DE102019112782A1

DE102019112782A1 - Systems and methods for software configurable battery monitoring system

Info

Publication number: DE102019112782A1
Application number: DE102019112782.3A
Authority: DE
Inventors: Antoine D. Fifield; Daniel James Miller; Brian A. Miller
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Hier werden Systeme und Verfahren beschrieben, die automatische Detektion der höchsten verfügbaren Zellspannung und/oder der Position der oberen Spannung in einem Batteriestapel in Echtzeit ermöglichen, ohne dass separate dedizierte Platinen für unterschiedliche Batteriestapelkonfigurationen verwendet werden müssen und ohne dass Platinen manuell auf Basis der Anzahl an Zellen, die jeder Batteriestapel aufweist, konfiguriert werden müssen. In bestimmten Ausführungsformen erfolgt die automatische Detektion durch eine per Software konfigurierbare Batteriemanagementschaltung, die irgendeine Batteriesatzgröße unterstützt, ohne dass Hardware-Modifikationen durchgeführt werden müssen oder ohne die zusätzlichen Kosten für das individuelle Anpassen von Platinen für Batteriestapel, die unterschiedliche Anzahlen an Zellen aufweisen. Zusätzlich ermöglicht eine neuartige Dioden-ODER-Analogmultiplexerschaltung, dass der Chip vor der Auswahl der oberen Zelle bestromt wird.Described herein are systems and methods that enable automatic detection of the highest available cell voltage and / or the position of the high voltage in a battery stack in real time, without having to use separate dedicated boards for different battery pack configurations, and without manual boards based on the number of boards Cells that each battery pack has to be configured. In certain embodiments, the automatic detection is performed by a software-configurable battery management circuit that supports any battery pack size, without the need for hardware modifications or the added expense of customizing battery pack boards that have different numbers of cells. In addition, a novel diode OR analog multiplexer circuit allows the chip to be energized prior to the selection of the upper cell.

Description

Querverweis auf verwandte AnmeldungenCross-reference to related applications

Diese Patentanmeldung bezieht sich auf und beansprucht die Priorität nach 35 USC §119(e) zur gleichzeitig anhängigen und gemeinschaftlichen vorläufigen US-Patentanmeldung 62/673,572 mit dem Titel „SYSTEMS AND METHODS FOR SOFTWARE-CONFIGURABLE BATTERY MANAGEMENT SYSTEM“, als deren Erfinder Antoine D. Fifield, Daniel James Miller und Brian A. Miller genannt werden und die am 18. Mai 2018 eingereicht worden ist, wobei diese Patentschrift hier durch Bezugnahme in ihrer Gänze und für alle Zwecke aufgenommen ist.This patent application relates to and claims priority under 35 USC §119 (e) to the co-pending and common provisional U.S. Patent Application 62 / 673,572 entitled "SYSTEMS AND METHODS FOR SOFTWARE-CONFIGURABLE BATTERY MANAGEMENT SYSTEM", whose inventors are Antoine D. Fifield, Daniel James Miller and Brian A. Miller and which was filed on May 18, 2018, which patent is hereby incorporated by reference Reference is incorporated in its entirety and for all purposes.

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Systeme und Verfahren zum Managen von Energiespeichereinrichtungen. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Systeme und Verfahren zum exakten Überwachen, Steuern und Schützen von wiederaufladbaren Hochspannungsbatterien.The present disclosure generally relates to systems and methods for managing energy storage devices. More particularly, the present disclosure relates to systems and methods for accurately monitoring, controlling, and protecting high voltage rechargeable batteries.

Hintergrundbackground

Bidirektionale batteriebetriebene Anwendungen, wie zum Beispiel die für Elektrofahrzeuge verwendeten, setzen typischerweise wiederaufladbare Batterien als Speichereinrichtungen ein, die aus chemischer Energie elektrische Energie generieren, um an eine Last Leistung bei einer relativ hohen Versorgungsspannung und bei Strömen von manchmal Hunderten von Ampere abzugeben. Solche wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien umfassen häufig eine Anordnung von einzelnen Zellen, die in Zellsätzen oder -blöcken gruppiert sind, die gestapelt sind, um eine einzige Batterie zu bilden, so dass z. B. mit Bezug auf eine Karosserie des Fahrzeugs die Zelle an der Oberseite des Batteriestapels die höchste Spannung aufweist und die Zelle an der Unterseite des Batteriestapels die niedrigste Spannung aufweist. Eine Reihe von Zellen kann in einem Zellensatz gruppiert sein, der einzeln durch entsprechende Überwachungseinrichtungen überwacht werden kann, die auch Sicherheitsfunktionen durchführen.Bidirectional battery powered applications, such as those used for electric vehicles, typically employ rechargeable batteries as storage devices that generate electrical energy from chemical energy to deliver power to a load at a relatively high supply voltage and at currents of sometimes hundreds of amps. Such high efficiency rechargeable batteries often include an array of discrete cells grouped into cell sets or blocks stacked to form a single battery, such that, for example, a single cell may be used. For example, with respect to a body of the vehicle, the cell at the top of the battery pack has the highest voltage and the cell at the bottom of the battery pack has the lowest voltage. A series of cells may be grouped in a set of cells that may be individually monitored by appropriate monitoring devices that also perform security functions.

Bei der erhöhten Energiedichte moderner Hochleistungsbatterien und der ständig wachsenden Forderung nach schnellem Laden ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Ereignisse, bei denen sicherer Lade- und Entladestrom, -spannung, -temperatur und andere Parameter überschritten werden, an der gesamten Schaltung Schäden verursachen, z. B. dauerhafte physische Beschädigung aufgrund von überhitzten Zellen, was durch das Laden von Li-lonen-Zellen unter Verwendung von Spannungen bewirkt wird, die vom Hersteller empfohlene Grenzwerte überschreiten.With the increased energy density of modern high-performance batteries and the ever-increasing demand for fast charging, there is a high likelihood that events that exceed safe charge and discharge current, voltage, temperature, and other parameters will cause damage to the entire circuit, e.g. B. permanent physical damage due to overheated cells caused by the charging of Li-ion cells using voltages exceeding the manufacturer's recommended limits.

Aus Gründen der Sicherheit, der Benutzerfreundlichkeit und der Einhaltung gesetzlicher Auflagen werden Lade- und Entladespannungen typischerweise überwacht, z. B. als Teil einer redundanten Sicherheitsprüfung, um den Betrieb innerhalb zulässiger Bereiche sicherzustellen, um somit Systemausfall, versehentliche Beschädigung oder einfach eine Minderung der Leistung und der Batterielebensdauer zu verhindern.For safety, ease of use and regulatory compliance, charge and discharge voltages are typically monitored, e.g. For example, as part of a redundant safety test to ensure operation within acceptable ranges to prevent system failure, accidental damage, or simply performance degradation and battery life.

Ein anderer Grund, die Batteriespannung zu überwachen, ist, dass unterschiedliche Zellen in einer Batterie nicht exakt die gleiche Zellchemie aufweisen. Dies bewirkt Schwankungen im Innenwiderstand, die zu ungleichen Ladezeiten und sich ändernden Ausgabe- (d. h. Leerlauf-) Spannungen bei ansonsten identischen Zellen führen. Bei idealen Betriebsbedingungen ist jede Zelle in einem Zellenblock vollständig auf exakt die gleiche Kapazität aufladbar und generiert die gleiche, höchste zulässige Leerlaufspannung, so dass die Zellansammlung in einem Batteriestapel die höchstmögliche Gesamtbatteriespannung aufrechterhält. Dies würde die Notwendigkeit von Energieübertragung und Ladungsumverteilung beseitigen und optimale Nutzung der Kapazität einer Batterie sicherstellen.Another reason to monitor the battery voltage is that different cells in a battery do not have exactly the same cell chemistry. This causes variations in internal resistance which result in unequal charge times and changing output (i.e., open circuit) voltages with otherwise identical cells. Under ideal operating conditions, each cell in a cell block is fully rechargeable to exactly the same capacity and generates the same, highest allowable open circuit voltage so that cell accumulation in a battery stack maintains the highest possible total battery voltage. This would eliminate the need for energy transfer and charge redistribution and ensure optimal use of the capacity of a battery.

Allerdings ist es aufgrund von Herstellungsabweichungen praktisch unmöglich, Zellen mit identischen elektrischen Eigenschaften zum Speichern und Bereitstellen der gleichen maximalen Ladungsmenge, die eine Batterie halten kann, herzustellen. Um zum Beispiel identische Leerlaufspannungen zu erreichen, wird eine Zelle mit einer hohen Innenimpedanz einen höheren Ladestrom erfordern als eine Zelle mit einer geringeren Innenimpedanz. Gleichermaßen wird die schwächste (d. h. am meisten degradierte) Zelle in einem Strang in Reihe verbundener Zellen die geringste Kapazität (und Leerlaufspannung) aufweisen und somit die Ladezeit des gesamten Strangs dominieren, was zu suboptimaler Batterieleistung führt.However, due to manufacturing variations, it is virtually impossible to fabricate cells having identical electrical characteristics for storing and providing the same maximum amount of charge that a battery can hold. For example, to achieve identical no-load voltages, a cell with a high internal impedance will require a higher charging current than a cell with a lower internal impedance. Likewise, the weakest (i.e., most degraded) cell in a string in series connected cells will have the lowest capacitance (and open circuit voltage) and thus dominate the charging time of the entire string, resulting in suboptimal battery performance.

Durch Ladungsungleichgewicht bewirkte Ineffizienzen, z. B. wenn eine Zelle mit einer dazwischenliegenden Spannung im Stapel zum Bezug von Leistung statt der Zelle mit der höchsten Spannung ausgewählt wird, verschlimmern sich mit der Zeit durch sich ändernde Ladebedingungen (z. B. Überladen bei kurzzeitigem regenerativen Bremsen), Alterung (Zerlegung von elektrochemischem Material, was Kapazitätsverlust bewirkt), Hysterese in einem Ladezyklus und andere Ereignisse, die schließlich die Batterielebensdauer verringern. Daher wäre es wünschenswert, den Zustand aller Zellen, aus denen eine Batterie besteht, in Echtzeit und mit minimaler Komplexität zu überwachen und zu konfigurieren, so dass das Laden unter den Zellen wie erforderlich umverteilt werden kann, um unerwünschte Überlade- und Unterladebedingungen zu verhindern.Inefficiencies caused by charge imbalance, e.g. For example, when a cell with an intermediate voltage in the stack is selected to draw power rather than the highest voltage cell, it worsens over time due to changing charging conditions (eg, over-charging during short-term regenerative braking), aging (decomposition of electrochemical material, causing capacitance loss), hysteresis in a charge cycle, and other events that eventually reduce battery life. Therefore, it would be desirable to monitor and configure the state of all cells that make up a battery in real time and with minimal complexity, so that the loading under the cells may be redistributed as required to prevent unwanted overload and subcharge conditions.

In vielen Anwendungen wird die Batteriespannung durch ein die Spannung messendes System überwacht, das sich auf einer Platine befindet, die einen dedizierten Spannungspin zum Zugriff auf die höchste Spannung in einem Batteriestapel aufweist. Dieser Pin liegt außerhalb der Batterie selbst und ist mit der Oberseite des Batteriestapels verbunden. Weil je nach Anwendung die Anzahl an Zellen in einem Stapel von Batterie zu Batterie schwanken kann, nutzen herkömmliche Batterieüberwachungssysteme entweder unterschiedliche Platinen für unterschiedliche Batteriestapelkonfigurationen oder eine einzige Platine, die dann manuell gemäß der Anzahl an Zellen in irgendeinem gegebenen Stapel konfiguriert wird. Mit anderen Worten: Jede Platine weist einen dedizierten Spannungsversorgungspin auf, der dann gemäß der Anzahl an Zellen, die die Position der oberen Spannung im Stapel bestimmt, manuell konfiguriert werden muss.In many applications, the battery voltage is monitored by a voltage measuring system located on a board having a dedicated voltage pin for accessing the highest voltage in a battery pack. This pin is outside the battery itself and is connected to the top of the battery pack. Because, depending on the application, the number of cells in a stack may vary from battery to battery, conventional battery monitoring systems use either different boards for different battery stack configurations or a single board, which is then manually configured according to the number of cells in any given stack. In other words, each board has a dedicated power pin, which then has to be manually configured according to the number of cells that determines the position of the top voltage in the stack.

Um die Gesamtverdrahtung und die damit verknüpfte Komplexität / Ineffizienzen zu reduzieren, verwenden viele bereits vorhandene Systeme zusätzlich eine Anzahl von verteilten Überwachungsschaltungen, z. B. Platinen, die eine feststehende Anzahl an Pins aufweisen, die eine feststehende Anzahl an Kanälen aufnehmen, die eine feststehende Anzahl an Zellen überwachen, z. B. 14 Zellen. In der Praxis wird die Anzahl an Zellen, die gemeinsam eine Steuerplatine nutzen, durch die Spannungseinstufung dieser Platine bestimmt. Somit wird ein Batteriesystem, das Stapel von z. B. acht Zellen aufweist, eine Platine, die für acht Zellen individuell angepasst ist, einen Leitungssatz, der für acht Zellen individuell angepasst ist, usw. verwenden müssen, und ist zum Überwachen und Steuern von exakt der Anzahl an Kanälen wie zu messenden Zellen konzipiert.In order to reduce overall wiring and the associated complexity / inefficiencies, many existing systems additionally use a number of distributed monitoring circuits, e.g. For example, boards that have a fixed number of pins that receive a fixed number of channels that monitor a fixed number of cells, e.g. B. 14 cells. In practice, the number of cells sharing a control board is determined by the voltage rating of that board. Thus, a battery system, the stack of z. Having eight cells, a board individually adapted for eight cells, a wiring harness that is customized for eight cells, etc., and is designed to monitor and control exactly the number of channels as cells to be measured ,

Alternativ kann der Nutzer einen Aufpreis für eine einzelne hochkapazitive Platinenbauart zahlen, die der Spannung von mehr als acht Zellen, z. B. 14 Zellen, standhalten kann. Zusätzlich wird die Platine alle Hardware- und Software-Modifikationen mitmachen müssen, die wegen der Fehlanpassung zwischen der Anzahl an Zellen, für die die Platine konzipiert ist, und der Anzahl an Zellen, mit denen die Platine schließlich betrieben wird, erforderlich sind. Zu solchen Modifikationen zählen das Festverdrahten von Schalterpins in die Platine oder das Verwenden von Steckbrücken, die Kanäle physikalisch kurzschließen, um die Anzahl an zu steuernden Zellen anzupassen. Zu zusätzlichen Anforderungen dieses alternativen Ansatzes zählen das Abtasten aller Kanäle der Platine und dann das Übergehen oder Maskieren von Daten unerwünschter Kanäle als fehlerhafte Daten. Zusätzlich zur hinzugefügten Komplexität sind Steckbrücken störungsanfällig und somit nicht für Anwendungen geeignet, die unter gehobenen Sicherheitsstandards arbeiten, wie zum Beispiel Anwendungen aus der Luftfahrt und bei Elektrofahrzeugen.Alternatively, the user may pay a surcharge for a single high-capacitance board type which can accommodate the voltage of more than eight cells, e.g. B. 14 cells can withstand. In addition, the board will have to go through all the hardware and software modifications required because of the mismatch between the number of cells for which the board is designed and the number of cells with which the board will ultimately operate. Such modifications include hardwiring switch pins into the board or using jumpers that physically short channels to adjust the number of cells to be controlled. Additional requirements of this alternative approach include scanning all the channels of the board and then skipping or masking unwanted channel data as bad data. In addition to added complexity, jumpers are prone to failure and are therefore not suitable for applications that operate at high safety standards, such as aerospace applications and electric vehicles.

Um die Defizite der bereits vorhandenen Ansätze zu überwinden, werden dementsprechend Überwachungssysteme und -verfahren benötigt, die zum automatischen Konfigurieren von Steuerplatinen dienen, um die Batteriegesundheit genau zu überwachen und irgendeine Satzgröße zu unterstützen, ohne dass Hardware-Modifikationen erforderlich sind oder ohne die zusätzlichen Kosten für das individuelle Anpassen von Platinen für Batteriestapel, die eine unterschiedliche Anzahl an Zellen aufweisen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Accordingly, in order to overcome the shortcomings of existing approaches, monitoring systems and methods are needed to automatically configure control boards to closely monitor battery health and support any set size without requiring hardware modifications or the added expense for customizing boards for battery packs that have a different number of cells. This object is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred embodiments are characterized by the features of the subclaims.

Figurenlistelist of figures

Es wird Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung genommen, für die Beispiele in den zugehörigen Figuren veranschaulicht werden. Diese Figuren sollen veranschaulichend, nicht beschränkend sein. Obwohl die Erfindung im Allgemeinen im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass er den Schutzbereich der Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsformen beschränken soll.

FIGUR („FIG.“) 1 ist ein Schaltplan eines veranschaulichenden, per Software konfigurierbaren Systems zum Auswählen der höchsten Zellspannung in einem Batteriesatz gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden, per Software konfigurierbaren Schaltung gemäß verschieden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden Schaltung, die Dual-Use-Pins gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst.
4 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zum Identifizieren der höchsten Zellspannung in einem Batteriesatz gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden Schaltungsimplementierung des per Software konfigurierbaren Systems der 1, das die per Software konfigurierbare Schaltung der 2 nutzt.
6 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zur Verwendung des per Software konfigurierbaren Systems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Reference will be made to embodiments of the invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. These figures are intended to be illustrative, not restrictive. Although the invention is generally described in the context of these embodiments, it is to be understood that it is not intended to limit the scope of the invention to these specific embodiments.

FIG. 1 is a circuit diagram of an illustrative, software-configurable system for selecting the highest cell voltage in a battery pack according to various embodiments of the present disclosure.
2 FIG. 12 is a circuit diagram of an illustrative software configurable circuit according to various embodiments of the present disclosure. FIG.
3 FIG. 10 is a circuit diagram of an illustrative circuit including dual-use pins according to various embodiments of the present disclosure. FIG.
4 FIG. 10 is a flow chart of an illustrative process for identifying the highest cell voltage in a battery pack according to various embodiments of the present disclosure. FIG.
5 FIG. 12 is a circuit diagram of an illustrative circuit implementation of the software configurable system of FIG 1 that the software configurable circuit of the 2 uses.
6 FIG. 10 is a flowchart of an illustrative process for using the software-configurable system according to various embodiments of the present disclosure. FIG.

Ausführliche Beschreibung von AusführungsformenDetailed description of embodiments

In der folgenden Beschreibung werden zur Erklärung spezifische Details dargelegt, um ein Verständnis der Erfindung bereitzustellen. Es wird für Fachleute allerdings klar werden, dass die Erfindung ohne diese Details ausgeführt werden kann. Des Weiteren werden Fachleute erkennen, dass nachstehend beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von Arten implementiert werden können, wie zum Beispiel einem Prozess, einer Vorrichtung, einem System, einer Einrichtung oder einem Verfahren auf einem dinghaften computerlesbaren Medium.In the following description, for purposes of explanation, specific details are set forth in order to provide an understanding of the invention. However, it will be apparent to those skilled in the art that the invention can be practiced without these details. Furthermore, those skilled in the art will appreciate that embodiments of the present invention described below can be implemented in a variety of ways, such as a process, apparatus, system, apparatus, or method on a tangible computer-readable medium.

Komponenten oder Module, die in grafischen Darstellungen gezeigt werden, dienen der Veranschaulichung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung und sind dazu bestimmt, die Erfindung nicht unverständlich zu machen. Es versteht sich auch, dass in dieser Erörterung durchweg Komponenten als separate Funktionseinheiten beschrieben werden können, die Untereinheiten umfassen können, jedoch werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Komponenten oder Teile davon in separate Komponenten aufgeteilt werden können oder dass sie miteinander integriert werden können, einschließlich in ein einziges System oder eine einzige Komponente. Es sei angemerkt, dass hier erörterte Funktionen oder Operationen als Komponenten implementiert werden können. Komponenten können in Software, Hardware oder einer Kombination daraus implementiert werden.Components or modules shown in graphical representations are illustrative of exemplary embodiments of the invention and are not intended to make the invention incomprehensible. It should also be understood that throughout this discussion, components may be described as separate functional units that may include subunits, however, those skilled in the art will recognize that various components or parts thereof may be divided into separate components or may be integrated with each other, including in FIG a single system or component. It should be noted that functions or operations discussed herein may be implemented as components. Components can be implemented in software, hardware or a combination thereof.

Des Weiteren sollen Verbindungen zwischen Komponenten oder Systemen innerhalb der Figuren nicht auf direkte Verbindungen beschränkt werden. Stattdessen können Daten zwischen diesen Komponenten durch Zwischenkomponenten modifiziert, neu formatiert oder anderweitig geändert werden. Ebenso können zusätzliche oder weniger Verbindungen verwendet werden. Es sei auch angemerkt, dass die Begriffe „gekoppelt“, „verbunden“ oder „kommunizierend gekoppelt“ so zu verstehen sind, dass zu ihnen direkte Verbindungen, indirekte Verbindungen über eine oder mehrere Zwischeneinrichtungen und drahtlose Verbindungen zählen.Furthermore, connections between components or systems within the figures are not intended to be limited to direct connections. Instead, data between these components may be modified, reformatted, or otherwise changed by intermediate components. Likewise, additional or fewer compounds can be used. It should also be noted that the terms "coupled," "connected," or "communicatively coupled" are to be understood as including direct connections, indirect connections through one or more intermediate devices, and wireless connections.

Der Bezug in der Spezifikation auf „eine Ausführungsform“, „bevorzugte Ausführungsform“, „Ausführungsform“ oder „Ausführungsformen“ bedeutet, dass ein spezielles Merkmal, Struktur, Charakteristik oder Funktion, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist und in mehr als einer Ausführungsform vorkommen kann. Auch bezieht sich das Vorkommen der oben genannten Formulierungen an verschiedenen Stellen in der Spezifikation nicht notwendigerweise immer auf die gleiche Ausführungsform oder Ausführungsformen.The reference in the specification to "one embodiment", "preferred embodiment", "embodiment" or "embodiments" means that a particular feature, structure, characteristic or function described in connection with the embodiment, in at least one embodiment of the Invention is included and can occur in more than one embodiment. Also, the occurrence of the above formulations at various points in the specification does not necessarily always refer to the same embodiment or embodiments.

Die Verwendung bestimmter Begriffe an verschiedenen Stellen in der Spezifikation dient der Veranschaulichung und sollte nicht als beschränkend aufgefasst werden. Ein Dienst, eine Funktion oder Ressource ist nicht auf einen einzigen Dienst, Funktion oder Ressource beschränkt; die Verwendung dieser Begriffe kann sich auf eine Gruppierung zugehöriger Dienste, Funktionen oder Ressourcen beziehen, die verteilt oder aggregiert sein können. Des Weiteren kann die Verwendung von Speicher, Datenbank, Informationsdatenbank, Datenspeicher, Tabellen, Hardware und Ähnlichem hier verwendet werden, um Bezug auf eine Systemkomponente oder -komponenten zu nehmen, in die Informationen eingegeben oder in denen sie anders aufgezeichnet werden können.The use of certain terms in various places in the specification is illustrative and should not be construed as limiting. A service, function or resource is not limited to a single service, function or resource; the use of these terms may refer to a grouping of related services, functions or resources that may be distributed or aggregated. Furthermore, the use of memory, database, information database, data stores, tables, hardware and the like may be used herein to refer to a system component or components into which information may be entered or otherwise recorded.

Des Weiteren sei Folgendes angemerkt: (1) bestimmte Schritte können optional durchgeführt werden; (2) die Schritte sind möglicherweise nicht auf die spezifische hier dargelegte Reihenfolge beschränkt; (3) bestimmte Schritte können in anderen Reihenfolgen durchgeführt werden; und (4) bestimmte Schritte können gleichzeitig erledigt werden.Furthermore, it should be noted that: (1) certain steps may be optionally performed; (2) the steps may not be limited to the specific order presented here; (3) certain steps may be performed in other orders; and (4) certain steps can be done simultaneously.

In diesem Dokument werden „Zelle“ und „Batteriezelle“ austauschbar verwendet. Gleichermaßen können die Begriffe „Satz“, „Stapel“ und „Block“, wie in „Zellstapel“, „Batteriesatz“, „Zellensatz“ oder „Batteriezellenblock“ austauschbar verwendet werden. Es versteht sich, dass die Batteriemanagementsysteme und -verfahren der vorliegenden Offenbarung auf eine große Vielzahl von Energiequellen angewendet werden können, wie zum Beispiel hochkapazitive Kondensatoren, Lithium-Ionen-Zellen, Brennstoffzellen und andere elektrochemische und nicht chemische Zellen und Kombinationen davon.In this document, "cell" and "battery cell" are used interchangeably. Likewise, the terms "set", "stack" and "block" as used in "cell stack", "battery pack", "cell set" or "battery cell block" may be used interchangeably. It is understood that the battery management systems and methods of the present disclosure can be applied to a wide variety of energy sources, such as high capacitance capacitors, lithium ion cells, fuel cells, and other electrochemical and non-chemical cells, and combinations thereof.

Die 1 ist ein Schaltplan eines veranschaulichenden, per Software konfigurierbaren Systems zum Auswählen der höchsten Zellspannung in einem Batteriesatz gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 umfasst die Zellen 102, den Batteriesatz 150, die Schalter 104, die Leistungspins 106, den gemeinsamen Knoten 120, den gemeinsamen Schalter 110 und den Eingangsknoten 130. Die Zelle 102 ist irgendeine Art von Energiequelle, die eine Ausgangsspannung generiert. Für elektrochemische Zellen ist die Zellspannung (d. h. die Leerlaufspannung) im Allgemeinen eine Funktion der Kapazität der Zelle zum Halten von elektrischer Ladung. Die in der 1 gezeigten Zellen 102 sind Batteriezellen, die elektrisch in einer Reihenkonfiguration verbunden sind. Allerdings ist dies keine Einschränkung des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung. Fachleute werden verstehen, dass die Zellen 102 irgendeine Kombination von Reihen- und Parallelkonfigurationen sein können, die eine Batteriespannung generieren.The 1 FIG. 10 is a circuit diagram of an illustrative, software-configurable system for selecting the highest cell voltage in a battery pack according to various embodiments of the present disclosure. FIG. The system 100 includes the cells 102 , the battery pack 150 , the switches 104 , the performance pins 106 , the common node 120 , the common switch 110 and the entrance node 130 , The cell 102 is some kind of energy source that generates an output voltage. For electrochemical cells, the cell voltage (ie open circuit voltage) is generally a function of the cell's capacity to hold electrical charge. The in the 1 shown cells 102 are Battery cells electrically connected in a series configuration. However, this is not a limitation of the scope of the present disclosure. Professionals will understand that the cells 102 may be any combination of series and parallel configurations that generate a battery voltage.

In Ausführungsformen sind einzelne Zellen 102 angeordnet, um einen Batteriesatz 150 zu bilden, der eine Batterie mit einer Spannung versorgen kann, die gleich der Summe jeder der Spannungen von in Reihe verbundenen Zellen 102 ist. Jede Zelle 102 kann mit einem dedizierten Schalter 104 (der als Umkehrschalter implementiert sein kann) gekoppelt sein, was gestattet, dass einzelne Zellen oder Zellgruppen abgegriffen und elektrisch mit dem gemeinsamen Knoten 120 gekoppelt werden, was in Ausführungsformen ermöglicht, dass das System 100 als eine Multiplexerschaltung arbeitet, wie nachstehend ausführlicher erörtert wird.In embodiments, individual cells are 102 arranged to a battery pack 150 which can supply a voltage to a battery equal to the sum of each of the voltages of cells connected in series 102 is. Every cell 102 can with a dedicated switch 104 (which may be implemented as a reverse switch), which allows individual cells or groups of cells to be tapped and electrically connected to the common node 120 coupled, which in embodiments allows the system 100 as a multiplexer circuit, as will be discussed in more detail below.

In Ausführungsformen stellt das System 100 Leistung für eine Batterieüberwachungsschaltung bereit, die den Zustand irgendeiner Anzahl von Zellen 102 (z. B. Lithium-Ionen-Zellen) im Batteriestapel 150 genau misst und überwacht, um zum Beispiel die Gesundheit einer Batterie zu bestimmen, die irgendeine Anzahl von Batteriestapeln enthalten kann. Wie ausführlicher in Bezug auf die 3 erörtert wird, bezieht das Überwachen in Ausführungsformen das Koppeln mit einem Leistungspin 106 von zwei oder mehr gefilterten Schaltern 104 ein, die alternative elektrische Pfade erzeugen, einen zum Durchführen von Präzisionsdiagnosemessungen und den anderen zum Übertragen von Leistung zwischen Zellen 102 und dem Eingangsknoten 130 bei normalem Betrieb. Zusätzlich zum Durchführen von Präzisionsmessungen unter Verwendung eines rauschgefilterten Pfads kann das System 100 in Ausführungsformen dazu konfiguriert sein, Zellenausgleich durchzuführen, z. B. durch Abführen von Energie aus einer Zelle oder Umverteilung von Ladung zwischen Zellen. Durch Zugriff auf die höchste Zellspannung in einem Stapel, um Leistung aus der Zelle zu beziehen, statt eine Zelle auszuwählen, die eine dazwischenliegende Spannung aufweist, erzeugt das System 100 insgesamt kein Ungleichgewicht, das damit verknüpfte unerwünschte Ineffizienzen erzeugt.In embodiments, the system provides 100 Power for a battery monitoring circuit that provides the state of any number of cells 102 (eg lithium-ion cells) in the battery pack 150 accurately measures and monitors, for example, to determine the health of a battery, which may contain any number of battery stacks. How more detailed in relation to the 3 In embodiments, monitoring in embodiments involves coupling with a power pin 106 of two or more filtered switches 104 generating alternative electrical paths, one for performing precision diagnostic measurements, and the other for transferring power between cells 102 and the entrance node 130 during normal operation. In addition to performing precision measurements using a noise-filtered path, the system can 100 in embodiments, be configured to perform cell balancing, e.g. By dissipating energy from a cell or redistributing charge between cells. By accessing the highest cell voltage in a stack to draw power from the cell, rather than selecting a cell having an intermediate voltage, the system generates 100 overall, no imbalance creating associated undesirable inefficiencies.

Im Betrieb liefert jede Zelle 102 eine Spannung (z. B. 4,2 V), die am gemeinsam genutzten Knoten 120 detektiert werden kann, z. B. durch sequentielles Messen eines Spannungsgefälles zwischen benachbarten Zellen 102. In Ausführungsformen können einzeln gemessene Zellspannungen addiert werden, um eine Summe von Zellspannungen zu ermitteln. Zum Beispiel kann die Spannung im Batteriestapel 150 in einem Ablauf von der Zelle 1 bis zur Zelle n gemessen werden, gemäß einer zunehmenden Spannung von in Reihe verbundenen Zellen, und von der Zelle n mit sich verringernder Spannung herunter bis zur Zelle 1, um so Hystereseeffekte (z. B. durch Mittelung entsprechender Messwerte) zu berücksichtigen und/oder irgendeinen Verstärker-Offset während der Messungen zu kompensieren.In operation, every cell delivers 102 a voltage (eg, 4.2V) at the shared node 120 can be detected, for. By sequentially measuring a voltage gradient between adjacent cells 102 , In embodiments, individually measured cell voltages may be added to determine a sum of cell voltages. For example, the voltage in the battery pack 150 in a flow from the cell 1 to the cell n, according to an increasing voltage of serially connected cells, and from the cell n with decreasing voltage down to the cell 1 to account for hysteresis effects (eg by averaging corresponding measurements) and / or to compensate for any amplifier offset during the measurements.

Um die höchste Spannung im System 100 zu bestimmen, wird in Ausführungsformen eine Anzahl von Schaltern 104 gesteuert, damit sie auf eine Weise arbeiten, dass, wenn die Schalter 104 geöffnet sind, die Kombination ihrer Body-Dioden eine Dioden-ODER-Schaltung innerhalb des Systems 100 schafft, die die höchste der Spannungen der Zellen 102 an den gemeinsamen Knoten 120 abgibt. Je nach dem Status des gemeinsamen Schalters 110 kann diese höchste Spannung am gemeinsamen Knoten 120 am Eingangspin 130 bereitgestellt werden. Diese Dioden-ODER-Topologie dient praktisch als ein Analogmultiplexer, der den Eingangspin 130 mit der höchsten der Spannungen der Zellen 102 koppelt, um zum Beispiel eine Last anzusteuern, die damit gekoppelt ist und die Leistung aus dem Eingangspin 130 beziehen kann.To the highest tension in the system 100 In embodiments, a number of switches will be determined 104 controlled so that they work in a way that when the switches 104 Open, the combination of their body diodes a diode-OR circuit within the system 100 creates, which is the highest of the voltages of the cells 102 at the common node 120 emits. Depending on the status of the common switch 110 can this highest voltage at the common node 120 at the entrance pin 130 to be provided. This diode OR topology virtually serves as an analog multiplexer to the input pin 130 with the highest of the voltages of the cells 102 coupled, for example, to drive a load coupled thereto and the power from the input pin 130 can relate.

Zusätzlich ermöglicht es die Maßnahme des Dioden-ODER-Analogmultiplexers dem System 100, die Zelle zu identifizieren, die die höchste Spannung innerhalb des Batteriesatzes 150 definiert. Dies stellt einem Nutzer die Flexibilität bereit, einen selbst auswählenden Multiplexer zum automatischen Auswählen der Position zu verwenden, an der die höchste Spannung im Batteriesatz 150 erfasst werden sollte. Bei einem normalen Betrieb oder als Teil einer Initialisierungsprozedur kann dies dann z. B. als eine redundante Sicherheitsprüfung verwendet werden, um den korrekten Betrieb der Zellen 102 nachzuprüfen oder um eine Fehlerbedingung zu detektieren, wie in der Patentanmeldung 62/652,225 mit dem Titel „Systems and Methods for Software-Configurable Battery Management System“ beschrieben wird, die Antoine Fifield, Jiuhui Wang und Daniel Miller als Erfinder anführt, eingereicht am 3. April 2018, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen ist.In addition, the action of the diode OR analog multiplexer allows the system 100 To identify the cell that has the highest voltage within the battery pack 150 Are defined. This provides a user with the flexibility to use a self-selecting multiplexer to automatically select the position at which the highest voltage in the battery pack 150 should be recorded. In a normal operation or as part of an initialization procedure, this can then z. B. can be used as a redundant security check to ensure the correct operation of the cells 102 to verify or to detect a fault condition, as in the patent application 62 / 652 , 225, entitled "Systems and Methods for Software-Configurable Battery Management System," citing Antoine Fifield, Jiuhui Wang, and Daniel Miller as inventor, filed April 3, 2018, which are hereby incorporated by reference in their entirety.

In Ausführungsformen kann der korrekte Betrieb der Zellen 102 zum Beispiel unter Verwendung eines ADU oder einer ähnlichen Schaltung (nicht dargestellt) nachgeprüft werden, um die höchste bestimmte Spannung an der Oberseite des Batteriesatzes 150 mit der Summen der Spannungen der Zelten 102 zu vergleichen, z. B. als Diagnosemessung zum Erfüllen von Sicherheitsanforderungen, oder um zu bestimmen, ob die Differenz zwischen den beiden Werten einen vom Nutzer definierten Schwellenwert überschreitet, und geeignete Maßnahmen zu ergreifen.In embodiments, the proper operation of the cells 102 For example, using an ADC or similar circuit (not shown), check for the highest specific voltage at the top of the battery pack 150 with the humming of the tensions of the tents 102 to compare, for. As a diagnostic measure to meet safety requirements, or to determine if the difference between the two values exceeds a user-defined threshold, and to take appropriate action.

Bei einer anfänglichen Leistungssequenz, z. B. beim Hochlaufen, wenn noch nicht bekannt ist, wie viele und welche Zellen 102 mit dem System 100 verbunden sind, kann der Dioden-ODER-Analogmultiplexer in Ausführungsformen dazu dienen, automatisch die höchste Spannung (oder um genauer zu sein, eine Diodenspannung unter der höchsten Spannung) unter einer Reihe von vorhandenen Zellen 102 auszuwählen, z. B. durch Ausschalten aller Schalter 104, so dass der Eingangsknoten 130 mit der Zelle gekoppelt ist, die die höchste Spannung im System 100 aufweist, so dass die höchste Spannung weniger der Diodenspannung dieses Schalters 104 am Eingangsknoten 130 auftreten kann. Diese resultierende Spannung am Eingangsknoten 130 kann dann verwendet werden, um Leistung aus der Zelle 102 mit der höchsten Spannung zu beziehen.For an initial performance sequence, e.g. B. when running up, if not yet known how many and which cells 102 with the system 100 In embodiments, the diode OR analog multiplexer may serve to automatically provide the highest voltage (or, more specifically, a diode voltage below the highest voltage) among a number of existing cells 102 to select, for. B. by switching off all switches 104 so that the input node 130 Coupled with the cell is the highest voltage in the system 100 so that the highest voltage is less the diode voltage of this switch 104 at the entrance node 130 can occur. This resulting voltage at the input node 130 can then be used to power out the cell 102 with the highest voltage.

Sobald die Zelle mit der höchsten Spannung identifiziert ist, können in Ausführungsformen andere Schalter konfiguriert werden, z. B. über Befehle, die von einem Mikrocontroller erhalten werden, und die Gesamtanzahl der aktiven Zellen kann festgestellt werden. In Ausführungsformen können zum Beispiel eine oder mehrere der in der Patentanmeldung 62/652,225 definierten Sequenzen in einem Algorithmus unter Verwendung von Software implementiert werden, um einen geeigneten Schalter auszuwählen.Once the cell with the highest voltage is identified, other switches can be configured in embodiments, e.g. For example, commands received from a microcontroller and the total number of active cells can be determined. In embodiments, for example, one or more of the in the patent application 62 / 652 , 225 defined sequences are implemented in an algorithm using software to select a suitable switch.

Auch wenn das System 100 als ein Batterieüberwachungssystem arbeitet, das keine EEPROMs oder anderen nichtflüchtigen Speicher verwendet, so dass es in Unkenntnis über die Anzahl von beim Hochlaufen vorhandenen Kanäle ist, und seine Konfiguration jedes Mal verliert, wenn es heruntergefahren wird, kann das System 100 daher vorteilhafterweise automatisch die höchste verfügbare Spannung zu jedem Zeitpunkt detektieren.Even if the system 100 As a battery monitoring system that does not use EEPROMs or other non-volatile memory, so it is unaware of the number of channels available at startup, and loses its configuration every time it shuts down, the system can 100 therefore, advantageously, automatically detect the highest available voltage at each instant.

Fachleute werden verstehen, dass das Batterieüberwachungssystem 100 als eine einzelne integrierte Schaltung und/oder mit anderen Systemen integriert, zum Beispiel als Teil eines Fahrzeugmanagementsystems, implementiert werden kann. Obwohl der Schalter 104, 110 unter Verwendung eines oder mehrerer Transistoren implementiert sein kann, um sich interne Body-Dioden zu Nutze zu machen, wie ausführlicher in Bezug auf die 2 erörtert wird, versteht es sich, dass verschiedene Ausführungsformen andere Schalter, wie zum Beispiel mechanische Relais, in Kombination mit externen Dioden oder anderen diskreten elektrischen Komponenten verwenden können. Obwohl es in der 1 nicht gezeigt wird, versteht es sich des Weiteren, dass das System 100 zusätzliche Komponenten umfassen kann, wie zum Beispiel Logikschaltkreise, um den Schalter 104, 110 anzusteuern, unabhängige Leistungsquellen, Abtastschaltkreise und Ähnliches, um die Interoperabilität zwischen Elementen im System 100 zu ermöglichen und zusätzliche Merkmale bereitzustellen, wie zum Beispiel das Messen oder Berechnen des Leistungsverbrauchs auf Basis von gemessenen Zellspannungen oder anderer physikalischer und Umgebungsparameter.Professionals will understand that the battery monitoring system 100 can be implemented as a single integrated circuit and / or integrated with other systems, for example as part of a vehicle management system. Although the switch 104 . 110 may be implemented using one or more transistors to take advantage of internal body diodes, as described in greater detail with respect to FIGS 2 It will be understood that various embodiments may utilize other switches, such as mechanical relays, in combination with external diodes or other discrete electrical components. Although it is in the 1 is not shown, it is further understood that the system 100 may include additional components, such as logic circuitry, around the switch 104 . 110 to control independent power sources, sampling circuits and the like, to ensure interoperability between elements in the system 100 and to provide additional features, such as measuring or calculating power consumption based on measured cell voltages or other physical and environmental parameters.

Die 2 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden, per Software konfigurierbaren Schaltung gemäß verschieden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Überwachungsschaltung 200 umfasst die Leistungspins 202, die mit irgendeiner Anzahl von Energiequellen gekoppelt sein können, wie zum Beispiel Batteriezellen, die als Konstantspannungsquellen dienen, den Schaltern 204, den gemeinsamen Schalter 214 und den Eingangspin 230, der mit irgendeiner Last gekoppelt sein kann, z. B. einem Elektromotor, der die von den Konstantspannungsquellen abgegebene Leistung verwendet.The 2 FIG. 12 is a circuit diagram of an illustrative software configurable circuit according to various embodiments of the present disclosure. FIG. The monitoring circuit 200 includes the performance pins 202 which may be coupled to any number of power sources, such as battery cells serving as constant voltage sources, to the switches 204 , the common switch 214 and the entrance pin 230 that can be coupled to any load, e.g. B. an electric motor that uses the output from the constant voltage sources power.

In Ausführungsformen können der Schalter 204 und der gemeinsame Schalter 214 als Transistoren mit internen Body-Dioden 222 und 208 implementiert sein, die als ein Ergebnis eines Halbleiterherstellungsprozesses gebildet worden sind. In Ausführungsformen weisen die internen Body-Dioden 222 und 208 eine gemeinsame elektrische Verbindung auf, z. B. einen gemeinsamen Source-Pin der Transistoren 206 und 220. In Ausführungsformen kann der Schalter 204, 214 als NMOS-Transistoren implementiert sein, die eine Ladungspumpe mit kleiner Fläche verwenden, um, gesteuert von einem Schalterantrieb (nicht dargestellt), ein- und auszuschalten.In embodiments, the switch 204 and the common switch 214 as transistors with internal body diodes 222 and 208 implemented as a result of a semiconductor manufacturing process. In embodiments, the internal body diodes 222 and 208 a common electrical connection, z. B. a common source pin of the transistors 206 and 220 , In embodiments, the switch 204 . 214 be implemented as NMOS transistors using a small area charge pump to turn on and off controlled by a switch drive (not shown).

Es sei angemerkt, dass, obwohl in der 2 Bauarten gezeigt werden, die einen Bereich von 8 bis 14 Zellen je Batteriesatz nutzen, Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit irgendeiner Anzahl von Zellen in einem Stapel und irgendeiner Anzahl von Batteriestapeln 150 verwendet werden können, die jeweils bei einer bestimmten Spannung arbeiten, so dass die Batteriestapel 150 kombiniert werden können, um eine Batterie zu generieren, die bei einer Gesamtbatteriespannung arbeitet, die ungefähr gleich der Summe der Spannungen der einzelnen Batteriestapel 150 ist.It should be noted that, although in the 2 Types utilizing a range of 8 to 14 cells per battery pack embodiments of the present disclosure having any number of cells in a stack and any number of battery stacks are shown 150 can be used, each working at a certain voltage, so that the battery pack 150 can be combined to generate a battery that operates at a total battery voltage that is approximately equal to the sum of the voltages of each battery stack 150 is.

Gleichermaßen kann irgendeine Anzahl von per Software konfigurierbaren Schaltungen 200 miteinander gekoppelt werden, z. B. in einer Prioritätskettenkonfiguration, und in eine einzige Platine integriert werden, die mit jeder Überwachungsschaltung 200 z. B. über einen dedizierten Leitungssatz gekoppelt ist.Similarly, any number of software configurable circuits 200 coupled together, for. In a priority chain configuration, and integrated into a single board associated with each monitoring circuit 200 z. B. is coupled via a dedicated line set.

Im Betrieb, wenn die Transistoren 206, 220 und somit die Schalter 204, 214 deaktiviert sind, verhindern die internen Body-Dioden 208, 222, die in einer zueinander entgegengesetzten Richtung gerichtet sind, einen Stromfluss durch den Schalter 204 und 214. Ungeachtet, ob eine positive oder eine negative Spannung an den Leistungspin 202 angelegt wird, wird eine der Body-Dioden 208, 222 in Sperrrichtung vorgespannt sein, so dass unter der Bedingung, dass die Schalter 204, 214 ausgeschaltet sind, verhindert wird, dass Strom durch den elektrischen Pfad 232 fließt. Als ein Ergebnis werden keine Zellspannungen am Pin 202 am Eingangspin 230 auftreten, was praktisch die Leistung von jeder Einrichtung abschaltet, die möglicherweise mit dem Pin 230 verbunden ist, was nützlich ist, wenn die Leistungspins 202 als Dual-Use-Pins 202 verwendet werden, z. B. um genaue Spannungsmessungen vorzunehmen.In operation, when the transistors 206 . 220 and thus the switches 204 . 214 disabled, the internal body diodes prevent 208 . 222 , which are directed in an opposite direction, a current flow through the switch 204 and 214 , Regardless of whether a positive or a negative voltage to the Leistungspin 202 is applied, becomes one of the body diodes 208 . 222 be biased in the reverse direction, so that under the condition that the switches 204 . 214 are turned off, preventing current through the electrical path 232 flows. As a result, no cell voltages are applied to the pin 202 at the entrance pin 230 which virtually shuts off the power of any device that may be with the pin 230 connected, which is useful when the performance pins 202 as dual-use pins 202 be used, for. B. to make accurate voltage measurements.

Durch Öffnen aller Schalter 204 wird die höchste, an den Leistungspins 202 anliegende Spannung in Ausführungsformen am gemeinsamen Knoten 218, in der 2 mit DCIN_COM bezeichnet, aufgrund der Tatsache auftreten, dass in jedem der Pfade 232, der mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist, die Body-Dioden 208, 222 arbeiten, so dass sie eine Dioden-ODER-Schaltung bilden. Die resultierende Schaltertopologie multiplext die höchste der Spannungen (um genau zu sein, eine Diodenspannung unter der höchsten Spannung) am Leistungspin 202 zum gemeinsamen Knoten 218.By opening all switches 204 will be the highest on the performance pins 202 applied voltage in embodiments at the common node 218 , in the 2 denoted by DCIN_COM, due to the fact that in each of the paths 232 which is coupled to a voltage source, the body diodes 208 . 222 work so that they form a diode-OR circuit. The resulting switch topology multiplexes the highest of the voltages (to be exact, a diode voltage below the highest voltage) on the power pin 202 to the common node 218 ,

Die Überwachungsschaltung 200 kann zusätzliche Komponenten zum Skalieren, Messen, Konvertieren und Ausgeben von Spannungen und anderen Signalen umfassen, die je nach einer bestimmten Anwendung vorverarbeitet oder nachbearbeitet werden können. Sobald das höchste Spannungssignal identifiziert ist, kann zum Beispiel die Schaltung 200 die Dioden-ODER-Schaltertopologie verwenden, um die an irgendeinem Pin 202 anliegende höchste Spannung zu messen und zu digitalisieren.The monitoring circuit 200 may include additional components for scaling, measuring, converting, and outputting voltages and other signals that may be pre-processed or post-processed depending on a particular application. Once the highest voltage signal is identified, for example, the circuit 200 Use the diode OR switch topology to connect to any pin 202 to measure and digitize the highest voltage present.

Anders als bei bereits vorhandenen Überwachungsschaltungsbauarten, die dedizierte Pins verwenden, die an einer Platine befestigt sind und die dazu konzipiert sind, zum Betreiben einer feststehenden Anzahl von Zellen festverdrahtet zu werden, unterstützen hier dargestellte Ausführungsformen irgendeine Anzahl von Kanälen, wie zum Beispiel um die Flexibilität z. B. zum Bestimmen bereitzustellen, welche Zelle in einem Zellenblock als die oberste des Blocks zu behandeln ist, ohne dass Zellen mit Leistungspins 202 extern festverdrahtet werden müssen.Unlike existing monitoring circuit designs which use dedicated pins mounted on a circuit board and which are designed to be hardwired to operate a fixed number of cells, embodiments illustrated herein support any number of channels, such as flexibility z. To determine which cell in a cell block is to be treated as the top of the block, without cells having power pins 202 hardwired externally.

In Ausführungsformen kann die Schaltung 200 automatisch konfiguriert werden, so dass sie von dem Pin aus arbeitet, der die höchste Spannung führt. Mit anderen Worten: Die Schaltung 200 kann sich selbst auf irgendeine Satzgröße (z. B. 8 - 14 Zellen) konfigurieren, ohne dass Hardware- oder Software-Modifikationen an der Platine erforderlich sind. Auf Basis der Bestimmung der Position der höchsten Spannung, z. B. im normalen Betrieb oder als Teil einer Initialisierungsprozedur, kann diese Position verwendet werden, um eine Diagnoseprozedur durchzuführen, z. B. eine redundante Diagnosesicherheitsmessung, die nachprüft, ob alle mit den Pins 202 verbundenen Zellen wie erwartet arbeiten. In Ausführungsformen können nicht verwendete Pins unverbunden gelassen werden, d. h. auf einem nicht definierten floatenden Potential.In embodiments, the circuit 200 be automatically configured so that it works from the pin that carries the highest voltage. In other words: the circuit 200 can configure itself to any set size (eg, 8-14 cells) without requiring any hardware or software modifications to the board. Based on the determination of the position of the highest voltage, e.g. In normal operation or as part of an initialization procedure, this position may be used to perform a diagnostic procedure, e.g. B. a redundant diagnostic safety measurement that verifies that all with the pins 202 Connected cells work as expected. In embodiments, unused pins may be left unconnected, ie at an undefined floating potential.

Sobald ein Schalter 214 am gemeinsamen Knoten während der Messungen geöffnet ist, wird in Ausführungsformen die Wirkung seiner parasitären Diode 222 aufgehoben, die andernfalls verhindern würde, dass eine Spannung im Pfad 232 einen Wert unterhalb eines gewissen Werts erreicht, der durch die parasitäre Diode 222 vorgegeben ist.Once a switch 214 at the common node during the measurements, in embodiments the effect of its parasitic diode becomes 222 lifted, which would otherwise prevent a tension in the path 232 reaches a value below a certain value, that through the parasitic diode 222 is predetermined.

Die in der 2 veranschaulichte Schaltung ist nicht auf die darin gezeigten oder im zugehörigen Text beschriebenen konstruktiven Details beschränkt. Fachleute werden verstehen, dass ein geeignetes Überwachungssystem zum Beispiel einige oder alle Spannungen stattdessen durch Messen von Strom und dann Umformen des Ergebnisses in entsprechende Spannungsinformationen bestimmen kann.The in the 2 illustrated circuit is not limited to the structural details shown therein or described in the accompanying text. It will be understood by those skilled in the art that, for example, a suitable monitoring system may determine some or all of the voltages by measuring current and then transforming the result into corresponding voltage information.

Die 3 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden Schaltung, die Dual-Use-Abtast- und -Leistungspins gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst. Die Schaltung 300 in der 3 umfasst die Zelle 302, den ersten elektrischen Pfad 310, den zweiten Pfad 320, den gemeinsamen Schalter 330 und den Eingangspin 350. In Ausführungsformen umfasst der erste Pfad 310 den Widerstand 312, den Kondensator 314 und den Pin 316, und der zweite Pfad 320 umfasst den Widerstand 322, den Kondensator 324, den Pin 326 und den Gleichspannungseingang 350. Die Kondensatoren 314, 324 können als lokale Filterkondensatoren, z. B. eines Tiefpass-RC-Filters, implementiert sein. Wie in der 3 gezeigt wird, können die Kondensatoren 314, 324 von Pin zu Pin gekoppelt sein. Allerdings werden Fachleute verstehen, dass die Kondensatoren 314, 324 gleichermaßen an ein Referenzpotential (z. B. Masse) auf Kosten der Größe gekoppelt sein können.The 3 FIG. 10 is a circuit diagram of an illustrative circuit that includes dual-use sensing and power pins according to various embodiments of the present disclosure. FIG. The circuit 300 in the 3 includes the cell 302 , the first electrical path 310 , the second path 320 , the common switch 330 and the entrance pin 350 , In embodiments, the first path includes 310 the resistance 312 , the condenser 314 and the pin 316 , and the second path 320 includes the resistance 322 , the condenser 324 , the pin 326 and the DC input 350 , The capacitors 314 . 324 can be used as local filter capacitors, z. As a low-pass RC filter implemented. Like in the 3 can be shown, the capacitors 314 . 324 be coupled from pin to pin. However, professionals will understand that the capacitors 314 . 324 equally coupled to a reference potential (eg, ground) at the expense of size.

In Ausführungsformen können die beiden Pfade 310, 320 gefiltert werden und mit der Zelle 302 eines Batteriestapels, z. B. über den Leiter 306, der ein Leitungssatz sein kann, gekoppelt sein. Der erste Pfad 310 stellt im Vergleich zum zweiten Pfad 320, der einen relativ niedrigen Widerstand (z. B. 10 Ω) aufweist, einen relativ hohen elektrischen Widerstand (z. B. 1 kΩ) dar. Der Hochimpedanzpfad 310 ermöglicht als ein Ergebnis eine genauere rauscharme Präzisionsmessung an irgendeiner Zelle 302 (z. B. unter Verwendung von externem Filtern) im Vergleich zum zweiten Pfad 320, der empfindlicher gegenüber Rauschen und eher zum Übertragen von Leistung zwischen den Zellen 302 und dem Eingangsknoten 350 geeignet sein kann.In embodiments, the two paths 310 . 320 be filtered and with the cell 302 a battery stack, z. B. via the conductor 306 , which can be a wiring harness, be coupled. The first path 310 represents compared to the second path 320 , which has a relatively low resistance (eg 10 Ω), a relatively high electrical resistance (eg 1 kΩ) is the high impedance path 310 As a result, a more accurate low-noise precision measurement on any cell is possible 302 (eg using external filtering) compared to the second path 320 , which is more sensitive to noise and more likely to transmit power between cells 302 and the entrance node 350 may be suitable.

Im Betrieb stellt der Pin 316 im Hochimpedanzpfad 310 eine Kelvin-Verbindung dar, die schließlich mit einer Batterie verbunden sein kann. Der zweite Pfad 320 kann verwendet werden, um Leistung zum Gleichspannungseingang 350 zu übertragen, um z. B. eine externe Last anzusteuern, wie zum Beispiel eine Einrichtung (nicht dargestellt). In operation, the pin represents 316 in the high impedance path 310 a Kelvin connection, which may eventually be connected to a battery. The second path 320 Can be used to power to DC input 350 to transfer, for. B. to control an external load, such as a device (not shown).

In Ausführungsformen können Spannungsmessungen sogar durchgeführt werden, wenn das System 300 aktiv Zellenausgleich durchführt. In Ausführungsformen kann der zweite Pfad 320 für Redundanzzwecke und/oder zum Bereitstellen eines Leistungspfads zum Zellenausgleich verwendet werden, was z. B. Ladungsumverteilung oder Entladen über Widerstände (nicht dargestellt), die Energie ableiten, um Spannungen zwischen Zellen anzugleichen, beinhalten kann.In embodiments, voltage measurements may even be performed when the system 300 actively performs cell balancing. In embodiments, the second path 320 be used for redundancy purposes and / or to provide a power path for cell balancing what z. B. Charge redistribution or discharge via resistors (not shown) that can dissipate energy to equalize voltages between cells.

Es versteht sich, dass in Ausführungsformen die Pins 316 und 326 der gleiche Pin oder miteinander kurzgeschlossen sein können. Es versteht sich des Weiteren, dass Messungen in den beiden Pfaden 310, 320 zeitlich nahe beieinander vorgenommen werden sollten, um vergleichbar zu sein. In Ausführungsformen stellen beide Messungen Redundanz in der Diagnostik bereit und dienen als Teil einer Sicherheitsanforderung, um z. B. Störungen zu verhindern, wie zum Beispiel physische Schäden, die durch überhitzte Zellen bewirkt werden.It is understood that in embodiments the pins 316 and 326 the same pin or can be shorted together. It is further understood that measurements in the two paths 310 . 320 should be made close to each other in time to be comparable. In embodiments, both measurements provide redundancy in diagnostics and serve as part of a security request, e.g. For example, to prevent disorders such as physical damage caused by overheated cells.

Die Knoten (z. B. der Knoten 308) können mit einer Batteriezelle (z. B. der Zelle 302) über den Leiter 306 verbunden sein. In der Praxis bewirkt der Leiter 306 einen Spannungsabfall, der einen Fehler einbringt, der genaue Zellspannungsmessungen beeinträchtigt. Um die Messgenauigkeit zu verbessern, wird daher in Ausführungsformen der gemeinsame Schalter 330 geöffnet, um den Strom zu unterbrechen, der durch den Leiter 306 und den Widerstand 312, 314 fließt, praktisch die Widerstände aus der Messschaltung zu nehmen, um einen IR-Spannungsabfall zu vermeiden, der andernfalls die Spannungsmessung (z. B. eine Differenzspannung zwischen Zellen) der Zelle verfälschen würde. Sobald der Schalter 330 geöffnet ist, wird die vorhandene Spannung in Ausführungsformen am lokalen Kondensator 324 gehalten, nachdem dann z. B. eine programmierbare Einschwingzeit verstrichen ist (die gemäß dem höchsten Widerstand oder dem geringsten Ausgleichsstrom eingestellt werden kann, um zu ermöglichen, dass sich der Eingang schneller einschwingt), kann die Spannung, z. B. am Pin 326, ohne irgendeinen unbeabsichtigten Spannungsabfall oder unbeabsichtigte Leistungsaufnahme gemessen werden, was somit einen Zellspannungsmessfehler vermeidet. Weil die Spannung eine Analogspannung ist, kann sie digitalisiert und wie erforderlich verarbeitet werden. Sobald die Messung abgeschlossen ist, kann der Schalter 330 geschlossen werden, um die Leistung durch den zweiten Pfad 320 wieder einzuschalten.The nodes (for example, the node 308 ) can be connected to a battery cell (eg the cell 302 ) over the ladder 306 be connected. In practice, the conductor causes 306 a voltage drop that introduces an error that interferes with accurate cell voltage measurements. In order to improve the measurement accuracy, therefore, in embodiments, the common switch 330 opened to interrupt the current passing through the conductor 306 and the resistance 312 . 314 flows practically to remove the resistors from the measuring circuit to avoid an IR voltage drop, which would otherwise falsify the voltage measurement (eg a difference voltage between cells) of the cell. As soon as the switch 330 is opened, the existing voltage in embodiments at the local capacitor 324 held, then z. For example, if a programmable settling time has elapsed (which may be adjusted according to the highest resistance or least equalizing current to allow the input to settle faster), the voltage, e.g. B. at the pin 326 can be measured without any unintentional voltage drop or unintentional power consumption, thus avoiding a cell voltage measurement error. Because the voltage is an analog voltage, it can be digitized and processed as required. Once the measurement is complete, the switch can 330 be closed to the power through the second path 320 turn back on.

In Ausführungsformen kann nach dem Messen z. B. von der unteren Zelle (nicht dargestellt) hinauf zur oberen Zelle 302, jedoch vor dem Messen der Spannung der oberen Zelle (ebenfalls nicht dargestellt) der gemeinsame Schalter 330 geöffnet werden (um den IR-Abfall zu reduzieren) und die obere Zelle gemessen werden, dann kann die Messung mit dem Messen von der oberen Zelle herunter zur unteren Zelle fortgesetzt werden.In embodiments, after measuring e.g. From the lower cell (not shown) up to the upper cell 302 but before measuring the voltage of the upper cell (also not shown) the common switch 330 opened (to reduce the IR drop) and the upper cell are measured, then the measurement can be continued with measuring from the upper cell down to the lower cell.

Die 4 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zum Identifizieren der höchsten Zellspannung in einem Batteriesatz gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Prozess 400 zum Identifizieren der höchsten Zellspannung beginnt im Schritt 402, wenn ein Schalter am gemeinsamen Knoten von einem gemeinsamen Knoten getrennt wird, um so zu verhindern, dass Strom zu einem Leistungspin in einer Schaltung fließt.The 4 FIG. 10 is a flow chart of an illustrative process for identifying the highest cell voltage in a battery pack according to various embodiments of the present disclosure. FIG. The process 400 to identify the highest cell voltage begins in the step 402 when a switch at the common node is disconnected from a common node so as to prevent current from flowing to a power pin in a circuit.

Im Schritt 404 werden Schalter, die mit einer Diode und einer Spannung in einer Dioden-ODER-Konfiguration gekoppelt sind, vom gemeinsamen Knoten getrennt, so dass der gemeinsame Knoten die höchste Zellspannung in der Schaltung annimmt. In Ausführungsformen kann diese höchste Zellspannung z. B. anhand einer Spannungsmessung am gemeinsamen Knoten bestimmt werden.In step 404 For example, switches coupled to a diode and a voltage in a diode-OR configuration are disconnected from the common node such that the common node assumes the highest cell voltage in the circuit. In embodiments, this highest cell voltage may e.g. B. be determined based on a voltage measurement at the common node.

Im Schritt 406 wird eine Zelle, die mit der höchsten Zellspannung in der Schaltung verknüpft ist, identifiziert.In step 406 a cell associated with the highest cell voltage in the circuit is identified.

Im Schritt 408 wird der Schalter am gemeinsamen Knoten mit dem gemeinsamen Knoten verbunden, um z. B. am Leistungspin die höchste Zellspannung oder eine Spannung zu ermitteln, die in Beziehung zur höchsten Zellspannung steht, z. B. eine Sammelschienenzellspannung, die die höchste Zellspannung umfasst.In step 408 the switch is connected to the common node at the common node, for. B. at the Leistungspin the highest cell voltage or to determine a voltage that is related to the highest cell voltage, z. A busbar cell voltage comprising the highest cell voltage.

Im Schritt 410 kann die Zelle, die mit der höchsten Zellspannung verknüpft ist, zum Ansteuern einer Last verwendet werden.In step 410 For example, the cell associated with the highest cell voltage can be used to drive a load.

Die 5 ist ein Schaltplan einer veranschaulichenden Schaltungsimplementierung des per Software konfigurierbaren Systems der 1, das die per Software konfigurierbare Schaltung der 2 nutzt. Die 6 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Prozesses zur Verwendung des per Software konfigurierbaren Systems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Prozess 600 beginnt mit dem Schritt 602, wenn eine Dioden-ODER-Schaltung verwendet wird, um z. B. bei einer Hochlaufbedingung die höchste Zellspannung in einem Batteriestapel zu bestimmen.The 5 FIG. 12 is a circuit diagram of an illustrative circuit implementation of the software configurable system of FIG 1 that the software configurable circuit of the 2 uses. The 6 FIG. 10 is a flowchart of an illustrative process for using the software-configurable system according to various embodiments of the present disclosure. FIG. The process 600 starts with the step 602 when using a diode-OR circuit, to z. B. in a run-up condition to determine the highest cell voltage in a battery pack.

Im Schritt 604 wird die Position einer Zelle, die die höchste verfügbare Spannung aufweist, bestimmt. Es versteht sich, dass die höchste verfügbare Spannung sich von der höchsten Zellspannung unterscheiden kann, weil zum Beispiel die Spannung an der Oberseite einer Sammelschiene nicht vollständig als der Spannungsabfall über der Sammelschiene selbst genutzt werden kann und je nach Richtung des durch die Sammelschiene fließenden Stroms negativ sein kann.In step 604 the position of a cell having the highest available voltage is determined. It is understood that the highest available voltage may differ from the highest cell voltage because, for example, the voltage at the top of a busbar can not be fully utilized as the voltage drop across the busbar itself and negative depending on the direction of the current flowing through the busbar can be.

Im Schritt 606 können auf Basis der Position der Zelle mit der höchsten verfügbaren Spannung Zellspannungen im Batteriestapel gemessen werden, um die Anzahl an aktiven Zellen zu bestimmen. In Ausführungsformen kann dies unter Verwendung eines Multiplexers erreicht werden, der mit dem Satz von Schaltern gekoppelt ist, um sequentiell alle Zellen im Batteriestapel zu messen.In step 606 can be measured based on the position of the cell with the highest available voltage cell voltages in the battery stack to determine the number of active cells. In embodiments, this may be accomplished using a multiplexer coupled to the set of switches to sequentially measure all cells in the battery pack.

Im Schritt 608 kann die Zelle mit der höchsten verfügbaren Spannung mit einem Leistungspin gekoppelt werden, um z. B. einen Elektromotor anzusteuern.In step 608 For example, the cell with the highest available voltage may be coupled to a power pin, e.g. B. to control an electric motor.

Es versteht sich, dass zusätzliche Überwachungs- und Batteriemanagementschritte durchgeführt werden können, z. B. Schritte in Bezug auf die Sicherheit, um nachzuprüfen, dass die detektierte Spannung ungefähr gleich der Summe aller Zellspannungen ist.It is understood that additional monitoring and battery management steps may be performed, e.g. For example, steps related to safety to verify that the detected voltage is approximately equal to the sum of all cell voltages.

Fachleute werden erkennen, dass kein Rechensystem und keine Programmiersprache für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung bedenklich ist. Fachleute werden ebenfalls erkennen, dass eine Reihe der oben beschriebenen Elemente physisch und/oder funktional in Untermodule getrennt oder miteinander kombiniert werden können.Those skilled in the art will recognize that no computing system and programming language is of concern to the practice of the present invention. Those skilled in the art will also recognize that a number of the elements described above may be physically and / or functionally separated or combined into submodules.

Für Fachleute versteht es sich, dass die vorhergehenden Beispiele und Ausführungsformen beispielhaft und für den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht beschränkend sind. Alle Umsetzungen, Verbesserungen, Äquivalente, Kombinationen und Verbesserungen daran, die für Fachleute nach einem Lesen der Spezifikation und einer Durchsicht der Zeichnungen offensichtlich sind, sollen im wahren Gedanken und im Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung enthalten sein. Es sei ebenfalls angemerkt, dass Elemente irgendwelcher Ansprüche anders angeordnet sein können, einschließlich des Aufweisens mehrerer Abhängigkeiten, Konfigurationen und Kombinationen.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing examples and embodiments are exemplary and not restrictive of the scope of the present disclosure. All implementations, improvements, equivalents, combinations, and improvements thereto that are obvious to those skilled in the art after a reading of the specification and a review of the drawings are intended to be included within the true spirit and scope of the present disclosure. It should also be appreciated that elements of any claims may be rearranged, including having multiple dependencies, configurations, and combinations.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 62673572 [0001]

Claims

A method of automatically identifying the highest cell voltage in a battery pack, the method comprising: Disconnecting an input pin in a circuit from a common node to prevent current from flowing between the common node and a set of power pins; Disconnecting a set of switches coupled in a diode-or-configuration from the common node, each switch coupled to at least one of a diode and a power pin, such that the common node assumes the highest cell voltage in the circuit; Identifying a cell associated with the highest cell voltage; Connecting a switch at the common node to the common node to obtain, at one of the power pins in the set of power pins, a voltage related to the highest cell voltage; and Use the identified highest cell voltage to draw power from the cell or to perform a diagnostic procedure.

Method according to Claim 1 wherein the diode-or-configuration serves as an analog multiplexer coupling the input pin with the highest cell voltage in the battery pack to indicate a position of the voltage sweep.

Method according to Claim 1 or 2 further comprising measuring the highest cell voltage at the common node.

Method according to one of Claims 1 - 3 further comprising determining a number of active cells in the battery pack.

Method according to one of Claims 1 - 4 wherein the highest cell voltage comprises a bus bar voltage.

Method according to one of Claims 1 - 5 further comprising using a multiplexer coupled to the set of switches to sequentially measure cell voltages in the battery pack.

Method according to Claim 6 wherein measuring cell voltages comprises sequentially measuring a voltage difference between adjacent cells.

Method according to one of Claims 1 - 7 , where the highest cell voltage is determined in a run-up condition.

A software configurable battery monitoring circuit for automatically identifying the highest cell voltage in a battery pack, the battery monitoring circuit comprising: an entrance pin; a switch at the common node coupled to the input pin and to a common node, wherein the switch at the common node, when disconnected from the common node, prevents current from flowing through the common node to the highest cell voltage in the battery monitoring circuit to determine; and a set of switches coupled to the common node, each switch further coupled to a power pin for receiving a cell voltage and to a diode, the set of switches being arranged in a diode-or-configuration such that when each switch is open, the common node is coupled to the highest cell voltage in the battery management circuit.

Battery monitoring circuit after Claim 9 wherein the power pin is coupled to the cell voltage via a voltage node in a low impedance electrical path, the battery monitoring circuit further comprising a high impedance electrical path coupled to the voltage node.

Battery monitoring circuit after Claim 9 or 10 wherein the diodes are internal body diodes directed opposite to an internal body diode of the switch at the common node, such that when the switch is opened at the common node, at least one diode is reverse biased.

Battery monitoring circuit according to one of Claims 9 - 11 further comprising a circuit that determines a number of active cells in the battery pack.

Battery monitoring circuit according to one of Claims 9 - 12 , where the highest cell voltage is determined in a run-up condition.

Battery monitoring circuit according to one of Claims 9 - 13 wherein the diode-or-configuration serves as an analog multiplexer coupling the input pin with the highest cell voltage in the battery pack to indicate a position of the voltage sweep.

Battery monitoring circuit according to one of Claims 9 - 14 wherein the highest cell voltage comprises a bus bar voltage.

Battery monitoring circuit according to one of Claims 9 - 15 further comprising a multiplexer coupled to the set of switches, the multiplexer sequentially measuring cell voltages in the battery pack.

A method of using a software configurable battery monitoring system, the method comprising: Using a diode-or-circuit to determine the highest cell voltage in a battery pack during a run-up condition; Determining a position of a cell with the highest available voltage; based on position, measuring the cell voltages in the battery pack to determine a number of active cells; and Use the highest cell voltage to draw power from the cell to drive a load or to perform a diagnostic procedure.

Method according to Claim 17 wherein the diode-or circuit couples with the highest cell voltage in the battery pack.

Method according to Claim 18 further comprising sequentially measuring cell voltages in the battery stack by measuring voltage differences between adjacent cells.

Method according to one of Claims 17 - 19 further comprising determining a number of active cells in the battery pack.