DE102021100497A1

DE102021100497A1 - Verfahren zum Messen einer komplexen Impedanz von Batteriezellen, Schaltkreis und Batterieverwaltungssystem

Info

Publication number: DE102021100497A1
Application number: DE102021100497.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Berger; Klaus Hörmaier; Günter Hofer; Stefano Marsili; Akshay Misra; Matthias Rose; Christian Winkler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2021-07-22
Also published as: US20210223327A1; CN113138350A; US11543461B2

Abstract

Ein Verfahren zum Messen einer komplexen Impedanz mehrerer Batteriezellen in einem Batteriepack umfasst Folgendes: Steuern eines Anregungsstroms durch die mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack; Empfangen, in einem einzigen gemeinsamen Messschaltkreis, mehrerer Spannungssignale, die den mehreren Batteriezellen entsprechen; Messen des Anregungsstroms; und Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der Batteriezellen in den mehreren Batteriezellen basierend auf den mehreren Spannungssignalen und dem gemessenen Anregungsstrom in einem einzigen Messzyklus unter Verwendung entweder eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) pro Batteriezelle oder zwei abgestimmter ADCs pro Batteriezelle.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystem und -verfahren.
HINTERGRUND
Eine Elektrofahrzeugbatterie (EVB) ist eine Batterie, die zum Versorgen des Antriebssystems eines Batterieelektrofahrzeugs (BEV) mit Leistung verwendet wird. Fahrzeugbatterien sind üblicherweise eine Sekundär(wiederaufladbare)-Batterie, sind typischerweise Lithiumionenbatterien und umfassen typischerweise mehrere Batteriezellen in einem Batteriepack. Ein typisches Batteriepack kann zahlreiche Batteriezellen umfassen, zum Beispiel bis zu 100 Batterien in jedem Batteriepack. Ein Mess-Integrierter-Schaltkreis (IC) und andere externe Komponenten werden typischerweise zum Messen der DC-Impedanz jeder Batteriezelle in dem Batteriepack verwendet. Implementierungskosten zum Messen jeder Batteriezelle in dem Batteriepack sind daher signifikant und die Anzahl an Knoten in einer entsprechenden Kommunikationskette ist auch recht hoch, was zu den Implementierungskosten beiträgt.
KURZDARSTELLUNG
Es werden ein Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert, ein Schaltkreis, wie in Anspruch 5 definiert, und ein Batterieverwaltungssystem, wie in Anspruch 14 definiert, bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Messen einer komplexen Impedanz mehrerer Batteriezellen in einem Batteriepack Folgendes: Steuern eines Anregungsstroms durch die mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack; Empfangen, in einem einzigen gemeinsamen Messschaltkreis, mehrerer Spannungssignale, die den mehreren Batteriezellen entsprechen; Messen des Anregungsstroms; und Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der Batteriezellen in den mehreren Batteriezellen basierend auf den mehreren Spannungssignalen und dem gemessenen Anregungsstrom in einem einzigen Messzyklus unter Verwendung entweder eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) pro Batteriezelle oder zwei abgestimmter ADCs pro Batteriezelle.
Gemäß einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Schaltkreis Folgendes: einen Spannungsmessschaltkreis, der mit mehreren Eingangsspannungspadpaaren gekoppelt ist, wobei die Eingangsspannungspadpaare zum Koppeln mit entsprechenden mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in einem Batteriepack konfiguriert sind; ein High-Side-Pad, das zum Koppeln mit einem ersten Ende der mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in dem Batteriepack konfiguriert ist; ein Low-Side-Pad, das zum Koppeln mit einem zweiten Ende der mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in dem Batteriepack konfiguriert ist; einen Anregungsstromgenerator, der zwischen dem High-Side-Pad und dem Low-Side-Pad gekoppelt ist, zum Steuern eines Wechselstroms, der durch die mehreren Batteriezellen fließt; einen Strommessschaltkreis, der mit einem Stromerfassungselement gekoppelt ist, das zum Erzeugen einer Spannung konfiguriert ist, die einen Strom durch wenigstens eine der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack repräsentiert; wenigstens ein abgestimmtes Paar von Analog-Digital-Wandlern (ADCs); und einen Digitalverarbeitungsschaltkreis, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem Stromerfassungselement gekoppelt ist und der zu Folgendem konfiguriert ist: Aktivieren des Anregungsstromgenerators, Empfangen eines Spannungsmesssignals von dem Spannungsmessschaltkreis, Messen des empfangenen Spannungsmesssignals mit einem ADC eines abgestimmten Paares, Empfangen eines Strommesssignals von dem Strommessschaltkreis, Messen des empfangenen Strommesssignals mit dem anderen ADC des abgestimmten Paares, und Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack in einem einzigen Messzyklus aus dem empfangenen Spannungsmesssignal und dem empfangenen Strommesssignal.
Gemäß einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Batteriemesssystem Folgendes: eine Anregungsstromquelle, die dazu konfiguriert ist, über mehrere Batteriezellen gekoppelt zu werden; ein Stromerfassungselement, das mit der Anregungsstromquelle gekoppelt ist; mehrere separate Datenwandlerschaltkreise, wobei jeder separate Datenwandlerschaltkreis der mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise einen Stromerfassungseingang, der mit dem Stromerfassungselement gekoppelt ist, und ein Paar von Spannungserfassungseingängen beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, über eine entsprechende Batteriezelle der mehreren Batteriezellen gekoppelt zu werden, und jeder separate Datenwandlerschaltkreis zum Bereitstellen von Strommessdaten basierend auf einem Signal an dem Stromerfassungseingang und Spannungsmessdaten basierend auf einem Signal an dem Paar von Spannungserfassungseingängen konfiguriert ist; und einen Digitalverarbeitungsschaltkreis, der mit den mehreren separaten Datenwandlerschaltkreisen gekoppelt ist, wobei der Digitalverarbeitungsschaltkreis zum Berechnen einer komplexen Impedanz für jede Batteriezelle der mehreren Batteriezellen basierend auf den Strommessdaten und den Spannungsmessdaten konfiguriert ist, die durch den separaten Datenwandler bereitgestellt werden, der mit der entsprechenden Batteriezelle assoziiert ist.
Figurenliste
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Vorteile von dieser wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen gilt:

1A ist ein Blockdiagramm eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems zum Messen der AC-Impedanz eines Beispiels von drei Batteriezellen in einem Batteriepack;
1B veranschaulicht ein Blockdiagramm eines in 1A gezeigten Ansteuerungsschaltkreises;
2A ist ein schematisches Diagramm eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems zum Messen der AC-Impedanz eines Beispiels von drei Batteriezellen in einem Batteriepack;
2B ist ein schematisches Diagramm eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems, das zum Überwachen der AC-Impedanz eines Zellenverbinders zwischen zwei der drei in 1 gezeigten Batteriezellen konfiguriert ist;
3 ist ein schematisches Diagramm einer parallelen Implementierung eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems;
4 ist ein Zeitverlaufsdiagramm einer Messsequenz für die parallele Implementierung aus 3;
5 ist ein schematisches Diagramm einer sequentiellen Implementierung eines AC-Impedanzmesssystems mit einem Multiplexer (MUX) und einem ADC pro Batteriezelle;
6 ist ein Zeitverlaufsdiagramm einer beispielhaften Messsequenz der sequentiellen Implementierung aus 5;
7 ist ein schematisches Diagramm einer Implementierung eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems mit einem einzigen Paar von ADCs und einem MUX;
8 ist ein Zeitverlaufsdiagramm einer beispielhaften Messsequenz für die Implementierung aus 7.
9 ist ein schematisches Diagramm einer Einzel-ADC-Implementierung eines Mehrfachzellenimpedanzmesssystems;
10 ist ein Zeitverlaufsdiagramm einer beispielhaften Messsequenz für die Einzel-ADC-Implementierung aus 9;
11 veranschaulicht Komponenten und Signale der ersten zwei Schritte eines AC-Impedanzmessalgorithmus gemäß einer Ausführungsform;
12 veranschaulicht Komponenten und ein Signal von vier anschließenden Schritten des AC-Impedanzmessalgorithmus gemäß einer Ausführungsform;
13 veranschaulicht einen Host-Computer zum Anzeigen von Ergebnissen des AC-Impedanzmessalgorithmus gemäß einer Ausführungsform; und
14 veranschaulicht ein Flussdiagramm des AC-Impedanzmessalgorithmus gemäß einer Ausführungsform entsprechend 11, 12 und 13.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Fertigung und Verwendung der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen werden unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, welche in einer großen Vielzahl spezieller Zusammenhänge umgesetzt werden können. Die besprochenen speziellen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung spezieller Arten zum Fertigen und Verwenden der Erfindung und beschränken den Schutzumfang der Erfindung nicht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem speziellen Zusammenhang, ein System und ein Verfahren zum Messen einer AC-Impedanz in einem Mehrfachzellenbatteriesystem beschrieben. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können jedoch auf andere Typen von Schaltkreisen und Systemen angewandt werden, die Impedanzmessungen nutzen.
Gemäß einer Ausführungsform misst ein Impedanzmesssystem eine Impedanz jeder mehrerer in Reihe gekoppelter Batteriezellen durch Anlegen eines AC-Stroms an die mehreren Batteriezellen und Messen der Spannung über jede Batteriezelle hinweg, während der AC-Strom angelegt wird. Bei manchen Ausführungsformen werden diese Messungen während eines einzigen Messzyklus vorgenommen. Bei manchen Ausführungsformen wird die AC-Impedanz oder komplexe Impedanz jeder der mehreren gemessen. Bei einer Ausführungsform kann eine einzelne Batteriezelle eine physische Batteriezelle umfassen. Bei anderen Ausführungsformen kann eine einzelne Batteriezelle eine Logikzelle umfassen, die eine Reihen- oder Parallelkombination physischer Batteriezellen umfasst, oder andere Konfigurationen und Kombinationen physischer Batteriezellen.
Bei manchen Ausführungsformen sind die mehreren Batteriezellen, deren komplexe Impedanz gemessen wird, eine Teilmenge der Gesamtheit der Batteriezellen in dem Batteriepack. Obwohl das gesamte Batteriepack zum Beispiel einhundert Batteriezellen beinhalten kann, gibt es einen Vorteil, wenn ein integrierter Messschaltkreis (hier auch als ein „Chip“ bezeichnet) vorhanden ist, der zum Messen der komplexen Impedanz zwischen zwei bis achtzehn Batteriezellen und bevorzugt zwei bis sechs Batteriezellen konfiguriert ist. Bei diesen Ausführungsformen können Verdrahtungslängen zwischen den Batteriezellen und dem Messchip relativ kurz gehalten werden, was die Messgenauigkeit verbessert.
Bei manchen Ausführungsformen wird ein Paar abgestimmter ADCs verwendet, um die AC-Spannung und den AC-Strom zu messen, die mit einer einzelnen Batteriezelle assoziiert sind. Zum Beispiel wird ein erster ADC zum Umsetzen einer Spannung, die einen durch eine Batteriezelle fließenden Strom repräsentiert, in ein digitales Ausgangssignal verwendet und wird ein zweiter ADC, der mit dem ersten ADC abgestimmt ist, zum Umsetzen einer Spannung über die Batteriezelle in ein digitales Ausgangssignal verwendet. Für eine maximale Genauigkeit in den Messergebnissen ist es wünschenswert, dass diese ADCs abgestimmt sind, um Verstärkungs- und Versatzfehler zu minieren. Verfahren zum Herstellen eines Paares abgestimmter ADCs sind einem Fachmann wohlbekannt. Zum Beispiel weisen die abgestimmten ADCs die gleichen oder gespiegelte Layouts auf und befinden sich nahe beieinander oder grenzen an einen integrierten Schaltkreis an. Temperaturgradienten über den integrierten Schaltkreis hinweg werden typischerweise derart gesteuert, dass jeder ADC den gleichen oder einen ähnlichen Temperaturgradienten erfährt. Es wird darauf geachtet, dass jeder ADC ähnliche Herstellungsbedingungen während jedes der Herstellungsschritte erfährt, wie etwa eine Steuerung von Dotierungsgradienten. Andere Layout- und Herstellungstechniken sind in der Technik zum Abgleichen von Schaltkreisen, wie etwa Analog-Digital-Wandlern, bekannt. Bei anderen Ausführungsformen werden die Abgleichanforderungen durch Verwenden eines zeitgemultiplexten Einzel-ADC zum Umsetzen sowohl von Strom- als auch Spannungssignalen in ein entsprechendes digitales Signal minimiert.
Vorteile von Ausführungsformen beinhalten die Fähigkeit, eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) für Batteriepacks effizient zu implementieren. Diese Effizienzen können unter anderem eine schnellere Messzeit und die Fähigkeit, die Messschaltungsanordnung unter Verwendung einer kleineren Materialliste (BOM: Bill of Materials) und/oder einer geringeren Siliciumfläche als manche herkömmlichen Batteriezellenmessschaltkreise und -systeme zu implementieren, einschließen. Außerdem kann auch die AC-Impedanz von Zellenverbindern zwischen Batteriezellen effizient gemessen werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen, die Batterieverwaltungsanwendungen betreffen, können die komplexen AC-Impedanzinformationen zum Schätzen einiger interner Parameter einer Batteriezelle, wie etwa einer Batteriezelleninnentemperatur, eines Gesundheitszustands (SoH: State of Health) der Batteriezelle und eines Ladungszustands (SoC: State of Charge) der Batteriezelle unter anderen Parametern, verwendet werden.
Es gibt einen fundamentalen Unterschied zwischen der Messprozedur und den Informationen, die in einer DC-Impedanz (reale Zahl) und einer AC-Impedanz (komplexe Zahl) einer Batteriezelle enthalten sind. Die AC-Impedanz ist eine komplexe Zahl (Realteil + j Imaginärteil), wohingegen die DC-Impedanz nur eine reale Zahl ist. Dementsprechend kann die AC-Impedanz hier als die AC-Impedanz oder die komplexe Impedanz bezeichnet werden. Um Hauptzellenparameter bei unterschiedlichen Frequenzen gemäß der Anwendung zu schätzen, wird eine AC-Impedanz verwendet. Die Niederfrequenzimpedanz enthält Informationen über die zelleninternen chemischen Prozesse und kann zur SOC- und SOH-Schätzung verwendet werden. Diese Informationen befinden sich teilweise ich in der DC-Impedanz. Die höheren Frequenzen sind gegenüber SOC/SOH-Änderungen weniger empfindlich und können zum Schätzen der Innenzellentemperatur verwendet werden. Des Weiteren können der Real- und Imaginärteil der komplexen AC-Impedanz zur Unterscheidung zwischen internen Batterieprozessen verwendet werden. Zum Beispiel beeinflussen manche Batterieprozesse den Imaginärteil der Batterieimpedanz, beeinflussen andere Batterieprozesse den Realteil der Batterieimpedanz und beeinflussen noch andere Prozesse sowohl den Real- als auch Imaginärteil der Batterieimpedanz. Außerdem kann die Änderung der AC-Impedanz mit der Frequenz zum Charakterisieren von Batteriezellenparametern verwendet werden. Zum Beispiel kann die Innentemperatur der Batterie geschätzt werden, indem eine AC-Impedanzmessung innerhalb eines gewissen Frequenzbereichs durchgeführt wird. Dieser Frequenzbereich, über den diese Schätzung die genauste ist, kann mit Bezug auf Batterietyp und/oder Batterieherstellung variieren.
Zum Messen der AC-Impedanz eines ganzen Batteriepacks kann die Impedanz jeder einzelnen Batteriezelle überwacht werden. Eine Ausführungsform eines hier beschriebenen Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems stellt somit eine effiziente Lösung zum Messen der AC-Impedanz mehrerer gestapelter Batteriezellen sowie entsprechender Zellenverbinder unter Verwendung eines einzigen Mehrfachzellen-AC-Impedanz-IC bereit, wodurch die Gesamtsystemkosten reduziert werden.
1A ist ein Blockdiagramm eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems 10 zum Messen der AC-Impedanz eines Beispiels von drei Batteriezellen 12, 14 und 16 in einem Batteriepack 18 bei einer gegebenen Frequenz. Das Messsystem 10 beinhaltet eine AC-Stromquelle 20, die bei einer Ausführungsform einen Transistor und zusätzliche Komponenten, wie etwa Widerstände, umfassen kann. Die AC-Stromquelle 20 liefert einen AC-Anregungsstrom bei der gegebenen Frequenz an eine Teilmenge der Batteriezellen in dem Batteriepack 18, zum Beispiel die Batteriezellen 12, 14 und 16, die in Reihe gekoppelt sind. Der AC-Anregungsstrom fließt bei einer Ausführungsform in die Batteriezelle 12, durch die Batteriezelle 14 und aus der Batteriezelle 16. Der Strom, der aus der Batteriezelle 16 fließt, kehrt durch den Stromerfassungsschaltkreis 28 zu der AC-Stromquelle 20 zurück. Bei einer Ausführungsform kann der Stromerfassungsschaltkreis 28 einen Widerstand umfassen. Das Messsystem 10 kann einen Ansteuerungsschaltkreis 30 zum Empfangen eines digitalen Eingabewertes, der zum Beispiel eine Sinuswelle repräsentiert, von dem Mikroprozessor 32 und zum Liefern eines angemessenen Ansteuerungssignals an die AC-Stromquelle 20 beinhalten. Das Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystem 10 beinhaltet auch mehrere Spanungserfassungsschaltkreise 22, 24 und 26, die mit entsprechenden Batteriezellen 12, 14 und 16 gekoppelt sind. Die Spannung über jede der Batteriezellen 12, 14 und 16 wird durch ein Spannungserfassungselement, wie etwa bei einer Ausführungsform einen Analog-Digital-Wandler (ADC), erfasst. Ein Mikroprozessor 32 empfängt ein Signal von dem Stromerfassungsschaltkreis 28, das den AC-Anregungsstrom repräsentiert, der durch die Batteriezellen 12, 14 und 16 fließt. Der Mikroprozessor 32 empfängt auch Signale von den Spannungserfassungsschaltkreisen 22, 24 und 26, die die AC-Spannungsantwort von jeder der Batteriezellen 12, 14 und 16 repräsentieren. Der Mikroprozessor 32 beinhaltet eine Digitalsignalverarbeitungsschaltungsanordnung zum Berechnen der AC-Impedanz jeder der Batteriezellen 12, 14 und 16 durch Teilen der empfangenen AC-Spannungssignale durch das empfangene AC-Stromsignal. Die AC-Impedanzen werden an dem Ausgangsknoten 34 des Mikroprozessors 32 als ein digitaler Ausgabewert einschließlich eines Realteils und eines Imaginärteils bereitgestellt, welcher die AC-Impedanz bei der Anregungsfrequenz repräsentiert.
1B veranschaulicht ein Blockdiagramm des in 1A gezeigten Ansteuerungsschaltkreises 30. Bei einer Ausführungsform kann der Ansteuerungsschaltkreis 30 ein Gate-Ansteuerungsschaltkreis zum Ansteuern eines Transistor-Gates innerhalb der AC-Stromquelle 20 sein. Bei einer Ausführungsform umfasst der Ansteuerungsschaltkreis 30 einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 40 zum Empfangen des digitalen Eingabewertes von dem Mikroprozessor 32 an dem Eingangsknoten 42 und zum Erzeugen einer entsprechenden analogen Spannung, wie etwa einer Sinuswelle, bei einer gegebenen Frequenz. Der Ausgang des DAC 40 ist mit dem Eingang eines Pufferverstärkers 38 zum Ansteuern zum Beispiel des Gates eines Transistors innerhalb einer AC-Stromquelle 20 an dem Ausgangsknoten 36 gekoppelt.
Das Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystem 10 kann eine oder mehrere zusätzliche Komponenten, wie etwa jene in 1A gezeigten, zum Messen zusätzlicher Batteriezellen in dem Batteriepack 18 beinhalten. Das Messsystem 10 kann auch verwendet werden, um eine Reihe von AC-Impedanzmessungen bei verschiedenen Frequenzen vorzunehmen, so dass die Impedanz und Charakteristiken der gemessenen Batteriezellen unter Verwendung von elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), wie oben angemerkt, über ein Frequenzspektrum bestimmt werden kann. Obwohl in 1A eine einzige AC-Stromquelle 20 gezeigt ist, können bei Ausführungsformen auch einzelne AC-Stromquellen für jede Batteriezelle 12, 14 und 16 verwendet werden. Obwohl die AC-Stromquelle 20 einen einzigen Transistor und assoziierte ohmsche Komponenten umfassen kann, kann ein beliebiger bekannter Stromquellenschaltkreis verwendet werden. Repräsentative Ausführungsformen des in 1A gezeigten Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems 10 sind in zusätzlichen Zeichnungsfiguren gezeigt und unten ausführlicher beschrieben.
2A ist ein schematisches Diagramm eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems 100 zum Messen der AC-Impedanz eines Beispiels von drei Batteriezellen in einem Batteriepack. Ein Batteriepack beinhaltet mehrere Batteriezellen, wobei drei Batteriezellen 102, 106 und 110 gezeigt sind. Außerdem sind Zellenverbinder 104 und 108 gezeigt. Jede Batterie beinhaltet typischerweise erste mehrere Anschlüsse 128 zum Herstellen einer ersten Kelvin-Verbindung, eine interne Batteriezelle 132 und mehrere Anschlüsse 130 zum Herstellen einer zweiten Kelvin-Verbindung. Es wird angemerkt, dass wenigstens einer der Kelvin-Verbindung-Anschlüsse an jedem Ende der Batterien 102, 106 und 110 nicht mit einer anderen Batteriezelle geteilt wird. Die Bereitstellung von Kelvin-Anschlüssen an jedem Batteriezellenende stellt sicher, dass eine Verbinderimpedanz zwischen Batteriezellen angemessen gemessen werden kann. Das Messen der Verbinderimpedanz ist unten mit Bezug auf 2B ausführlicher beschrieben. Jeder Zellenverbinder 104, 108 beinhaltet einen ohmschen Teil 124 und einen induktiven Teil 126. Der einzige integrierte Schaltkreis oder die einzige PCB 118 wird zum gleichzeitigen Überwachen der Impedanzen (Zn, Zn-1 und Zn+1) mehrerer Batteriezellen durch entsprechende mehrere Padpaare verwendet. Die reduzierte Anzahl an PCBs oder ICs und externen Komponenten reduziert die Kosten des Gesamtsystems im Vergleich zu einem Einzelzellenansatz erheblich. Je mehr Batterien mit einem Mehrfachzellen-IC 118 überwacht werden, desto höher ist die potentielle Kostenreduzierung.
2A veranschaulicht somit ein beispielhaftes AC-Impedanzmess-IC-System 100 zum gleichzeitigen Messen der Impedanz von drei Batteriezellen 102, 106 und 110 mit einem Mehrfachzellenimpedanz-IC 118 in einem einzigen Messzyklus, der eine oder mehrere Messperioden, T_Mess, umfassen kann. Das AC-Impedanzmesssystem und der Mehrfachzellenimpedanz-IC und ein Betriebsverfahren sind unten ausführlicher beschrieben.
2B ist ein schematisches Diagramm eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems, das zum Überwachen der AC-Impedanz eines Zellenverbinders zwischen zwei der drei in 2A gezeigten Batteriezellen konfiguriert ist. 2B ist im Wesentlichen die gleiche schematische Darstellung, wie sie in 2A gezeigt wurde, mit der Ausnahme, dass eine AC-Impedanz des Zellenverbinders 108 als Zcc beschriftet ist und als 28 µΩ und 4,38 nH für eine typische Anwendung gezeigt ist. Die Impedanzwerte des Zellenverbinders 108 können in Abhängigkeit von dem Prozess und den Materialien, die für den Zellenverbinder verwendet werden, variieren und liegen typischerweise in dem µΩ- und nH-Bereich. Die AC-Impedanz des Zellenverbinders 108 und der Batteriezelle 110 ist als Zn+1 + Zcc beschriftet und die AC-Impedanz der Batteriezelle 110 ist als Zn+1 beschriftet. Außerdem ist der Mehrfachzellenimpedanz-IC 118 als einen Multiplexer (MUX) 136 mit einem Eingang, der mit einem Pad V2AC_p gekoppelt ist, das mit dem zweiten Kelvin-Verbinder der Batteriezelle 106 gekoppelt ist, mit einem Eingang, der mit einem Pad V3AC_n gekoppelt ist, das mit dem ersten Kelvin-Verbinder der Batteriezelle 110 gekoppelt ist, und mit einem Eingang, der mit einem Pad V3AC_p gekoppelt ist, das mit dem zweiten Kelvin-Verbinder der Batteriezelle 110 gekoppelt ist, beinhaltend gezeigt. Der Mehrfachzellenimpedanz-IC 118 beinhaltet auch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 134, der mit dem MUX 136 gekoppelt ist.
Dementsprechend ist ein weiterer Vorteil des hier beschriebenen Mehrfachzellen-AC-Impedanz-Verfahrens gemäß Ausführungsformen, dass es die Möglichkeit des Überwachens der Impedanz des Zellenverbinders 108 bietet, der eine Nennimpedanz von 28 µΩ und 4,38 nH aufweist. Die Zellenverbinderimpedanzüberwachung kann als eine Diagnostikfunktion implementiert sein. Sie wird verwendet, um zu überprüfen, ob die Verbindung zwischen den entsprechenden Zellen 106 und 110 bei einer Ausführungsform aufgrund zum Beispiel von Korrosion oder Schweißstellen, die sich lösen, signifikant verschlechtert wurde. 2B zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zum Überwachen der Zellenverbinderimpedanz Zcc mit einem integrierten Mehrfachzellenimepdanzschaltkreis 118.
Zum Messen der Zellenverbinderimpedanz Zcc zwischen der Batteriezelle 106 (Batterie n) und der Batteriezelle 110 (Batterie n+1) können zwei verschiedene Messverfahren verwendet werden: ein Deltamessverfahren und ein Direktzellenverbindermessverfahren.
Für die Deltamessung wird die Impedanz Zn+1 in einem ersten Schritt gemessen, dann wird das V3AC_n-Signal über den internen MUX 136 mit dem V2AC_p-Signal ausgetauscht und wird die Impedanz Zn+1 + Zcc in einem zweiten Schritt gemessen und wird die Differenz zwischen den zwei Messungen berechnet, um die Impedanz des Verbinders Zcc = Zn+1 + Zcc - Zn+1 in einem dritten Schritt zu erhalten. Das Deltamessverfahren weist den Vorteil auf, dass die erwarteten Impedanzen immer in einem Wertebereich liegen, in dem das Impedanzmesssystem eine akzeptable Leistungsfähigkeit aufweist, aber es werden zwei Messungen benötigt.
Für die Direktzellenverbindermessung wird der interne Mux 136 verwendet, um das V3AC_n-Signal und das V2AC_p-SIgnal direkt mit dem ADC 134 zu verbinden, um die Impedanz Zcc direkt zu messen. Das Direktzellenverbindermessverfahren benötigt nur eine Messung, aber die Messungsergebnisse können weniger genau sein, da die erwarteten Werte sehr klein sind.
Der Multiplexer 136 ist mit einem (in 2B nicht gezeigten) Digitalverarbeitungsschaltkreis gekoppelt, um eine erste komplexe Impedanz einer ersten Batteriezelle 110 der mehreren Batteriezellen zu berechnen und eine zweite komplexe Impedanz einschließlich der ersten komplexen Impedanz der ersten Batteriezelle 110 plus einer komplexen Reihenimpedanz eines Zellenverbinders 108 zu berechnen, der mit der ersten Batteriezelle 110 verbunden ist. Die komplexe Impedanz des Zellenverbinders 108 wird bei einer Ausführungsform durch den Digitalverarbeitungsschaltkreis durch Subtrahieren der ersten komplexen Impedanz von der ersten komplexen Impedanz berechnet.
Der in 2B gezeigte integrierte Mehrfachzellenimepdanzschaltkreis 118 einschließlich des Multiplexers 136 und des ADC 134 zum Bereitstellen der Verbinderimpedanzmessfunktion kann zu integrierten Mehrfachzellenschaltkreis 314A, der in 3 gezeigt ist, 314B, der in 5 gezeigt ist, 314C, der in 7 gezeigt ist, und 314D, der in 9 gezeigt ist, vereint werden, die unten ausführlicher beschrieben sind. Der Ausgang des ADC 134 ist mit den entsprechenden Digitalverarbeitungsschaltkreisen 316A, 316B, 316C und 316D gekoppelt.
3 ist ein schematisches Diagramm einer vollständig parallelen Implementierung eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems 300 und ist eine spezielle Ausführungsform des Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems 10, das oben mit Bezug auf 1A gezeigt und beschrieben ist. Das Messsystem 300 veranschaulicht mehrere Batteriezellen 302, 304, 306, 308 und 310 in einem Batteriepack, einen Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A, der sich auf einer PCB 312A befindet, einschließlich anderer unten ausführlicher beschriebener Messkomponenten. Bei manchen Ausführungsformen ist der Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A auf einem einzigen Halbleitersubstrat, wie etwa einem Siliciumsubstrat, angeordnet. Alternativ dazu können die Mehrfachzellenimpedanz-ICs 314A über mehrere separate Halbleitersubstrate aufgeteilt sein. Die unten beschriebenen Mehrfachzellenimpedanz-ICs 314B, 314C, 314D und 314E können ähnlich aufgeteilt sein.
Die verbleibenden Batteriezellen in dem Batteriepack sind in 3 nicht gezeigt. Obwohl fünf Batteriezellen des Batteriepacks gezeigt sind, werden nur drei der Batteriezellen 304, 306 und 308 durch den Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A gemessen. Obwohl in 3 drei Batteriezellen gemessen werden, kann eine beliebige Anzahl an Batteriezellen in einem einzigen Messzyklus gemessen werden. Zum Beispiel können zwei bis achtzehn Batteriezellen in einem einzigen Messzyklus unter Verwendung eines einzigen Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A gemessen werden. Bei einer Ausführungsform, bei der fünf Batteriezellen unter Verwendung eines einzigen Mehrfachzellenimpedanz-IC gemessen werden, würden insgesamt zwanzig Mehrfachzellenimpedanz-ICs zum Überwachen eines Batteriepacks mit einhundert Batteriezellen in Reihe verwendet werden. Alternativ dazu könnte auch eine Multiplexschaltungsanordnung zum sequentiellen Koppeln eines oder mehrerer Mehrfachzellenimpedanz-ICs mit fünf Batteriezellen zu einer Zeit verwendet werden.
Der Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A umfasst Folgendes: mehrere Eingangsspannungspadpaare V1AC_n und V1AC_p, V2AC_n und V2AC_p und V3AC_n und V3AC_p, die zum Koppeln mit entsprechenden mehreren Batteriezellen 308, 306 und 304 in einem Batteriepack konfiguriert sind; ein Ausgangsspannungspad (High-Side-Pad) VZELLE, das zum Koppeln mit einer der mehreren Batteriezellen 304 in dem Batteriepack konfiguriert ist; ein Massepad (Low-Side-Pad) GNDA, das zum Koppeln mit wenigstens einer anderen der mehreren Batteriezellen 308 in dem Batteriepack konfiguriert ist; ein Strommerfassungspadpaar (Stromerfassungselement) CS_p und CS_n, das zum Empfangen einer Spannung konfiguriert ist, die einen Strom durch wenigstens eine der mehreren Batteriezellen 304, 306 und 308 in dem Batteriepack repräsentiert; und einen Digitalverarbeitungsschaltkreis 316A, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren V1AC_p und V1AC_n, V2AC_p und V2AC_n und V3AC_p und V3AC_n und dem Stromerfassungspadpaar CS_p und CS_n gekoppelt ist und zum Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack in einem einzigen Messzyklus konfiguriert ist. Bei einer Ausführungsform kann die Spannung zur Leistungsversorgung des Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A und anschließender Mehrfachzellenimpedanz-ICs durch die Batteriezellen 304, 306 und 308 bereitgestellt werden.
Die PCB 312A umfasst ferner einen Transistor T_CL, der zwischen dem Ausgangsspannungspad VZELLE und dem Massepad GNDA zum Erzwingen eines einzigen Stroms durch die mehreren Batteriezellen 304, 306 und 308 in dem Batteriepack gekoppelt ist. Der Transistor T_CL und der Widerstand R_L implementieren ein Beispiel für eine AC-Stromquelle 20 (hier auch als ein Anregungsstromgenerator bezeichnet, der bei einer Ausführungsform auch die Gate-Ansteuerung 30 beinhalten kann) und ein Reihenwiderstand implementiert ein Beispiel für den Stromerfassungsschaltkreis 28. Bei einer Ausführungsform ist ein Lastwiderstand R_L mit einem typischen Widerstandswert von etwa 1,5 Ω zwischen dem Drain des Transistors T_CL und dem VZELLE-Pad des Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A und dem VZELLE-Pad der PCB 312A gekoppelt. Der Lastwiderstand R_L kann ein beliebiger Widerstand sein, der für eine spezielle Anordnung geeignet ist, mit einem Wert je nach Wunsch oberhalb oder unterhalb von 1,5 Ω. Ein Stromerfassungswiderstand R_S mit einem typischen Widerstandswert von etwa 100 mΩ (obwohl ein beliebiger angemessener Widerstandswert in einer speziellen Anwendung verwendet werden kann) ist zwischen der Source des Transistors T_CL und dem GNDA-Pad des Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A und dem GND_A-Pad der PCB 312A gekoppelt. Der Stromerfassungswiderstand R_S ist auch mit dem Stromerfassungspadpaar CS_p und CS_n gekoppelt. Bei einer Ausführungsform kann der Erfassungswiderstand R_S alternativ dazu auf der High-Side zwischen VZELLE und dem Drain des Transistors T_CL oder, falls gewünscht, sogar in Reihe mit dem Hauptbatteriepackstrom platziert werden. Das Gate des Transistors T_CL ist mit dem Gate-Ansteuerung-G-Pad des Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A gekoppelt. Die Gate-Ansteuerung 30 ist in 3 und in anschließenden Figuren gezeigt und ist zwischen dem Digitalverarbeitungsschaltkreis 316A und dem Gate-Ansteuerung-G-Pad gekoppelt. Bei einer Ausführungsform können der Lastwiderstand R_L, der Transistor T_CL und der Stromerfassungswiderstand R_S alle innerhalb des Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A gefertigt sein. Obwohl eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen dem Transistor T_CL und dem Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A gezeigt ist, können der Transistor T_CL sowie der Lastwiderstand R_L und der Reihenwiderstand R_S zwischen mehreren Mehrfachzellen-ICs zum sequentiellen Ansteuern von Gruppen von Batteriezellen in dem Batteriepack gemultiplext werden.
Die PCB 312A weist dementsprechend einen Spiegel-Pinout einschließlich eines Pads auf, das den oben mit Bezug auf den Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A beschriebenen Pads entspricht, mit Ausnahme des Stromerfassungspadpaares CS_p und CS_n und des Gate-Ansteuerung-G-Pads. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Satz von Pads verwendet werden, falls der Transistor T_CL und die Widerstände R_L und R_S in den Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A integriert sind.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform umfasst der Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A Folgendes: erste mehrere Analog-Digital-Wandler 322, 320 und 318, die zwischen den mehreren Eingangsspannungspadpaaren V1AC_p und V1AC_n, V2AC_p und V2AC_n und V3AC_p und V3AC_n und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis 316A gekoppelt sind; zweite mehrere AnalogWandler 324, 326 und 328, die zwischen dem Stromerfassungspadpaar CS_p und CS_n und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis gekoppelt sind. Eine beliebige geeignete Architektur kann für die ADCs 318, 320, 322, 324, 326 und 328 verwendet werden, wie etwa ein Sigma-Delta-ADC. Eine beliebige geeignete Abtastrate kann verwendet werden, solange die Abtastrate größer als oder gleich der Nyquist-Rate des höchstfrequenten verwendeten AC-Anregungsstroms ist.
3 zeigt dementsprechend die Implementierung eines Mehrfachzellenimpedanzmesssystems, das das Beispiel einer Lösung mit drei Batteriezellen verwendet, wobei die Batteriezelle n+1 304, die Batteriezelle n 306 und die Batteriezelle n-1 308 durch einen Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A überwacht werden.
4 zeigt die entsprechende Messsequenz 400 für das in 3 gezeigte Messsystem 300. Obwohl in 4 drei zu messende Batteriezellen gezeigt sind, versteht es sich für einen Fachmann, dass eine beliebige Anzahl an Batteriezellen in einem einzigen Messzyklus gemessen werden kann. 4 zeigt drei gemessene Anregungsströme 402, 404 und 406 sowie drei gemessene Batteriezellenspannungen 408, 410 und 412. Eine Nachverarbeitung 414A in einem Digitalkern 316A berechnet drei komplexe Impedanzwerte Z_1C, Z_2C und Z_3C. Die Berechnung jeder einzelnen komplexen Impedanz folgt der folgenden Formel: $Z_{x C} = \frac{V_{x C}}{I_{x C} / R_{s ℝ}}$
wobei Z_xC, V_xC und I_xC komplexe Zahlen sind, x der Index der zu messsenden Zelle ist und R_sR die realwertige Verstärkung ist, die durch die Strom-zu-Spannung-Umwandlung des Erfassungswiderstands bewirkt wird. Die Umsetzung des ADC-Wertes in einen komplexen V/I-Wert erfolgt über digitale Filterung/Berechnungen, die mit Bezug auf 11-13 ausführlicher beschrieben sind. Jeglicher Verstärkungs- und Phasenfehlabgleich zwischen dem Paar von Spannungs-ADC-Werten und Strom-ADC-Werten (z. B. V1-ADC 412 und I1-ADC 406), die durch Fehlabgleiche zwischen den ADCs und den assoziierten Signalpfaden verursacht werden, können einen Fehler in der berechneten Impedanz verursachen. Dementsprechend wird ein guter Abgleich die Genauigkeit der berechneten Impedanz verbessern. Bei manchen Ausführungsformen können in der Technik bekannte Schaltkreisabgleichtechniken verwendet werden, um die Verstärkung und Phase der verschiedenen Signalpfade abzugleichen, um die Genauigkeit der berechneten Impedanz zu verbessern. Bei einer Ausführungsform, die mit dem in 3 gezeigten Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystem 300 assoziiert ist, werden mit einer speziellen Batteriezelle assoziierte ADCs miteinander abgeglichen, um Variationen des Verhältnisses der gemessenen Spannung zu dem gemessenen Strom zu reduzieren. Zum Beispiel werden der V1-ADC 322 und der I1-ADC 328, die mit der Batteriezelle 308 assoziiert sind, miteinander abgeglichen; werden der V2-ADC 320 und der I2-ADC 326, die mit der Batteriezelle 306 assoziiert sind, miteinander abgeglichen; und werden der V3-ADC 318 und der I2-ADC 324, die mit der Batteriezelle 304 assoziiert sind, abgeglichen. Jedes Paar von ADCs (die gemeinsam als ein „separater Datenumwandlungsschaltkreis“ bezeichnet werden können) kann abgeglichen werden, indem jeder ADC des Paares von ADCs aneinander angrenzend auf dem Mehrfachzellenimpedanz-IC 314A lokalisiert wird, indem ein identisches Layout für jeden ADC verwendet wird, indem Schaltkreiskomponenten des Paares von ADCs ineinandergreifend verschränkt werden und/oder indem Signalpfade ausgeglichen werden, die mit jedem ADC in dem Paar von ADCs assoziiert sind.
Es wird angemerkt, dass in 4 ein einziger Messzyklus in einer einzigen Messperiode T_Mess erreicht wird, wobei sämtliche der Spannungs- und Strommessungen gleichzeitig durchgeführt werden.
Die in 3 und 4 gezeigte Messungsimplementierung verwendet einen gemeinsamen Anregungsstrom aller gemessener Batteriezellen und einzelne Erfassungsdrähte für jede Batteriezelle. Dieser Ansatz weist insofern einen Vorteil gegenüber einer einzelnen Anregung jeder Zelle auf, dass er die Anzahl an erforderlichen externen Komponenten reduziert, d. h., nur ein Transistor, Erfassungswiderstand und Lastwiderstand werden jeweils pro Mehrfachzellenimpedanz-IC benötigt. Bei manchen Ausführungsformen kann ein (nicht gezeigter) Multiplexer zwischen den Kelvin-Verbindungen der Batterien 304, 306 und 308 und dem Eingang der ADCs 318, 320 und 322 gemäß der Ausführungsform aus 2 gekoppelt sein, um das Messen der komplexen Impedanz von Zellenverbindern zu vereinfachen, die zwischen jeder Batteriezelle 304, 306 und 308 gekoppelt sind.
Zusätzliche Ausführungsformen des Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems 10, das oben mit Bezug auf 1A gezeigt und beschrieben ist, sind unten mit Bezug auf 5 bis 10 beschrieben.
5 ist ein schematisches Diagramm einer parallelen/sequentiellen Implementierung eines AC-Impedanzmesssystems 700 mit einem Multiplexer (MUX) und einem ADC pro Batteriezelle. Wie gezeigt, ist jeder ADC 318, 320 und 322 (die jeweils als ein „separater Datenumwandlungsschaltkreis“ bezeichnet werden können) mit einer entsprechenden Batteriezelle 304, 306 und 308 assoziiert. Der Mehrfachzellenimpedanz-IC 314B beinhaltet einen Multiplexer 332, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren V1AC_p und V1AC_n, V2AC_p und V2AC_n und V3AC_p und V3AC_n und dem Stromerfassungspadpaar CS_p und CS_n gekoppelt ist, und mehrere Analog-Digital-Wandler 318, 320 und 322, die zwischen dem Multiplexer 332 und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis 316B gekoppelt sind. Eine PCB 312B und die Batteriezellen 302, 304, 306, 308 und 310 sind im Wesentlichen wie zuvor zum Beispiel in 3 gezeigt. Der Digitalverarbeitungsschaltkreis 316B ist so beschriftet, dass er separate Strom- und Spannungskomponenten (I1/V1, I2/V2 und I3/V3) zeigt, da die Impedanz jeder Batteriezelle nun sequentiell berechnet wird.
Die in 5 gezeigte Implementierungsvariante verwendet einen ADC pro gemessener Batteriezelle, einen MUX 332 und einen sequentiellen Zwei-Schritte-Ansatz zum Messen der Impedanz aller Zellen. Der Messzyklus 800 zum Berechnen der komplexen Impedanzen jeder Batteriezelle ist in 6 als ein Beispiel gezeigt. 6 zeigt drei Anregungsströme 402, 404 und 406, die in einem ersten Messzeitraum T_Mess gemessen werden, drei Batteriezellenspannungen 408, 410 und 412, die in einem zweiten Messzeitraum T_Mess gemessen werden, obwohl andere Messungspermutationen möglich sind (zum Beispiel können ein Strom und zwei Spannungen in einem ersten Schritt gemessen werden und können eine Spannung und zwei Ströme in einem zweiten Schritt gemessen werden). Zuerst messen alle ADCs den Strom und die resultierenden Werte werden gespeichert. Dann misst jeder ADC die Batteriezellenspannung und die Impedanz wird aus dem Spannung-zu-Strom-Verhältnis berechnet. Zwei Messzeiträume sind für einen einzigen Messzyklus notwendig. Eine Nachverarbeitung 414B, die durch den Digitalverarbeitungsschaltkreis 316B bereitgestellt wird, berechnet sequentiell die komplexen Impedanzen jeder Batteriezelle Z_1C, Z_2C und Z_3C. Der in 6 gezeigte Messzyklus 800 reduziert die Anzahl an erforderlichen ADCs auf einen pro zu messender Zelle, aber die erforderliche Messzeit für alle Zellen ist im Vergleich zu einer vollständig parallelen Implementierung verdoppelt. Jedoch ist ein Vorteil des in 6 gezeigten Messverfahrens, dass das Abgleichproblem zwischen den ADCs reduziert wird. Bei manchen Ausführungsformen kann der MUX 332 verwendet werden, um die Kelvin-Verbindung zu den Batteriezellen 304, 306 und 308 gemäß der Ausführungsform aus 2 zu routen, um das Messen der komplexen Impedanz von Zellenverbindern zu vereinfachen, die zwischen jeder Batteriezelle 304, 306 und 308 gekoppelt sind.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Implementierung eines Mehrfachzellen-AC-Impedanzmesssystems 900 mit einem einzigen Paar von ADCs 330 und 334 und einem MUX 332. Der Mehrfachzellenimpedanz-IC 314C umfasst Folgendes: einen Multiplexer 332, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren V1AC_p und V1AC_n, V2AC_p und V2AC_n und V3AC_p und V3AC_n gekoppelt ist; einen ersten Analog-Digital-Wandler 334, der zwischen dem Multiplexer 332 und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis 316C gekoppelt ist; und einen zweiten Analog-Digital-Wandler 330, der zwischen dem Stromerfassungspadpaar CS_p und CS_n und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis 316C gekoppelt ist. Der Mehrfachzellenimpedanz-IC 314C und die PCB 316C beinhalten den gleichen Pinout wie zuvor beschrieben und die PCB 316C beinhaltet einen externen Transistor T_CL und externe Widerstände R_L und R_S, die zuvor beschrieben wurden.
Repräsentative Batteriezellen 302, 304, 306, 308 und 310 sind Teil eines Batteriepacks, das auch zuvor beschrieben wurde. Das Messsystem 900 verwendet dementsprechend einen gemeinsamen Anregungsstrom, der durch den Transistor T_CL bereitgestellt wird, und verwendet nur ein Paar von ADCs 330 und 334 mit einem Multiplexer 332 davor, der zwischen den verschiedenen zu messenden Batteriezellen 304, 306 und 308 schaltet, wie in 7 gezeigt ist. Die entsprechende Messsequenz 1000 ist in 8 veranschaulicht.
8 zeigt eine Beispielmesssequenz 1000, die drei sequentiell gemessene Anregungsströme 402, 404 und 406 sowie drei sequentiell gemessene Batteriezellenspannungen 408, 410 und 412 beinhaltet. Eine Nachverarbeitung 414C wird durch den Digitalverarbeitungsschaltkreis 316D bereitgestellt, um die AC-Impedanz jeder Batteriezelle 304, 306 und 308 zu messen. Es wird angemerkt, dass drei sequentielle Zeiträume T_Mess für einen einzigen Messzyklus erforderlich sind.
Die resultierende AC-Impedanz jeder Batteriezelle kann durch Folgendes berechnet werden: $Z_{x C} = \frac{V_{x C}}{I_{C} / R_{s ℝ}}$
wobei der Multiplexer 332 zwischen den verschiedenen Batteriezellen 304, 306 und 308 schaltet, aber die Spannung und der Strom werden immer mit genau denselben ADCs 330 und 334 gemessen, wodurch Abgleichprobleme reduziert werden. Das in 7 und 8 gezeigte Mesverfahren spart Siliciumfläche, da nur ein Paar von ADCs 330 und 334 erforderlich ist, aber erlaubt nur eine sequentielle Messung der verschiedenen Batteriezellen. Dementsprechend nimmt die Messzeit im Vergleich zu einem parallelen Ansatz um einen Faktor zu, der gleich der Anzahl an Zellen ist. In 7 und 8 ist der Faktor gleich drei, entsprechend den drei Batteriezellen 304, 306 und 308, die durch den Mehrfachzellenimpedanz-IC 314C gemessen werden.
9 ist ein schematisches Diagramm einer Einzel-ADC-Implementierung eines Mehrfachzellenimpedanzmesssystems 1100, einschließlich eines Mehrfachzellenimpedanz-IC 314D, der sich auf einer PCB 312D befindet. Die externen Komponenten und der Pinout sind die gleichen wie zuvor beschrieben. Der Mehrfachzellenimpedanz-IC 314D beinhaltet Folgendes: einen Multiplexer 332, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren V1AC_p und V1AC_n, V2AC_p und V2AC_n und V3AC_p und V3AC_n und dem Stromerfassungspadpaar CS_p und CS_n gekoppelt ist; und einen einzigen Analog-Digital-Wandler 336, der zwischen dem Multiplexer 332 und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis 316E gekoppelt ist. 9 zeigt dementsprechend die am stärksten reduzierte Implementierungsvariante mit Bezug auf die erforderliche Anzahl an ADC-Komponenten unter Verwendung eines Multiplexers 332 und eines einzigen ADC 336 zum sequentiellen Messen des Stroms und der Spannung der drei Batteriezellen 304, 306 und 308.
10 veranschaulicht eine beispielhafte Messsequenz 1200, die der in 9 gezeigten Messungsimplementierung 1100 entspricht. Die Messsequenz 1200 beinhaltet eine einzige Strommessung 416, die gespeichert wird, und drei sequentielle Spannungsmessungen 408, 410 und 412. Andere Permutationen sequentieller Strom- und Spannungsmessungen sind möglich. Eine Nachverarbeitung 414D berechnet die AC-Impedanz für jede gemessene Batteriezelle 304, 306 und 308. Es wird angemerkt, dass vier Messzeiträume T_Mess für einen einzigen Messzyklus erforderlich sind. Alternativ dazu können drei sequentielle Strommessungen vorgenommen werden, wobei in diesem Fall insgesamt sechs Messzeiträume T_Mess für einen einzigen Messzyklus erforderlich sind.
Falls das Verfahren mit sechs Messzeiträumen verwendet wird, wird die erforderliche Messzeit für jede Impedanzmessung verdoppelt (eine Spannungsmessung und eine Strommessung für jede entsprechende Batteriezelle). Ein Weg zum Reduzieren der Gesamtmesszeit ist das Durchführen von nur einer Strommessung, Speichern des Wertes und dann Verwenden von diesem für die Berechnung aller Impedanzen, wie in 10 gezeigt ist. Dementsprechend wird die Gesamtanzahl an erforderlichen Messungen, d. h. die Einzelmesszykluszeit, für das Beispiel von drei Zellen von drei mal zwei (sechs) auf drei plus einen (vier) Messzeiträume reduziert. Der Mehrfachzellenimpedanz-IC 316D regelt den Anregungsstrom und somit ändert sich der erhaltene Wert des gemessenen Stroms unter stabilen Betriebsbedingungen nicht und dementsprechend ist der oben beschriebene Messungsansatz praktikabel.
Dementsprechend nimmt die Gesamtmesszeit für den in 10 gezeigten Messungsansatz im Vergleich zu dem vollständig parallelen Ansatz, der oben mit Bezug auf zum Beispiel 3 beschrieben ist, um einen Faktor zu, der gleich der Anzahl an Batteriezellen mal zwei (oder der Anzahl an Batteriezellen plus eins, wenn der gespeicherte Wert verwendet wird) ist. Ein Vorteil der in 9 und 10 gezeigten Implementierungsvariante ist, dass die benötigte Siliciumfläche signifikant reduziert werden kann und dass ADC-Abgleichprobleme signifikant vermindert werden.
11, 12 und 13 veranschaulichen gemeinsam Komponenten- und Signalaspekte eines AC-Impedanzmessungsalgorithmus gemäß einer Ausführungsform. Das entsprechende Flussdiagramm 1300 für den AC-Impedanzmessungsalgorithmus ist in 14 gezeigt, einschließlich von Schritten 1302, 1304, 1306, 1308, 1310, 1312 und 1314. Verknüpfende Pfeile sind in 11, 12 und 13 gezeigt, um dabei zu helfen, diese Figuren mit den Schritten des in 14 gezeigten Flussdiagramms 1300 in Zusammenhang zu setzen.
In 11 beinhaltet eine repräsentative Batteriezelle 1316, die unter Nutzung eines Anregungsstroms 1318 gemessen wird, eine gemessene Spannung 1320 und einen gemessenen Strom 1322. In Schritt 1302 beginnt die Messung durch Entnehmen eines sinusförmigen Stroms 1318 von der Batteriezelle 1316 mit der gewünschten Frequenz f_Mess, die durch den zuvor beschriebenen Mehrfachzellenimpedanz-IC gesteuert wird. In Schritt 1304 bewirkt die AC-Impedanz der entsprechenden Batteriezelle 1316 eine AC-Antwort (Spannung 1320) in der Zeitdomäne.
In 12 ist ein Mehrfachzellenimpedanz-IC 1402 gezeigt, der einen ADC 1412 zum Empfangen des gemessenen Spannungssignals und einen ADC 1414 zum Empfangen des gemessenen Stromsignals von der zuvor in 11 gezeigten Batteriezelle 1316 beinhaltet. Bei einer Ausführungsform können die ADCs 1412 und 1414 gemultiplext und kombiniert werden oder einen von mehreren ADCs repräsentieren, wie zuvor beschrieben wurde. Die Eingaben der ADCs 1412 und 1414 sind in der analogen Domäne und die Ausgaben der ADCs 1412 und 1414 werden in die digitale Domäne umgesetzt. Die umgesetzten digitalen Signale an dem Ausgang der ADCs 1412 und 1414 werden jeweils durch kombinierte Filter- und Schnelle-Fourier-Transformation (FFT) -Verarbeitungsblöcke 1408 und 1410 innerhalb des Digitalsignalverarbeitungsschaltkreises 1404 empfangen. Die Ausgaben der FFT-Blöcke 1408 und 1410 sind komplexe Zahlen in der Frequenzdomäne, die durch den Komplexe-Division-Block 1406, auch innerhalb des Digitalsignalverarbeitungsschaltkreises 1406, empfangen werden. Die Ausgabe des Komplexe-Division-Blocks ist die komplexe Impedanz der Batteriezelle 1316 bei der Frequenz von Interesse, f = f_Mess. Bei manchen Ausführungsformen wird die komplexe Impedanz durch Dividieren der Ausgabe des FFT-Blocks 1408 G_v* (V_real + j *V_imag) durch die Ausgabe des FFT-Blocks 1410 R_s*G_i* (I_real + j*I_imag) berechnet, wobei G_v und G_i Verstärkungsfaktoren sind und R_S der Reihenwiderstandswert ist, wie zuvor beschrieben. Die komplexe Impedanz ist gleich Z_real + j*Z_imag, nachdem die Verstärkungsfaktoren und der Reihenwiderstandswert entfernt wurden, und kann in einem Speicher 1416 gespeichert werden, der sich innerhalb des Mehrfachzellenimpedanz-IC 1402 befindet.
In 12 werden in Schritt 1306 die AC-Spannung und der AC-Strom an dem Eingang der ADCs 1412 und 1414 angelegt. Die ADCs 1412 und 1414 fügen eine Verstärkung g_v zu dem Spannungssignal und eine Verstärkung g_i zu dem Stromsignal hinzu, wie gezeigt ist. In Schritt 1308 führen die Blöcke 1408 und 1410 eine Vorfilterung durch und berechnen die FFT bei f = f_Mess für die digitalen Spannungs- und Stromsignale. In Schritt 1310 führt der Block 1406 eine komplexe Division in der Frequenzdomäne der komplexen Spannung dividiert durch den komplexen Strom durch, um die komplexe Impedanz der Batteriezelle 1316 zu berechnen. Die Verstärkungen des Spannungs- und Strompfades heben einander auf, falls die ADC-Verstärken g_v und g_i gleich gemacht werden. In Schritt 1312 wird angemerkt, dass das Ergebnis der komplexen Division die komplexe Impedanz Z der Batteriezelle 1316 bei f = f_Mess ist. Bei alternativen Ausführungsformen können andere Frequenztransformationen verwendet werden, wie etwa die diskrete Fourier-Transformation (DFT), die diskrete Cosinustransformation (DCT) und andere solche Frequenztransformationen.
13 zeigt einen Host-Computer 1500 zum Anzeigen der komplexen Impedanz, die zuvor in dem Speicher 1416 gespeichert wurde. Bei einer Ausführungsform ist der Host-Computer 1500 ein Mikrocontroller, der für eine Batterieverwaltung des gesamten Batteriepacks verantwortlich ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Host-Computer 1500 einen Digitalverarbeitungsschaltkreis, wie etwa eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 1502, sowie andere optionale Komponenten, wie etwa einen Speicher 1504 einschließlich eines Haupt- und Cache-Speichers, einen Anzeigeadapter 1510, der mit einer externen Anzeige 1512 gekoppelt ist, einen E/A-Adapter 1514, der mit externen E/A-Vorrichtungen, wie etwa einer Tastatur, gekoppelt ist, und einen Netzwerkadapter 1518, der mit einem externen Netzwerk 1520 gekoppelt ist, beinhalten. Die verschiedenen Komponenten eines Host-Computers können durch einen bidirektionalen Bus 1508 miteinander verknüpft werden. Zahlreiche andere Komponenten können auf Wunsch in dem Host-Computer 1500 enthalten sein. Es wird angemerkt, dass in einem entsprechenden Schritt 1314 der Impedanzwert Z an den Host-Computer 1500 kommuniziert wird. Der korrekte Impedanzwert Z wird schließlich durch Herausdividieren des Reihenwiderstandswertes R_S und des Verstärkungsfaktors, wie zuvor beschrieben, berechnet.
14 ist das entsprechende Flussdiagramm 1300 für den oben beschriebenen AC-Impedanzmessalgorithmus, einschließlich der Schritte 1302, 1304, 1306, 1308, 1310, 1312 und 1314, die alle zuvor beschrieben wurden.
Bei manchen Ausführungsformen wird angenommen, dass sich das Messsystem für die größte Genauigkeit beim Bestimmen der komplexen Impedanz der Batteriezellen in dem Batteriepack während der Zeit sowohl der Spannungs- als auch Strommessungen bereits in einem stationären Zustand befindet. In manchen Fällen kann das Messen der Spannung und des Stroms der Batteriezellen während zum Beispiel des Beschleunigens oder Bremsens des Elektrofahrzeugs die Messung der komplexen Impedanz weniger genau oder weniger repräsentativ für den wahren Betriebszustand der Batteriezelle machen.
Obwohl drei Batteriezellen als während eines einzigen Messzyklus durch einen Mehrfachzellenimpedanz-IC gemessen gezeigt wurden, kann eine beliebige Anzahl an Batteriezellen verwendet werden. Messungen sind nicht auf drei Batteriezellen pro Mehrfachzellenimpedanz-IC beschränkt. Ein Bereich von zwei bis sechs oder zwei bis achtzehn Batteriezellen kann bei Ausführungsformen verwendet werden.
Unabhängig von dem genauen Messsystem und Verfahren, die wie hier beschrieben verwendet werden, ist das Messsystem im Allgemeinen nicht auf einen gemeinsamen Anregungsstrom zur Verwendung mit einer Teilmenge von Batteriezellen in einem Batteriepack beschränkt, sondern kann das Messsystem auch zum Verwenden eines einzelnen Anregungsstroms pro Zelle konfiguriert sein. Der einzelne Anregungsstrom kann durch Transistoren auf einer PCB zusammen mit dem Mehrfachzellenimpedanz-IC bereitgestellt werden.
Obwohl manche Ausführungsformen als einen separaten integrierten Mehrfachzellenschaltkreis und eine entsprechende Leiterplatte beinhaltend gezeigt wurden, können alle der Komponenten innerhalb des integrierten Mehrfachzellenschaltkreises integriert sein. Zum Beispiel kann der durch einen Transistor und Reihenwiderstände bereitgestellte Anregungsstrom falls erwünscht auch innerhalb des integrierten Mehrfachzellenschaltkreises integriert werden. Diese integrierte Lösung ist insbesondere attraktiv für niedrigere Anregungsstromanforderungen oder Batteriezellen mit inhärent höheren Impedanzen. Umgekehrt können Ausführungsformen des Messsystems für die komplexe Impedanz alle aus einzelnen Komponenten auf einer Leiterplatte ohne einen dedizierten integrierten Mehrfachzellen-IC gefertigt werden.
Ein Weg zum vorteilhaften Reduzieren der Messzeit für sämtliche sequentiellen Implementierungsvarianten ist das Durchführen nur einer Strommessung, Speichern des Wertes und dann anschließende Verwenden dieses Wertes für die Berechnung der Impedanz. Der Wert für den Strom muss nur aktualisiert werden, wenn sich die Betriebsbedingungen signifikant ändern, zum Beispiel wenn eine Änderung einer Anregungsamplitude oder Frequenz gewünscht wird.
Es versteht sich für einen Fachmann, dass eine Mischung aus den verschiedenen hier beschriebenen Implementierungsvarianten möglich ist, um einen guten Kompromiss zwischen Siliciumfläche und Gesamtmesszeit zu erreichen.
Um die Systemkosten weiter zu reduzieren, kann die Anzahl an Erfassungsdrähten auf Kosten einer etwas niedrigeren Messgenauigkeit reduziert werden. Zum Beispiel könnten in zum Beispiel 3 (und in anschließenden Figuren) die Erfassungsdrähte V2AC_p und V1AC_p entfernt werden. Mit anderen Worten müssen bei einer Ausführungsform anstelle von Spannungspadpaaren nur eine Erfassungsleitung pro Batteriezelle plus eine zusätzliche Erfassungsleitung verwendet werden.

Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der vorgeschlagenen Messsystemimplementierungsvarianten, wobei N_Zelle die Anzahl an Batteriezellen ist, die pro Mehrfachzellenimpedanz-IC gemessen werden, und T_Mess die Zeit eines einzelnen Messzeitraums ist.

Variante		Anzahl an ADCs	Erforderliche Messzeit	Abgleich
Vollständig parallel	parallel	N_Zelle × 2	T_Mess	mittel
NZelle-ADC	Sequentiell/para llel	N_Zelle	T_Mess × 2	einfach
Einzelnes ADC-Paar	parallel/ sequentiell	2	T_Mess × N_Zelle	mittel/ einfach
Einzelner ADC	Sequentiell	1	T_Mess × N_Zelle × 2 T_Mess × N_Zelle β 1	einfach

Tabelle 1: Vergleich der Hauptparameter verschiedener AC-Impedanzmesssystem-Implementierungen.
Es wird angemerkt, dass es in Tabelle 1 einen Kompromiss zwischen der Anzahl an verwendeten ADCs und der Gesamtmesszeit gibt, die in einem einzigen Messzyklus verwendet wird. Zum Beispiel verwendet die vollständig parallele Konfiguration sechs ADCs, aber alle drei komplexen Impedanzen werden gleichzeitig in einem einzigen Zeitraum berechnet. Die Einzel-ADC-Konfiguration verwendet einen einzigen ADC, aber es können bis zu sechs Zeiträume erforderlich sein, um alle drei komplexen Impedanzen zu berechnen. Beliebige der obigen Ansätze können verwendet werden, um eine spezielle Anwendung zu berücksichtigen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind hier zusammengefasst. Andere Ausführungsformen können auch aus der Gesamtheit der Beschreibung und den hier eingereichten Ansprüchen verstanden werden.
Beispiel 1. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Messen einer komplexen Impedanz mehrerer Batteriezellen in einem Batteriepack Folgendes: Steuern eines Anregungsstroms durch die mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack; Empfangen, in einem einzigen gemeinsamen Messschaltkreis, mehrerer Spannungssignale, die den mehreren Batteriezellen entsprechen; Messen des Anregungsstroms; und Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der Batteriezellen in den mehreren Batteriezellen basierend auf den mehreren Spannungssignalen und dem gemessenen Anregungsstrom in einem einzigen Messzyklus unter Verwendung entweder eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) pro Batteriezelle oder zwei abgestimmter ADCs pro Batteriezelle.
Beispiel 2. Das Verfahren aus Beispiel 1, wobei das Steuern des Anregungsstroms Steuern eines Anregungsstromgenerators beinhaltet, der über die mehreren Batteriezellen hinweg gekoppelt ist.
Beispiel 3. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das Empfangen der mehreren Spannungssignale Empfangen der mehreren Spannungssignale von den mehreren Batteriezellen über mehrere Kelvin-Anschluss-Paare umfasst, wobei jede Batteriezelle der mehreren Batteriezellen mit einem Kelvin-Anschluss-Paar der mehreren Kelvin-Anschluss-Paare assoziiert ist, wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar einen ersten Kelvin-Anschluss, der mit einem ersten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und einen zweiten Kelvin-Anschluss umfasst, der mit einem zweiten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar jeder Batteriezelle separat voneinander ist und mit keiner anderen Batteriezelle geteilt wird.
Beispiel 4. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der einzige gemeinsame Messschaltkreis einen einzigen Integrierter-Schaltkreis-Chip beinhaltet.
Beispiel 5. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die mehreren Batteriezellen zwischen zwei und achtzehn Batteriezellen beinhalten.
Beispiel 6. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Beispiele, das ferner Folgendes beinhaltet: Empfangen eines ersten Spannungssignals, das mit einer ersten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen assoziiert ist; Empfangen eines zweiten Spannungssignals, das mit der ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen assoziiert ist; und Berechnen einer komplexen Impedanz eines Verbinders zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle basierend auf dem ersten Spannungssignal, dem zweiten Spannungssignal und dem gemessenen Anregungsstrom.
Beispiel 7. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Beispiele, das ferner sequentielles Empfangen der mehreren Spannungssignale beinhaltet.
Beispiel 8. Das Verfahren aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der einzige Messzyklus einen einzigen Messzeitraum beinhaltet.
Beispiel 9. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Schaltkreis Folgendes: einen Spannungsmessschaltkreis, der mit mehreren Eingangsspannungspadpaaren gekoppelt ist, wobei die Eingangsspannungspadpaare zum Koppeln mit entsprechenden mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in einem Batteriepack konfiguriert sind; ein High-Side-Pad, das zum Koppeln mit einem ersten Ende der mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in dem Batteriepack konfiguriert ist; ein Low-Side-Pad, das zum Koppeln mit einem zweiten Ende der mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in dem Batteriepack konfiguriert ist; einen Anregungsstromgenerator, der zwischen dem High-Side-Pad und dem Low-Side-Pad gekoppelt ist, zum Steuern eines Wechselstroms, der durch die mehreren Batteriezellen fließt; einen Strommessschaltkreis, der mit einem Stromerfassungselement gekoppelt ist, das zum Erzeugen einer Spannung konfiguriert ist, die einen Strom durch wenigstens eine der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack repräsentiert; wenigstens ein abgestimmtes Paar von Analog-Digital-Wandlern (ADCs); und einen Digitalverarbeitungsschaltkreis, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem Stromerfassungselement gekoppelt ist und der zu Folgendem konfiguriert ist: Aktivieren des Anregungsstromgenerators, Empfangen eines Spannungsmesssignals von dem Spannungsmessschaltkreis, Messen des empfangenen Spannungsmesssignals mit einem ersten ADC des wenigstens einen abgestimmten Paares von ADCs, Empfangen eines Strommesssignals von dem Strommessschaltkreis, Messen des empfangenen Strommesssignals mit einem zweiten ADC des wenigstens einen abgestimmten Paares von ADCs, und Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack in einem einzigen Messzyklus aus dem empfangenen Spannungsmesssignal und dem empfangenen Strommesssignal.
Beispiel 10. Der Schaltkreis aus Beispiel 9, wobei die mehreren Eingangsspannungspadpaare dazu konfiguriert sind, mit entsprechenden mehreren Kelvin-Anschluss-Paaren gekoppelt zu werden, wobei jede Batteriezelle der mehreren Batteriezellen mit einem Kelvin-Anschluss-Paar der mehreren Kelvin-Anschluss-Paare assoziiert ist, wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar einen ersten Kelvin-Anschluss, der mit einem ersten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und einen zweiten Kelvin-Anschluss umfasst, der mit einem zweiten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar jeder Batteriezelle separat voneinander ist und mit keiner anderen Batteriezelle geteilt wird.
Beispiel 11. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Spannungsmessschaltkreis, der Strommessschaltkreis und der Digitalverarbeitungsschaltkreis alle in einem einzigen Integrierter-Schaltkreis-Chip gebildet sind.
Beispiel 12. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die mehreren Batteriezellen zwischen zwei und achtzehn Batteriezellen beinhalten.
Beispiel 13. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Digitalverarbeitungsschaltkreis zum Berechnen mehrerer komplexer Impedanzen jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack bei mehreren Messfrequenzen konfiguriert ist, um wenigstens einen Parameter jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack zu charakterisieren.
Beispiel 14. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, der ferner einen Ansteuerungsschaltkreis beinhaltet, der zwischen dem Digitalverarbeitungsschaltkreis und dem Anregungsstromgenerator gekoppelt ist.
Beispiel 15. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Ansteuerungsschaltkreis einen Pufferverstärker beinhaltet.
Beispiel 16. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Ansteuerungsschaltkreis einen Digital-Analog-Wandler beinhaltet.
Beispiel 17. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Anregungsstromgenerator einen Transistor, der zwischen dem High-Side-Pad und dem Low-Side-Pad gekoppelt ist, zum Erzwingen eines einzelnen Stroms durch die mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack beinhaltet.
Beispiel 18. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, der ferner einen Multiplexer beinhaltet, der zum Koppeln des Digitalverarbeitungsschaltkreises mit einem ersten Eingangsspannungspadpaar zum Berechnen einer ersten komplexen Impedanz einer ersten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen konfiguriert ist und zum Koppeln des Digitalverarbeitungsschaltkreises mit einem Pad des ersten Eingangsspannungspadpaares und einem Pad eines zweiten Eingangsspannungspadpaares zum Berechnen der ersten komplexen Impedanz der ersten Batteriezelle plus einer komplexen Reihenimpedanz eines Zellenverbinders konfiguriert ist, der mit der ersten Batteriezelle assoziiert ist.
Beispiel 19. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das wenigstens eine abgeglichene Paar von ADCs mehrere abgeglichene Paare von ADCs umfasst, der erste ADC jedes abgeglichenen Paares von ADCs zwischen den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis gekoppelt ist, und der zweite ADC jedes abgeglichenen Paares von ADCs zwischen dem Stromerfassungselement und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis gekoppelt ist.
Beispiel 20. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, der ferner einen Multiplexer umfasst, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem ersten ADC jedes abgeglichenen Paares von ADCs gekoppelt ist.
Beispiel 21. Der Schaltkreis aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das wenigstens eine abgeglichene Paar von ADCs ein einziges abgeglichenes Paar von ADCs umfasst; und wobei der Schaltkreis ferner einen Multiplexer umfasst, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem ersten ADC jedes abgeglichenen Paares von ADCs gekoppelt ist.
Beispiel 22. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Batteriemesssystem Folgendes: eine Anregungsstromquelle, die dazu konfiguriert ist, über mehrere Batteriezellen gekoppelt zu werden; ein Stromerfassungselement, das mit der Anregungsstromquelle gekoppelt ist; mehrere separate Datenwandlerschaltkreise, wobei jeder separate Datenwandlerschaltkreis der mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise einen Stromerfassungseingang, der mit dem Stromerfassungselement gekoppelt ist, und ein Paar von Spannungserfassungseingängen beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, über eine entsprechende Batteriezelle der mehreren Batteriezellen gekoppelt zu werden, und jeder separate Datenwandlerschaltkreis zum Bereitstellen von Strommessdaten basierend auf einem Signal an dem Stromerfassungseingang und Spannungsmessdaten basierend auf einem Signal an dem Paar von Spannungserfassungseingängen konfiguriert ist; und einen Digitalverarbeitungsschaltkreis, der mit den mehreren separaten Datenwandlerschaltkreisen gekoppelt ist, wobei der Digitalverarbeitungsschaltkreis zum Berechnen einer komplexen Impedanz für jede Batteriezelle der mehreren Batteriezellen basierend auf den Strommessdaten und den Spannungsmessdaten konfiguriert ist, die durch den separaten Datenwandler bereitgestellt werden, der mit der entsprechenden Batteriezelle assoziiert ist.
Beispiel 23. Das Batteriemesssystem aus Beispiel 22, wobei: die Anregungsstromquelle, der Stromerfassungsschaltkreis und die mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise auf einer gleichen Leiterplatte angeordnet sind; und jeder Spannungserfassungseingang jedes Paares von Spannungserfassungseingängen mit einem entsprechenden Batterieverbindungspad mehrerer Batterieverbindungspads gekoppelt ist, die auf der Leiterplatte angeordnet sind.
Beispiel 24. Das Batteriemesssystem aus einem der vorhergehenden Beispiele, das ferner einen Multiplexer beinhaltet, der zwischen den mehreren Batterieverbindungspads und den Paaren von Spannungserfassungseingängen der mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise gekoppelt ist.
Beispiel 25. Das Batteriemesssystem aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise und der Digitalverarbeitungsschaltkreis auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet sind.
Beispiel 26. Das Batteriemesssystem aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei jeder separate Datenwandlerschaltkreis einen ersten Analog-Digital-Wandler mit Eingängen, die mit dem Paar von Spannungserfassungseingängen gekoppelt sind, und einen zweiten Analog-Digital-Wandler, der mit dem Stromerfassungselement gekoppelt ist, beinhaltet und der erste Analog-Digital-Wandler mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler abgeglichen ist.
Beispiel 27. Das Batteriemesssystem aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei jeder separate Datenwandlerschaltkreis einen einzigen Analog-Digital-Wandler beinhaltet; und ein Multiplexer einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungselement gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Paar von Spannungserfassungseingängen gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des einzigen Analog-Digital-Wandlers gekoppelt ist, aufweist.
Beispiel 28. Das Batteriemesssystem aus einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Anregungsstromquelle einen Transistor mit einem Lastpfad beinhaltet, der mit dem Transistor in Reihe gekoppelt ist; und das Stromerfassungselement einen Widerstand beinhaltet, der mit dem Lastpfad des Transistors in Reihe gekoppelt ist.
Es ist ein Vorteil, dass Ausführungsformen des Messsystems für eine komplexe Impedanz eine effiziente Lösung zum Messen der AC-Impedanz mehrerer gestapelter Batteriezellen sowie entsprechender Zellenverbinder eines Batteriepacks in einem einzigen Messzyklus unter Verwendung eines einzigen Mehrfachzellen-AC-Impedanz-IC bereitstellen, wodurch dementsprechend Gesamtsystemkosten reduziert werden, da ein separater Mess-IC und Hilfskomponenten nicht für jede Batteriezelle in dem Batteriepack erforderlich sind.
Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung sind für einen Fachmann unter Bezugnahme auf die Beschreibung ersichtlich. Es ist daher beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche jegliche derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

Verfahren zum Messen einer komplexen Impedanz mehrerer Batteriezellen in einem Batteriepack, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Steuern eines Anregungsstroms durch die mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack; Empfangen, in einem einzigen gemeinsamen Messschaltkreis, mehrerer Spannungssignale, die den mehreren Batteriezellen entsprechen; Messen des Anregungsstroms; und Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der Batteriezellen in den mehreren Batteriezellen basierend auf den mehreren Spannungssignalen und dem gemessenen Anregungsstrom in einem einzigen Messzyklus unter Verwendung entweder eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) pro Batteriezelle oder zweier abgestimmter ADCs pro Batteriezelle.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern des Anregungsstroms ein Steuern eines Anregungsstromgenerators umfasst, der über die mehreren Batteriezellen hinweg gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Empfangen der mehreren Spannungssignale ein Empfangen der mehreren Spannungssignale von den mehreren Batteriezellen über mehrere Kelvin-Anschluss-Paare umfasst, wobei jede Batteriezelle der mehreren Batteriezellen mit einem Kelvin-Anschluss-Paar der mehreren Kelvin-Anschluss-Paare assoziiert ist, wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar einen ersten Kelvin-Anschluss, der mit einem ersten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und einen zweiten Kelvin-Anschluss umfasst, der mit einem zweiten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar jeder Batteriezelle separat voneinander ist und mit keiner anderen Batteriezelle geteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner Folgendes umfasst: Empfangen eines ersten Spannungssignals, das mit einer ersten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen assoziiert ist; Empfangen eines zweiten Spannungssignals, das mit der ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen assoziiert ist; und Berechnen einer komplexen Impedanz eines Verbinders zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle basierend auf dem ersten Spannungssignal, dem zweiten Spannungssignal und dem gemessenen Anregungsstrom.
Schaltkreis, der Folgendes umfasst: einen Spannungsmessschaltkreis, der mit mehreren Eingangsspannungspadpaaren gekoppelt ist, wobei die Eingangsspannungspadpaare zum Koppeln mit entsprechenden mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in einem Batteriepack konfiguriert sind; ein High-Side-Pad, das zum Koppeln mit einem ersten Ende der mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in dem Batteriepack konfiguriert ist; ein Low-Side-Pad, das zum Koppeln mit einem zweiten Ende der mehreren in Reihe gekoppelten Batteriezellen in dem Batteriepack konfiguriert ist; einen Anregungsstromgenerator, der zwischen dem High-Side-Pad und dem Low-Side-Pad gekoppelt ist, zum Steuern eines Wechselstroms, der durch die mehreren Batteriezellen fließt; einen Strommessschaltkreis, der mit einem Stromerfassungselement gekoppelt ist, das zum Erzeugen einer Spannung konfiguriert ist, die einen Strom durch wenigstens eine der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack repräsentiert; wenigstens ein abgestimmtes Paar von Analog-Digital-Wandlern (ADCs); und einen Digitalverarbeitungsschaltkreis, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem Stromerfassungselement gekoppelt ist und der zu Folgendem konfiguriert ist: Aktivieren des Anregungsstromgenerators, Empfangen eines Spannungsmesssignals von dem Spannungsmessschaltkreis, Messen des empfangenen Spannungsmesssignals mit einem ersten ADC des wenigstens einen abgestimmten Paares von ADCs, Empfangen eines Strommesssignals von dem Strommessschaltkreis, Messen des empfangenen Strommesssignals mit einem zweiten ADC des wenigstens einen abgestimmten Paares von ADCs, und Berechnen einer komplexen Impedanz jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack in einem einzigen Messzyklus aus dem empfangenen Spannungsmesssignal und dem empfangenen Strommesssignal.
Schaltkreis nach Anspruch 5, wobei die mehreren Eingangsspannungspadpaare dazu konfiguriert sind, mit entsprechenden mehreren Kelvin-Anschluss-Paaren gekoppelt zu sein, wobei jede Batteriezelle der mehreren Batteriezellen mit einem Kelvin-Anschluss-Paar der mehreren Kelvin-Anschluss-Paare assoziiert ist, wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar einen ersten Kelvin-Anschluss, der mit einem ersten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und einen zweiten Kelvin-Anschluss umfasst, der mit einem zweiten Ende der Batteriezelle verbunden ist, und wobei jedes Kelvin-Anschluss-Paar jeder Batteriezelle separat voneinander ist und mit keiner anderen Batteriezelle geteilt wird.
Schaltkreis nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Digitalverarbeitungsschaltkreis zum Berechnen mehrerer komplexer Impedanzen jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack bei mehreren Messfrequenzen konfiguriert ist, um wenigstens einen Parameter jeder der mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack zu charakterisieren.
Schaltkreis nach einem der Ansprüche 5 bis 7, der ferner einen Ansteuerungsschaltkreis umfasst, der zwischen dem Digitalverarbeitungsschaltkreis und dem Anregungsstromgenerator gekoppelt ist.
Schaltkreis nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Anregungsstromgenerator einen Transistor, der zwischen dem High-Side-Pad und dem Low-Side-Pad gekoppelt ist, zum Erzwingen eines einzelnen Stroms durch die mehreren Batteriezellen in dem Batteriepack umfasst.
Schaltkreis nach einem der Ansprüche 5 bis 9, der ferner einen Multiplexer umfasst, der zum Koppeln des Digitalverarbeitungsschaltkreises mit einem ersten Eingangsspannungspadpaar zum Berechnen einer ersten komplexen Impedanz einer ersten Batteriezelle der mehreren Batteriezellen konfiguriert ist und zum Koppeln des Digitalverarbeitungsschaltkreises mit einem Pad des ersten Eingangsspannungspadpaares und einem Pad eines zweiten Eingangsspannungspadpaares zum Berechnen der ersten komplexen Impedanz der ersten Batteriezelle plus einer komplexen Reihenimpedanz eines Zellenverbinders konfiguriert ist, der mit der ersten Batteriezelle assoziiert ist.
Schaltkreis nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei das wenigstens eine abgeglichene Paar von ADCs mehrere abgeglichene Paare von ADCs umfasst, der erste ADC jedes der mehreren abgeglichenen Paare von ADCs zwischen den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis gekoppelt ist, und der zweite ADC jedes der mehreren abgeglichenen Paare von ADCs zwischen dem Stromerfassungselement und dem Digitalverarbeitungsschaltkreis gekoppelt ist.
Schaltkreis nach Anspruch 11, der ferner Folgendes umfasst: einen Multiplexer, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem ersten ADC jedes der mehreren abgeglichenen Paare von ADCs gekoppelt ist.
Schaltkreis nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei das wenigstens eine abgeglichene Paar von ADCs ein einziges abgeglichenes Paar von ADCs umfasst; und wobei der Schaltkreis ferner einen Multiplexer umfasst, der mit den mehreren Eingangsspannungspadpaaren und dem ersten ADC des einzigen abgeglichenen Paares von ADCs gekoppelt ist.
Batteriemesssystem, das Folgendes umfasst: eine Anregungsstromquelle, die dazu konfiguriert ist, über mehrere Batteriezellen gekoppelt zu werden; ein Stromerfassungselement, das mit der Anregungsstromquelle gekoppelt ist; mehrere separate Datenwandlerschaltkreise, wobei jeder separate Datenwandlerschaltkreis der mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise einen Stromerfassungseingang, der mit dem Stromerfassungselement gekoppelt ist, und ein Paar von Spannungserfassungseingängen umfasst, die dazu konfiguriert sind, über eine entsprechende Batteriezelle der mehreren Batteriezellen gekoppelt zu werden, und jeder separate Datenwandlerschaltkreis zum Bereitstellen von Strommessdaten basierend auf einem Signal an dem Stromerfassungseingang und Spannungsmessdaten basierend auf einem Signal an dem Paar von Spannungserfassungseingängen konfiguriert ist; und einen Digitalverarbeitungsschaltkreis, der mit den mehreren separaten Datenwandlerschaltkreisen gekoppelt ist, wobei der Digitalverarbeitungsschaltkreis zum Berechnen einer komplexen Impedanz für jede Batteriezelle der mehreren Batteriezellen basierend auf den Strommessdaten und den Spannungsmessdaten konfiguriert ist, die durch den separaten Datenwandler bereitgestellt werden, der mit der entsprechenden Batteriezelle assoziiert ist.
Batteriemesssystem nach Anspruch 14, wobei: die Anregungsstromquelle, das Stromerfassungselement und die mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise auf einer gleichen Leiterplatte angeordnet sind; und jeder Spannungserfassungseingang jedes Paares von Spannungserfassungseingängen mit einem entsprechenden Batterieverbindungspad mehrerer Batterieverbindungspads gekoppelt ist, die auf derselben Leiterplatte angeordnet sind.
Batteriemesssystem nach Anspruch 15, das ferner einen Multiplexer umfasst, der zwischen den mehreren Batterieverbindungspads und den Paaren von Spannungserfassungseingängen der mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise gekoppelt ist.
Batteriemesssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die mehreren separaten Datenwandlerschaltkreise und der Digitalverarbeitungsschaltkreis auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet sind.
Batteriemesssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei jeder separate Datenwandlerschaltkreis einen ersten Analog-Digital-Wandler mit Eingängen, die mit dem Paar von Spannungserfassungseingängen gekoppelt sind, und einen zweiten Analog-Digital-Wandler, der mit dem Stromerfassungselement gekoppelt ist, umfasst und der erste Analog-Digital-Wandler mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler abgeglichen ist.
Batteriemesssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei jeder separate Datenwandlerschaltkreis einen einzigen Analog-Digital-Wandler umfasst; und ein Multiplexer einen ersten Eingang, der mit dem Stromerfassungselement gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der mit dem Paar von Spannungserfassungseingängen gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit einem Eingang des einzigen Analog-Digital-Wandlers gekoppelt ist, aufweist.
Batteriemesssystem nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei: die Anregungsstromquelle einen Transistor mit einem Lastpfad umfasst, der mit dem Transistor in Reihe gekoppelt ist; und das Stromerfassungselement einen Widerstand umfasst, der mit dem Lastpfad des Transistors in Reihe gekoppelt ist.