CN114114054A - 能够监测电池状况的电池状况监测装置 - Google Patents

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Abstract

一种电池状况监测装置，包括：测量器，配置为测量所述子电池的环境温度、从直流(DC)转换器施加到所述子电池的充电电压和流到所述子电池的充电电流；计算器，配置为通过使用所述充电电压和所述充电电流来计算所述子电池的阻抗；和确定器，配置为通过考虑根据所述环境温度的充电电流和根据所述环境温度的充电电压中的至少一个来确定所述子电池的状况。本发明的装置能够监测电池状况以向驾驶员提供电池状况和电池放电的可能性。

Description

能够监测电池状况的电池状况监测装置
本申请是2019年10月22日提交的申请号为201911005083.2、发明名称为“能够监测电池状况的直流转换器及其电池状况监测方法”专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种电池状况监测装置，其监测电池状况以向驾驶员提供电池状况和电池放电的可能性。
背景技术
48V轻度混合动力系统包括48V主电池，其提供用于驱动车辆的辅助电力并向车辆的48V电子元件供应能量；12V子电池，其向车辆的12V电子元件供应能量；DC转换器，其设置在两者之间。这里，当12V电池的电子负载增加时，DC转换器以降压模式(buck mode)操作以将48V的输入电压降成12V的输出电压并且向12V电子元件供电，并且当48V电池的电子负载增加时，DC转换器以升压模式工作，将12V的输入电压提升成48V的输出电压，并可为48V电子元件供电。
12V电池具有化学特性，其中随着充电/放电循环(充电/放电次数)增加，电压降低，因此电池的内部阻抗增加。而且，由于电池的内部阻抗的增加，当驾驶员启动发动机时，电池的电压迅速降低并放电。因此，通过监测12V电池的状况，需要在发生由电池放电和老化引起的问题之前修理或更换电池。
然而，在相关技术的48V轻度混合系统中，由于将会不可避免地监测12V电池的状况或者将会提供用于监测12V电池的状况的单独元件，所以存在材料成本和车辆重量增加的问题。
此外，由于转换器仅用作供应12V电池的电力的功能，因此需要用于利用转换器监测12V电池的状况的技术。
发明内容
因此，本发明提供一种使用DC转换器的电池状况监测装置和方法，其通过使用转换器预先向用户提供12V电池的状况和12V电池放电的可能性来监测12V电池的状况。
本发明的目的不限于上述内容，而本文未描述的其他目的将由本领域技术人员从下面的描述中清楚地理解。
在一个总体方面，一种设置在主电池和子电池之间的电池状况监测装置包括：测量器，配置为测量所述子电池的环境温度、从直流(DC)转换器施加到所述子电池的充电电压和流到所述子电池的充电电流；计算器，配置为通过使用所述充电电压和所述充电电流来计算所述子电池的阻抗；和确定器，配置为通过考虑根据所述环境温度的充电电流和根据所述环境温度的充电电压中的至少一个来确定所述子电池的状况。
所述确定器通过使用确定表来确定所述子电池的状况，所述确定表相对于所述环境温度，定义所述子电池处于正常状态时的所述阻抗的范围和所述子电池处于老化状态时的所述阻抗的范围。
所述电池状况监测装置还包括存储器，配置为存储所述确定表。
所述测量器测量电容器两端的电压，所述电容器并联连接到所述子电池以测量所述充电电压。
所述确定器计算并提供所述子电池的充电电流的值，作为表示所述子电池的老化程度的速率。
在另一个总体方面，设置在主电池和子电池之间的DC转换器包括：转换单元，被配置为将主电池的输出电压转换为子电池的充电电压；以及监测单元，被配置为测量各自从转换单元施加到子电池的充电电流和充电电压，并且测量子电池的环境温度，通过使用充电电压和充电电流计算子电池的阻抗，并确定通过使用环境温度和阻抗来确定子电池的状况。
监测单元可包括：测量器，被配置为测量充电电压、充电电流和环境温度；计算器，被配置为基于充电电压和充电电流计算子电池的阻抗；确定器，被配置为确定子电池的状况。
确定器可以通过使用确定表来确定子电池的状况，其中，基于环境温度来定义表示子电池的正常状态和老化状态的阻抗范围。
监测单元还可包括：存储器，被配置为存储确定表。
测量器可以测量电容器两端的电压，电容器设置在DC转换器中并且并联连接到子电池。
确定器可以计算并提供子电池的充电电流的值作为表示子电池的老化程度的速率。
在又一个总的方面中，一种使用设置在主电池和子电池之间的直流(DC)转换器的电池状况监测方法包括，测量各自从DC转换器施加到子电池的充电电流和充电电压并测量子电池的环境温度，通过使用充电电压和充电电流计算子电池的阻抗，以及通过使用环境温度和阻抗来确定子电池的状况。
所述确定可以包括通过使用确定表来确定子电池的状况，其中，基于环境温度来定义表示子电池的正常状态和老化状态的阻抗范围。
所述测量可以包括测量并联连接到子电池的电容器两端的电压，以测量充电电压。
所述确定可以包括计算并提供子电池的充电电流的值作为表示子电池的老化程度的速率。
其他特征和方面将从下以下的详细描述、附图和权利要求中显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的DC转换器的框图。
图2是示出图1中所示的监测单元的详细配置的框图。
图3是用于描述根据本发明的实施例的转换单元的图。
图4是示出根据本发明的实施例的子电池的阻抗与环境温度之间的关系的图形。
图5A、5B和5C是示出根据本发明实施例通过将基于正常状态的充电电流值与基于老化状态的充电电流值相对于子电池中的环境温度进行比较而获得的结果的图形。
图6是示出根据本发明的实施例的电池状况监测方法的流程图。
具体实施方式
本发明的优点、特征和方面将从以下参考附图对实施例的描述中变得显而易见，附图在下文中阐述。
然而，本发明可以以不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，和向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”，“一个”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指出所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明实施例的DC转换器和使用DC转换器的电池状况监测方法。
图1是根据本发明的实施例的DC转换器100的框图。
如图1中所示，根据本发明的实施例的DC转换器100可包括转换单元110和监测单元120。
转换单元110可以将从主电池210输入的电压转换为用于对子电池220充电的充电电压(或输出电压)。
主电池210的输出电压可以高于子电池220的充电电压，因此，转换单元110可以降低主电池210的电压，以便适合对子电池220充电，并且可以将降低的电压施加到子电池220。
根据本发明的实施例的DC转换器100可以测量子电池220的充电电流，以基于此确定子电池220的状况。这里，充电电流可以是从主电池210流到子电池220的电流，并且可以用电流表A1测量。这将在下面参考图3详细描述。
监测单元120可以测量通过转换单元110施加到子电池220的电压并测量子电池220外部的空气温度(环境温度)，并且可以基于测量值计算子电池220的内部阻抗。
监测单元120可以通过使用测量的子电池220的环境温度和计算出的子电池220的内部阻抗来确定子电池220的状况。这里，各自从主电池210通过转换单元110施加到子电池220的电压和电流可以用于对子电池220充电，并且可以分别称为充电电压和充电电流。
在通过使用监测单元120测量子电池220的环境温度时，测量温度可以基于与子电池220分开的距离而变化，因此，可能需要在设计装置时选择合适的温度测量点，由此可以通过实验选择期望的测量点。
图2是示出图1中所示的监测单元120的详细配置的框图。
参见图2，监测单元120可包括测量器122、计算器124、存储器126和确定器128，用于确定上述子电池220的状况。
测量器122可以测量转换单元110的内部电压，以用于测量子电池220的充电电流。
详细地，转换单元110可以降低从主电池210输入的电压以将降低的电压施加到子电池220，因此，测量器122可以测量施加到子电池220的电压。为此，测量器122可以使用例如电压传感器。
当转换单元110的输出电压被施加到子电池220并且因此子电池220开始被充电时，测量器110可以测量DC转换器100的内部电流作为子电池220的充电电流。
为此，测量器110可以使用例如基于分流方法(shunt method)或霍尔方法(hallmethod)的电流传感器A1。此外，测量器110可以使用例如温度传感器以测量子电池220的环境温度。然而，上述方法和传感器仅仅是实施例，此外，可以使用各种方法来测量DC转换器100的内部电流和输出电压以及子电池220的环境温度。
计算器124可以通过使用由测量器110测量的子电池220的充电电流和充电电压值(或输出电压值)来计算子电池220的内部阻抗。阻抗的计算可以使用以下等式(1)。
[等式1]
Figure BDA0003433304570000051
这里，Z可以表示子电池220的内部阻抗，I可以表示子电池220的充电电流，V可以表示DC转换器100的输出电压。
存储器126可以存储用于确定子电池220的状况的确定表。
这里，确定表可以相对于由测量器110测量的环境温度，定义子电池220处于正常状态时的内部阻抗范围和子电池220处于老化状态时的内部阻抗范围。
确定器128可以通过使用存储器126的确定表和从计算器124接收的子电池220的内部阻抗值来确定子电池220的老化状态。
下表1可以表示确定表，其用于确定器128以确定子电池220的状况；并且可以表示易于在多个实验结果之间进行比较的示例。
表1
Figure BDA0003433304570000061
参照表1，被确定为在-20℃的温度下具有正常状态的子电池220的内部阻抗的值是1.40Ω，并且充电电流的值是10A。另一方面，可以看出被确定为具有老化状态的子电池220的内部阻抗的值是8.24Ω，并且在此情况下，充电电流是1.7A。类似地，在表1的确定表中，可以看出，子电池220的内部阻抗和充电电流的值是相对于25℃和60℃的环境温度而定义。确定器128可以通过使用确定表来确定子电池220的状况。
例如，在环境温度被测量为25℃的状况下，当子电池220的内部阻抗值是0.84Ω时，确定器128可以将子电池220确定为具有正常状态。
在下文中，将参照图3描述通过使用根据本发明实施例的DC转换器测量子电池的充电电流和充电电压的过程。
图3是用于描述根据本发明实施例的转换单元的图。
参见图3，中央电路110可以表示根据本发明实施例的转换单元110，并且主电池210和子电池220可以分别连接到转换单元110的一侧(图3的左侧)和另一侧(图3的右侧)。转换单元110可以被称为包括开关元件S1、二极管D1、电感器L1和电容器C1的电路，但不限于此。例如，转换单元110可以被称为降低主电池210的电压以向子电池220提供降低的电压并且升高子电池220的电压以向主电池210提供升高的电压的电路。
如图3所示，转换单元110的输出可以连接到子电池220作为一个触点(同一节点)，并且主电池210可以是用于对子电池220充电的电源。因此，当DC时转换器100输出受控电压时，受控电压可以施加到子电池220，并因此可以被监测。例如，可以通过电压表V1监测并联连接到子电池220的电容器C1两端的电压，因此，可以测量子电池220的充电电压。而且，转换单元110的内部电流可以由电流表A1监测，因此，可以监测子电池220的充电电流值。因此，通过使用DC转换器100，可以向用户提供子电池220放电的可能性和子电池220是否老化。而且，可以省略单独包括在48V轻度混合系统相关技术中以监测子电池状况的监测元件，因此，可以降低材料成本和车辆重量。
在图3中，电压表V1和电流表A1作为一种测量子电池220的充电电压和充电电流的方法示出，但不限于此。在其他实施例中，可以使用用于感测电压和电流的各种传感器。
图4是示出根据本发明实施例的子电池的阻抗与环境温度之间的关系的图形。
为了参照图4提供描述，可以看出具有正常状态的子电池220的阻抗值在图4图形的下端以接近水平线的形状示出。但是，具有老化状态的子电池220的阻抗值在图4图形的上端以右边向下的形状示出。如上所述，具有正常状态的子电池220的内部阻抗值可以不同于具有老化状态的子电池220的内部阻抗值，因此，可以基于子电池220的内部阻抗值来确定子电池220的老化与否。另外，可以看出差异不大，这是因为图形的形状在正常状态下接近水平线，但是在老化状态下，差异很大。因此，根据本发明实施例的DC转换器100可以测量子电池220的环境温度并且可以在确定子电池220的状况时反映测量的环境温度，从而校正由环境温度引起的错误。
图5A、5B和5C是示出根据本发明实施例通过将基于正常状态的充电电流值与基于老化状态的充电电流值相对于子电池中的环境温度进行比较而获得的结果的曲线图。
为了提供参照图5A、5B和5C的描述，图5A上端的图形示出了在25℃环境温度下具有正常状态的子电池220的充电电流值(Iout_正常_在25℃)和在25℃环境温度下具有老化状态的子电池220的充电电流值(Iout_异常_在25℃)，并且可以看出，示出了彼此平行的两条直线。因此，可以通过使用由彼此平行的两条直线中的每条直线表示的充电电流值来生成用于确定子电池220的状况的确定表。
上述确定表可以定义相对于设定的环境温度，子电池220处于正常状态时的内部阻抗范围和子电池220处于老化状态时的内部阻抗范围，但除了简单地确定子电池220的正常状态和老化状态之外，电池的老化程度可以表示为速率。例如，在相同的环境温度下，具有正常状态的子电池220的充电电流的值可以被设置为100％，具有老化状态的子电池220的充电电流的值可以设定为0％，在这种条件下，可以将子电池220的充电电流的值计算为表示电池的老化程度的速率，并且可以将其提供给用户。
在下文中，将参考图6描述根据本发明的实施例的电池状况监测方法。6。
图6是示出根据本发明实施例的电池状况监测方法的流程图。
在参考图6的流程图描述电池状况监测方法时，可以省略与图1至3的描述相同或类似的描述。
如图6所示，根据本发明的实施例的DC转换器100可以将从主电池210输入的电压转换为子电池220的充电电压，并且可以在步骤S610中将充电电压施加到子电池220。
根据本发明的实施例，DC转换器100可以是用于对子电池220充电的电源，并且当由DC转换器100控制或输出的电压施加到子电池220时，可以通过使用DC转换器100来监测子电池220的充电电压值和充电电流值。
当电压施加到子电池220时，测量器110可以在步骤S620中测量DC转换器100的内部电流和输出电压以及子电池220的环境温度。
为了详细描述测量器110的测量方法，测量器110可以通过使用例如电压传感器来测量DC转换器100的输出电压。而且，当DC转换器100的输出电压施加到子电池220并且因此子电池220开始充电时，测量器110可以测量DC转换器100的内部电流。为此，测量器110可以使用例如分流方法或霍尔方法。而且，测量器110可以使用例如温度传感器以测量车辆的环境温度。
随后，在步骤S630中，计算器124可以计算子电池220的内部阻抗。
可以通过使用DC转换器100的输出电压和由DC转换器100监测的子电池220的充电电流值来计算子电池220的内部阻抗，因此，可以将子电池220的放电可能性和子电池220是否老化提供给用户。而且，可以省略单独包括在48V轻度混合系统相关技术中以便监测子电池状况的监测元件，因此，可能降低车辆的材料成本和重量。
可以基于上面参考图2描述的等式(1)来计算子电池220的阻抗值。
随后，在步骤S640中，确定器120可以通过使用计算出的子电池220的阻抗值和存储在存储器126中的确定表来确定子电池220老化与否。
确定子电池220老化与否的操作可以使用确定表，例如上述表1。
在这样的过程中，电池的老化程度可以表示为速率，来代替简单地确定子电池220的正常状态和老化状态。例如，在相同的环境温度下，具有正常状态的子电池220的充电电流的值可以设定为100％，具有老化状态的子电池220的充电电流的值可以设定为0％，在这种条件下，可以计算子电池220的充电电流的值，作为表示电池的老化程度的速率，并且可以将其提供给用户。
最后，可以在步骤S650中向用户提供确定器128的确定结果。
如上所述，根据本发明的实施例，子电池220的状况可以通过使用DC转换器100来监测，并且可以将其提供给用户。
在以上描述中，步骤S610至S650可以基于本发明的实施方式进一步划分出附加步骤，或者可以组合成更少的步骤。此外，根据情况可以省略一些步骤，并且可以改变步骤的顺序。此外，已经参考图1至3给出的描述以及其他作出的描述，也可以应用于由图6的电池状况监测装置执行的电池状况监测方法。
根据本发明实施例的监测单元120可以配置有存储器(未示出)和用于执行存储在存储器中的程序的处理器(未示出)。
这里，存储器可以表示易失性存储设备和非易失性存储设备的通用名，所述非易失性存储设备即使在切断电源时也能连续地保持存储的信息。存储器的示例可以包括NAND闪存，例如紧凑型闪存(CF)卡、安全数字(SD)卡、记忆棒、固态驱动器(SSD)和微型SD卡，磁性计算机存储设备，例如硬盘驱动器(HDD)，和光盘驱动器，例如CD-ROM和DVD-ROM。作为参考，图2中示出的根据本发明实施例的元件可以实现为软件或硬件类型，例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)，并且可以执行某些功能。
根据本发明实施例，DC转换器可以监测12V电池的状况以基于车辆的环境温度确定12V电池的状况并且可以向用户提供12V电池的状况和12V电池放电的可能性。
此外，根据本发明的实施例，可以省略12V电池的常规更换警报元件和监测元件，因此，可以降低车辆材料成本和重量。
本发明的前述描述是出于说明的目的，本发明技术领域的普通技术人员可以在不改变本发明的技术构思或本质特征的情况下修改为能理解的其他特定形式。因此，上述实施例在所有方面都是示例性的并且必须理解它不受限制。例如，可以分配和执行每个组件并将每个组件作为一个整体进行描述，并且可以执行以组合形式均等分布的组件。
上面已经描述了许多示例性实施例。然而，应该理解，可以进行各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、体系结构、设备或电路中的组件以不同的方式组合和/或被其他组件或它们的等效物替换或补充，则可以实现合适的结果。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种设置在主电池和子电池之间的电池状况监测装置，所述电池状况监测装置包括：
测量器，配置为测量所述子电池的环境温度、从直流(DC)转换器施加到所述子电池的充电电压和流到所述子电池的充电电流；
计算器，配置为通过使用所述充电电压和所述充电电流来计算所述子电池的阻抗；和
确定器，配置为通过考虑根据所述环境温度的充电电流和根据所述环境温度的充电电压中的至少一个来确定所述子电池的状况。
2.根据权利要求1所述的电池状况监测装置，其中，所述确定器通过使用确定表来确定所述子电池的状况，所述确定表相对于所述环境温度，定义所述子电池处于正常状态时的所述阻抗的范围和所述子电池处于老化状态时的所述阻抗的范围。
3.根据权利要求2所述的电池状况监测装置，还包括：
存储器，配置为存储所述确定表。
4.根据权利要求1所述的电池状况监测装置，其中，所述测量器测量电容器两端的电压，所述电容器并联连接到所述子电池以测量所述充电电压。
5.根据权利要求1所述的电池状况监测装置，其中，所述确定器计算并提供所述子电池的充电电流的值，作为表示所述子电池的老化程度的速率。
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