CN111211364B - 一种电芯、电芯监控模块及其芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电芯监控芯片，包括第一存储模块、处理器，处理器在第一存储模块支持下，用于运行软件程序，安全存储模块，用于存储芯片的ID、电芯的标签数据和芯片的密码算法秘钥等，第二存储模块，用于存放数据信息，密码算法模块，通过使用安全存储器中的秘钥进行数字签名运算，模数转换模块，将采集得到的信息转化为数字信息，提供给处理器进行计算处理，或者直接将数字信息存储至第二存储模块，所述第二存储模块可集成于电芯监控芯片上或单独置于电芯监控芯片外部，或同时设置。本发明通过加密模式对每一个电芯进行ID和数据认证等，保证了电芯在使用过程中的数据防篡改等。

Description

一种电芯、电芯监控模块及其芯片

技术领域

本发明涉及一种电芯监控芯片，尤其涉及一种包括电芯监控芯片的电芯以及电芯监控模块。

背景技术

锂电池是目前应用最广泛的电化学储能元件，由于其特殊的结构和特性，电池监测管理电路是锂电池应用系统中必不可少的部分。目前的锂电池应用中，对于单电芯的小型电池，一般每个电池配备一个电池保护板；多个电芯串并联的电池组则整组配备电池管理系统。电池保护电路和电池管理系统的核心是锂电池保护和管理芯片。简单的锂电保护芯片可实现过压、过流和过温保护；锂电池组的管理系统由专用芯片和单片机等器件组成，对电池组整体以及其中各串并单元进行监测和管理。

受限于现有技术的缺陷，目前锂电池监控和管理方面存在以下不足：

1、锂电池的管理芯片主要用于实时监控电池的充放电过程，实现过压、过流和过温保护，并没有电池工作状态详细信息的采集能力，对于电流、电压、温度等数值需要更高级的电池管理系统的介入。

2、目前锂电池的充放电保护芯片都是实时地对电池工作进行控制，并没有电池工作状态的详细信息记录能力。即使通过电池管理系统进行数据收集和记录，数据也是存储在应用系统的计算机上，即存储在终端电脑上，电池的重要历史信息无法与电池自身紧密绑定。对于电池梯级利用，一个电池需要服务于多个应用系统，当将锂电池从一个用户系统迁移到另一个，电池的历史数据难以获得和利用。

3、电池管理系统仅在工作系统中对锂电池充放电进行监测保护，储存和运输等其他环节都是监控盲区。比如电池的自身温度或周围温度的监控无法实时掌控，一旦电池由于自身问题或周围糟糕环境导致温度上升，进而引发火灾，使用者是无法提前监控和防备的。

4、锂电池、电芯的品牌、型号、批次的识别和区分鉴别，只能通过产品上的商标、文字等标识来判断，或者由产品包装、标签或所附的说明书、发货单等资料来查询、区分。这通常需要人工识别，不仅效率低、易出错，而且无法防止人为伪造、篡改。

5、锂电池、电芯的健康状态和老化情况与充放电次数、充放电条件，以及短路、过放、过充等故障历史密切相关，目前无法得到每个电芯粒度的精确可信历史记录，只能对一批电池做粗略估计或抽样检测。并且历史信息可能人为篡改、伪造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电芯、电芯监控模块及其芯片，可以实时监控电芯工作状态和非工作状态下自身的参数和环境参数。

为实现前述目的，本发明提供一种电芯监控芯片，包括

第一存储模块、处理器，处理器在第一存储模块支持下，用于运行软件程序，

安全存储模块，用于存储芯片的ID、电芯的标签数据和芯片的密码算法秘钥等，

第二存储模块，用于存放数据信息，

密码算法模块，通过使用安全存储器中的秘钥进行数字签名运算，

模数转换模块，将采集得到的信息转化为数字信息，提供给处理器进行计算处理，或者直接将数字信息存储至第二存储模块，

模拟控制电路模块，在处理器的控制下，实现电芯充放电的控制调节和异常保护，

通信模块，用于芯片与外部其他系统数据信息的接收和传递，

所述第二存储模块可集成于电芯监控芯片上或单独置于电芯监控芯片外部，或同时设置。

作为本发明的进一步改进，所述第一存储模块包括RAM存储器和ROM存储器中的一种或两种。

作为本发明的进一步改进，所述第二存储模块存储的信息包括电芯工作状态的数据，电芯周围的环境数据，处理器计算处理的数据。

作为本发明的进一步改进，所述电芯工作状态的数据包括电压、电流、温度等。

作为本发明的进一步改进，所述电芯周围环境数据包括温度、湿度等。

作为本发明的进一步改进，第二存储模块包括Flash存储器、EEPROM存储器、RAM存储器中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述通信模块传递和接收数据信息的方式包括专用的信号线通信，电力载波通信，射频无线通信中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述电芯监控芯片还包括数据处理算法模块，用于计算密集的算法，实现专用计算逻辑。

作为本发明的进一步改进，所述密码算法模块包含了MD5、SHA-1、SM1、SM2、、SM3、SM4、SSF33、RSA等算法中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述数字签名运算包括对第二存储器中的数据信息完好性的认证以及芯片ID、电芯数字标签的认证。

本发明还提供了一种电芯监控模块，所述电芯监控模块包括所述电芯监控芯片，

传感器，

采样器件，通过传感器，用于采集电芯的工作状态以及环境参数。

本发明还提供了一种电芯，所述电芯包括封装组合在一起的电芯单体和监控模块，电芯单体和监控模块电性连接。

本发明有益效果：

本发明提供了一种电芯、电芯监控模块及其芯片，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的电芯监控芯片用于单电芯的监控。与单电芯的保护芯片相比，本发明不仅能对单个电芯实现基本充放电保护，还能实时采集单个锂电芯工作条件、内部状态和外部环境数据；与现有的电池组的电池管理系统相比，本发明的芯片能实现对每个电芯采集信息，监测和控制更精细、准确。

2、芯片具有通信接口，能响应外部查询命令返回查询结果，接收控制命令并执行控制动作。在此基础上实现电池组管理系统，只需向每个电芯发送命令即可获取数据和执行控制，降低了电池管理系统的复杂度和成本。

3、芯片内置计算模块，可对每个电芯进行实时状态结合历史数据的分析，能更准确、深入地获取电芯信息，发现潜在问题。

4、采集获得的电芯历史数据和事件信息存储在芯片内或片外存储器中，在电芯整个生命周期中由电芯携带转移，实现了不依赖于应用系统的电芯全生命周期数据的记录和查询功能。

5、芯片具有全球唯一ID、可写入生产厂商、型号、批次、序列号等信息，用于识别每个电芯的属性，具有电子标签的功能。

6、芯片内置密码算法模块和密钥，芯片存储的电芯标签信息和历史数据具有抗修改和抗抵赖属性，可解决假冒、以旧充新等供应链问题。

附图说明

图1为包括本发明电芯的电芯系统结构示意图；

图2为本发明中所述电芯监控模块示意图；

图3为本发明中所述电芯监控芯片示意图；

图4为本发明电芯监控芯片与电芯认证数据库的关系示意图；

图5为本发明中单个电芯结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施例对本发明进行详细描述。

本实施方式提供了一种电芯系统，如图1、2，包括电芯管理系统、电池组、电芯应用系统以及连接电池组和电芯应用系统之间的电源线，所述电池组包括至少一种电芯，所述电芯包括封装组合在一起的电芯单体和监控模块，电芯单体和监控模块电性连接。所述电芯监控模块包括电芯监控芯片，传感器，采样器件，通过传感器，用于采集电芯的工作状态以及环境参数。

其中，所述电芯监控芯片，如图3，包括第一存储模块、处理器，处理器在第一存储模块支持下，用于运行软件程序；安全存储模块，用于存储芯片的ID、电芯的标签数据和芯片的密码算法秘钥等；第二存储模块，用于存放数据信息；密码算法模块，通过使用安全存储器中的秘钥进行数字签名运算；模数转换模块，将采集得到的信息转化为数字信息，提供给处理器进行计算处理，或者直接将数字信息存储至第二存储模块，采集的信息包括但不限于电压、电流、温度等；模拟控制电路模块，在处理器的控制下，实现电芯充放电的控制调节和异常保护；通信模块，用于芯片与外部其他系统数据信息的接收和传递，所述第二存储模块可集成于电芯监控芯片上或单独置于电芯监控芯片外部，或同时设置。

当第二存储模块设置于电芯监控芯片外部时，通过在电芯监控芯片上设置外部存储器接口来向处理器提供外部存储器的数据读写功能。第二存储模块包括Flash存储器、EEPROM存储器、RAM存储器中的一种或多种。

所述第二存储模块存储的信息包括电芯工作状态的数据，电芯周围的环境数据，处理器计算处理的数据。电芯工作状态的数据包括电压、电流、温度等。电芯周围环境数据包括温度、湿度等。

所述电芯监控芯片是一种模拟-数字电路混合而成的集成电路芯片，第一存储模块包括RAM存储器和ROM存储器中的一种或两种。处理器在RAM/ROM存储器的支持下，运行软件程序。程序用来实现对整个电芯监控芯片及外部电芯监控模块电路的控制；程序还用来实现通信协议，以及解析电芯监控芯片和电芯监控模块外部的通信请求和给出通信反馈；运行的程序还可以是对采集的数据进行运算分析处理的算法；电芯监控芯片可以针对某些计算密集的算法(例如机器学习等)增加专用的数据处理算法模块，由硬件实现专用计算逻辑。

所述通信模块传递和接收数据信息的方式包括专用的信号线通信，电力载波通信，射频无线通信中的一种或多种。另外通信模块还可以跟第二存储模块一样，单独设置于电芯监控芯片外部。

所述安全存储器中存储了芯片唯一的ID、电芯的标签数据和芯片的密码算法密钥等数据，该存储器具有防窥探、防篡改的物理保护能力。安全存储器中的某些数据可以在芯片出厂时固化，例如芯片的唯一ID，不可后期修改；某些数据可以在芯片与电芯组装时由电池厂家一次性烧写，例如电芯的型号、批次、出厂日期等标签数据，不可后期修改；此外还可以在芯片工作过程中根据需要写入电芯阶段性的检测结果、外部数据的数字签名等，一旦记录之后不可修改。

另外，对每个芯片设置一个私钥，然后将其公钥以及ID存储在外界服务器上，实现对芯片及其通信进行防伪认证，认证的时候可以根据ID查询到对应的公钥。

所述密码算法模块包含了MD5、SHA-1、SM1、SM2、、SM3、SM4、SSF33、RSA、ECC等算法中的一种或多种。所述数字签名运算包括对第二存储器中的数据信息完好性的认证以及芯片ID、电芯数字标签的认证。用于对第二存储器中的历史数据分阶段地数字签名，对数据完好性进行认证，实现数据真实性和抗抵赖保证；同时用于外界查询芯片的唯一ID和电芯数字标签内容的防伪认证。

在具体应用过程中，外界服务器上面形成电芯认证数据库，用来存储多个电芯单体的公钥以及唯一的ID，如图4，当使用者要对电芯单体的芯片进行防伪认证的时候，可以根据ID查询获取与其对应的公钥，通过算法来辨别该电芯单体的真伪和数据的有效性。

在实际应用中，电芯监控模块和电芯单体封装在一起，如图5，成为一个在整个生命周期中不可分割的整体。比如电芯在工作状态时，通过传感器和采样器件对电芯自身的各项参数进行实时监测，比如电流、电压、温度等，模数转换器将采集得到的各项参数转化成数字信号，这些数字信号可以经过处理器通过特定预先设定的算法进行计算处理，然后将计算处理结果存储至第二存储模块中，或者数字信号不经过处理器计算处理直接存储在第二存储模块中。同理，对于电芯周围环境的参数，也通过传感器和采样器件采集后经模数转换器转化成数字信号，然后经过处理器进一步计算处理或直接存储至第二存储模块中。

如此，电芯在整个生命周期中无论是工作状态，还是周围环境的状态参数都将实时记录在跟电芯封装在一起的第二存储模块上，不会随着电芯的转移而丢失数据。另外，在电芯电芯整个生命周期中任何阶段，都可以通过通信模块对芯片的ID、标签信息、实时状态和历史记录进行查询；电芯输出的任何信息都可以通过与芯片ID对应的公钥进行真实性和完整性验证，防止电芯伪造和数据篡改。

基于上述技术手段，本发明在不仅解决了现有技术中的缺陷，此外还达到了多种技术效果。

1、本发明的电芯监控芯片用于单电芯的监控，不仅具有过压过流过温保护功能，还具有电压、电流、温度、震动等信息采集功能。与单电芯的保护芯片相比，本发明不仅能对单个电芯实现基本充放电保护，还能实时采集单个锂电芯工作条件、内部状态和外部环境数据；与现有的电池组的电池管理系统相比，本发明的芯片能实现对每个电芯采集信息，监测和控制更精细、准确。

2、电芯监控芯片带有通信接口，可以是有线通信也可以是无线通信。外部系统可通过查询命令读取电芯标签信息、实时数据和历史数据；外部系统可通过控制命令调整电芯的充放电参数和芯片的工作设置；能响应外部查询命令返回查询结果，接收控制命令并执行控制动作，在此基础上实现电池组管理系统，只需向每个电芯发送命令即可获取数据和执行控制，降低了电池管理系统的复杂度和成本。

3、电芯监控芯片带有处理器和片上专用计算模块，能执行数据处理和分析算法，对实时数据和历史数据进行计算分析；计算结果可保存、输出，也可以根据计算结果调节工作状态芯片内置计算模块，可对每个电芯进行实时状态结合历史数据的分析，能更准确、深入地获取电芯信息，发现潜在问题。

4、电芯监控芯片带有片上存储器或外部存储器接口，能将采集的电芯历史数据保存在存储器里，保存的数据精度、频率可配置。数据在电芯全生命周期中不断累积，终身携带采集获得的电芯历史数据和事件信息存储在芯片内或片外存储器中，在电芯整个生命周期中由电芯携带转移，实现了不依赖于应用系统的电芯全生命周期数据的记录和查询功能。

5、针对动力电池组中单个电芯监控芯片，其带有片上的安全存储器，采用防读取、防更改物理保护。每个芯片具有唯一ID和密码算法秘钥，带有一次性写入不可更改的电芯标签信息。芯片具有全球唯一ID、可写入生产厂商、型号、批次、序列号等信息，用于识别每个电芯的属性，具有电子标签的功能。

6、芯片内置密码算法模块，可通过对应公钥对芯片中的电芯标签信息和存储的数据完整性进行验证。芯片存储的电芯标签信息和历史数据具有抗修改和抗抵赖属性，可解决假冒、以旧充新等供应链问题。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电芯监控芯片，其特征在于：包括

第一存储模块、处理器，处理器在第一存储模块支持下，用于运行软件程序，

第二存储模块，用于存放数据信息，存储的数据信息包括电芯工作状态的数据、电芯周围的环境数据和处理器计算处理的数据，数据信息在电芯全生命周期中累积，

密码算法模块，通过使用安全存储模块中的私钥进行数字签名运算，所述私钥的对应公钥以及ID存储在外界服务器上，通过对应公钥对芯片中的电芯标签信息和存储的数据完整性进行验证，

模数转换模块，将采集得到的信息转化为数字信息，提供给处理器进行计算处理，或者直接将数字信息存储至第二存储模块，

模拟控制电路模块，在处理器的控制下，实现电芯充放电的控制调节和异常保护，

安全存储模块，用于存储芯片的ID、电芯的标签数据和芯片的密码算法私钥，

通信模块，用于芯片与外部其他系统数据信息的接收和传递，

所述第二存储模块可集成于电芯监控芯片上或单独置于电芯监控芯片外部，或同时设置，

所述数字签名运算包括对第二存储器中的数据信息完好性的认证以及芯片ID、电芯数字标签的认证。

2.根据权利要求1所述的电芯监控芯片，其特征在于：所述第一存储模块包括RAM存储器和ROM存储器中的一种或两种。

3.根据权利要求1所述的电芯监控芯片，其特征在于：所述电芯工作状态的数据包括电压、电流和温度。

4.根据权利要求1所述的电芯监控芯片，其特征在于：所述电芯周围环境数据包括温度和湿度。

5.根据权利要求1所述的电芯监控芯片，其特征在于：第二存储模块包括Flash存储器、EEPROM存储器、RAM存储器中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的电芯监控芯片，其特征在于：所述密码算法模块包含了MD5、SHA-1、SM1、SM2、SM3、SM4、SSF33、RSA、ECC算法中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的电芯监控芯片，其特征在于：所述电芯监控芯片还包括数据处理算法模块，用于计算密集的算法，实现专用计算逻辑。

8.一种包括权利要求1中所述电芯监控芯片的电芯监控模块，其特征在于：所述电芯监控模块还包括

传感器，

采样器件，通过传感器，用于采集电芯的工作状态以及环境参数。

9.一种电芯，其特征在于：所述电芯包括封装组合在一起的电芯单体和如权利要求8所述的监控模块，电芯单体和监控模块电性连接。

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