CN114325419A - Dc信号测量和电池形成/测试 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及DC信号测量和电池形成/测试。本公开涉及准确地确定DC能量信号，例如DC电流或DC电压，这在形成和/或测试期间控制电池单元的形成/测试电流时可特别有用。在电池形成/测试环境中，电流传感器用于测量电池单元的电流，这用作控制电流以实现目标电流的反馈信号。电流传感器的传递函数用于提高电流测量的精度。由于在形成/测试期间可以定期确定传递函数，因此可以使用温度系数相对较差的低成本电流传感器。电流传感器增益的任何变化都可以通过传递函数确定来检测并进行校正。因此，可以以较低的成本实现高电流控制精度。

Description

DC信号测量和电池形成/测试
技术领域
本公开涉及测量DC电流，并且在特定方面涉及在电池形成和/或测试期间控制电池电流。
背景技术
在电池例如锂离子(Li-Ion)电池的制造过程中进行电池形成。电池形成是对电池单元进行初始充电/放电操作的过程。在电池形成期间，特定的充电电流和/或电压被施加到电池单元一段时间，例如0.1C(其中C是电池容量)的充电电流可以被施加一段时间。然后可以控制电池以特定放电电流在进一步的时间段内放电以完成完整的充电和放电循环，这可能需要长达约20小时。电池单元也可以类似的方式进行测试，通过将特定的充电电流和/或电压施加到电池一段时间，然后将放电电流和/或电压控制为电池的特定放电曲线，以确定电池是否满足特定的充电和放电要求。
在电池单元的形成和/或测试期间测量和控制电流和电压以实现高精度水平可能是有益的。例如，可能需要将电流和电压保持在目标值的±0.05％以内。在许多电池单元将一起使用并因此应尽可能相似地操作的情况下尤其如此，例如在电动车辆中一起使用数十、数百或数千个电池单元。以高精度控制电流和/或电压通常需要非常精确地测量电池单元的电压和/或电流。然而，形成/测试中通常涉及的相对高的电流通常导致形成/测试期间的温度升高。因此，通常可以使用具有稳定温度系数(tempco)(例如15ppm/℃)的电流和/或电压传感器。
发明内容
本公开涉及准确地确定DC能量信号，例如DC电流或DC电压，这在形成和/或测试期间控制电池单元的形成/测试电流时可特别有用。在电池形成/测试环境中，电流传感器用于测量电池单元的电流，这用作控制电流以实现目标电流的反馈信号。电流传感器的传递函数用于提高电流测量的精度。由于在形成/测试期间可以定期确定传递函数，因此可以使用温度系数相对较差的低成本电流传感器。电流传感器增益的任何变化都可以通过传递函数确定来检测并进行校正。因此，可以以较低的成本实现高电流控制精度。
在本公开的第一方面，提供一种电池形成/测试控制器，用于控制电池单元的形成/测试电流并耦合到电流传感器，该电流传感器被布置为输出流过电池单元电流的测量值，所述电池形成/测试控制器被配置为：确定指示所述电池单元的形成/测试电流的电流反馈测量，其中所述电流反馈测量的确定基于所述电流传感器的传递函数和所述电池单元电流的测量；和基于目标形成/测试电流和确定的电流反馈测量来控制施加到电池单元的形成/测试电流。
电池形成/测试控制器还可被配置为确定所述电流传感器的传递函数。
所述电流传感器可包括模数转换器ADC，具有输入信号的非线性输入范围，其中模拟输入信号被非线性地转换为数字输出信号，所述电池形成/测试控制器还被配置为：将所述电池单元电流的测量值与所述非线性输入范围进行比较；和如果所述电池单元电流的测量值超出所述非线性输入范围：确定所述电流传感器的传递函数。
电池形成/测试控制器还可被配置为通过下列确定所述电流传感器的传递函数：向所述电流传感器施加参考输入信号，使得电流反馈测量包括形成/测试电流信号和对应于所述参考输入信号的参考输出信号；从电流反馈测量提取参考输出信号；和基于所述参考输入信号和所述参考输出信号确定传递函数。
所述电流传感器可包括模数转换器ADC，并且电池形成/测试控制器还可被配置为：将抖动施加于所述参考输入信号。将抖动施加于参考输入信号可以包括以下至少一项：在至少两个信号电平之间转换参考输入信号；调制参考输入信号的幅度。
电池形成/测试控制器还可被配置为：从内存中读取所述电流传感器的传递函数。
电池形成/测试控制器还可被配置为：确定所述电流传感器的进一步传递函数；基于所述进一步传递函数和由所述电流传感器对电池电流输出的进一步测量来确定进一步的电流反馈测量；和基于目标形成/测试电流和确定的进一步电流反馈测量来控制所述电池单元的形成/测试电流。
电池形成/测试控制器还可被配置为：将进一步传递函数存储在存储器中以用于确定未来的电流反馈测量。
电池形成/测试控制器还可被配置为通过以下方式控制电池单元的形成/测试电流：控制一个或多个晶体管的操作，该晶体管被配置为控制形成/测试电流的幅度。
形成/测试电流可以是施加到电池单元的充电电流或从电池单元输出的放电电流。
电池形成/测试控制器还可被配置为：确定指示所述电池单元两端的形成/测试电压的电压反馈测量，其中确定电压反馈测量基于耦合在所述电池单元两端的电压传感器的传递函数和来自电压传感器的电池单元两端电压的测量；和基于目标形成/测试电压和确定的电压反馈测量来控制所述电池单元两端的形成/测试电压。
在本公开的第二方面，提供电池形成/测试系统，包括：模数转换器ADC，用于耦合到电流传感器，该电流传感器被布置为生成指示流经电池单元的电流的模拟信号；和电池形成/测试控制器，耦合到ADC的数字输出并且被配置为：确定指示电池单元的形成/测试电流的电流反馈测量，其中电流反馈测量的确定基于电流传感器的传递函数和ADC的数字输出；和基于目标形成/测试电流和确定的电流反馈测量来控制电池单元的形成/测试电流。电流传感器可以包括分流电阻器。
在本公开的第三方面，提供一种用于控制电池单元的形成/测试电流的方法，该方法包括：确定指示施加到电池单元的形成/测试电流的电流反馈测量，其中电流反馈测量的确定基于电流传感器的传递函数，该电流传感器被布置为输出流过电池单元的电流的测量值和流过电池单元的电流的测量值；并且基于目标形成/测试电流和确定的电流反馈测量来控制电池单元的形成/测试电流。
该方法还可以包括确定电流传感器的传递函数。
电流传感器可以包括模数转换器ADC，具有输入信号的非线性输入范围，其中模拟输入信号被非线性地转换为数字输出信号，并且该方法可以进一步包括：将流过电池单元的电流测量值与非线性输入范围进行比较；如果通过电池单元的电流测量值超出非线性输入范围：确定电流传感器的传递函数。
该方法还可被配置为通过下列确定所述电流传感器的传递函数：向电流传感器施加参考输入信号，使得流经电池单元的电流的测量包括形成/测试电流信号和对应于参考输入信号的参考输出信号；从流过单元电池的电流的测量中提取参考输出信号；和基于参考输入信号和参考输出信号确定传递函数。
电流传感器可以包括模数转换器ADC，该方法还可以包括：向参考输入信号施加抖动。
在本公开的第四方面，提供一种电池形成/测试控制器，用于控制电池单元的形成/测试电压并用于耦合到电压传感器，该电压传感器被布置为输出电池单元两端的电压的测量值，所述电池形成/测试控制器被配置为：确定指示电池单元的形成/测试电压的电压反馈测量，其中电压反馈测量的确定基于电压传感器的传递函数和跨电池单元的电压的测量；并且基于目标形成/测试电压和确定的电压反馈测量来控制电池单元的形成/测试电压。
电池形成/测试控制器还可被配置为确定电压传感器的传递函数。
电压传感器可以包括模数转换器ADC，具有输入信号的非线性输入范围，其中模拟输入信号被非线性地转换为数字输出信号，电池形成/测试控制器还被配置为：将电池单元两端的电压测量值与非线性输入范围进行比较；如果跨电池单元的电压测量值超出非线性输入范围：确定电压传感器的传递函数。
电池形成/测试控制器还可被配置为通过以下方式确定电压传感器的传递函数：向电压传感器施加参考输入信号，使得电池单元两端的电压测量包括形成/测试电压信号和对应于参考输入信号的参考输出信号；从电池单元两端的电压测量中提取参考输出信号；和基于参考输入信号和参考输出信号确定传递函数。
电压传感器可以包括模数转换器ADC，其中电池形成/测试控制器还被配置为向参考输入信号施加抖动。将抖动施加于参考输入信号可以包括在至少两个信号电平之间变换参考输入信号和/或调制参考输入信号的幅度。
电池形成/测试控制器还可被配置为：从内存中读取电压传感器的传递函数。
电池形成/测试控制器还可被配置为：确定电压传感器的进一步传递函数；基于进一步的传递函数和电压传感器对电池单元两端的电压的进一步测量，确定进一步的电压反馈测量值；并且基于目标形成/测试电压和确定的进一步电压反馈测量来控制电池单元的形成/测试电压。
电池形成/测试控制器还可被配置为：将电压传感器的进一步传递函数存储在存储器中以用于确定未来的电压反馈测量。
电池形成/测试控制器还可被配置为通过控制被配置为控制电池单元的形成/测试电压的幅度的一个或多个晶体管的操作来控制电池单元的形成/测试电压。
在本公开的第五方面，提供一种电池形成/测试系统，包括：电压传感器，包括模数转换器ADC，用于耦合到电池单元以测量跨电池单元的电压；以及电池形成/测试控制器，耦合到ADC的数字输出并被配置为：确定指示电池单元的形成/测试电压的电压反馈测量，其中电压反馈测量的确定基于电压传感器的传递函数和ADC的数字输出；并且基于目标形成/测试电压和确定的电压反馈测量来控制电池单元的形成/测试电压。
在本公开的第六方面，提供一种用于控制电池单元的形成/测试电压的方法，该方法包括：确定指示电池单元的形成/测试电压的电压反馈测量值，其中确定电压反馈测量基于电压传感器的传递函数，该电压传感器被布置为输出电池单元两端的电压的测量值和电池单元两端的电压的测量值；并且基于目标形成/测试电压和确定的电压反馈测量来控制电池单元的形成/测试电压。
该方法还可以包括确定电压传感器的传递函数。
电压传感器可以包括模数转换器ADC，具有输入信号的非线性输入范围，其中模拟输入信号被非线性地转换为数字输出信号，并且该方法可以进一步包括：比较电池单元两端的电压相对于非线性输入范围；如果电池单元两端的电压测量值超出非线性输入范围：确定电压传感器的传递函数。
该方法还可被配置为通过以下方式确定电压传感器的传递函数：向电压传感器施加参考输入信号，使得电池单元两端的电压测量包括形成/测试电压信号和对应于参考输入信号的参考输出信号；从电池单元两端的电压测量中提取参考输出信号；并基于参考输入信号和参考输出信号确定传递函数。
电压传感器可以包括模数转换器ADC，其中该方法还可以包括：向参考输入信号施加抖动。
在本公开的第六方面，提供一种用于测量电路中DC能量信号的系统，该系统包括：传感器，包括模数转换器ADC，被配置为接收模拟电压，该模拟电压至少依赖于DC能量信号并输出对应于模拟电压的数字值；用于耦合到传感器输入端的信号发生器，其中信号发生器被配置为产生带有抖动的振荡参考输入信号；和耦合到ADC和信号发生器的控制器，其中控制器被配置为：确定传感器的传递函数；并且基于确定的传递函数和ADC的输出确定DC能量信号的度量，其中控制器被配置为通过以下方式确定传感器的传递函数：控制信号发生器将参考输入信号施加到传感器的输入端，使得ADC输出的数字值包括取决于DC能量信号的DC信号和取决于振荡参考输入信号的振荡参考输出信号；从ADC的数字输出中提取振荡参考输出信号；和基于振荡参考输入信号和振荡参考输出信号确定传递函数。
ADC可以用于耦合到电路中的组件，使得ADC接收的模拟电压是组件两端的电压，并且其中ADC和组件一起形成传感器。
振荡参考信号的抖动可以包括转置振荡参考输入信号，使得振荡参考输入信号在第一时间段具有第一信号电平的平均值，并且段振荡参考输入信号在第二时间段具有第二信号电平的平均值。
振荡参考输入信号可以具有恒定的峰值-峰值幅度。
振荡参考输入信号的抖动可以包括调制振荡参考输入信号的幅度。
振荡参考输入信号可以在一段时间内施加到传感器的输入，并且控制器被配置为通过以下方式确定传感器的传递函数：将一段时间内振荡参考输入信号的平均值与一段时间内振荡参考输出信号的平均值进行比较。
DC能量信号可以是DC电流或DC电压。
在本公开的第七方面，提供一种用于测量电路中DC能量信号的系统，该系统包括：传感器，包括模数转换器ADC，被配置为接收至少依赖于直流能量信号的模拟电压并输出对应于模拟电压的数字值；耦合到ADC数字输出的控制器，其中控制器被配置为：确定ADC的数字输出是否指示ADC工作在其非线性范围内；并且如果ADC被确定在其非线性范围之外运行，则确定传感器的传递函数并且基于所确定的传递函数和ADC的数字输出来确定DC能量信号的测量。
控制器可以被配置为，如果ADC被确定在其非线性区域中操作，则基于ADC的数字输出和传感器的传递函数的存储值来确定DC能量信号的测量值。
该系统还可以包括：信号发生器，用于耦合到传感器的输入并被配置为生成振荡参考输入信号，其中控制器被配置为通过以下方式确定传感器的传递函数：将振荡参考输入信号施加到传感器的输入端；从ADC的数字输出中提取合成的振荡参考输出信号；和基于振荡参考输入信号和振荡参考输出信号确定传递函数。
ADC可以用于耦合到电路中的组件，使得ADC接收的模拟电压是跨组件的电压，ADC和组件一起形成传感器并且组件在传感器的输入处。
附图说明
仅通过示例的方式，参考以下附图描述了本公开的方面，其中：
图1显示了可在电池形成和/或测试期间使用的示例电池单元充电曲线；
图2示出了根据本公开内容的一个方面的示例电池化成/测试系统；
图3示出了由图2的电池化成/测试系统的电池形成/测试控制器执行的示例过程的表示；
图4示出了由图2的电池化成/测试系统的电池形成/测试控制器执行的进一步示例过程的表示；
图5示出了在传递函数确定期间可用于施加到图2的电流传感器的参考输入信号的不同类型抖动的示例表示。
具体实施方式
本公开的电池形成/测试控制器被配置为确定用于在化成/测试期间测量电池单元的电流传感器的传递函数。可以周期性地或间歇地确定传递函数，从而可以检测到电流传感器中的任何变化并且可以校正电流传感器的输出以补偿电流传感器中的任何变化，从而保持电流的准确测量。发明人已经认识到，通过以这种方式实施电池形成/测试控制器，不再需要高质量、稳定的电流传感器。例如，可以适应更容易随着温度变化而变化的电流传感器，因为可以检测和补偿电流传感器的任何变化。结果，仍然可以用相对低成本的电流传感器实现电流的高精度测量，这意味着在形成/测试期间以相对低成本实现高精度电流控制是可能的。此外，电流传感器变化的任何其他原因，例如传感器漂移，也可以通过传递函数确定来校正，并且系统的重新校准也可以通过传递函数确定更直接地实现。
更一般地，当在该过程中使用模数转换器(ADC)时，准确确定用于测量DC能量信号(例如DC电流或电压)的传感器的传递函数可能具有挑战性。特别是，许多ADC包括一个非线性区域，其中输入信号不会线性转换为数字值，这可能会导致传递函数不准确，该传递函数通过将振荡参考应用于传感器的输入并观察ADC数字输出端的合成振荡信号来确定。这个问题可能不仅存在于用于电池化成/测试目的的直流能量传感器中，而且在基于传感器的测量输出和传感器的传递函数测量任何直流能量信号时更广泛。本公开包括用于解决这个问题的各种技术和系统，以保持DC能量信号测量的高精度，例如通过对输入参考信号应用抖动，或通过仅在ADC在其非线性区域之外工作时确定传感器的传递函数，并在ADC在其非线性区域内工作时使用先前确定的传递函数值。
图1显示了可在电池形成和/或测试期间使用的示例电池单元充电曲线。应当理解，在电池形成和/或测试期间也可以使用类似的电池单元电流放电曲线。时间、电流和电压的值仅仅是非限制性示例，并且例如取决于电池单元的性质，充电/放电可能需要任何合适的时间、电流和电压关系。为了控制充电期间施加的电流(或控制放电的电流)，可以使用电流传感器测量电池电流。电流传感器可以测量在充电期间施加到电池单元的电流作为正电流和在放电期间从电池单元输出的电流作为负电流(或反之亦然)。电流传感器可以包括电流换能器，例如分流电阻器、放大换能器信号的放大器和测量放大信号并输出电池电流的数字测量值的模数转换器(ADC)。正如背景中所解释的，在形成/测试过程中的高电流可能会导致显着的温度升高，随着时间的推移，这对于保持高测量精度和可重复性可能是有问题的。ADC可以是具有高精度参考信号的高精度设计，例如具有大约3ppm/℃的温度系数。还可以选择分流电阻器以具有相对稳定的温度系数，例如15ppm/℃。然而，这种类型的分流电阻往往比温度系数不太稳定的分流电阻贵得多，例如，温度系数约为15ppm/℃的分流电阻器可能比温度系数约为75ppm/℃的分流电阻器贵一个数量级。
图2示出了根据本公开的一个方面的示例电池形成/测试系统200。系统200包括电池形成/测试控制器210、参考信号发生器220、放大器230(例如PGA或任何其他合适类型的放大器)、模数转换器(ADC)235(例如SARADC、或SigmaDeltaADC、或流水线ADC、或任何其他合适类型的ADC)和存储器240(例如易失性存储器，例如RAM，或非易失性存储器，例如闪存，或任何其他合适的内存类型)。系统200适用于耦合到电池充电/放电电路。图2中表示的示例电池充电/放电电路包括一个或多个电池单元250、电流传感器260(在该示例中为分流电阻器，但可以替代地为电流互感器或任何其他合适类型的电流传感器)、FET驱动器270、FETS275和电流/电压源280(在该示例中是电容器和DC电源+V，但可以替代地是任何合适类型的电流/电压源)。应当理解，图2示出了可用于在形成/测试期间控制电池单元电流和/或电压的电路的一个非限制性示例。本领域技术人员将理解，存在可以使用的各种其他电路配置，使得系统200可以控制电路的至少一部分以控制电池形成/测试电流和/或电压。电流传感器260、放大器230和ADC 235一起构成电流传感器，该电流传感器向形成/测试控制器210输出指示流过电池单元250的电流的数字信号(即，电池单元电流的测量)。
化成/测试控制器210适于耦合到FET驱动器270以控制FET 275的操作，并因此控制在充电期间施加到电池单元250的电流和/或电压和/或控制电流和/或电池单元250在放电期间放电的电压。例如，两个FET 275的占空比可以确定两个FET 275的开关节点处的平均电压。控制器210可以控制FET 275在充电期间将该平均电压设置为高于电池单元电压，以便将期望的充电形成/测试电流驱动到电池单元250中。或者，它可以控制FET 275来设置该平均电压低于放电期间的电池单元电压，以控制来自电池单元250的期望放电电池单元电流。图2的电路还包括电感器以减慢电流变化率，尽管这是可选的。放大器230适于经由电连接232耦合到电流传感器260，以便在放大器230处接收指示流过电池单元250的电流的模拟电压信号。该测量值由控制器210使用在控制电池单元250的形成/测试电流以实现目标充电或放电电流的过程中，例如在图1中表示的。在该示例实施方式中，放大器230还适用于通过电连接234耦合到电池单元250，以便在放大器230处接收电池单元250两端电压的模拟信号，从而放大器230和ADC 235也可以用于测量电池单元250的电压(例如，通过在电流信号和电压信号转换之间多路复用ADC 235)。然而，在替代实施方式中，电池单元电压可能不被测量，或者可能被不同的系统或系统250中的专用电压传感器组件测量。
系统200被配置为使得电池形成/测试控制器210可以确定所述电流传感器的传递函数(其可以包括包含电流传感器260、放大器230和ADC 235的整个电流测量信号链)。发明人已经认识到，通过以这种方式配置系统200，可以在形成/测试过程期间检测和校正电流传感器的传递函数的任何变化(例如，由于充电电流引起的温度变化)。因此，可以使用温度系数比先前系统更差的电流传感器260，从而节省成本。例如，以前可能需要温度系数约为15ppm/℃的分流电阻器，单位成本约为10USD。然而，通过配置系统以确定和跟踪电流传感器的传递函数，可以使用温度系数约为75ppm/℃(作为非限制性示例)的分流电阻器，单位成本约为1USD。在多个电池单元(例如10s、100s或1000s)并行进行化成/测试的情况下，每个电池单元可能需要其自己的具有自己的分流电阻器的充电/放电电路。因此，分流电阻器的成本节省很快就可以显着节省总体成本。同样，如果电流传感器260改为电流互感器，则可以使用温度系数比以前可能的差的电流互感器。
进一步的好处还包括能够连续或间歇地更新确定的传递函数，而无需耗时、复杂的系统重新校准，从而可以轻松校正任何长期的传感器漂移。此外，有可能延长重新校准之间的时间段，因为可以检测是否需要重新校准，而不是简单地遵循设置的重新校准时间表。此外，可以通过确定传递函数来检测当前测量信号链的任何部分的任何变化并因此对其进行补偿。结果，可以进一步提高电池单元250的形成/测试电流的控制精度。
图3示出了根据本公开的一方面由电池形成/测试控制器210执行的示例过程的表示。在步骤S310中，确定电流传感器的传递函数。可以以任何合适的方式确定电流传感器的传递函数。在图2中表示的特定示例系统200配置中，参考信号发生器220适合于经由电连接222耦合到电流传感器260，使得它可以将参考输入信号M1施加/注入到电流传感器的输入。参考输入信号M1可为任何合适的时变信号，例如方波信号、梯形信号、正弦信号等。因此，流经电池单元250的电流的测量将包括两个主要分量：主要是电池单元电流信号X(地层/测试电流信号，例如可以是直流或低频电流信号)；以及对应于参考输入信号M1并且具有与信号X不同的频率特性的参考输出信号M2(例如，它可能是电池电流测量中的较高频率分量，由注入的参考输入信号M1引起)。参考信号发生器220可以将参考输入信号施加到电流传感器一段时间，在此期间电池形成/测试控制器210可以对电池单元电流的测量进行采样和平均。电池形成/测试控制器210然后可以从电池单元电流的平均测量中提取参考输出信号M2(例如，使用时域算法，如分段累加，或频域算法，如FFT/Goertzel分析)并且通过比较M1与M2来确定传递函数。例如，可以通过比较M1和M2的幅度来确定传递函数。
在专利申请WO2013/038176A2中给出了如何通过将参考输入信号施加到电流传感器来确定电流传感器的传递函数的进一步细节，该专利申请通过引用整体并入本文。例如，第49页的第14行到第51页的第5行描述了一个示例过程，通过该过程可以使用已知的参考输入信号来确定电流传感器的传递函数。
可选地，该过程可以进行到步骤S315，其中将确定的传递函数存储在存储器240中以备后用。
在步骤S320中，由电池形成/测试控制器210确定电流反馈测量值。电流反馈测量值表示电池芯的形成/测试电流(即，在充电期间施加到电池单元250的电流，或在放电期间从电池单元250输出的电流)。电流反馈测量值的确定基于电流传感器的传递函数和电池单元电流的测量值(即电流传感器输出的信号)。如果参考信号发生器220仍在操作以将参考输入信号施加到电流传感器，则电池单元电流的测量可以包括两个主要分量，M2和X(如上所述)。地层/测试电流信号(分量X)可以通过任何合适的方式被隔离或提取，例如通过过滤或通过FFT去除参考输出信号(分量M2)等。或者，一旦步骤S310完成，控制器210可以关闭参考信号发生器，或者将其与电流传感器断开，在这种情况下，电池单元电流的测量可以仅包括形成/测试电流。然后可以使用先前确定的电流传感器的传递函数来适当地修改地层/测试电流信号(分量X)，以便达到更准确的电流反馈测量，该测量考虑了电流传感器传递函数的任何变化或漂移。
举例来说，在系统200和电路的初始校准时，电流传感器的传递函数可被确定为TF0。该值可以存储在存储器240中。在形成/测试期间，传递函数可以被确定为TF1。TF1/TF0的比率可以表示与初始校准相比电流传感器增益的任何变化。然后可以在地层/测试电流信号(分量X)中校正增益的任何变化，使得已针对增益变化校正确定的电流反馈测量。
在步骤S330中，化成/测试控制器210使用确定的电流反馈测量和目标化成/测试电流来控制电池单元250的化成/测试电流。例如，可能需要特定的目标化成/测试电流，例如图1中表示的，并且可以存储在存储器240中。可以将电流反馈测量与目标进行比较，并且控制器210可以调整其对FET 275的控制时序，以便根据需要增加或减少电池单元电流。
在电池形成/测试期间，步骤S320和S330可以间歇地或周期性地重复。在这种情况下，如果在步骤S310中确定的传递函数在步骤S315中存储在存储器240中，则在步骤S320中可以从存储器240中获得最近确定的传递函数并用于确定当前反馈测量。步骤S320和S330可以使用ADC 235的输出的单个样本并且使用该单个样本确定当前反馈测量，或者可以随时间平均多个样本并且从平均值确定当前反馈测量。该过程可以通过返回到步骤S310来周期性地或间歇地确定进一步的或更新的传递函数。例如，每分钟，或每两分钟，或每五分钟等，过程可以返回到步骤S310以确定更新的传递函数，然后将其存储在步骤S315中。然后可以在传递函数更新之间循环重复步骤S320和S330。或者，在完成S330时，过程可以一直返回到S310，从而不断更新传递函数。
可选地，在步骤S320和S330期间，控制器210可以关闭或断开参考信号发生器220，从而不再向电流传感器施加参考输入信号。或者，参考信号发生器220可以始终施加参考输入信号和从流过电池单元的电流的测量中提取的形成/测试电流信号(分量X)，例如通过滤波或FFT等。
根据图3的过程，可以定期或连续地检测和补偿电流传感器的任何变化。以此方式，可以以相对较差的温度系数使用成本较低的电流传感器260，同时仍保持高水平的电流控制精度。此外，还可以检测和补偿对电流传感器中的增益变化的其他贡献者，从而甚至进一步提高电流控制的准确度。此外，可以通过使用确定电流传感器的初始传递函数TF0并将其存储在存储器240中的过程来简化系统200和电路的初始校准。此外，通过在任何合适的时间重新计算TF0并更新存储在存储器240中的TF0值，可以在系统200和电路的整个生命周期内实现更直接的重新校准。
图4示出了根据本公开的一个方面的用于提高诸如电流或电压之类的DC能量信号的测量精度的示例过程的表示。在一个特定方面，它可以被实现为由电池形成/测试控制器210执行的进一步过程。许多类型的ADC235可以具有输入信号的非线性输入范围，其中模拟输入信号被非线性地转换为数字输出信号。例如，ADC可以具有特定范围的输入信号，其中输入模拟信号的线性变化不会导致输出数字信号的线性变化。这可能会导致电流传感器传递函数的确定存在一些不准确。
例如，参考输入信号可以是在两个电平、电平1和电平2之间变化的方波信号。ADC235将在ADC 235输入端的电压中由电平1(我们称此信号为电平1')产生的信号转换为data1＝level1'+error1，其中error1是ADC转换误差。ADC 235将在ADC 235输入端的电压中由level2(我们称此信号为level2’)产生的信号转换为data2＝level2’+error2，其中error2是ADC转换误差。为了确定所述电流传感器的传递函数，控制器210可以将参考输入信号的幅度(即，level2-level1)与流过分流器260的电流(即，流过电池单元250的电流)的M2分量的幅度进行比较。换句话说data2–data1＝(level2’–level1’)+(error2–error1)。
如果ADC 235在其线性区域中操作，则error2和error1应该是相似的，例如都是正的或者都是负的。这应该会导致data2-data1的整体误差相对较小，这样data2-data1是level2'-level1'的相对准确表示。例如，如果error1＝+0.3LSB且error2＝0.2LSB，则data2–data1中的总体误差可能为0.1LSB。然而，如果ADC 235在其非线性区域中操作，则error2和error1可能完全不同，例如一个为正而另一个为负。这可能会导致data2-data1的整体误差相对较大，使得data2-data1是level2'-level1'的不太准确的表示。例如，如果error1＝+0.3LSB且error2＝-0.2LSB，则data2–data1中的总体误差可能为0.5LSB。
返回图4，在步骤S410中，控制器210可以将由ADC 230的数字输出指示的模拟电压与ADC 210的非线性输入范围进行比较(例如前面提到的“电芯电流的测量”，可能只是化成/测试电流信号(分量X)，也可能是整个信号X+M2)。该比较可以基于平均值，例如RMS，数字输出，或任何其他合适的特性。不同类型ADC的非线性输入范围可以是已知的，例如从测试或数据表，并在系统200的制造或校准期间存储在存储器240中。如果ADC的输入超出非线性输入范围(即，ADC 235在其线性区域中操作)，过程可以进行到步骤S310，其中如上所述确定电流传感器的传递函数。如果ADC的输入在非线性输入范围内(例如，前面描述的电池单元电流的测量)，则过程可以进行到步骤S320。在这种情况下，使用存储在存储器240中的先前确定的传递函数值来确定DC电流的测量值(例如，前面描述的电流反馈测量)。例如，每次在步骤S310中确定传递函数时，它可以作为最近确定的传递函数存储在内存中(步骤S315)，然后可以在步骤S320中使用存储的最近确定的传递函数来确定当前反馈测量。以此方式，仅当ADC 235在其线性区域中操作时才可确定传递函数，从而提高所确定的传递函数的准确性。
一旦步骤S330完成，过程可以返回到步骤S320，和/或可以在需要更新传递函数时周期性地或间歇地返回到步骤S410。以此方式，可以准确地确定传递函数并且可以准确地控制在整个形成/测试过程中施加到电池单元250的电流。
在本公开的进一步示例实施方式中，可以将抖动应用于参考输入信号以改进ADC235的输出中量化噪声的随机化并且因此改进传递函数确定的准确度。这在电池形成/测试的上下文中特别被描述，但同样可以作为测量DC能量信号(例如DC电流或电压)的过程的一部分用于任何目的。在电池形成/测试过程中，电芯250的化成/测试电流可能主要为直流信号或低频信号，有时带有很小的纹波(例如，约2mVpp的正弦波)。信号的主要DC性质可能导致ADC 235的输出中的量化噪声缺乏随机化并且过于确定。当在确定传递函数和/或电流反馈测量的过程中对ADC 235的输出的多个样本进行平均时，量化噪声的随机化可能有利于噪声降低/消除。
为了改善量化噪声的随机化，参考信号发生器220可以对参考输入信号应用抖动。可以应用各种不同类型的抖动。
图5显示了可以应用于参考输入信号的两种不同类型的抖动的示例表示。可以使用这些不同类型中的一种或两种。在该示例中，参考输入信号是方波信号，但是相同的原理也可以应用于任何其他合适类型的参考输入信号。
附图标记510涉及转置参考输入信号的抖动。在该示例中，参考输入信号在三个信号电平之间转换，但是可以使用任意数量的信号电平(两个或更多)。术语“转置”描述了参考输入信号(图5中的“ms1”)的峰值-峰值幅度保持不变，但信号电平的平均值在三个信号电平之间(图5中的“ped1”、“ped2”、“ped3”)。在该特定示例中，对于第一秒，参考输入信号具有第一平均信号电平，然后在下一秒将其增加到第二平均信号电平，然后在下一秒将其增加到第三平均信号电平。在这个例子中，因为输入参考信号的峰值-峰值幅度没有改变，所以不需要对传递函数确定过程进行修改，因为这考虑了参考输入的峰值-峰值幅度之间的差异信号和参考输出信号。
附图标记520涉及其中参考输入信号被调制的抖动。特别地，与参考数字510中表示的信号相比，参考输入信号的峰值-峰值幅度被改变(在该示例中，它被减小到“ms2”，但它也可以被增加)。在这个特定的例子中，信号520然后也在三个不同的信号电平之间转换，如上所述。在抖动涉及参考输入信号的峰值-峰值幅度的变化的情况下，由控制器210执行的传递函数确定可能需要修改。在图5所示的示例中，六个不同的参考输入信号中的每一个都被施加一秒钟。ADC 235的输出可以在整个六秒周期内被采样和平均，并且平均参考输出信号M2被提取。可将平均参考输出信号M2的幅度与六秒时段期间的参考输入信号的幅度的平均值进行比较(在本例中，它将是前三秒期间参考输入信号幅度和后三秒期间参考输入信号幅度之间的一半)。这仅仅是一个非限制性示例，并且可以应用对参考输入信号的幅度的任意数量的改变，每个变化可以持续任何合适的时间量(所有相同的时间量，或不同的时间量)，并且参考输入信号可以施加任何合适的时间量(不仅仅是总共六秒)。
应当理解，应用于参考输入信号的抖动可以包括将参考输入信号在两个或更多个不同信号电平之间转置和/或在两个或更多个不同幅度之间调制参考输入信号的幅度。附加地或替代地，可以将任何其他合适类型的抖动应用于参考输入信号。控制器210可以被配置为在传递函数确定期间控制参考信号发生器220的操作，例如设置所使用的抖动类型，使得在传递函数确定过程中可以正确地考虑参考输入信号幅度的任何变化。
本领域技术人员将容易理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开的上述方面进行各种改变或修改。
控制器210的功能可以通过软件、硬件或软件和硬件的组合来实现。例如，其功能可以通过包括计算机可读代码的软件来实现，当在任何电子设备的处理器上执行时，执行上述功能。软件可以存储在任何合适的计算机可读介质上，例如非暂时性计算机可读介质，例如只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、蓝光、磁带、硬盘驱动器、固态驱动器和光驱。因此，系统200可以包括任何合适的硬件，例如一个或多个处理器，或微控制器，或任何其他合适形式的逻辑，其被配置为执行上述功能，或执行配置为执行上述功能的软件。
系统200中表示的组件都可以在单个设备或IC内实现。或者，所表示的组件中的一个或多个可以形成适合耦合到主设备或IC的单独设备或IC的一部分。系统200可以可选地包括与电池形成/测试功能相关或不相关的任何数量的附加组件或设备。此外，图2的系统200内的不同逻辑实体被表示为相互连接的独立实体。应当理解，图2的特定表示仅用于理解系统200的操作的益处，并且所表示的实体中的任何一个或多个可以组合成单个实体，或细分为两个或多个子实体。
系统200可以可选地不包括放大器230，例如在接收的模拟信号不需要放大的情况下。附加地或替代地，可以省略ADC 235，例如在控制器210被配置为在模拟域中操作的情况下。
可选地，上述过程还可以应用于控制电池单元250两端的形成/测试电压和/或可以应用于在放电期间控制电池单元250两端的电压。特别地，布置成测量跨电池电压的电压传感器的传递函数可以以任何合适的方式来确定(例如，放大器230和ADC 235，通过电连接234耦合到电池单元250)，诸如通过将参考输入信号注入电压传感器而类似于上述参考信号实现的方式。WO2014/072733中公开了用于确定电压传感器的传递函数的一些示例过程，特别是关于图4A-4F、5A-5C、6A和6B，其全部内容通过引用并入本文。然后可以基于所确定的电压传感器的传递函数和从电压传感器输出的跨电池单元250的电压的测量值来确定电压反馈测量值。可选地，电压传感器还可以包括跨电池单元250耦合的分压器，以便对ADC235测量的电压进行分压，其中ADC 235使用电连接234与分压器的电阻器之一并联耦合。在这种情况下，可以在分压器的一侧注入参考输入信号，如参考WO2014/072733的图4A-4F更详细地描述的那样。控制器210然后可以基于电压反馈测量和目标形成/测试电压来控制FET 275或任何其他合适的部件的操作，以便实现期望的形成/测试电压。可选地，可以在放电循环期间使用类似的过程额外地或替代地更准确地监测/设置电池单元250两端的电压。此外，任何较早描述的可选过程，例如在ADC的模拟输入超出非线性输入范围时确定传递函数，或对参考输入信号应用抖动，都可以可用于确定电压传感器传递函数。
控制器210可以被配置为以这种方式仅控制/测量电池单元250两端的电压，或者以这种方式仅控制/测量流过电池单元250的电流，或者可以被配置为以这种方式控制/测量流过电池单元250的电流和电池单元250两端的电压(例如，通过将参考输入信号施加到电流传感器的至少一部分来确定电流传感器的传递函数，并且通过向电压传感器的至少一部分施加相同或不同的参考输入信号来确定电压传感器的传递函数)。
如之前多次指出的，上述系统200和过程的许多方面通常适用于DC能量信号的测量，例如DC电压或DC电流，不仅在电池形成/测试的背景下。特别地，当出于任何目的使用ADC测量DC能量信号时，上文参考图4和图5描述的用于解决与ADC非线性相关的问题的技术可能是有益的。更详细地说，如前所述，ADC可用于转换依赖于DC能量信号的电压信号(例如，ADC输入耦合到电流互感器两端的分流器或电阻器以进行直流电流测量，或耦合到分压器以进行直流电压测量，或正在测量电压的电池等)，然后基于数字输出和传感器的传递函数测量直流能量信号(由ADC和可选的一个或多个其他组件组成，例如分流器或分压器和/或放大器等)。ADC的非线性可能会导致确定的传递函数不准确，系统可以使用前面参考图4和图5描述的技术来解决该问题。这样公开一种用于测量电路中DC能量信号的系统，这与系统220非常相似，但是其中电池形成/测试控制器210可以简单地被认为是控制器，该控制器通过控制参考信号发生器220将振荡参考输入信号施加到传感器的输入端(例如，施加到形成传感器输入的分流器或分压器)来确定传感器的传递函数，从而确定DC能量信号的测量值，并使用确定的传递函数和ADC 230的数字输出测量DC能量信号，但不一定输出系统200外部的任何形式的控制信号，例如输出到图2中所示的FET驱动器270的控制信号。此外，DC能量测量系统可以适合耦合到要确定直流能量信号的任何类型的电路，而不仅仅是连接到电池化成/测试电路。
结果，可以在传感器内使用低成本的部件，例如低成本的分流器，同时凭借准确的传递函数确定仍然可以随着时间的推移准确地测量DC能量信号。
虽然上文描述了涉及施加参考输入信号的特定传递函数确定技术，但是应当理解，系统200可以替代地以任何其他合适的方式确定电流传感器和/或电压传感器的传递函数。

Claims (20)

1.一种电池形成/测试控制器，用于控制电池单元的形成/测试电流并耦合到电流传感器，该电流传感器被布置为输出电池单元电流的测量值，所述电池形成/测试控制器被配置为：
确定指示所述电池单元的形成/测试电流的电流反馈测量，其中所述电流反馈测量的确定基于所述电流传感器的传递函数和所述电池单元电流的测量；和
基于目标形成/测试电流和确定的电流反馈测量来控制所述电池单元的形成/测试电流。
2.权利要求1所述的电池形成/测试控制器，还被配置为：
确定所述电流传感器的传递函数。
3.权利要求1所述的电池形成/测试控制器，其中所述电流传感器包括模数转换器ADC，具有输入信号的非线性输入范围，其中模拟输入信号被非线性地转换为数字输出信号，所述电池形成/测试控制器还被配置为：
将所述电池单元电流的测量值与所述非线性输入范围进行比较；和
如果所述电池单元电流的测量值超出所述非线性输入范围：
确定所述电流传感器的传递函数。
4.权利要求2所述的电池形成/测试控制器，还被配置为通过下列确定所述电流传感器的传递函数：
向所述电流传感器施加参考输入信号，使得所述电池单元电流的测量包括形成/测试电流信号和对应于所述参考输入信号的参考输出信号；
从所述电池单元电流的测量中提取参考输出信号；和
基于所述参考输入信号和所述参考输出信号确定传递函数。
5.权利要求4所述的电池形成/测试控制器，其中所述电流传感器包括模数转换器ADC，并且其中所述电池形成/测试控制器还被配置为：
将抖动施加于所述参考输入信号。
6.权利要求5所述的电池形成/测试控制器，其中将抖动施加于参考输入信号包括：
在至少两个信号电平之间转换所述参考输入信号。
7.权利要求5所述的电池形成/测试控制器，其中将抖动施加于参考输入信号包括：
调制所述参考输入信号的幅度。
8.权利要求1所述的电池形成/测试控制器，还被配置为：
从内存中读取所述电流传感器的传递函数。
9.权利要求8所述的电池形成/测试控制器，还被配置为：
确定所述电流传感器的进一步传递函数；
基于所述进一步传递函数和由所述电流传感器对电池单元电流输出的进一步测量来确定进一步的电流反馈测量；和
基于目标形成/测试电流和确定的进一步电流反馈测量来控制所述电池单元的形成/测试电流。
10.权利要求9所述的电池形成/测试控制器，还被配置为：
将进一步传递函数存储在所述存储器中以用于确定未来的电流反馈测量。
11.权利要求1所述的电池形成/测试控制器，还被配置为通过以下方式控制所述电池单元的形成/测试电流：
控制被配置为控制所述形成/测试电流的幅度的一个或多个晶体管的操作。
12.权利要求1所述的电池形成/测试控制器，其中所述形成/测试电流是施加到所述电池单元的充电电流或从所述电池单元输出的放电电流。
13.权利要求1所述的电池形成/测试控制器，还被配置为：
确定指示所述电池单元两端的形成/测试电压的电压反馈测量，其中确定电压反馈测量基于耦合在所述电池单元两端的电压传感器的传递函数和来自电压传感器的电池单元两端电压的测量；和
基于目标形成/测试电压和确定的电压反馈测量来控制所述电池单元两端的形成/测试电压。
14.一种用于测量电路中DC能量信号的系统，该系统包括：
传感器，包括模数转换器ADC，被配置为接收至少取决于DC能量信号的模拟电压并输出对应于所述模拟电压的数字值；
信号发生器，被配置为耦合到传感器的输入端，其中所述信号发生器被配置为产生带有抖动的振荡参考输入信号；和
耦合到ADC和所述信号发生器的控制器，其中该控制器被配置为：
确定所述传感器的传递函数；和
基于确定的传递函数和ADC的输出确定DC能量信号的度量，
其中所述控制器被配置为通过以下方式确定所述传感器的传递函数：
控制所述信号发生器以将参考输入信号施加到传感器的输入端，使得由ADC输出的数字值包括依赖于DC能量信号的DC信号和依赖于所述振荡参考输入信号的振荡参考输出信号；
从ADC的数字输出中提取所述振荡参考输出信号；和
基于所述振荡参考输入信号和所述振荡参考输出信号确定传递函数。
15.权利要求14所述的系统，其中ADC用于耦合到电路中的元件，使得ADC接收到的模拟电压是元件两端的电压，并且其中ADC和所述元件一起构成所述传感器。
16.权利要求14所述的系统，其中所述振荡参考信号的抖动包括移调振荡参考输入信号，使得所述振荡参考输入信号在第一时间段具有第一信号电平的平均值，并且所述振荡参考输入信号在第二时间段具有第二信号电平的平均值。
17.权利要求16所述的系统，其中所述振荡参考输入信号具有恒定的峰值-峰值幅度。
18.权利要求14所述的系统，其中所述振荡参考输入信号的抖动包括调制所述振荡参考输入信号的幅度。
19.权利要求18所述的系统，其中所述振荡参考输入信号被施加到所述传感器的输入端一段时间，并且所述控制器被配置为通过以下方式确定所述传感器的传递函数：
将该段时间内的振荡参考输入信号的平均值与该段时间内的振荡参考输出信号的平均值进行比较。
20.一种用于测量电路中DC能量信号的系统，该系统包括：
传感器，包括模数转换器ADC，被配置为接收至少取决于DC能量信号的模拟电压并输出对应于所述模拟电压的数字值；和
耦合到ADC的数字输出的控制器，其中该控制器被配置为：
确定ADC的数字输出是否指示ADC工作在其非线性范围内；和
如果确定ADC在其非线性范围之外工作，则确定所述传感器的传递函数并基于确定的传递函数和ADC的数字输出来确定DC能量信号的测量。
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