电池监测装置、芯片、电池系统及用电设备的制作方法

1.本公开涉及电池监控/管理技术领域，本公开尤其涉及一种具有电池阻抗测量功能的电池监测装置、芯片、电池系统及用电设备。


背景技术：

2.锂离子电池的阻抗测量通常基于直流阻抗测量方法或者基于交流阻抗测量方法。
3.在测量直流阻抗时，通过短时间的脉冲电流对电池进行放电，在电池极化电阻开始对电池阻抗产生影响之前，对直流阻抗进行测量。
4.在测量交流阻抗时，通过交流负载对电池进行放电，通过不同频率的电池电压和电流对交流阻抗进行测量。
5.然而，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：

6.为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供一种新型的集成阻抗测量的锂电池无线监控器，其可以是单芯片集成芯片。
7.根据本公开的一个方面，提供一种具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，包括：
8.采样电阻器；
9.开关装置，所述开关装置与所述采样电阻器连接，通过所述开关装置的接通能够将所述采样电阻器置于电池单元/电池装置的工作回路中，通过所述开关装置的断开能够将所述采样电阻器从电池单元/电池装置的工作回路中断开；
10.控制器，所述控制器至少输出控制信号，以控制所述开关装置的接通；
11.电压采集装置，所述电压采集装置至少用于采集电池单元/电池装置的端电压及所述采样电阻器的分压；
12.其中，所述控制器同步地获取所述电池单元/电池装置的端电压及所述采样电阻器的分压，以用于获取电池阻抗。
13.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括时钟模块，所述时钟模块向所述控制器提供时钟信号，所述控制器基于所述时钟信号输出控制信号至所述开关装置。
14.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，所述开关装置为mos管器件，所述mos管器件的源极和漏极连接于所述电池单元/电池装置的工作回路中，所述mos管器件的栅极接收所述控制器的控制信号。
15.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，所述电压采集装置包括两个以上的电压采集端，基于各个电压采集端分别对电池单元/电池装置的端电压及所述采样电阻器的分压进行采集。
16.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，所述
电压采集装置包括多路复用器及adc模块，各个电压采集端采集的电压经由所述多路复用器被传输给所述adc模块转换为数字信号并传输给所述控制器。
17.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，所述电压采集装置至少包括第一电压采集器以及第二电压采集器，所述第一电压采集器至少用于采集电池单元/电池装置的端电压，所述第二电压采集器至少用于采集采样电阻器的分压。
18.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括温敏电阻器，所述温敏电阻器基于自身阻值的变化获取电池单元/电池装置的温度。
19.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，电压采集装置还包括温度采集开关，基于所述温度采集开关，所述温敏电阻器能够被接入电池单元/电池装置的工作回路中以进行温度测量。
20.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括收发器，所述收发器能够接收外部信号以传输给所述控制器生成相应的控制信号，以及能够将所述控制器生成/获取的信息传输给电池监测装置之外的器件。
21.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括匹配器，所述收发器经由所述匹配器与所述电池监测装置之外的器件进行无线通信连接。
22.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括时钟控制信号输入部，经由所述时钟控制信号输入部，电池监测装置之外的时钟控制信号能够被输入，并经由所述控制器传输给所述时钟模块，所述时钟模块基于所述时钟控制信号生成时钟信。
23.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括存储器，所述存储器至少用于存储所述控制器生成/获取的信息。
24.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括稳压器，所述稳压器用于将电池单元/电池装置的输出电压稳定至预设电压。
25.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，还包括电压调节器，所述电压调节器用于对电池单元/电池装置的输出电压进行补偿，以向电池监测装置提供工作电压。
26.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，所述电压调节器为基于电荷泵的器件。
27.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，所述电池监测装置包括芯片部分及外围电路部分，所述外围电路部分包括所述采样电阻器及所述开关装置，所述芯片部分包括所述控制器及所述电压采集装置。
28.根据本公开的至少一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置，所述电池监测装置的芯片部分为单芯片集成芯片的形式。
29.根据本公开的另一个方面，提供一种具有电池阻抗测量功能的电池监测芯片，包括：
30.控制器，所述控制器至少输出控制信号，以控制开关装置的接通；
31.电压采集装置，所述电压采集装置至少用于采集电池单元/电池装置的端电压及
所述采样电阻器的分压；
32.其中，所述控制器同步地获取所述电池单元/电池装置的端电压及采样电阻器的分压，以用于获取电池阻抗；
33.其中，所述采样电阻器以及所述开关装置均设置于所述电池监测芯片的外围电路之中，所述开关装置与所述采样电阻器连接，通过所述开关装置的接通能够将所述采样电阻器置于电池单元/电池装置的工作回路中，通过所述开关装置的断开能够将所述采样电阻器从电池单元/电池装置的工作回路中断开。
34.根据本公开的又一个方面，提供一种电池系统，包括：
35.电池单元/电池装置；
36.上述任一项所述的电池监测装置或者上述的电池监测芯片，所述电池监测装置或者所述电池监测芯片至少用于对所述电池单元/电池装置的阻抗进行监测。
37.根据本公开的再一个方面，提供一种用电设备，包括上述的电池系统。
附图说明
38.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。
39.图1是根据本公开的一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置的结构示意框图。
40.图2是根据本公开的又一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置的结构示意框图。
41.图3是本公开的一个优选实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置的电路结构示意图。
42.图4示出了本公开的一个实施方式的电池单元/电池装置在控制信号的驱动下输出的电池电压及负载电流曲线。
43.附图标记说明
44.100 电池监测装置
45.110 电压采集装置
46.111 第一电压采集器
47.112 第二电压采集器
48.120 控制器
49.130 时钟模块
50.140 收发器
51.150 存储器
52.160 稳压器
53.170 电压调节器
54.180 采样电阻器
55.190 开关装置
56.200 电池装置
57.210 时钟控制信号输入部
58.220 温敏电阻器
59.230 匹配器
60.1101 adc模块
61.1102 多路复用器
62.1103 温度采集开关。
具体实施方式
63.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。
64.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。
65.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。
66.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。
67.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。
68.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。
69.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。
70.图1是根据本公开的一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置的结构示意框图。图2是根据本公开的又一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置的结构示意框图。图3是本公开的一个优选实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置的电路结构示意图。图4示出了本公开的一个实施方式的电池单元/电池装置在控制信号的驱动下输出的电池电压及负载电流曲线。
71.下文结合图1至图4对本公开的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置、电池监测芯片、电池系统及用电设备进行详细说明。
72.参考图1和图2，根据本公开的一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，包括：
73.采样电阻器180；
74.开关装置190，开关装置190与采样电阻器180连接，通过开关装置190的接通能够将采样电阻器180置于电池单元/电池装置200的工作回路中，通过开关装置190的断开能够将采样电阻器180从电池单元/电池装置200的工作回路中断开；
75.控制器120，控制器120至少输出控制信号，以控制开关装置190 的接通；
76.电压采集装置110，电压采集装置至少用于采集电池单元/电池装置200的端电压(vbat)及采样电阻器180的分压；
77.其中，控制器120同步地获取电池单元/电池装置200的端电压 (vbat)及采样电阻器180的分压，以用于获取电池阻抗。
78.根据本公开的一个优选实施方式的电池监测装置100，其中的采样电阻器180优选地具有固定阻值，例如10mω，本领域技术人员也可以采用具有其他电阻值的采用电阻器。
79.本公开的电池监测装置100可以对单一的电池单元进行监测，也可以对具有多个电池单元的电池装置例如电池组进行监测，例如7s电池组、9s电池组，也可以对电池装置或电池组中的某个电池单元进行监测。
80.本公开上文描述的控制器120可以是控制芯片或者控制芯片的一部分，例如处理器芯片。
81.控制器120可以通过软件计算模块或者乘法电路等基于电池单元/ 电池装置200的端电压(vbat)、采样电阻器180的分压、采样电阻的阻值等获取电池阻抗，属于现有技术。
82.在本公开的一些实施方式中，可以通过电池电压v
bat
和i
load
的频域计算fft(快速傅里叶分解)得到电池的交流电阻阻抗zbat。
83.对于本公开的电池监测装置100，优选地，对开关装置190的驱动信号频率进行控制，即对开关频率进行控制，使得本公开的开关装置190能够在预设频率范围内工作，能够实现从低频到高频的开关，从而实现对电池的较大范围的交直流阻抗进行测量。
84.根据本公开的又一个优选实施方式的电池监测装置100，使用 dac器件作为开关
装置190的驱动器，能够实现完全正弦的驱动电流输出，以得到某个频率点的交流阻抗。
85.根据本公开的一个优选实施方式，本公开的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100还包括时钟模块130，时钟模块130向控制器 120提供时钟信号，控制器120基于时钟信号输出控制信号至开关装置190。
86.根据本公开的一个实施方式的电池监测装置100，控制器120基于时钟模块130提供的时钟信号，周期性地输出控制信号，该控制信号可以是电压信号。
87.优选地，基于上述控制信号，电池单元/电池装置200被控制地向采样电阻器180进行交流放电，交流信号能够被上文描述的电压采集装置110采集。
88.对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，开关装置190为mos管器件，mos管器件的源极和漏极连接于电池单元/电池装置200的工作回路中，mos管器件的栅极接收控制器120的控制信号。
89.本公开的电池监测装置100通过在电池工作回路中设置开关装置 190，使得电池单元/电池装置200能够被控制地向采样电阻器180进行交流放电。
90.图4示出了本公开的一个实施方式的电池单元/电池装置200在控制信号的驱动下输出的电池电压vbat及负载电流(基于采样电阻器 180的分压及阻值获得)曲线。
91.根据本公开的一个实施方式，参考图1和图3，本公开的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100的电压采集装置110包括两个以上的电压采集端，基于各个电压采集端分别对电池单元/电池装置200 的端电压(vbat)及采样电阻器180的分压进行采集。
92.根据本实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，通过具有多个电压采集端的电压采集装置110进行电压采集，能够简化电路/芯片的结构。
93.根据本公开的优选实施方式，参考图3，本公开的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100的电压采集装置110包括多路复用器 1102及adc模块1101，各个电压采集端采集的电压经由多路复用器 1102被传输给adc模块1101转换为数字信号并传输给控制器120。
94.图3是本公开的一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100的优选电路结构示意图。需要说明的是，图3中示出的各个电阻的阻值均是示例性地，本领域技术人员在本公开技术方案的启示下，对电路结构进行的调整以及对各个电阻的阻值进行地调整，均落入本公开的保护范围。
95.参考图2，根据本公开的又一个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，电压采集装置至少包括第一电压采集器111 以及第二电压采集器112，第一电压采集器111至少用于采集电池单元/电池装置200的端电压(vbat)，第二电压采集器112至少用于采集采样电阻器180的分压。
96.其中，第一电压采集器111以及第二电压采集器112可以具有相同的电路结构，例如均包括adc模块。
97.参考图3，对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，电池监测装置100还包括温敏电阻器220，温敏电阻器220基于自身阻值的变化获取电池单元/电池装置200的温度。
98.根据本公开的优选实施方式，参考图3，本公开的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100的电压采集装置110还包括温度采集开关1103，基于温度采集开关1103，温敏电阻器220能够被接入电池单元/电池装置200的工作回路中以进行温度测量。
99.图3示出了本公开的一个实施方式的温敏电阻器220和温度采集开关1103的设置方式，电压采集装置110的一个电压采集端用于采集温敏电阻器220的分压。
100.本领域技术人员在本公开的技术方案的启示下，可以对温敏电阻器220与温度采集开关的配置方式进行适当调整，均落入本公开的保护范围。
101.需要说明的是，参考图2，当采用第一电压采集器111和第二电压采集器112(甚至更多个电压采集器)作为本公开的电压采集装置时，可以在第一电压采集器111中(也可以设置在其他电压采集器中) 设置上文描述的温度采集开关。
102.对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置 100，可以基于控制器120输出的控制信号对温度采集开关的闭合与断开进行控制。
103.如图3所示，对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，本公开的电池监测装置100还包括收发器140，收发器140能够接收外部信号以传输给控制器120生成相应的控制信号，以及能够将控制器120生成/获取的信息传输给电池监测装置100之外的器件。
104.如图3所示，对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，本公开的电池监测装置100还包括匹配器230，收发器140经由匹配器230与电池监测装置100之外的器件进行无线通信连接。
105.如图3所示，对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，本公开的电池监测装置100还包括时钟控制信号输入部210，经由时钟控制信号输入部210，电池监测装置 100之外的时钟控制信号能够被输入，并经由控制器120传输给时钟模块130，时钟模块130基于时钟控制信号生成时钟信。
106.如图3所示，对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，本公开的电池监测装置100还包括存储器150，存储器150至少用于存储控制器120生成/获取的信息。
107.如图3所示，对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，本公开的电池监测装置100还包括稳压器160，稳压器160用于将电池单元/电池装置200的输出电压稳定至预设电压(例如3.3v)。
108.如图3所示，对于上述各个实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地，本公开的电池监测装置100还包括电压调节器170，电压调节器170用于对电池单元/电池装置200的输出电压进行补偿，以向电池监测装置100提供工作电压。
109.当电池单元/电池装置200的电压过低例如低于阈值(阈值可以是 1v)时，电压调节器170能够提供能量给电池监测装置100以进行正常工作。
110.其中，本公开上文描述的电池监测装置100的电压调节器170为基于电荷泵的器件。
111.参考图3，本公开的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，优选地包括芯片部分及外围电路部分，外围电路部分至少包括采样电阻器180及开关装置190，芯片部分至少包括控制器120及电压采集装置110。
112.图3中，匹配器230、时钟控制信号输入部210、温敏电阻器220 均设置于上述的外围电路部分之中。时钟模块130、收发器140、存储器150、稳压器160、电压调节器170均设置于上述的芯片部分。
113.根据本公开的优选实施方式的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置100，上文描述的芯片部分为单芯片集成芯片的形式。
114.图3中示出了电池监测装置100的芯片部分，图3中的白色圆圈为该芯片部分的各个管脚。
115.根据本公开的又一个方面，提供一种具有电池阻抗测量功能的电池监测芯片，参考图3，电池监测芯片包括：
116.控制器120，控制器120至少输出控制信号，以控制开关装置190 的接通；
117.电压采集装置110，电压采集装置至少用于采集电池单元/电池装置200的端电压(vbat)及采样电阻器180的分压；
118.其中，控制器120同步地获取电池单元/电池装置200的端电压 (vbat)及采样电阻器180的分压，以用于获取电池阻抗；
119.其中，采样电阻器180以及开关装置190均设置于电池监测芯片的外围电路之中，开关装置190与采样电阻器180连接，通过开关装置190的接通能够将采样电阻器180置于电池单元/电池装置200的工作回路中，通过开关装置190的断开能够将采样电阻器180从电池单元/电池装置200的工作回路中断开。
120.本公开的具有电池阻抗测量功能的电池监测装置及电池监测芯片能够实现对电池单元/电池装置进行全寿命周期的在线监测。
121.如图3所示，根据本公开的一个实施方式的电池系统，包括：电池单元/电池装置200；以及上述任一个实施方式的电池监测装置或者上述实施方式的电池监测芯片，电池监测装置或者电池监测芯片至少用于对电池单元/电池装置200的阻抗进行监测。
122.根据本公开的再一个方面，提供一种用电设备，包括上述实施方式的电池系统。
123.其中，用电设备可以是汽车、手机、计算机等设备。
124.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。
125.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。
126.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。