带板载有限能量激励的实时交流阻抗检测的电池管理系统的制作方法

1.本发明涉及电池管理系统，且更具体地说，涉及电池交流阻抗的实时检测。


背景技术：

2.电动汽车(ev)等大型系统由电池组供电，电池组由控制电池组充放电的电池管理系统(bms)管理。bms还可具有空闲模式，在此模式中电池组与充电器和负载断开连接。
3.bms可监测电池组的健康状况或老化情况。辅助充电器或电源可产生交流信号，用于施加到电池以测量其阻抗。这些交流检测系统中有一些仅当电源可用、在充电模式下，由充电器对电池充电时才工作。最近，也出现在空闲模式下使用外部电源来检测电池。
4.虽然这些电池检测系统很有用，但希望有一个实时电池检测系统，此系统在充电、放电和空闲三种模式下都可以工作并检测电池。例如，希望在ev运行(放电模式)、充电(充电模式)和ev不充电或放电(空闲模式)时，对电池执行交流阻抗检测。这种实时在线检测系统可以更早地检测到电池问题，而无需等到充电模式才进行。例如在驾驶过程中岩石刺穿电池组时出现损坏的电池单元，或在ev停泊且未充电时被故意破坏者损坏电池单元，无需等待ev连接到充电器就可以检测到电池的问题。
5.在电池检测期间，bms或检测系统产生交流激励信号，并将其施加到电池组，同时测得电池组对交流激励信号的响应。此交流激励信号可在充电模式下使用充电器的能量产生。但是，对于放电模式和空闲模式，充电器可能无法使用，因此需要外部电源在放电和空闲模式期间产生交流激励信号。然而，这种额外的外部电源是不符合期望的。
6.因此，需要在没有外部电源或充电器的情况下产生交流激励信号。电池组本身可以供电，但又不希望从电池组中汲取大量能量以产生交流激励信号，因为这会消耗掉电池组的电量。一些交流阻抗检测系统有一个大的直流组件，这个大的直流组件会导致电源消耗较大电流。如果将电池用作此类交流激励信号的电源，那么这个大的直流组件可能会过度消耗电池电量。
7.对于本领域人员来说，下列技术课题成为近期致力发展的目标。需要利用电池组存储的能量产生交流激励信号，但不会从电池组中汲取大量能量。利用存储单元中的有限能量产生交流激励信号，以便仅从电池组中汲取有限能量。需要一个可以在包括充电、放电和空闲在内的所有模式下运行的实时交流阻抗电池检测系统。


技术实现要素：

8.本发明的目标是提供一种电池管理检测器、电池管理交流阻抗检测器和带交流阻抗检测的电池管理系统，仅从电池组中汲取有限能量产生交流激励信号，可在包括充电、放电和空闲在内的所有模式下运行的实时交流阻抗电池检测，从而解决当前技术水平下的前述缺点。
9.根据本发明的第一方面，提供了一种电池管理检测器，其特征在于，包括：用于连接到电池组的第一端子的第一电池连接；用于连接到电池组的第二端子的第二电池连接；
用于连接到外部充电器的第一端子和外部负载的第一端子的第一外部连接器；用于连接到所述外部充电器的第二端子和所述外部负载的第二端子的第二外部连接器；连接于所述第二外部连接器和所述第二电池连接之间的功率开关，所述功率开关受控于处于非激活状态的开关信号而断开所述第二外部连接器与所述第二电池连接的连接；控制器，在充电/放电模式被激活时将所述开关信号置于激活状态，使得所述功率开关将所述第二外部连接器连接到所述第二电池连接，并在空闲模式被激活时将所述开关信号置于所述未激活状态；在电池检测期间由所述控制器产生的调制信号，输出脉冲调制信号，其中所述控制器在一组频率内改变所述调制信号的频率；有限能量单元，存储的有限能量不足以为所述电池管理检测器供电，其中所述有限能量足以产生交流激励信号；板载激励调节器，从所述控制器接收所述脉冲调制信号并利用所述脉冲调制信号驱动所述有限能量单元，调制所述有限能量单元以生成所述交流激励信号；其中所述交流激励信号的调制具有所述调制信号的频率；所述板载激励调节器在电池检测期间将所述交流激励信号注入到所述第一电池连接中；其中注入到所述电池组中所述调制的所述交流激励信号引起所述电池组产生响应信号的调制响应；且同步采样器，对所述电池组中的所述响应信号进行采样并检测所述调制响应，其中所述交流激励信号由所述有限能量单元产生。
10.根据本发明的第二方面，提供了一种电池管理交流阻抗检测器，其特征在于，包括：用于连接到电池组的第一端子的第一端子；用于连接到所述电池组的第二端子的第二端子；功率开关，用于在开关信号被激活时将所述第二端子连接到第二外部端子，并且在所述开关信号未激活时隔离所述第二端子与所述第二外部端子；其中外部充电器能够连接到所述第二外部端子和所述第一端子对所述电池组充电；其中外部负载能够连接到所述第二外部端子和所述第一端子由所述电池组供电；采样器，用于从所述电池组接收电池测试电压；控制器，在充电/放电模式期间将所述开关信号置为激活状态，并且在所述电池组不在充电且不驱动所述外部负载(空闲模式)将所述开关信号置为未激活状态；所述控制器在检测所述电池组时产生调制信号，所述控制器在一频率范围内进行扫频控制来调制所述调制信号；电容器；同步降压转换器，输入为脉冲调制信号，驱动所述电容器从而产生具有所述调制信号的所述频率范围的交流激励信号；以及位于所述同步降压转换器和所述第一端子之间的第一电流传感器；其中所述同步降压转换器将所述交流激励信号驱动为流经所述第一电流传感器的第一调制电流；其中所述第一调制电流在所述调制信号的所述频率范围内调制；其中所述电池组对所述第一调制电流的响应是调制所述电池测试电压；其中所述采样器检测来自所述电池组的所述电池测试电压的调制响应；其中所述控制器处理所述第一调制电流的所述调制响应和调制激励以产生所述电池组的电池阻抗数据。
11.根据本发明的第三方面，提供了一种带交流阻抗检测的电池管理系统(bms)，其特征在于，包括：扫频器，用于在电池检测模式被激活时在测试频率范围内调整调制信号的频率；电容器；同步降压转换器，用所述脉冲调制信号调制所述电容器以产生注入到电池组中的交流激励电流；电流传感器，感测注入到所述电池组中的所述交流激励电流的交流电流值；其中所述同步降压转换器在所述测试频率范围内调制所述交流激励电流；采样器，测量所述电池组中的节点的交流测试电压，所述交流测试电压根据所述电池组对所述交流激励电流的响应而变化；用于连接到外部充电器或外部负载的外部连接器；位于所述电池组和所述外部连接器之间的功率开关，所述功率开关受控于开关信号而将所述电池组连接到所
述外部连接器；以及控制器，在充电/放电模式下将所述开关信号置为激活状态，并且在空闲模式下将所述开关信号置为未激活状态；其中所述控制器在所述电池检测模式期间激活所述扫频器，所述电池检测模式能够在所述充电/放电模式期间开启，也能够在所述空闲模式期间开启；其中对所述交流电流值和所述交流测试电压进行信号处理，以形成指示所述电池组的健康状态的阻抗值。
附图说明
12.图1是具有板载交流阻抗电池检测的电池管理检测器的框图。
13.图2是施加到电池组的交流激励信号的图。
14.图3是图1电池管理检测器运行时的波形图。
15.图4a-4f示出bms使用交流激励信号检测电池交流阻抗的电池检测过程。
16.图5示出由同步降压转换器驱动的有限能量单元为电容器的电池管理交流阻抗检测器。
17.图6突显了交流激励信号和电池组响应信号的数据处理过程。
18.图7是使用具有有限能量单元的板载激励调节器对电池进行交流阻抗检测而产生的尼奎斯特图。
19.图8是使用具有有限能量单元的板载激励调节器对电池单体进行交流阻抗检测而产生的尼奎斯特图。
20.图9是使用具有有限能量单元的板载激励调节器对电池包进行交流阻抗检测而产生的尼奎斯特图。
21.图10示出由电容器所存储的能量产生激励信号的同步降压转换器。
具体实施方式
22.本发明涉及电池的交流阻抗检测的改进。呈现以下描述，使得所属领域的普通技术人员能够制造和使用在特定应用和其要求的上下文中提供的本发明。所属领域的技术人员将清楚对优选实施例的各种修改，并且本文所定义的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明并不意图限于所展示和描述的特定实施例，而是应被赋予与本文中公开的原理和新颖特征一致的最广范围。
23.图1是具有板载交流阻抗电池检测的电池管理检测器的框图。电池组40具有在电池端子b (如，电池组40的第一端子)和b-(如，电池组40的第二端子)之间串联的若干电池模块或单元，其中电池端子b 、b-之间具有电池电压vb。电池管理系统bms包括电池管理检测器100。电池管理检测器100包括用于连接到电池组的第一端子的第一电池连接；用于连接到电池组的第二端子的第二电池连接；用于连接到外部充电器的第一端子和外部负载的第一端子的第一外部连接器；用于连接到所述外部充电器的第二端子和所述外部负载的第二端子的第二外部连接器；连接于所述第二外部连接器和所述第二电池连接之间的功率开关；控制器(mcu)10；有限能量单元60；板载激励调节器50；同步采样器22。所述有限能量单元可以是电容器。所述电容器连接于所述板载激励调节器50的第一输出节点和所述第二电池连接之间。板载激励调节器50可以是同步降压转换器。
24.当外部充电器附接到外部端子“ ”(如，第一外部连接器)、
“‑”
(如，第二外部连接
器)上时，电池组40由电池电流ib充电，当功率开关30受控于开关信号sw闭合时，电池电流ib从 充电器端子流动通过保险丝44并进入电池端子b ，使得返回电流从电池端子b-流动通过功率开关30到达连接到外部充电器的-外部端子。充电模式为mcu10将开关信号sw置为开启(激活状态)且充电器连接到外部端子 、-。
25.在放电模式期间，例如ev引擎的负载连接到外部端子 、-，mcu 10将开关信号sw置为开启以接通功率开关30。电池组40给负载提供电流，电流从电池端子b 通过保险丝44到达外部端子 ，然后到达负载，从负载通过外部端子-、通过功率开关30到达电池端子b-。
26.在空闲模式期间，mcu 10将开关信号sw置为关闭(非激活状态)，从而断开功率开关30并阻止电流从电池组40流到外部端子-。
27.电池管理检测器100更包括bms监测器20。bms监测器(又稱，电池监测器)20可监测电池组40，例如接收电池组40的电压、电流和温度信号。
28.电池管理检测器100更包括均衡电路24。均衡电路24用来控制电池组40，所述均衡电路通过无源或有源均衡电路来均衡电池组40内的电池模块或单元的电压。在一些系统中，均衡电路24能够断开或绕过电池组40中的电池模块或单元。因此，损坏或老化的电池模块或单元在一些系统中可断开连接。
29.同步采样器22对整体电池电压vb和电池电流ib进行采样，并且还能对电池组40内的内部节点进行采样，例如接收电池组40的内部节点的电压。与bms监测器20相比，同步采样器22是同步采样，且采样精度更高，并且可检测电池组40的内部电压，例如在电池组端子b 和b-之间串联的电池模块电压。
30.mcu 10可执行各个控制例程，用于控制bms监测器20、同步采样器22和均衡电路24，监测电池组40产生的信号。mcu 10还执行电池检测例程，此例程产生施加到电池组40以执行交流阻抗检测的交流激励信号。
31.在交流阻抗检测期间或之前，mcu 10指示板载激励调节器50通过电池端子b 、b-从电池组40汲取少量能量来对有限能量单元60充电。然后，这存储在有限能量单元60中的少量能量供板载激励调节器50产生交流激励信号，此交流激励信号的频率由板载激励调节器50从mcu 10接收的脉冲调制信号(pwm_out)控制，具有调制信号(pwm_in)的频率。在电池检测期间，由mcu 10产生调制信号pwm_in，且在一组频率内改变所述调制信号pwm_in的频率。所述板载激励调节器50连接于所述第一电池连接和所述第二电池连接之间，将由所述有限能量单元60产生的所述交流激励信号驱动到所述第一电池连接上。所述交流激励信号是注入到所述第一电池连接中的电流。
32.由板载激励调节器50产生的交流激励信号是感测电流i_sen，由脉冲调制信号pwm_out控制。交流激励信号i_sen流到电池端子b 中，并叠加至充电或放电电流上。在空闲模式期间，交流激励信号i_sen是唯一电流，因此i_sen＝ib。
33.mcu 10监测所施加的交流激励电流i_sen和来自有限能量单元60的电压v_sen，并比较这个交流激励信号i_sen与电池组40的响应，例如来自同步采样器22的vb或内部电压的变化。叠加到直流充电或放电电流中较小的交流激励信号i_sen，引起的电压变化幅值小而快，同步采样器22可检测到这些变化。
34.所述板载激励调节器50在电池检测期间将所述交流激励信号注入到所述第一电池连接中，其中注入到所述电池组40中所调制的所述交流激励信号引起所述电池组40中的
响应信号的调制响应(电压响应)。同步采样器22，对所述电池组40中的所述响应信号进行采样并检测所述调制响应。所述响应信号是所述电池组40的电压。根据所施加的交流激励信号i_sen和电池组40的电压响应，mcu 10可绘制电池组40的阻抗图。此阻抗图可用于检测电池问题，例如内部连接器松动或断开，或电池组内电池单元不一致等等。阻抗图可估计电池组40内电池模块或单元的健康状况或老化情况。电池管理检测器100更可包括交流阻抗处理器，所述交流阻抗处理器对所述电池组40的所述调制响应和所调制的所述交流激励信号进行信号处理以产生阻抗图。所述阻抗图是阻抗虚部相对于阻抗实部的图，所述阻抗图是尼奎斯特图。当所述交流阻抗处理器检测到所述阻抗图中的曲线偏移时，电池管理检测器100(mcu 10)发送电池老化的信号。所述阻抗图是存储在计算机存储器中的阻抗值表。
35.图2是施加到电池组的交流激励信号的图，其示出由板载激励调节器50(图1)产生的交流激励信号i_sen的振幅—时间图。mcu 10具有pwm调制器。mcu 10将pwm信号设置为开启，并将调制信号pwm_in驱动到pwm调制器，所述pwm调制器产生频率固定的、且比调制信号pwm_in的频率高得多的脉冲调制信号pwm_out，并使板载激励调节器50产生与调制信号pwm_in同步的、初始频率为f0的交流激励信号i_sen。
36.mcu 10逐渐降低调制信号pwm_in的频率，使交流激励信号i_sen的频率从f0减小到下一频率f1，然后减小到f2、f3和最终的最低频率f4。在实际系统中，频率点可超过四个，例如20、40、50等。电池组40对不同频率f0、f1、f2、
……
f4具有不同响应。通过同步采样器22对电池组的电压vb和电流ib进行感测和采样，并且不同频率点的电池阻抗可由mcu 10根据欧姆定律计算。
37.图3是图1电池管理检测器运行时的波形图。在模式1中，即，在空闲模式中，电池不连接到充电器也不连接到负载，并且不执行交流阻抗测试。在开关信号sw关闭以断开充电器和负载时，电池电压vb保持恒定。pwm信号处于关闭状态，pwm调制器不产生脉冲调制信号pwm_out，因此没有交流激励信号i_sen产生。无电池电流ib流动。
38.在模式2中，即，在充电/放电模式中，开关信号sw被置为开启状态，将电池组40连接到外部充电器或负载。电池电流ib流动。因为在模式2中不执行交流阻抗测试，pwm调制器不进行脉冲输出，且无交流激励信号i_sen产生。在充电期间，电池电压vb上升，在放电期间，电池电压vb下降。
39.在模式3中，即，在空闲 检测模式中，mcu 10控制调制信号pwm_in的频率随时间推移而减小，板载激励调节器50产生交流激励信号i_sen，交流激励信号i_sen的频率随时间推移减小。脉冲调制信号pwm_out的周期比交流激励信号i_sen的周期小得多，因此未按比例绘制。开关信号sw关闭，因此电池与负载和充电器断开连接。唯一的电池电流ib来自交流激励信号i_sen。由于存在交流激励信号，作为响应的电池电压vb略有波动，并且mcu 10检测这些vb波动以估计电池组40和其内部组件的健康状况。
40.在模式4中，即，在充电 检测模式中，mcu 10启用pwm调制器，控制调制信号pwm_in的频率随时间推移减小，板载激励调节器50产生交流激励信号i_sen，交流激励信号i_sen的频率随时间推移减小。脉冲调制信号pwm_out的周期比交流激励信号i_sen的周期小得多，因此未按比例绘制。开关信号sw开启，因此电池连接到充电器(或者在类似的放电 检测模式中，连接到负载)。
41.电池电流ib是流动到电池中的充电电流加上交流激励信号i_sen的总和。充电电
流是使交流激励信号i_sen向上偏移的直流电流，如ib的波形中所示。
42.电池电压vb通过充电向上偏移，然后通过交流激励信号i_sen略微调制。mcu 10检测这些vb波动和内部电池节点，从而估计电池组40和其内部组件的健康状况。电池管理检测器100进一步包括用于接收电池组40的监测信号的bms监测器20。当监测信号指示电池组有问题时，mcu10做出响应而执行警报例程，所述警报例程使mcu10将开关信号sw置于关闭状态中，并停止调制所述调制信号pwm_in。
43.图4a-4f示出bms使用交流激励信号检测电池交流阻抗的电池检测过程。在图4a中，当bms运行时，bms读取电池信息(步骤202)。此电池信息可存储在电池组40或bms上的存储器装置中，其中电池管理检测器100由mcu 10读取。此电池信息可包含电池组40内部的电池单元结构或布置、电压或电流限定值、初始交流阻抗、充电/放电循环和当前信息，如电压、电流、温度，高温/低温警报、过电压/欠电压警报、过电流警报、短路或各种其它故障。读取的电池信息可包含单独的故障警报或电池组40产生的一般故障指示。
44.当电池组40检测到或报告故障(步骤208)时，激活警报子程序220以处理所述警报，这可涉及设置开关信号sw及pwm信号为关闭状态。
45.当故障结束或未检测到故障(步骤208)时，bms等待来自用户或更高层级系统的模式更改指令或请求(步骤210)，此时为空闲模式，开关信号sw及pwm信号为关闭状态。解析模式更改请求以判断请求为哪一模式。当请求为充电或放电模式(步骤210)时，激活充电/放电模式例程240(图4b)。当请求为具在线检测的充电或放电模式(步骤210)时，激活充电/放电 在线检测模式例程280(图4d-4f)。当请求为具在线检测的空闲模式(步骤210)时，激活空闲 在线检测模式例程260(图4c)。
46.在图4b中，激活充电/放电模式例程240。设置电池组40的电流限定值ilim(步骤243)。mcu 10将开关信号sw置为开启以接通功率开关30，使得电池组40能够通过外部充电器充电，或者驱动外部负载。mcu 10设置pwm信号为关闭状态(步骤246)，不输出脉冲调制信号pwm_out。读取电池电流ib(步骤242)，例如使用同步采样器22。
47.当电池电流ib超过电流限定值ilim(步骤244)时，激活警报子程序220(图4a)以防高电池电流ib损坏电池组40。当电池电流ib不超过电流限定值(步骤244)时，bms等待充电和放电完成(步骤248)。在充电和放电完成(步骤248)之后，充电/放电模式结束，设置开关信号sw关闭(步骤252)。过程循环回到图4a中的步骤210。
48.在图4c中，激活空闲 在线检测模式例程260。初始化调制信号pwm_in的扫频参数(步骤262)。这些参数可包含起始最高频率、结束最低频率和频率步长。mcu 10保持开关信号sw为关闭，以使电池组40空闲，但是开启pwm信号(步骤266)。mcu 10以起始最高频率驱动调制信号pwm_in，使得板载激励调节器50将具有调制信号pwm_in最高频率的交流电驱动到有限能量单元60。此扫频激励(步骤270)在最高频率下持续一段时间周期，例如3个循环。在所述时间周期结束时，检测频率，如果频率不是结束最低频率(步骤268)，那么调制信号pwm_in的频率减小一个频率步长(步骤274)。
49.然后，mcu 10以新的较低频率驱动调制信号pwm_in，板载激励调节器50驱动有限能量单元60，继而在较低频率下激励电池组40。电池电压vb、电池电流ib和内部节点电压可通过同步采样器22读取。
50.扫频激励(步骤270)在所述较低频率下持续所述时间周期，直到频率再次进行检
测(步骤268)并再次下降(步骤274)以扫掠更低频率。在若干循环之后，调制信号pwm_in的频率向下扫掠到结束最低频率。然后，在这一最低频率下的扫频激励(步骤270)之后，检测最小频率(步骤268)，并退出扫频循环。mcu 10将pwm信号置为关闭(步骤272)，空闲 在线检测模式例程260结束。
51.在图4d中，激活充电/放电 在线检测模式例程280。设置电池组40的电流限定值ilim(步骤283)。初始化用于调制信号pwm_in扫频的参数(步骤282)。mcu 10将开关信号sw置为开启状态以接通功率开关30，使得电池组40能够通过外部充电器充电，或者驱动外部负载。mcu 10将pwm信号置为开启状态，并开始用脉冲输送脉冲调制信号pwm_out(步骤286)。读取电池电流ib(步骤288)。当电池电流ib超过电流限定值ilim(步骤284)时，激活警报子程序220(图4a)以防高电池电流ib损坏电池组40。
52.当电池电流ib不超过电流限定值(步骤284)时，充电/放电 在线检测模式例程280在图4e中继续。
53.mcu 10以起始最高频率驱动调制信号pwm_in，使板载激励调节器50以调制信号pwm_in的最高频率将交流电驱动到有限能量单元60。扫频激励(步骤270)持续一时间周期。在此时间周期之后，当充电和放电完成但结束最低频率尚未达到(步骤310)时，mcu10设置开关信号sw为关闭状态，功率开关30断开电池组40与外部充电器或负载的连接(步骤314)。然后，调制信号pwm_in的频率减小一个频率步长(步骤278)，以较低频率回到扫频激励(步骤270)。
54.当充电或放电未完成且结束最低频率尚未达到(步骤312)时，调制信号pwm_in的频率减小一个频率步长(步骤276)，读取电池电流ib(步骤288(图4d))并将其与ilim比较(步骤284)，使得当电池电流ib超过电流限定值ilim时能够调用警报子程序220(图4a)。在其它情况下，扫频激励(步骤270)以较低频率进行，当调制信号pwm_in频率的递降重复时，重复以上过程。
55.当调制信号pwm_in频率达到结束最低频率(图4e中的步骤312)但充电或放电尚未完成(图4f中的步骤320)时，mcu 10将pwm信号关闭以停止输出脉冲调制信号pwm_out(步骤324)，bms继续充电/放电模式例程240。
56.当调制信号pwm_in频率达到结束最低频率(步骤312)且充电或放电完成(步骤320)时，mcu 10将pwm信号关闭以停止输出脉冲调制信号pwm_out，并且将开关信号sw关闭(步骤322)以使bms空闲。
57.图5示出由同步降压转换器驱动的有限能量单元为电容器的电池管理交流阻抗检测器。mcu 10在检测电池组40时产生调制信号pwm_in，输出脉冲调制信号pwm_out，mcu 10以在一频率范围内进行扫频控制来调制所述调制信号pwm_in。具有交流阻抗检测器110的bms具有同步降压转换器52，其从mcu 10接收脉冲调制信号pwm_out信号并以调制信号pwm_in的频率激励电容器62。在交流阻抗检测期间，电容器62的电压v_sen通过同步降压转换器52降压，且将交流激励信号i_sen驱动到电池端子b 来激励电池组40。交流激励信号i_sen是驱动电容器62而产生的交流信号,具有调制信号pwm_in的频率。
58.mcu 10监测v_sen和交流激励信号i_sen，交流激励信号i_sen是交流阻抗检测期间施加到电池组40的激励(stimulus)。mcu 10还使用bms监测器20和同步采样器22监测电池组40对此激励的响应。例如，电池组40的响应可以通过整体电池电压vb或电池组40内部
节点上的电压的较小交流变化来确定。电池电流ib和电压vb或电池组40中的内部节点电压由同步采样器22监测。
59.功率开关30为由开关信号sw控制的氮化镓(gan)晶体管32、34构成。gan晶体管可通过非常大的电流，切换速度快。
60.在充电模式期间，当外部充电器对电池组40充电时，电容器62也被充电。电容器62存储足够的电荷，通过同步降压转换器52在扫频范围内产生交流激励信号。电容器62为1mf/100v的电容。
61.电容器62可由电池组40预充电。当pwm信号置为开启且mcu 10将直流信号驱动到调制信号pwm_in时，电容器62通过同步降压转换器52预充电到直流电压。然后，电容器62以较小交流电压/电流纹波运行，通过同步降压转换器52产生交流激励信号i_sen。同步降压转换器52产生交流激励信号i_sen，并将它注入到电池组40，而无需从电池组40汲取能量。
62.图6突显了交流激励信号和电池组响应信号的数据处理过程。交流激励信号(例如电流i_sen)施加到电池组40，引起电池组40的时变响应(例如电池电压vb)。所述响应信号是所述电池组的电压。在一实施例中，所述响应信号是所述电池组内的内部节点的电压，所述内部节点在所述第一电池连接和所述第二电池连接之间且具有不同于所述第一电池连接和所述第二电池连接的电压。
63.电池组40的容性特质使得相对于交流激励信号电流在响应电压中引入90度相移。此相移可使用虚数并作为阻抗z的虚部来描述。
64.所述交流阻抗处理器包括离散采样器621，622；傅里叶变换器641，642；阻抗计算器300；绘图器660。激励和响应波形均由离散采样器621，622处理以产生数据值，然后这些数据值通过傅里叶变换器641，642来处理以产生频域中的频率序列。激励频率序列从电流值导出，而响应频率序列从电压值导出。
65.阻抗计算器300使用欧姆定律计算获得每一频率的阻抗z＝v/i，阻抗的实部和虚部被绘图器660绘制为尼奎斯特图。数字信号处理器(dsp)或另外处理器可运行阻抗计算器300。
66.同步采样器22在每个采样时刻同步采样激励电流i_sen和电压响应vb。经过傅里叶变换，可以找到不同频率下激励和响应的振幅和相位数据。然后，电压响应vb和激励电流i_sen的振幅及其相位角可用于计算复阻抗z，以实部和虚部的形式表示。
67.图7是使用具有有限能量单元的板载激励调节器对电池进行交流阻抗检测而产生的尼奎斯特图。绘制每个阻抗值的虚部和实部，形成曲线502。每个数据点对应于一个频率。较高频率数据点在左侧，较低频率在右侧。
68.在较高频率下，阻抗反映电池电解质的欧姆电阻。在中间频率下，阻抗受sei电容和电子转移速率的影响。在较低频率下，阻抗反映导电离子在电极材料中的扩散过程。
69.曲线502的形状随电池电化学单元的电化学响应以及电池内阻性和容性的不同而变化。随着电池老化和磨损，502的形状将发生变化。
70.图8是使用具有有限能量单元的板载激励调节器对电池单体进行交流阻抗检测而产生的尼奎斯特图。绘制每个阻抗值的虚部和实部。曲线504为新电池单元，而曲线506为旧电池单元。与新电池曲线504相比，旧电池的曲线506向右偏移。所检测的电池的老化情况或磨损情况可通过其曲线相对于新电池曲线的偏移来估计。虽然老化估计可能不精确，但即
使是粗略的电池老化估计也可能有用。
71.图9是使用具有有限能量单元的板载激励调节器对电池包进行交流阻抗检测而产生的尼奎斯特图。绘制每个阻抗值的虚部和实部。同步采样器22可对在电池组40内串联连接的电池模块之间的若干内部节点电压进行采样。来自每个内部节点的电压可以单独采样和处理以形成曲线601-608中的一个。
72.曲线601-608对应于电池组中的不同电池模块。具体地说，相比于曲线601、602、603、605、606、607、608，曲线604向右偏移得更多。曲线604的这一右移表明形成曲线604的电池模块的老化程度比其它电池模块严重。bms可指示电池组40断开对应于曲线604的电池模块的连接。电池组40的寿命可以通过断开电池组40内老化的电池模块而增加。
73.图10示出由电容器所存储的能量产生激励信号的同步降压转换器。当pwm信号开启时，首先对电容器62预充电。通过同步降压转换器从电池组40汲取的有限电流对电容器62预充电。电容器62的电压被采样并以v_sen反馈给mcu 10。在v_sen达到由mcu 10控制的预设值之后，预充电停止。随后，电容器62供应能量，供同步降压转换器52产生激励电流i_sen。
74.电容器62直接由同步降压转换器52驱动。当pwm信号开启时，mcu 10启用pwm调制器810，其中调制信号pwm_in控制由pwm调制器810产生的脉冲调制信号pwm_out的占空比。
75.同步降压转换器52具有开关802，当脉冲调制信号pwm_out为低时，所述开关由反相器806闭合以传导电流，而当脉冲调制信号pwm_out为高时，闭合开关804以传导电流。滤波器808可以是电流滤波器，例如电感器，它在电池组40的电池端子b 和开关802、804之间流经激励电流i_sen。电池负端子b_连接到开关804和电容器62，而开关802驱动电容器62的上部端子来产生电压v_sen。
76.当开关802闭合且开关804断开时，电容器62通过开关802和电流滤波器808将激励电流i_sen供应到电池组40的电池端子b 。当开关802断开且开关804闭合时，电容器62与同步降压转换器52断开。激励电流i_sen继续通过开关804和电流滤波器808供应到电池端子b 。开关802、804是单向开关。
77.以下说明替代的实施例。例如，可用于板载激励调节器50的其它电路，例如同步降压转换器52、降压-升压、半桥、全桥、多电平反激式转换器、双向直流-直流/直流-交流转换器，或者可产生可变频率激励信号的任何电路。板载激励调节器50可连接在电池组40的端子b 和b-之间，直接从电池组40汲取能量，或者在具有电池管理检测器100的bms的印刷电路板(pcb)上安装功率控制器，从电池组40的端子b 和b-汲取能量，然后为板载激励调节器50、mcu 10和其它组件提供来自电池组40或在充电模式期间来自外部充电器的本地电源。
78.mcu 10从端子b 和b-获取能量，在不连接外部充电器而进行交流检测时，此能量从电池组40获得，或者在充电模式期间从外部充电器获得。mcu 10持续消耗能量。板载激励调节器50不消耗电池能量，因为在电容器62预充电之后，它在电池组40和电容器62之间传送交流电流。电容器62用于存储在预充电过程中从电池组40汲取的有限能量。存储在电容器62中的能量几乎不会损耗。
79.电容器62可为超级电容器或标准电容器等器件。同步采样器22可具有一个或多个模/数转换器(analog-to-digital converter，adc)以精确地测量电池组40中的电压或电流。
80.校准表可通过新电池的老化循环测试构建，并在电池老化期间重复交流阻抗检测，以在尼奎斯特图或类似数据表上绘制电池曲线。电池的健康状态(soh)可根据由此老化电池获得的曲线进行估计。电池组40可用各种模型来表示，例如电容和电阻的并联和串联网络。各种电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，eis)模型可用于解释bms获得的尼奎斯特图上的曲线偏移。也可以使用波特图(bode plot)。
81.尽管已经描述了阻抗值的虚部和实部的绘制，但是此绘制可以在计算机存储器中将阻抗数据制成表格，并且不需要创建人类可以看到的图。图可以是计算机存储器中各种格式和排列的各种数据表。bms可以通过曲线与直线相交点的阻抗值来检测曲线偏移，而不是检测整个曲线。不同的交点值可用来检测曲线偏移。
82.不同频率之间的时间间隔应足够长，以使电池组40内部的组件达到稳定状态，从而与所施加的交流激励信号共振。持续时间可以是交流激励信号i_sen持续几十个循环，这可由mcu 10设置。
83.尽管已经描述了调制信号pwm_in，但是此调制信号pwm_in信号可具有各种波形状和形式，例如方形、矩形、三角形、正弦和其它形状，并且可具有各种占空比和相位。
84.尽管电流i_sen已描述为交流激励信号且电压已描述为响应，但是交流激励信号可为施加到b 的调制电压，而响应可为通过电池组40的电流。响应可为从电池组40内的内部节点或从电池端子b 获取的电压，或者可为通过电池组40感测的内部电流，并且还可为各种组合。具有电池管理检测器100的bms可检测若干节点的响应，然后组合这些响应或单独地分析每个响应。例如，电池组40由若干电池模块串联，并且电池组40可检测内部电池模块之间的节点电压，并由同步采样器22感测这些内部电压。每个内部节点的电压可按照图6所示来处理，并且在尼奎斯特图上绘制为单独曲线。曲线601-608表示电池组40内的不同电池模块。曲线之间的微小偏移可能是由于串联连接的电池模块之间对b-的串联电阻不同。
85.同步采样器22、bms监测器20、mcu 10、均衡电路24、板载激励调节器50、有限能量单元60可以有各种实施方式。mcu 10可执行指令以完成图4a-4f的过程，但是一些步骤可以使用硬件引擎，并且指令可为固件、软件和硬件逻辑的组合。数字信号处理器(dsp)或其他处理器可被mcu 10调用以执行更复杂的处理，例如图6所示的傅里叶变换。mcu 10还可与dsp集成。
86.对于相同的激励电流i_sen，电池组40内的各个电池单元可能表现不同，并呈现不同的电压响应。同步采样器22可测量电池组40的内部节点电压。由电池单元串联而成的整个电池组的响应都有相同频率。电池组40可包含若干串联的电池模块，每个电池模块可包含若干串联、并联或呈各种组合的电池单元。其它结构也是可能的。
87.已示出功率开关30的一种实施方案，使用一对氮化镓(gan)晶体管。可以用许多其它开关实施方案和技术替代。可以重新放置功率开关30的位置，连接外部充电器/负载的 端子而不是-端子。
88.电池组40的b-端子的电力返回线上仅有一个功率开关30，与此不同，可以使用不同独立的功率开关，一个开关位于b-节点和外部充电器的-节点之间，另一个开关位于b-节点和外部负载-节点之间。然后，mcu 10可以选择充电器开关进行充电模式，选择负载开关进行放电模式。尽管充电/放电在图4a-4f的过程中被示为组合节点，但是此过程可以有单独的充电和放电模式，可以具有也可以不具有在线检测，总共有4种模式，而不是图4a-4f中
所示的2种模式。
89.出于各种原因，可以在各个节点处添加其它组件，例如电阻器、电感器、电容器、保险丝、滤波器、开关、晶体管等。实施具有电池管理检测器100的bms的pcb通常会有其它组件，例如滤波电容器、缓冲器、功率控制器或调节器、时钟产生器等。例如，交流激励电流传感器，其用于感测注入到所述第一电池连接的所述交流激励信号的电流值(所述mcu10使用所述交流激励电流传感器对所述交流激励信号采样)；电池电流传感器，其用于感测从所述第一电池连接流到所述第二电池连接的电池电流(mcu10比较所述电池电流传感器感测的所述电池电流与电流限定值，并在所述电池电流超过所述电流限定值时激活所述警报例程)；位于所述同步降压转换器和所述第一端子之间的第一电流传感器，感测注入到所述电池组中的所述交流激励电流的交流电流值。
90.尽管已经描述了向下扫频，但是可以用向上扫频替代。频率步长的大小可以改变。可以从离散频率列表中更改频率以实施扫频。
91.发明背景部分可含有关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景部分中包含材料并不是本技术人对现有技术的承认。
92.本文中所描述的任何方法或过程是机器实施或计算机实施的，且意图由机器、计算机或其它装置执行，且并不意图在没有此类机器辅助的情况下仅由人类执行。所产生的有形结果可包含显示装置上的报告或其它由机器产生的显示，例如计算机监视器、投影装置、音频产生装置和相关媒体装置，并且可包含也是由机器产生的硬拷贝打印输出。其它机器的计算机控制为另一有形结果。
93.出于说明和描述的目的，已经呈现本发明的实施例的前述描述。其并不意图是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。根据以上所示内容，许多修改和变化是可能的。希望本发明的范围不受此详细描述限制，而是受所附权利要求书限制。