[0001] 基于35U.S.C.§119，该
专利文件要求要求2012年5月24日递交的题为“电池单元温度测量装置(电池单元Temperature MeasurementArrangement”的美国临时专利
申请No.61/651，039的权益，将其全部合并在此作为参考.
技术领域
[0002] 本
发明的各个
实施例的多个方面涉及温度检测，并且涉及电池单元中的这种检测。
背景技术
[0003] 在多种电池单元中，例如在混合/
电动车辆的电池系统中使用的电池单元中，电池单元的性质和行为强烈地依赖于其温度。例如，在非常高或非常低的温度下，可能减小
电流驱动和电荷接受容量。如果电池单元的负载或者用于所述单元的充电器不考虑这种效应，可能会严重地减少电池单元的寿命。
[0004] 然而，确定电池的温度具有挑战性。例如，难以查明最佳测量温度的
位置。此外，因为较大的电池单元具有较高的(热)
质量(mass)，在电池外部部分处的可到达位置上可以测量电池单元内部的温度变化之前，需要一定的时间(使温度一致所需要的时间)。
[0005] 因为电池的性质和老化效应是依赖于温度的，期望知晓的每一个电池单元的温度在1K范围内。如果不是在电池单元的化学活性部分内部进行感测，获得这种测量
精度具有挑战性。此外，在具有许多
串联电池单元的大
电池组中，测量温度变得更加复杂，例如对于在电动车中使用的那些电池组。通常，最弱的电池单元决定了电池组的容量和电流驱
动能力。然而在不同的温度下，不同的电池单元可能是最弱的。尽管热模型可以用于识别单独电池单元的温度，这种模型可能难以实现。此外，尽管不同的
传感器可以用于每一个电池单元，这种方法可能成本上不可行，或者实现起来具有挑战性。
[0006] 这些和其他事情继续对针对多种应用而监测电池单元温度和其他特性提出了挑战。
发明内容
[0007] 各种示例实施例涉及电池单元温度检测、涉及相关
电路/模
块及其实现方式。
[0008] 根据示例实施例，针对每一个电池单元，如下检测多个电池单元的每一个中的温度。检测截取(intercept)
频率，所述截取频率是所述电池单元的阻抗值曲线的
虚部表现出零交叉时的频率，其中所述阻抗值与注入到所述电池单元的电流相对应。基于检测到的针对所述电池单元的截取频率和对电池单元操作建模的存储数据来确定所述电池单元的温度。在一些实现中，当包括处理电路和针对所述处理电路操作的存储指令时，分别在截取检测电路和温度检测电路中、在这种电路模块中和/或在操作这些模块的电路中执行截取频率和温度检测。
[0009] 另一个实施例涉及电池设备，包括：阻抗检测电路、零交叉电路、映射电路和温度检测电路，每一个均可以分离地或者组合地实现。所述阻抗检测电路与多个电池单元相连，并且针对每一个电池单元检测不同频率下的阻抗值。零交叉电路通过使用检测的阻抗值来针对每一个电池单元而操作，以确定针对所述电池单元的阻抗曲线的虚部的零交叉点的频率。映射电路针对每一个电池单元将零交叉点的频率映射到模型中，并且温度检测电路基于针对电池单元的映射，来产生所述电池单元的温度特性的指示。
[0010] 以上讨论/总结并非意欲描述本公开的每一个实施例或者每一种实现。接下来的
附图和详细描述也例证了各种实施例。
附图说明
[0011] 结合附图考虑以下详细描述，可以更加全面地理解各种示例实施例，其中：
[0012] 图1示出了根据一个或多个实施例的温度检测设备；
[0013] 图2示出了根据一个或多个实施例的温度检测设备；
[0014] 图3示出了根据一个或多个实施例的温度检测设备；
[0015] 图4示出了根据一个或多个实施例的针对控制电池单元时使用的不同电荷状态(SoC)条件的温度对截取频率曲线；以及
[0016] 图5示出了根据一个或多个实施例的用于温度检测的数据
流程图。
具体实施方式
[0017] 尽管本发明可以具有多种
修改和备选形式，但是在附图中仅以示例的方式示出了本发明的细节，并且将详细描述这些细节。然而，应该理解，目的并非将本发明限于所描述的特定实施例。相反，目的在于
覆盖落在包括
权利要求中限定方面的本发明的范围内的所有修改、等同和备选形式。此外贯穿本申请，所使用的术语“示例”仅是说明性的，而非限制。
[0018] 本发明的多个方面可应用于涉及电池单元温度测量的多种不同类型的设备、系统和方法。尽管本发明不必限制于此，但是通过以这种上下文来对示例进行论述，可以认识到本发明的各个方面。
[0019] 各种示例实施例涉及基于电池单元的行为来检测电池单元的温度特性。在各种实现中，监测电池单元在频域中的阻抗行为，并且用于提供温度的指示。在一些实施例中，随时间监测这种行为，并且用于表现电池单元老化时的温度特性。一些实施例涉及基于所述温度特性控制这种电池单元的操作。
[0020] 在更具体的实施例中，将检测的阻抗的虚部的截取频率用于估计单元温度(例如，无需获得和/或使用整个尼奎斯特曲线)。在两个或多个频率下检测单元阻抗，并且将单元阻抗用于确定或者检测检测的阻抗的虚部大约为零时(零交叉点)的截取频率，所述截取频率是实际(真实(real))频率的表示。在一些实施例中，可以对所述两个点使用插值以对零交叉点进行近似。在一些实施例中，在第一(例如任意)频率下测量单元阻抗。如果所述阻抗的虚部是正的，那么在更高的频率下检测阻抗。如果所述阻抗的虚部是负的，接下来在更低的频率下检测阻抗。重复这种程序，直到阻抗的虚部(近似)为零为止。
[0021] 在一些实施例中，使用电池单元的尼奎斯特曲线来实现一个或多个这种方法，尼奎斯特曲线描绘了单元的阻抗根据频率变化的
实部和虚部。例如，可以将尼奎斯特曲线中的低频(例如mHz范围)用作电池单元中扩散效应的指示，可以将中频(例如Hz范围)用作单元动力学的指示，以及可以将高频(例如kHz范围)用作机械单元结构的指示。将频率方面映射到单元模型的分量上，并且用于提供单元中温度的指示。
[0022] 各种实施例涉及利用适当修改的现有电路的实现(例如根据被执行以实现适当操作的指令进行操作)，例如在单元管理电路中。对于与电池单元有关的一般信息，以及对于与可以在串联连接单元的长链中测量单独单元阻抗的方式有关的特定信息，可以参考下面的每一个，将其全部结合在此作为参考：Hong，Y-J等人的“Modeling of the ThermalBehavior of a Lithium-Ion Battery Pack”，Advanced AutomotiveBattery Conference，4 pgs.(2010)；美 国 专 利 申 请 公 开 No.2012/0105070(van Lammeren，J.P.M. 等 人 的“SpectroscopicBattery-Cell-Impedance Measurement Arrangement for Large BatteryPacks Using the Cell Balancing Current”)；美 国专 利申 请No.13/100,652(Lammers，M.J.G.“Method to Measure the Impedancesof Battery cells in a(H)EV Application”)；以及美国专利申请No.13/150,959(van Lammeren，J.P.M. 等 人 的“DFT-BasedBattery-Cell-Impedance Measurement Arrangement for High-VoltageBattery Packs”)。
[0023] 使用上述方法可以测量电池单元化学组成本身的温度，解决与诸如单元
外壳之类的部件温度测量相关的问题，从中可以估计化学组成的温度，并且解决了相对于化学组成和温度传感器之间热阻的测量误差问题。另外，可以测量瞬时温度，因为在电池单元的加热和感测温度之间不存在时间延迟，解决了由热时间常数引起的延迟带来的问题。可以无需实现复杂的电池组模型和
软件例程就可以获得测量值。此外，所测量的温度是单元的化学组成的平均温度，解决了测量单元中的单独位置带来的问题，当内部温度梯度上升时所述单独位置测量可能导致误差，尤其是在重负载的情况下并且如果电池组具有主动冷却系统。另外，无需等待电池停留在“化学稳定状态”就可以进行测量，因为截取频率位于其中化学时间常数其作用的
频率范围之上。
[0024] 现在回到附图，图1示出了设备100，包括零交叉检测电路110和温度检测电路120。作为示例，所述设备100示出为耦合用于经由阻抗检测电路140接收针对多个电池单元130-N的每一个的阻抗值。零交叉检测电路110针对每一个电池单元检测截取频率。截取频率是电池单元的阻抗值曲线的虚部表现出零交叉(或者近似零交叉)时的频率，其中阻抗值与注入到单元中的电流相对应，如经由电流注入电路150所表示的(例如，使用阻抗的部分尼奎斯特曲线的虚部来确定零交叉点的频率)。
[0025] 温度检测电路120基于检测的针对所述单元的截取频率和对单元的操作建模的存储数据(例如存储在数据存储电路122中)来确定每一个单元的温度，并且提供可以用于控制电池单元的操作的输出。在一个这种示例中，
控制器160使用检测的温度来控制对串联连接的电池单元130-N充电和放电的至少一个。
[0026] 在一些实施例中，所述设备100也包括阻抗检测电路140、电流注入电路150、数据存储电路122和控制器160的一个或多个。在另一实施例中，这些电路可以存在于设备100相连的电池组系统中，所述设备100包括零交叉检测电路110和温度检测电路120。因此，各种实施例涉及作为
叠加(add-on)功能和/或监测和/或控制电池组的大系统的实现。在一些实现中，零交叉检测电路110控制电流注入电路150按照一定的频率注入电流。在另一实现中，电流注入电路150是设备100的一部分，并且与零交叉检测电路110协力控制注入频率。
[0027] 在更具体的实施例中，电流注入电路150操作用于按照不同的频率将电流注入到单元130-N中。零交叉检测电路通过对响应于在不同频率下的电流注入而检测到的单元的相应阻抗值进行插值，来检测所述截取频率。例如，这种插值可以包含线性插值，使
用例如图4所示的曲线。在一些实施例中，将电流
信号按照不同的频率同时(concurrently)注入到每一个单元中。
[0028] 在一些示例中，基于零交叉检测电路110在先检测的截取频率来设置各个注入频率。分别将大于在先检测的截取频率的至少一个频率和小于在先检测的截取频率的至少一个频率注入到单元中。结合这些和其他实施例，已经发现通过注入这些频率，可以将线性插值用于识别可以从中确定电池单元温度的零交叉点。因此，零交叉检测电路110通过对响应于在不同频率下的电流注入而检测到的单元的各个阻抗值进行插值来检测截取频率。
[0029] 根据更具体的示例实施例，如可以利用设备100所实现的，阻抗检测电路与多个电池单元相连，并且检测针对每一个单元在不同频率下的阻抗值，并且零交叉电路使用针对每一个单元所检测的阻抗值来确定针对所述单元的阻抗曲线的虚部的零交叉点的频率。映射电路将针对每一个零交叉点的频率映射到针对所述单元的模型，并且温度检测电路基于针对所述单元的映射产生所述单元的温度特性的指示。
[0030] 在一些实施例中，所述零交叉检测电路110通过检测与在不同的第一和第二频率下的单元操作相对应的单元阻抗，来确定针对每一个单元的零交叉点的频率。使用在第一和第二频率下检测的阻抗，针对所述单元对零交叉点进行线性插值。在一些实现中，阻抗检测电路140在第一和第二频率下将信号注入到所述单元中，使用分别大于和小于预期截取频率的频率，并且经由其间的线性插值实现零交叉点的检测。在更具体的实现中，同时注入针对每一个频率的电流，其中所述阻抗检测电路140操作用于在两个频率下检测阻抗(例如，在比单元的热时间常数的倒数更高的速率下检测各个零交叉频率)。
[0031] 使用多种方法的一个或多个来确定注入到电池单元中的各个频率。在一个这种实施例中，电流注入电路150操作用于分别在比零交叉检测电路110已经在先检测到零交叉时的频率更大或更小的频率下注入电流。例如，可以选择相应频率，使得在先检测的零交叉约是相应频率之间的中点，并且从而实现了零交叉频率的后续检测(可能更加精确)。
[0032] 在另一个实施例中，零交叉检测电路110通过在第一频率下测量单元阻抗、随后响应于所述阻抗的虚部为正或负而分别在更高或更低的频率下测量所述单元阻抗，来确定针对每一个单元的零交叉点的频率。重复测量和对所述阻抗虚部的符号做出响应的这些步骤，直到阻抗的虚部大约为零为止，其用于检测零交叉点。
[0033] 按照不同的方式执行零交叉点的插值，以适应不同的应用和/或所需的精度和时间/处理限制。在一些实施例中，使用在两个频率下检测的阻抗来执行线性插值。在其他实施例中，基于在不同频率下注入的电流使用特定单元的三个或更多个阻抗来执行插值(线性和/或非线性)。
[0034] 在一些实施例中，阻抗检测电路140考虑了当单元老化时单元中的变化。电路140在单元处于热平衡的同时在第一条件(例如，在实现新单元之前，或者当单元相对较新时)下检测单元的参考阻抗。在所述单元老化之后，电路140在单元处于热平衡的同时使用注入到单元中的信号检测老化的阻抗值。将检测的阻抗值和各个平衡温度用于修改单元模型，单元模型用于将检测的阻抗(零交叉)与单元温度进行映射。
[0035] 温度检测电路120操作用于对根据一个或多个实施例的设备100进行校准。在一个这种实施例中，温度检测电路120基于当包括单元130-N在内的电池设备处于热平衡时产生的温度传感器的输出，来对温度测量进行校准。利用这种方法，使用热平衡条件，可以将单个温度传感器用于进行这种测量。
[0036] 图2示出了根据一个或多个实施例的温度检测设备200。设备200使用温度和单元阻抗之间的关系来查明包括单元210在内的多个电池单元的每一个的各自温度，在所述单元两端连接了分泄(bleed)电路220(例如
电阻器或电流源)和相应的
开关222。设备200包括抗混淆(anti-alias)
滤波器230和240以及
模数转换器(ADC)232，所述ADC测量单元
电压(示出为与单元210相连)，提供单元电压用于描述单元阻抗特性。
[0037] ADC232的输出还与同步解调器250相连，同步解调器从(余弦)正弦发生器260接收信号，也向西格玛-德尔塔
调制器270提供
输出信号，用于控制开关222的操作。(余弦)正弦发生器260和西格玛-德尔塔调制器270通过向开关222提供调制的信号(例如脉冲
密度调制(PDM)的调制信号)来控制将电流注入到单元210中，调制设置用于按照所需的信号频率注入电流。可以结合这些和其他实施例实现多种(余弦)正弦发生器。对于与这种发生器有关的一般信息以及对于与可以结合这些实施例实现的DFT发生器有关的特定信息，可以参考5/4/2011递交的题为“Method to measure the impedances of battery cells in a(H)EVapplication”的美国专利申请No.13/100,652，将其全部合并在此作为参考。
[0038] 电池组控制器280使用从抗混淆滤波器240输出的电压来控制电池单元，电池组控制器可以作为设备200的一部分实现或者分离地实现，其中在分离地实现时设备200提供由电池组控制器使用的输出。同步解调器250向温度检测电路290提供对ADC的输出的虚部加以表示的输出，其与单元210的阻抗相对应。
[0039] 如上所述，温度检测电路290使用在不同频率下检测的阻抗来识别虚部输出的零交叉点，并且还使用所识别的零交叉点的频率和单元操作的模型来确定所述单元的温度特性。温度检测电路290向电池组控制器280提供输出，用于控制单元210的操作。在一些实现中，温度检测电路290还控制西格玛-德尔塔调制器270的操作，用于控制对于单元210的电流注入的频率，例如如上所述。因此，所述设备200可以按照这里所述的一种或多种方式操作，例如结合图1，用于检测/确定相应电池组中的单元210和其他单元的温度。
[0040] 图3示出了根据一个或多个实施例的温度检测设备300。设备300与图2所示且如上所述的设备200类似，因此为了简明起见使用类似的参考符号，并且还提供了在不同频率下的两个电流的同时注入。然而，可以使用不同和/或类似的电路和相关方法来实现图2和图3所述实施例中的部件。设备300也对于包括单元310在内的多个电池单元进行操作，并且包括分泄电路320(例如
电阻器或电流源)、开关322、抗混淆滤波器330和340、ADC332、同步解调制器350、(余弦)正弦发生器360和西格玛-德尔塔调制器370，所述调制器例如如上所述控制用于电流注入的开关322的操作。设备300还包括同步解调器352和(余弦)正弦发生器362，将所述(余弦)正弦发生器362的输出在加法器364处与(余弦)正弦发生器360的输出相加，加法器364将和提供给西格玛-德尔塔调制器370，并且从而实现了同时对不同电流的注入。设备200可以实现用于按照时间复用方式进行这种操作。电池组控制器380使用从抗混淆滤波器340输出的电压来控制电池单元，电池组控制器可以实现为设备300的一部分或者与设备300分离地实现，其中分离地实现时设备300提供由电池组控制器使用的输出。同步解调器350和352向温度检测电路390提供对ADC的输出的虚部加以表示的输出，其与单元310的阻抗相对应。
[0041] 如上所述，温度检测电路390使用在不同频率下检测的阻抗来识别虚部输出的零交叉点，并且还使用所识别的零交叉点的频率连同所述单元操作的模型一起来确定单元的温度特性。温度检测电路390向电池组控制器380提供输出，用于控制单元310的操作。如上所述，在一些实现中，温度检测电路390也控制西格玛-德尔塔调制器370(和/或(余弦)正弦发生器360/362)的操作，用于控制对于单元310的电流注入的频率，例如这里所述的。因此，设备300可以按照如这里所述的一种或多种方式操作，例如结合图1，用于检测/确定相应的电池组中的单元310和其他单元的温度。
[0042] 如上所述，设备300可以实现为在两个不同的测量频率下(或者同时或者连续地)注入两个电流。这种方法可以实现为使得在前一次测量中得到的截取点位于这两个频率的中点。通过在比电池单元310的热时间常数的倒数更高的速率下测量温度来实现这种方法。
[0043] 按照多种方式实现这里所述的各种实施例以适应特定的应用。在一些实现中，截取点是在比动力学速度和扩散效应更高的频率，使得可以与这些效应引起的非线性和停留(settling)行为无关地注入测试信号。在一些实施例中，通过不注入任何信号就测量一个单元来检验所述
频谱的清洁度(cleanliness)。可以根据在美国专利申请No.13/150,959中讨论的一个或多个方法来实现这种方法，将其全部结合在此作为参考。
[0044] 图4示出了对于在控制根据一个或多个实施例的电池单元时使用的不同电荷状态(SoC)条件(例如对于
锂离子电池)的温度对截取频率的曲线。与上述相一致地，这种曲线可以用于将检测的截取频率与温度相关联。另外，经由SoC的校准和不同的值，可以精确地确定所述温度。
[0045] 图5示出了根据一个或多个实施例用于实现具有多个电池单元的电池设备中的温度检测的数据流程图。在框510，将电流注入到电池单元中，例如通过如上所述注入单个频率电流或者在不同频率下注入电流信号。在框520，检测截取频率，在所述截取频率下电池单元的阻抗值曲线的虚部表现出零交叉。所述阻抗值与在框510时注入到单元中的电流相对应，并且可以用于在框520时对所述截取频率进行推断/插值。在框530，检索对电池操作建模的存储数据，并且在框540使用检索的数据和检测的截取频率来确定单元的温度。
[0046] 在各种实施例中，在框525使用检测的截取频率来选择注入电流用于后续截取频率检测的频率。例如，与上述相一致地，实施例涉及选择比检测的截取频率更大或更小的电流注入频率，在选择的频率下注入电流，并且在框520时使用所得到的检测阻抗来对截取频率进行插值。另一个实施例涉及基于在框510注入电流时检测的阻抗的虚部部分的符号来在框525时选择电流注入频率，当所述值为正时在更高的频率下注入电流，而当所述值为负时在更低的频率下注入电流。
[0047] 在框540检测的温度按照多种方式中的一个或多个，用于在框550控制电池单元的操作。例如，可以将所确定的每一个单元的温度用于控制多个电池单元的每一个的充电、放电和
抽取能量中的至少一个。这种方法可以用于平衡负载或者基于电池单元的操作和随时间的相关性能，按所需地操作电池单元。
[0048] 在附图中所示和在
说明书和权利要求中所述的各种方法的实施按照多种方式实现，以适应特定的应用。在一些实现中，使用对于电池组-控制器的基于软件的控制、对于电池管理器的基于软件的控制、或者对于电池管理器的有限状态机(FSM)的控制来控制电池单元。可以在不同的单元电平(例如，通过单元平衡器)并且经由电池单元驱动
马达的马达电流的调制(例如在
汽车应用中)来如图2和图3所示地注入电流。按照多种方式使用所测量的阻抗，例如以使用单独的频率经由多次测量实现连续地近似、使用多个频率的单次测量进行数据的插值，以及使用单独频率的多次测量进行数据的插值。
[0049] 可以实现各种模块以执行这里所述和/或附图中所示的各种操作和行为。在这些上下文中，“模块”是执行这些或相关操作/行为的一个或多个(例如，基于检测的阻抗对值进行插值，基于所述插值来确定温度)的电路。例如在上述实施例的一定实施例中，一个或多个模块可是分立的
逻辑电路或可编程逻辑电路，配置和设置用于实现如图1所示的电路模块中的这些操作/行为。例如，这些模块可以实现为电池组控制器和/或电池单元管理器的一部分。在一些实施例中，这种可编程电路可以是进行编程以执行一组(或多组)指令(和/或配置数据)的一个或多个计算机电路。所述指令(和/或配置数据)可以是
固件或者
存储器(电路)中存储且可从存储器(电路)
访问的软件的形式。作为示例，一些模块包括基于计算机
硬件的电路和固件形式的一组指令的组合。在这种示例中，第一模块可以包括具有一组指令的CPU硬件电路，并且第二模块可以包括具有另一组指令的第二CPU硬件电路(或者相同的CPU硬件电路)。
[0050] 一些实施例涉及
计算机程序产品(例如非易失性存储设备)，其包括其中存储有指令的机器或计算机可读介质，可以通过计算机(或其他
电子设备)执行所述指令以执行如这里所述的操作/行为。
[0051] 基于以上讨论和说明，本领域普通技术人员应该易于理解的是：在不严格遵循这里所示和所述示范性实施例和应用的情况下，可以对各种实施例进行各种修改和变化。例如，可以将多种不同类型的电路用于检测电池单元的阻抗值，其输出用于检测相关的温度特性。这种修改并没有脱离包括在以下权利要求中阐述的所述实施例的真实精神和范围。
