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TWI627812B - 電壓補償主動電池平衡的裝置、系統及方法 - Google Patents

電壓補償主動電池平衡的裝置、系統及方法 Download PDF

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TWI627812B
TWI627812B TW103112559A TW103112559A TWI627812B TW I627812 B TWI627812 B TW I627812B TW 103112559 A TW103112559 A TW 103112559A TW 103112559 A TW103112559 A TW 103112559A TW I627812 B TWI627812 B TW I627812B
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battery
voltage
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batteries
stack
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TW201509061A (zh
Inventor
金大衞達尤
米里肯羅柏特瓊
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美商線性科技股份有限公司
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Abstract

本文提供一種監測裝置，該監測裝置包括：輸入端子，經配置以自電池系統管理(BSM)接收輸入訊號；輸出端子，經配置以輸出電池參數，該等電池參數用於基於自BSM接收的輸入訊號決定與連接至監測電路之電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓；處理器；及記憶體，儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器：量測與電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的電池電壓；量測與所量測之平衡電流關聯的電壓降；藉由基於所量測之電壓降調整所量測之電池電壓計算開路電池電壓；及基於所計算之開路電池電壓平衡電池堆疊，其中同時執行平衡及計算開路電池電壓之步驟。

Description

電壓補償主動電池平衡的裝置、系統及方法 【相關申請案】
本申請案主張2013年4月5日提交申請之標題為「Float Voltage Compensated Active Cell Balancer Maximizes Battery Capacity Recovery and Improves Safety in Battery Stack Module Design」之美國臨時申請案第61/809,192號之權益，該美國臨時申請案之揭示內容將以引用之方式併入本文。
本發明係關於電壓補償主動電池平衡。
大多數電池堆疊監測器(battery stack monitors；BSM)直接連接至電池堆疊及僅可量測個別電池組電池電壓。經由MOSFET及電阻器的被動平衡通常係用於平衡電池電壓及/或電池所儲存之電荷。在藉由BSM量測電池組電池電壓期間可能必須關斷電池平衡；否則，可能會引入明顯的讀數誤差。此可歸因於電纜阻抗、互連阻抗、電池阻抗及內部電池組ESR中的IR(電流強度與電阻之乘積)下降。由於該等IR下降，可減少電池平衡工作循環或在一些情況中平衡可為不可能的。尚不存在用於補償電池等效串聯電阻(equivalent series resistance；ESR)、電纜線及連接器中的IR下降以便計算主動或被動平衡期間的精確電池浮動電壓之已知替代方法。工業中存在藉由在整個電池堆疊被充電及放電期間補償電池ESR以計算浮動電壓的方法，但該等方法不適用於電池組電池量測期間的平衡。
因此，需要在平衡期間賦能BSM的電池組電池電壓量測及克服平衡期間的量測誤差(例如，對電池浮動電壓的誤差補償)，此舉允許在電池之充電及放電期間安全操作平衡電路，增加平衡工作循環及最佳化平衡電路之大小及成本。
在一一般態樣中，本申請案描述一種監測裝置，該監測裝置經配置以監測電池堆疊平衡期間的開路電池電壓。監測裝置包括：輸入端子，經配置以自電池系統管理(battery system management；BSM)接收輸入訊號；輸出端子，經配置以輸出電池參數，該等電池參數用於基於自BSM接收的輸入訊號決定與連接至監測裝置之電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓；處理器；及記憶體，儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器：量測與電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的電池電壓；量測與所量測之平衡電流關聯的電壓降；藉由基於所量測之電壓降調整所量測之電池電壓計算開路電池電壓；及基於所計算之開路電池電壓平衡電池堆疊，其中同時執行平衡及計算開路電池電壓。
上述一般態樣可包括以下特徵中之一或更多者。監測裝置可位於BSM與電池堆疊之間及進一步可包括：整合功 率開關；及類比多工器，經配置以基於輸入端子上所接收之輸入訊號在輸出端子上提供可量測的參數，該量測參數包括賦能平衡情況下電池堆疊內的複數個電池中之一者的電池電壓、停用平衡情況下的電池電壓、與平衡電流成比例的電壓、與監測裝置之內部晶粒溫度成比例的電壓及/或交握電壓。交握電壓可決定BSM的量測讀數之精確度。
監測裝置可進一步包括用於量測平衡電流的電流感測放大器，其中記憶體進一步儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器主動監測監測裝置之平衡電流及用於基於所監測之平衡電流計算電壓降以避免在平衡期間對複數個電池中之一者充電過量或充電不足。監測裝置可包括單片式返馳直流/直流轉換器。記憶體可進一步儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器：在輸入端子上所接收的輸入訊號之第一負緣上啟動監測裝置；起動界定時間之窗口的時間窗口，在該時間窗口內監測裝置為主動的；計數在時間窗口期間輸入端子上之負脈衝數目；對應於輸入端子上之負脈衝之最後已知計數在輸出端子上輸出交握電壓；及一旦時間窗口已到期，基於所計數之負脈衝數目輸出與電池參數成比例的電壓。
可經由單線電池連接將監測裝置連接至電池堆疊，其中監測裝置至電池堆疊之接地連接與另一監測裝置至電池堆疊之Vcell連接共享一共用路徑。記憶體可進一步儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器基於以下公式計算開路電池電壓： V n,A =V n,B +I n ˙(R n-1,A +R n,B )-I n-1˙R n-1,B -I n+1˙R n,A +(I n -I MOD )˙R n,CELL 其中：Vn,A為與複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓，Vn,B為針對複數個電池中之一者藉由監測裝置所量測之電池電壓，Rn-1,A及Rn-1,B為與連接監測裝置之接地端子與電池之負端子的線關聯的電阻，Rn,A及Rn,B為與連接監測電路之Vcell接腳與電池之正端子的線關聯的電阻，Rn,CELL為導致所有阻抗與複數個電池中之一者下方的電池及上方的電池不具有共享路徑的電阻，In為與複數個電池中之一者關聯的平衡電流，In-1為與複數個電池中之一者下方的電池關聯的平衡電流，In+1為與複數個電池中之一者上方的電池關聯的平衡電流，及IMOD為同時流動穿過複數個電池的電流。
可經由雙線電池連接將監測裝置連接至電池堆疊，其中監測裝置至電池堆疊之接地連接與第二監測裝置至電池堆疊之Vcell連接不共享一共用路徑，第二監測電路與監測電路相鄰且位於監測電路下方。記憶體可進一步儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器基於以下公式計算與監測電路關聯的阻抗：，其中：Vn,MODE0對應於停用監測裝置情況下複數個電池中之一者之電池電壓，Vn,MODE1對應於賦能監測裝置情況下複數個電池中之一者之電池電壓，In為與複數個電池中之一者關聯的平衡電流，IMOD為同時流動穿過複數個電池的電流，及Rn,CELL為複數個電池中之一者的直流電阻(Direct Current Resistance；DCR)及連接電阻。
記憶體可進一步儲存可執行指令，該等可執行指令 用於引發處理器在雙線電池連接情況下基於以下公式計算開路電池電壓： V n,A =V n,B +I n ˙R n +(I n -I MOD )˙R n,CELL -I n-1 ˙R n-1 ，其中：Vn,A為與複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓，Vn,B為針對複數個電池中之一者藉由監測裝置所量測之電池電壓，Rn為與連接至複數個電池中之一者的監測裝置之VCELL接腳關聯的阻抗，Rn-1為與連接至複數個電池中之一者下方之電池的監測裝置關聯的阻抗，Rn,CELL為複數個電池中之一者之DCR及連接電阻，In為與複數個電池中之一者關聯的平衡電流，In-1為與複數個電池中之一者下方的電池關聯的平衡電流，及IMOD為同時流動穿過複數個電池的電流。
記憶體可進一步儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器量測與複數個電池中之一者關聯的電壓下垂(voltage droop)及基於電壓下垂及電壓降(voltage drop)計算開路電池電壓。在計算與複數個電池中之一者關聯的監測裝置之閾值量時間達到後的開路電池電壓時，可將電壓下垂加入電壓降中。
在另一一般態樣中，本申請案描述一種系統，該系統包含：複數個模組，各個模組包括：電池堆疊；上文所描述之監測電路，用於平衡電池堆疊之複數個電池中之一者；及模組系統管理，用於量測開路電壓，其中同時執行量測開路電池電壓及平衡電池；模組至堆疊平衡器，經耦接至複數個模組且包括複數個平衡器，各個平衡器與複數個模組中之一者關聯，模組至堆疊平衡器經配置以平衡模組間之電壓或所儲存的電荷。
在另一一般態樣中，本申請案描述一種IR補償主動電池平衡方法，該方法包含以下步驟：在監測裝置之輸入端子處且自電池系統管理(BSM)接收輸入訊號；回應於輸入訊號，啟動監測裝置，該監測裝置用於平衡耦接至監測裝置的電池堆疊內之複數個電池中之一者；量測與複數個電池中之一者關聯的電池電壓；量測與所量測之平衡電流關聯的電壓降；藉由基於所量測之電壓降調整所量測之電池電壓，經由處理器計算與複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓；及基於處理器所計算之開路電池電壓平衡電池堆疊，其中同時執行平衡及計算開路電池電壓。
上述一般態樣可包括以下特徵中之一或更多者。該方法可進一步包括：基於輸入端子上所接收之輸入訊號在輸出端子上提供可量測的參數，其中該量測參數包括賦能平衡情況下電池堆疊內的複數個電池中之一者的電池電壓、停用平衡情況下的電池電壓、與平衡電流成比例的電壓、與監測裝置之內部晶粒溫度成比例的電壓，及/或交握電壓。該方法可進一步包括：主動監測監測裝置之平衡電流；及基於所監測之平衡電流計算電壓降以避免在平衡期間對複數個電池中之一者充電過量或充電不足。
監測裝置可包括單片式返馳直流/直流轉換器。啟動監測裝置可包括在輸入端子上所接收的輸入訊號之第一負緣上啟動監測裝置，該方法進一步包含以下步驟：起動界定時間之窗口的時間窗口，在該時間窗口內監測裝置為主動的；計數在時間窗口期間輸入端子上之負脈衝數目；及對應於輸 入端子上之負脈衝之最後已知計數在輸出端子上輸出交握電壓；及一旦時間窗口已到期，基於所計數之負脈衝數目輸出與電池參數成比例的電壓。計算開路電池電壓可包括基於以下公式計算開路電壓： V n,A =V n,B +I n ˙(R n-1,A +R n,B )-I n-1 ˙R n-1,B -I n+1 ˙R n,A +(I n -I MOD )˙R n,CELL 其中：Vn,A為與複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓，Vn,B為針對複數個電池中之一者藉由監測裝置所量測之電池電壓，Rn-1,A及Rn-1,B為與連接監測裝置之接地端子與電池之負端子的線關聯的電阻，Rn,A及Rn,B為與連接監測電路之Vcell接腳與電池之正端子的線關聯的電阻，Rn,CELL為導致所有阻抗與複數個電池中之一者下方的電池及上方的電池不具有共享路徑的電阻，In為與複數個電池中之一者關聯的平衡電流，In-1為與複數個電池中之一者下方的電池關聯的平衡電流，In+1為與複數個電池中之一者上方的電池關聯的平衡電流，及IMOD為同時流動穿過模組中之複數個電池的電流，該模組包括監測裝置及BSM。
該方法可進一步包括計算與監測電路關聯的阻抗，該阻抗用於基於以下公式計算開路電池電壓：，其中：Vn,MODE0對應於停用監測裝置情況下複數個電池中之一者之電池電壓，Vn,MODE1對應於賦能監測裝置情況下複數個電池中之一者之電池電壓，In為與複數個電池中之一者關聯的平衡電流，IMOD為同時流動穿過複數個電池的電流，及Rn,CELL為複數個電池中之一者的直流電阻及連接電阻。
計算開路電池電壓可包括基於以下公式計算開路電壓： V n,A =V n,B +I n ˙R n +(I n -I MOD )˙R n,CELL -I n-1 ˙R n-1 ，其中：Vn,A為與複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓，Vn,B為針對複數個電池中之一者藉由監測裝置所量測之電池電壓，Rn為與連接至複數個電池中之一者的監測裝置之Vcell接腳關聯的阻抗，Rn-1為與連接至複數個電池中之一者下方之電池的監測裝置關聯的阻抗電阻，Rn,CELL為複數個電池中之一者之DCR及連接電阻，In為與複數個電池中之一者關聯的平衡電流，In-1為與複數個電池中之一者下方的電池關聯的平衡電流，及IMOD為同時流動穿過模組中之複數個電池的電流，該模組包括監測裝置及BSM。
在另一一般態樣中，本申請案描述一種監測裝置，該監測裝置包含：輸入端子，經配置以自電池系統管理(BSM)接收輸入訊號；輸出端子，經配置以輸出電池參數，該等電池參數用於基於自BSM接收的輸入訊號決定與連接至監測電路之電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的開路電池電壓；處理器；及記憶體，儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器：量測與電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的電池電壓；量測與所量測之平衡電流關聯的電壓降；藉由基於所量測之電壓降調整所量測之電池電壓計算開路電池電壓；計算與複數個電池中之一者關聯的容量；基於所計算之容量計算複數個電池中之一者之儲存的電荷；基於所計算之儲存電荷平衡電池堆疊，其中同時執行平衡及計算開路電池電壓。
記憶體可進一步儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器基於以下公式計算容量：，Capacity容量，其中：△Qn表示在時間段內複數個電池中之一者中的所儲存電荷的變化量，△%SOCn表示在時間段內複數個電池中之一者之電荷狀態(State of Charge；SOC)的百分比變化，及容量n表示複數個電池中之一者的容量。
為了計算開路電池電壓，記憶體可進一步儲存可執行指令以計算第一開路電池電壓及第二開路電池電壓及以計算SOC的百分比變化，記憶體進一步儲存可執行指令以使用檢查表，該檢查表經配置以使第一開路電池電壓與第一百分比SOC相關及第二開路電池電壓與第二百分比SOC相關，以使得第一百分比SOC與第二百分比SOC之間的差異對應於SOC的百分比變化。記憶體可進一步儲存可執行指令，該等可執行指令用於引發處理器基於以下公式計算容量：Qn=%SOCn●容量n，其中：%SOCn表示複數個電池中之一者的百分比SOC，及容量n表示複數個電池中之一者的容量。
可使用系統、方法或電腦程式，或系統、方法及電腦程式之任何組合實施該等一般態樣及特定態樣。
在以下附圖及描述中闡述一或更多個實施例之細節。其他特徵將自描述及圖式及自申請專利範圍而顯而易見。
100‧‧‧電池管理系統/BMS
110‧‧‧監測積體電路
112‧‧‧輸出接腳
114‧‧‧輸入接腳
120‧‧‧電池堆疊模組
130‧‧‧BSM晶片
132‧‧‧C接腳
134‧‧‧S接腳
136‧‧‧類比輸入通道
140‧‧‧模組電流感應放大器
142‧‧‧感測電阻器
210‧‧‧監測積體電路
212‧‧‧輸出接腳
214‧‧‧輸入接腳
216‧‧‧電阻器定時器
218‧‧‧計數器
220‧‧‧電池堆疊
230‧‧‧BSM
232‧‧‧C埠/C接腳
234‧‧‧S埠/S接腳
236‧‧‧類比/數位轉換器
240‧‧‧類比多工器
242‧‧‧控制器
246‧‧‧接地
270‧‧‧開關接腳
280‧‧‧變壓器
282‧‧‧一次繞組
284‧‧‧二次繞組
285‧‧‧串聯二極體
410‧‧‧監測積體電路
430‧‧‧BSM
510‧‧‧監測積體電路
600A‧‧‧單線電池連接
600B‧‧‧雙線電池連接
610‧‧‧監測積體電路
620‧‧‧電池堆疊
630‧‧‧BSM
710‧‧‧監測積體電路
720‧‧‧電池堆疊
722‧‧‧電池
724‧‧‧電池組電池
726‧‧‧電池
728‧‧‧電池
730‧‧‧IRTN
742‧‧‧ISTK
810‧‧‧監測積體電路
820‧‧‧電池堆疊
830‧‧‧BSM
900‧‧‧電路
910‧‧‧監測積體電路
920‧‧‧電池堆疊
930‧‧‧BSM
940‧‧‧單觸發電路
950‧‧‧單觸發電路
1000A‧‧‧單線配置電路
1000B‧‧‧單線配置電路
1010‧‧‧監測積體電路
1020‧‧‧電池堆疊
1030‧‧‧BSM
1040‧‧‧開路連接
1050‧‧‧電容器
1100A‧‧‧電路
1100B‧‧‧電路
1110‧‧‧監測積體電路
1120‧‧‧電池堆疊
1130‧‧‧BSM
1140‧‧‧外部TVS二極體
1150‧‧‧內部基板二極體
1160‧‧‧開路電池
1200‧‧‧熱插拔保護電路
1210‧‧‧監測積體電路
1220‧‧‧電池組電池
1230‧‧‧電阻器
1232‧‧‧機械開關/機械短路
1240‧‧‧電容器
1300A‧‧‧熱插拔保護電路
1300B‧‧‧熱插拔保護電路
1310‧‧‧監測積體電路
1320‧‧‧電池堆疊
1330‧‧‧電阻器
1332‧‧‧MOSFET M1
1334‧‧‧電容器
1336‧‧‧電阻器
1338‧‧‧二極體
1340‧‧‧電容器
1350‧‧‧電容器
1360‧‧‧二極體
1370‧‧‧二極體
1400‧‧‧電路
1410‧‧‧監測積體電路
1420‧‧‧電池堆疊
1430‧‧‧變壓器
1432‧‧‧一次繞組
1434‧‧‧二次繞組
1442‧‧‧第一開關
1444‧‧‧第二開關
1610‧‧‧校正因數
1830‧‧‧模組至堆疊平衡器/BSM晶片/BSM IC
附圖描述根據本發明教示的一或更多個實施例，僅舉例而言，而非限制。在諸圖中，相同元件符號指示相同或 相似元件。
第1圖圖示示例性電池管理系統(BMS)；第2圖圖示第1圖所示之示例性監測積體電路之示例性配置；第3A圖至第3C圖圖示可用於程式化第1圖所示之監測積體電路的示例性基本通訊架構；第4圖圖示用於自第1圖所示之高亮監測積體電路擷取給定參數VPAR的示例性方法；第5A圖圖示用於決定第1圖所示之監測積體電路之交握電壓的示例性過程，每個模組中每隔三個通道量測一次；第5B圖圖示用於決定第1圖所示之監測積體電路之交握電壓的示例性過程，每個模組中每隔兩個通道量測一次；第6A圖圖示第1圖所示之監測積體電路與電池堆疊之間的單線電池連接；第6B圖圖示監測積體電路與電池堆疊之間的雙線電池連接；第7A圖至第7C圖圖示計算具有第1圖所示之單線配置的監測積體電路之通道阻抗之圖形表示；第7D圖圖示具有一個以上模組的整個堆疊之宏觀視圖；第8圖圖示計算具有雙線配置的監測積體電路之通道阻抗之圖形表示；第9圖圖示用於量測電池堆疊之ESR的示例性電 路；第10A圖及第10B圖分別圖示接通單線配置電路中的開路連接上方的電池及單線配置電路中的開路連接下方的電池之結果；第11A圖及第11B圖分別圖示對電池堆疊施加負載或充電以便偵測開路或遺漏電池；第11C圖圖示用於共模校正之多ADC架構之優勢；第12圖圖示示例性熱插拔保護電路，該熱插拔保護電路提供用於保護避免將電池堆疊熱插拔至電池管理系統(BMS)板中的機械解決方案；第13A圖及第13B圖圖示兩個示例性熱插拔保護電路，各個熱插拔保護電路提供用於保護避免將電池堆疊熱插拔至BMS板中的主動解決方案；第14圖圖示示例性電路，其中在監測電路之外部放置將監測電路連接至變壓器的開關；第15A圖圖示由第14圖所示之監測積體電路賦能的能量之雙向轉移；第15B圖圖示由第1圖所示之監測積體電路賦能的能量之單向轉移；第15C圖圖示直流/直流轉換器開關位於電池堆疊側上及二極體驅動個別電池的單向充電器；第16A圖及第16B圖圖示電池端子上的平衡效應；第17圖圖示導致電壓下垂的導數途徑；第18圖圖示模組至堆疊平衡器之使用，其中返馳轉 換器配置為單向放電器；然而，可將該轉換器配置為單向充電器或雙向轉換器；第19A圖圖示複數個並聯從動平衡器；第19B圖圖示複數個並聯主控平衡器；第20圖圖示使電荷狀態(SOC)與開路電池電壓以及負載端子電壓及電池堆疊監測器(BSM)量測電壓相關的之特定曲線；第21圖圖示具有不同滿電荷容量的三個電池之電荷斜率；以及第22圖圖示與本申請案之監測積體電路關聯的韌體之功能方塊圖。
在以下詳細描述中，將以舉例之方式闡述眾多特定細節以便提供相關教示之透徹理解。然而，應顯而易見的是，可在沒有此類細節的情況下實施本發明教示。在其他情形中，已在相對較高水平而無細節的情況下描述熟知方法、過程、組件及/或電路系統，以免不必要地模糊本發明教示之態樣。
可配置本申請案之監測積體電路以精確監測電池堆疊平衡、負載及充電期間的開路電池電壓。監測積體電路可為單片式返馳直流/直流轉換器，該轉換器經設計以主動平衡電池組之高電壓堆疊。在一實施例中，直流/直流轉換器可具有任何配置，包括(但不限於)返馳轉換器。開關調節器之高效率可在減少熱量產生的同時顯著增加可實現的平衡電 流。主動平衡可允許不匹配電池組之堆疊中的容量恢復，此容量恢復為使用被動平衡系統無法獲得之特性。在一典型系統中，可恢復99%以上的總電池組容量。可將自個別電池移除的電荷回送至堆疊之頂部，至電池之任何組合，或至外部軌道。
監測積體電路可包括整合6A、50V功率開關，降低了應用電路之設計複雜性。監測積體電路可完全利用正在放電的電池執行，不需要採用外部功率開關通常所需之複雜偏壓方案。監測積體電路包括類比多工器(MUX)及可被放置於電池堆疊與BSM之間。可設計監測積體電路之賦能接腳(DIN)與BSM無縫工作。監測積體電路可向BSM之輸入提供若干可量測參數。可量測參數可包括停用平衡情況下的電池電壓、賦能平衡情況下的電池電壓、與平衡電流成比例的電壓、與平衡器內部晶粒溫度成比例的電壓及/或若干參考電壓。監測積體電路可允許量測及/或計算平衡期間的電池電壓、平衡/放電電流、冗餘參考、內部故障模式、電池阻抗、電纜阻抗、互連阻抗及/或開路電池電壓。
現詳細參考附圖中所圖示之實例及論述如下。
第1圖圖示示例性電池管理系統(BMS)100。BMS 100包括監測積體電路110、BSM晶片130及模組電流感應放大器140。監測積體電路110與電池堆疊模組120及BSM晶片130通訊。可將BSM晶片130視為精確伏特計及該BSM晶片經配置以將電池堆疊模組120中的電池組電池之所量測類比電壓及模組電流感測放大器140之類比輸出轉換成可由 CPU或微處理器讀取的數位資料。在一特定實例中，監測積體電路110包括LT8584。然而，BSM晶片130與監測積體電路110之間的通訊不受限於LT8584所使用的方案及可使用監測積體電路110與BSM晶片130之間的其他類型通訊。
在一特定實例中，BSM晶片130包括LTC680x系列之電壓監測IC，該等電壓監測IC具有用於量測電池堆疊模組120中的12個電池組電池之12個通道及若干通用輸入/輸出(「General Purpose Input/Output；GPIO」)通道，可將該等通用輸入/輸出通道配置為類比輸入或數位輸入或輸出。BSM晶片130之12個通道中之各者包括兩個接腳。兩個接腳包括C接腳132及S接腳134。C接腳132專用於自監測積體電路110讀取電池組電池量測參數。S接腳134專用於賦能監測積體電路110及與監測積體電路110通訊。監測積體電路110可為主動或被動平衡電路。實施MOSFET及電阻器的被動平衡電路通常係用於藉由自具有比指定閾值更高電壓的電池滲出能量來平衡電壓。為此目的，被動平衡可驅散大量熱量及可能不能夠利用能量恢復。又，被動平衡電路內的電阻器可變熱，從而僅允許本可放電的有限量之電流。此外，被動平衡電路可急劇減少可自電池堆疊模組120中的電池組電池移除的電荷量。
在另一實施例中，監測積體電路110可為主動平衡電路，而不是被動平衡電路。在電池堆疊模組120與BSM晶片130之間插入監測積體電路110，及監測積體電路包括輸出接腳112及輸入接腳114。將輸入接腳114連接至BSM晶片 130之S接腳134及配置該輸入接腳以自S接腳134接收賦能訊號。將輸出接腳112連接至C接腳132及配置該輸出接腳以經由C接腳132將各種量測提供給BSM晶片130。各種量測包括監測積體電路110為「接通」情況下的電壓或離開電池組電池的放電電流或監測積體電路110為「關斷」情況下的電壓。監測積體電路110為「接通」或「關斷」情況下的電壓量測以及電池放電期間的電流量測使得處理器能夠決定監測積體電路110與電池組電池之間的連接之阻抗。
配置監測積體電路110監測電池堆疊平衡、負載及充電期間的開路電池電壓。目前，沒有已知機制可在主動監測開路電池電壓的同時執行平衡。此歸因於電壓量測中所引入的明顯誤差，該等誤差是由於與監測積體電路110與電池堆疊模組120之間的連接關聯的IR下降。監測積體電路110可量測IR下降且因此可藉由補償IR下降精確量測電池電壓。監測積體電路110可能能夠主動監測平衡電流及藉由計算IR下降可能能夠避免對電池堆疊模組120中的電池組電池充電過量或充電不足。類似地，監測積體電路110可能能夠避免自電池堆疊模組120中的電池組電池移除大於或小於指定閾值。可將自個別電池移除的電荷回送至堆疊之頂部，至電池之任何組合，或至外部軌道。
為了說明一特定實例，假定存在弱電池，該弱電池的使用時間比電池堆疊模組120中的其他電池更長。在充電過程期間，弱電池將可能在其他電池前被充電及有時充電過量，因為該弱電池由於腐蝕而具有較少容量來儲存電荷。當 弱電池充電超過某一閾值時，在沒有監測積體電路110的情況下，可中斷充電操作以避免對弱電池充電過量及損壞電池堆疊模組120。結果是，可在可接受的閾值內對弱電池充電，但可對電池堆疊模組120中的剩餘電池充電不足。針對弱電池的監測積體電路110將能量自弱電池再分配至整個電池堆疊模組110，而不是中斷充電操作。監測積體電路110可繼續此過程，直至在可接受的閾值內對所有電池充電。類似地，當電池組正在被放電時，弱電池可比電池堆疊模組110中的其他電池放電更迅速。在此情境中，監測積體電路110將電荷自電池堆疊模組120中的其他電池再分配至所有電池，直至在可接受的閾值內使所有電池放電，允許使用堆疊中的所有電荷。
在一特定實例中，監測積體電路110為單片式返馳直流/直流轉換器，該轉換器經設計以主動平衡電池組之高電壓堆疊。開關調節器之高效率在減少熱量產生的同時顯著增加了可實現的平衡電流。為此目的，監測積體電路110之主動平衡優於傳統被動平衡電路。主動平衡亦允許不匹配電池組之堆疊中的容量恢復，此容量恢復為使用被動平衡系統無法獲得之特性。在一典型系統中，可恢復99%以上的總電池組容量。監測積體電路110包括整合6A、50V功率開關，降低了應用電路之設計複雜性。該部分可完全利用正在放電的電池執行，不需要採用外部功率開關通常所需之複雜偏壓方案。該部分之賦能接腳(DIN)經設計與任何電池堆疊電壓監測IC無縫工作。
第2圖圖示監測積體電路之示例性配置。配置監測積體電路210以允許量測及/或計算平衡期間的電池電壓、平衡/放電電流、冗餘參考、內部故障模式、電池阻抗、電纜阻抗、互連阻抗及開路電池電壓。
將監測積體電路210連接至BSM 230及監測積體電路包括輸出接腳212、輸入接腳214、電阻器定時器216、計數器218、類比多工器240、控制器242。將輸出接腳212連接至BSM 230被動平衡埠之C埠232(例如，標記C1、C2等等之任何C埠232)及選擇該輸出接腳。將輸入接腳214連接至BSM 230之標記S1、S2等等之任何S埠234。可將輸入接腳214與市售的任何BSM 230整合。輸入接腳214可用於程式化監測積體電路210。可將類比多工器的輸入與市售的任何BSM 230整合。可自BSM 230之S接腳234遞送程式指令。配置計數器218以計數自BSM 230接收的輸入訊號之負緣數目及將該計數傳遞至控制器242。控制器242基於計數選擇類比多工器240之可能輸出之一。類比多工器之輸出包括VSNS(與平衡電流成比例的電壓)、VTEMP(與溫度成比例的電壓)、Vin-0.2v、Vin-0.4v、Vin-0.6v、Vin-0.8v、Vin-1.2v及Vin-1.4v或VCELL。
監測積體電路210亦包括開關接腳270，該開關接腳經耦接至變壓器280，該變壓器具有一次繞組282及二次繞組284。經由電阻器Rsns將一次繞組282在一端連接至開關接腳270及在另一端連接至電池堆疊220中的電池組電池之正端子。經由串聯二極體285將二次繞組284在一端連接至 電池堆疊220之負端子及在另一端連接至電池堆疊220之正端子。
第3A圖至第3C圖圖示可用於程式化監測積體電路210的示例性基本通訊架構。然而，本揭示案亦應用於程式化監測積體電路210的其他通訊方法。參看第3A圖，BSM 230與監測電路210之間的通訊可從輸入接腳214訊號保持為高開始。輸入接腳214訊號為高保持監測積體電路210處於停機模式中。輸入接腳214之第一負緣啟動監測積體電路210及開啟內部解碼窗口TW。亦參看第3B圖，內部解碼窗口TW界定時間窗口，在該時間窗口內監測積體電路210主動計數接腳214上的負緣。此允許捺跳輸入接腳214以用於通訊串列資料而無需重置該部分。可使用R定時器接腳216調整內部解碼窗口TW。在一實例中，R定時器接腳216之電阻為100k，該電阻標稱地轉化成16.3毫秒之內部解碼窗口TW。隨著R定時器接腳216之電阻增加，內部解碼窗口TW亦增加。舉例而言，若R定時器接腳216之電阻增加至200k，則內部解碼窗口TW標稱地增加至32.6毫秒。
亦參看第3C圖，在內部解碼窗口TW期間，監測積體電路210使用計數器218計數在輸入接腳214上自BSM 230之S接腳接收的脈衝及使用控制器242控制輸出接腳212上的類比多工器240之交握電壓之輸出。當內部解碼窗口TW到期時，監測積體電路210鎖定最後已知計數及在輸出接腳212上輸出類比MUX電壓。存在四種使用者可選擇的主動模式，如表1所示。
藉由讀取輸出接腳212上的類比電壓完成交握。對應於串列解碼計數，在輸入接腳214訊號之負緣上確定交握電壓。當在輸入訊號214上看到第一負電壓時，計數0開啟。在此情境中，多工器輸出電壓將為Vin-1.4及交握電壓為1.4V。在計數1處，多工器輸出電壓將為Vin-0.2V及交握電壓為0.2V。在計數2處，多工器輸出電壓將為Vin-0.4V及交握電壓為0.4V。在計數3處，多工器輸出電壓將為Vin-0.6V及交握電壓為0.6V。在計數4處，多工器輸出電壓將為Vin-0.8V及交握電壓為0.8V。一旦解碼窗口TW到期及RTMR接腳返回至接地，將起動三個動作：輸出接腳212切換至所欲量測；監測積體電路210取決於表1中的選定模式開始將連接的電池放電；及輸入功率鎖存器停用。在一實施例中，僅可在解碼窗口TW已到期及已拉高輸入接腳214後停用監測積體電路210。
在人們可能嚴重依賴電壓之精確度的自動應用中，可將自監測積體電路210輸出的交握電壓用作檢查BSM 230之精確度的參考。在監測積體電路210中預先設置交握電壓及可將該等交握電壓用作決定自BSM 230輸出的電壓是否精 確的基準。
藉由採取兩次順序量測及實行減法以差分方式擷取包括交握電壓、VSNS及VTEMP在內的所有參數。可實行此舉以保護BSM 230避免超出內部最大電壓閾值。BSM 230可對於對C接腳232的輸入具有近似最大額定值。若超出此閾值(例如，8伏特)，而該閾值為許多BSM的典型閾值限制，則可損壞BSM。因此，自監測積體電路210輸出的量測以Vcell為參考以避免超出BSM 230之閾值電壓。由於相對於Vcell參考監測積體電路210之輸出電壓，應採取差分量測以自監測積體電路210擷取所欲電壓(例如，交握電壓、與平衡電流成比例的電壓、與溫度成比例的電壓)。可藉由類比/數位轉換器236執行差分量測，該差分量測自相鄰監測積體電路210獲取類比電壓量測及輸出數位化電壓量測。
第4圖圖示用於自高亮監測積體電路擷取給定參數VPAR的示例性方法。可強制正量測之監測積體電路410正下方的監測積體電路410選擇Vcell(模式0或模式1)及成為兩次順序量測的負參考。可藉由輸入模式0(停用平衡器)或者模式1(賦能平衡器)執行選擇第一次量測的Vcell。可參考表2決定對於給定參數參考何種Vcell。
MODE 模式
VPAR=第一次量測-(第二次量測)=VCELL-(VCELL-VPAR)(方程式1)
再參看第4圖，正量測之通道上方的BSM通道將具有比標準電池更高的電壓。可配置監測積體電路410以保護BSM 430之C輸入及以確保將不對該等C輸入施加超過絕對最大額定值的應力。
第5A圖至第5B圖圖示用於決定監測積體電路510之交握電壓的示例性過程。交握電壓可用於驗證BSM的內部參考適於用於所有輸入通道。510內部的參考電壓與BSM IC無關且互相排斥，此情況提供真實冗餘度。各個交握位準可在溫度上為2.5%之精確度。為了識別交握電壓，可藉由使DIN接腳降低(確定S接腳)而不發送後續S接腳脈衝來接通監測積體電路510。此可保持監測積體電路510處於故障模式中，在外接腳上確定1.4V交握。此交握可在解碼窗口期間保持於外接腳上及一旦解碼窗口到期可鎖存此交握。可藉由解碼窗口到期後拉高S接腳移除故障模式。在此情況中，將1.4v交握電壓位準用作參考，然而，亦可將其他交握電壓位準用作參考。
每個BSM模組中每隔三個通道可量測一次。第5A圖圖示使用四個完全堆疊量測有效率地量測所有交握電壓的算法。此方法應用於多個BSM模組系統，其中同時讀取各個12電池的BSM中的所有第四通道、第八通道及第十二通道用於第一次堆疊量測。同樣地，自堆疊中的所有BSM模組同時 讀取所有第三通道、第七通道及第十一通道用於第二次堆疊量測等等。此交錯方法應用於讀取接通平衡器情況下包括電流、溫度及電池電壓在內的其他參數。第5B圖圖示替代量測方法，其中賦能每隔兩個通道的平衡電流。第5B圖中的方法僅需要三個完全堆疊量測來擷取所有參數。此可用於更快的獲取；然而，可能易受共模誤差影響。可同時讀取平衡器關斷情況下的所有通道電池電壓。
重要的是，正經量測之電池組電池之電壓表示實際電壓，該實際電壓考慮到由於監測積體電路110放電電流的IR下降。當賦能監測積體電路110及正在平衡對應通道時，彼通道的量測電壓將比與彼通道關聯的實際電壓更低。此外，在賦能監測積體電路110情況下的主動電池左側之電池及/或主動電池右側之電池可具有比對應於彼等電池的量測電壓略微更高的電壓。為了說明一特定實例，假定電池堆疊包括三個電池：電池1、電池2及電池3。電池1可位於電池2下方；電池2可位於電池1與電池3之間；及電池3可位於電池2上方。進一步假定，所有三個電池處於3伏特之最大閾值電池組位準且因此三個電池皆不需要被平衡。若與電池2關聯的電壓出於某一原因突然增長至3.2伏特，則電池2可需要被平衡以將電壓降低至3伏特之閾值位準或3伏特之閾值位準以下。為此目的，可啟動連接至電池2的監測積體電路。電池1及電池3之監測積體電路可保持關斷，因為兩者之電壓仍處於3伏特。
當接通用於電池2的監測積體電路及量測電池2上 的電壓時，該電壓可經測量為3伏特。然而，事實上，電壓仍處於3.2，因為尚未將能量從電池2轉移至任何其他電池或電池堆疊外的其他位置。3伏特之量測電壓歸因於與啟動監測積體電路關聯的IR下降。BSM讀出3伏特並斷定不需要平衡及禁用監測積體電路。一旦關斷監測積體電路，電池2之電壓又跳增至3.2，從而又將接通監測積體電路，及由於未考慮由與啟動監測積體電路關聯的阻抗所引起的IR下降，系統可被困於此無限循環中。當啟動用於電池2的監測積體電路時，電池1可實際上讀出3.1伏特。因此，可啟動用於電池1的平衡積體電路；然而，事實上，電池1可不需要平衡，因為所示之額外電壓歸因於電池2之監測積體電路為主動的。
對於提供更精確的平衡及量測存在若干方式。第一，平衡及電壓量測可為獨立的。系統可平衡、關斷平衡及隨後量測電壓。此可幫助避免量測電壓中因與啟動監測積體電路之阻抗關聯的IR下降而引入的不精確度。然而，在此實施例中，在BSM與電池堆疊之間可不存在恆定可見性。因此，此實施例可引入超越電池的可能性，可增加實際上需要的平衡量，及可增加平衡時間，尤其是電池端子電壓之長穩定時間。
在另一實施例中，在考慮與已啟動監測積體電路之阻抗關聯的IR下降的同時，同時執行平衡及量測。此系統可在量測期間精確計算IR下降及補償IR下降。因此，可決定電池之實際電壓及可基於實際電壓而不是量測電壓執行平衡。與先前實例保持一致，當執行平衡時，可使用電池2的 3.2伏特之實際電壓，而不是啟動監測積體電路時的3.0伏特之量測電壓。為此目的，當量測電壓時可不需要關斷監測積體電路。在此實施例中，BSM可對電池堆疊具有恆定可見性，可提高平衡時間，可減少平衡電流及平衡器重量，及可大大降低超越電池的可能性。
用於計算與監測積體電路關聯的阻抗的算法可取決於將監測積體電路連接至電池堆疊所使用的方法。存在兩種用於將監測積體電路連接至電池堆疊的方法。該兩種方法包括單線電池連接及雙線電池連接。
第6A圖圖示監測積體電路610與電池堆疊620之間的單線電池連接600A。第6B圖圖示監測積體電路610與電池堆疊620之間的雙線電池連接600B。可因電線連接阻抗之完全系統可見性推薦單線連接600A。單線連接600A亦可因較少電線連接而較為便宜及較為可靠。在單線連接600A中，監測積體電路610至電池堆疊620之接地連接與相鄰監測積體電路610至電池堆疊620之Vcell連接共享一共用路徑。在雙線連接600B中，監測積體電路610至電池堆疊620之接地連接獨立於相鄰監測積體電路610至電池堆疊620之Vcell連接。
應注意，在雙線連接方案中，當計算電線阻抗時不可決定接地連接阻抗及該接地連接阻抗將對BSM 630不可見。除C0外，不與相鄰電池共享其他電池的監測積體電路610至電池組電池之接地或負電位之連接，此連接在單線連接方案中藉由BSM 630量測。因此，BSM 630對接地連接阻抗 失去可見性。在另一方面上，用於計算雙線連接阻抗及反算放電期間開路電池電壓的算法比計算單線連接阻抗及反算放電期間開路電池電壓的算法更直接。雙線方法亦在開路連接期間失去單個電池之可見性方面具有優勢，而不是如單線方法中失去兩個電池之可見性。
第7A圖至第7C圖圖示計算具有單線配置的監測積體電路之電池及通道阻抗之圖形表示及第7D圖圖示具有一個以上模組的整個堆疊之宏觀視圖。特定而言，第7A圖圖示用於計算電池阻抗的圖形表示。第7B圖圖示用於計算將電池組電池之正端子連接至監測積體電路的線中的通道阻抗的圖形表示。第7C圖圖示用於計算將電池組電池之接地或負端子連接至監測積體電路的線中的通道阻抗的圖形表示。在第7A圖至第7C圖中，圖示電池堆疊720包括四個電池722、724、726及728。儘管未圖示，但是電池堆疊720可包括其他電池。各個電池可與監測積體電路710關聯。在圖示實施例中，電池724的監測積體電路710為接通且因此圖示於第7A圖至第7C圖中。電池722、726及728的監測積體電路為斷關且因此未圖示於第7A圖至第7C圖中。
當監測積體電路為接通時，電流流動穿過與監測積體電路710關聯的互連電阻器(例如，電阻器R4,B、R3,A及R6,CELL)。電阻器R4,B對應於將電池組電池724之正端子連接至如第2圖所示之監測積體電路之Vcell 244的線中的電阻。電阻器R3,A對應於將電池組電池724之負端子連接至如第2圖所示之監測積體電路之接地246的線中的電阻。R6,CELL 稱為電池阻抗且包括僅通道6具有而對相鄰通道不共用的所有其他阻抗。舉例而言，印刷電路板(Printed Circuit Board；PCB)上及堆疊連接中可存在僅通道6可遇到的某一區域。儘管已相對於通道4描述以上實例，但是此方法可應用於堆疊中的每一通道以獲得與各個通道關聯的阻抗。IRTN 730表示經由直流/直流轉換器且在此情況中經由電路110之返馳轉換器回送至模組的所有電荷。在感測電阻器142及電路140驅動第1圖所示之電路130之類比輸入通道136的情況下量測電流IRTN。
為了計算與監測積體電路710關聯的各個電阻器之電阻，可針對單線配置使用以下方程式2，使用第5A圖所示之堆疊量測方法：
此算法允許在考慮與主動平衡器關聯的阻抗情況下精確計算平衡、堆疊負載及堆疊充電操作期間的開路電池電壓(浮動電壓)。因此，在電池平衡期間並未失去系統可見性，且可大幅增加平衡器工作循環。
開路電池電壓(Vn,A)校正計算可需要使用各個電池連接的兩個所量測之阻抗。此可歸因於各個相鄰通道之間的相對電流量測誤差。當用於計算阻抗的電流為唯一主動電流路徑時，單阻抗方法可很好地起作用。舉例而言，若使用電池4量測R4且僅接通電池4，則所校正之電池電壓可為極精 確的。然而，若同時接通電池5或甚至自動接通，則通道4上的所校正之電池電壓可具有超過5mV之誤差。最壞情況可為電池4電流誤差處於最低誤差閾值及電池5電流誤差處於最大閾值時。
上述方程式給出自所校正之電池電壓計算移除電流精確度誤差的手段。由主動電池獲得三個阻抗值Rn-1,A、Rn,B及Rn,CELL。記錄上方、下方以及主動電池的電池電壓並用於計算阻抗。第三阻抗(稱為電池阻抗)導致所有阻抗與上方或下方的電池不具有共享路徑。此包括內部電池組阻抗及電池組之間的連接。應注意，R0及R12為特殊情況，且可藉由自集合A與集合B組合方程式計算R0及R12。IMOD,m為同時流動穿過模組內所有電池的模組電流，其中m指第5a圖所示之量測步驟，其中在第5a圖中，m等於1時指第一堆疊，m等於2時指第二堆疊，及m等於3時指第三堆疊。IMOD,m等於ISTK 742+IRTN 730，其中ISTK(第7D圖所示)為對整個電池堆疊中的所有電池共用之電流及IRTN為回送至模組的直流/直流轉換器輸出電流。在整個電池堆疊無負載或充電(ISTK=0)時，IMOD,m等於IRTN,m。一旦計算所有阻抗，可在操作平衡器的同時使用以下方程式3校正VCELL： V n,A =V n,B +I n ˙(R n-1,A +R n,B )-I n-1 ˙R n-1,B -I n+1 ˙R n,A +(I n -I MOD )˙R n,CELL (方程式3)，其中Vn,A為與電池n關聯的實際電池電壓及Vn,B為模式1中所量測之電池電壓。Rn-1,A及Rn-1,B為與連接監測裝置之接地端子與電池n之負端子的線關聯的電阻。Rn,A及Rn,B為與連接監測電路之Vcell接腳與電池n之正端子的線 關聯的電阻。Rn,CELL為導致所有阻抗與電池n下方的電池及上方的電池不具有共享路徑的電阻。In為與電池n關聯的平衡電流。In-1為與電池n下方的電池關聯的平衡電流。In+1為與電池n上方的電池關聯的平衡電流。IMOD為同時流動穿過複數個電池的電流。可使用方程式2中所示之形式計算Rn-1,A、Rn-1,B、Rn,A及Rn,B。可使用整合監測裝置自特定電池量測In。IMON為使用第1圖中的電路140及142所量測之模組電流。
三阻抗方法不應影響獲取時間，因為在各個堆疊量測期間轉換所有12個通道；然而，將需要額外時間以使用處理器計算新阻抗。最終，由系統報告的阻抗應為兩個所量測之阻抗之平均數。
用此途徑，可計算由於平衡的IR下降及在計算實際電壓時可考慮該IR下降。因此，監測積體電路不需要被關斷來讀取電壓及可最大化平衡時間。此外，用此途徑，可降低損壞電池之可能性，因為在平衡期間可不失去堆疊的可見性及可自電池堆疊安全地恢復更多能量。
第8圖圖示計算具有雙線配置的監測積體電路之通道阻抗之圖形表示。雙線配置包括監測積體電路810、電池堆疊820及BSM 830，該等部份與監測積體電路110、電池堆疊120及BSM 130相似，且因此在此處不再更詳細描述冗餘態樣。然而，監測積體電路810具有至電池堆疊的雙線配置連接，而不是相對於第1圖所描述的單線配置。用於雙線電池連接配置中的IR校正之算法更為直接，因為各個通道與相鄰 通道隔離且不對電池堆疊共享共用連接。給定通道之電壓量測確實取決於自身正下方的通道。第8圖圖示各個通道正向電池連接之量測(應注意，在雙線配置中不可量測各個通道之接地連接電阻)。以下方程式係用於使用第5圖中的任一方法計算各個正向通道連接電阻：
正量測的通道可使得下方相鄰通道選擇模式0中的VCELL。下方通道為用於量測平衡電流的負參考。計算浮動電壓或開路電池電壓的總方程式考慮了歸因於正經量測之通道下方的通道之調變，該方程式如下： V n,A =V n,B +I n ˙R n +(I n -I MOD )˙R n,CELL -I n-1 ˙R n-1 (方程式5)，其中Vn,A為特定電池n之開路電池電壓或浮動電壓，在模式0(停用平衡)下經量測。Vn,B為特定電池n之模式1(賦能平衡)中所量測之電池電壓。In-1●Rn-1為IR下降，該IR下降歸因於正量測的電池下方之電池。Rn,CELL項導致受模組電流IMOD及平衡電流In影響的電池組之間的DCR及連接。可使用ESR測試電路擷取電池組之等效串聯電阻(ESR)。大多數電池組之ESR相當低，通常處於個位數毫歐範圍內。電池連接阻抗量測亦可包括此電池組ESR參數。
第9圖圖示用於量測電池堆疊之Rn,CELL的示例性電路900。電路900包括監測積體電路910、電池堆疊920、BSM 930、單觸發電路940及950、負載電阻器Rload及MOSFET M1。監測積體電路910、電池堆疊920及BSM 930與相對於第1圖所描述之監測積體電路110、電池堆疊120及BSM 130 相似。因此，將不再更詳細描述冗餘態樣。BSM 930可包括若干GPIO通道(例如，GPIO 1)，該等GPIO通道可用於自電池堆疊920之頂部及底部擷取已知電流以用於量測電池組Rn,CELL目的。GPIO 1亦可用於捺跳單觸發電路950之輸入，從而驅動單觸發電路940以保持電路接通，該單觸發電路為驅動MOSFET M1之閘極的閘極驅動器。
將Rload在一端連接至電池堆疊920之正端子及在另一端連接至MOSFET M1。將MOSFET M1在一端連接至Rload及在另一端連接至電池堆疊920之負端子。將MOSFET M1之閘極連接至閘極驅動器電路940之輸出接腳。將閘極驅動器電路940在輸入接腳處連接至單觸發電路950之輸出接腳。將單觸發電路950在輸入接腳處連接至BSM 930之GPIO 1。將電路940及950中之每一者之V+模組連接至BSM 930之調節電壓輸出。將電路940及950中之每一者之接地模組連接至電池堆疊920之負端子以及BSM 930之V-。
單觸發電路950可為使用三個外部電阻器的可程式化單觸發。將此電路放入電路900中的原因可為出於故障情況下的安全性考慮以避免一直保持MOSFET M1接通。此將產生大電流，損壞MOSFET M1。將單觸發電路950添加作為硬體安全性，在一實施例中，該安全性僅允許MOSFET M1接通達一閾值時間量。閾值時間量可介於0.5毫秒至100毫秒之間。若存在軟體故障，則不可在閘極驅動器電路950之輸入上見到捺跳(例如，輸出BSM 930之GPIO 1)。為了精確度，可使用短時的大電流(RLOAD的小值電阻)。電流可近似 10A，但取決於正經使用之電池組之容量及與該容量成比例。 可使用以下方程式決定堆疊中的各個電池組之Rn,CELL或DCR： ，其中VCELL(OFF)為模式0中M1關斷時的監測積體電路，VCELL(ON)為模式0中M1接通時的監測積體電路，及VMODULE為MODULE+減去MODULE-。Rn,CELL用於方程式3、4及5中。第9圖中的方法可用於代替相對於第7A圖至第7D圖所描述之方法來計算電池電阻的方程式。第5A圖中的參數算法可用於解答電阻集合A及電阻集合B的方程式，將獲取時間減少約三分之一。除量測各個電池之DCR外，可將單觸發電路設置成短時且按1kHz比10kHz之比率週期性觸發。此允許量測電池之ESR或交流電阻。等效RLOAD變成M1接通時間比M1關斷時間之比率乘以RLOAD之量值。
計算Rn,CELL或DCR可有助於決定電池堆疊920是否將變壞或接觸電阻是否將變壞。當電池堆疊920被多次充電及放電時，電池堆疊920的接觸電阻可增加。藉由計算DCR，消費者可決定故障量測是否與故障電池堆疊920或故障接觸關聯。若所計算之DCR比閾值量更高，則認為電池堆疊920故障。然而，若所計算之DCR比閾值量低，則認為電池堆疊920良好及問題可能與由電池堆疊920之連續充電及放電引起的故障接觸關聯。
在一特定實例中，可對RLOAD的電阻器額定脈衝以處置大型短時10A脈衝。對於12電池模組，RLOAD的良好選 擇可為6個並聯24Ω CRM串聯電阻器。對於MOSFET M1，可使用Fairchild FDMC86102L或等效物。對於單觸發電路950，可使用LTC6993-4或等效單穩脈衝產生器以將MOSFET M1之脈衝持續時間限制為20ms。使用LTC1693-3(940)(一種1.5A單通道閘極驅動器)向MOSFET M1提供適宜關斷及接通時間，及可用任何等效閘極驅動器取代該閘極驅動器。電容C2為旁路電容器，用於將功率輸入接腳過濾成兩個單觸發電路940及950。由自BSM 930輸出的5伏特調節電壓驅動功率輸入接腳。
在複數個模組系統中，可需要相對於彼此平衡模組。各個模組可對應於包括複數個電池的電池堆疊920。可將各個電池連接至監測積體電路910。可將監測積體電路910連接至BSM 930。在各個模組中，可自電池之一移去能量及可將該能量分配給電池堆疊920中的所有12個電池以在可接受閾值內平衡模組。或者或另外，可自11個電池移去能量及可將該能量分配給電池堆疊920中的所有12個電池以平衡電池堆疊920中的電池之一者。此提供用於模組內的平衡電池。儘管可平衡模組，然而平衡模組之間可存在一些電壓差。為了在具有複數個模組的系統(諸如(例如)可具有10個模組的汽車，各個模組具有12個電池組電池)中相對於彼此平衡模組，可使用電路900。可接通一個模組中的Rload以降低模組中的電壓，直至達到相對於第二模組的可接受閾值位準。在此處理期間，可關斷模組中的監測積體電路910及可接通及關斷MOSFET M1。此過程可避免或減小模組之間的不匹配 及防止一個模組決定整個10模組電池組系統之容量。
根據先前實例，假定將汽車用於服務且決定10模組電池組系統中的模組5不良。因此可用新模組替換模組5。新模組可自然地具有比電池組系統中的剩餘模組更高的容量。若模組5決定其餘模組之剩餘容量，則對具有較低容量的其他模組中的一些存在充電過量之風險。因此，電路900可用於自剩餘模組滲出能量直至模組5被充滿。
在單線配置中，開路連接影響共享彼連接的兩個電池之量測。在任一受影響通道上無負載的情況下，電壓可大致存在於兩個電池電壓之和之間的中點處。精確值可為VIN電容器漏洩間的比率及可顯著變化。可藉由在接通特定電池之平衡器之前及之後量測Vcell偵測開路連接。
第10A圖及第10B圖分別圖示接通單線配置電路1000A中的開路連接上方的電池及單線配置電路1000B中的開路連接下方的電池之結果。電路1000A及1000B相似且包括相同組件，該等組件包括監測積體電路1010、電池堆疊1020及BSM 1030。監測積體電路1010、電池堆疊1020及BSM 1030與相對於第1圖所描述之監測積體電路110、電池堆疊120及BSM 130相似，且因此將不再更詳細描述該等組件。電路1000A與1000B之間的差異在於，在電路1000A中，開路連接1040上方電池的監測積體電路1010為接通，而在電路1000B中，開路連接1040下方電池的監測積體電路1010為接通，用於量測電壓以決定存在或不存在開路連接。
在此實例中，開路連接1040處於電池組電池8之正 端子與電池9之監測積體電路1010之接地或電池8之監測積體電路1010之Vin之間。應測試分別位於開路連接1040下方及上方的受影響電池8及電池9兩者以保證特定連接已失效。可使用以下算法決定開路連接。
1.)量測模式0中的所有電池電壓
2.)接通上受影響電池達至少2ms
3.)關斷上受影響電池
4.)量測模式0中的所有電池電壓
5.)接通下受影響電池達至少2ms
6.)關斷下受影響電池
7.)量測模式0中的所有電池電壓
8.)若步驟1-步驟4>200mV且步驟4-步驟7>200mV，則存在開路
選擇200mV閾值以提供量測誤差的容限。對於很多消費者而言決定開路連接1040可為重要的，因為此有助於決定BSM 1030的不正確讀數是否與故障電池堆疊1020關聯或與將電池堆疊1020連接至BSM 1030的故障電線關聯。可在電容器1050(當關聯監測積體電路開關關斷時，電容器保持電壓)及監測積體電路1010內之開關的幫助下作出開路連接1040之決定。電容器1050為監測積體電路1010外部的組件及為監測積體電路1010中的開關轉換器之旁路電容器。
在正常操作中，各個電池將讀取Vcell。然而，一旦存在開路連接，上受影響電池中的監測積體電路1010就嘗試使電容器1050放電，從而充電至電池電壓(例如，Vcell)。 在一實例中，一旦電壓達到2伏特(接近於監測器IC之欠電壓閾值)，監測積體電路1010就偵測到電壓過低，停止將電容器1050放電及在停機模式中一次輸出2伏特。此讀數可提供一個指示，即電路1000A中存在開路連接。此原因在於任何鋰離子電池上的絕對最小電池組電壓為2.5伏特。為此目的且在正常情形下，監測積體電路1010之輸出電壓不應低於2.5伏特。然而，在此情況中，由於開路連接1040，上電池9的監測積體電路1010之輸出電壓為2伏特。監測積體電路所在的電路1000A中的下電池8之監測積體電路1010之電壓輸出將為Vcell8+Vcell9-2伏特，該電壓輸出比實際Vcell更高。
類似地，當接通下電池8之監測積體電路1010且關斷上電池9之監測積體電路1010時，電池8之量測電壓為約2伏特及電池9之量測電壓為約Vcell8+Vcell9-2。此等讀數可提供一個指示，即電路1000A及1000B中存在開路連接。
對於雙線系統，當連接變為開路時，將斷開相鄰CVIN電容器之間的連接。VVIN將很可能位於彼特定通道的二極體下方，且OUT接腳將為高阻抗。雙線配置需要LTC680x資料表中所描述之開路連接偵測的方法。此方法使用100uA電流源驅動C接腳。應注意，單線連接需要LTC680x開路連接偵測方案來偵測監測積體電路輸出與C接腳之間的開路。
除主動平衡電路中的開路連接偵測外，亦可存在開路電池。開路電池可僅影響具有開路電池的特定通道。跨開路電池的量測電壓取決於電池堆疊中的電流方向。若電池堆疊正供應負載，則電壓將被夾持至二極體之負向電壓，該二 極體為監測積體電路VCELL或VIN接腳之外部TVS二極體(推薦用於熱插拔或熱插塞保護)或內部基板二極體。同樣地，若電池堆疊正被充電，開路電池電壓將被夾持至TVS二極體之曾納電壓，該曾納電壓設置為比最大電池電壓更大。
第11A圖及第11B圖圖示堆疊正被負載或充電情況下開路電池對通道9之效應。特定而言，第11A圖圖示電池堆疊供應負載情況下開路電池對通道9之效應。第11B圖圖示電池堆疊被充電情況下開路電池對通道9之效應。電路1100A及1100B包括相同組件，該等組件包括監測積體電路1110、電池堆疊1120、BSM 1130、外部二極體1140及內部二極體1150。然而，在電路1100A中，電池堆疊1120正被放電，及在電路1100B中，電池堆疊1120正被充電。電路1100A及1100B亦在各自的通道9中包括開路電池1160。
跨開路電池1160的量測電壓取決於電池堆疊1120中的電流方向。若電池堆疊1120如第11A圖所示供應負載，則電壓將被夾持至二極體之負向電壓。二極體可包括監測積體電路1110 Vcell或Vin接腳之外部TVS二極體1140(推薦用於熱插拔或熱插塞保護)或內部基板二極體1150。同樣地，若電池堆疊1120正被充電，可將開路電池電壓夾持至TVS二極體1140之曾納電壓，該曾納電壓可設置為比最大電池電壓更大。
亦可在沒有跨電池組電池1120之整個串聯堆疊放置負載的情況下測試開路電池。充電電流可為源自12電池模組內之其他通道的電流，賦能該等通道的各別放電器。可使 用被動/主動模組至模組放電器或電池組ESR脈衝電路使含有開路電池的模組放電。
類似於第4圖，需要兩次順序量測以自監測積體電路擷取大多數參數。當在順序讀數期間接通負載時，此量測方法可具有誤差傾向。可藉由對負載電流所引入的共模偏移進行偵測及校正減小該誤差。
VPAR=第一次量測-(第二次量測)=VCELL-(VCELL-V’PAR+VCM)=V’PAR-VCM(方程式7)，其中VPAR為所欲量測參數及VCM為共模偏移。最佳精確度由使用相同時間點處所量測之通道產生。
第11C圖圖示BSM IC可含有由相同系統時脈記時的若干ADC通道，同時量測多個通道。在不同時間步驟期間獲取完全堆疊讀數中的其他通道。比較不同時間步驟期間所獲取的通道之共模電壓可產生大誤差。因此，共模資訊必須被應用於相同時間步驟期間所獲取的通道。第5A圖所示之擷取算法與雙通道BSM ADC架構良好地起作用，以使得可在第二ADC擷取受指令電池參數的同時在一ADC上擷取共模資訊。可藉由比較第一次量測期間之堆疊1中的Vcell量測與第二次量測期間之堆疊1中的Vcell量測及將差識別為VCM計算VCM。
當電池堆疊與BMS板連接時，可因BMS中的電容而產生衝擊電流。由於衝擊電流之路徑中的電線及路由電感，後續衝擊電壓可超出BSM之最大輸入電壓，且因此損壞 BSM。特定而言，由於與電池組之低ESR耦接的大輸入容量電容，當用類比BSM應用熱插拔電池組時，將產生大電流。在監測積體電路實施例情況下，監測積體電路可在處置大湧入電流後的超越電壓上不存在問題。然而，下游BSM可遭遇損壞，此情況需要額外步驟及/或電路系統保護避免熱插拔。存在若干方式保護避免將電池堆疊熱插拔至BMS板中。特定而言，存在一種機械解決方案及存在一種主動解決方案。
第12圖圖示示例性熱插拔保護電路1200，該熱插拔保護電路提供用於保護避免將電池堆疊熱插拔至BMS板中的機械解決方案。機械途徑可產生最具成本效益的解決方案。電路1200包括監測積體電路1210、電池組電池1220、電阻器1230及電容器1240。電阻器1230可為10Ω電阻器，該電阻器用於對CVIN電容器1240預先充電至電池組電壓，限制湧入電流。在缺少電阻器1230情況下，唯一電阻可包括互連電阻，該電阻可導致大湧入電流進入BSM之輸入中，損壞BSM。在CVIN電容器1240被充電後，跨電阻器1230連接機械開關1232，並在所有正常操作期間將該機械開關保持在彼位置。針對機械短路1232，存在三種推薦解決方案：1)使用額定a>3A的跳線，2)使用機械開關或3)使用交錯接腳電池連接器。交錯接腳連接具有長接腳，經由10Ω電阻器1230將長接腳連接至監測積體電路1210以對電容器1240充電。將短接腳直接連接至監測積體電路1210，使10Ω電阻器1230短路。正常插入在長接腳連接至電路與短接腳連接至電路之間具有近似數毫秒的延遲，因而允許CVIN 1240在實行機械短路 前充電。
第13A圖及第13B圖圖示兩個示例性熱插拔保護電路1300A及1300B，各個熱插拔保護電路提供用於保護避免將電池堆疊熱插拔至BMS板中的主動解決方案。一種主動解決方案可具有自動熱插拔保護之額外優勢(例如，當連接電池組時不需要額外步驟)。第13A圖圖示示例性熱插拔保護電路1300A，該熱插拔保護電路包括監測積體電路1310、電池堆疊1320、電阻器1330及電容器1340。熱插拔保護電路1300A與熱插拔保護電路1200相似，不同之處是在熱插拔保護電路1300A中，用MOSFET M1 1332替換機械開關1232，可使用電容器1334及電阻器1336自動接通該MOSFET M1以使電阻器1330短路。當將電池堆疊1320首先連接至各個通道時，使電容器1334放電或短路，因此關斷MOSFET M1 1332。此意謂所有電流將穿過電阻器1330以對電容器1340充電。在熱插拔電池堆疊1320後即刻，電阻器1336開始對電容器1334充電，及在一些延遲後，接通MOSFET M1 1332，此接通將使電阻器1330短路。在BMS之剩餘正常操作期間，電阻器1330可保持短路狀態。電路1300A亦具有經由熔線、F1及二極體1338的額外過電壓保護。二極體1338可為曾納二極體及相對於第13B圖更詳細地描述該二極體。電路1300A可具有較低效率及較高成本之缺點。在一特定實例中，MOSFET M1 1332具有低RDS,ON以最大化轉換器效率及具有比1.25V的VGS閾值更小。電容器1336具有一大小以使得M1接通之時間延遲比對電容器1340顯著充電的時間更長。
第13B圖圖示示例性熱插拔保護電路1300B，該熱插拔保護電路包括監測積體電路1310、電池堆疊1320、電容器1350及二極體1360及1370。電路1300B包括二極體1360及1370，而非電路1300A中的電阻器1320。二極體1360及1370可為暫態電壓抑制器，該等二極體可為低阻抗曾納二極體。曾納二極體通常可處置數百安培及仍極接近於曾納電壓。可將曾納電壓拾取為比對於監測積體電路1310及BSM電路所允許的最高電壓更少。在一特定實例中，二極體1360之曾納電壓可為6.8伏特。二極體1360可吸收所有衝擊電流，使得提供給監測積體電路1310的電壓不會比6.8伏特高出太多。二極體1370向BSM之輸入提供第二層保護。
推薦浮動電壓補償之實施例可取決於電流感測放大器及電池組電壓感測電路系統之通訊架構及結構及組合變化。此不會使補償系統中的所有IR下降及精確計算電池組平衡期間的電池組浮動電壓的推薦方法無效。該算法藉由使用各個相鄰電流感測放大器及平衡路徑(一個位於正經量測之阻抗上方及一個位於下方)量測各個電線/連接器阻抗兩次來導致電流感測放大器中的小不精確度。可設想，是否可僅使用一個相鄰電流感測放大器及平衡路徑(正量測的電線/連接器上方或下方的任一者)執行各個電線/連接器之量測而不存在電流感測放大器中的明顯誤差。
BMS之特徵中的一些包括監測積體電路之單線通訊，使得量測精確電壓降及使用LTC6804極精確地量測平衡時平衡電流的能力成為可能。其他嘗試可較為複雜及精確度 較小(例如，關斷平衡器量測電壓，此舉將在穩定回到浮動電壓前因電池組電壓波動而引發誤差)。此外，可使用獨特算法及方法以便使用監測積體電路之類比多工器計算平衡路徑中的串聯電阻。此外，可使用獨特韌體算法以在快速持續時間內執行IR下降補償、共模補償及電壓下垂補償(浮動電壓補償)以便更快記錄電池電壓。藉由使用內部修整電流感測放大器之極精確的平衡電流量測，使得對平衡閾值範圍更高的分辨度成為可能。BMS系統設計的額外安全特徵包括使用監測積體電路之交握電壓驗證BSM之各個通道操作適當之不同IC上的參考冗餘度、開路偵測、轉換器開關保護及電池堆疊共模校正。
涵蓋其他實施例。舉例而言，該系統可包括對各個通道開關模式轉換器的開關保護。再參看第2圖，可包括以下若干保護特徵以防止監測積體電路210之內部功率開關遭受永久性損壞：短路偵測器、高阻抗偵測器及開關過電壓保護(overvoltage protection；OVP)。當放電轉換器之完整性因故障而已被折衷時，該等特徵亦可警告使用者。在故障狀態期間可停用開關。當功率開關由於變壓器之一次側繞組中的短路而提前關斷時，短路偵測器可偵測到。若電流比較器在550ns短路偵測超時前跳脫，則開關誤差鎖存器將跳脫。在開關誤差期間，將輸出接腳212驅動至Vin-1.2V，VSW，ERR。可能必須重置該部分以清除開關誤差故障。
高阻抗偵測器可監測監測積體電路210之功率開關已接通多久。若開關保持接通比開關最大接通時間50μs更 久，則設置開關誤差鎖存器及驅動輸出接腳212至Vin-1.2V，VSW，ERR。可能必須重置該部分以清除開關誤差故障。OVP電路可動態夾持NPN集極之SW接腳至50V。此保護內部功率開關避免進入崩潰及引發永久性損壞。亦可將夾持器用作一次側緩衝器以吸收漏洩電感能量。200ns開關夾持器遮沒時間決定在變壓器之二次繞組開放時夾持器是否吸收漏洩尖峰或開關是否關斷。若開關夾持器接通比約200ns更久，則設置開關誤差鎖存器。可能必須重置該部分以清除開關誤差故障。
舉另一實例而言，可設計監測積體電路不安放開關，將該開關連接至一次變壓器繞組。實情為，可在監測積體電路外安放開關。在監測積體電路外放置開關可賦能監測積體電路處置較大電流。為了說明一特定實例，監測積體電路可處置至多2.5安培之平均電流，而LTC3300可處置至多10安培之更大電流。
第14圖圖示示例性電路1400，其中在監測電路之外部放置將監測電路連接至變壓器的開關。電路1400包括監測積體電路1410、電池堆疊1420、變壓器1430、複數個第一開關1442及複數個第二開關1444。監測積體電路1410包括LTC3300。在各個通道中，經由變壓器1430將監測積體電路1410連接至電池堆疊1420內的電池。變壓器1430包括一次繞組1432及二次繞組1434。將一次繞組1432在一端連接至電池堆疊1420中的電池之正側及在另一側連接至第一開關1442之汲極。將開關1442在閘極處連接至監測積體電路1410 及在源極處經由電阻器連接至電池堆疊1420中的電池之負端子。將二次繞組1434在一端連接至電池堆疊1420之正端子及在另一端連接至第二開關1444之汲極。將第二開關1444之閘極連接至監測積體電路1410及將第二開關1444之源極經由電阻器連接至電池堆疊1420之負端子。
第14圖所示之監測積體電路1410較第2圖所示之監測積體電路210之優勢在於監測積體電路1410允許如第15A圖所示之能量之雙向轉移，而監測積體電路210可僅允許如第15B圖所示之能量之單向轉移。舉例而言，在放電期間，接通電池堆疊220中具有高能量的特定電池之監測積體電路210，使用一次繞組自電池移去能量及使用二次繞組將能量回送至電池堆疊220。在對同一電池充電期間，可接通與其他電池關聯的監測積體電路210，可使用一次繞組自彼等電池移去能量及可使用二次繞組將能量回送至電池堆疊220。相比之下，在充電期間，監測積體電路1410可對需要被充電的特定電池充電及可不必將能量回送至整個電池堆疊。亦即，監測積體電路1410可使用二次繞組自電池堆疊1420移去能量及可將能量回送至需要被充電的特定電池。第15C圖圖示直流/直流轉換器開關位於電池堆疊側上及二極體驅動個別電池情況下的單向充電器。
電壓下垂係一種源於特定電池內的化學反應之現象。產生所需電壓所必需的特定電池內的化學反應在接通電池時暫時引起電池之端子處的電壓降。當關斷電池時，隨著電池中離子之擴散均衡，電池電壓將重新爬高。無法瞬時產 生電荷；且對於給定量之時間，僅可產生有限量。電池組電池亦具有一些電容性效應，該等效應允許短期瞬時電荷傳遞。在一些點處，維持某一電壓所需的電荷產生率等於自電池所擷取之電荷。可將平衡期間自電池外部地移除之電荷視為電荷之淨損失，且因此視為電壓降。應注意，鋰離子電池之開路電池電壓為電池之電荷狀態(SOC)之指示，該開路電池電壓可等於或可不等於電池之端子電壓。方程式8說明此等量關係，其中容量為以庫侖計的特定電池之容量及VRANGE為最大可允許電池電壓減去最小可允許電池電壓。
capacity 容量
IR補償可對於所有IR下降進行校正及可在包括IR下降的電池組之端子處產出電壓，該IR下降歸因於端子與內部互連結構之電阻。由於電壓下垂現象，實際開路電池電壓比電池組之端子處的電壓更高。因此，在對於VDROOP沒有進行校正的情況下，IR補償可不產出真實開路電池電壓。
第16A圖及第16B圖圖示電池端子上的平衡效應。第16A圖圖示當接通平衡器時電池之電壓下垂。如上文所述，此下垂為暫時且係由於電池內的化學反應及將在關斷平衡器後消失。因此，在沒有電壓下垂校正的情況下，平衡算法將隨電池電壓下垂及恢復而振盪。此原因在於平衡器的所量測之電池電壓因電壓下垂而比電池之實際電壓更低。應注意，電壓下垂通常可為近似10mV或20mV。第16B圖圖示一種用於校正電壓下垂的方法，該方法藉由連續量測下垂及 校正各個點。此穩定了閉環平衡算法，有效增加前饋補償及取消與電池內部電荷產生關聯的低頻極。為此目的，在平衡器接通期間展示所需校正因數1610。當關斷平衡器時，校正因數逐漸消失。然而，校正電壓下垂之每一資料點的處理功率量可變得不可行(應注意，一些電池堆疊超出100個電池)。實情是，一種不同途徑為追蹤電壓隨時間的變化率。
第17圖圖示導致電壓下垂之先前實例之導數途徑。為了移除平衡算法中的振盪，可能必須知道特定電池的下垂量。此需要在起動平衡算法前至少執行電池一次，並儲存該值供稍後使用。第17圖中的VDROOP補償假定SOC的可忽略變化發生於暫態事件期間，該等事件可耗時若干分鐘。在電池負載期間使用以下算法：
初始暫態：在VCELL之時間導數達到最小閾值前於平衡算法中使用VA(暫態前的最後量測)。使用最小閾值決定端子電壓何時均衡及可將最小閾值設置成樣本之間的1mV或2mV；然而，可設置成其他數字。
負載期間：將典型VDROOP加至IR下降補償Vn,A電壓並在平衡算法中加以使用。
退出暫態：在VCELL之時間導數達到最小閾值(可能為樣本之間的1mV或2mV)前，在平衡算法中使用VB(最後Vn,A+VDROOP量測)。
負載後(關斷平衡器)：恢復到IR補償VCELL，Vn,A。一旦在初始化期期間決定電壓下垂，因為電壓下垂不會顯著變化，可在任何平衡期間使用電壓下垂而無需再次計算電壓 下垂。或者，出於進一步精確度之目的，舉例而言，在此之前可不時計算電壓下垂及可在平衡中每三十分鐘使用新計算之電壓下垂。當然，若系統動態變化，則可在變化時計算電壓下垂及可在平衡中使用新計算之電壓下垂。
重新計算電壓下垂：可使用第17圖中的點VB及VC使用方程式9重新計算電壓下垂。可藉由延伸電池電壓量測之間的時間及使用移動平均數技術實現更精確之分辨度。閾值時間可為可調。在一特定實例中，在差分電池電壓處於所設置閾值內之前，可每二十毫秒設置閾值時間。通常，在一或兩分鐘內發生下垂。
VDROOP=VC-VB(方程式9)
電壓下垂之量值隨電流增加而增加。可計算及使用尺度因數以在不同負載條件期間調整電壓下垂補償。方程式10可產生可用尺度因素及採用電壓下垂對於負載電流的線性關係。亦可使用曲線擬合量度基於負載電流的電壓下垂，導致非線性關係及增加總精確度。
Rn,ESR=Vn,DROOP/In(方程式10)
電壓下垂補償亦可增加系統穩定性。除電壓下垂補償外，可實施移動平均數以自平衡回應中的感應振鈴減少雜訊及系統擾動。振鈴可引發過度效率損失及降低的電荷恢復。可需要系統穩定性來延伸電池組封裝之執行時間，及可防止電池中所儲存電荷間的平衡分歧而不是聚合。
向前移動，串聯堆疊鋰離子電池組封裝之若干終端市場應用可需要電池組應遍及裝置均勻分佈。其他應用可需 要電池組封裝之簡易維修。該等應用之兩者受益於基於模組的途徑以使得使用12電池自含模組構造電池組封裝。選擇12個電池與12通道BSM IC很好地起作用，但該原理對每個模組中任何數目之電池有效。類似於第1圖地構造模組自身，其中模組內含有電池平衡。如第1圖所示，可使用單向放電器配置。或者，可使用單向或雙向充電器配置。此可比被動平衡模組更有效率且可允許高得多的平衡電流。從整個12電池模組移去各個電池的電荷或者將電荷回送至整個12電池模組，標記為MODULE+及MODULE-。
可從由若干串聯連接的12電池模組組成的整個堆疊電壓移去電荷或將電荷回送至該整個堆疊電壓，但高電壓將存在於模組中及可在維護期間造成安全風險。此亦增加裝置中的高電壓線選路時的風險，該等裝置具有甚至針對重量分配的遍佈之模組。在將個別電池平衡含入模組的情況下，可需要第二階段之平衡以平衡包含整個電池堆疊的複數個模組間的電荷。當新模組替換損壞模組，具有比電池堆疊中的所有其他模組更多容量時，此尤為明顯。
第18圖圖示另一示例性BSM 1800。BSM 1800為模組至堆疊平衡。為此目的，BSM 1800包括複數個模組1-N及模組至堆疊平衡器1830。模組1-N中之各者可對應於第1圖所示之BSM 100，將該等模組連接至BSM晶片1830。模組1-N中之各者可需要賦能訊號來賦能特定模組上的平衡，在第18圖中標記為EN，該賦能訊號發送自連接至彼特定模組至堆疊平衡器的電池組模組，通常為BSM IC 1830中的GPIO通 道。使用至BSM IC通訊埠的處理器連接中所程式化之算法作出決定。該決定基於與整個電池堆疊中的平均模組電壓相比的相對模組電壓。在第18圖情況下，具有比平均模組電壓及/或平均儲存電荷加上平衡閾值更高的電壓及/或儲存電荷的所有模組將命令模組至堆疊平衡器賦能放電。
第18圖圖示模組至堆疊平衡器之使用，其中將返馳轉換器配置為單向放電器；然而，可將該轉換器配置為單向充電器或雙向轉換器。自各個個別模組轉移電荷及將電荷回送至整個電池堆疊，STACK+及STACK-。所有高電壓線被含入模組至堆疊轉換器；然而，應將電壓夾持器與各個模組並聯以防止在模組替換期間跨MODULE+及MODULE-端子出現高電壓。
一些應用可需要比單個監測積體電路所允許的平衡電流更多的平衡電流。單個監測積體電路可允許至多2.5安培之平衡電流。因此，由於較大容量或較短平衡時間，需要高於2.5安培(例如，5安培)之平衡電流的應用可添加一個以上監測積體電路，並聯作為從動電路或主控電路。此可增加離開各個電池的放電電流量。為此目的，各個通道上的平衡器可由並聯的若干較小平衡器組成。平衡器可為具有功率開關整合至平衡器IC中的單片式，如LT8584；或具有外部分散功率開關的控制器，如LTC3300、LT3751或LT3750解決方案。
第19A圖圖示複數個並聯從動平衡器。第19B圖圖示複數個並聯主控平衡器。另外，在第19A圖中，個別平衡 器可為多相位類型。第19A圖所示之主控/從動途徑可使用單個主控平衡器，該平衡器賦能一或更多個從動平衡器。可將此架構配置如下：
在第19B圖中，圖示所有主控平衡器以使得由相同賦能訊號並聯控制各個平衡器。並聯賦能訊號可命令前表中所列出的單片式或控制器類型功率轉換器之任何組合。
在另一實施例中，可配置系統以基於串聯堆疊電池內的各個電池之電荷狀態(SOC)平衡串聯堆疊電池，而不是電壓補償平衡。電壓平衡可為有益的，但最終目標可為平衡各個電池中的所儲存之電荷。電荷平衡可更為有效率且可增加平衡系統之穩定性。此原因在於，在電荷平衡中，在決定應轉移至電池或自電池轉移的量時，平衡器保持接通，直至已轉移特定量之電荷而不必連續監測開路電池電壓。相比之下，在電壓補償平衡中，可能必須連續監測開路電池電壓，直至達到目標值(例如，在電池堆疊內平衡開路電池電壓)。然而，由於量測開路電池電壓時所使用之組件中的一些(諸如(例如)如第17圖所示之電壓下垂組件)可不具有遍及平衡的穩定值，開路電池電壓可為不精確及可能在時間之特定閾值內不聚合至所欲值。儘管如此，電壓補償平衡可用於平衡串聯堆疊電池以擷取所有儲存的電荷。存在若干方法以基於絕對電池電壓平衡。當在充電/放電循環之任一端期間最大 化所儲存之電荷時，可使用此方法。在電池組封裝之其他操作期間，平衡可基於電池組之SOC，尤其是基於絕對儲存電荷。
此可有益於基於所儲存電荷的平衡以便減小所需峰值平衡電流。方程式11說明時間與平衡電流之間的關係，其中以總容量之百分比給出不匹配。舉例而言，若將電池之容量計算為80%，則不匹配將為20%。電壓補償平衡可允許平衡放電或充電循環中的大部分及可最小化所需平衡電流。為此目的，亦可減小直流/直流轉換器大小、重量及成本。
基於所儲存電荷的平衡需要使開路電池電壓與SOC及庫侖計數相關的電池資料。第20圖圖示使開路電池電壓以及負載端子電壓及BSM量測電壓與SOC相關的特定曲線。可將開路電池曲線中的若干點儲存在檢查表中，可能每10%或每1%一個點，以決定基於開路電池電壓的SOC之百分比。可使用上文相對於第1圖至第19圖所論述的組合IR電壓下垂與共模補償擷取開路電池電壓。
基於SOC百分比的曲線可保持電池堆疊中的各個電池實質相同，甚至是在老化期間。特定電池之老化可改變電池之絕對容量，因此需要平衡。SOC檢查表可需要一系列基於恆定電池溫度的開路電池電壓曲線或點。可使用NTC或如2N3904電晶體之內埋接合二極體量測各個電池溫度。可使用多輸入類比MUX驅動BSM之GPIO接腳中之一者而由BSM IC讀取各個電池溫度感測器。或者，可將與輔助通道關聯的 額外外部接腳添加至監測整合裝置之類比MUX(第2圖中的電路240)以量測各個電池溫度感測器。
SOC檢查表亦可需要一系列基於恆定電池負載電流的開路電池電壓曲線或點。由電流網目決定各個電池之總電流，該等電流網目包括使用整合監測裝置所量測之電池放電電流、使用第1圖中的電路140所量測之模組電流及使用與CPU通訊的霍耳效應電流感測器或分流電阻器電路所量測之堆疊電流，如第18圖所示。替代方法可使用電壓下垂補償以決定或產生恆定負載電流系列曲線。
SOC檢查表亦可需要一系列基於放電/充電磁滯的開路電池電壓曲線或點。或者，磁滯可為基於經驗資料的函數或分析解決方案。類似於方程式12的電荷斜率量測亦可用於決定磁滯之存在。
可需要庫侖計數來決定特定電池相對於電池堆疊中的所有其他電池之相對容量。第21圖圖示具有不同滿電荷容量的三個電池之電荷斜率的一部分之快照。各線之斜率可表示為方程式x，其中n為特定電池。
斜率n=△Vn/△Qn(方程式12)
精確量測個別平衡電流的能力可向使用者提供量測自電池移除的電荷量以及電池中所儲存的剩餘電荷量之手段。以下方程式13展示電荷(Q)之關係且用庫侖(C)表示：Q n =ʃ(I n +I MOD,m +I STK )˙dt(方程式13)
In為使用整合監測裝置自特定電池量測的平均放電或平衡電流，IMON,m為使用第1圖中的電路140及142所量測 之模組電流，及ISTK為使用與BSM之GPIO埠通訊的霍耳效應或電流感測電路所量測之堆疊電流。因此，需要一額外參數來計算電荷及此為參數t或時間。時間參數為所考慮的總時間，尤其是在用於量測特定電池儲存電荷的兩點之間的時間。可使用用於控制BMS的微處理器追蹤時間。
電流量測誤差可直接影響所儲存電荷計算之精確度。舉例而言，3%電流量測誤差可引發所儲存電荷計算中的3%之誤差。可藉由利用IR下降補償中所使用的量測將特定模組內的相對誤差降低至1%以下。可藉由校正因數調整電流量測：
In,A為已校正電流量測，In,B為使用監測裝置所量測之電流，及Rn,A及Rn,B為與連接監測電路之Vcell接腳與電池之正端子的線關聯的電阻。可藉由對具有1%或更少之容限的已知電阻器參考連接至各個模組之電池1的監測裝置之電流量測降低絕對電流量測誤差。
可量測各個電池的電荷斜率以計算電池容量。電荷斜率量測可需要庫侖計數結合基於VOCV,n開路電池電壓的百分比SOC檢查表。可使用複合IR下降、電壓下垂及共模補償擷取開路電池電壓。在方程式15中，容量與特定電池n相關。通常，用於容量計算的%SOC的變化愈大，容量量測變得愈精確。
最後目標可為在任一時間擷取各個電池所儲存的電荷。此允許平衡算法將所儲存之電荷用作平衡的參數，而非開路電池電壓，及在平衡效率上引起增長。基於儲存電荷的平衡系統可具有開路電池電壓，該等開路電池電壓遍及電池組封裝正常操作範圍彼此不同；然而，當使電池之串聯堆疊放電至0%之SOC時，開路電池電壓將聚合及變得相等。同樣地，當將電池之串聯堆疊充電至100%之SOC時，開路電池電壓將聚合且相等。調控瞬時儲存電荷的方程式在方程式16中與特定電池n相關。
Qn=%SOCn●容量n(方程式16)
第22圖圖示與本申請案之監測積體電路關聯的韌體之功能方塊圖。應相信，熟習此項技術者熟悉此類電腦設備之結構、程式化及大體操作，且因此圖式應不言而喻。舉例而言，韌體包括用於封裝資料通訊的資料通訊介面。韌體亦包括以一或更多個處理器形式呈現用於執行程式指令的中央處理單元(central processing unit；CPU)。韌體平臺通常包括內部通訊匯流排、程式儲存器及資料儲存器，以便由韌體將各種資料檔案處理及/或傳遞至BSM，儘管韌體通常經由BSM接收資料。硬體元件、作業系統及程式化語言為本質上習知，且應設想熟習此項技術者對此足夠熟悉。
因此，在程式化中可體現上文所概括之電壓補償主動電池平衡之方法之態樣，該等態樣包括(但不限於)IR補償、電壓下垂補償及共模補償。可將技術之程式態樣視為通常以一種類型之機器可讀取媒體中所執行或體現的可執行程 式碼及/或關聯資料形式呈現之「產品」或「製品」。「儲存」類型媒體包括電腦、處理器或類似者之任何或所有有形記憶體或上述之關聯模組，諸如各種半導體記憶體、磁帶機、硬碟機及類似者，該等媒體可在任何時間對軟體程式化提供非暫時儲存。機器可讀取媒體可採取多種形式，包括(但不限於)有形儲存媒體、載波媒體或實體傳輸媒體。
涵蓋其他實施例。舉另一實例而言，監測積體電路可包括全域安全參數。存在全域最大及最小電池電壓、最大平衡時間及處於適當位置之最大板位準IC位準溫度與電池溫度安全參數，該等參數若交叉則引發BMS/平衡器電路之全域停機。該等值可因不同電池組化學品而變化，因此參數為使用者可配置型。最大電池電壓可防止對電池充電超越特定閾值。不應對電池充電過量，因為彼可引發系統中的劇烈故障及甚至在一些情況中可引發著火。為此目的，該系統可具有用於設置閾值的可程式化特徵，以使得當達到或超越閾值時，關斷所有元件及不再對電池充電。可不發生進一步平衡及可產生錯誤訊號以告知系統操作者已違反電壓閾值。
類似地，最小電池電壓可防止使電池放電超越特定閾值。若電池電壓處於特定閾值或特定閾值以下，則不應使電池放電，因為彼可引發系統中的劇烈故障及降低電池組壽命。為此目的，該系統可具有用於設置閾值的可程式化特徵，以使得當達到或超越閾值時，關斷所有元件及不再使電池放電。可不發生進一步平衡及可產生錯誤訊號以告知系統操作者已違反電壓閾值。
最大平衡時間可界定監測積體電路可為接通以用於平衡電池的最大時間。存在平衡之兩個模式：手動平衡及自動平衡。在手動模式中，BMS操作者可選擇用於平衡的電池。在此模式中，最大平衡時間將保護避免BMS操作者忘記關斷平衡器。因此，該系統避免使電池完全放電及損壞電池組。
自動平衡可基於整個系統或者個別模組之平均電壓或平均儲存電荷及使用者所決定之閾值。若電池超出平均電壓或平均儲存電荷+/-此使用者閾值或下降至上述值以下，則電池可經定向用於平衡。當電池處於平均電壓或所儲存電荷+使用者閾值以上時，將接通電池用於平衡。此立即降低有效量測電壓，從而在典型系統中將使此通道置於平衡閾值範圍外。然而，BMS可使用所計算之電線阻抗、電池阻抗及電池組ESR以決定電池之浮動電壓。可使用此反算或補償電壓以及磁滯值決定何時將關斷高電池。此反算電壓值亦可用於計算BMS之平均電壓以及所儲存電荷。立即緊接於已接通單元的電池可展示有效量測電壓，該有效量測電壓比實際浮動電壓更高。藉由使用所計算之電線阻抗、電池阻抗及電池組ESR，可決定此類電池之實際浮動電壓。此反算電壓值可用於計算系統之平均電壓以及所儲存電荷及SOC。此反算電壓值亦可用於決定電池是否實際上需要平衡。
當電池處於平均電壓或所儲存電荷-使用者閾值以下時，可標記電池為充電。當將單元標記為在模組內充電時，可接通除標記充電的單元外之所有電池。立即緊接於已接通單元的電池可展示有效量測電壓，該有效量測電壓比實際浮 動電壓更高。藉由使用所計算之電線阻抗、電池阻抗及電池組ESR，能夠決定此類電池之實際浮動電壓。此反算電壓值將用於計算系統之平均電壓。此反算電壓值亦將用於藉由基於開路電池電壓推斷SOC來決定電池是否實際上需要被充電。接通之電池將展示有效量測電壓，該有效量測電壓比電池之實際浮動電壓更低。然而，該系統使用所計算之電線阻抗、電池阻抗及電池組ESR以決定該等電池之浮動電壓。此反算電壓以及磁滯值可用於決定何時將關斷電池，電池是否亦將需要充電。此反算電壓值亦可用於計算系統之平均電壓及SOC。
舉另一實例而言，系統可包括共模偏移補償。共模偏移補償經配置以補償系統中的突然負載尖峰。此負載尖峰將引發共模偏移，從而潛在上可引發錯誤交握正極或錯誤交握負極。藉由查看應不受通道接通或關斷影響的通道，則可確定是否已發生共模偏移。前後查看通道將容易展示已產生的任何偏移及對任何其他通道簡單添加彼偏移又將補償該偏移。
舉另一實例而言，系統每次可量測多個通道。由於引發電壓階躍的交握協定，相鄰通道可並非同時切換模式。然而，每次將各個通道中之一者切換為接通與關斷之算法將耗費極大量的時間，此算法將以對所有交握窗口求和而結束。為了避免此情況，可使用多級通道，其中將板分割成不同區段(通常類似於第5a圖及第5b圖中的每隔兩個或三個通道分割)及在已超越各個個別區段的交握窗口後依次切換 不同區段。此可允許改變大區塊通道模式所耗費的時間減少。
舉另一實例而言，為了加速量測過程，可在設法量測電流、溫度或負載電壓的同時量測3個通道。3個通道可為最大以免通道與通道間對量測產生影響，同時仍允許共模偏移補償。當一通道為接通時，該通道可影響正上方及正下方的通道，從而因電流引發偏移。在每次3個通道的情況下，通道之間存在足夠緩衝以避免任何偏移，使得可靠量測能夠用於計算溫度、電流及負載電壓，該等溫度、電流及負載電壓隨後可用於量測如電池阻抗、電線阻抗、電池組ESR及補償阻抗的值。
舉另一實例而言，儘管各種組件展示為獨立的(例如，BSM晶片130及監測積體電路110)，但是可將該等組件合併在一起。舉另一實例而言，儘管描述本申請案之實施例以平衡鋰離子電池組，但是亦可將該等實施例用於平衡特大電容器及鋰離子電容器。
儘管前文已描述認為何者是最佳模式及/或其他實例，但是應理解，可實行各種修改及可以各種形式及實例實施本文所揭示之標的物，以及可在眾多應用中應用教示，本文僅描述該等應用中的一些。意欲由以下申請專利範圍主張任何及所有應用、修改及變化，該等應用、修改及變化處於本發明教示之真實範疇內。
除非另有陳述，否則此說明書中(包括在隨附申請專利範圍內)所闡述的所有量測、值、額定值、位置、量值、大小及其他規格為近似的，而非精確。上述規格意欲具有符 合相關函數及所屬技術中的習知內容的合理範圍。
僅僅藉由現將隨附的申請專利範圍限制保護之範疇。彼範疇為所欲且應解讀為儘可能廣泛地符合根據此說明書及隨附檢控歷史解讀時申請專利範圍中所使用語言之普通意義，並解讀為含有所有結構及功能等效物。儘管如此，全部申請專利範圍不意欲包含未能滿足專利法之第101章、第102章或第103章之要求的標的，亦不應以此方式解讀。藉此放棄主張此類標的之任何非所欲包含物。
除上文直接陳述外，沒有任何已陳述或說明的為所欲或應解讀為引發任何組件、步驟、特徵、物件、益處、優勢或等效物由專用轉為公用，而無關於是否在申請專利範圍中敍述或未敍述該者。
應將理解，本文使用之術語及表達具有與相對於調查及研究之對應各別區域的此類術語及表達一致的普通意義，除非本文已另有闡述特定意義。關係術語(諸如第一及第二及類似者)可僅僅用以區別一個實體或動作與另一實體或動作，而不一定需要或隱含此類實體或動作之間的任何實際的此類關係或次序。術語「包含(comprises)」、「包含(comprising)」或上述之任何其他變化意欲覆蓋非排他性包括，以使得包含一系列元件的過程、方法、製品或設備不僅包括彼等元件，還可包括未明確列出或為此類過程、方法、製品或設備所固有的其他元件。緊隨「一(a)」或「一(an)」的元件在沒有進一步約束的情況下不排除包含該元件的過程、方法、製品或設備中的額外相同元件之存在。
本文提供揭示案之【摘要】以允許讀者迅速確定本技術揭示案之本質。提交時應理解，此將不用於解讀或限制申請專利範圍之範疇或意義。另外，在前述【實施方式】中，可看出，在各種實施例中將各種特徵集合在一起以意欲用於流線化本揭示案。不應將本揭示案之方法解讀為反映所主張之實施例比各個請求項所明確敍述的需要更多特徵之意圖。確切而言，如以下申請專利範圍所反映的，本發明標的處於比單個揭示實施例之所有特徵更少。因此，藉此將以下申請專利範圍併入【實施方式】中，各個請求項保持自身作為單獨主張之標的。

Claims (26)

  1. 一種監測裝置，經配置以監測電池堆疊平衡期間的一開路電池電壓，該監測裝置包含：一輸入端子，經配置以自一電池系統管理(BSM)接收一輸入訊號；以及一輸出端子，經配置以輸出電池參數，該等電池參數用於基於自該BSM接收的該輸入訊號決定與連接至該監測裝置之該電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的一開路電池電壓；其中該監測裝置經配置以：量測與該電池堆疊內的該等複數個電池中之該一者關聯的一電池電壓；決定與一所量測之平衡電流關聯的一電壓降；藉由基於該電壓降調整該所量測之電池電壓計算該開路電池電壓；以及基於該所計算之開路電池電壓，同時主動平衡該電池堆疊中的多個電池，其中同時執行該主動平衡及該計算該開路電池電壓之步驟。
  2. 如請求項1所述之監測裝置，其中該監測裝置位於該BSM與該電池堆疊之間及進一步包括：一整合功率開關；以及一類比多工器，經配置以基於該輸入端子上所接收之該輸入訊號在該輸出端子上提供一可量測的參數，該量測參數 包括賦能平衡情況下該電池堆疊內的該等複數個電池中之該一者的一電池電壓、停用平衡情況下的該電池電壓、與平衡電流成比例的一電壓、與該監測裝置之內部晶粒溫度成比例的一電壓及/或一交握電壓。
  3. 如請求項2所述之監測裝置，其中該交握電壓決定該BSM的量測讀數之精確度。
  4. 如請求項1所述之監測裝置，該監測裝置進一步包含一電流感測放大器，該電流感測放大器用於量測一平衡電流，其中該監測裝置進一步經配置以主動監測該監測裝置之該平衡電流及基於該所監測之平衡電流計算該電壓降以避免在平衡期間對該等複數個電池中之該一者充電過量或充電不足。
  5. 如請求項1所述之監測裝置，其中該監測裝置包括一單片式返馳直流/直流轉換器。
  6. 如請求項1所述之監測裝置，其中該監測裝置進一步經配置以：在該輸入端子上所接收的一輸入訊號之一第一負緣上啟動該監測裝置，起動界定時間之一窗口的一時間窗口，在該時間窗口內該監測裝置為主動的，計數在該時間窗口期間該輸入端子上負脈衝的一數目， 對應於該輸入端子上之該等負脈衝之一最後已知計數在該輸出端子上輸出一交握電壓，以及一旦該時間窗口到期，基於所計數之負脈衝的該數目輸出與一電池參數成比例的一電壓。
  7. 如請求項1所述之監測裝置，其中經由一單線電池連接將該監測裝置連接至該電池堆疊，其中該監測裝置至該電池堆疊之一接地連接與另一監測裝置至該電池堆疊之一Vcell連接共享一共用路徑。
  8. 如請求項7所述之監測裝置，其中該監測裝置進一步經配置以基於一以下公式計算該開路電池電壓： V n,A =V n,B +I n ‧(R n-1,A +R n,B )-I n-1 ‧R n-1,B -I n+1 ‧R n,A +(I n -I MOD )‧R n,CELL ，其中：Vn,A為與該等複數個電池中之該一者關聯的該開路電池電壓，Vn,B為針對該等複數個電池中之一者藉由該監測裝置所量測之電池電壓，Rn-1,A及Rn-1,B為與連接該監測裝置之一接地端子與該電池之一負端子的一線關聯的電阻，Rn,A及Rn,B為與連接該監測裝置之一Vcell接腳與該電池之一正端子的一線關聯的電阻，Rn,CELL為導致所有阻抗與該等複數個電池中之該一者下方的一電池及上方的一電池不具有一共享路徑的一電阻， In為與該等複數個電池中之該一者關聯的一平衡電流，In-1為與該等複數個電池中之該一者下方的該電池關聯的一平衡電流，In+1為與該等複數個電池中之該一者上方的該電池關聯的一平衡電流，以及IMOD為同時流動穿過該等複數個電池的一電流。
  9. 如請求項1所述之監測裝置，其中經由一雙線電池連接將該監測裝置連接至該電池堆疊，其中該監測裝置至該電池堆疊之一接地連接與一第二監測裝置至該電池堆疊之一Vcell連接不共享一共用路徑，該第二監測裝置與該監測裝置相鄰且位於該監測裝置下方。
  10. 如請求項9所述之監測裝置，其中該監測裝置進一步經配置以基於一以下公式計算與該監測裝置關聯的一阻抗： ，其中：Vn,MODE0對應於停用該監測裝置情況下該等複數個電池中之該一者之一電池電壓，Vn,MODE1對應於賦能該監測裝置情況下該等複數個電池中之一者之一電池電壓，In為與該等複數個電池中之該一者關聯的一平衡電流，IMOD為同時流動穿過該等複數個電池的一電流，以及Rn,CELL為該等複數個電池中之一者的一直流電阻(DCR)及連接電阻。
  11. 如請求項10所述之監測裝置，其中該監測裝置進一步經配置以在雙線電池連接情況下基於該以下公式計算該開路電池電壓： V n,A =V n,B +I n ‧R n +(I n -I MOD )‧R n,CELL -I n-1 ‧R n-1 ，其中：Vn,A為與該等複數個電池中之該一者關聯的該開路電池電壓，Vn,B為針對該等複數個電池中之該一者藉由該監測裝置所量測之該電池電壓，Rn為與連接至該等複數個電池中之該一者的監測裝置之一VCELL接腳關聯的該阻抗，Rn-1為與連接至該等複數個電池中之該一者下方之一電池的一監測裝置關聯的一阻抗，Rn,CELL為該等複數個電池中之一者之該DCR及連接電阻，In為與該等複數個電池中之該一者關聯的一平衡電流，In-1為與該等複數個電池中之該一者下方的該電池關聯的一平衡電流，以及IMOD為同時流動穿過該等複數個電池的一電流。
  12. 如請求項1所述之監測裝置，其中該監測裝置進一步經配置以量測與該等複數個電池中之該一者關聯的一電壓下垂及基於該電壓下垂及該電壓降計算該開路電池電壓。
  13. 如請求項12所述之監測裝置，其中在計算與該等複數個電池中之該一者關聯的該監測裝置之閾值量時間達到後的該開路電池電壓時，將該電壓下垂加入該電壓降中。
  14. 一種監測系統，該監測系統包含：複數個模組，各個模組包括：一電池堆疊；如請求項1之一監測裝置，用於平衡該電池堆疊之該等複數個電池中之一者；及一模組系統管理，用於量測該開路電池電壓，其中同時執行量測該開路電池電壓及平衡該電池之步驟；一模組至堆疊平衡器，經耦接至該等複數個模組且包括複數個平衡器，各個平衡器與該等複數個模組中之一者關聯，該模組至堆疊平衡器經配置以平衡該等模組間之一電壓或所儲存的電荷。
  15. 一種IR補償主動電池平衡方法，該方法包含以下步驟：在一監測裝置之一輸入端子處且自一電池系統管理(BSM)接收一輸入訊號；回應於該輸入訊號，啟動該監測裝置，該監測裝置用於平衡耦接至該監測裝置的一電池堆疊內之複數個電池中之一者；量測與該等複數個電池中之該一者關聯的一電池電壓；決定與一所量測之平衡電流關聯的一電壓降；藉由基於該電壓降調整該所量測之電池電壓，計算與該等複數個電池中之該一者關聯的一開路電池電壓；以及 基於該所計算之開路電池電壓，同時主動平衡該電池堆疊中的多個電池，其中同時執行該主動平衡及該計算該開路電池電壓之步驟。
  16. 如請求項15所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：基於該輸入端子上所接收之該輸入訊號在該監測裝置的一輸出端子上提供一可量測的參數，其中該量測參數包括賦能平衡情況下該電池堆疊內的該等複數個電池中之該一者的一電池電壓、停用平衡情況下的該電池電壓、與平衡電流成比例的一電壓、與該監測裝置之內部晶粒溫度成比例的一電壓及/或一交握電壓。
  17. 如請求項15所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：主動監測該監測裝置之該平衡電流；以及基於該所監測之平衡電流計算該電壓降以避免在平衡期間對該等複數個電池中之該一者充電過量或充電不足。
  18. 如請求項15所述之方法，其中該監測裝置包括一單片式返馳直流/直流轉換器。
  19. 如請求項16所述之方法，其中啟動該監測裝置之步驟包括以下步驟：在該輸入端子上所接收的一輸入訊號之一第一負緣上啟動該監測裝置，該方法進一步包含以下步驟： 起動界定時間之一窗口的一時間窗口，在該時間窗口內該監測裝置為主動的；計數在該時間窗口期間該輸入端子上之負脈衝數目；以及對應於該輸入端子上之該等負脈衝之一最後已知計數在該輸出端子上輸出一交握電壓；以及一旦該時間窗口已到期，基於所計數之負脈衝數目輸出與一電池參數成比例的一電壓。
  20. 如請求項15所述之方法，其中計算該等開路電池電壓之步驟包括以下步驟：基於該以下公式計算該開路電池電壓：V n,A =V n,B +I n ‧(R n-1,A +R n,B )-I n-1‧R n-1,B -I n+1‧R n,A +(I n -I MOD )‧R n,CELL ，其中：Vn,A為與該等複數個電池中之該一者關聯的該開路電池電壓，Vn,B為針對該等複數個電池中之該一者藉由該監測裝置所量測之該電池電壓，Rn-1,A及Rn-1,B為與連接該監測裝置之一接地端子與該電池之一負端子的一線關聯的電阻，Rn,A及Rn,B為與連接該監測裝置之一Vcell接腳與該電池之一正端子的一線關聯的電阻，Rn,CELL為導致所有阻抗與該等複數個電池中之該一者下方的一電池及上方的一電池不具有一共享路徑的一電阻，In為與該等複數個電池中之該一者關聯的一平衡電流， In-1為與該等複數個電池中之該一者下方的該電池關聯的一平衡電流，In+1為與該等複數個電池中之該一者上方的該電池關聯的一平衡電流，以及IMOD為同時流動穿過一模組中之該等複數個電池的該電流，該模組包括該監測裝置及該BSM。
  21. 如請求項15所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：計算與該監測裝置關聯的一阻抗，該阻抗用於基於該以下公式計算該開路電池電壓： ，其中：Vn,MODE0對應於停用該監測裝置情況下該等複數個電池中之該一者之一電池電壓，Vn,MODE1對應於賦能該監測裝置情況下該等複數個電池中之該一者之一電池電壓，In為與該等複數個電池中之該一者關聯的一平衡電流，IMOD為同時流動穿過該等複數個電池的該電流，以及Rn,CELL為該等複數個電池中之一者的一直流電阻及連接電阻。
  22. 如請求項21所述之方法，其中計算該開路電池電壓之步驟包括以下步驟：基於該以下公式計算該開路電池電壓： V n,A =V n,B +I n ‧R n +(I n -I MOD )‧R n,CELL -I n-1 ‧R n-1 ，其中： Vn,A為與該等複數個電池中之該一者關聯的開路電池電壓，Vn,B為針對該等複數個電池中之該一者藉由監測裝置所量測之一電池電壓，Rn為與連接至該等複數個電池中之該一者的監測裝置之該Vcell接腳關聯的該阻抗，Rn-1為與連接至該等複數個電池中之該一者下方之一電池的一監測裝置關聯的一阻抗電阻，Rn,CELL為該等複數個電池中之一者之一直流電阻(DCR)及連接電阻，In為與該等複數個電池中之該一者關聯的一平衡電流，In-1為與該等複數個電池中之該一者下方的該電池關聯的一平衡電流，以及IMOD為同時流動穿過一模組中之該等複數個電池的該電流，該模組包括該監測裝置及該BSM。
  23. 一種監測裝置，該監測裝置包含：一輸入端子，經配置以自一電池系統管理(BSM)接收一輸入訊號；以及一輸出端子，經配置以輸出電池參數，該等電池參數用於基於自該BSM接收的該輸入訊號決定與連接至該監測裝置之一電池堆疊內的複數個電池中之一者關聯的一開路電池電壓；其中該監測裝置經配置以： 量測與該電池堆疊內的該等複數個電池中之一者關聯的一電池電壓；決定與一所量測之平衡電流關聯的一電壓降；藉由基於該所量測之電壓降調整該所量測之電池電壓計算該開路電池電壓；計算與該等複數個電池中之該一者關聯的容量；基於該所計算之容量計算該等複數個電池中之該一者之所儲存的電荷；基於該所計算之儲存電荷，同時主動平衡該電池堆疊中的多個電池，其中同時執行該主動平衡及該計算該開路電池電壓之步驟。
  24. 如請求項23所述之監測裝置，其中該監測裝置進一步經配置以基於一以下公式計算該容量： ，其中：ΔQn表示在一時間段內該等複數個電池中之該一者中的該所儲存電荷的變化量，Δ%SOCn表示在該時間段內該等複數個電池中之該一者之電荷狀態(SOC)的百分比變化，以及容量n表示該等複數個電池中之該一者的容量。
  25. 如請求項24所述之監測裝置，其中為了計算該開路電池電壓，該監測裝置進一步經配置以計算一第一開路電池電壓及一第二開路電池電壓及以計算該SOC的該百分比變化，該 監測裝置進一步經配置以使用一檢查表，該檢查表經配置以使該第一開路電池電壓與一第一百分比SOC相關及該第二開路電池電壓與一第二百分比SOC相關，以使得該第一百分比SOC與該第二百分比SOC之間的差異對應於該SOC中的該百分比變化。
  26. 如請求項25所述之監測裝置，其中該監測裝置進一步經配置以基於一以下公式計算該容量：Qn=%SOCn●容量n，其中：%SOCn表示該等複數個電池中之該一者的百分比SOC，以及容量n表示該等複數個電池中之該一者的容量。
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