CN113138350A - 多单元ac阻抗测量系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及多单元AC阻抗测量系统。一种用于测量电池组中的多个电池单元的复阻抗的方法包括：控制通过电池组中的多个电池单元的激励电流；在单个公共测量电路中接收与所述多个电池单元相对应的多个电压信号；测量激励电流；以及使用每个电池单元的一个模数转换器(ADC)或每个电池单元的两个匹配的ADC，基于在单个测量周期中的所述多个电压信号和所测量的激励电流，计算所述多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。

Description

多单元AC阻抗测量系统
技术领域
本发明一般涉及多单元AC阻抗测量系统和方法。
背景技术
电动车辆电池(EVB)是用于为电池电动车辆(BEV)的推进系统提供电力的电池。车辆电池通常是二次(可再充电)电池，通常是锂离子电池，并且通常包括在电池组中的多个电池单元。典型的电池组可以包括多个电池单元，例如在每个电池组中多达100个电池。测量集成电路(IC)和其它外部组件通常用于测量在电池组中每个电池单元的DC阻抗。因此，测量在电池组中的每个电池单元的实现成本是显著的，并且在对应通信链中的节点的数目也相当高，这也增加了实现方式的成本。
发明内容
根据实施例，一种用于测量在电池组中的多个电池单元的复阻抗的方法包括：控制通过在电池组中的多个电池单元的激励电流；在单个公共测量电路中接收与多个电池单元相对应的多个电压信号；测量激励电流；以及使用每个电池单元一个模数转换器(ADC)或每个电池单元两个匹配的ADC，基于在单个测量周期中的多个电压信号和所测量的激励电流，计算在多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
根据另一个实施例，一种电路包括：电压测量电路，耦合到多个输入电压焊盘对，输入电压焊盘对被配置为用于耦合到在电池组中串联耦合的对应的多个电池单元；高侧焊盘，被配置为用于耦合到在电池组中串联耦合的多个电池单元的第一端；低侧焊盘，被配置为用于耦合到在电池组中串联耦合的多个电池单元的第二端；激励电流生成器，耦合在高侧焊盘与低侧焊盘之间，以用于控制流经多个电池单元的交流电流；电流测量电路，耦合到电流感测元件，电流感测元件被配置为用于生成表示通过在电池组中的多个电池单元中的至少一个电池单元的电流的电压；至少一对匹配的模数转换器(ADC)；以及数字处理电路，耦合到多个输入电压焊盘对以及电流感测元件，数字处理电路被配置为：用于激活激励电流生成器，从电压测量电路接收电压测量信号，利用一对匹配的ADC中的一个ADC测量所接收的电压测量信号，从电流测量电路接收电流测量信号，利用一对匹配的ADC中的另一个ADC测量所接收的电流测量信号，以及根据所接收的电压测量信号以及所接收的电流测量信号，在单个测量周期中计算电池组中的多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
根据另一个实施例，一种电池测量系统包括：激励电流源，被配置为跨多个电池单元耦合；电流感测元件，耦合到激励电流源；多个单独的数据转换器电路，其中，多个单独的数据转换器电路中的每个单独的数据转换器电路包括耦合到电流感测元件上的电流感测输入以及被配置为跨多个电池单元中的对应电池单元耦合的一对电压感测输入，并且每个单独的数据转换器电路被配置为基于在电流感测输入处的信号提供电流测量数据，以及基于在一对电压感测输入处的信号提供电压测量数据；以及数字处理电路，耦合到多个单独的数据转换器电路，数字处理电路被配置为基于由与对应电池单元关联的单独的数据转换器提供的电流测量数据和电压测量数据，来计算针对多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：
图1A是用于测量在电池组中的三个电池单元的示例的AC阻抗的多单元AC阻抗测量系统的框图；
图1B是图1A中所示的驱动器电路的框图；
图2A是用于测量在电池组中示出的三个电池单元的示例的AC阻抗的多单元AC阻抗测量系统的示意图；
图2B是被配置为监测图1中所示的三个电池单元中的两个电池单元之间的单元连接器的AC阻抗的多单元AC阻抗测量系统的示意图；
图3是多单元AC阻抗测量系统的并行实现方式的示意图；
图4是用于图3的并行实现方式的测量序列的时序图；
图5是AC阻抗测量系统的顺序实现方式的示意图，该AC阻抗测量系统具有多路复用器(MUX)并且针对每个电池单元具有一个ADC；
图6是图5的顺序实现方式的示例测量序列的时序图；
图7是具有单对ADC和MUX的多单元AC阻抗测量系统的实现方式的示意图；
图8是用于图7的实现方式的示例测量序列的时序图。
图9是多单元阻抗测量系统的单个ADC实现方式的示意图；
图10是图9的单个ADC实现方式的示例测量序列的时序图；
图11示出根据实施例的AC阻抗测量算法的前两个步骤的组件和信号；
图12示出根据实施例的AC阻抗测量算法的四个后续步骤的组件和信号；
图13示出根据实施例的用于显示AC阻抗测量算法的结果的主机计算机；以及
图14示出根据对应于图11、图12和图13的实施例的AC阻抗测量算法的流程图。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选的实施例的构成和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可以在各种特定的背景中实施。所讨论的具体实施例仅是对构成和使用本发明的具体方式的说明，而不限制本发明的范围。
将在特定的背景中关于优选实施例、用于测量多单元电池系统中的AC阻抗的系统和方法来描述本发明的实施例。然而，本发明的实施例可以应用于利用阻抗测量的其它类型的电路和系统。
根据实施例，AC阻抗测量系统通过向串联耦合的多个电池单元施加AC电流，并且在施加AC电流的同时测量在每个电池上的电压来测量在串联耦合的多个电池单元中的每个电池单元的阻抗。在一些实施例中，这些测量在单个测量周期期间进行。在一些实施例中，测量多个电池单元中的每个电池单元的AC阻抗或复阻抗。在实施例中，单独的电池单元可以包括物理电池单元。在其它实施例中，单独的电池单元可以包括逻辑单元，该逻辑单元包括物理电池单元的串联组合或并联组合或者物理电池单元的其它配置和组合。
在一些实施例中，复阻抗正被测量的多个电池单元是电池组中的全部电池单元的子集。例如，整个电池组可以包括一百个电池单元，同时具有的优点是，使得一个测量集成电路(在本文中也被称为“芯片”)被配置为用于测量两个和十八个电池单元(并且优选地两个至六个电池单元)之间的复阻抗。在这些实施例中，电池单元和测量芯片之间的布线长度可以保持相对较短，这提高了测量准确度。
在一些实施例中，一对匹配的ADC被用于测量与单个电池单元相关联的AC电压和AC电流。例如，第一ADC用于将表示流过电池单元的电流的电压转换为数字输出信号，并且与第一ADC匹配的第二ADC用于将跨电池单元的电压转换为数字输出信号。为了最大化测量结果的准确度，希望这些ADC匹配以使增益和偏移误差最小。用于制造一对匹配的ADC的方法是本领域技术人员公知的。例如，匹配的ADC具有相同的或镜像的布局、并且在集成电路上被紧密地放置在一起或相邻。通常控制集成电路上的温度梯度，使得每个ADC经历相同或相似的温度梯度。注意确保每个ADC在每个制造步骤期间经历类似的制造条件，例如控制掺杂梯度。在本领域中已知用于匹配电路(例如模数转换器)的其它布局和制造技术。在其它实施例中，通过使用时分复用的单个ADC将电流和电压信号两者转换成相应的数字信号来使匹配要求最小化。
实施例的优点包括有效地实现电池组的电化学阻抗谱(EIS)的能力。这些效率可以包括但不限于较快的测量时间，以及使用比一些常规电池单元测量电路和系统更小的材料清单(BOM)和/或更小的硅面积来实现测量电路的能力。此外，也可以有效地测量在电池单元之间的单元连接器的AC阻抗。
在涉及电池管理应用的各种实施例中，复数AC阻抗信息可以用于估计电池单元的若干内部参数，例如电池单元内部温度、电池单元的健康状态(SoH)和电池单元的充电状态(SoC)以及其它参数。
在测量过程和包含在电池单元的DC阻抗(实数)和AC阻抗(复数)中的信息之间存在根本的差异。AC阻抗是复数(实部+j虚部)，而DC阻抗仅是实数。因此，AC阻抗在这里可以被称为AC阻抗或复阻抗。为了估计不同频率下的关键单元参数，根据应用，使用AC阻抗。低频阻抗包含关于电池内部化学过程的信息并且可以用于SOC和SOH估计。该信息也部分地在DC阻抗内。较高频率对SOC/SOH变化较不敏感并且可以用于估计内部单元温度。此外，复数AC阻抗的实部和虚部可以用于区分电池内部过程。例如，一些电池过程影响电池阻抗的虚部，其它电池过程影响电池阻抗的实部，并且还有其它过程影响电池阻抗的实部和虚部两者。另外，AC阻抗随频率的变化可以用于表征电池单元参数。例如，电池的内部温度可以通过在特定频率范围内执行AC阻抗测量来估计。使这种估计最准确的频率范围可以根据电池类型和/或电池制造而变化。
为了测量整个电池组的AC阻抗，可以监测每个单个电池单元的阻抗。因此，本文描述的多单元AC阻抗测量系统的实施例提供了一种使用单个多单元AC阻抗IC来测量多个堆叠的电池单元以及对应的单元连接器的AC阻抗的有效解决方案，从而降低了总体系统成本。
图1A是用于以给定频率测量在电池组18中的三个电池单元12、14和16的示例的AC阻抗的多单元AC阻抗测量系统10的框图。在实施例中，测量系统10包括AC电流源20，AC电流源20可以包括晶体管和诸如电阻器的附加组件。AC电流源20以给定频率向电池组18中的电池单元的子集(例如串联耦合的电池单元12、14和16)提供AC激励电流。在实施例中，AC激励电流流入电池单元12，通过电池单元14，并且流出电池单元16。流出电池单元16的电流通过电流感测电路28返回到AC电流源20。在实施例中，电流感测电路28可以包括电阻器。测量系统10可以包括驱动器电路30，用于从微处理器32接收表示例如正弦波的数字输入值，并且驱动器电路30用于向AC电流源20提供适当的驱动信号。多单元AC阻抗测量系统10还包括耦合到对应电池单元12、14和16的多个电压感测电路22、24和26。跨电池单元12、14和16中的每个电池单元的电压由电压感测元件感测，在实施例中，电压感测元件诸如是模数转换器(ADC)。微处理器32从电流感测电路28接收表示流经电池单元12、14和16的AC激励电流的信号。微处理器32还从电压电流感测电路22、24和26接收表示来自每个电池单元12、14和16的AC电压响应的信号。微处理器32包括数字信号处理电路装置，用于通过将接收到的AC电压信号除以接收到的AC电流信号来计算电池单元12、14和16的每个电池单元的AC阻抗。在微处理器32的输出节点34处提供AC阻抗作为数字输出值，该数字输出值包括表示在激励频率处的AC阻抗的实部和虚部。
图1B是图1A中所示的驱动器电路30的框图。在实施例中，驱动器电路30可以是用于驱动AC电流源20内部的晶体管栅极的栅极驱动器电路。在实施例中，驱动器电路30包括数模转换器(DAC)40，用于在输入节点42处接收来自微处理器32的数字输入值，以及以给定频率生成对应的模拟电压，例如正弦波。DAC 40的输出耦合到缓冲放大器38的输入，用于在输出节点36处驱动例如AC电流源20内部的晶体管的栅极。
多单元AC阻抗测量系统10可以包括一个或多个附加组件，例如图1A所示的用于测量在电池组18中的附加电池单元的那些组件。测量系统10也可以用于在以各种频率进行一系列AC阻抗测量，使得可以使用如上所述的电化学阻抗谱(EIS)在频谱上确定所测量的电池单元的阻抗和特性。虽然在图1A中示出单个AC电流源20，但是在实施例中也可以使用用于每个电池单元12、14和16的单独的AC电流源。虽然AC电流源20可以包括单个晶体管和相关的电阻组件，但是可以使用任何已知的电流源电路。图1A中所示的多单元AC阻抗测量系统10的代表性实施例在另外的附图中示出并且在下面进一步详细描述。
图2A是用于测量在电池组中的三个电池单元的示例的AC阻抗的多单元AC阻抗测量系统100的示意图。电池组包括多个电池单元，其中，示出了三个电池单元102、106和110。还示出了单元连接器104和108。每个电池通常包括用于制成第一开尔文连接的多个第一端子128、内部电池单元132和用于制成第二开尔文连接的多个端子130。注意，在电池102、106和110的每个端处的至少一个开尔文连接端子不与另一电池单元共享。在每个电池单元端处提供开尔文端子确保了可以正确地测量在电池单元之间的连接器阻抗。下面将参照图2B更详细地描述测量连接器阻抗。每个单元连接器104、108包括电阻部分124和电感部分126。单个集成电路或PCB 118用于通过对应的多个焊盘对，同时监测多个电池单元的阻抗(Zn、Zn-1和Zn+1)。与单个单元方法相比，减少数目的PCB或IC和外部组件显著降低了整个系统的成本。使用一个多单元IC 118监测的电池越多，潜在的成本降低就越大。
因此，图2A示出用于在单个测量周期中同时测量具有多单元阻抗IC 118的三个电池单元102、106和110的阻抗的示例AC阻抗测量IC系统100，该单个测量周期可以包括一个或多个测量时段Tmeas。下面进一步详细描述AC阻抗测量系统和多单元阻抗IC以及操作方法。
图2B是被配置为监测在图2A中所示的在三个电池单元中的两个电池单元之间的单元连接器的AC阻抗的多单元AC阻抗测量系统的示意图。图2B是与图2A中所示基本相同的示意图，不同之处在于，单元连接器108的AC阻抗被标记为Zcc并且对于典型应用被示为28μΩ和4.38nH。单元连接器108的阻抗值可以根据用于单元连接器的工艺和材料而变化，并且通常在μΩ和nH范围内。单元连接器108和电池单元110的AC阻抗被标记为Zn+1+Zcc，并且电池单元110的AC阻抗被标记为Zn+1。另外，多单元阻抗IC 118被示出为包括多路复用器(MUX)136，多路复用器具有：耦合到与电池单元106的第二开尔文连接器耦合的焊盘V2AC_p的输入，具有耦合到与电池单元110的第一开尔文连接器耦合的焊盘V3AC_n的输入，并且具有耦合到与电池单元110的第二开尔文连接器耦合的焊盘V3AC_p的输入。多单元阻抗IC118还包括耦合到MUX 136的模数转换器(ADC)134。
因此，根据实施例在此描述的多单元AC阻抗方法的另一优点在于，其提供了监测具有28μΩ和4.38nH的标称阻抗的单元连接器108的阻抗的可能性。单元连接器阻抗监测可以作为诊断功能来实现。在实施例中，单元连接器阻抗监测用于检查在对应的单元106与110之间的连接是否由于例如腐蚀或焊点松动而显著降级。图2B示出用于利用多单元阻抗集成电路118来监测单元连接器阻抗Zcc的实施例布置。
为了测量在电池单元106(电池N)与电池单元110(电池N+1)之间的单元连接器阻抗Zcc，可以使用两种不同的测量方法：德尔塔测量方法和直接单元连接器测量方法。
对于德尔塔测量，在第一步中测量阻抗Zn+1，然后经由内部MUX 136将V3AC_n信号与V2AC_p信号交换，在第二步骤中测量阻抗Zn+1+Zcc，并且在第三步中计算在两个测量之间的差，以获得连接器的阻抗Zcc＝Zn+1+Zcc-Zn+1。德尔塔测量方法具有的优点在于，期望阻抗总是在阻抗测量系统具有可接受的性能的值范围内，但是需要两次测量。
对于直接单元连接器测量，内部多路复用器136用于将V3AC_n信号和V2AC_p信号直接连接到ADC 134，以直接测量阻抗Zcc。直接单元连接器测量方法仅需要一次测量，但是由于期望值非常小，因此测量结果可能不太准确。
多路复用器136耦合到数字处理电路(图2B中未示出)，以计算多个电池单元中的第一电池单元110的第一复阻抗以及计算第二复阻抗，该第二复阻抗包括第一电池单元110的第一复阻抗加上与第一电池单元110关联的单元连接器108的串联复阻抗。在实施例中，单元连接器108的复阻抗由数字处理电路通过从第一复阻抗减去第一复阻抗来计算。
在图2B中所示的多单元阻抗集成电路118包括多路复用器136和ADC 134，用于提供连接器阻抗测量功能，该多单元阻抗集成电路可以合并到图3中所示的多单元集成电路314A、图5中所示的多单元集成电路314B、图7中所示的多单元集成电路314C和图9中所示的多单元集成电路314D中，下面将对这些多单元集成电路进行更详细的描述。ADC 134的输出耦合到对应的数字处理电路316A、316B、316C和316D。
图3是多单元AC阻抗测量系统300的完全并行的实现方式的示意图，并且是上面关于图1A示出和描述的多单元AC阻抗测量系统10的具体实施例。测量系统300示出在电池组中的多个电池单元302、304、306、308和310，驻留在PCB 312A上的多单元阻抗IC 314A，该测量系统包括下面进一步详细描述的其它测量组件。在一些实施例中，多单元阻抗IC 314A被布置在单个半导体基底上，例如硅基底上。备选地，多单元阻抗IC314A可以被划分为跨多个单独的半导体基底。下面描述的多单元阻抗IC314B、314C、314D和314E可以类似地被划分。
在图3中未示出在电池组中的其余电池单元。虽然示出了电池组的五个电池单元，但是仅由多单元阻抗IC 314A测量了电池单元304、306和308中的三个电池单元。虽然在图3中测量了三个电池单元，但是在单个测量周期中可以测量任何数目的电池单元。例如，可以使用单个多单元阻抗IC 314A在单个测量周期中测量两个至十八个电池单元。在实施例中，其中，使用单个多单元阻抗IC测量五个电池单元，总共二十个多单元阻抗IC将被用于监测具有一百个串联电池单元的电池组。备选地，也可以使用多路复用电路装置，用于一次将一个或多个多单元阻抗IC顺序地耦合到五个电池单元。
多单元阻抗IC314A包括：多个输入电压焊盘对V1AC_n和V1AC_p、V2AC_n和V2AC_p、以及V3AC_n和V3AC_p，被配置为用于耦合到在电池组中的对应多个电池单元308、306和304；输出电压焊盘(高侧焊盘)VCELL，被配置为耦合到在电池组中的多个电池单元304中的一个电池单元；接地焊盘(低侧焊盘)GNDA，被配置为用于耦合到在电池组中的多个电池单元308中的至少另一个电池单元；电流感测焊盘对(电流感测元件)CS_p和CS_n，被配置为用于接收表示通过在电池组中的多个电池单元304、306和308中的至少一个电池单元的电流的电压；以及数字处理电路316A，耦合到多个输入电压焊盘对V1AC_p和V1AC_n、V2AC_p和V2AC_n、以及V3AC_p和V3AC_n和电流感测焊盘对CS_p和CS_n，并且被配置为用于在单个测量周期中计算电池组中的多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。在实施例中，用于为多单元阻抗IC 314A和随后的多单元阻抗IC供电的电压可以由电池单元304、306和308提供。
PCB 312A进一步包括晶体管TCL，该晶体管耦合在输出电压焊盘VCELL与接地焊盘GNDA之间，用于迫使单个电流通过电池组中的多个电池单元304、306和308。晶体管TCL和电阻器RL实现AC电流源20(在此也称为激励电流生成器，在实施例中，激励电流生成器也可以包括栅极驱动器30)的示例，并且串联电阻器实现电流感测电路28的示例。在实施例中，具有大约1.5Ω的典型电阻的负载电阻器RL耦合在晶体管TCL的漏极与多单元阻抗IC 314A的VCELL焊盘以及PCB 312A的VCELL焊盘之间。负载电阻器RL可以是任何适合于特定应用的电阻，其根据需要具有高于或低于1.5Ω的值。具有大约100mΩ的典型电阻的电流感测电阻器RS(尽管在特定应用中可以使用任何适当的电阻值)耦合在晶体管TCL的源极与多单元阻抗IC 314A的GND_A焊盘以及PCB 312A的GND_A焊盘之间。电流感测电阻器RS还耦合到电流感测焊盘对CS_p和CS_n。在实施例中，感测电阻器RS可以备选地放置在VCELL与晶体管TCL的漏极之间的高侧，或者如果期望的话甚至与主电池组电流串联。晶体管TCL的栅极耦合到多单元阻抗IC 314A的栅极驱动器G焊盘。在图3和随后的附图中示出栅极驱动器30，栅极驱动器耦合在数字处理电路316A和栅极驱动器G焊盘之间。在实施例中，负载电阻器RL、晶体管TCL和电流感测电阻器Rs都可以被制造在多单元阻抗IC 314A的内部。虽然在晶体管TCL和多单元阻抗IC 314A之间示出一一对应，但是晶体管TCL以及负载电阻器RL和串联电阻器RS可以在多个多单元IC之间多路复用，以便顺序地驱动电池组中的多组电池单元。
PCB 312A因此具有镜像引出线(mirror pinout)，该镜像引出线包括除了电流感测焊盘对CS_p和CS_n以及栅极驱动器G焊盘外的、与以上关于多单元阻抗IC 314A描述的焊盘相对应的焊盘。在一些实施例中，如果晶体管TCL以及电阻器RL和RS被集成到多单元阻抗IC314A中，则可以使用一组焊盘。
在图3中所示的实施例中，多单元阻抗IC 314A包括：第一多个模数转换器322、320和318，耦合在多个输入电压焊盘对V1AC_p和V1AC_n、V2AC_p和V2AC_n、以及V3AC_p和V3AC_n与数字处理电路316A之间；以及第二多个模拟转换器324、326和328，耦合在电流感测焊盘对CS_p和CS_n与数字处理电路之间。任何合适的架构可以用于ADC318、320、322、324、326和328，例如∑-ΔADC。可以使用任何合适的采样速率，只要采样速率大于或等于所使用的最高频率AC激励电流的奈奎斯特(Nyquist)速率即可。
因此，图3示出使用三电池单元解决方案的示例的多单元阻抗测量系统的实现方式，其中电池单元n+1304、电池单元n 306和电池单元n-1308由一个多单元测量IC 314A监测。
图4示出图3中所示的测量系统300的相应测量序列400。虽然在图4中示出要测量的三个电池单元，但是本领域技术人员将理解，在单个测量周期中可以测量任何数目的电池单元。图4示出三个测量的激励电流402、404和406，以及三个测量的电池单元电压408、410和412。在数字核心316A中的后处理414A计算三个复阻抗值Z1C、Z2C和Z3C。每个单独的复阻抗的计算遵循以下公式：
Figure BDA0002899753160000121
其中ZxC、VxC和IxC是复数，x是待测量的单元的索引，而RsR是由感测电阻器的电流到电压转换所引起的实值增益。ADC值到复数V/I值的转换是通过关于图11-13进一步详细描述的数字滤波/计算来完成的。由在ADC与相关信号路径之间的不匹配引起的在成对的电压ADC值与电流ADC值(例如V1-ADC412和I1-ADC406)之间的任何增益和相位不匹配都可能导致计算阻抗的误差。因此，良好的匹配将改善所计算的阻抗的准确度。在一些实施例中，本领域已知的电路匹配技术可以用于匹配各种信号路径的增益和相位，以便改善所计算的阻抗的准确度。在与图3中所示的多单元AC阻抗测量系统300相关联的一个实施例中，与特定电池单元相关联的ADC被匹配在一起，以便减少在测量电压与测量电流的比率中的变化。例如，与电池单元308相关联的V1-ADC 322和I1-ADC 328匹配在一起；与电池单元306相关联的V2-ADC320和I2-ADC 326匹配在一起；并且与电池单元304相关联的V3-ADC 318与I2-ADC324匹配。每对ADC(其可以被统称为“单独的数据转换电路”)可以通过以下项匹配：将该对ADC中的每个ADC定位成在多单元阻抗IC 314A上彼此相邻、通过对每个ADC使用相同的布局、通过使该对ADC的电路组件彼此交叉和/或通过均衡与该对ADC中的每个ADC相关联的信号路径。
注意，在图4中，在单个测量时段Tmeas中完成单个测量周期，其中，所有的电压和电流测量同时进行。
图3和图4中所示的测量实现方式使用所有测量的电池单元的公共激励电流和用于每个电池单元的单独感测导线。与每个单元的单独激励相比，该方法具有优势，因为该方法减少了所需的外部组件的数目，即每个多单元阻抗IC仅需要一个晶体管、感测电阻器和负载电阻器。在一些实施例中，根据图2的实施例，多路复用器(未示出)可以耦合在电池304、306和308的开尔文连接与ADC 318、320和322的输入之间，以便有助于测量耦合在每个电池单元304、306和308之间的单元连接器的复阻抗。
下面参照图5至图10描述上面参照图1A示出和描述的多单元AC阻抗测量系统10的附加实施例。
图5是AC阻抗测量系统700的并行/顺序实现方式的示意图，具有多路复用器(MUX)并且针对每个电池单元具有一个ADC。如所示，每个ADC 318、320和322(其每个可以被称为“单独的数据转换电路”)与相对应的电池单元304、306和308相关联。多单元阻抗IC 314B包括耦合到多个输入电压焊盘对V1AC_p和V1AC_n、V2AC_p和V2AC_n、V3AC_p和V3AC_n以及电流感测焊盘对CS_p和CS_n上的多路复用器332，以及耦合在多路复用器332与数字处理电路316B之间的多个模数转换器318、320和322。PCB 312B以及电池单元302、304、306、308和310基本上如例如图3中先前所示。数字处理电路316B被标记以示出单独的电流和电压分量(I1/V1、I2/V2和13/V3)，这是因为现在顺序地计算每个电池单元的阻抗。
图5中所示的实现方式变型使用针对每个测量的电池单元的一个ADC、MUX 332和测量所有单元的阻抗的顺序两步方法。在图6中示出用于计算每个电池单元的复阻抗的测量周期800的示例。图6示出在第一测量时间时段Tmeas中测量的三个激励电流402、404和406，以及在第二测量时间时段Tmeas中测量的三个电池单元电压408、410和412，尽管其它测量排列是可能的(例如，在第一步中可以测量一个电流和两个电压，并且在第二步中可以测量一个电压和两个电流)。首先，所有ADC测量电流并且存储结果值。然后，每个ADC测量电池单元电压并且根据电压与电流的比率来计算阻抗。对于单个测量周期需要两个测量时段。由数字处理电路316B提供的后处理414B顺序地计算每个电池单元Z1C、ZgC和Z3C的复阻抗。在图6中所示的测量周期800将所需ADC的数目减少到每个要测量的单元一个ADC，但是与完全并行的实现方式相比，所有单元所需的测量时间加倍。然而，在图6中所示的测量方法的优点在于减少了ADC之间的匹配问题。在一些实施例中，MUX 332可以用于根据图2的实施例将开尔文连接路由到电池单元304、306和308，以便有助于测量耦合在每个电池单元304、306和308之间的单元连接器的复阻抗。
图7是具有单对ADC 330和334以及MUX 332的多单元AC阻抗测量系统900的实现方式的示意图。多单元阻抗IC 314C包括：多路复用器332，耦合到多个输入电压焊盘对V1AC_p和V1AC_n、V2AC_p和V2AC_n、以及V3AC_p和V3AC_nu；第一模数转换器334，耦合在多路复用器332与数字处理电路316C之间；以及第二模数转换器330，耦合在电流感测焊盘对CS_p以及CS_n与数字处理电路316C之间。多单元阻抗IC 314C和PCB 316C包括与先前描述的相同的引出线，并且PCB 316C包括先前描述的外部晶体管TcL和外部电阻器RL和RS。代表性的电池单元302、304、306、308和310是先前也描述过的电池组的一部分。测量系统900因此使用由晶体管TCL提供的公共激励电流、并且仅使用具有在前方的多路复用器334的一对ADC 330和334，在要被测量的不同电池单元304、306和308之间切换，如图7所示。在图8中示出相对应的测量序列1000。
图8示出包括三个顺序测量的激励电流402、404和406以及三个顺序测量的电池单元电压408、410和412的示例测量序列1000。由数字处理电路316D提供后处理414C，以计算每个电池单元304、306和308的AC阻抗。注意，针对单个测量周期需要三个连续的时间时段Tmeas。
每个电池单元的最终AC阻抗可以通过以下计算：
Figure BDA0002899753160000151
其中多路复用器332在不同的电池单元304、306和308之间切换，但是总是用完全相同的ADC 330和334来测量电压和电流，因此减少了匹配问题。在图7和图8中所示的测量方法节省了硅面积，这是因为仅需要一对ADC 330和334，但仅允许对不同电池单元的顺序测量。因此，测量时间增加了一定因子，当与并行方法相比时，该因子等于单元的数目。在图7和图8中，该因子等于三，对应于由多单元阻抗IC 314C测量的三个电池单元304、306和308。
图9是多单元阻抗测量系统1100的单个ADC实现方式的示意图，包括驻留在PCB312D上的多单元阻抗IC 314D。外部组件和引出线与前面所述的相同。多单元阻抗IC 314D包括：多路复用器332，耦合到多个输入电压焊盘对V1AC_p和V1AC_n、V2AC_p和V2AC_n、V3AC_p和V3AC_n以及电流感测焊盘对CS_p和CS_n；以及单个模数转换器336，耦合在多路复用器332和数字处理电路316E之间。因此，图9示出关于使用多路复用器332和单个ADC 336来顺序地测量三个电池单元304、306和308的电流和电压的所需数目的ADC组件的最简化的实现方式变型。
图10示出与图9中所示的测量实现方式1100相对应的示例测量序列1200。测量序列1200包括被保存的单个电流测量416和三个顺序的电压测量408、410和412。顺序电流测量和顺序电压测量的其它排列是可能的。后处理414D计算所测量的每个电池单元304、306和308的AC阻抗。注意，对于单个测量周期，需要四个测量时段Tmeas。备选地，可以进行三次连续的电流测量，在这种情况下，对于单个测量周期需要总共六个测量时段Tmeas。
如果使用六测量时段方法，则用于每次阻抗测量所需的测量时间加倍(对于每个相应的电池单元，一次电压测量和一次电流测量)。减少总测量时间的一种方式是仅进行一次电流测量，保存该值并且然后将该值用于计算所有阻抗，如图10中所示。因此，对于三个单元的示例，所需测量的总数(即，单个测量周期时间)从三乘以二(六)个测量时间时段减少到三加一(四)个测量时间时段。多单元阻抗IC316D调节激励电流，并且因此在稳定操作条件下，所获得的测量电流值没有显著改变，并且因此上述测量方法是可行的。
因此，当与上文参考例如图3描述的完全并行的方法相比时，由图10中示出的测量方法的总测量时间增加了一定因子，该因子等于电池单元的数目乘以二(或当使用存储值时，电池单元的数目加一)。图9和图10中所示的实现方式变型的优点在于，所需的硅面积可以显著减小并且ADC匹配问题显著减少。
图11、图12和图13共同地示出根据实施例的AC阻抗测量算法的组件和信号方面。图14中示出AC阻抗测量算法的相对应流程图1300，包括步骤1302、1304、1306、1308、1310、1312和1314。在图11、图12和图13中示出链接箭头，以帮助将这些图与图14中示出的流程图1300的步骤相关联。
在图11中，经受激励电流1318的被测量的代表性的电池单元1316包括测量电压1320和测量电流1322。在步骤1302处，测量开始于从电池单元1316以期望频率fmeas接收由先前描述的多单元阻抗IC控制的正弦电流1318。在步骤1304处，代表性的电池单元1316的AC阻抗在时域中引起AC响应(电压1320)。
在图12中示出了多单元阻抗IC 1402，多单元阻抗IC包括用于接收测量的电压信号的ADC 1412和用于从先前在图11中示出的电池单元1316接收测量的电流信号的ADC1414。在实施例中，ADC 1412和1414可以被多路复用和组合，或者表示如前所述的多个ADC中的一个ADC。ADC 1412和1414的输入在模拟域中，并且ADC 1412和1414的输出被转换到数字域。在ADC1412和1414的输出处的经转换的数字信号分别由在数字信号处理电路1404内的经组合的滤波器与快速傅里叶变换(FFT)处理块1408和1410接收。FFT块1408和1410的输出是在频域中的复数，该复数由也在数字信号处理电路1406内的复数除法块1406接收。复数除法块的输出是电池单元1316的在感兴趣频率处的复阻抗，f＝fmeas。如前所述，在一些实施例中，通过将FFT块1408的输出Gv*(Vreal+j*Vimag)除以FFT块1410的输出RS*Gi*(Ireal+j*Iimag)来计算复阻抗，其中，Gv和Gi是增益因子，并且RS是串联电阻器值。一旦增益因子和串联电阻器值被去除，复阻抗就等于Zreal+j*Zimag，并且复阻抗可以被存储在处于多单元阻抗IC 1402内的存储器1416中。
在图12中，在步骤1306处，将AC电压和AC电流施加到ADC1412和1414的输入。如图所示，ADC 1412和1414将增益gv添加到电压信号并且将增益gi添加到电流信号。在步骤1308处，块1408和1410对数字电压和电流信号进行预滤波、并且计算在f＝fmeas处的FFT。在步骤1310，块1406在复数电压除以复数电流的频域中执行复数除法，以计算电池单元1316的复阻抗。如果ADC增益Gv和Gi相等，则电压路径和电流路径的增益抵消。在步骤1312处，注意，复数除法的结果是电池单元1316在f＝fmeas处的复阻抗Z。在备选实施例中，可以使用其它频率变换，例如离散傅立叶变换(DFT)、离散余弦变换(DCT)和这样的其它频率变换。
图13示出用于显示先前存储在存储器1416中的复阻抗的主机主机计算机1500。在实施例中，主机计算机1500是负责整个电池组的电池管理的微控制器。在另一个实施例中，主机计算机1500可以包括诸如中央处理单元(CPU)1502的数字处理电路以及其它可选组件，诸如包括主存储器和高速缓存存储器的存储器1504、耦合到外部显示器1512的显示适配器1510、耦合到诸如键盘的外部I/O设备的I/O适配器1514、以及耦合到外部网络1520的网络适配器1518。主机计算机的各种组件可以通过双向总线1508链接在一起。如果需要，在主机计算机1500中可以包括许多其它组件。在对应的步骤1314中，注意，阻抗值Z被通信到主机计算机1500。如前所述，通过除以串联电阻器值RS和增益因子，最终计算出正确的阻抗值Z。
图14是上述AC阻抗测量算法的相应流程图1300，包括先前已经描述的步骤1302、1304、1306、1308、1310、1312和1314。
在一些实施例中，假设测量系统在电压和电流测量期间处于稳定状态，以便在确定电池组中的电池单元的复阻抗时获得最大的准确度。在一些情况下，在例如电动车辆的加速或制动期间测量电池单元的电压和电流可能使得复阻抗测量不太准确或不太代表电池单元的真实操作条件。
尽管已经示出在单个测量周期期间由单个多单元阻抗IC测量三个电池单元，但是可以使用任何数目的电池单元。测量不限于每个多单元阻抗IC三个电池单元。在实施例中，可以使用二到六个、或二到十八个电池单元的范围。
不管如本文所述使用的精确测量系统和方法如何，测量系统通常不限于用于电池组中的电池单元的子集的公共激励电流，而是测量系统也可以被配置为针对每个单元使用单独的激励电流。单独的激励电流可以由PCB上的晶体管连同多单元阻抗IC一起提供。
虽然一些实施例已经被示出为包括单独的多单元集成电路和对应的印刷电路板，但是所有组件可以被集成在多单元集成电路内部。例如，如果需要，由晶体管和串联电阻器提供的激励电流也可以被集成在多单元集成电路的内部。这种集成的解决方案对于较低的激励电流需求或具有固有的较高的阻抗的电池单元是特别有吸引力的。相反，复阻抗测量系统的实施例可以全部由印刷电路板上的单独组件制造，而无需专用的多单元集成IC。
有利地减少所有顺序实现方式变型的测量时间的方式是仅执行一次电流测量，保存该值，并且然后使用该值来计算阻抗。只有当操作条件显著改变时，例如当期望改变激励幅度或频率时，才需要更新电流的值。
本领域技术人员将理解，这里描述的不同实现方式变型的混合可以实现硅面积和总测量时间之间的良好折衷。
为了进一步降低系统成本，可以以稍微较低的测量准确度为代价来减少感测线的数目。例如，在例如图3(以及随后的图)中，可以去除感测线V2AC_p和V1AC_p。换句话说，在实施例中，不需要使用电压焊盘对，而是仅需要使用每个电池单元的一条感测线加上一条额外的感测线。
表1示出所提出的测量系统实现方式变型的概要，其中，Ncell是每个多单元阻抗IC测量的电池单元的数目，而Tmeas是单个测量时间时段的时间。
Figure BDA0002899753160000191
表1：比较不同AC阻抗测量系统实现方式的关键参数。
注意，在表1中，在所使用的ADC的数目和在单个测量周期中使用的总测量时间之间存在折衷。例如，完全并行的配置使用六个ADC，但是在单个时间时段中同时计算所有三个复阻抗。单个ADC配置使用单个ADC，但可能需要多达六个时间时段来计算所有三个复阻抗。上述方法中的任何一种方法都可以用来适应特定的应用。
这里概述了本发明的示例实施例。从本文提交的说明书和权利要求书的整体也可以理解其它实施例。
示例1。根据实施例，一种用于测量在电池组中的多个电池单元的复阻抗的方法包括：控制通过在电池组中的多个电池单元的激励电流；在单个公共测量电路中接收与多个电池单元相对应的多个电压信号；测量激励电流；以及使用每个电池单元一个模数转换器(ADC)或每个电池单元两个匹配的ADC，基于在单个测量周期中的多个电压信号和所测量的激励电流，计算在多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
示例2。根据示例1的方法，其中，控制激励电流包括控制跨多个电池单元耦合的激励电流生成器。
示例3。根据前述示例中任一项的方法，其中，接收多个电压信号包括经由多个开尔文端子对，从多个电池单元接收多个电压信号，其中，多个电池单元中的每个电池单元与多个开尔文端子对中的开尔文端子对相关联，每个开尔文端子对包括第一开尔文端子和第二开尔文端子，第一开尔文端子连接到电池单元的第一端，第二开尔文端子连接到电池单元的第二端，并且其中，每个电池单元的每个开尔文端子对彼此分离、并且不与任何其它电池单元共享。
示例4。根据前述示例中任一项的方法，其中，单个公共测量电路包括单个集成电路芯片。
示例5。根据前述示例中任一项的方法，其中，多个电池单元包括在两个至十八个之间的电池单元。
示例6。根据前述示例中任一项的方法，还包括：接收与多个电池单元中的第一电池单元相关联的第一电压信号；接收与多个电池单元中的第一电池单元以及第二电池单元相关联的第二电压信号；以及基于第一电压信号、第二电压信号以及测量的激励电流，计算在第一电池单元与第二电池单元之间的连接器的复阻抗。
示例7。根据前述示例中任一项的方法，还包括顺序地接收多个电压信号。
示例8。根据前述示例中任一项的方法，其中，单个测量周期包括单个测量时间时段。
示例9。根据实施例，一种电路包括：电压测量电路，耦合到多个输入电压焊盘对，输入电压焊盘对被配置为用于耦合到在电池组中串联耦合的对应的多个电池单元；高侧焊盘，被配置为用于耦合到在电池组中串联耦合的多个电池单元的第一端；低侧焊盘，被配置为用于耦合到在电池组中串联耦合的多个电池单元的第二端；激励电流生成器，耦合在高侧焊盘与低侧焊盘之间，以用于控制流经多个电池单元的交流电流；电流测量电路，耦合到电流感测元件，电流感测元件被配置为用于生成表示通过在电池组中的多个电池单元中的至少一个电池单元的电流的电压；至少一对匹配的模数转换器(ADC)；以及数字处理电路，耦合到多个输入电压焊盘对以及电流感测元件，数字处理电路被配置为用于以下项：激活激励电流生成器，从电压测量电路接收电压测量信号，利用至少一对匹配的ADC中的第一ADC测量所接收的电压测量信号，从电流测量电路接收电流测量信号，利用至少一对匹配的ADC中的第二ADC测量所接收的电流测量信号，以及根据所接收的电压测量信号和所接收的电流测量信号、在单个测量周期中计算电池组中的多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
示例10。根据示例9中任一项的电路，其中，多个输入电压焊盘对被配置为耦合到对应的多个开尔文端子对，其中，多个电池单元中的每个电池单元与多个开尔文端子对中的开尔文端子对相关联，每个开尔文端子对包括第一开尔文端子和第二开尔文端子，第一开尔文端子连接到电池单元的第一端，第二开尔文端子连接到电池单元的第二端，并且其中，每个电池单元的每个开尔文端子对彼此分离、并且不与任何其它电池单元共享。
示例11。根据前述示例中任一项的电路，其中，电压测量电路、电流测量电路和数字处理电路全部都形成在单个集成电路芯片中。
示例12。根据前述示例中任一项的电路，其中，多个电池单元包括在两个至十八个之间的电池单元。
示例13。根据前述示例中任一项的电路，其中，数字处理电路被配置为用于以多个测量频率计算在电池组中的多个电池单元中的每个电池单元的多个复阻抗，以表征在电池组中的多个电池单元中的每个电池单元的至少一个参数。
示例14。根据前述示例中任一项的电路，还包括驱动器电路，耦合在数字处理电路与激励电流生成器之间。
示例15。根据前述示例中任一项的电路，其中，驱动器电路包括缓冲放大器。
示例16。根据前述示例中任一项的电路，其中，驱动器电路包括数模转换器。
示例17。根据前述示例中任一项的电路，其中，激励电流生成器包括耦合在高侧焊盘和低侧焊盘之间的晶体管，用于迫使单个电流通过电池组中的多个电池单元。
示例18。根据前述示例中任一项的电路，还包括多路复用器，多路复用器被配置为用于将数字处理电路耦合到第一输入电压焊盘对，以计算多个电池单元中的第一电池单元的第一复阻抗，并且多路复用器被配置为用于将数字处理电路耦合到第一输入电压焊盘对的焊盘以及第二输入电压焊盘对的焊盘，以计算第一电池单元的第一复阻抗加上与第一电池单元相关联的单元连接器的串联复阻抗。
示例19。根据前述示例中任一项的电路，其中，至少一对匹配的ADC包括多对匹配的ADC，多对匹配的ADC中的每对匹配的ADC中的第一ADC耦合在多个输入电压焊盘对与数字处理电路之间，并且每对匹配的ADC中的第二ADC耦合在电流感测元件与数字处理电路之间。
示例20。根据前述示例中任一项的电路，还包括多路复用器，多路复用器耦合到多个输入电压焊盘对以及每对匹配的ADC中的第一ADC。
示例21。根据前述示例中任一项的电路，其中，至少一对匹配的ADC包括单对匹配的ADC；并且其中，该电路还包括多路复用器，多路复用器耦合到多个输入电压焊盘对以及每对匹配的ADC中的第一ADC。
示例22。根据实施例，一种电池测量系统包括：激励电流源，被配置为跨多个电池单元耦合；电流感测元件，耦合到激励电流源；多个单独的数据转换器电路，其中，多个单独的数据转换器电路中的每个单独的数据转换器电路包括耦合到电流感测元件的电流感测输入以及被配置为跨多个电池单元中的对应电池单元耦合的一对电压感测输入，并且每个单独的数据转换器电路被配置为基于在电流感测输入处的信号提供电流测量数据，并且基于在一对电压感测输入处的信号提供电压测量数据；以及数字处理电路，耦合到多个单独的数据转换器电路，数字处理电路被配置为基于由与对应电池单元关联的单独的数据转换器提供的电流测量数据以及电压测量数据，来计算在多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
示例23。根据示例22的电池测量系统，其中，激励电流源、电流感测元件和多个单独的数据转换器电路设置在相同电路板上；并且每对电压感测输入中的每个电压感测输入被耦合到设置在电路板上的多个电池连接焊盘中的对应电池连接焊盘。
示例24。根据前述示例中任一项的电池测量系统，还包括多路复用器，多路复用器耦合在多个电池连接焊盘与多个单独的数据转换器电路的多对电压感测输入之间。
示例25。根据前述示例中任一项的电池测量系统，其中，多个单独的数据转换器电路和数字处理电路被设置在单个半导体基底上。
示例26。根据前述示例中任一项的电池测量系统，其中，每个单独的数据转换器电路包括具有第一模数转换器和第二模数转换器，第一模数转换器耦合到一对电压感测输入的输入，以及第二模数转换器耦合到电流感测元件，并且第一模数转换器与第二模数转换器匹配。
示例27。根据前述示例中任一项的电池测量系统，其中，每个单独的数据转换器电路包括：单个模数转换器；以及多路复用器，多路复用器具有耦合到电流感测元件的第一输入、耦合到一对电压感测输入对的第二输入、以及耦合到单个模数转换器的输入的输出。
示例28。根据前述示例中任一项的电池测量系统，其中，激励电流源包括晶体管，晶体管具有与晶体管串联耦合的负载路径；并且电流感测元件包括与晶体管的负载路径串联耦合的电阻器。
优点在于，复阻抗测量系统的实施例提供了一种有效的解决方案，以使用单个多单元AC阻抗IC在单个测量周期中测量电池组的多个堆叠的电池单元以及对应的单元连接器的AC阻抗，从而减少了整个系统成本，这是因为电池组中的每个电池单元设置都不需要单独的测量IC和支持组件。
尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，但是本说明书不应被解释为限制性的。参考本说明书，对于本领域技术人员来说，对说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (28)

1.一种用于测量在电池组中的多个电池单元的复阻抗的方法，所述方法包括：
控制通过在所述电池组中的所述多个电池单元的激励电流；
在单个公共测量电路中接收与所述多个电池单元相对应的多个电压信号；
测量所述激励电流；以及
针对每个电池单元使用一个模数转换器ADC或针对每个电池单元使用两个匹配的ADC，在单个测量周期中基于所述多个电压信号和所测量的激励电流，计算在所述多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
2.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述激励电流包括控制跨所述多个电池单元耦合的激励电流生成器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述多个电压信号包括经由多个开尔文端子对，从所述多个电池单元接收所述多个电压信号，其中所述多个电池单元中的每个电池单元与所述多个开尔文端子对中的开尔文端子对相关联，每个开尔文端子对包括第一开尔文端子和第二开尔文端子，所述第一开尔文端子连接到所述电池单元的第一端，所述第二开尔文端子连接到所述电池单元的第二端，并且其中每个电池单元的每个开尔文端子对彼此分离、并且不与任何其它电池单元共享。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述单个公共测量电路包括单个集成电路芯片。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个电池单元包括在两个至十八个之间的电池单元。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
接收与所述多个电池单元中的第一电池单元相关联的第一电压信号；
接收与所述多个电池单元中的所述第一电池单元以及第二电池单元相关联的第二电压信号；以及
基于所述第一电压信号、所述第二电压信号以及所测量的激励电流，来计算在所述第一电池单元与所述第二电池单元之间的连接器的复阻抗。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：顺序地接收所述多个电压信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述单个测量周期包括单个测量时间段。
9.一种电路，包括：
电压测量电路，被耦合到多个输入电压焊盘对，所述输入电压焊盘对被配置为用于耦合到在电池组中串联耦合的对应的多个电池单元；
高侧焊盘，被配置为用于耦合到在所述电池组中串联耦合的所述多个电池单元的第一端；
低侧焊盘，被配置为用于耦合到在所述电池组中串联耦合的所述多个电池单元的第二端；
激励电流生成器，被耦合在所述高侧焊盘与所述低侧焊盘之间，以用于控制流经所述多个电池单元的交流电流；
电流测量电路，被耦合到电流感测元件，所述电流感测元件被配置为用于生成电压，所述电压表示通过所述电池组中的所述多个电池单元中的至少一个电池单元的电流；
至少一对匹配的模数转换器ADC；以及
数字处理电路，被耦合到所述多个输入电压焊盘对以及所述电流感测元件，所述数字处理电路被配置为用于以下项：激活所述激励电流生成器，从所述电压测量电路接收电压测量信号，利用至少一对匹配的ADC中的第一ADC测量所接收的电压测量信号，从所述电流测量电路接收电流测量信号，利用所述至少一对匹配的ADC中的第二ADC测量所接收的电流测量信号，以及根据所接收的电压测量信号以及所接收的电流测量信号，在单个测量周期中计算所述电池组中的所述多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述多个输入电压焊盘对被配置为被耦合到对应的多个开尔文端子对，其中所述多个电池单元中的每个电池单元与所述多个开尔文端子对中的开尔文端子对相关联，每个开尔文端子对包括第一开尔文端子和第二开尔文端子，所述第一开尔文端子连接到所述电池单元的第一端，所述第二开尔文端子连接到所述电池单元的第二端，并且其中每个电池单元的每个开尔文端子对彼此分离、并且不与任何其它电池单元共享。
11.根据权利要求9所述的电路，其中所述电压测量电路、所述电流测量电路以及所述数字处理电路全部都形成在单个集成电路芯片中。
12.根据权利要求9所述的电路，其中所述多个电池单元包括在两个至十八个之间的电池单元。
13.根据权利要求9所述的电路，其中所述数字处理电路被配置为用于计算在所述电池组中的所述多个电池单元中的每个电池单元在多个测量频率处的多个复阻抗，以表征在所述电池组中的所述多个电池单元中的每个电池单元的至少一个参数。
14.根据权利要求13所述的电路，还包括驱动器电路，所述驱动器电路被耦合在所述数字处理电路与所述激励电流生成器之间。
15.根据权利要求14所述的电路，其中所述驱动器电路包括缓冲放大器。
16.根据权利要求14所述的电路，其中所述驱动器电路包括数模转换器。
17.根据权利要求9所述的电路，其中所述激励电流生成器包括耦合在所述高侧焊盘与所述低侧焊盘之间的晶体管，用于迫使单个电流通过所述电池组中的所述多个电池单元。
18.根据权利要求9所述的电路，还包括多路复用器，所述多路复用器被配置为用于将所述数字处理电路耦合到第一输入电压焊盘对，以计算所述多个电池单元中的第一电池单元的第一复阻抗，并且所述多路复用器被配置为用于将所述数字处理电路耦合到所述第一输入电压焊盘对的焊盘以及第二输入电压焊盘对的焊盘，以计算所述第一电池单元的所述第一复阻抗加上与所述第一电池单元相关联的单元连接器的串联复阻抗。
19.根据权利要求9所述的电路，
其中所述至少一对匹配的ADC包括多对匹配的ADC，
所述多对匹配的ADC中的每对匹配的ADC中的第一ADC被耦合在所述多个输入电压焊盘对与所述数字处理电路之间，并且
所述多对匹配的ADC中的每对匹配的ADC中的第二ADC被耦合在所述电流感测元件与所述数字处理电路之间。
20.根据权利要求19所述的电路，还包括：
多路复用器，所述多路复用器被耦合到所述多个输入电压焊盘对以及所述多对匹配的ADC中的每对匹配的ADC中的所述第一ADC。
21.根据权利要求9所述的电路，
其中所述至少一对匹配的ADC包括单对匹配的ADC；以及
其中所述电路还包括多路复用器，所述多路复用器被耦合到所述多个输入电压焊盘对以及所述单对匹配的ADC中的所述第一ADC。
22.一种电池测量系统，包括：
激励电流源，被配置为跨多个电池单元被耦合；
电流感测元件，被耦合到所述激励电流源；
多个单独的数据转换器电路，其中所述多个单独的数据转换器电路中的每个单独的数据转换器电路包括被耦合到所述电流感测元件的电流感测输入，以及被配置为跨所述多个电池单元中的对应电池单元被耦合的一对电压感测输入，并且每个单独的数据转换器电路被配置为基于在所述电流感测输入处的信号提供电流测量数据，并且基于在所述一对电压感测输入处的信号提供电压测量数据；以及
数字处理电路，被耦合到所述多个单独的数据转换器电路，所述数字处理电路被配置为基于由与对应的所述电池单元相关联的所述单独的数据转换器提供的所述电流测量数据以及所述电压测量数据，来计算在所述多个电池单元中的每个电池单元的复阻抗。
23.根据权利要求22所述的电池测量系统，其中：
所述激励电流源、所述电流感测元件和所述多个单独的数据转换器电路被设置在同一电路板上；并且
每对电压感测输入中的每个电压感测输入被耦合到设置在所述同一电路板上的多个电池连接焊盘中的对应电池连接焊盘。
24.根据权利要求23所述的电池测量系统，还包括多路复用器，所述多路复用器被耦合在所述多个电池连接焊盘与所述多个单独的数据转换器电路的多对电压感测输入之间。
25.根据权利要求22所述的电池测量系统，其中所述多个单独的数据转换器电路和所述数字处理电路被设置在单个半导体基底上。
26.根据权利要求22所述的电池测量系统，其中每个单独的数据转换器电路包括第一模数转换器和第二模数转换器，所述第一模数转换器具有被耦合到所述一对电压感测输入的输入，以及所述第二模数转换器被耦合到所述电流感测元件，并且所述第一模数转换器与所述第二模数转换器匹配。
27.根据权利要求22所述的电池测量系统，其中，
每个单独的数据转换器电路包括：单个模数转换器；以及
多路复用器，所述多路复用器具有被耦合到所述电流感测元件的第一输入、被耦合到所述一对电压感测输入的第二输入、以及被耦合到所述单个模数转换器的输入的输出。
28.根据权利要求22所述的电池测量系统，其中：
所述激励电流源包括晶体管，所述晶体管具有与所述晶体管串联耦合的负载路径；并且
所述电流感测元件包括与所述晶体管的所述负载路径串联耦合的电阻器。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114384326A (zh) * 2022-01-18 2022-04-22 河北工业大学 一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置及方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11733312B2 (en) * 2020-06-10 2023-08-22 Infineon Technologies Ag Impedance measurement using a multiplexer and analog-to-digital converters
JP7443997B2 (ja) * 2020-09-04 2024-03-06 株式会社デンソー 電池監視システム
US11604228B2 (en) * 2020-11-25 2023-03-14 Texas Instruments Incorporated Battery impedance spectra measurement
US11787306B2 (en) * 2021-01-06 2023-10-17 Ford Global Technologies, Llc Electrified vehicle control to reduce battery sensor heat generation
US11656295B2 (en) * 2021-05-27 2023-05-23 Ford Global Technologies, Llc Battery pack measurement timing
DE102021214316B3 (de) * 2021-12-14 2023-02-09 Vitesco Technologies GmbH Kapazitiver Funktionstest von Varistoren einer Fahrzeugbordnetz-Hochvoltschutzvorrichtung
AT526012A1 (de) * 2022-03-17 2023-10-15 Avl List Gmbh Prüfanordnung für einen elektrochemischen Zellstapel
DE102022120558A1 (de) * 2022-08-16 2024-02-22 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, Computerprogramm, Datenverarbeitungsvorrichtung und Kraftfahrzeug

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201410865D0 (en) * 2014-06-18 2014-07-30 Custom And Contract Power Solutions Ccps Ltd Improved battery testing device
US10855095B2 (en) 2017-10-12 2020-12-01 Infineon Technologies Ag Battery impedance detection using voltage and current measurements
JPWO2020261799A1 (zh) * 2019-06-27 2020-12-30

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114384326A (zh) * 2022-01-18 2022-04-22 河北工业大学 一种锂离子电池交流阻抗在线测量装置及方法

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