开关电容器平衡和表征方法及系统

1.本公开涉及使用开关电容器系统同时平衡和表征电池单元堆的方法。


背景技术：

2.堆叠电池单元的系统经常用来为许多应用(包括电动车)供电。通过平衡电池单元之间的电压能够提高具有堆叠电池单元的系统的性能，因为这些电池单元具有不同的性能特征(例如，一些电池单元被认为比其它性能更好)。如果没有完成电池堆的平衡，则电池堆的整体操作时间将受到具有最差性能的电池单元的性能的限制。电池单元的“性能”可以是指存储在电池单元中的电荷和电池单元的内部阻抗。
3.如今，电池单元的平衡是在充电后和不使用电池单元时完成的。最常见的电池平衡技术是被动平衡。这种技术耗尽了所有较好的电池单元的电荷，使其性能与最差性能的电池单元相一致。
4.被动平衡可以说是具有0％的功率效率。这将电池寿命限制到最差性能的电池单元的寿命(例如，其还减少了电动车的最大里程)。
5.另一方面，主动平衡将电荷从良好性能的电池单元移动到最差性能的电池单元，从而改进“坏”电池单元的性能，从而使电池堆的电池寿命更长。此外，使用主动平衡的功率效率可以达到90％。有许多主动平衡的解决方案。
6.为了改进电池堆的性能，还希望知道电池单元的状态(诸如内部交流电阻)。为此，需要测量电池单元的电气特性。这能够通过两种方式完成，向每个电池单元注入小的正弦波或注入噪声信号，然后通过测量电池单元两端的交流电压或噪声电压来估计交流特性。
7.在常规实施方案中，主动平衡和测量电池单元的特性存在几处不便。一个是需要对电池单元产生刺激的单元。另一个是刺激可以导致电磁干扰(emi)。


技术实现要素：

8.本公开提供多个堆叠电池单元的主动平衡的方法和系统，其中，使用相同的开关电容器拓扑结构，开关电容器拓扑结构既用于平衡，也用于同时向多个堆叠电池单元提供表征信号。这可能有几处优点。通过使用以梯形结构布置的电容器和多个开关的拓扑结构，既用于主动平衡，又通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号同时为堆叠电池单元提供表征信号，表征能够作为主动平衡处理的组成部分来完成，而不会像外部信号那样引起emi。作为示例，通过了解平衡期间电池单元的交流阻抗，可以实现更准确的平衡。提出的方法还能够估计充电状态(soc)和健康状态(soh)，这是电池组中的两个重要指标。soc是指电池(cell)中的剩余电荷占电池充满时所含电荷的百分比。soh可以是指随着电池老化，电池可以保持的电荷量的变化，或者是指随着电池老化，作为其增加的内阻函数的电池健康状况的量化。能够根据表征完成soc和soh的估计。此外，提出的方法可以在操作期间实现平衡。本公开的目的之一是提供平衡和表征电池单元或电池单元堆的方法和系统。该方法依赖于开关电容器系统，其中开关由真随机或伪随机序列控制。
9.根据第一实施例，本公开涉及平衡和表征多个堆叠电池单元的开关电容器平衡和表征系统，该开关电容器平衡和表征系统包括：
[0010]-至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元，其中，该至少一个电容器适于将电荷移动到多个堆叠电池单元和从多个堆叠电池单元移出；
[0011]-多个开关，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开；以及
[0012]-处理组件，被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关，其中，控制信号的开关周期长度具有随机分量，从而同时进行多个堆叠电池单元的主动平衡，以及在多个堆叠电池单元的端子提供表征电压和/或电流。
[0013]
通过使用电容器和开关来打开和关闭电池单元端子与电容器之间的电连接，并通过向开关本身施加真随机或伪随机控制信号，可以同时实现电池单元的平衡和表征。电荷从充电较多的电池单元移动到充电较少的电池单元以实现平衡。同时，用于开关的随机时钟序列使得可以在电池单元上生成可测量的信号，以表征电池。这样就同时实现电池的平衡和表征。根据一个实施例，开关根据预定义的序列来切换，而切换周期的长度具有随机分量。发明人已经意识到，当以这种方式来操作开关电容器拓扑结构时，主动平衡仍然与切换周期长度的随机分量一起工作，同时，切换周期长度的随机分量能够为每个电池单元提供噪声信号，通过测量电池单元两端的交流电压或噪声电压，可以用于交流特性。
[0014]
能够根据某些标准或预定义的使用计划来启用和禁用该方法。在一个实施例中，开关电容器平衡和表征系统被配置为在第一模式下操作，所述第一模式中，使用预定义的占空比(诸如50％)来时钟驱动开关，以及在第二模式下操作，所述第二模式中，向多个开关施加真随机或伪随机控制信号。因此在某些实施例中，操作开关电容器系统作为主动平衡的常规系统，然后切换到第二配置(其也可称为表征配置)，可能是有用的。操作模式可由处理单元控制。
[0015]
进一步的实施例可以包括开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为在升压开关方案中，配置多个开关以将电容器连接到至少两个串联连接的电池单元。升压开关方案在主动平衡处理结束时可能特别有用。当电池单元之间的电压差变低时(即，电池单元的电压对齐)，表征信号可以随之变低，这使得测量电池单元上的交流特性更加困难。
[0016]
如将进一步详细描述的那样，能够在若干实施例中生成真随机或伪随机控制信号。因此，进一步的实施例可以包括环形振荡器、或松弛振荡器、或晶体振荡器、或伪随机序列生成器、或随机噪声生成器、或σ-δ转换器或任何其他合适的装置，用于向多个开关生成控制信号。
[0017]
本公开的开关电容器平衡和表征系统可以作为能够连接到多个堆叠电池单元(例如，电动交通工具中的多个堆叠电池单元)的系统提供。该系统可以包括可配置的开关电容器电路、处理单元以及用于将系统连接到现有电池系统或包括多个堆叠电池单元的电池组的连接器。
[0018]
为了提供表征，该系统还可以包括电压测量和/或电流测量设备，用于测量多个堆叠电池单元中的一个或多个电池单元的电压或电流，从而实现多个堆叠电池单元的表征。
[0019]
在进一步的实施例中，本公开的开关电容器平衡和表征系统作为具有集成平衡和表征能力的电池系统提供。在一个实施例中，电池系统包括：
[0020]-多个堆叠电池单元；
[0021]-至少一个电容器，该至少一个电容器可连接到多个堆叠电池单元，其中，该至少一个电容器适于将电荷移动到多个堆叠电池单元和从多个堆叠电池单元移出；
[0022]-多个开关，该多个开关被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开；以及
[0023]
处理单元，该处理单元被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关。
[0024]
通过使用电容器和开关能够打开和关闭电池单元端子和电容器之间的电连接，并向开关本身施加真随机或伪随机控制信号，可以同时实现多个堆叠电池单元的平衡和表征。电荷从充电较多的电池单元移动到充电较少的电池单元以实现平衡，同时用于开关的时钟的随机序列使得可以在电池单元上生成可测量的信号以表征电池，从而实现电池单元的同时平衡和表征。
[0025]
本公开还涉及通过使用开关电容器平衡和表征系统来平衡和表征多个堆叠电池单元的方法，该系统包括：至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元；以及多个开关，可配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开，该方法包括以下步骤：
[0026]-向多个开关施加真随机或伪随机控制信号，其中，控制信号的开关周期长度具有随机分量，从而同时进行多个堆叠电池单元的主动平衡，以及在多个堆叠电池单元的端子上提供表征电压和/或电流；
[0027]-通过分析多个堆叠电池单元的电信号的至少一个特性来表征多个堆叠电池单元。
[0028]
本领域技术人员将认识到，可以使用本公开的用于平衡和表征多个堆叠电池单元的开关电容器平衡和表征系统的任何实施例，和/或使用本公开的电池系统的任何实施例，来执行本公开的方法。因此，该方法可以执行本公开的开关电容器平衡和表征系统和/或电池系统被配置为执行的任何步骤。
[0029]
本发明还涉及具有指令的计算机程序，在由计算设备或计算系统执行所述指令时，使计算设备或计算系统施行本公开的方法的任何实施例，该方法通过使用开关电容器平衡和表征系统来平衡和表征多个堆叠电池单元。此处计算机程序应作广义解释，例如包括在pc上运行的程序或适于作为堆叠电池单元的系统的一部分运行的软件。
附图说明
[0030]
下面将参照附图对本发明进行描述，这些附图对本公开的开关电容器平衡和表征方法和系统是示例性的而不是限制性的。
[0031]
图1示出了本公开的用于平衡和表征多个堆叠电池单元的开关电容器平衡和表征系统(100)的实施例的示意图。
[0032]
图2示出了本公开的电池系统(200)的实施例的示意图。
[0033]
图3a、3b、3c和3d示出了“升压”方案的示例，其中一个或多个堆叠电容器在两个电池单元上充电。在该具体实施例中只有一个电容器以及只有两个电池单元。
[0034]
图4示出了本公开的开关电容器平衡和表征系统的实施例的示意图，其中堆叠电池单元的数量多于两个，并且堆叠电容器的数量多于一个。
[0035]
图5a、5b、5c和5c示出了“升压”方案的示例，其中一个或多个堆叠电容器在两个电池单元上充电。在该实施例中有多于一个的电容器和多于两个的电池单元。
[0036]
图6示出了被测设备(dut)的表征的示例，其中表征系统使用傅里叶变换来表征多个堆叠电池。
[0037]
图7示出了用于生成开关的时钟信号的单元的示例性实施方案。
[0038]
图8示出了本公开的方法的实施例的示意图，该方法通过使用开关电容器平衡和表征系统来平衡和表征多个堆叠电池单元。
[0039]
图9a和9b示出了非升压方案中平衡序列的实施例，其中飞跨电容器在一个电池单元上充电并且在另一个电池单元上放电。
[0040]
图10a、10b、10c和10d示出了升压方案序列的实施例，其中没有飞跨电容器短路。
具体实施方式
[0041]
本公开涉及平衡和表征多个堆叠电池单元的开关电容器平衡和表征系统。该开关电容器平衡和表征系统包括：至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元，其中，该至少一个电容器适于将电荷移动到多个堆叠电池单元和从多个堆叠电池单元移出；以及多个开关，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开。该系统还包括被配置为控制多个开关的处理单元。优选地该系统被配置为向多个开关生成真随机或伪随机控制信号。这可以同时对多个堆叠电池单元进行主动平衡，并且向多个堆叠电池单元提供表征信号。
[0042]
本公开中的“堆叠电池单元”应作广义解释，并且指多个电池单元的任何配置，其中，每个电池单元可以以各种配置连接到一个或多个其它电池单元，并且其中主动平衡是相关的。作为示例，“多个堆叠电池单元”可以包括若干串联连接的电池单元，还覆盖了包括若干电池单元的一个电池的配置。多个堆叠电池单元可以串联连接。然而，串联连接的电池单元组可以并联连接。
[0043]
在一个实施例中，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为对多个堆叠电池单元同时进行平衡和表征。本公开中的“同时”应作广义解释，并且指以相同电路和在相同时间进行的平衡和表征。
[0044]
在一个实施例中，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为在多个堆叠电池单元的操作期间，对多个堆叠电池单元进行平衡和表征。因此，在临时平衡和表征阶段，平衡和表征能够与操作分开执行，也可以在电池单元操作期间执行，即当电池单元用于向其负载供电并且负载被配置为在其操作期间正常运转时执行。
[0045]
图1示出了平衡和表征多个堆叠电池单元(108)的开关电容器平衡和表征系统(100)的一个实施例的示意图。在图1的示例中有三个串联连接的电容器(c1、c2、c3)(110)。因此，该系统包括至少一个电容器(101)的单元(101)和多个开关(102)。多个开关中的一个开关示为(104)至少一个电容器中的一个电容器示于(110)(c3)。多个电池单元中的一个电池单元(106)具有上端(105)和下端(107)。开关电容器平衡和表征系统(100)包括处理单元(103)，其被配置为通过向多个开关(102)施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关。开关电容器平衡和表征系统(100)耦合到多个堆叠电池单元(108)。该多个电池
单元、电容器和多个开关以梯形结构布置。每个电容器具有上端(111)和下端(112)。能够看出，通过配置多个开关，两个电容器之间的每个节点(例如c2和c3之间的节点)能够连接到电池单元(示例中为v
bat3
)的上端(105)和下端(107)。该示例的开关电容器平衡和表征系统(100)还包括表征单元(109)，被配置为表征电池单元的交流阻抗。
[0046]
图2示出了电池系统(200)的一个实施例，该系统包括：多个堆叠电池单元(108)；至少一个电容器(101)，可连接到多个堆叠电池单元(108)；多个开关(102)，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元(108)连接和断开；处理单元(103)，被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关，从而同时进行多个堆叠电池单元的主动平衡，以及向多个堆叠电池单元提供表征信号。
[0047]
图4示出了用于平衡和表征多个堆叠电池单元的开关电容器平衡和表征系统的实施例，其中多个堆叠电池单元多于两个，并且至少一个电容器多于一个。多个电池单元、电容器和多个开关以梯形结构布置。本领域技术人员将认识到，本公开的开关电容器平衡和表征系统能够与任何合适数量的电池单元和电容器一起操作。
[0048]
升压方案
[0049]
在平衡处理接近结束时，多个电池单元中的电池单元之间的电压差很小，这可能导致电池单元上的噪声表征信号非常小。这可能使表征电池单元成为问题，因为要在每个电池单元两端测量的交流电压很小。为了克服该问题，本公开确定了所谓的“升压方案”。在升压方案中，每个飞跨电容器都用一对或更多电池单元堆充电，这样就可以从充电最多的电池单元到充电最少的电池单元获得更大的电荷流，从而获得快速平衡，还在每个电池单元两端获得更大的交流电压，这有助于表征。
[0050]
升压方案不一定限制于与本公开结合的主动平衡和表征一起使用。因此，本公开还涉及开关电容器平衡系统，包括：
[0051]-多个堆叠电池单元；
[0052]-至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元，其中，该至少一个电容器适于将电荷移动到多个堆叠电池单元和从多个堆叠电池单元移出；
[0053]-多个开关，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开；以及
[0054]
处理单元，被配置为，在升压切换方案中，配置多个开关以将一个电容器连接到至少两个串联连接的电池单元。
[0055]
如本公开中所描述的，处理单元还可以被配置为执行与升压方案相关的任何附加步骤。
[0056]
在一个实施例中，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为在升压开关方案中配置多个开关以将电容器连接到至少两个串联连接的电池单元。该配置的示例如图3a和3c所示为两个电池单元的电池堆的情况，如图5a和5c所示为电池单元堆中多于两个电池单元的情况。通过在某个给定的时间点将飞跨电容器连接到至少两个电池单元，电容器能够更快地充电(升压方案)，并且能够在稍后的某个时间点更快地向正在充电的电池单元释放电荷，如图3b和3d中所示为电池堆中只有两个电池单元的情况，图5b和5d中所示为在电池堆中有多于两个电池单元的情况。
[0057]
如上所述，升压方案的一个示例如图3a、3b、3c、3d所示。开关配置的主序列从图3a所示的配置开始，随后是图3b，随后是图3c，随后是图3d。随机时钟优选地施加在给定序列
的顶部，以获得序列每个步骤持续时间的真随机化或伪随机化。在图3a、3b、3c、3d所示的实施例中，电容器由两个电池单元在给定的步骤充电。这样在第一步骤中，飞跨电容器用至少两个电池单元充电，然后在第二步骤中将电荷释放到一个电池单元，在第三步骤中飞跨电容器由至少两个电池单元再次充电，并且在最后步骤中第二个电池单元由飞跨电容器充电。该模式能够以传统的预定时钟占空比运行(例如50％)，也能够以基于真随机或伪随机或噪声信号的时钟运行，实现每个步骤的随机或伪随机或噪声持续时间，以这种方式不仅实现平衡，还基于电池单元输出的随机信号的测量实现电池单元的表征。
[0058]
在开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，处理单元被配置为配置多个开关，使得电容器随后向两个串联连接的电池单元中的一个电池单元放电。这被示出为图3b和3d中的示例，其中堆叠电池单元只有两个，或者在图5b和5d中的另一个示例，其中堆叠电池单元多于两个。
[0059]
在一个实施例中，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为配置多个开关，使得电容器由至少三个串联连接的电池单元充电。
[0060]
在开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，处理单元被配置为配置多个开关，使得电容器在每次充电后被交替地放电到串联连接的电池单元。该示例如图3b和3d所示为两个电池单元的情况，如图5b和5d所示为多于两个电池单元的情况。从图中可以看出，飞跨电容器在先前由一个或两个或更多电池单元充电后，仅将其电荷释放到一个电池单元中。每当飞跨电容器在其充电阶段期间由两个或更多电池单元充电时，就会实施升压方案，当不同电池单元的电压彼此非常相似时，这对平衡的结束特别有利。
[0061]
在一个实施例中，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为在第一充电配置中操作，其中，每个电容器交替地连接到两个相邻串联连接的电池单元，并且在升压开关方案中，使用两个或更多串联连接的电池单元对电容器充电。这被示出为如图5a和5c所示的示例，其中飞跨电容器在第一充电配置中使用两个电池单元充电，以及如图5b和图5d所示的示例，其中电荷从飞跨电容器转移到一个电池单元。
[0062]
升压方案序列的另一个实施例如图10a、10b、10c、10d所示。在该实施例中，没有飞跨电容器被短路。该实施例(图10a至图10d)中描述的电路在另一个实施例中可以按照图9a和9b所示的序列运行，无需升压方案。在图9a和9b所示的实施例中实现了无升压的平衡。在图10a至图10d所示的实施例中实现带有升压但不需要使任何飞跨电容器短路的平衡。图9a至图9b和图10a至图10d所示的实施例包括比图3a至图3d、图4以及图5a至图5d所示的实施例更多的开关，并且在升压方案中，不需要在序列的任何步骤中使任何飞跨电容器短路。
[0063]
电路的结构细节
[0064]
移动电池单元堆的电池单元两端的电荷以使电池单元之间的差异均匀的操作称作平衡，并且通过将电荷从充电较多的电池单元移动到充电较少的电池单元，并使用飞跨电容器作为临时电荷沉积物来获得平衡，飞跨电容器由一个或多个电池单元交替充电并且在电池单元上放电。这是通过将飞跨电容器连接到一个电池单元，或者在升压方案中连接到两个或更多电池单元，然后在将电荷从先前充电的飞跨电容器转移到每个电池单元时将飞跨电容器连接到一个电池单元来获得的。这是通过使用多个开关定期改变飞跨电容器的上端和下端与电池单元的上端和下端之间的连接来实现的。处理单元可以控制开关以获得
所需的序列，并且实现电池单元的平衡。电路的电连接的配置如下所述。
[0065]
根据一个实施例，本公开还涉及平衡和表征多个堆叠电池单元的开关电容器平衡和表征系统，其中：
[0066]-多个堆叠电池单元的数量为n，其中，最下的电池单元对应于最下的数字1，最高的电池单元对应于最高的数字n，一般的电池单元对应于1和n之间包括的数字n；
[0067]-多个飞跨电容器的数量为n-1，其中，电容器也堆叠在一起，并且其中最下的数字1对应于最下的电容器，最上的数字n-1对应于最上的电容器，一般的电容器对应于1和n-1之间包括的一般数字n；
[0068]
图3a、3b、3c和3d示出了开关电容器平衡和表征系统的示例，其中电池单元数量为n＝2，飞跨电容器数量为n-1＝1。从图中可以看出，电池单元的上端和下端如何通过开关能够在不同配置中连接到飞跨电容器的端子，该配置取决于编程处理单元以使电路执行的不同步骤。特别是图3a和3c示出了在升压模式下飞跨电容器充电期间开关的配置。在非升压模式下，仅使用一个电池单元完成飞跨电容器的充电。图3b和3d示出了开关的配置，其中飞跨电容器向一个电池单元放电其电荷。图5a、5b、5c和5d示出了更一般的配置，其中电池单元的数量多于两个，并且处理单元被配置为将电池单元与飞跨电容器耦合。图3a至图3d和图5a至图5d特别地示出了实施升压方案的有序序列。
[0069]
优选地，每个电池单元具有下端和上端；每个飞跨电容器具有下端和上端；并且每个开关能够关闭或打开飞跨电容器的下端和上端中的一个端子与堆叠电池单元的下和上端中的一个端子之间的电连接。
[0070]
根据一个实施例
[0071]-第一堆叠电池单元的下端连接到系统的接地端；
[0072]-每个堆叠电池单元i的上端连接到堆叠电池单元i-1的下端；
[0073]-每个飞跨电容器i的下端连接到堆叠电池单元i的下端或堆叠电池单元i的上端，取决于多个开关的配置；以及
[0074]-每个飞跨电容器n的上端连接到电池单元i+1的下端或电池单元i+1的上端，取决于开关的配置。
[0075]
多个堆叠电池单元和多个电容器优选地以梯形结构布置。图4提供了这种结构的一个示例，其示出了本公开的涉及开关电容器的平衡和表征系统的一个实施例。在图4所示的实施例中，电池单元1的上端连接到电池单元2的下端，并且一般地，电池单元n的上端连接到电池单元n+1的下端。以相似的方式，飞跨电容器1的上端连接到飞跨电容器2的下端，并且一般地，飞跨电容器i的上端连接到飞跨电容器i+1的下端。相反地，飞跨电容器和电池单元之间的连接是可配置的，并且取决于开关的配置，开关被编程以打开和关闭飞跨电容器和电池单元之间的连接，以便在配置序列期间使所有电池单元之间的充电均匀，因此进行平衡的操作。在第一模式下，平衡序列可以以驱动开关的50％占空比的时钟运行，从而仅获得平衡。在第二模式下，可以向开关的时钟施加真随机或伪随机或噪声序列，从而与平衡一起，在电池单元的输出产生可测量的电压，能够测量该电压以获得电池单元的交流表征，因此同时实现电池单元的平衡和表征。
[0076]
根据一个实施例，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，包括n个串联连接的电池单元和n-1个串联连接的电容器，其中，多个开关可配置为将n-1个串联连接的电容器
的每个电容器连接到至少两个单独的电池单元。这种结构的实施例如图4所示，其中n＝6。参数n不限于6，而可以是任何合适的参数。
[0077]
在本公开的开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，处理单元被配置为将每个电容器交替地连接到两个相邻串联连接的电池单元，以随着时间的推移使两个相邻电池单元的充电均匀。在惯常的方案中(即，在非升压方案中)，处理单元可以被编程为在飞跨电容器充电期间将飞跨电容器仅连接到每对电池单元中充电最多的电池单元。在放电阶段，将飞跨电容器连接到充电最少的电池单元。用户不一定需要知道哪个电池单元是充电最多的，但是必须交替地与每对电池单元中的每个单独的电池单元连接，以保证电荷从该对电池单元中充电最多的电池单元到该对电池单元中充电最少的电池单元的有效移动。可以有效地使用这种惯常或非升压方案，特别是在平衡处理开始时，而在平衡处理结束时优选升压方案。在升压方案中，在飞跨电容器充电阶段，飞跨电容器由两个或更多个电池单元充电。
[0078]
电池系统
[0079]
本公开还涉及电池系统，包括：
[0080]-多个堆叠电池单元；
[0081]-至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元，其中，该至少一个电容器适于将电荷移动到多个堆叠电池单元和从多个堆叠电池单元移出；
[0082]-多个开关，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开；以及
[0083]-处理单元，被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关，从而同时执行多个堆叠电池单元的主动平衡以及向多个堆叠电池单元提供表征信号。
[0084]
图2示出了包括开关电容器平衡和表征系统(100)的电池系统(200)的一个实施例的示意图。在电池系统的这种实施例中，电池单元由飞跨电容器(101)、开关(102)和处理单元(103)组成，与所需的电路一起包括在内用于同时平衡和表征。
[0085]
电池系统可以使用编程序列和由处理单元生成的真随机或伪随机时钟来同时对电池单元进行平衡和表征。电池系统完全能够执行与开关电容器平衡和表征系统相同的功能，不同之处在于电池系统内包括电池单元，而开关电容器平衡和表征系统不包含任何电池单元，而是连接到外部堆叠电池单元。
[0086]
平衡和表征多个堆叠电池单元的方法
[0087]
本公开还涉及通过使用开关电容器平衡和表征系统来平衡和表征多个堆叠电池单元的方法，该系统包括：至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元；以及多个开关，可配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开，该方法包括以下步骤：
[0088]-向多个开关施加真随机或伪随机控制信号，从而同时执行多个堆叠电池单元的主动平衡，以及向多个堆叠电池单元提供表征信号；
[0089]-通过分析多个堆叠电池单元的电信号的至少一个特性来表征多个堆叠电池单元。
[0090]
平衡和表征多个堆叠电池单元的方法可以使用本公开的开关电容器平衡和表征系统(100)的任何变体。
[0091]
本领域技术人员将理解的是，该方法的步骤可以由处理单元在开关电容器平衡和
表征系统中或者在使用开关电容器平衡和表征系统或电池系统的特征的电池系统中执行。
[0092]
本领域技术人员也将理解相反的情况，即，所述的方法可以通过本公开的开关电容器平衡和表征系统(100)来执行。
[0093]
图8示出了本公开的方法的实施例的示意图，该方法通过使用开关电容器平衡和表征系统来平衡和表征多个堆叠电池单元。
[0094]
电池单元输出的表征信号是由于向开关电容器平衡和表征系统的开关的时钟施加真随机或伪随机控制信号而产生的。然后可以将表征信号送到表征单元以获得电池单元的表征。
[0095]
表征
[0096]
本公开的开关电容器平衡和表征系统的处理单元可以控制开关生成真随机或伪随机或噪声控制信号，该信号实现电池堆的平衡，并且还在电池单元的输出产生可称为表征信号的表征电压和电流。处理单元被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关。“向多个开关施加真随机或伪随机控制信号”意味着到开关的控制信号的切换周期长度具有随机分量。下面提供了这种随机分量的可能实施方案的示例。
[0097]
当向多个开关施加真随机或伪随机控制信号时，随着时间的推移，电荷从充电较多的电池单元移动到充电较少的电池单元。同时，在表征堆叠电池单元的处理中可以使用随机或伪随机模式。为了表征电池单元，在电池单元的端子处测量表征电压和/或电流。作为示例，可以通过测量电池单元两端的交流电压或噪声电压来获得交流特性。通过研究电池单元两端的电压和通过电池单元的电流，可以获得电池单元的内部阻抗。在图1的示例中，一个电池单元(106)具有上端(105)和下端(107)。端子(105；107)既是电池单元的“输入”又是“输出”，因为可再充电的电池单元既可以被视为能源，又可以被视为能量。因此，通过“在多个堆叠电池单元的端子提供表征电压和/或电流”，本公开的方法和系统提供了能够测量和处理的信号以表征堆叠电池单元。
[0098]
在一个实施例中，表征信号可以以被本领域技术人员所理解的方式来用于表征电池单元，并且其将包括几种方法(methodology)，包括通常用于表征(例如，扬声器)的最小长度序列或伪随机噪声。表征单元可能使用的另一种方法是电化学阻抗谱分析。在另一个实施例中，表征单元可以实施如图6所示的示例的步骤，其中输入和输出信号之间相关性的傅里叶变换用于电池单元的完整表征。
[0099]
在本公开的开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，表征单元被配置为使用多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输入和输出电压之间的互相关器以及由多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输入和输出电压的相关性生成的信号的傅里叶变换来表征多个堆叠电池单元。
[0100]
根据一个实施例，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，表征单元被配置为表征电池单元的交流阻抗。
[0101]
在本公开的开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，表征单元使用多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输出电压来执行电池单元的电化学阻抗谱分析。
[0102]
在本公开的开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，还包括分析器，其被配置为将施加的真随机或伪随机输入信号关联到多个堆叠电池单元中的一个或多个电池单元的输出电压或电流，以表征多个堆叠电池单元中的一个或多个电池单元的阻抗。
[0103]
根据一个实施例，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，该系统还包括电压测量和/或电流测量设备，用于测量多个堆叠电池单元中的一个或多个电池单元的电压或电流。
[0104]
真随机或伪随机时钟序列
[0105]
在本公开的其中一个实施例中，电容器的充电和放电序列由处理单元编程，并且优选地具有一组预定的步骤。然而，在一个实施例中，每个步骤的持续时间可以使用由环形振荡器、松弛振荡器或晶体振荡器生成的随机信号，并在该信号之上引入过多的抖动来随机化。可以通过几种方式实现随机信号的生成，其中一种可能是使用电阻热噪声，该电阻热噪声可以被数字化以提供随机位序列。
[0106]
根据一个实施例，真随机或伪随机控制信号是使用一元多项式生成的。在本公开的上下文中，一元多项式可以是以下类型：
[0107]
p
10
(x)＝(x)
10
+(x)3+1
[0108]
在公开的开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，用于切换开关的时钟信号由σ-δ转换器生成。在该实施例中，σ-δ转换器生成伪随机序列，其可用于调制和随机化每个可能的方案和配置的充放电序列中的每个步骤的持续时间。
[0109]
图7示出了伪随机序列发生器的实施例，该发生器可以用于生成开关时钟的伪随机序列。在其它实施例中，伪随机二进制序列生成器可以用于获得伪随机位序列。在进一步的实施例中，伪随机二进制序列可以用线性反馈移位寄存器实施。
[0110]
给定序列的每个步骤的随机周期化可以通过随机化时钟的占空比或使用固定的最小基本持续时间并随机化序列的每个步骤可能具有的最小基本持续时间间隔的数量来实现。例如，最小基本持续时间可能设置为一微秒，序列的步骤a的持续时间可以是基本持续时间的随机整数倍，而步骤b的持续时间可以是最小基本持续时间的随机整数倍，其中a和b是序列的预定步骤，且对应于开关的预定配置。
[0111]
根据一个实施例，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为使用真随机或伪随机控制信号对开关进行时钟驱动。
[0112]
为了同时平衡和表征堆叠电池单元，本公开利用真随机或伪随机或噪声信号来时钟驱动开关。控制信号可以说包括随机分量，因此不仅实现了电池单元的平衡，而且还在电池单元上生成交流电压和电流，用于电池单元本身的交流表征。
[0113]
确定开关配置的序列是预定的，其可能是将电荷从一个电池单元移动到另一个电池单元的常规序列，也可能将电荷由一个或多个电池单元转移到电池单元的升压方案配置。序列中每个步骤的持续时间可以通过使用由处理单元生成的随机信号随机化或伪随机化，并用于为开关电容器平衡和表征单元的开关进行时钟驱动。通过随机化时钟从而不具有占空比为50％的确定性时钟，有可能同时实现电池单元的平衡和表征，因为电荷最终从充电最多的电池单元转移到充电最少的电池单元，同时实现电池单元上的可测量表征电压和电流的生成。
[0114]
根据一个实施例，本公开还涉及开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为在第一模式下操作，所述第一模式中，开关使用预定义的占空比(诸如50％)进行时钟驱动，以及在第二模式下操作，所述第二模式中，真随机或伪随机控制信号被施加到多个开关。处理单元能够被编程为在第一模式下为开关生成50％占空比时钟。
通过时钟的50％占空比，能够实现电池单元的平衡。在第二模式下，处理单元被编程为向开关生成真随机或伪随机或噪声时钟信号，这样就实现同时平衡和生成表征信号，表征单元能够使用所述表征信号用于表征电池单元。
[0115]
在本公开的开关电容器平衡和表征系统的一个实施例中，处理单元被配置为根据预定顺序的若干预定充电步骤来切换开关，并且其中，每个步骤的持续时间具有随机分量。
[0116]
开关电容器平衡和表征系统还可以包括环形振荡器、或松弛振荡器、或晶体振荡器、或伪随机序列发生器、或随机噪声发生器或σ-δ转换器，用于生成对于多个开关的控制信号。在另一个实施例中，时钟信号的随机化可以应用于随机化在序列期间对于电路的每个配置的电池的输入信号的强度。这可以通过选择随机数量的开关手指导通来实现随机开关电导值，或者通过改变开关驱动电压来实现随机开关电导值。这样，每个电容器充电然后放电的速度就可以随机化，实现电池单元的同时平衡和表征。
[0117]
图中的元件列表
[0118]
100
–
开关电容器平衡和表征系统，用于多个堆叠电池单元的平衡和表征
[0119]
101
–
电容器，可连接到多个堆叠电池单元
[0120]
102
–
多个开关，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开，
[0121]
103
–
处理单元，被配置为控制多个开关
[0122]
104
–
多个开关中的一个开关
[0123]
105
–
多个电池单元中的一个电池单元的上端
[0124]
106
–
多个电池单元中的一个电池单元
[0125]
107
–
多个电池单元中的一个电池单元的下端
[0126]
108
–
多个电池单元
[0127]
109
–
表征单元
[0128]
110
–
多个电容器中的一个电容器
[0129]
111
–
电容器的上端
[0130]
112
–
电容器的下端
[0131]
200
–
电池系统
[0132]
300
–
平衡和表征多个堆叠电池的方法
[0133]
本发明的进一步细节
[0134]
1.一种开关电容器平衡和表征系统，用于平衡和表征多个堆叠电池单元，该开关电容器平衡和表征系统包括：
[0135]-至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元，其中，该至少一个电容器适于将电荷移动到多个堆叠电池单元和从多个堆叠电池单元移出；
[0136]-多个开关，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开；以及
[0137]-处理单元，被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关，从而同时进行多个堆叠电池单元的主动平衡，以及向多个堆叠电池单元提供表征信号。
[0138]
2.根据第1项所述的开关电容器平衡与表征系统，其中，多个堆叠电池单元是串联连接的。
[0139]
3.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为
使用真随机或伪随机控制信号对开关进行时钟驱动。
[0140]
4.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为在第一模式下操作，所述第一模式中，开关使用预定义的占空比(例如50％)进行时钟驱动，以及在第二模式下操作，所述第二模式中，向多个开关施加真随机或伪随机控制信号。
[0141]
5.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为按照预定顺序根据若干预定充电步骤来切换开关，并且其中每个步骤的持续时间具有随机分量。
[0142]
6.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，多个堆叠电池单元串联连接，开关电容器平衡和表征系统包括多个电容器，其中，多个堆叠电池单元和多个电容器以梯形结构布置。
[0143]
7.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，包括n个串联连接的电池单元和n-1个串联连接的电容器，其中多个开关可配置为将n-1个串联连接电容器中的每一个电容器连接到至少两个单独的电池单元。
[0144]
8.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为交替地将每个电容器连接到两个相邻串联连接的电池单元，以随着时间的推移使两个相邻电池单元的充电均匀。
[0145]
9.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为在升压开关方案中，配置多个开关以将电容器连接到至少两个串联连接的电池单元。
[0146]
10.根据第9项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为配置多个开关，使得随后将电容器放电到两个串联连接的电池单元中的一个电池单元。
[0147]
11.根据第9项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为配置多个开关，使得随后将电容器放电到至少两个串联连接的电池单元。
[0148]
12.根据第9-11项中的任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为配置多个开关，使得电容器由至少三个串联连接的电池单元充电。
[0149]
13.根据第9-12项中的任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，处理单元被配置为配置多个开关，使得在每次充电后的电容器交替地放电到串联连接的电池单元。
[0150]
14.根据第9-13项中的任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为在第一充电配置下操作，其中，每个电容器交替地连接到两个相邻串联连接的电池单元，并且在升压开关方案中，使用两个或更多串联连接的电池单元对电容器充电。
[0151]
15.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，还包括环形振荡器、或松弛振荡器、或晶体振荡器、或伪随机序列发生器、或随机噪声发生器或σ-δ转换器，用于对多个开关生成控制信号。
[0152]
16.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，还包括电压测量和/或电流测量设备，用于测量多个堆叠电池单元中的一个或多个电池单元的电压或电流。
[0153]
17.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，还包括分析器，被配置为将施加的真随机或伪随机控制信号与多个堆叠电池单元中的一个或多个电池单元的电压或电流相关联，以表征多个堆叠电池单元中的一个或多个电池单元的阻抗。
[0154]
18.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，还包括表征单元，被配置为使用多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输入和输出电压之间的互相关器以及由多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输入和输出电压的相关性生成的信号的傅里叶变换来表征多个堆叠电池单元。
[0155]
19.根据第18项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，表征单元被配置为表征电池单元的交流阻抗。
[0156]
20.根据第18-19项中的任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，表征单元使用多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输出电压，以执行电池单元的电化学阻抗谱分析。
[0157]
21.根据前述任一项所述的开关电容器平衡与表征系统，其中：
[0158]-多个堆叠电池单元的数量为n，其中最下的电池对应于最下的数字1，最上的电池对应于最高的数字n，一般的电池对应于1和n之间包括的数字n；
[0159]-多个飞跨电容器的数量为n-1，其中，电容器也堆叠在一起，其中最下的数字1对应于最下的电容器，最上的数字n-1对应于最上的电容器，一般电容器对应于1和n-1之间包括的一般数字n；
[0160]-开关数量为2*n，其中，开关用于改变电池单元和飞跨电容器之间的电连接。
[0161]
22.根据前述任一项所述的开关电容器平衡与表征系统，其中：
[0162]-每个电池具有下端和上端；
[0163]-每个飞跨电容器具有下端和上端；
[0164]-每个开关能够关闭或打开飞跨电容器的下端和上端中的一个端子与堆叠电池单元的下端和上端中的一个端子之间的电连接。
[0165]
23.根据第21-22项中的任一项所述的开关电容器平衡与表征系统，其中：
[0166]-第一堆叠电池单元的下端连接到系统的接地端；
[0167]-每个堆叠电池单元i的上端连接到堆叠电池单元i-1的下端；
[0168]-每个飞跨电容器i的下端连接到堆叠电池单元i的下端或堆叠电池单元i的上端，取决于多个开关的配置；
[0169]-每个飞跨电容器n的上端连接到电池单元i+1的下端或电池单元i+1的上端，取决于开关的配置。
[0170]
24.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，真随机或伪随机控制信号是使用一元多项式生成的。
[0171]
25.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为对多个堆叠电池单元同时进行平衡和表征。
[0172]
26.根据前述任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，开关电容器平衡和表征系统被配置为在多个堆叠电池单元的操作过程中对多个堆叠电池单元进行平衡和表征。
[0173]
27.一种电池系统，该系统包括：
[0174]-多个堆叠电池单元；
[0175]-至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元，其中，该至少一个电容器适于将电荷移动到多个堆叠电池单元和从多个堆叠电池单元移出；
[0176]-多个开关，被配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开；以及
[0177]-处理单元，被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制多个开关，从而同时进行多个堆叠电池单元主动平衡以及向多个堆叠电池单元提供表征信号。
[0178]
28.根据第27项所述的电池系统，包括根据第1-26项中的任一项所述的开关电容器平衡和表征系统。
[0179]
29.一种用于平衡和表征多个堆叠电池单元的方法，所述方法使用开关电容器平衡和表征系统，该系统包括：至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元；以及多个开关，可配置为将至少一个电容器与多个堆叠电池单元连接和断开，该方法包括以下步骤：
[0180]-向多个开关施加真随机或伪随机控制信号，从而同时进行多个堆叠电池单元的主动平衡，以及向多个堆叠电池单元提供表征信号；
[0181]-通过分析多个堆叠电池单元的电信号的至少一个特性来表征多个堆叠电池单元。
[0182]
30.根据第29项所述的平衡和表征多个堆叠电池单元的方法，使用根据第1-26项中的任一项所述的开关电容器平衡和表征系统。
[0183]
31.一种处理单元，被配置为执行根据第29-30项中的任一项所述的方法。

技术特征：
1.一种开关电容器平衡和表征系统，用于平衡和表征多个堆叠电池单元，所述开关电容器平衡和表征系统包括：-至少一个电容器，可连接到多个堆叠电池单元，其中，所述至少一个电容器适于将电荷移动到所述多个堆叠电池单元和从所述多个堆叠电池单元移出；-多个开关，被配置为将所述至少一个电容器与所述多个堆叠电池单元连接和断开；以及-处理单元，被配置为通过向所述多个开关施加真随机或伪随机控制信号来控制所述多个开关，其中所述控制信号的开关周期长度具有随机分量，从而同时进行所述多个堆叠电池单元的主动平衡，以及在所述多个堆叠电池单元的端子处提供表征电压和/或电流。2.根据前述任一项权利要求所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述开关电容器平衡和表征系统被配置为在第一模式下操作，所述第一模式中，所述开关使用预定义的占空比(诸如50％)进行时钟驱动，以及在第二模式下操作，所述第二模式中，向所述多个开关施加所述真随机或伪随机控制信号。3.根据前述任一项权利要求所述的开关电容器平衡和表征系统，还包括电压测量和/或电流测量设备，用于测量所述多个堆叠电池单元中的一个或多个的电压或电流。4.根据前述任一项权利要求所述的开关电容器平衡和表征系统，还包括分析器，被配置为将施加的所述真随机或伪随机控制信号关联到所述多个堆叠电池单元中的一个或多个的电压或电流，以表征所述多个堆叠电池单元中的一个或多个的阻抗。5.根据前述任一项权利要求所述的开关电容器平衡和表征系统，还包括表征单元，被配置为使用所述多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输入和输出电压之间的互相关器以及由所述多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输入和输出电压的相关性生成的信号的傅里叶变换，来表征所述多个堆叠电池单元。6.根据权利要求5所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述表征单元被配置为表征所述电池单元的交流阻抗。7.根据权利要求5或6所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述表征单元使用所述多个堆叠电池单元中的至少一个电池单元的输出电压来执行所述电池单元的电化学阻抗谱分析。8.根据前述任一项权利要求所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述处理单元被配置为在升压开关方案中配置所述多个开关，以将所述电容器连接到至少两个串联连接的电池单元。9.根据权利要求8所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述处理单元被配置为配置所述多个开关，使得所述电容器随后向所述两个串联连接的电池单元中的一个放电。10.根据权利要求8所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述处理单元被配置为配置所述多个开关，使得所述电容器随后向所述至少两个串联连接的电池单元放电。11.根据权利要求8-10中任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述处理单元被配置为配置所述多个开关，使得所述电容器在每次充电后向所述串联连接的电池单元交替放电。12.根据权利要求8-11中任一项所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述开关电容器平衡和表征系统被配置为在第一充电配置中操作，其中，每个所述电容器交替连接到
两个相邻的串联连接的电池单元，并且在升压开关方案中，使用两个或更多串联连接的电池单元对所述电容器充电。13.根据前述任一项权利要求所述的开关电容器平衡和表征系统，其中，所述开关电容器平衡和表征系统被配置为对所述多个堆叠电池单元同时进行平衡和表征。14.一种用于平衡和表征多个堆叠电池单元的方法，所述方法使用根据权利要求1-13中任一项所述的开关电容器平衡表征系统，所述系统包括：至少一个电容器，能够连接到所述多个堆叠电池单元；以及多个开关，能够配置为将所述至少一个电容器与所述多个堆叠电池单元连接和断开，所述方法包括以下步骤：-向所述多个开关施加真随机或伪随机控制信号，其中，所述控制信号的切换周期长度具有随机分量，从而同时进行所述多个堆叠电池单元的主动平衡，以及在所述多个堆叠电池单元的端子上提供表征电压和/或电流；-通过分析所述多个堆叠电池单元的电信号的至少一个特性来表征所述多个堆叠电池单元。15.一种具有指令的计算机程序，所述指令在由计算设备或计算系统执行时，使所述计算设备或所述计算系统执行根据权利要求14所述的平衡和表征多个堆叠电池单元的方法。

技术总结
本公开涉及用于平衡和表征多个堆叠电池单元的开关电容器平衡和表征系统。该系统包括：至少一个电容器(C1，C2，C3)，通过开关(104)可连接到多个电池单元(106)，被配置为将至少一个电容器与电池单元连接或断开；处理单元(103)，被配置为控制多个开关；以及表征单元(109)，被配置为表征电池单元的交流阻抗。处理单元被配置为通过向多个开关施加真随机或伪随机控制信号，以便切换周期的长度具有随机分量，来控制多个开关。随机分量向每个电池单元提供噪声信号，用于确定交流特性，而不产生电磁干扰(EMI)。磁干扰(EMI)。磁干扰(EMI)。


技术研发人员：I
受保护的技术使用者：丹麦科技大学
技术研发日：2021.12.20
技术公布日：2023/9/9