电池阻抗测量装置、集成电路芯片、电池系统及用电设备的制作方法

1.本公开属于电池监测技术领域，本公开尤其涉及一种电池阻抗测量装置、集成电路芯片、电池系统及用电设备。


背景技术：

2.图1是现有技术中常见的电池放电电路示意图，电池在对负载rl进行放电时，其两端的输出电压为vbat＝il*rl。
3.电池例如锂离子电池的内阻通常为10至20毫欧，图2示出了通用的基于等效内阻(即等效电池阻抗)的物理模型，图3示出了电池两端不接负载时的等效电路图。
4.参考图2和图3，vocv为电池的开路电压即电池不接负载时的两端电压，rint为电池内阻即电池阻抗，根据图2，有vbat＝vocv-il*rint。
5.参考图3，现有技术中往往通过让电池开路，以测量电池两端电压，即vbat＝vocv。再基于图1，在电池的两端接通负载rl，测量负载的分压即电池的输出电压vbat，基于公式vbat＝vocv-(vbat/rl)rint，从而获得rint。
6.然而，在电池的实际使用过程中，负载一直处于接通状态，无法测得vocv，其次，也无法保证rl始终不变。
7.一般情况下，锂离子电池通常只有生产厂家或者封装生产厂商进行阻抗的测量，无法对锂电池的全寿命进行持续的电池阻抗测量以及阻抗监控。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供一种电池阻抗测量装置、集成电路芯片、电池系统及用电设备。
9.根据本公开的一个方面，提供一种电池阻抗测量装置，包括：
10.放电开关装置，所述放电开关装置连接于待测电池的正负极之间，所述放电开关装置被第一预设频率的脉冲信号驱动以进行周期性地通断；
11.电压采集装置，所述电压采集装置基于所述放电开关装置的周期性通断对所述待测电池的输出电压进行周期性地测量，以获得待测电池输出的周期性数字电压；
12.数字乘法器，所述数字乘法器将所述电压采集装置获得的周期性数字电压与具有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号相乘，以获得第一电压信号；
13.滤波器模块，所述滤波器模块将所述第一电压信号中的与所述第一预设频率相关的信号分量进行滤除，以获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
14.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，所述第一预设频率的脉冲信号为方波脉冲信号。
15.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，所述电压采集装置包括信号放大模块以及adc模块，所述信号放大模块对所述待测电池的输出电压进行放大处理，所述adc模块将放大后的电压信号进行模数转换，以获得所述周期性数字电压。
16.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，在信号放大模块与adc模块之间设置抗混叠滤波器，以滤除高于adc采样频率2倍的频率分量。
17.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，所述数字乘法器包括振荡器以及解调器，所述振荡器生成具有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号，所述解调器将所述数字正弦波信号或数字余弦波信号与所述电压采集装置输出的周期性数字电压相乘，以获得所述第一电压信号。
18.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，所述振荡器生成的数字正弦波信号或数字余弦波信号的所述第二预设频率与所述脉冲信号的所述第一预设频率相同。
19.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，所述振荡器还生成窗信号，所述数字正弦波信号或数字余弦波信号基于所述窗信号生成。
20.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，所述滤波器模块包括低通滤波器。
21.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，还包括存储器，所述存储器至少用于存储所述滤波器模块获得的所述与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
22.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，还包括开关控制器，所述放电开关装置被所述开关控制器输出的脉冲信号驱动，以进行周期性地通断。
23.根据本公开的至少一个实施方式的电池阻抗测量装置，所述放电开关装置为mos管器件，经由所述mos管器件的源极和漏极，所述mos管器件连接于所述待测电池的正负极之间，所述mos管器件的栅极用于接收所述脉冲信号。
24.根据本公开的另一个方面，提供一种用于电池阻抗测量的集成电路芯片，包括：
25.放电开关器件，所述放电开关器件用于连接在待测电池的正负极之间，所述放电开关器件被第一预设频率的脉冲信号驱动以进行周期性地通断；
26.电压采集器件，所述电压采集器件基于所述放电开关器件的周期性通断对所述待测电池的输出电压进行周期性地测量，以获得待测电池输出的周期性数字电压；
27.数字乘法器，所述数字乘法器将所述电压采集器件获得的周期性数字电压与具有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号相乘，以获得第一电压信号；
28.滤波器器件，所述滤波器器件对所述第一电压信号中的与所述第一预设频率相关的信号分量进行滤除，以获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
29.根据本公开的至少一个实施方式的用于电池阻抗测量的集成电路芯片，还包括存储器器件，所述存储器器件至少用于存储所述滤波器器件获得的所述与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
30.根据本公开的又一个方面，提供一种电池系统，包括：电池单元/电池装置；上述任一项的电池阻抗测量装置，所述电池阻抗测量装置至少用于对所述电池单元/电池装置的阻抗进行监测。
31.根据本公开的又一个方面，提供一种电池系统，包括：电池单元/电池装置；以及上述任一项的集成电路芯片，所述集成电路芯片至少用于对所述电池单元/电池装置的阻抗进行监测。
32.根据本公开的再一个方面，提供一种用电设备，包括上述任一项的电池系统。
附图说明
33.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
34.图1是现有技术中常见的电池放电电路示意图。
35.图2示出了现有技术中通用的基于等效内阻(即等效电池阻抗)的物理模型。
36.图3示出了现有技术中电池两端不接负载时的等效电路图。
37.图4是本公开的一个实施方式的电池阻抗测量装置的电路结构示意框图。
38.图5示出了本公开的一个实施方式的基于脉冲信号对放电开关装置进行驱动产生的放电电流的时序图。
39.图6是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置的电路结构示意框图。
40.图7是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置的电路结构示意图。
41.图8是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置的电路结构示意图。
42.图9是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置的结构示意框图。
43.图10是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置的结构示意框图。
44.附图标记说明
45.100 电池阻抗测量装置
46.101 放电开关装置/放电开关器件
47.102 电压采集装置/电压采集器件
48.103 数字乘法器
49.104 滤波器模块/滤波器器件
50.105 开关控制器
51.106 存储器
52.200 待测电池
53.1000 电池阻抗测量装置
54.1021 信号放大模块
55.1022 adc模块
56.1023 抗混叠滤波器
57.1031 振荡器
58.1032 解调器。
具体实施方式
59.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
60.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
61.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则
在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
62.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
63.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
64.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
65.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
66.下文结合图4至图10对本公开的电池阻抗测量装置、集成电路芯片、电池系统及用电设备进行详细说明。
67.图4是本公开的一个实施方式的电池阻抗测量装置的电路结构示意框图。
68.参考图4，本公开的电池阻抗测量装置100，包括：
69.放电开关装置101，放电开关装置101连接于待测电池200的正负极之间，放电开关装置101被第一预设频率(ω1)的脉冲信号驱动以进行周期性地通断；
70.电压采集装置102，电压采集装置102基于放电开关装置101的周期性通断对待测电池的输出电压(v
bat
)进行周期性地测量，以获得待测电池200输出的周期性数字电压；
71.数字乘法器103，数字乘法器103将电压采集装置102获得的周期性数字电压与具
有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号相乘，以获得第一电压信号；
72.滤波器模块104，滤波器模块104对第一电压信号中的与第一预设频率相关的信号分量进行滤除，以获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
73.本实施方式的电池阻抗测量装置100的电压采集装置102连接于待测电池200的正负极之间。
74.其中，本公开描述的待测电池200可以是单一的电池单元，也可以是多个串联电池单元组成的电池组。
75.本公开的电池阻抗测量装置100的放电开关装置101能够被脉冲信号驱动，以进行周期性的通断。
76.本公开的电池阻抗测量装置，先基于放电开关装置周期性的通断，将电池的输出电压vbat调制至第一预设频率(即放电开关的频率)，输出周期性数字电压，再基于数字乘法器对该周期性数字电压解调制，输出第一电压信号，将第一电压信号进行低通滤波处理，滤除与放电开关频率相关的信号分量，从而得到与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
77.本领域技术人员在本公开技术方案的启示下，可以对数字乘法器的电路结构进行调整，均落入本公开的保护范围。
78.图5示出了本公开的一个实施方式的基于脉冲信号对放电开关装置101进行驱动产生的放电电流的时序图。
79.参考图5，放电开关装置101被第一预设频率(ω1)的脉冲信号驱动以进行周期性地通断，其中的周期性地通断，即在预设周期时间长度t1内，脉冲信号包括高电平持续时间和低电平持续时间，该周期t1中，高电平的持续时间为τ，即在时间长度τ内，放电开关装置101处于接通状态，低电平的持续时间为t
1-τ，即在时间长度t
1-τ内，放电开关装置101处于断开状态。
80.优选地，参考图6，上述实施方式的电池阻抗测量装置100包括开关控制器105，放电开关装置101被开关控制器105输出的脉冲信号驱动，以进行周期性地通断。
81.其中，本公开中的开关控制器105可以是控制芯片或者控制芯片的一部分，例如处理器芯片或处理器芯片的一部分，其中，开关控制器105可以基于时钟信号输出上文描述的脉冲信号以对本公开的放电开关装置101进行驱动。上述脉冲信号可以是电压信号。
82.图7是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置100的电路结构示意框图。
83.参考图7，本实施方式的电池阻抗测量装置100，包括：
84.放电开关装置101，放电开关装置101连接于待测电池200的正负极之间，放电开关装置101被第一预设频率(ω1)的脉冲信号驱动以进行周期性地通断；
85.电压采集装置102，电压采集装置102基于放电开关装置101的周期性通断对待测电池的输出电压(v
bat
)进行周期性地测量，以获得待测电池200输出的周期性数字电压；
86.数字乘法器103，数字乘法器103将电压采集装置102获得的周期性数字电压与具有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号相乘，以获得第一电压信号；
87.滤波器模块104，滤波器模块104对第一电压信号中的与第一预设频率相关的信号分量进行滤除，以获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量；
88.开关控制器105，放电开关装置101被开关控制器105输出的脉冲信号驱动，以进行周期性地通断；
89.其中，放电开关装置101为mos管器件，经由mos管器件的源极和漏极，mos管器件连接于待测电池200的正负极之间，mos管器件的栅极用于接收脉冲信号。
90.需要说明的是，本实施方式中作为放电开关装置的mos管器件也可以是三极管器件等，本领域技术人员在本公开技术方案的启示下，可以对放电开关装置101的具体类型进行选择或者调整，均落入本公开的保护范围。
91.对于上述各个实施方式的电池阻抗测量装置100，优选地，数字乘法器103包括振荡器1031以及解调器1032，振荡器1031生成数字正弦波信号或者数字余弦波信号，解调器1032余弦波信号对电压采集装置102输出的周期性数字电压进行信号分解。
92.图8是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置100的电路结构示意图。
93.参考图8，本实施方式的电池阻抗测量装置100，包括：
94.放电开关装置101，放电开关装置101连接于待测电池200的正负极之间，放电开关装置101被第一预设频率(ω1)的脉冲信号驱动以进行周期性地通断；
95.电压采集装置102，电压采集装置102基于放电开关装置101的周期性通断对待测电池的输出电压(v
bat
)进行周期性地测量，以获得待测电池200输出的周期性数字电压；
96.数字乘法器103，数字乘法器103对电压采集装置102获得的周期性数字电压进行信号分解，以获得第一电压信号；数字乘法器103包括振荡器1031以及解调器1032，振荡器1031生成具有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号，解调器1032将数字正弦波信号或数字余弦波信号与电压采集装置102输出的周期性数字电压相乘，以获得第一电压信号；
97.滤波器模块104，滤波器模块104对第一电压信号中的与第一预设频率相关的信号分量进行滤除，以获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量；
98.开关控制器105，放电开关装置101被开关控制器105输出的脉冲信号驱动，以进行周期性地通断。
99.根据本公开的优选实施方式的电池阻抗测量装置100，振荡器1031生成的数字正弦波或数字余弦波信号的第二预设频率与脉冲信号的第一预设频率(ω1)相同。
100.对于上述各个实施方式的电池阻抗测量装置100，优选地，振荡器1031还生成窗信号，数字正弦波信号或者数字余弦波信号基于窗信号生成。
101.对于上述各个实施方式的电池阻抗测量装置100，基于图2和图3示出的通用的电池模型，本公开的电压采集装置102获取的周期性数字电压表示为v
bat
＝v
ocv-i
bat
·rint
，其中，r
int
表示电池等效阻抗，v
ocv
表示电池开路电压。
102.参考图4至图8，根据傅里叶变换，本公开的技术方案中，放电开关装置101被第一预设频率(ω1)的脉冲信号驱动以进行周期性地通断的过程中，可以将i
bat
表示为：其中，i
t
电流是周期性地从电池两端抽取的电流即放电电流，每次放电维持时间为τ，周期为t1，强度为i
t
，
103.其中，将公式简化为：
[0104][0105]
其中，
[0106]
因此，
[0107]
本公开的电池阻抗测量装置100的数字乘法器103，将v
bat
与振荡器生成的余弦波cosω1t(以余弦波为例)及窗信号(门信号，例如方波信号)相乘，获得第一电压信号。
[0108]
该过程可用以下公式表达：
[0109][0110]
其中，g(t)表示窗信号。
[0111]
上式进一步表达为：
[0112]vbat
＝v
ocv
cosω1t-a0cosω1t a1cosω1t
·rint
·
cosω1t
[0113]
a3cos3ω1t
·rint
·
cosω1t a5cos5ω1t
·rint
·
cosω1t a7cos7ω1t
·rint
·
cosω1t
……
[0114][0115]
需要说明的是，上述公式的推导过程仅是为了更充分地对本公开的技术原理进行说明。
[0116]
本领域技术人员在本公开技术方案的启示下，可以基于其他类型的数字乘法器对周期性数字电压进行解调，均落入本公开的保护范围。
[0117]
将第一电压信号送入滤波器模块104(优选为低通滤波器)，滤除ω1、2ω1、3ω1、
……
、nω1信号分量，即能够获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量即电池阻抗放大系数，从而获得电池阻抗，以实现在电池的全寿命周期中，对电池阻抗进行实时的监测。
[0118]
对于上述各个实施方式的电池阻抗测量装置100，优选地，上文描述的第一预设频率(ω1)的脉冲信号为方波脉冲信号。
[0119]
根据本公开的优选实施方式，本公开的电池阻抗测量装置100的滤波器模块104优
选为fir滤波器。
[0120]
对于上述各个实施方式的电池阻抗测量装置100，优选地，电压采集装置102包括信号放大模块1021(增益为a)以及adc模块1022，信号放大模块1021对待测电池的输出电压(v
bat
)进行放大处理，adc模块1022将放大后的电压信号进行模数转换，以获得周期性数字电压。
[0121]
图9是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置100的电路结构示意图。
[0122]
参考图9，本实施方式的电池阻抗测量装置100，包括：
[0123]
放电开关装置101，放电开关装置101连接于待测电池200的正负极之间，放电开关装置101被第一预设频率(ω1)的脉冲信号驱动以进行周期性地通断；
[0124]
电压采集装置102，电压采集装置102基于放电开关装置101的周期性通断对待测电池的输出电压(v
bat
)进行周期性地测量，以获得待测电池200输出的周期性数字电压，其中，电压采集装置102包括信号放大模块1021以及adc模块1022，信号放大模块1021对待测电池的输出电压(v
bat
)进行放大处理，adc模块1022将放大后的电压信号进行模数转换，以获得周期性数字电压；
[0125]
数字乘法器103，数字乘法器103将电压采集装置102获得的周期性数字电压与具有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号相乘，以获得第一电压信号；
[0126]
滤波器模块104，滤波器模块104对第一电压信号中的与第一预设频率相关的信号分量进行滤除，以获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
[0127]
根据本公开的优选实施方式的电池阻抗测量装置100，参考图9，在信号放大模块1021与adc模块1022之间设置抗混叠滤波器1023(aaf)，以滤除高于adc采样频率2倍的频率分量。
[0128]
对于上述各个实施方式的电池阻抗测量装置100，优选地，还包括存储器106，存储器106至少用于存储滤波器模块104获得的与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
[0129]
图10是本公开的又一个实施方式的电池阻抗测量装置100的结构示意框图。
[0130]
参考图10，本公开的电池阻抗测量装置100还可以包括通信模块，以将存储器106中存储的包括表征电池阻抗的信息在内的监测信息发送给电池阻抗测量装置100之外的器件，以实现对电池的监测。
[0131]
对于上述各个实施方式的电池阻抗测量装置100，其为集成电路芯片的形式。
[0132]
根据本公开的又一个方面，提供一种用于电池阻抗测量的集成电路芯片，包括：
[0133]
放电开关器件101，放电开关器件101用于连接在待测电池200的正负极之间，放电开关器件101被第一预设频率(ω1)的脉冲信号驱动以进行周期性地通断；
[0134]
电压采集器件102，电压采集器件102基于放电开关器件101的周期性通断对待测电池的输出电压(v
bat
)进行周期性地测量，以获得待测电池200输出的周期性数字电压；
[0135]
数字乘法器103，数字乘法器103将电压采集器件102获得的周期性数字电压与具有第二预设频率的数字正弦波信号或数字余弦波信号相乘，以获得第一电压信号；
[0136]
滤波器器件104，滤波器器件104对第一电压信号中的与第一预设频率相关的信号分量进行滤除，以获得与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
[0137]
优选地，本公开的用于电池阻抗测量的集成电路芯片还包括存储器106，存储器106至少用于存储滤波器器件104获得的与电池阻抗线性相关的电压信号分量。
[0138]
根据本公开的又一个方面，提供一种电池系统，包括：电池单元/电池装置；上述任一个实施方式的电池阻抗测量装置100，电池阻抗测量装置1000至少用于对电池单元/电池装置的阻抗进行监测。
[0139]
根据本公开的又一个方面，提供一种电池系统，包括：电池单元/电池装置；以及上述任一个实施方式的用于电池阻抗测量的集成电路芯片，用于电池阻抗测量的集成电路芯片至少用于对电池单元/电池装置的阻抗进行监测。
[0140]
根据本公开的再一个方面，提供一种用电设备，包括上述任一个实施方式的电池系统。
[0141]
其中，用电设备可以是汽车(包括电动汽车)、计算机设备、手机等。
[0142]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0143]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0144]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。