此，MCU 308在监测诊断电压Vbt时无需考虑Vc。
下表1示出图4中的电容器和电阻器的例子值。使用这些电容器和电阻器，图4中所示出的BMS不只是能够精确地检测小的DC误差电压。
表1
Figure BDA0002134119430000161
如在此表中所指出，电池平衡电阻器Rb和Rbc向平衡电流呈现非常有限的电阻。所启动MOSFET 330或332的源极-漏极电阻也极低。在图4中所采用的滤波器，包括CBC中的那些，消除否则会掩盖由泄漏电流形成的DC误差电压的噪音。这允许误差电压由MCU 112检测到。存在于CBC中的滤波器采用相对小的电容器和相对大的电阻器，如上表中所见。
本说明书使用术语“连接”和“耦合”。术语耦合比术语连接更宽泛。术语连接意味着例如晶体管等装置之间的直接连接。换句话说，没有装置介入于两个连接装置之间，除装置之间的寄生电容、电感和/或电阻外。相比之下，两个装置可直接(即，连接)或经由介入装置间接“耦合”在一起。
公开电池组堆监测和平衡电路。在第一实施例中，第一低通滤波器(LPF)耦合在第一端与包括多个输入节点的电路的第一输入节点之间。第一端可耦合到电池组电池的正极端。第二LPF耦合在第一端与电路的第二输入节点之间。第一电路耦合在第一端与第二端之间。第一电路被配置成在被启动时在第一与第二端之间传输电流。第二端可耦合到电池组电池的负极端。第二电路耦合在第二与第三输入节点之间。第二电路可响应于第二电路接收到控制信号而启动第一电路。
第一实施例还可包括耦合在电路的第三输入节点与第二端之间的第三LPF和耦合在电路的第四输入节点与第二端之间的第四LPF。
第一实施例的电路可包括具有输入节点对的模/数转换器(ADC)，和具有耦合到ADC的输入节点对的输出节点对。切换电路可分别经由输出节点对选择性地将电路的两个输入节点分别耦合到ADC的输入节点对。ADC电路可将其输入节点对之间的电压转换成数字等效物以用于后续传输到电路外部的装置和由所述装置处理。
第三电路可耦合在第二端与第三端之间。第三电路在被启动时可在第二与第三端之间传输电流。第三端可耦合到另一电池组电池的负极端。第四电路可耦合到第三输入端，且第二电路可响应于第四电路接收到另一控制信号而启动第三电路。
数据处理装置可被包括且被配置成将预定值和第一与第二输入节点之间的电压的数字表示进行比较。数据处理装置可响应于确定预定值超出数字表示而生成命令。
第一电路包括耦合在第一与第二端之间的P沟道MOSFET，且第二电路包括耦合在第一与第二输入节点之间的N沟道MOSFET。
第三电路包括耦合在电池组电池的第二与第三端之间的N沟道MOSFET。第四电路包括耦合到第三输入节点的N沟道MOSFET。
平衡电阻器可耦合在第一端与第一电路之间。第一和第二LPF中的每一个包括电阻器和电容器。平衡电阻器的电阻小于LPF电阻器的电阻。
在第二实施例中，第一和第二端可分别耦合到电池组电池堆内的第一电池组电池的正极端和负极端。第三端可耦合到电池组电池堆内的第二电池组电池的负极端。第一电路耦合在第一与第二端之间且当第一电路被启动时可传输电流以用于平衡第一电池组电池。第二电路耦合在第二端与第三端之间且当第二电路被启动时可传输电流以用于平衡第二电池组电池。第一MOSFET可在第一MOSFET被启动时启动第一电路。第二MOSFET可在第二MOSFET被启动时启动第二电路。
第二实施例可包括耦合在第一端与电路的第一输入节点之间的第一低通滤波器，和耦合在第一端与电路的第二输入节点之间的第二低通滤波器。
数据处理装置被包括且可将第一预定值和第一与第二输入节点之间的电压的数字表示进行比较。数据处理装置可响应于确定第一预定值超出数字表示而生成命令。
第三低通滤波器耦合在第二端与电路的第三输入节点之间，且第四低通滤波器耦合在第二端与电路的第四输入节点之间。
数据处理装置被包括且可将第二预定值和第一与第四输入节点之间的电压的数字表示进行比较。数据处理装置可响应于确定第二预定值超出第一与第四输入节点之间的电压的数字表示而生成另一命令。
电路可包括具有输入节点对的模/数转换器(ADC)，和具有耦合到ADC的输入节点对的输出节点对的切换电路。切换电路可分别经由输出节点对选择性地将电路的两个输入节点分别耦合到ADC的输入节点对。ADC电路可将其输入节点对之间的电压转换成数字等效物以用于后续传输到数据处理装置和由数据处理装置处理。
还公开一种方法，其中将第一预定值与存在于电路的第一与第二输入节点之间的第一模拟电压的数字表示进行比较。在数字表示超出预定值时生成命令。第一输入节点经由第一低通滤波器(LPF)耦合到电池组电池的第一端。第二输入端经由第二LPF耦合到电池组电池的第一端。
所述方法可进一步包括将第一预定值与存在于电路的第三与第四输入节点之间的第二模拟电压的数字表示进行比较。在数字表示超出预定值时生成命令。第三输入节点经由第三低通滤波器(LPF)耦合到电池组电池的第二端。第四输入端经由第四LPF耦合到电池组电池的第二端。
所述方法可进一步包括将第二预定值与存在于电路的第一与第四输入节点之间的第三模拟电压的数字表示进行比较，且在第三模拟电压的数字表示超出第二预定值时生成另一命令。
所述方法可进一步包括第一电路，所述第一电路响应于其它命令的生成而在电池组电池的第一与第二端之间传输电流。
所述比较可由数据处理装置响应于执行存储在其存储器中的计算机可读指令而实施。
尽管已结合若干实施例描述本发明，但并不希望本发明限于本文中所阐述的具体形式。相反，希望涵盖可合理地包括在如所附权利要求书限定的本发明的范围内的此类替代方案、修改和等效物。

Claims (10)

1.一种设备，其特征在于，包括：
第一低通滤波器(LPF)，其耦合在第一端与包括多个输入节点的电路的第一输入节点之间，其中所述第一端被配置成耦合到电池组电池的正极端；
第二LPF，其耦合在所述第一端与所述电路的第二输入节点之间；
第一电路，其耦合在所述第一端与第二端之间，其中所述第一电路被配置成在被启动时在所述第一端与所述第二端之间传输电流，且其中所述第二端被配置成耦合到所述电池组电池的负极端；
第二电路，其耦合在所述第二输入节点与第三输入节点之间，其中所述第二电路被配置成响应于所述第二电路接收到控制信号而启动所述第一电路。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括：
第三LPF，其耦合在所述电路的第三输入节点与所述第二端之间；
第四LPF，其耦合在所述电路的第四输入节点与所述第二端之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述电路包括：
模/数转换器(ADC)，其包括输入节点对；
切换电路，其包括耦合到ADC的所述输入节点对的输出节点对；
其中所述切换电路被配置成分别经由所述输出节点对选择性地将所述电路的两个输入节点分别耦合到所述ADC的所述输入节点对；
其中所述ADC电路被配置成将所述ADC电路的输入节点对之间的电压转换成数字等效物以用于后续传输到所述电路外部的装置和由所述装置处理。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，进一步包括：
第三电路，其耦合在所述第二端与第三端之间，其中第三电路被配置成在被启动时在所述第二端与所述第三端之间传输电流，其中所述第三端被配置成耦合到另一电池组电池的负极端；
第四电路，其耦合到所述第三输入端，其中所述第二电路被配置成响应于所述第四电路接收到另一控制信号而启动所述第三电路。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括：
数据处理装置，其被配置成将预定值和所述第一输入节点与所述第二输入节点之间的电压的数字表示进行比较；
其中所述数据处理装置被配置成响应于确定所述预定值超出所述数字表示而生成命令。
6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，进一步包括：
数据处理装置，其被配置成将预定值和所述第三输入节点与所述第四输入节点之间的电压的数字表示进行比较；
其中所述数据处理装置被配置成响应于确定所述预定值超出所述数字表示而生成命令。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述第一电路包括耦合在所述第一端与所述第二端之间的P沟道MOSFET；
所述第二电路包括耦合在所述第一输入节点与所述第二输入节点之间的N沟道MOSFET。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括：
平衡电阻器，其耦合在所述第一端与所述第一电路之间；
其中所述第一LPF和所述第二LPF中的每一个包括电阻器和电容器；
其中所述平衡电阻器的电阻小于所述LPF电阻器的电阻。
9.一种设备，其特征在于，包括：
第一和第二端，其被配置成分别耦合到电池组电池堆内的第一电池组电池的正极端和负极端；
第三端，其被配置成耦合到所述电池组电池堆内的第二电池组电池的负极端；
第一电路，其耦合在所述第一端与所述第二端之间且被配置成当所述第一电路被启动时传输电流以用于平衡所述第一电池组电池；
第二电路，其耦合在所述第二端与所述第三端之间且被配置成当所述第二电路被启动时传输电流以用于平衡所述第二电池组电池；
第一MOSFET，其用于当所述第一MOSFET被启动时启动所述第一电路；
第二MOSFET，其用于当所述第二MOSFET被启动时启动所述第二电路。
10.一种方法，其特征在于，包括：
将第一预定值和存在于电路的第一与第二输入节点之间的第一模拟电压的数字表示进行比较；
在所述数字表示超出所述预定值时生成采取校正行动的命令；
其中所述第一输入节点经由第一低通滤波器(LPF)耦合到电池组电池的第一端；
其中所述第二输入端经由第二LPF耦合到所述电池组电池的所述第一端。
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