TW201924132A - 串聯電池單元的監控系統 - Google Patents

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艾列西 提弘斯基
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Abstract

一種電池監控電路，利用類比前端測量複數個串聯電池單元的個別電池單元電壓和溫度，控制器收集並分析由類比前端數位傳輸給它的資料，以及架構用於測量單電池單元的電量計。

Description

串聯電池單元的監控系統
本案主張美國臨時專利申請案62/456,371號的優先權，其藉由引用的方式被併入本文。 　　本發明大致上是關於電池技術，特別是關於一種用於監控電池單元的系統。
近代的電子產品變得越來越多樣化且越來越便於攜帶，進而驅使對電池性能和電池管理系統的改進的需求。隨著功能及性能的提高，電力需求也隨之增加。智慧電池系統(Smart Battery System；SBS)規範旨在優化性能、延長電池壽命、並為電池系統內的監控參數提供工業標準一致性。積體電路(IC)使用內部軟體常式產生及程式化，以便容許電池依據SBS規範操作。已經發展用於電池系統的IC類型例如包含類比前端(AFE)測量系統，其通常結合一些類型的電量計IC，用於精確地估計充電狀態(SOC)以及儲存在電池中的剩餘電量。在一些情況下，這兩個功能組件組合成一個封裝。 　　高單元數電池組，特別是那些配置串聯電池單元以便增加電池組端電壓的電池組，以及放電率超過5倍容量(5C)的高放電率電池單元帶來了與電量規測準確度和決策以正確評估電池健康狀況相關以及優化性能的新挑戰。 　　用於電池電量規測的基於一般積體電路的工業標準演算法包含德州儀器(Texas Instruments)的Impedance Track(IT)以及美信集成產品(Maxim Integrated)提供的ModelGauge m3和m5演算法。這些演算法利用瞬時溫度、電壓及電流輸入來估算SOC及剩餘電荷。藉由分別在充電及放電事件期間對進出電池的電荷量進行積分，並將累計通過電荷的此測量與高準確度電池電壓及溫度測量相結合，裝置能夠得到電池的瞬時充電狀態和剩餘電池容量之可靠且準確的計量。 　　現今銷售的電量計IC絕大多數是為單電池單元應用而設計的，例如手機、MP3播放器及一些平板電腦。這些「單電池」電量計IC是市場上可得的適用於此目的之成本最低的部分。這些通常被稱為1S量規(表示它們用於1串聯電池)。電量計IC適用於使用多個串聯電池的筆記型電腦等應用，但這些應用通常僅限於4個電池配置(4S量規)。市場上針對串聯電池數量高於4的優化的選擇非常少，而對於電池數量高於6的則幾乎沒有。 　　此外，創新和電量規測演算法性能增強首先在高容量單電池規測中發生，但很慢才及於多電池數IC。如果單電池IC可以有效地用於多電池應用，則在成本和性能方面都存在顯著的優勢。 　　用於單一單元電池電量規測的典型電路配置顯示在圖1中。電量計IC含有單一類比輸入，用於測量每個關鍵參數-電池端電壓、與電池溫度相對應的電壓(通常使用便宜的熱阻器)、以及電池充電和放電電流(使用低值電流感測電阻器)。沒有提供測量多於一個電池的電壓或溫度。
及
參照圖2，本發明的實施例提供一種電池監控電路200，利用市售的類比前端測量電路(AFE)201(在本文中也可以簡稱為「類比前端」，並且可以IC實現)，用於測量複數個串聯電池204的個別電池電壓和溫度(串聯電池204例如，市售的美信集成產品型號MAX11068的模型，或任何其他等效的裝置)。電池監控電路200還包含控制器202(可以微控制器實現)、一或更多數位可程式電壓源(DPVS)205、單電池電量計IC 203(在本文中也可以簡稱為「電量計」)以及用於提供電池充電及放電電流的電流感測器211。控制器202收集且分析由AFE 201數位地傳輸給控制器202的資料。單電池電量計IC 203例如圖1所描述的單電池電量計IC(也就是單電池電量計IC 203)，包含單一類比輸入，用於測量每個關鍵參數：電池端電壓、對應於電池溫度的電壓(例如，通常使用便宜的熱阻器)。電流感測器211例如，可以使用任何市售的低值電流感測電阻器，或是可以使用在AFE 201內部實現的電流感測器，如果可用的話。 　　本發明的實施例架構用於與AFE 201一起操作，直接測量串聯電池組合204中的每個個別電池單元(例如，Cell 1 ... Celln ，其中n 是正整數)的電壓及溫度參數。在本發明的實施例中，n 大於1，並且可以大於4。AFE 201接著將其逐個單元的電壓及溫度測量值數位地傳遞到控制器202(例如藉由數位通訊協定，如I2 C、UART、SMB或一些其他的數位資料通訊方案)在信號線260上。控制器202含有根據需求預程式化的控制程式，以便處理及操縱輸入的電池電壓和溫度資料，確定諸如最小值、最大值、平均值、加權平均值或可從電池電壓及溫度的實際測量值導出的值的任何其他數值表示的值，並且準備此資料以便呈現給電量計IC 203。因為便宜的電量計IC的輸入本質上是專有地類比，所以控制器202將所選及處理的電池電壓以及對應於數位形式的溫度資訊的電壓轉發到一或多個DPVS 205，DPVS 205將數位資料分別轉換成電池電壓以及與溫度對應的電壓的類比表示。每個DPVS 205的類比輸出(例如，Vout1 、Vout2 )直接連接到電量計IC 203的每個類比輸入(例如，Vin 、Tin )。 　　每個個別的DPVS可被配置為數位類比轉換器(DAC)、脈衝寬度調變(PWM)控制的電壓源、或具有可程式及穩定類比電壓輸出的任何其他合適的類型的數位可程式電壓源。可以在同一系統中使用不同類型的DPVS(例如，用於電壓的DAC以及用於對應於溫度的電壓的PWM)。每個DPVS可被配置為使其輸出具有低週期性及隨機偏差(即低噪聲)、低電壓偏差或漂移、為+/- 1 mV的電壓設定點精確度，以及迅速反應且安定時間至程式輸出電壓位準中的變化。 　　一或多個DPVS可被配置為在控制器202內實現的功能塊，或是在控制器202外部並且藉由數位通訊匯流排自外部連接到控制器202的獨立的模組，例如，如圖2所示。 　　電量計IC 203可具有一或多個數位輸出，並且可以包含專用通用輸入/輸出(GPIO)引腳及/或用於系統控制的類比輸出。在本發明的實施例中，由電量計製造商程式化並且存在於用於與單電池單元一同使用的電量計IC 203中的內部控制及電量規測演算法是完全沒修改的。依據本發明的實施例，電量計演算法(雖然未經修改)在系統200中被配置為在多單元環境中起作用，作為在電量計IC 203的輸入(例如，Vin 、Tin )處呈現類比電池電壓和對應於溫度的電壓的處理/操縱/優化值的結果，其藉由控制器202從如本文所述的任意數量的n 串聯單元聚集的資料中選擇或以其他方式導出。電量計IC 203的數位輸出270可以將資料或命令封包回傳到控制器202，控制器202儲存和處理此資料並且可以利用它來控制電池組合204或用於呈現狀態資訊或警告訊息至外部裝置或使用者(例如，參考圖3)。從電量計IC 203到控制器202(例如，藉由資料匯流排270)，以及從控制器202到外部裝置或使用者(例如，藉由資料匯流排280)的數位輸出通訊可以透過I2 C、UART、SMB或任何其他數位資料通訊協定發送。依據本發明的實施例，數位資料可被配置為含有指向外部系統或使用者的命令(例如，參考圖3)以便控制電池充電(例如，連接或斷開電池充電器)或電池放電(例如，開啟或關閉電力負載)。舉例而言，數位資料可以含有與充電狀態、健康狀態或旨在指示電池組合204的當前狀態的其他電量計參數有關的資訊，但本發明並不僅限於這些資訊形式。 　　系統200可以被配置使得電池組合204中的一或多個電池單元附近區域內的一或多個溫度可被測量，使用位於接近電池組合204的不同位置的任意數N(其中N≥1)個的熱電偶或熱阻器206來測量，其將結果輸出到控制器202的一或多個輸入(例如，Tin1 、Tin2 、...... Tin3 )。控制器202可以架構用於比較個別溫度並根據電池組合204的狀態選擇最小值、最大值、平均值或任何其他溫度表示法，以便呈現給電量計IC 203。舉例而言，最大溫度可以用於放電期間的電量規測，平均溫度可以在充電期間使用，或是來自損壞或不工作的熱阻器206的資料可以從控制器202的計算中丟棄，從而改進系統200的容錯能力。 　　可以用類似地方式處理由AFE 201測量的來自n 個個別電池中的任一個的電壓。在非常高電池數的電池組合204中，一或多個這樣的AFE電路或IC可以被「堆疊」，允許電池單元數(即，n )從數十個電池增加到數百個電池。這種高電池數的應用在汽車產業中很常見。在這樣的配置中，測量的電池電壓可以藉由控制器202橫越數位通訊連接從AFE 201收集，並且控制器202可以解譯所測量的電池電壓並基於電池組合204的當前狀態執行程式的邏輯運算及優化。 　　一旦收集並處理了電池電壓和溫度，控制器202接著架構用於將處理/操縱/優化的電池電壓的數位表示及/或對應於溫度的電壓傳輸到一或多個DPVS 205。接著，一或多個DPVS 205將電池電壓的數位表示及/或對應於溫度的電壓轉換為它們的類比等值，並將這些類比等值呈現到電量計IC 203的類比輸入。電量計IC 203接著接收電壓以及與溫度對應的電壓的類比輸入，並將其用作電量計IC 203的內部演算法的輸入。控制器202可以被預程式化，以便負責確保向一或多個DPVS 205連續地饋送處理/操縱/優化的資料以用於準確的電量規測。經處理/操縱/優化的資料可以是電池組合204中的最高或最低電池電壓或溫度的單一瞬時測量、平均值測量、最小值測量、最大值測量，或是電壓、溫度或其他參數的任何其他衍生表示方式，根據電池狀況、瞬時操作點或健康狀態選擇。呈現至電量計IC 203的處理/操縱/優化資料在電池組合204的不同操作狀態期間可以是不同的，例如靜止、充電或放電。 　　在高電池數電池組合中，電池組合204中的不同電池單元的容量肯定存在輕微但可測量的不一致。這意味著在放電期間，n 電池單元的一個(或多個)會比其他電池單元更早耗盡能量，從而迫使放電持續時間過早縮短。有時這種縮短的運行時間可能很顯著，特別是在電池單元經歷因高溫和循環的老化效應之後。在具有大量串聯電池單元的電池組合中，一般的電量計IC僅檢查單電池單元(1S量規)或總電池堆疊的一小部分(4S量規)，並不能檢測非直接在測量區域中的單電池單元的電壓。透過經由AFE 201個別地監控所有n 電池單元的電壓並且使用本文所述的方法，控制器202可以架構用於藉由以秒為單位選擇並向電量計IC 203呈現最合適的電池單元電壓來優化電量計演算法的準確度以及產生的充電狀態和剩餘容量估計值，產生的充電狀態和剩餘容量估計值藉由電量計IC 203回傳。在放電期間，可以使用最小電池電壓來最準確地預測放電終止閾值；並且在電池充電期間，可以利用所有n 電池單元的平均電壓來提供整個電池組合204的充電狀態的最佳估計。關於以什麼表示由控制器202呈現給電量計IC 203的處理/操縱/優化資料的這些決定可以被預程式化到控制器202的內部軟體中。 　　此外，某些電量計(例如Impedance Track電量計)在操作期間在不同的充電狀態下產生內部電池電阻的內部表。此表是藉由分析放電期間的電池電壓偏差對瞬時電流以及將其與充電狀態相關聯而產生的。判斷及追蹤具有最高阻抗的電池單元可能是重要的，因為這是(1)整個電池組合204的老化的最佳判斷，並且(2)將是能夠支持高放電電流的限制因素。本發明的實施例提供了使阻抗測量演算法始終與來自具有最高阻抗的個別電池單元的電壓資料一起呈現之能力，從而始終確保阻抗表的準確度及有效性。 　　圖3說明配置有本發明實施例的設備300。設備300可以是利用用於內部電力的多單元電池組合204的任何裝置。這種設備300可以是電腦系統的框架、電動自行車(ebike)、電動摩托車、電動車輛、混合動力車輛等。在本發明的示例性實施例中，如圖2所示，耦接至電池組合204的電池監控電路200可以與電源管理單元(PMU)或任何其他主機系統301(例如電腦顯示器、電腦系統或任何其他合適的裝置)進行電子通訊。 　　在本發明的實施例中，預程式化到控制器202中的控制程式(例如，用於實現本文揭露的各種功能)可以透過將控制器202耦接到PMU或主機系統301的資料匯流排280輸入到控制器202中。此外，來自電量計IC 203的資料輸出(其可以經由信號線270傳輸到控制器202)可以接著由控制器202經由資料匯流排280轉發到PMU或主機系統301。 　　除非另有明確說明，否則「或」是指包含性的或，而不是排他性的或。舉例而言，以下任一個皆滿足條件「A或B」：A為真(或存在)而B為假(或不存在)、A為假(或不存在)而B為真(或存在)以及A和B都是真的(或存在)。 　　此外，本文使用「一」或「一個」來描述元件和資源。這僅僅是為了方便，並且給予對本發明範圍的大致概念。此描述應該被理解為包含一個或至少一個，並且單數也包含複數，或反之亦然，除非另有不同的說明。舉例而言，當本文描述單一裝置時，可以使用多於一個裝置來取代單一裝置。類似地，在本文中描述了多於一個裝置的情況，可以用單一裝置取代該裝置。 　　除非另有定義，否則本文使用的所有技術及科學術語具有與本發明所屬領域中具有通常知識者通常理解的含義相同的含義。儘管與本文描述的那些類似或等同的方法和材料可用於實踐或測試本發明的實施例，但本文描述了合適的方法和材料。 　　在本文未描述的範圍內，關於特定材料、處理動作和電路的許多細節是常規的，並且可以在計算機、電子和軟體領域的教科書和其他來源中找到。 　　應當理解，本文所述的特定實施例是用以說明，而不是限制本發明。在不脫離本發明範圍的情況下，本發明的主要特徵可以應用在各種實施例中。
200‧‧‧電池監控電路
201‧‧‧類比前端測量電路
202‧‧‧控制器
203‧‧‧單電池電量計IC
204‧‧‧電池組合
205‧‧‧數位可程式電壓源
206‧‧‧熱阻器
211‧‧‧電流感測器
260‧‧‧信號線
270‧‧‧數位輸出
280‧‧‧資料匯流排
300‧‧‧設備
301‧‧‧主機系統
圖1說明先前技術單電池電量計IC連接方案的方塊圖。 　　圖2說明依據本發明實施例配置的多電池單元電量計系統的方塊圖。 　　圖3說明配置有本發明實施例的設備的範例。

Claims (20)

  1. 一種系統，構造用於監控多單元電池組合中的複數個電池單元，包括： 　　類比前端，架構用於接收來自該複數個電池單元之每一者的電壓信號； 　　控制器，架構用於接收來自該類比前端的輸出以及根據在來自該類比前端的該輸出上執行的預程式演算法產生數位信號； 　　電路，架構用於將該數位信號轉換為類比電壓信號；以及 　　電量計，架構用於接收及處理該類比電壓信號。
  2. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該電量計是單電池電量計，具有用於測量電池單元終端電壓的第一單一類比輸入。
  3. 根據申請專利範圍第2項之系統，其中該單電池電量計具有用於測量電池單元溫度的第二單一類比輸入，以及用於測量電池單元充電及放電電流的第三及第四單一類比輸入。
  4. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中架構用於將該控制器的該數位信號轉換為該類比電壓信號的該電路包括數位可程式電壓源(DPVS)。
  5. 根據申請專利範圍第4項之系統，其中該DPVS包括數位類比轉換器。
  6. 根據申請專利範圍第1項之系統，更包括熱阻器，被配置為接近該電池組合，其中該熱阻器的輸出被配置為耦接至該控制器的輸入。
  7. 根據申請專利範圍第1項之系統，更包括電流感測器，被配置為耦接至該電池組合，其中該電流感測器的輸出被配置為耦接至該電量計的類比輸入。
  8. 根據申請專利範圍第1項之系統，其中該類比前端架構用於接收來自該電池組合中超過四個電池單元的電壓信號。
  9. 根據申請專利範圍第6項之系統，其中該控制器及該電路架構用於輸出表示電池單元溫度的單一電壓信號至該電量計。
  10. 根據申請專利範圍第1項之系統，更包括主機系統，架構用於與該控制器數位通訊。
  11. 根據申請專利範圍第1項之系統，更包括該電量計的數位信號輸出耦接至該控制器的數位輸入。
  12. 一種電池系統，包括： 　　多單元電池組合中的複數個電池單元； 　　類比前端，架構用於從該複數個電池單元中的每一者接收電壓信號以及根據在來自該複數個電池單元的每一者的接收的該電壓信號產生第一資料信號； 　　控制器，架構用於接收來自該類比前端的該第一資料信號以及根據在來自該類比前端的該第一資料信號上執行的預程式演算法產生第二資料信號； 　　第一數位可程式電壓源(DPVS)，架構用於將該第二資料信號轉換為表示電池單元電壓參數的第一類比電壓信號；以及 　　電量計，架構用於接收及處理該第一類比電壓信號。
  13. 根據申請專利範圍第12項之電池系統，其中該電量計是單電池電量計，具有用於測量電池單元終端電壓的單一類比輸入，其中用於測量電池單元終端電壓的該單一類比輸入架構用於接收來自該第一DPVS的該第一類比電壓信號。
  14. 根據申請專利範圍第13項之電池系統，其中該電量計包含一對類比輸入，架構用於測量電池單元充電及放電電流。
  15. 根據申請專利範圍第14項之電池系統，更包括耦接在該多單元電池組合與該電量計的該對類比輸入之間的電流感測器，架構用於測量電池單元充電及放電電流。
  16. 根據申請專利範圍第12項之電池系統，更包括熱阻器，被配置為接近該電池組合，其中該熱阻器的輸出被配置為耦接至該控制器的輸入，其中該控制器更架構用於接收該熱阻器的該輸出以及根據在該熱阻器的該輸出上執行的預程式演算法產生第三資料信號。
  17. 根據申請專利範圍第16項之電池系統，更包括第二DPVS，架構用於將該第三資料信號轉換為表示與該熱阻器的該輸出有關的溫度參數的第二類比電壓信號，並且其中該單電池電量計具有用於測量電池單元溫度的單一類比輸入，其中用於測量電池單元溫度的該單一類比輸入架構用於接收來自該第二DPVS的該第二類比電壓信號。
  18. 根據申請專利範圍第17項之電池系統，其中該電量計架構用於向該控制器傳輸根據該第一及第二類比電壓信號的該處理而產生的輸出資料信號。
  19. 一種設備，包括： 　　多單元電池組合中的複數個電池單元； 　　類比前端，架構用於從該複數個電池單元中的每一者接收電壓信號以及根據在來自該複數個電池單元的每一者的接收的該電壓信號產生第一資料信號； 　　控制器，架構用於接收來自該類比前端的該第一資料信號以及根據在來自該類比前端的該第一資料信號上執行的預程式演算法產生第二資料信號； 　　熱阻器，被配置為接近該電池組合，其中該熱阻器的輸出被配置為耦接至該控制器的輸入，其中該控制器更架構用於接收該熱阻器的該輸出以及根據在該熱阻器的該輸出上執行的預程式演算法產生第三資料信號； 　　第一數位可程式電壓源(DPVS)，架構用於將該第二資料信號轉換為表示電池單元電壓參數的第一類比電壓信號； 　　第二DPVS，架構用於將該第三資料信號轉換為表示與該熱阻器的該輸出有關的溫度參數的第二類比電壓信號； 　　電源管理單元或主機系統，架構用於藉由數位通訊鏈耦接至該控制器；以及 　　電量計，架構用於接收及處理該第一及第二類比電壓信號，其中該電量計是單電池電量計，具有用於測量電池單元終端電壓的單一類比輸入，其中用於測量電池單元終端電壓的該單一類比輸入架構用於接收來自該第一DPVS的該第一類比電壓信號，並且其中該單電池電量計具有用於測量電池單元溫度的單一類比輸入，其中用於測量電池單元溫度的該單一類比輸入架構用於接收來自該第二DPVS的該第二類比電壓信號，其中該電量計架構用於向該控制器傳輸該輸出資料信號，該控制器接著架構用於透過該數位通訊鏈轉發該輸出資料信號到該電源管理單元或主機系統。
  20. 根據申請專利範圍第19項之設備，其中該多單元電池組合架構用於為電動車輛提供電力。
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