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CN111596216A - 通过补偿自发热进行精确的电池温度测量 - Google Patents

通过补偿自发热进行精确的电池温度测量 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用实施在电池监控集成电路中的温度传感器来精确地测量电池温度的方法。该方法包括进行校准以判断电池监控集成电路与电池的端子之间的热阻，使用温度传感器测量温度，在使用电流对电池进行充电或放电时测量端子或电池监控集成电路的电源引脚上的电压，通过将电压和电流相乘来计算功率，以及通过将功率和热阻相乘来计算对温度的自发热温度调节。

Description

通过补偿自发热进行精确的电池温度测量
技术领域
本发明涉及电池，尤其是涉及电池温度测量。
背景技术
为包括机动车辆在内的机器提供动力的电池组由多个电池单元组成。测量每个电池单元的电压对于平衡电池单元很重要，平衡电池单元根据每个电池单元的电压提供充电电流的测量值。此外，电池在使用过程中保持在最佳温度。因此，监控电池单元温度很重要。通常，使用负温度系数(NTC)电阻器来测量温度。NTC由半导体材料制成，可随温度变化提供电阻变化。但是，在每个电池单元上安装NTC都需要额外的精力，包括当已经有从电压监控组件到中央监控系统的连接时将各个NTC连接到中央监控系统。
发明内容
提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的说明书中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
在一个实施例中，公开了用于使用实施在电池监控集成电路中的温度传感器来精确地测量电池温度的方法。该方法包括：进行校准以估计电池监控集成电路与电池的端子之间的热阻，使用温度传感器测量温度，在使用电流对电池进行充电或放电时测量该端子上或电池监控集成电路的电源引脚上的电压，通过将电压和电流相乘来计算功率，以及通过将功率和热阻相乘来计算对温度的自发热温度调节。
在另一个实施例中，公开了电池监控集成电路。电池监控集成电路包括用于测量电池端子处的电压的电压传感器，用于测量所述电池监控集成电路内部的温度的温度传感器，和配置为执行方法的处理器。该方法包括：进行校准以估计电池监控集成电路与电池的端子之间的热阻，使用温度传感器测量温度，在使用电流对电池进行充电或放电时测量该端子上或电池监控集成电路的电源引脚上的电压，通过将电压和电流相乘来计算功率，以及通过将功率和热阻相乘来计算对温度的自发热温度调节。
在一些示例中，电压传感器被实施在电池监控集成电路的一侧，并且温度传感器被实施在与电压传感器相反的一侧。
在一个或多个实施例中，校准包括将电池监控集成电路安装在端子上。校准步骤还包括从电池汲取第一电流(I1)并使用温度传感器测量第一温度(T1)，和从电池汲取与第一电流不同的第二电流(I2)并使用温度传感器测量第二温度(T2)。校准还包括在端子处测量电池电压(Vbat)并计算电池监控集成电路与端子之间的热阻。
热阻存储在存储器中，存储器可以位于电池监控集成电路中或位于耦合到电池监控集成电路的电池组控制器中。然后，所存储的热阻用于计算温度偏移，以说明电池监控集成电路由于其自身的组件而导致的自身发热。
附图说明
为了可以详细地理解本发明的上述特征的方式，可以通过参考实施例来对本发明进行更详细的描述，上面对本发明进行了简要概述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应注意，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明范围的限制，因为本发明可以允许其他等效实施例。结合附图阅读本说明书后，所要求保护的主题的优点对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件，并且：
图1示出了安装在电池端子上的温度和电压监控芯片的框图；
图2示出了用于校准电池单元的温度和电压监控芯片的方法的框图；和
图3示出了根据热阻来调节温度测量值的方法的框图。
注意，附图未按比例绘制。图过渡之间的中间步骤已被省略，以免混淆本公开。这些中间步骤是本领域技术人员已知的。
具体实施方式
在描述中已经省略或没有详细描述许多公知的制造步骤，部件和连接器，以免混淆本公开。
本文描述的实施例包括用于测量电池组中的电池单元的电压和温度的集成电路(IC)。连接到不同电池的IC可以通过通信链接相互通信，也可以与电池组控制器通信。IC包括通信模块以实现与电池组控制器的通信。IC还可以包括控制器，该控制器可以被编程为以预设间隔收集温度和电压数据并且还执行从电池组控制器接收到的命令。
IC中的所有电路消耗(恒定)电流，因此内部功耗将导致内部温度高于电池温度，因此无法进行准确的测量。热耦合/热阻的质量事先未知，对于每个电池单元可能有所不同。
本文描述的实施例是有利的，因为不需要单独的热敏电阻或NTC以及相关联的布线来测量电池温度。温度是由安装在同一IC内部的温度传感器测量的，该温度传感器用于电压测量以及与电池组控制器的通信。然而，由于IC的内部部件消耗电流并因此散发热量，所以温度传感器检测到的温度包括由于IC的自发热引起的温度升高。为了补偿由IC自发热产生的温度，在校准过程中，将计算并存储IC与电池触点之间的热阻。然后，IC或电池组控制器使用热阻来减去由IC自发热引起的温度上升，从而得出电池端子的准确温度。可能需要对准确的温度进行测量，以高效地和最佳地对电池进行充电。
图1示出了通过金属引线框架106安装在电池连接108上的IC 100的框图。IC 100包括电压传感器102。电压传感器102可以包括产生耦合到电压端子的电阻上的电压降的数字输出的模数转换器。IC 100还包括片上数字温度传感器(DTS)104。DTS提供表示IC管芯垫的环境温度的数字输出。至少大致在可接受的误差范围内，DTS所检测的温度也可以是电池端子108处的温度。电压传感器和DTS在本领域中是众所周知的，因此省略详细的结构描述。
然而，当电压传感器102工作时，电压传感器102所包括的组件和IC 100的其他组件可能会散发一些热量，并会导致管芯垫的温度升高。需要至少在每个电池单元的校准时间计算该温度升高的值。在一些示例中，即使当IC 100以紧密热接触的方式安装到电池端子108时，仍可能存在高达10开尔文每瓦的热阻。如线112所示，每个电池单元在电压传感器102到电池端子108的路径上可能具有不同的热阻。需要为每个安装的IC计算该热阻(R2)。热阻R2是在单位时间内单位热量流过IC 100与电池端子108的耦合时，IC 100和其与电池端子108的耦合的温度差。它是热导的倒数。
在已知R2的情况下，可以调节DTS 104的输出以补偿与R2和由电压传感器102提供的电压测量结果成比例的自发热。用于安装在电池端子上的每个IC 100的R2的值可以被存储在电池组控制器中，从而电池组控制器可以根据R2和电压测量结果来调整从DTS 104接收的温度测量结果。
电池充电系统包括可编程电流源，其可以被控制以提供电池单元平衡，其中可以基于由电压传感器102提供的电压测量结果来使用特定量的电流(例如，用于对电池单元充电)。在R2的初始计算中，温度T1是在施加到电压传感器102以激活电压传感器102的电流I1处由DTS 104测量的。另一温度T2是当电流I2施加到电压传感器102时由DTS 104测量的。然后可以使用公式R2＝(T2-T1)/(I2-I1)*Vbat来估计热敏电阻R2，其中Vbat是IC 100的电源电压。
电压传感器102包括数模转换器(DAC)。在一个示例中，IC的内部组件消耗大约10-30毫安的电流。但是，DAC可能消耗150-300毫安。因此，DAC对IC 100的自发热有更显著影响。在校准步骤中，在一些示例中，当IC 100不用于电压测量以及处于加载DAC的电流时，使用可编程电流源在正常电流下使用DTS 104来测量温度。在进行T2电流测量之前，该过程会等待预先选择的时间以使温度稳定。在一些示例中，电压传感器102被实施在管芯垫(即，在其上制造IC 100的各组件的硅)的一端，并且DTS 104被制造在与电压传感器102相反的一侧。
自加热通常可以将DTS 104测量的温度提高2-4开尔文。但是，许多电池应用所需的温度精度约为1开尔文。本文所述的实施例至少将符合大多数典型应用的精度要求。
为了推导正常操作条件期间由于IC 100的自发热引起的温度上升，通过将电压传感器102的输出乘以由电池提供的电流来计算功率(P)。通过电流测量可以知道该电流(或者，可以将IC 100的电源电流设计为固定值)。最后，可以使用公式ΔT＝P x R2推导由于自发热引起的温度升高。然后从DTS 104检测到的温度中减去该值，以得出电池端子108的温度。
图2示出了用于校准IC 100以确定IC 100和电池终端108之间的热阻的方法200。因此，在步骤202中，IC 102被安装在电池端子108上。在步骤204中，IC 100通过传输电流I1激活并且温度(T1)通过DTS 104进行测量。在步骤206中，使用不同于电流I1的电流I2，并且温度(T2)是仍通过DTS 104进行测量。在步骤208中，使用电压传感器102测量电池电压(Vbat)。在步骤210中，使用公式R2＝(T2-T1)/(I2-I1)*Vbat(即IC 100电源电压)来估计热阻R2。在步骤212中，R2被存储在IC 100中或耦合到IC 100的电池组控制器中。
图3是用于考虑到IC 100所存储的热阻R2而调整DTS 104测得的温度的方法300。因此，在步骤302中，使用DTS 104测量温度。该测量可在接收到来自耦合到IC 100的电池组控制器请求时实行。在另一个示例中，IC 100可以被编程为以预选的间隔来测量温度并将测量结果传输到电池组控制器。在步骤304中，使用电压传感器102测量电池端子108处的电压。用于给电池充电的电流或从电池汲取的电流是已知的，因为它可以使用电流传感器测量。在步骤306中，通过将电池电压和电流相乘来计算功率。在步骤308中，将计算出的功率乘以热阻R2，以得出对步骤302中的温度测量的自发热贡献(contribution)，并且在步骤310中，从在步骤302中测量的温度中减去自发热贡献的温度。可以注意到，在一些示例中，可以在电池组控制器处而不是在IC 100上执行上述计算。在一些实施例中，IC 100可以可选地包括处理器114，以执行如上所述的校准和温度调节计算。在其他示例中，电池组控制器可以包括处理器，以执行本文所述的一些或全部计算。
尽管已经通过示例的方式并且根据具体实施方式描述了一种或多种实施方式，但是应当理解，一种或多种实施方式并不限于所公开的实施方式。相反，本发明旨在涵盖对本领域技术人员显而易见的各种修改和类似布置。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改和类似布置。
在描述主题的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)术语“一个”和“一种”和类似指代的使用应解释为涵盖单数和复数形式复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非在本文中另外说明，本文中的值的范围的表述仅旨在用作单独引用落在该范围内的每一单独值的速记方法，以及每一单独的值被并入到本说明书中如同它是在本文中单独表述的。此外，前面的描述是为了说明，而不是为了限制，所寻求的保护范围由权利要求及权利要求的有权等同物所限定。除非另外要求，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明主题，并且不对主题的范围构成限制。在权利要求书和书面描述中，术语“基于”和其他类似的短语表示产生结果的条件的使用，并不旨在排除产生该结果的任何其他条件。说明书中的任何语言都不应解释为指示对于实施所要求保护的发明是必不可少的任何未要求保护的要素。
本文描述了优选实施例，包括发明人已知的用于执行所要求保护的主题的最佳方式。当然，这些优选实施例的变化对于本领域普通技术人员而言，在阅读了前述说明之后将变得显而易见。发明人期望熟练的技术人员适当地采用这样的变化，并且发明人希望以不同于本文具体描述的方式实践要求保护的主题。因此，如适用法律所允许，此要求保护的主题包括所附权利要求中记载的主题的所有修改和等同物。而且，除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则包括上述元素在其所有可能的变化中的任何组合。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种使用实施在电池监控集成电路中的温度传感器精确测量电池温度的方法，所述方法包括：
进行校准以估计所述电池监控集成电路与电池的端子之间的热阻；
使用所述温度传感器测量温度；
在使用电流对所述电池进行充电或放电时，测量所述端子上或所述电池监控集成电路的电源引脚上的电压；
通过将所述电压和所述电流相乘来计算功率；
通过将所述功率和所述热阻相乘来计算对所述温度的自发热温度调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述校准包括将所述电池监控集成电路安装在所述端子上。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，执行所述校准的步骤还包括从所述电池汲取第一电流I1，并使用所述温度传感器测量第一温度T1。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，执行校准的步骤还包括从所述电池汲取与所述第一电流不同的第二电流I2，并使用所述温度传感器测量第二温度T2。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，执行所述校准还包括在所述端子处测量电池电压Vbat。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，执行所述校准还包括计算所述电池监控集成电路与所述端子之间的热阻。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，使用公式R2＝(T2-T1)/(I2-I1)*Vbat来计算所述热阻。
8.如权利要求6所述的方法，还包括存储所述热阻。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述热阻存储在与所述电池监控集成电路耦合的电池组控制器中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述热阻存储在所述电池监控集成电路中。
11.一种电池监控集成电路，包括：
电压传感器，用于测量电池端子处的电压；
温度传感器，用于测量所述电池监控集成电路内部的温度；和
处理器，配置为执行根据权利要求1所述的方法。
12.根据权利要求11所述的电池监控集成电路，其中，所述电压传感器被实施在所述电池监控集成电路的一侧，并且所述温度传感器被实施在与所述电压传感器相反的一侧。
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