CN107064799A - 用于保证电池组的安全操作的系统 - Google Patents

Abstract

用于保证电池组的安全操作的系统包括显示单元和被连接到电池组的健康状态（SoH）监视器。SoH监视器指示SoH监视器a）在电流流动循环开始时测量电池组的端电压；b）在电流流动循环完成之后测量电池组的端电压；c）在电流流动循环完成之后连续地重新测量电池组的端电压直至连续地重新测量的端电压中的一个等于重新测量的端电压中的先前的一个为止；d）确定并记录在步骤a）与c）之间的时间段期间通过电池组的安培‑小时（Ah）；e）根据在步骤a）和c）中确定的端电压之间的差除以在步骤d）中确定的Ah的商来确定电池组的SoH；以及f）将在步骤e）中确定的SoH发送到显示单元，用于作为电池组的更新的SoH的显示。

Description

用于保证电池组的安全操作的系统

背景技术

本发明一般地涉及保证电池组（battery）的安全且高效的操作。更特别地，本发明涉及一种用于在电池组被安装在其操作环境中时不断地保证电池组具有令人满意的健康状态（SoH）的方法。

电池组的SoH随着使用和随着时间的推移而降级，因为电池组中的单独电池（cell）随着使用和随着时间的推移而失去其储存和输送电能的能力。但是，电池组操作电压范围即使随着电池组的容量中的降级也仍保持相同。因此，虽然电池组可能表面上看起来处于令人满意的操作状况中，但电池组事实上可能接近故障。在某些实例下，此类故障可能产生仅缺少电池组的性能以外的问题。例如，因为电池组中的单独电池不相同，所以单独电池可能随着时间和使用以不同的速率降级。这可导致被称为电池不均衡的状况。具有降级的电池的电池组仍可输送期望的输出。然而，（一个或多个）降级的电池在与组中的其他电池相比较时可能以更快的速率放电或充电。（一个或多个）降级的电池在操作期间的温度在与健康电池相比时可能具有更多的变化，并且可能导致诸如热逃逸之类的不安全状况。

某些电池组被用来在其中安全具有最高重要性的应用中输送电力。例如，许多电池组被用于现代“多电飞机”（MEA）中。为了保证此类飞机的安全操作，给机组人员提供飞机上的电池组的SOH和/或电池不均衡的连续报告使得机组人员可能在电池组的潜在故障的报告的情况下采取修正动作将是所期望的。

如可以看到的，存在对使能在诸如飞机之类的环境中的电池组的安全使用的系统的需要。

发明内容

在本发明的一个方面中，一种用于保证电池组的安全使用的系统包括：开关，其将电池组连接到DC电力系统；显示单元；健康状态（SoH）监视器，其被连接到电池组，SoH监视器包括处理器以及存储器块，所述存储器块包括具有被存储在其上的指令的非瞬时计算机可读介质，所述指令在被处理器执行时执行以下步骤：a）指示SoH监视器在电流流动循环开始时测量电池组的端电压；b）指示SoH监视器在电流流动循环完成之后测量电池组的端电压；c）指示SoH监视器在电流流动循环完成之后连续地重新测量电池组的端电压直至连续地重新测量的端电压中的一个等于重新测量的端电压中的先前的一个为止；d）指示SoH监视器确定并记录在步骤a）与c）之间的时间段期间通过电池组的安培-小时（Ah）；e）指示SoH监视器根据在步骤a）和c）中确定的端电压之间的差除以在步骤d）中确定的Ah的商来确定电池组的SoH；以及f）指示SoH监视器将在步骤e）中确定的SoH发送到显示单元，用于作为电池组的更新的SoH的显示；其中开关可操作成在显示单元指示电池组的SoH在预定值以下时将电池组从DC电力系统断开。

在本发明的另一方面中，一种用于控制飞机上的电力分配的装置包括：用于飞机的引擎的起动电动机；DC电力系统，其被连接到起动电动机；电池组；第一开关，其将电池组连接到DC电力系统；第二开关，其用于将起动电动机连接到外部电源；健康状态（SoH）监视器，其被连接到电池组；显示单元，其被连接到SoH监视器用于显示电池组的SoH；以及断开控制单元，其被配置成在所显示的电池组的SoH在预定值以下的情况下断开第一开关并闭合第二开关。

在本发明的又一方面中，一种用于保证DC电力系统中的电池组的安全使用的方法包括以下步骤：确定电流流动循环期间的电池组的n个电池的端电压改变值；确定电流流动循环期间的电池的端电压改变值；将电池组电压改变值除以n个电池电压改变值中的每个以得出n个电池的端电压改变指数；确定n个电池的端电压改变指数是否相等；在n个端电压改变指数中的任何的不相等的情况下生成电池不均衡显示；在所述不相等的情况下将电池组从DC电力系统断开。

参考以下图、描述和权利要求，本发明的这些及其他特征、方面和优点将被更好地理解。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的用于保证电池组的安全使用的系统的框图；

图1A是根据本发明的第二示例性实施例的用于保证电池组的安全使用的系统的框图；

图2是根据本发明的示例性实施例的图1的系统的健康状态（SoH）监视器的框图；

图3是根据本发明的示例性实施例的图1的系统的电池组的时间对电池组电压的图；

图4是根据本发明的示例性实施例的图1的系统的电池组的电等效2-RC模型；以及

图5是根据本发明的示例性实施例的用于保证电池组的安全使用的方法的流程图；以及

图6是根据本发明的另一示例性实施例的用于保证电池组的安全使用的方法的流程图。

具体实施方式

以下详细描述具有执行本发明的最佳当前设想模式。描述不应在限制性意义上被理解，而仅出于说明本发明的一般原理的目的被做出，因为本发明的范围由所附权利要求最佳地定义。

下面描述了每个可以相互独立地或者与其他特征组合地使用的各种发明特征。

本发明一般地提供了一种用于保证电池组的安全使用的系统。更特别地，本发明提供了在电池组被安装且可操作时监视并显示SoH以确定是否应终止电池组的继续使用。仍进一步地，本发明提供了监视单独电池的SoH和电池组的电池不均衡以确定是否应将电池组从DC电力系统断开。

现在参考图1，图示了用于电池组102的安全控制系统100的示例性实施例。控制系统100可包括被耦合到电池组102和电池组102的单独电池108的健康状态监视器104（在下文中为SoH监视器104）。可将显示单元112耦合到SoH 监视器104。断开控制（control）114可以被连接以操作断开接触器或开关116以将电池组102从DC功率系统118断开。如果电池组102内的不安全状况或电池组102的SoH在预定值以下，则可将电池组102从DC电力系统118断开。

现在参考图1A，图示了如其可能被用在（未示出的）飞机中的电池组安全控制系统200的示例性实施例。系统200可能与系统100不同在于断开控制214可以被连接以操作开关116和第二开关117两者。当开关116断开且开关117闭合时，可将电池组102从飞机的（未示出的）引擎的起动电动机（starter motor）119断开。在电池组102的SoH低于预定值的情况下，然后可以从外部电源121对起动电动机119供电。

系统200在可在短距离操作中采用的飞机中可以是有用的。机组人员可从显示单元112观察到电池组102的SoH可能是低的，但是仍在预定替换极限以上。在那种情况下，机组人员可选择使用外部电源121用于驱动飞机的辅助电力单元（APU）的起动电动机119，而不是将机载电池组102用于此类APU启动。以该方式，机组人员可延长电池组102的有用寿命并且避免了对未安排的电池组替换的需要。换言之，可延迟低SoH电池组的替换直至飞机被停止使用以用于有规律的被安排的维护为止。

现在参考图2，框图图示了SoH监视器104的示例性实施例。SoH监视器104可包括具有电压传感器122、电流传感器124和温度传感器126的测量块120。测量块120可以被适配成从电池组102取得在线测量结果。SoH监视器104还可包括具有非易失性存储器132和处理器136的计算机128。

现在参考图1和2，可看到的是可将电池组102的单独电池108连接到SoH监视器104。更特别地，单独电池108可被连接到SoH监视器104的电池测量块106。电池测量块106可包括被单独地耦合到n个电池108中的每个的多（n）个电压传感器140。

在操作中，每当电池组102经历由充电或放电引起的电流流动的循环的完成时，SoH监视器104可执行SoH确定。此类循环可包括电流流动的发起，随后是电流流动的终止。在某些应用中，电池组102可经历电流流动的多个循环，在循环之间具有相对短的时间段。例如，电池组102可向负载提供电力达五分钟的时段，并且然后在仅几秒上的流逝之后，电池组102可再次地向负载提供电力达五分钟的时段。可将此类快速地变化并重复的负载供电视为动态操作模式。

替代地，可将电池组102安装在诸如飞机之类的运载工具中，其可被停放在终点处达一小时的时段或更多，在该时间期间电池组102可能不经受电流流动的任何循环。在此类背景下，可以以可在时间上通过几小时的时段间隔开的间隔使电池组102经受电流流动循环。换言之，电流流动循环可在时间上通过休息时段被分离。此类操作模式在本文中可称为休息操作模式。

SoH监视器104可利用第一SoH估计技术，用于在电池组102的休息操作模式期间针对电流流动的循环确定SoH。当电流流动的循环发生在电池组102的动态操作模式的背景下时， SoH监视器104可利用第二SoH估计技术。

现在参考图3，曲线图300图示了电池组102在休息操作模式中经历电流流动的循环时的电池组102的时间对电池组电压关系。随着电池组102放电，可观察到归因于以下现象的端电压中的改变：

1. V_{d (res)} –归因于放电开始时的串联欧姆电阻的电压中的瞬时下降；

2. V_{d (pol+dis1)} –归因于极化和放电现象的组合效应的电压中的下降；

3. V_{d (dis2)} –仅归因于放电现象的电压中的下降；

4. V_{r (res)} –归因于放电结束时的串联欧姆电阻的电压中的瞬时上升；以及

5. V_{r (depol)} –归因于休息时段期间的去极化现象的电压中的上升。

项“V_{d (pol+dis1)}”可被分解成两个分量“V_{d (pol)}”和“V_{d (dis1)}”。分量“V_{d (pol)}”可表示归因于极化效应的电压下降，并且“V_{d (dis1)}”可表示归因于极化时段期间的电荷输送现象的电压下降。在上面列出的五个现象之中，仅“V_{d (dis1)}”和“V_{d (dis2)}”分量表示由于电荷输送现象而失去的端电压。其他分量不与电荷输送现象相关联，但是其仍可影响端电压中的总改变。

输送或接收到的每安培-小时（Ah）的端电压下降或增益随电池组健康而改变。因此，可根据以下表达式来确定SoH函数，

在该背景下，如果项“ΔV_bat”表示仅归因于放电或充电操作期间的电荷输送现象的端电压中的改变，则SoH被最准确地确定。但是，放电操作期间的端电压中的总下降由以下给出：

ΔV_bat(total) = V_d(res) + V_d(pol) + (V_d(dis1) + V_d(dis2)) = 总电压下降 (2)

其中，V_d(res)＝归因于串联欧姆电阻的电压中的瞬时下降；

V_d(pol) = 归因于极化效应的电压中的下降；以及

V_{d(dis1) +} V_d(dis2) = 归因于电荷输送现象的电压中的下降。

作为实际问题，在上面等式中分离并提取仅归因于电荷输送现象的电压下降（即“V_{d (dis1)} + V_{d (dis2)}”）可能不是可能的。代之以，可使用发生在放电或充电操作之后的上升的电压分量来补偿或抵消前两项。

在放电结束时在电池组端电压中可存在瞬时电压上升“V_r(res)”。这可以在量值（magnitude）上等于在放电操作开始时观察到的瞬时下降并在极性上与所述瞬时下降相反。因此，“V_{r (res)}”分量可以补偿“V_{d (res)}”。

V_{r (res)} = - V_{d (res)} (3)

并且，发生在电流流动循环之后的去极化可补偿发生在电流流动循环开始时的极化效应。如果电池组102在电流流动循环之后充分地休息，则电池组102可在休息时段期间被去极化到其在电流流动循环期间被极化的相同程度。归因于极化的电压下降“V_{d (pol)}”等于去极化期间的电压上升“V_{r (depol)}”。

V_{r (depol)} = -V_{d (pol)} (4)

放电操作期间的端电压中的净改变由以下给出，

ΔV_bat=V_d(res)+V_d(pol)+(V_d(dis1)+V_d(dis2))+V_r(res)+V_r(depol) (5)

因此

使用等式（3）和（4），重写等式（6），

可以注意到，上面描述的休息模式估计技术的准确度可取决于连续电流流动循环之间的充分长的休息时段的发生。如下文中解释的和图5中图示的那样，可将休息时段的长度的此类充分性确定成在电流流动循环结束时的V_r(depol)的连续测量结果（参加图3）彼此相等时存在。

如果电池组102在连续电流流动循环之间仅有不充分休息时段的情况下操作，则可执行第二或动态模式估计技术。可以以与在美国专利申请公开2013/0138369中描述的方式类似的方式来执行该动态模式估计，该公开被通过引用整体地结合到本文中。在动态模式估计技术中，计算机128可采用存储在非易失性存储器132中的电池组动态模型130。电池组动态模型130可包括在电池组102脱机时在各种温度、端电压和电流处确定的参数R_s、C_st、R_st、C_lt和R_lt的各种值。参数可以是图4中图示的电池组模型133的元素。

计算机128可包括被适配成从测量块120接收在线测量结果并被适配成使用以下等式来在线计算开路电压的处理器134，

V _OC = V _BAT + ΔV _R + ΔV _P (8)

其中

V _BAT = 电池组端电压；

ΔV _R = 归因于电池组电阻电压下降；

ΔV _P = 归因于极化现象的电压下降；以及

其中使用以下等式计算ΔV _P ，

其中，通过将在线测量结果与电池组动态模型130相比较而根据电池组动态模型130确定R_s、C_st、R_st、C_lt和R_lt的值。

可通过处理器134内的数学滤波的递归应用来增强Voc的得到的计算结果的准确度。在本发明的示例性实施例中，可采用以下自适应滤波器等式：

状态估计等式（时间更新）：

输出等式

状态修正等式（测量更新）：

其中

R_ser是电池组的欧姆电阻；

Q是电池组的全容量；

是滤波器增益矩阵；以及

是测量到的电池组电压。

然后可以通过采用根据上面描述的动态模式估计技术确定的Voc的值、以在美国专利申请公开2013/0138369中描述的方式来确定电池组102的SoH。

现在参考图5，流程图图示了用于保证电池组的安全使用的方法500的示例性实施例。方法500可采用休息模式SoH估计技术和动态模式SoH估计技术中的任一者或两者。在步骤502中，可在电流流动循环开始时测量电池组的端电压（例如，可由SoH监视器104的电压传感器122来测量端电压）。在步骤504中，可在电流流动循环结束时测量电池组的循环结束端电压（例如，可由电压传感器122来测量图3的V_{r (depol)}）。在步骤506中，可重新测量循环结束端电压（例如，可由电压传感器122来重新测量图3的V_{r (depol)}）。在步骤508中，可将步骤504的循环结束端电压与步骤506的循环结束端电压相比较。如果步骤504的测量到的电压不等于步骤506的测量到的电压，则可连续地重复步骤506和508直至发现步骤504和506的电压相等为止。步骤506和508的电压测量结果的相等可指示经过了足以保证估计的休息模式可被适当地采用的时间。

在步骤510中，可做出关于新的电流流动循环是否在步骤508中实现重新测量的端电压相等之前已开始的确定。在那种情况下，可根据SoH估计的动态模式在步骤512中估计电池组的SoH。如果在步骤508中发现步骤504和506的循环结束端电压相等，则可根据SoH估计的休息模式在步骤514中估计电池组的SoH。

如果步骤514被执行，则在步骤516中，可以以在步骤514中确定的标称值来显示休息模式SoH估计。如果步骤512被执行，则在步骤518中，可以利用在步骤512中确定的实际SoH的经调整值来显示SoH的动态模式估计。与动态模式SoH估计相比，休息模式估计可能具有准确的较高可能性。因此，可以调整动态模式SoH估计以虑及潜在的误差裕度。例如，经调整的动态模式SoH值可能比通过休息模式估计技术确定的标称SoH值低约0.01%至约0.015%。在步骤520中，如果电池组的SoH在预定值以下，则可以将电池组从DC电力系统断开。

现在参考图6，流程图图示了用于保证电池组的安全使用的另一示例性方法600。方法600可以与方法500不同在于电池组的单独电池的电池不均衡和SoH值被监视和显示。在步骤602中，可在电流流动循环期间确定n个电池中的每个的端电压改变（例如，可以用电池测量块106的n个电压传感器122来测量端电压改变）。可以与步骤602同时地执行步骤604。在步骤604中，可在电流流动循环期间确定电池组的端电压改变（例如，可以在步骤602中测量端电压改变的相同电流流动循环期间用测量块120的电压传感器122来测量端电压改变）。

在步骤606中，在步骤602和604中测量的电压改变可以被组合以根据以下表达式得出（develop）n个电池中的每个的端电压改变指数（index）：

在步骤608中，可以做出关于用于所有n个电池的端电压改变指数是否相等的确定。在步骤610中，在n个端电压改变指数中的任何的不相等的情况下可以生成电池不均衡显示。在步骤610中，还可以显示一个或多个降级的电池的身份。可根据以下表达式来确定n个电池中的每个的SoH；

在步骤614中，可以显示n个电池中的每个的SoH（例如，可采用图1的显示单元112来显示来自步骤614的SoH信息）。在步骤616中，如果存在高不均衡，则可生成断开警报（例如，如果电池不均衡超过约0.1伏至约0.15伏，则显示单元可提供高不均衡显示）。在那种情况下，可以执行其中可将电池组从DC电力系统断开的步骤618。

向后参考图1，可看到，用显示单元112上的电池组相关信息的此类集合，显示单元112的观察者可具有做出关于是否允许电池组继续执行其角色的实时决定的机会。考虑例如电池组102被安装在飞机中。如果显示单元112示出了已得出超过约0.1至约0.15伏的电池不均衡状况，则机组人员可能选择操作断开控制114。电池组102然后将被从DC电力系统118断开，并且电池组102的过热的风险可能被排除。

当然，应理解，前述涉及本发明的示例性实施例并且可以在不脱离如在以下权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下做出修改。

Claims (4)

1.一种用于保证电池组（102）的安全使用的系统（100），包括：

开关（116），其将电池组（102）连接到DC电力系统（118）；

显示单元（112）；

健康状态（SoH）监视器（104），其被连接到电池组（102），SoH监视器（104）包括：

处理器（136）；以及

存储器块（132），其包括具有被存储在其上的指令的非瞬时计算机可读介质，所述指令在被处理器（136）执行时执行以下步骤：

a）指示SoH监视器（104）在电流流动循环开始时测量电池组（102）的端电压；

b）指示SoH监视器（104）在电流流动循环完成之后测量电池组（102）的端电压；

c）指示SoH监视器（104）在电流流动循环完成之后连续地重新测量电池组（102）的端电压直至连续地重新测量的端电压中的一个等于重新测量的端电压中的先前的一个为止；

d）指示SoH监视器（104）确定并记录在步骤a）与c）之间的时间段期间通过电池组（102）的安培-小时（Ah）；

e）指示SoH监视器（104）根据在步骤a）和c）中确定的端电压之间的差除以在步骤d）中确定的Ah的商来确定电池组（102）的SoH；以及

f）指示SoH监视器（104）将在步骤e）中确定的SoH发送到显示单元（112），用于作为电池组（102）的更新的SoH的显示；

其中开关（116）可操作成在显示单元（112）指示电池组（102）的SoH在预定值以下时将电池组（102）从DC电力系统（118）断开。

2.权利要求1的系统（100）：

其中非瞬时存储器包括电池组动态模型（130），其具有在电池组（102）脱机时在各种温度、端电压和电流处确定的参数R_s、C_st、R_st、C_lt和R_lt的各种值，参数是包括以下的电池组模型（133）的元素：

电阻R_s，其与第一和第二RC分支串联；

第一RC分支，其表示达刚好在将模型电池组（133）保持在休息中之后的短时间的极化现象；

第一RC分支，其包括与电阻器R_st并联连接的电容器C_st；

第二RC分支，其表示达刚好在将模型电池组（133）保持在休息中之后的长时间的极化现象；

第二RC分支，其包括与电阻器R_lt并联连接的电容器C_lt；以及

其中非瞬时计算机可读介质包括用以根据基于电池组动态模型（130）和由SoH监视器（104）做出的测量的开路电压（Voc）估计来确定SoH的指令。

3.权利要求2的系统（100），其中非瞬时计算机可读介质包括用以只有在电池组（102）在步骤c）的完成之前经历第二电流流动循环时才根据Voc来确定SoH的指令。

4.权利要求2-3中的任一个的系统（100），其中非瞬时计算机可读介质包括用以显示基于估计的Voc确定的SoH的指令。