多種實施例的方面針對用于對電池充電并控制電池充電的方法和裝置。

背景技術(shù)：

隨著消費者對設(shè)備中越來越多功能的需求急劇增加，使用可再充電電池的需求同樣急劇增加。這種高功能性通常需要較高的處理電力，這樣對電池操作提出更多需求。此外，這種功率消耗可以對電池再充電提出更大的需求。此外，用戶通常需要快速的充電速率，以便可以在較短時間段內(nèi)對電池充電。

電池單元的特性和性能很大程度上取決于它的溫度。在高溫或低溫下，可能降低電流驅(qū)動能力和電荷接受能力。如果電池單元的負載和充電器不考慮這種影響，則可能嚴重縮短電池的壽命。然而，確定電池的溫度是富有挑戰(zhàn)性的。例如，電池內(nèi)的溫度會改變，電池單元的熱質(zhì)量會使電池組內(nèi)的溫度改變，并且難以從電池單元的外側(cè)或外部檢測到。由于電池特性和老化效應(yīng)與溫度相關(guān)，希望在1K內(nèi)知曉每個電池單元的溫度。如果沒有在電池單元的化學(xué)活性部分內(nèi)部進行感測，則難以獲得這種測量準確度。此外，在具有多個串聯(lián)電池單元的大型電池組中(諸如，用于電動車輛的電池)測量溫度變得更復(fù)雜。通常，最弱的電池單元決定了電池組的容量和電流驅(qū)動能力。然而，在不同溫度下，最弱的電池單元可能是不同的。盡管可以將熱模型(thermal model)用于識別每個單元溫度，但是這種模型難以實現(xiàn)。此外，盡管可以將不同傳感器用于每個電池單元，這種方法成本高且難以實現(xiàn)。此外，快速充電和測量溫度的困難會引入過熱問題和相關(guān)影響。

上述和其它事物呈現(xiàn)出對多種應(yīng)用的電池充電方法、裝置及其實 現(xiàn)方案的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

多種示例實施例針對一種電池充電方法、裝置和它們的實現(xiàn)方案。

根據(jù)示例實施例，裝置包括第一電路，調(diào)制用于對電池充電的充電電流，并基于電池的阻抗設(shè)置已調(diào)制充電電流的頻率。第二電路基于在使用已調(diào)制充電電流對所述電池充電期間所述電池展示出的阻抗來估計所述電池的溫度。

在更具體的實施例中，所述裝置包括電流調(diào)制電路，對充電源提供的充電電流進行調(diào)制，并將已調(diào)制充電電流提供為用于對電池充電的輸出。阻抗檢測電路與電流調(diào)制電路進行操作，以便基于已調(diào)制電流的頻率檢測電池的阻抗，并基于檢測到的阻抗修改已調(diào)制的充電電流的頻率。溫度估計電路基于檢測到的阻抗來估計電池的溫度；電流調(diào)節(jié)器電路基于估計的溫度來調(diào)節(jié)提供作為輸出的充電電流。

另一實施例針對如下方法。調(diào)制對電池充電的充電電流，并基于電池的阻抗設(shè)置已調(diào)制充電電流的頻率?；谠谑褂靡颜{(diào)制充電電流對電池進行充電期間所述電池展示出的阻抗來估計電池的溫度。在一些實施例中，響應(yīng)于估計的溫度超過了預(yù)定閾值，通過減小充電電流來調(diào)節(jié)充電電流。例如，調(diào)制充電電流可以包括：將充電電流的頻率設(shè)置為指示電池阻抗曲線的虛部的零交叉點的頻率，或?qū)⑵湓O(shè)置為電池阻抗曲線的相交點(intercept point)。然后，可以使用零交叉點和/或線性內(nèi)插以及指示相交點的頻率來估計電池的溫度。

上述討論/概述不是為了描述本公開的每個實施例或每個實現(xiàn)方案。以下附圖和具體描述示例性地示出了多種實施例。

附圖說明

可以根據(jù)以下結(jié)合附圖的詳細描述，更全面地理解多種示例實施例，附圖中：

圖1示出了根據(jù)示例實施例的電池充電裝置的框圖；

圖2示出了根據(jù)更具體實施例的電池管理裝置；

圖3示出了根據(jù)另一實施例的另一電池管理裝置；

圖4示出了根據(jù)一個或更多個實施例用于估計溫度的非零相交(intercept)頻率f(_0.5)的曲線圖；

圖5示出了根據(jù)一個或更多個實施例用于估計溫度的非零相交頻率f(_1.0)的曲線圖；

圖6示出了根據(jù)一個或更多個實施例用于估計溫度的在1510Hz頻率處相移曲線圖；

圖7示出了根據(jù)一個或更多個實施例用于估計溫度的在1914Hz頻率處相移曲線圖；

圖8示出了根據(jù)一個或更多個實施例用于估計溫度的在3888Hz頻率處相移曲線圖；

圖9示出了根據(jù)一個或更多個實施例用于估計溫度的在4923Hz頻率處相移曲線圖。

盡管這里討論的多種實施例應(yīng)該包括多種修改和備選形式，然而在附圖中示例性地示出了并詳細描述了實施例的多個方面。然而，應(yīng)理解這么做的目的不是為了將本發(fā)明限于所述的具體實施例。相反，而是為了涵蓋落在本公開范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換物，所述本公開范圍包括由權(quán)利要求限定的多個方面。此外，貫穿本申請所用的術(shù)語“示例”僅是說明性的，而不是為了進行限制。

具體實施方式

確信本公開的多個方面可應(yīng)用于多種不同類型的涉及電池充電的裝置、系統(tǒng)和方法。盡管不必這樣限制，然而可以通過對在該背景下對示例的討論認識到本發(fā)明的多個方面。

多種示例實施例針對基于對電池內(nèi)的溫度的估計來控制電池充電。基于在使用一個或更多個特定頻率調(diào)制的電流對電池充電期間該電池的阻抗，來執(zhí)行溫度估計。例如這種方法可以涉及：使用有利于檢測該電池在電池充電期間展示出的阻抗曲線的相交點的充電電流頻 率，來估計溫度。這種相交可以例如涉及高頻相交或零交叉相交。多種方法和裝置可以執(zhí)行這種方案。

在其它示例實施例中，一種裝置包括第一(充電)電路，使用基于電池阻抗設(shè)置的頻率來調(diào)制提供給電池的充電電流。在一些實現(xiàn)方案中，設(shè)置頻率以使檢測到的阻抗在特定頻率處展示出相交，這樣有助于進行精確的溫度測量。在這種背景下，可以基于檢測到的阻抗，修改調(diào)制充電電流的頻率，以便實現(xiàn)與相交相對應(yīng)的所需頻率。第二(溫度估計)電路基于電池在使用已調(diào)制充電電流對該電池進行充電期間展示出的阻抗來估計該電池的溫度。在一些實現(xiàn)方案中，該裝置還使用估計的溫度來調(diào)節(jié)充電電流，諸如，響應(yīng)于估計的溫度超過了預(yù)定閾值來減小充電電流。在更具體的實施例中，第三(阻抗檢測)電路檢測該電池的阻抗，并與第一充電電路進行操作以便基于經(jīng)過電池的電壓和電流的相位差來修改已調(diào)制充電電流的頻率。

以多種方式中的一種或更多種方式來調(diào)制充電電流。在一些實施例中，在使得阻抗的虛部為零的頻率處調(diào)制充電電流，在該頻率下，電池兩端的電壓和經(jīng)過電池的電流是同相的，或該頻率指示了電池阻抗曲線的虛部的零交叉點。在其它實施例中，充電電流被設(shè)置為使阻抗的虛部為正數(shù)的頻率，該頻率指示阻抗曲線虛部的非零相交頻率(例如，其中非零相交被用于指示溫度)。因此，這種非零相交點可以被確定為電池的奈奎斯特曲線與平行于實軸的線相交的頻率，其中虛部不等于零(例如，0.5mΩ或1.0mΩ，如圖4和5所示)。在另一實施例中，在阻抗的虛部為正數(shù)的頻率處調(diào)制充電電流，電池溫度基于電流和電壓之間的相位，其中該電流和電壓是在使用已調(diào)制充電電流對電池充電期間電池展示出的電流和電壓。在其它實施例中，在監(jiān)控電池的阻抗的同時修改充電電流的頻率，將充電電流的頻率設(shè)置為使被監(jiān)控的阻抗指示電池阻抗曲線的相交點的頻率。在更具體實施例中，其中將充電電流調(diào)制為指示電池阻抗曲線的相交點的頻率，通過使用線性內(nèi)插估計溫度，基于在使用已調(diào)制充電電流對電池充電期間電池展示出的阻抗來估計電池的溫度。

另一實施例針對一種如下裝置，可以使用上述一個或更多個方法 來實現(xiàn)該裝置。電流調(diào)節(jié)電路調(diào)制由充電源提供的充電電流，將已調(diào)制充電電流提供作為用于對電池充電的輸出。阻抗檢測電路與電流調(diào)制電路進行操作以便基于已調(diào)制電流的頻率檢測電池的阻抗，并基于檢測到的阻抗修改已調(diào)制充電電流的頻率。溫度估計電路基于檢測到的阻抗來估計電池的溫度；電流調(diào)節(jié)器電路基于估計的溫度來調(diào)節(jié)提供作為輸出的充電電流。

使用多種方案中的一個或更多個方案來設(shè)置已調(diào)制充電電流的頻率。在一些實施例中，基于以下參數(shù)中的一個或更多個參數(shù)來設(shè)置頻率：經(jīng)過電池的電壓和電流的相位差；電池阻抗的虛部為零的頻率；電池兩端的電壓和經(jīng)過電池的電流處于同相的頻率；充電電流的頻率與指示電池阻抗曲線的虛部的零交叉點的頻率；以及使檢測到的阻抗指示電池阻抗曲線的相交點的頻率。

在更具體的實施例中，電流調(diào)制電路通過基于由阻抗檢測電路檢測到的阻抗將充電電流的頻率設(shè)置為指示電池阻抗曲線的相交點的頻率，來調(diào)制充電電流。溫度估計電路通過使用線性內(nèi)插以及指示相交點的頻率來估計溫度，基于在使用已調(diào)制充電電流對電池充電期間該電池展示出的阻抗，來估計該電池的溫度。

圖1示出了根據(jù)另一示例實施例的電池充電裝置100的框圖。電池充電裝置100包括DCDC轉(zhuǎn)換器110，將來自源120的輸入DC電壓轉(zhuǎn)換為DC電流，以便對電池130進行充電。阻抗檢測電路140檢測電池130的阻抗特性，溫度估計電路150基于檢測到的阻抗來估計電池130的溫度。充電電流調(diào)節(jié)器電路160基于估計的溫度來調(diào)節(jié)電流(例如，以便保護過熱)，充電電流調(diào)制器170調(diào)制充電電流的頻率以便有利于阻抗檢測。在一些實施例中，充電電流調(diào)制器170調(diào)制充電電流的頻率，以便提供與阻抗檢測電路140檢測到的阻抗曲線的虛部的零交叉點相對應(yīng)的頻率。這種方案還有利于進行精確溫度測量。

在一些實施例中，充電電流調(diào)節(jié)器160根據(jù)電池的充電類型(例如，慢或快)和/或充電狀態(tài)，來改變充電電流。當(dāng)電池的單元到達特定化學(xué)相關(guān)電壓(例如，4.3V)時，電壓保持恒定，由于單元接近滿電狀態(tài)，緩慢減小電流。這種方法可以與如上所述的溫度估計和相關(guān) 電流控制相結(jié)合。在一些實現(xiàn)方案中，通過諸如電阻器或Hall器件的安培計來測量DCDC轉(zhuǎn)換器110的輸出電流。將安培計的輸出與參考信號進行比較以便控制DCDC轉(zhuǎn)換器的占空比，參考信號是保持電流恒定(I_charge)的信號。當(dāng)電池電壓到達其最大電平時，通過使信號V_max作為輸入的控制環(huán)路將電池電壓保持為恒定。最小檢測器傳送正確信號以便獲得所需的充電特性。

將多種方法用于基于阻抗來估計溫度以便控制對電池的充電。在一些實施例中，電池的奈奎斯特曲線被用于根據(jù)頻率來估計電池的阻抗。在多種實現(xiàn)方案中，相交頻率(奈奎斯特曲線相交實軸的頻率)被用作電池溫度的指示符。

圖2示出了根據(jù)更具體實施例的電池管理裝置200。電池管理裝置200包括充電器210，使用所需電流驅(qū)動電池；以及電池單元監(jiān)管器(supervisor)220，監(jiān)控電池電壓。在一些實現(xiàn)方案中，針對由充電器210進行充電的電池中的每個單元，執(zhí)行多個單元監(jiān)管器(諸如單元監(jiān)管器220)。充電器210包括DCDC轉(zhuǎn)換器211，使用電壓源219向安培計212提供輸出，安培計繼而將輸出提供給比較器213。低通濾波器214還將輸出提供給比較器215，其中還向比較器215提供目前的最大電壓輸入。比較器215向最小檢測器216提供輸出，向最小檢測器216饋送根據(jù)特定屬性設(shè)置電流的信號I_charge。正弦信號發(fā)生器217產(chǎn)生參考信號，該參考信號在加法器218處與最小檢測器216的輸出相加，被提供作為比較器213的另一輸入，作為控制DCDC轉(zhuǎn)換器211的占空周期的參考信號。參考信號包括與信號I_charge相對應(yīng)的DC分量和通過正弦信號發(fā)生器217產(chǎn)生的AC分量(例如，可以改變其頻率)。低通濾波器214確保當(dāng)充電器處于恒壓模式下時不抑制所產(chǎn)生的正弦信號。只要電池電壓到達所設(shè)最大電平，就通過包括信號V_max作為其輸入的控制環(huán)路來將電池電壓保持為恒定，其中通過最小檢測器216的控制使控制環(huán)路有效。

單元監(jiān)管器220包括低通濾波器221，耦接用以接收單個單元230兩端的信號，并向模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)222提供輸出。ADC 222向另一低通濾波器223提供輸出，低通濾波器223提供指示電池電壓的輸 出。正弦(或余弦)信號發(fā)生器224向同步解調(diào)器225提供參考信號，同步解調(diào)器225還接收ADC 222的輸出并產(chǎn)生指示電池230的阻抗的實部和虛部的輸出。例如可以由充電器210使用這些方面，以便設(shè)置經(jīng)由DCDC轉(zhuǎn)換器211提供的已調(diào)制充電電流的頻率和/或電平。在一些實現(xiàn)方案中，控制對充電電流的調(diào)制，使得對單元的較小調(diào)制足夠低(例如，1mV或更少)以便減輕單元壽命的減小。

可以通過基于電池監(jiān)管器220的輸出檢測電池的阻抗方面，來估計溫度，諸如如美國專利申請序列號No.13/555,923所述，該專利申請通過全文引用合并于此。例如，可以通過改變正弦信號的頻率并查找以下頻率來針對系統(tǒng)中的每個單個單元確定溫度：使電池的虛部等于零的頻率，在該頻率處電池兩端的電壓和通過電池的電流是同相的頻率，或相交點處的頻率。

在一些實施例中，諸如對于具有較少數(shù)目的單元的系統(tǒng)，如具有一個電池單元的移動電話、具有兩個單元的平板電腦或具有三個單元的膝上型計算機，充電器210和單元監(jiān)管器220可以被方便地集成在一個集成電路(IC)中。在一些實現(xiàn)方案中，充電器210的正弦信號發(fā)生器和單元監(jiān)管器220的(余)正弦信號發(fā)生器是同一組件。在其它實施例中，諸如在具有大量電池單元的汽車應(yīng)用中，與充電器和監(jiān)管器方面相關(guān)的功能可以分布在若干IC中(例如，充電器的正弦信號發(fā)生器和監(jiān)管器的余弦信號發(fā)生器是同步的，如美國專利申請序列號No.14/107,530所述，通過引用將該申請全文合并于此)。

現(xiàn)參考圖3，示出了根據(jù)另一實施例的另一電池管理裝置300。電池管理裝置300與圖2所示的裝置200相似，其中用采樣保持(S/H)電路314代替充電器210的恒壓環(huán)路中的低通濾波器214。用于與圖2中的附圖標記相似的附圖標記來標注電池管理裝置300的其它方面(例如，DCDC轉(zhuǎn)換器211和311)，因此電池管理裝置300的特征如圖2所示。S/H電路314與由正弦信號發(fā)生器317產(chǎn)生的正弦波同步地進行采樣，可以在其輸出處有效地消除正弦波。

將通過阻抗以及充電電流的相關(guān)頻率來估計溫度的多種方案實現(xiàn)為適應(yīng)一個或更多個實施例。例如，阻抗的低頻和中頻分量可以被 用于估計溫度。針對不同溫度令電池阻抗為實數(shù)且交變電壓和電流之間的相移為零的相交頻率可以被用作溫度的指示?？梢愿鶕?jù)L.H.J.Raijmakers、D.L.Danilov、J.P.M.van Lammeren、M.J.G.Lammers、P.H.L.Notten在“Sensorless battery temperature measurements based on electrochemical impedance spectroscopy，”Journal of Power Sources(2013)中所述的方案來執(zhí)行這種方法，通過引用將該文獻全文合并于此。

多種實施例針對基于這種阻抗曲線圖的非零相交頻率來檢測溫度。在這種情況下，進行測量的頻率被設(shè)置為特定正虛數(shù)阻抗值(例如，在電池阻抗的電感性區(qū)域中)?？梢允褂迷诟哂诹阆嘟活l率的頻率下觀察非零相交頻率，以便避免低頻，這樣允許忽略電荷轉(zhuǎn)移處理的影響，并緩解干擾，這是由于這種干擾的幅度在較高頻率下較小。這種非零相交頻率隨著阻抗的正虛數(shù)值越高而增加，可以將其用于進行準確溫度測量。

用于估計電池溫度的另一方法涉及在特定頻率下測量在交變電流和電壓之間的相移，選擇該特定頻率使得阻抗的虛部是正數(shù)(例如，在電池阻抗的電感性區(qū)域中)。在這種方案下，相移也是正數(shù)，由于可以通過在阻抗的電感性區(qū)域中進行測量使得該頻率超出發(fā)生主電化學(xué)蓄電反應(yīng)的頻率范圍。

在一些實施例中，如下所示地測量相交頻率。通過首先測量任意頻率下的電池阻抗來得到測量值序列。如果阻抗的虛部高于目標值(例如，零或非零)，則接下來嘗試更高的頻率。如果阻抗的虛部低于該目標值，則接下來嘗試更低的頻率?？梢灾貜?fù)這個步驟以便得到兩個(或多個)測量值，可以通過內(nèi)插將該測量值用于估計溫度。在一些實現(xiàn)方案中，為了令測量時間盡可能的短，同時將兩個測量頻率注入單元。硬件解決方案可以處理兩個同時注入的頻率，諸如，通過使用圖2的正弦(或余弦)信號發(fā)生器224和同步解調(diào)器225以及復(fù)用器，或復(fù)制這些電路以便在兩個不同頻率下進行測量。可以通過選擇兩個頻率使得在前一測量中發(fā)現(xiàn)的相交點在這兩個頻率的中間(halfway)(諸如以高于單元熱時間常數(shù)的倒數(shù)的速率來測量溫度)，來執(zhí)行這種方 法。在一些實施例中，當(dāng)電池組處于熱平衡時，用位于電池組中某處的外部溫度傳感器來校準針對老化電池單元的溫度估計。

圖4和5示出了根據(jù)一個或多個實施例可以用于估計溫度的非零相交頻率f(0.5)和f(1.0)的曲線圖。針對多種示例實現(xiàn)方案，水平軸示出了溫度，垂直軸示出了對應(yīng)非零相交點?？梢允褂眠@種曲線圖、使用令阻抗的虛部為正數(shù)的頻率，來將不同頻率與對應(yīng)溫度進行匹配從而基于相關(guān)阻抗來估計溫度。

圖6-9示出了根據(jù)一個或多個實施例用于估計溫度的在大約為1510Hz、1914Hz、3888Hz和4923Hz的對應(yīng)頻率處相移的曲線圖。針對對應(yīng)實現(xiàn)方案，水平軸示出了溫度，垂直軸示出了交變電流和電壓之間的相移?？梢詫⒄故境龅南嘁婆c溫度之間的相關(guān)性用于針對對應(yīng)阻抗來估計溫度，其中頻率是令阻抗的虛部為正數(shù)的頻率。

可以組合或單獨執(zhí)行這里所述和附圖所示的多種實施例，以便用于多種應(yīng)用?？梢詫⒍喾N實施例實現(xiàn)為一個或更多個方面和方案，以便實現(xiàn)多種結(jié)果。在一些實施例中，執(zhí)行溫度估計而無需使用溫度傳感器和相關(guān)線纜。在其它實施例中，減小或消除由于電池單元的熱質(zhì)量而引起的測量滯后，諸如用于快速充電應(yīng)用，其中如果在單元內(nèi)出現(xiàn)故障，則電池溫度可能會非常快速提升。在另一實施例中，測量電池單元中的電流和電壓之間的相位差，可以將相位差單獨用于提供對溫度的估計(例如，不必知道或檢測信號幅度)。此外，可以結(jié)合諸如在以下文獻之一或其二者中所述的多個方面來實現(xiàn)一個或更多個實施例：Young-Jin Hong和Chi-Su Kim的“Modeling of the thermal behaviour of a Lithium-Ion battery pack”Advanced Automotive Battery conference 2010；以及P.H.L.Notten、J.H.G.op het Veld、J.R.G.van Beek的“Boostcharging Li-ion batteries：A challenging new charging concept”Journal of Power Sources(2005)，其中通過引用將所述文獻全文合并于此。

可以實現(xiàn)多種組塊、模塊或其它電路，以便實施實施這里所述的和附圖所示的一個或多個操作和功能。在這種背景下，“組塊”(還有時稱作“邏輯電路”或“模塊”)是實施一個或多個這些操作/功能或相關(guān) 操作/功能(例如，控制對充電電流的頻率的調(diào)制、估計組塊或控制充電電流大小)的電路。例如，在一些上述實施例中，一個或多個模塊是分立的邏輯電路或可編程的邏輯電路，配置為用于實現(xiàn)與圖1所示的電路模塊相同的操作/功能。在一些實施例中，這種可編程電路是一個或多個計算機電路，編程為執(zhí)行指令(和/或配置數(shù)據(jù))的集(集合)。指令(和/或配置數(shù)據(jù))可以是固件或軟件的形式，所述固件或軟件存儲在存儲器(電路)中并可從存儲器(電路)進行訪問。例如，第一和第二模塊包括基于CPU硬件的電路和固件形式的指令集的組合，其中第一模塊包括具有一個指令集的第一CPU硬件電路，第二模塊包括具有另一指令集的第二CPU硬件電路。

一些實施例針對于一種計算機程序產(chǎn)品(例如，非易失性的存儲設(shè)備)，包括在其上存儲有指令的機器或計算機可讀介質(zhì)，其中通過計算機(或其它電子設(shè)備)執(zhí)行所述指令以便執(zhí)行這些操作/功能。

基于以上討論和說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到可以對多種實施例進行多種修改和改變，而不完全符合本文所示和所述的示例實施例和應(yīng)用。例如，可以執(zhí)行不同調(diào)制和相關(guān)調(diào)整方案以便實現(xiàn)足以估計可工作程度的溫度的阻抗測量。這種修改不脫離本發(fā)明多種方面的實質(zhì)精神和范圍，所述本發(fā)明多種方面的實質(zhì)精神和范圍包括權(quán)利要求中所述的多個方面。