监测单元电压的处理系统、相关电池监测系统和电动车辆的制作方法

监测单元电压的处理系统、相关电池监测系统和电动车辆
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年7月20日提交的意大利申请第102020000017581号的权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
3.本说明书的实施例涉及一种用于包括多个单元(诸如锂离子单元)的高压可充电电池的监测和/或管理系统。


背景技术：

4.图1示出了典型的电子系统，诸如车辆的电子系统，该电子系统包括多个处理系统10，诸如嵌入式系统或集成电路，例如，现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器(dsp)或微控制器(例如，专用于汽车市场)。
5.例如，在图1中，示出了通过合适的通信系统20而连接的三个处理系统101、102和103。
6.例如，对于电动车辆，通信系统20可以包括车辆控制总线，诸如控制器局域网(can)总线，并且可能包括经由网关而连接到车辆控制总线的多媒体总线，诸如面向媒体的系统传输(most)总线。通常，处理系统10位于车辆的不同位置处并且可以包括例如引擎控制单元(ecu)、变速器控制单元(tcu)、防抱死制动系统(abs)、车身控制模块(bcm)以及/或者导航和/或多媒体音频系统。
7.对于电动车辆，包括全电动、插电式混合动力和非插电式混合动力车辆，诸如电动汽车、卡车、摩托车、自行车、踏板车等，该车辆还包括可充电电池30以及实现电池管理系统40的处理系统10。
8.例如，图2示出了电池管理系统40的示例，该电池管理系统40被配置为监测可充电电池30，诸如锂离子(li-ion)电池。如上所述，这样的电池管理系统40可以用在电动车辆中。然而，电池管理系统40还可以用于其他能量存储应用，诸如用于家庭能量存储。
9.具体地，在所考虑的示例中，可充电电池30包括串联连接的多个单元c。例如，这样的单元c通常以单元组的形式组织，例如，以电池模块的形式，其中每个单元组通常包括相同数目n个单元。例如，在图2中，单元被组织成m组，其中每组包括n个单元，即，电池30包括第一单元组c
1,1
..c
1,n
、最后单元组c
m,1
..c
m,n
和可选的一个或多个中间单元组，其中单元组c
1,1
..c
1,n
到c
m,1
..c
m,n
串联连接。
10.通常，这样的电池管理系统40包括用于到电池30(特别是第一单元c
1,1
和最后的单元c
m,n
)的连接的两个端子400和402、以及用于到负载和充电电路的连接的两个端子404和406。通常，负载和充电电路包括开关电路，例如，以被配置为从至少一个电源接收能量并且向电负载提供能量的电(通常是电子)转换器/逆变器的形式。例如，在电动车辆中，端子404和406可以经由电源控制器连接到车辆的电力牵引电机。相反，在家庭储能应用中，端子404和406可以连接到逆变器，该逆变器被配置为：
11.从市电/电网或本地发电机(诸如一个或多个光伏电池板)接收能量，以及
12.为家庭环境中的负载或电网提供能量。
13.在图2中，电池管理系统40包括被配置为监测和/或控制电池30的一个或多个参数的数字处理系统42。
14.例如，图3示出了示例性数字处理系统42(诸如微控制器)的框图。在所考虑的示例中，处理系统42包括经由软件指令进行编程的至少一个数字处理电路422，诸如微处理器，通常是中央处理单元(cpu)。通常，由处理单元422执行的软件被存储在程序存储器424中，诸如非易失性存储器，诸如闪存或电可擦除可编程只读存储器(eeprom)。通常，存储器424可以与处理单元422被集成在单个集成电路中，或者存储器424可以采用单独集成电路的形式并且例如经由印刷电路板的迹线连接到处理单元422。因此，通常，存储器424包含用于处理单元422的固件，其中术语固件包括微处理器的软件和诸如fpga等可编程逻辑电路的编程数据。
15.在所考虑的示例中，处理单元422可以具有相关联的一个或多个资源426，诸如：
16.一个或多个通信接口，诸如通用异步接收器/传输器(uart)、串行外围接口总线(spi)、内部集成电路(i2c)、控制器局域网(can)总线、以太网和/或调试接口；和/或
17.一个或多个模数和/或数模转换器；和/或
18.一个或多个专用数字部件，诸如硬件定时器和/或计数器、或者密码协处理器；和/或
19.一个或多个模拟部件，诸如比较器、传感器，诸如温度传感器等；和/或
20.一个或多个混合信号部件，诸如pwm(脉宽调制)驱动器。
21.例如，通过使用资源426并且经由数字处理电路422的适当编程，电池管理系统40可以被配置为管理以下功能中的一项或多项：
22.与电子系统的其他处理系统10进行数据交换，例如，经由通信信道20；
23.驱动一个或多个电气或电子开关410和412以选择性地将电池30连接到端子404和406，例如，基于车辆状态(驾驶、停车、充电等)；
24.驱动和/或监测热熔丝414，例如，热熔丝414在发生事故、隔离破坏或其他故障的情况下提供电池30的紧急切断；以及
25.监测流经电池30的电流，例如，经由电流传感器418(诸如分流电阻器或霍尔传感器)以及可选的电流传感器电路416，电流传感器电路416已经执行由电流传感器418提供的信号的预处理，例如，以确定所测量的电流是否超过给定阈值。
26.此外，如果可充电电池30包括多个单元，诸如高压锂离子电池，则电池管理系统40通常被配置为：
27.监测电池30的个体单元c处的电压；以及
28.可选地，监测电池30的个体单元c或单元组的温度；以及
29.可选地，平衡电池的个体单元c的充电水平。
30.例如，如图2所示，这些电池管理功能通常不直接在数字处理电路/系统42中实现，而是在附加处理电路/系统441..44m中实现，其中每个处理系统44针对相应组单元执行上述操作，例如，处理系统441管理单元c
1,1
..c
1,n
并且处理系统44m管理单元c
m,1
..c
m,n
。
31.在所考虑的示例中，诸如集成电路等附加处理系统44然后经由合适的通信信道48
连接到数字处理系统42。例如，数字处理系统42可以被配置为从各种处理电路44接收所测量的单元电压。
32.例如，图4示出了一个已知解决方案。在所考虑的示例中，处理系统44(例如，来自stmicroelectronics的集成电路l9963)被配置为连接到给定数目n个单元c，例如，多达14个单元c，并且生成相应单元电压的数字样本。
33.例如，如图5所示，为了这个目的，处理系统44可以包括给定数目n 1个引脚cp0..cpn，其中每个引脚cp被配置为连接到单元的相应端子，例如，引脚cp0可以连接到第一单元c1的负极端子，引脚cp1可以连接到与第二单元c2的负极端子相对应的第一单元c1的正极端子，等等。因此，两个引脚cp之间的电压对应于给定单元c的电压。通常，诸如rc低通滤波器等模拟滤波器也可以与每个单元并联连接，其中引脚cp0..cpn接收单元电压的经滤波版本。
34.在所考虑的示例中，电压被提供给一个或多个差分模数转换器(adc)448，诸如δ-σ转换器。为此目的，处理系统44还可以包括开关电路446，例如，包括一个或多个多路复用器，开关电路446被配置为将给定的一对引脚cp连接到给定模数转换器448。通常，开关电路446完全是可选的，因为处理系统44还可以包括n个模数转换器，即，相应单元组的每个单元c有一个adc。在所考虑的示例中，数字样本被提供给处理系统44的数字处理电路444。通常，数字处理电路444可以是任何硬件和/或软件数字处理电路，诸如集成有限状态机(例如，用硬件时序逻辑电路实现)或经由软件指令编程的微处理器。
35.处理系统44(例如，数字处理电路444)还被配置为将数字样本传输到数字处理系统42，诸如微控制器。为此目的，处理系统44包括通信接口440。例如，在l9963电路的情况下，通信接口440支持两种通信模式：串行外围接口(spi)、或者经由电容或电感耦合的隔离通信。然而，通常，也可以使用其他通信协议，诸如i2c、uart或can总线。
36.此外，例如，在l9963电路的情况下，多个处理电路44可以串联连接以形成菊花链。具体地，为此目的，每个处理系统44可以包括被配置为连接到后续/下游处理电路44的通信接口440的另外的通信接口442。因此，在这种情况下，数字处理电路444还可以管理相应处理电路44的接口440与接口442之间的数据交换。
37.因此，数字处理系统42可以包括被配置为连接到通信信道48的通信接口426：
38.例如，当使用具有菊花链的隔离通信时，到第一处理电路441的接口440；或者
39.例如，当使用spi通信时，到各种处理电路44的每个接口440。
40.通常，在接口426与接口440不兼容的情况下，可以使用桥接电路46来将接口426与接口440接口连接。例如，这样的桥接电路46可以包括用于到接口426的连接的第一接口460(诸如spi接口)以及用于到接口440的连接的第二接口462。例如，桥接电路46可以是来自stmicroelectronics的集成电路l9963t。
41.因此，在图4中(并且类似地在图2中)，处理系统44被配置为经由模数转换器448获取电池的单元c处的电压(或其经滤波版本)，并且将单元电压的数字样本传输(例如，经由其他处理系统44和/或桥接电路46)到数字处理系统42。例如，当每个单元组包括相同数目n个单元c时，必须获取和传输多达n
×
m个样本。例如，典型的车辆电池30的电压可以在200v到1000v的范围内，典型地在400v到800v之间。在这点上，典型的锂离子电池具有大约3.7v的电压。例如，这表示，需要串联至少108个单元c才能获取400v的电压。因此，在这种情况
下，需要8个stm l9963来监测相应单元c。显然，在800v系统的情况下，数目必须翻倍。因此，在典型应用中，必须获取50到250个单元电压。例如，单元电压可以用具有16位的adc 448进行采样。
42.优选地，处理系统44中的adc 448的数目对应于(或大于)数目n，以允许单元(至少是同一组单元，优选地是电池30的所有单元)处的单元电压可以在同一时刻被采样。例如，为此目的，数字处理系统42可以向处理系统44发送同步触发信号或某种其他同步信号，例如，包括采样周期。
43.此外，如上所述，处理系统44还可以实现其他操作，诸如相应电池模块或单元的温度监测、和/或平衡功能。为此目的，可以在数字处理系统42与处理系统44之间交换另外的数据。
44.然而，由于使用串行通信信道48，例如，以菊花链的形式，优选地以电流隔离的通信信道的形式，所以数据传输具有有限带宽。例如，这表示，尤其是在包括串联连接的至少50个单元c的高压电池的情况下，采样周期很慢。


技术实现要素：

45.考虑到上述情况，各种实施例提供了一种可充电电池(诸如高压锂离子车辆电池)的单元的电压的更有效的通信。
46.根据一个或多个实施例，上述目的中的一个或多个是通过一种用于监测可充电电池的单元电压的处理系统来实现的，该处理系统具有在所附权利要求中具体阐述的独特元素。实施例还涉及相关的电池监测系统和电动车辆。
47.权利要求构成了本文中提供的说明书的技术教导的组成部分。
48.如上所述，本公开的各种实施例涉及一种处理系统，例如，在集成电路中实现的处理系统，该处理系统被配置为监测可充电电池的给定数目的单元的单元电压。例如，这样的处理系统可以用于电池监测和可选的管理系统，该管理系统包括被配置为连接到可充电电池的端子、以及配置为从处理系统接收单元电压的另外的处理系统，诸如微处理器。例如，这样的电池监测系统可以用于监测电动车辆的可充电(牵引)电池。
49.在各种实施例中，处理系统包括被配置为连接到单元以接收单元电压的端子、以及被配置为生成单元电压的数字样本的至少一个模数转换器，其中每个数字样本具有给定数目的位。
50.在各种实施例中，处理系统还包括数字处理电路、串行通信接口以及用于将串行通信接口与数字处理电路接口连接的传输队列。具体地，在各个实施例中，串行通信接口被配置为将所存储的数据依次传输到传输队列，从而数字处理电路和串行通信接口可以并行操作。
51.具体地，在各种实施例中，数字处理电路包括(例如，易失性)存储器和数据压缩模块(诸如软件模块和/或专用硬件电路)，并且数字处理电路被配置为同步获取给定数目的单元电压中的每个单元电压的给定数目的数字样本，并且将所获取的数字样本存储到存储器。接下来，数字处理电路经由数据压缩模块对存储在存储器中的给定数目的单元电压的给定数目的数字样本进行编码，从而生成编码数据，并且将编码数据存储到传输队列。因此，在各种实施例中，串行通信接口被配置为在数字处理电路获取新数字样本时将所存储
的(编码)数据传输到传输队列。
52.通常，数据压缩模块可以被配置为实现各种有损或无损数据压缩操作。
53.例如，在各种实施例中，数据压缩模块被配置为通过动态范围缩减操作生成编码数据。在各种实施例中，在动态范围缩减操作期间，数据压缩模块被配置为从每个数字样本中减去给定偏移，从而生成指示每个样本相对于偏移的动态变化的值。接下来，数据压缩模块通过从指示每个样本相对于给定偏移的动态变化的每个值中去除给定数目的最高有效位来使编码数据被生成。因此，在这种情况下，另外的处理系统可以通过将给定偏移添加到接收值来重构原始样本。在各种实施例中，给定偏移是可编程的，例如，数字处理电路可以被配置为经由串行通信接口例如从另外的处理系统接收给定偏移。
54.在各种实施例中，给定数目的最高有效位也是可编程的，例如，数字处理电路可以被配置为经由串行通信接口例如从另外的处理系统接收给定数目的最高有效位。
55.在各种实施例中，在动态范围缩减操作期间，数据压缩模块还被配置为通过从指示每个样本相对于偏移的动态变化的每个值中去除给定数目的最低有效位来生成编码数据。此外，给定数目的最低有效位可以是可编程的，例如，数字处理电路可以被配置为经由串行通信接口例如从另外的处理系统接收给定数目的最低有效位。
56.因此，在各种实施例中，样本的值范围被减小。发明人已经观察到，这表示，样本的值也可能在值范围之外，例如，在故障的情况下。为此目的，在各种实施例中，数据压缩模块被配置为确定给定数目的单元电压的给定数目的数字样本中的每个数字样本是否在最小阈值与最大阈值之间。在一个或多个数字样本不在最小阈值与最大阈值之间的情况下，则数据压缩模块可以存储不在最小阈值与最大阈值之间的一个或多个数字样本的(原始)值，并且将标识一个或多个数字样本不在最小阈值与最大阈值之间的数据存储到编码数据。例如，数据压缩模块可以将默认值写入编码数据或在被传输到另外的处理系统的数据分组中设置标志。
57.因此，基于这些数据，另外的处理系统可以确定编码数据是无效的并且向处理系统发送重传请求。因此，数字处理电路/数据压缩模块可以被配置为接收该重传请求，并且响应于重传请求，经由串行通信接口传输不在最小阈值与最大阈值之间的一个或多个数字样本的至少一个值，例如，通过将(原始)存储的值存储到传输队列。
58.另外地或备选地，数据压缩模块可以支持其他数据压缩模式。例如，在各种实施例中，数据压缩模块被配置为支持多个编码模式，其中数据压缩模块被配置为根据选择的编码模式生成编码数据，其中选择的编码模式是可编程的。例如，数字处理电路可以被配置为经由串行通信接口例如从另外的处理系统接收选择的编码模式。
59.例如，在各种实施例中，除了或替代动态范围缩减，编码模式可以包括以下各项中的至少一项：
60.增量编码模式，其中数据压缩模块被配置为生成数字样本相对于一个或多个参考值的增量编码值；以及
61.2d离散傅立叶变换模式，其中数据压缩模块被配置为将2d离散傅立叶变换模式应用于给定数目的单元电压的给定数目的数字样本。
62.例如，数据压缩模块可以被配置为通过以下方式生成给定单元电压的增量编码值：
63.选择给定单元电压的给定数目的数字样本中的第一数字样本作为参考值，并且通过计算给定单元电压的每个后续数字样本相对于参考值的差来生成增量编码值；或者
64.选择给定单元电压的给定数目的数字样本中的第一数字样本作为参考值，并且通过计算给定单元电压的后续数字样本与给定单元电压的先前数字样本之间的差来生成增量编码值；或者
65.根据数字样本确定参考曲线的值，并且通过计算给定单元电压的每个数字样本相对于参考曲线的值之间的差来生成增量编码值。
66.在各种实施例中，数据压缩模块还可以支持这些增量编码模式中的多个，并且增量编码模式可以通过对选择的编码模式进行编程来选择。
67.此外，在各种实施例中，数据压缩模块可以被配置为接收标识值格式的数据，并且通过使用线性值编码对增量编码值进行编码或者使用尾数和指数对增量编码值进行编码来根据标识值格式的数据生成增量编码值。
68.因此，在各种实施例中，处理系统/数据压缩模块支持多个编码模式和/或格式，并且另外的处理系统可以经由串行通信接口对选择的编码模式和/或格式进行编程。例如，以这种方式，另外的处理系统可以被配置为确定可充电电池处于充电状态还是放电状态，并且在可充电电池处于充电状态时选择第一编码模式和/或格式，而在可充电电池处于放电状态(这通常表示单元电压的更高可变性)时选择第二编码模式和/或格式。
69.在各种实施例中，处理系统还可以被配置为与其他处理系统形成菊花链。在这种情况下，处理系统可以包括另外的传输队列、被配置为依次接收数据(来自另一处理系统)并且将接收数据存储到另外的传输队列的另外的串行通信接口。因此，在这种情况下，多路复用器/仲裁器可以被配置为将串行通信接口连接到传输队列或另外的传输队列，从而串行通信接口被配置为将所存储的数据依次传输到传输队列或另外的传输队列。
附图说明
70.现在将参考附图的附图描述本公开的实施例，附图纯粹以非限制性示例的方式提供并且在附图中：
71.根据以非限制性示例的方式示出的本发明的以下实际实施例的详细描述，本发明的特征和优点将从在附图中变得明显，在附图中：
72.图1示出了电子系统的示例；
73.图2示出了用于可充电电池的电池管理系统的示例；
74.图3示出了适用于图2的电池管理系统的数字处理系统的示例；
75.图4示出了经由附加电池管理模块实现电池管理功能的示例；
76.图5示出了图4的电池管理模块的示例；
77.图6示出了电池管理模块的操作的示例；
78.图7示出了根据本公开的电池管理模块的操作的实施例；
79.图8是示出根据本公开的电池管理模块的实施例的框图；
80.图9是示出根据本公开的电池管理模块的操作的实施例的流程图；
81.图10示出了由本公开的电池管理模块获取的数据的实施例；
82.图11示出了图8的电池管理模块的通信接口的操作的实施例；以及
83.图12至15示出了适于在根据本公开的电池管理模块内实现的数据压缩操作的实施例。
具体实施方式
84.在随后的描述中，说明了各种具体细节，旨在能够深入理解实施例。实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下提供，或者与其他方法、部件、材料等一起提供。在其他情况下，已知的结构、材料或操作未详细示出或描述，使得实施例的各个方面不会被遮挡。
85.在本说明书的框架中对“实施例(an embodiment)”或“一个实施例(one embodiment)”的引用意在指示关于该实施例描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各位置中可能出现的诸如“在实施例中(in an embodiment)”、“在一个实施例中(in one embodiment)”等短语不一定指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式组合特定配置、结构或特性。
86.本文中使用的参考文献仅为方便起见而提供，因此不限定保护范围或实施例的范围。
87.在下面描述的图6到15中，已经参考图1到5描述的部分、元素或部件由这些图中先前使用的相同附图标记表示。对这些元素的描述已经进行并且在下文中将不再重复，以免加重本详细描述的负担。
88.如上所述，本公开的各种实施例涉及用于传送可充电电池的单元的电压的解决方案，诸如高压锂离子电池，诸如电动车辆的牵引电池。在这点上，可以参考前面对电池管理系统的描述。
89.图6示出了如图2、4和5所示的处理系统44的操作。
90.具体地，在图6中，模数转换器448被配置为对相应单元c处的电压vc(即，引脚cp0..cpn之间的电压)进行采样。通常，这样的模数转换需要时间t
conv
。如上所述，在各种实施例中，每个处理系统44包括n个模数转换器448，因为这允许在同一时刻并行地执行单元电压的转换，并且总转换时间t
conv
也减少。例如，在各种实施例中，adc 448的转换时间在100us到2ms之间的范围内，优选地在200到us400us之间。
91.一旦数字处理电路444已经获取单元电压的数字样本，数字处理电路444就经由通信接口440将一个或多个数据分组传输到数字处理电路42，例如，通过使用诸如图4所示的菊花链。因此，一个或多个数据分组通常包括n个样本，其中每个样本具有与adc 448的位数n
adc
相对应的位数n
adc
，诸如16位。因此，每个处理系统44必须至少传输给定数目的位(n
×nadc
)。
92.例如，l9963芯片支持突发模式，其中n个数据分组的序列被传输。具体地，每个数据分组具有40位，其中仅16位用于传输实际样本，而其他位包含附加数据，诸如标识菊花链中的处理系统44中的一个处理系统的编号的设备id。此外，传输还可以添加附加检错和/或纠错位，诸如循环冗余校验(crc)位。例如，通常，用于传输电池的所有单元的值的传输时间t
tx
在4到8ms之间的范围内。
93.因此，所有处理系统的单元电压的传输需要给定时间t
tx
，其中传输时间t
tx
还取决于单元组的数目m。
94.例如，当使用如图4和5所示的菊花链时，数字处理电路42可以经由通信接口426向
处理系统44发送请求对单元电压进行采样的命令，并且响应于该命令，每个处理系统44可以对相应单元电压进行采样。
95.在各种实施例中，处理系统44可以自动传输相应数据，和/或可以等待数字处理单元42发送包含读取请求的命令。
96.例如，在后一种情况下，数字处理单元42可以向每个处理系统44发送读取请求(例如，通过在命令中包括相应处理系统44的标识)，并且作为响应，相应处理系统44可以传输包含采样数据的一个或多个数据分组。通常，当使用菊花链时，读取请求和采样数据可以经由中间处理系统44进行传输，即，每个处理系统44可以被配置为：
97.经由通信接口440接收数据并且经由通信接口442重传数据；以及
98.经由通信接口442接收数据并且经由通信接口440重传数据。
99.相反，在前一种情况下，处理系统44可以自动生成数据分组序列。例如，在这种情况下，最后的处理系统44m可以经由接口440将包括相应采样数据的一个或多个数据分组传输到前一处理系统44
m-1
，前一处理系统44
m-1
从而经由接口442接收数据分组，附加上相应的采样数据，并且经由接口440将新数据分组传输到前一处理系统44
m-2
，等等。
100.无论用于传输数据分组的具体解决方案如何，总转换时间t
conv
和传输时间t
tx
定义了两次连续转换/传输之间的最小采样周期t
sample
，即，t
sample
》t
conv
t
tx
。
101.因此，在这些解决方案中，单元电压的所有n
×
m个数字样本都必须传输到数字处理电路42。在此期间，处理系统44不执行另外的模数转换。
102.然而，发明人已经观察到，对于高功率可充电电池，诸如用于电动车辆的锂离子牵引电池，在几毫秒到几十毫秒之间的采样时间t
sample
可能太高。具体地，如图6所示，在两次连续模数转换之间，一个或多个单元电压可能在临界范围内变化而没有检测到。事实上，如上所述，最小采样时间主要取决于通信带宽和数据量，而后者又取决于单元c的数目n
×
m。相反，adc通常具有更高性能，这将允许更好的采样速度。
103.因此，在干扰超过奈奎斯特准则(nyquist criteria)的情况下，即使可以以更高性能使用adc 448，也可能无法检测到该干扰。
104.这个问题的一个相当直接的解决方案是将通信信道48分成若干并行通信信道，从而减少要在每个通信信道上传输的数据的数目。然而，这表示，数字处理电路42也将需要若干通信接口426和附加引脚，并且必须管理多个并行通信。
105.相反，图7示出了根据本公开的处理系统44a的操作的实施例。
106.具体地，在所考虑的实施例中，处理系统44a被配置为对于n个单元电压中的每个在采样周期t
sample
期间执行k次模数转换。例如，在图7中，处理系统44a大约以时间间隔t
adc
＝t
sample
/k执行三次模数转换，其中t
adc
》t
conv
。
107.接下来，处理系统44a被配置为生成包括通过对n个单元电压的k个数字样本执行无损和/或有损数据压缩而确定的数据的一个或多个数据分组，并且传输该一个或多个数据分组。具体地，如图7所示，在各个实施例中，传输可以在执行下一模数转换的同时进行，并且唯一的限制是，数据分组(包括多个数字样本的压缩数据)的传输时间t
tx
小于采样时间t
sample
，反之亦然，采样时间t
sample
必须大于传输时间t
tx
。
108.图8示出了处理系统44a的实施例。具体地，在所考虑的实施例中，处理系统44a具有与已经参考图5描述的处理系统44相同的基本架构。具体地，同样，在这种情况下，处理系
统44a包括：
109.给定数目n 1个引脚cp0..cpn，用于到n个单元c1..cn的连接；
110.多个(优选为n个)模数转换器448，被配置为生成连接到同一单元c的两个引脚cp0..cpn之间的电压的数字样本，从而生成单元c1..cn处的电压(或其经滤波版本)的数字样本；
111.可选的多路复用器446，用于将引脚cp0..cpn连接到模数转换器448；
112.通信接口440，用于传输数字数据；
113.在处理系统44a可以级联连接以形成菊花链的情况下的可选的另外的通信接口442；以及
114.数字处理单元444a。
115.具体地，关于图5，数字处理单元444a被配置为实现数据压缩单元450。通常，数据压缩单元450可以是专用硬件电路和/或使用经由可编程微处理器444a执行的计算机指令来实现。
116.图9示出了数字处理单元444a的操作的实施例。
117.具体地，在开始步骤1000之后，数字处理单元444a进行到步骤1002，其中数字处理单元444a等待新采样间隔t
sample
的开始。例如，数字处理单元444a可以在步骤1002等待触发事件，诸如：
118.从数字处理单元42(可能经由其他处理系统44a)接收的触发信号；或者
119.在处理系统44a内生成的触发信号，例如，经由定时器电路(也可能在数字处理单元444a内实现)，例如，指示时间t
sample
已经过去。
120.例如，在各种实施例中，每个处理系统44a包括相应定时器电路，该定时器电路可以响应于从数字处理电路42接收的同步信号而被启动(或复位)。在这种情况下，时间t
sample
可以也是可编程的。
121.通常，该步骤完全是可选的，因为数字处理单元444a也可以立即开始新采样间隔t
sample
，并且采样间隔t
sample
的持续时间可以由其他延迟定义，如将例如关于步骤1008描述的。
122.一旦在步骤1002(或通常是开始)检测到新采样间隔，数字处理单元444a进行到步骤1004，其中数字处理单元444a经由模数转换器448获取单元电压的数字样本。例如，数字处理单元444a可以在步骤1004开始模拟转换并且等待模数转换器448发信号通知相应转换已经完成。在模数转换器448的数目小于n的情况下，数字处理单元444a还可以设置多路复用器446并且开始新模数转换。
123.因此，在步骤1004结束时，数字处理单元444a已经获取针对给定采样时刻的单元电压的数字样本。
124.然后，数字处理单元444a进行到验证步骤1006。基本上，数字处理单元444a在步骤1006验证是否应当针对同一采样间隔执行另外的采样操作。事实上，如上所述，在各种实施例中，要传输的数据分组根据每个单元电压的k个样本来确定，诸如三个样本。例如，在各种实施例中，数字处理单元444a可以被配置为使得值k是可编程的。例如，为此目的，值k可以存储到可编程(易失性或非易失性)存储器，并且数字处理单元444a可以被配置为经由通信接口440(或442)接收新值并且覆盖存储值k。
125.具体地，在所考虑的实施例中，在必须获取更多样本的情况下(验证步骤1006的输出“n”)，数字处理单元444a进行到等待步骤1008，其中数字处理单元444a等待下一采样时刻。
126.例如，数字处理单元444a可以在步骤1008等待指示时间t
adc
已经过去的给定触发事件。一旦数字处理单元444a检测到下一采样时刻，数字处理单元444a再次进行到步骤1004以获取单元电压的下一样本。例如，在不同时间，每个处理系统44a包括被配置为当时间t
adc
已经过去时，生成触发的相应定时器电路。例如，这样的定时器电路可以在步骤1004或1008启动(或复位)(基于时间t
adc
是指a/d转换的两个连续开始实例之间的时间还是a/d转换结束与下一a/d转换开始之间的时间)。在这种情况下，时间t
adc
也可以是可编程的。
127.通常，等待步骤1008也是完全可选的，并且时间t
adc
可以对应于a/d转换的转换时间t
conv
。例如，在这种情况下，采样周期t
sample
可以具有(大约)时间k t
conv
。例如，在各种实施例中，adc 448可以被配置为使得转换时间或“转换窗口”t
conv
是可编程的。例如，σ-δadc的工作方式会导致窗口期间电压的平均值。这表示，电压曲线变得平滑，但所包含的信息本身并没有丢失。
128.相反，如果已经获取给定数目k个样本(验证步骤1006的输出“y”)，则数字处理单元444a进行到步骤1010，其中数字处理单元444a经由无损和/或有损数据压缩操作生成一个或多个数据分组。因此，还如图10所示，数字处理电路444a被配置为：获取数据集data，例如，以矩阵的形式，对于每个单元电压，数据集data包括一组相应k个样本，即，用于单元c1(连接在引脚cp0到cp1之间)的电压的样本s
1,1
..s
1,k
和用于单元cn(连接在引脚cp
n-1
到cpn之间)的电压的样本s
n,1
..s
n,k
；并且根据数据集data生成要传输的一个或多个数据分组。
129.接下来，数字处理单元444a进行到步骤1012，其中数字处理单元444a设置指示一个或多个数据分组已经准备好传输的传输标志，并且数字处理单元444a返回步骤1002以等待下一采样周期t
sample
的开始。
130.例如，在各种实施例中，响应于该传输标志，处理系统44a可以：
131.将数据分组自动传输到数字处理电路42；
132.等待来自数字处理电路42的传输请求，并且响应于该传输请求，将数据分组传输到数字处理电路42；或者
133.等待经由接口442(从另一处理系统44)接收的一个或多个数据分组，将数据分组附加到所接收的数据分组，并且经由接口440传输新数据分组(传输到后续处理系统42、数字处理电路42或桥接电路46)。
134.例如，前两个选项也可以应用于菊花链的最后的处理系统44m。
135.如上所述，在各种实施例中，通信接口440(和442)可以与模数转换器448并行操作。例如，如图11所示，为此目的，数字处理电路444a、特别是编码器电路450可以将编码数据分组存储到传输队列452，诸如fifo存储器，并且通信接口440可以从传输队列452自动读取数据并且传输数据。
136.具体地，在各种实施例中，处理系统44a包括第一队列452，诸如第一fifo存储器，其中编码器电路450被配置为将编码数据分组(指示n
×
k个样本)存储到第一队列452。此外，处理系统44a包括第二队列454，诸如第二fifo存储器，其中通信接口442被配置为将接收数据(即，从另一处理系统44接收的数据)存储到第二队列452。例如，在各种实施例中，第
一队列452具有足够维度以至少存储压缩数据(根据n
×
k个样本s而生成的)，并且优选地存储完整数据分组。相反，第二队列也可以仅包括单个寄存器。
137.因此，通过使用多路复用器456，通信接口440可以将所存储的数据依次传输到队列452和/或454。例如，当传输标志被设置时并且一旦经由通信接口442接收到数据(其可以被检测到，因为队列454包含数据)，通信接口440可以：
138.首先将所存储的数据传输到队列454，然后将所存储的数据传输到队列452，即，将编码数据分组附加到接收数据；或者
139.首先将所存储的数据传输到队列452，然后将所存储的数据传输到队列454，即，将接收数据附加到编码数据分组。
140.在各种实施例中，如上所述，最后的处理系统44m可以响应于传输标志而直接将所存储的数据传输到队列452。
141.如上所述，在各种实施例中，所存储的数据到队列452的传输也可以响应于从处理单元42接收的请求而开始(而不是使用自动传输)。因此，在这种情况下，接口440可以被配置为将所存储的数据总是传输到队列454(旁路功能)并且仅响应于读取请求而将所存储的数据传输到队列452。
142.下面将描述数据压缩单元450的操作的可能实施例。通常，如上所述，数据压缩单元450被配置为处理数据集data，该数据集data包括针对n个单元电压中的每个单元电压k个样本，即，数据压缩单元450被配置为根据样本s
1,1
..s
1,k
到s
n,1
..s
n,k
生成要传输的一个或多个数据分组。例如，如上所述，这些数据分组(或经处理/压缩后的数据)可以存储到队列452。为了描述应用于给定序列的操作，将参考与n个序列中的一个序列相对应的通用样本s1..sk序列。
143.图12示出了数据压缩单元450的操作的第一实施例(图9中的步骤1010)。
144.具体地，在开始步骤2000之后，数据压缩单元450被配置为在步骤2002将每个样本s的值与给定上限阈值thh和下限阈值th
l
进行比较。
145.具体地，在这点上，图13示出了锂离子单元c的可能放电曲线，诸如基于氧化锰的锂离子单元c。具体地，图13示出了针对不同c倍率(诸如0.05c、0.1c、0.5c和1c)的单元电压vc相对于单元电量ch的以百分比表示的曲线。
146.如图13所示，在正常操作中，单元电压保持在上限阈值thh与下限阈值th
l
之间，诸如在与电压4.2v相对应的上限阈值thh和与电压3.0v相对应的下限阈值th
l
之间。通常，具体值可以基于单元化学性质而变化。
147.因此，在所有样本s
1,1
..s
1,k
到s
n,1
..s
n,k
的值都在上限阈值thh与下限阈值th
l
之间的情况下，数据压缩单元450进行到步骤2004，其中数据压缩单元450缩减样本s
1,1
..s
1,k
到s
n,1
..s
n,k
的动态范围。具体地，在各种实施例中，数据压缩单元450从每个样本s中减去给定恒定偏移off，诸如下限阈值th
l
，并且去除给定数目的最高有效位。在各种实施例中，偏移off是可编程的，例如，以允许同一处理系统44a可以与具有不同电压范围的不同单元一起使用。
148.例如，在l9963中，adc 448具有16位，分辨率为89uv。例如，对于上述电压范围(3.0-4.2v)和分辨率(89uv)，12位(即，2048)就足以传输样本s的值，即，一旦减去偏移off，数据压缩单元450就可以去除每个样本s的4个最高有效位。实际上，为了重构样本的原始
值，数字处理电路42再次将值off加到每个传输值就足够了。在各种实施例中，要去除的最高有效位的数目是可编程的。
149.此外，发明人观察到，虽然adc 448确实可以支持89uv的分辨率，并且快速转换速度在300us范围内，但该分辨率通常不能满足实际测量值，并且实际上，两个最低有效位可能毫无意义。因此，在各个实施例中，数据压缩单元450还可以在步骤2004去除给定数目的最低有效位。在各个实施例中，要去除的最低有效位的数目是可编程的。例如，可能“无用”的最低有效位的数目可以取决于(固定或编程的)转换时间t
conv
，例如，当转换时间增加时，较低的最低有效位应当被去除。因此，在各种实施例中，转换时间t
conv
可以是可编程的并且数据压缩单元450可以被配置为根据用于对adc的转换时间t
conv
进行编程的数据来确定要去除的最低有效位的数目。然而，在各种实施例中，要去除的最低有效位的数目也可以独立编程。
150.因此，基本上，步骤2004将数据结构data的样本s的位数减少到例如10位，而不影响(显著地)采样数据的原始精度。例如，在所处理的样本s具有10位的情况下，对于n个单元电压中的每个单元电压，数据分组将包括总共k
×
10位。
151.相反，如果样本s1..sk到s
n,1
..s
n,k
中的至少一个的值大于上限阈值thh或小于下限阈值th
l
，则数据压缩单元450进行到步骤2006。具体地，这种情况通常仅在故障的情况下发生。通常，在这种情况下，不可能传输具有缩减动态范围的样本。
152.在第一实施例中，数据压缩单元450被配置为将在阈值th
l
与thh之间的值替换为关于步骤2004而描述的缩减长度位序列。相反地，数据压缩单元450可以存储超过阈值的值，并且将这些值替换为默认值，例如，小于下限阈值的样本的为“0”的位序列以及大于上限阈值的样本的为“1”的位序列。因此，数字处理单元42可以容易确定给定值超出范围，并且可能可以请求传输相应(存储的)原始值。
153.相反，在其他实施例中，数据压缩单元450可以切换到不同数据分组格式。例如，这样的不同数据分组格式可以通过使用还包括报头的数据分组来指示，该报头可以包括用于存储指示数据分组格式的值的字段。备选地，数据分组可以开始于在使用在步骤2004指示的操作时通常不可能的预定位序列，诸如所有值设置为“0”或“1”的预定长度的位序列。
154.例如，在这种情况下，数据分组可以包括：
155.对于在每个单元电压的k个样本s中选择的每个单元电压，只有一个值(具有全分辨率)，诸如在样本中的一个样本超过上限阈值thh的情况下的最大值或在样本中的一个样本超过下限阈值thh的情况下的最小值；或者
156.对于每个单元电压，所有k个值(全分辨率)，因为在出现故障的情况下，可能没有必要保持同一采样频率。
157.例如，通常传输默认值或单个值就足够了，因为这种情况已经表明存在故障。事实上，通常只需要传输每个单元电压的多个值就可以确定在电池的正常操作期间的快速变化。
158.在这两种情况下(步骤2004和2006)，数据压缩单元进行到停止步骤2008。
159.图14示出了第二实施例，其也可以与关于图12和13描述的实施例结合。
160.具体地，图14所示的实施例可以用于对于同一单元电压必须传输k个样本s1..sk(具有全分辨率或降低分辨率)的情况，并且因此也可以在前面描述的步骤2004和/或2006
之后使用。
161.具体地，如图15所示，在所考虑的实施例中，数据压缩单元450被配置为执行增量编码操作。具体地，在这种情况下，每个序列s1..sk的一个样本被保持为参考值，例如，每个序列s1..sk的第一样本s1(如图14所示)或最后的样本sk，并且其他样本用于计算(k-1)个增量值d1..d
k-1
，即，所有n个单元的增量值d
1,1
..d
1,k-1
到d
n,1
..d
n,k-1
。
162.具体地，每个增量值di(其中i＝1..(k-1))可以通过计算相应样本的值与参考值之间的差来确定，例如，di＝s
i 1-s1，或者每个增量值di可以通过计算相应样本的值与先前样本的值之间的差来确定，例如，di＝s
i 1-si。
163.因此，增量值d1..d
k-1
反映样本序列s1..sk的绝对变化(相对于参考值)或相对变化(相对于先前值)。
164.通常，电池30可以处于充电状态或放电状态，并且发明人已经观察到，单元电压的最大变化取决于该状态。例如，发明人观察到，在充电状态下，当以小于10ms的周期t
adc
获取样本时，单元电压通常仅在mv范围内变化。例如，在这种情况下，增量值可以用具有4至6位的位序列进行编码。
165.类似于关于图12描述的操作，两个样本之间的差也可能超出可能的范围，例如，-7到7(对于4位)或31到31(对于6位)。
166.因此，在开始步骤2020之后，数据压缩单元450可以验证(类似于步骤2002)所有增量值d是否在最大阈值thh或最小阈值th
l
之间。
167.例如，如果所有增量值d都在最大值thh与最小值th
l
之间(验证步骤2022的输出“y”)，数据压缩单元450可以在步骤2024(类似于步骤2004)用降低位分辨率对增量值进行编码，例如，通过使用二补二进制编码。
168.相反，如果增量值大于最大值thh或小于最小值th
l
(验证步骤2022的输出“n”)，则数据压缩单元450可以进行到步骤2026(类似于步骤2006)。
169.通常，步骤2026用于发信号通知一个或多个增量值超出允许范围。例如，如关于步骤2006所述，在这种情况下，数据压缩单元450可以存储相应增量值并且将超出范围的增量值替换为默认值，例如，与最大值thh(例如， 7)或最小值th
l
(例如，7)相对应的位序列值(类似于步骤2006)。备选地，数据压缩单元450可以切换到不同数据分组格式并且在数据分组中插入：
170.对于在每个单元电压的样本s中选择的每个单元电压，只有一个值(具有全分辨率)，诸如最大值或最小值；或者
171.对于每个单元电压，所有k个样本(全分辨率)。
172.同样，在这种情况下(对于步骤2024和2026两者)，数据压缩单元450进行到停止步骤2028。
173.因此，当结合动态范围解(图12)和增量值解(图14)时，数据压缩单元450生成数据分组，对于每个单元，数据分组包括第一绝对值，例如，具有10位，并且然后是(k-1)个增量值，例如，具有4位。例如，在k＝3的情况下，传输18位就足够了，这接近传统l9963芯片中使用的16位。
174.例如，在各种实施例中，处理系统44a可以支持(至少)两种数据分组格式，这些数据分组格式具有相同位数，诸如40位：
175.第一格式，其中每个单元电压仅以全分辨率(n
adc
，例如16位)传输单个测量值(基本上对应于当前在l9963电路中采用的解决方案)；以及
176.第二格式，其中传输压缩数据。
177.在这种情况下，处理系统42可以被配置为向数据处理系统44a发送指示应当使用哪种格式的命令，该格式可以是所有处理系统44a的通用格式，或者处理系统42可以向每个处理系统44a发送指示相应格式的命令。在各种实施例中，该命令还可以包括指示应当使用哪种压缩格式(例如，动态范围缩减和/或增量编码)的数据、以及可能的相应参数(偏移、要去除的数目或msb和/或lsb、增量编码的位数等)。
178.因此，在各种实施例中，数据压缩单元450可以被配置为根据相应配置生成数据分组。如上所述，当一个或多个值超出范围(超出动态范围或增量编码范围)时，数据压缩单元450可以将标识这一事实的数据插入到数据分组中。例如，数据压缩单元450可以在数据分组中设置标志或插入给定预定值。例如，如上所述，数据分组可以包括用于传输测量数据的16位。为了将压缩数据插入这16位中，数据压缩单元450可以周期性地将增量编码的参考值(例如，在动态范围缩减之后具有10位)插入数据分组(与给定采样间隔相关联)中，然后针对给定数目的数据分组(与后续采样间隔相关联)仅传输增量编码值(优选地具有先前动态范围缩减)。例如，如上所述，当使用增量编码值时(相对于参考值或相对于前一值)，每个值可以有4位。因此，三个样本将需要12位，这也允许将其余(16-12)＝4位用于一个或多个标志，以指示一个或多个值是否超出范围。例如，这4个其余位中的相应位可以与每个增量编码值相关联。
179.因此，在处理系统42确定一个或多个值超出范围的情况下，处理系统42可以通过使用第一数据分组格式请求重传相应绝对值。
180.发明人已经观察到，当电池30被充电时，所描述的增量编码方案(可能与动态范围压缩相结合)特别有用，因为通常只能预期低动态范围。具体地，可以假定，在充电过程中，单元电压将在有限范围内变化，并且电压主要是电池容量(在生命周期和老化过程中可能会发生变化)、电池充电水平和对单元充电的电流的函数。然而，通常不会发生电压电平的跳跃。例如，考虑前面的adc示例，分辨率为0.089mv，具有动态范围缩减和增量编码，其中去除了两个lsb，使用4位来传输增量值，使用增量范围2^6*0.089mv＝5.6mv(例如， /-2.8mv)。如上所述，该范围可以适用于相对于参考值的差或者仅适用于两个连续样本之间的差。
181.如上所述，这不一定适用于电池放电时，例如，当车辆正在进行行驶或类似的其他高动态负载变化时。然而，发明人已经观察到，在这种情况下，n个单元的电压通常具有相似的可变性。事实上，电压降可能不仅仅在个体单元中观察到，而且在串联连接的其他单元中也会出现类似的下降，因为它们都必须提供相同电流(参见图13所示放电曲线中的c倍率)。因此，需要更大的范围，但是各个单元的单元电压的变化是相关联的。
182.例如，在这种情况下，代替使用线性增量值，增量值可以编码为指数和尾数。例如，在这种情况下，针对所有增量值仅使用有限数目的指数。因此，通过将可能的指数值位序列与具有减少位数相关联，可以缩写这些指数(类似于霍夫曼编码(huffman coding))，并且数据压缩单元可以将具有给定位数的编码指数值和尾数插入到数据分组。例如，考虑之前的示例，其中16位用于传输编码数据，对于3个样本中的每个，数据分组可以包括用于尾数
的2位和用于编码指数的3位。其余位可以用于指示一个或多个值是否超出范围。在这种情况下，一个或多个附加数据分组也可以存储指示编码指数值与解码指数值之间的映射的数据。
183.备选地，给定集合的n个单元中的给定单元j可以表示参考单元，诸如第一(j＝1)或最后的单元(j＝n)。在这种情况下，数据压缩单元450可以被配置为以更高分辨率传输参考单元的绝对值或增量值(也可能具有先前的动态范围缩减)。例如，数据压缩单元可以传输用10位来编码的值s
j,1
，然后传输8位的增量编码值d
j,1
到d
j,k-1
。相反，其他单元的样本通过以下方式传输：
184.针对每个其他单元i计算相应单元的第一样本s
i,1
相对于参考单元的第一样本s
j,1
的偏移oi，其中偏移oi表示单元i的电压相对于单元j的电压的偏移：
185.oi＝s
i,1-s
j,1
；
186.根据以下等式计算相应单元的其他样本的增量值d
i,h
，其中h＝1..(k-1)：
187.d
i,h
＝s
i,h 1-s
j,h 1-oi。
188.因此，一旦已经重构参考单元j的样本，处理系统42可以经由以下等式计算其他样本：
189.s
i,1
＝s
j,1
oi；
190.s
i,h 1
＝s
j,h 1
oi d
i,h
。
191.因此，在这种情况下，处理系统42可以周期性地以较高位数(例如，8位)传输偏移值，但是增量值d
i,j
应当再次具有有限范围并且可以以较低位数(例如，4位)传输。
192.因此，在所考虑的实施例中，基本上，参考单元j的样本表示单元电压的行为的参考形状/曲线，并且偏移oi用于确定给定单元i的电压形状的预期波形，并且增量值用于提供给定样本的实际值与期望值的位移的信息。因此，代替使用预定单元的样本作为参考样本，还可以计算新参考样本，例如，通过计算给定时刻样本的平均值，或者通过动态选择具有最小值的单元作为参考单元，例如，允许仅使用正编码偏移值，从而允许改进值范围。
193.在各种实施例中，还可以使用更复杂的压缩算法，其考虑到给定单元的电压变化不仅与相同单元(行)的相邻样本的值相关，而且与相邻单元(列)的电压变化有关。例如，在传统图像压缩算法中存在类似的情况，其中压缩算法使用给定像素的值(基本上对应于样本中的一个样本)通常与周围像素的值相关联的这一事实。例如，同样，在当前情况下，可以通过对数据data应用2d离散傅立叶变换来减少数据量。
194.通常，数据压缩单元450还可以支持多种先前描述的数据压缩方法，即，数据压缩单元450可以包括被配置为执行以下操作中的一个或多个操作的一个或多个电路：
195.动态范围缩减，其也可以与其他压缩方法结合使用；
196.相对于相同单元的样本的参考值的简单增量编码；
197.相对于包括例如参考单元的参考样本的参考曲线的复杂增量编码；
198.使用尾数和编码指数的增量编码；以及
199.二维离散傅立叶变换。
200.因此，在各种实施例中，处理单元42或处理系统44可以例如通过接收针对车辆的ecu的相应信息来确定电池是处于充电状态还是放电状态，并且在充电状态下选择第一数据压缩格式(例如，简单增量编码)而在放电状态下选择第二数据压缩格式。
201.因此，本文中描述的实施例允许即使在数据通信正在进行时也可以监测单元电压。此外，由于所提出的数据压缩，可以以更高的频率执行采样。例如，这允许实现新的电池模型和计算电池参数的新方法，这些方法不依赖于快照测量，而是依赖于多个信号的时间序列。
202.当然，在不损害本发明的原理的情况下，结构和实施例的细节可以相对于本文中的、仅通过示例的方式描述和图示的内容而进行广泛变化，而不会因此脱离如所附权利要求限定的本发明的范围。