本文所分析的文档是一份欧洲专利说明书，专利号为EP 2 530 481 B1，属于类型c（专利文献）。该专利的标题为“Battery monitoring circuit, apparatus and method”（电池监测电路、装置及方法），于2018年8月22日正式公告授权。该专利的专利权人（proprietor）为大唐恩智浦半导体有限公司（Datang NXP Semiconductors Co., Ltd.），公司位于中国江苏省如东县。发明人为Johannes van Lammeren和Matheus Lammers，二人均来自英国萨里郡Redhill。专利的申请号为12169486.3，申请日为2012年5月25日，优先权日为2011年6月1日（美国专利申请号US 201113150959）。该专利的国际专利分类号为G01R 31/36（2006.01），主要涉及电池参数的测量与监测技术领域。
该专利涉及可充电电池应用领域，特别是混合动力/电动汽车中由大量串联电池组成的高压电池系统。在这类系统中，准确了解电池的健康状态（State of Health, SOH）和荷电状态（State of Charge, SOC）至关重要。电池的阻抗（impedance）及其随时间的变化可以被用来准确确定这些特性。虽然SOC通常不直接从阻抗导出，但了解SOH有助于改进SOC的估计，尤其是当电池经历了多次充放电循环而老化之后。
然而，检测电池单体的特性面临诸多挑战。例如，同时测量电池电压和电流来估计阻抗在技术实现上存在困难，且此类方法可能产生无法准确反映电池单体真实阻抗的结果。此外，许多电池状态检测方法需要传输和处理大量数据，这在各种系统中实施起来较为复杂。该专利正是针对这些问题，提出了改进的监测方案。
专利说明书中引用了若干现有技术文献。US 2002⁄196025 A1公开了一种测量多单体电化学设备（如电池或燃料电池堆）中各单体阻抗和电压特性的方法和装置。US 2005⁄134283 A1公开了一种在不将电池单体从系统中断开的情况下确定每个电池单体内阻抗的方法。US 2007⁄090843 A1公开了一种通过建立由交流信号激励的电池阻抗的增益交叉频率（gain crossover frequency）来确定电池荷电状态的方法和设备。此外，该专利还参考了F. Huet在《Journal of Power Sources》上发表的关于阻抗测量用于确定二次电池SOC和SOH的综述论文，以及J.L. Jespersen等人发表在《World Electric Vehicle Journal》上的关于使用交流阻抗谱测量锂离子电池容量的论文。
该专利的核心思想是通过频率分离的方式来处理电池监测数据，从而减少需要传输的数据量，同时保持对电池阻抗特性的准确表征。具体而言，监测电路对电池单体的电压和电流进行检测，并根据频率特性对检测到的信号进行处理。低频成分（例如约4 Hz以下）用于确定SOC以及阻抗曲线的低频部分；高频成分（例如4 Hz以上）则用于确定阻抗曲线的高频部分。通过在本地对高频宽带数据进行预处理，提取出能够表征电池阻抗特性的关键信息，再将这些提取后的数据（必要时进行压缩）传输至中央系统或电池组控制器（battery pack controller），从而显著降低通信数据率。
专利中描述了一个具体的系统实现（系统100），该系统包括：用于测量电池单体电压的模数转换器（ADC）120，以及用于测量与电池组串联的电阻131上电压（该电压反映了电池组电流）的ADC 130。抗混叠滤波器（anti-alias filter）122和132分别对进入ADC的电压信号进行滤波。ADC 120的输出连接至串联的低通滤波器123和124，ADC 130的输出同样连接至串联的低通滤波器133和134。第一级低通滤波器（123和133）的截止频率远高于第二级（124和134），例如分别约为2 kHz和4 Hz。第一级低通滤波器的输出分别送入离散傅里叶变换（DFT）处理器125和135，用于检测测量频率的幅度和相位。第二级低通滤波器的输出则送入电池组控制器140，用于SOC估计。
该专利的另一重要特征是使用电池均衡电路（cell balancing circuit）来向单个电池单体注入电流以进行阻抗测量。系统包含一个（余）弦波发生器（cosine generator）150和Σ-Δ调制器（sigma-delta modulator）152，通过使用调制信号（如脉冲密度调制PDM信号）控制开关158的通断，将带有泄放电阻154和电容156的均衡电路周期性地连接到电池单体上，从而向单体注入特定频率的电流。通过控制调制信号的频率和占空比，可以在确保阻抗测量精度的同时限制注入电流的平均值，从而控制功耗和热量产生。
在具体实施中，专利描述了多种电流注入方式。一种方式是通过将电阻电路跨接在电池单体上以被动地泄放电流（被动均衡），另一种方式是通过将电感电路跨接在电池单体上以主动地感应电流（主动均衡）。电流注入可以以间歇或循环方式进行，以控制注入每个单体的电流量。此外，对于每个电池单体，开关的操作使用调制信号来有选择地耦合和去耦均衡电路，注入电流的占空比被限制以限制注入的电流量。
在数据处理方面，DFT处理器125和135对ADC输出的高频成分进行幅度和相位提取。在某些实施方式中，如果ADC采用过采样Σ-Δ转换器（oversampling sigma-delta converter）实现，其输出为单比特位流，则可以通过省略第一级低通滤波器而直接将位流送入DFT处理器。在这种情况下，DFT处理器可以使用全加器电路（full-adder circuit）代替乘法器来简化电路设计。
专利中还描述了一种基于电池阻抗实部和虚部的计算方法。电池电压和转换电阻上的电压经过带通滤波器（band-pass filter）滤除不需要的信号后送入幅度和相位测量器。电池阻抗Z的实部和虚部根据测量电压的幅度和相位来确定，其中转换电阻Rconv上的电压相位定义为零相位参考。
专利详细描述了阻抗测量的多种实施策略。在一种实施方式中，阻抗测量在电池组处于静止状态或充电/放电过程中进行。测量系统可以在车辆静止时通过信号发生器控制注入电流的频率，从而在任意期望频率下测量电池阻抗。在车辆行驶过程中，则可以利用牵引电机的驱动电流作为测量信号源。
在测量过程中，如果电池组电流在所需测量频率处不包含足够的信号能量，则通过PDM调制的均衡电流向选定的电池单体注入电流。如果电池组电流本身在测量频率处也包含信号，则测量结果被认为不可靠，需要丢弃并重新测量。在行驶工况下进行测量时，还需要检查电流的直流电平是否保持在测量应进行的水平。
在电池组电流不可访问或格式无法被阻抗测量电路使用的情况下，专利提出了一种替代方案：在向选定单体注入PDM调制均衡电流的同时，测量这些单体的频谱以及至少一个未注入电流的单体的频谱。如果未注入电流的单体测量中也存在测量频率的信号，则表明电池组电流中含有该频率的干扰信号，阻抗测量结果不可靠，需要丢弃并重新测量。
专利还描述了多单体监测的扩展方案。通过使用多路复用器（multiplexer）464，可以将多个电池单体的电压信号分时复用至单个ADC 120进行测量。每个单体配有低通滤波器，并且根据ADC类型的不同，可能需要在多路复用器之前设置采样保持电路（sample-and-hold circuit）。
该专利的权利要求1定义了一种用于监测具有多个串联电池单体的电池组的监测电路，该电路包括：电流注入电路，用于分别向各个电池单体注入电流；电压检测电路，用于为每个电池单体提供指示其电压的输出；电流检测电路，用于提供指示通过电池单体的电流的输出；提取电路（125, 135），用于提取电流和电压检测电路输出的幅度和相位特性，以提供单体阻抗特性的指示。该监测电路的特征在于第一和第二低通滤波电路（123, 124, 133, 134），分别用于将电压和电流检测电路的低频滤波输出与高频成分分离，低频滤波输出同时确定SOC和阻抗曲线的低频部分；以及电池组控制器（140），用于接收低频滤波输出并据此估计电池单体的SOC。
权利要求4定义了一种包括多个电池单体和上述监测电路的能量存储单体装置。权利要求11定义了一种在电池组电路中监测具有多个串联电池单体的电池组的方法，该方法包括分别注入电流、提供电压和电流输出、提取幅度和相位特性、分离低频输出与高频成分、以及使用低频输出估计SOC等步骤。
该专利所提出的技术方案具有重要的实际应用价值。首先，通过在本地预处理高频宽带数据并仅传输提取后的阻抗信息，显著降低了电池监测系统中的数据通信量，这对于包含大量电池单体的电动汽车电池组尤为重要，因为传统方案中传输所有单体的原始测量数据会占用大量通信带宽。
其次，利用已有的电池均衡电路进行电流注入，避免了为阻抗测量额外设计专用电流注入电路的需要，降低了系统复杂性和成本。通过调制信号的占空比控制，可在保证测量精度的同时控制功耗。
第三，采用Σ-Δ ADC和DFT处理器的组合，实现了低功耗、高线性度的测量方案。Σ-Δ转换器的过采样特性允许使用较小的抗混叠滤波器，且便于与其他电路集成。
第四，该方案的灵活性允许在不同工况下进行阻抗测量——既可以在车辆静止时通过受控信号源进行精确测量，也可以在行驶过程中利用电机驱动电流进行测量，具有广泛的适用性。
该专利技术对于电动汽车电池管理系统的设计具有指导意义，特别是在电池健康状态监测、SOC估计优化、以及充放电策略制定等方面。通过准确了解电池的阻抗特性和SOH，可以实施更优的充电和放电策略，从而最大化电池组的日历寿命、循环寿命和能量存储容量。