CN108780930A - 在高速率电池放电期间估计放电持续时间的方法 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例提供用于在高速率电池放电期间估计电池放电持续时间的系统和方法。一般而言，本公开的实施例涉及对以秒而不是以分钟为尺度的短持续时间高电流放电事件的电池运行时间的预测，并且针对环境温度进行连续地补偿，该环境温度由于在化学容量实际耗尽之前达到热限制而可以更改放电时间。

Description

在高速率电池放电期间估计放电持续时间的方法

相关申请的交叉引用

根据35U.SC§119(e)，本申请要求2016年1月13日提交的题为“Method ofEstimation of Discharge Time Duration During High-Rate Battery Discharge”的美国临时申请序列号62/278,292的权益和优先权，其全部公开内容通过引用整体而并入本文，该整体用于其所教导的全部和用于全部目的。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及用于估计电池放电时间的方法和系统，并且更具体地，涉及在高速率电池放电期间估计电池放电持续时间。

背景技术

电池(诸如，锂电池)为许多消费电子装置供电。可用电池之间的重要市场差异度量一般与电池在特定应用场景中可以持续多长时间有关。大多数消费电子产品以低至中等电流消耗运行，导致电池放电持续时间可以以小时计量。在这样的应用中，放电率通常是总电池容量的一部分，例如，在C/2和C/10之间，其中C是电池容量。消费者还要求连续且准确地预测他们可以预期的放电持续时间。因此，由一系列模拟测量和计算机逻辑芯片组成的电池管理系统(Battery Management System,BMS)监控电池状态，做出关于电池操作的决定(诸如何时开始和结束充电、何时向用户发出警告等)，并持续估计电池容量、充电状态和预计充放电持续时间。大多数BMS系统所使用的智能电池系统(Smart Batttery System,SBS)规范要求以分钟为单位进行并呈现放电持续时间计算。对于低至中等放电率的应用，可以精确地并且足够精细以便有用地进行这样的以分钟为单位的放电持续时间的估计。

然而，存在高功率电池组以非常高的速率放电的新兴应用。这些应用通常包含用来在短持续时间内操作电气设备的可充电锂电池。这样的应用的一个示例是用于在电源故障的情况下维持计算机系统的电池备用电源。在这样的应用中，放电率可以以显著的因子(例如，10C)超过电池容量，其中C是电池容量。在这样的放电率下，这些应用将可能会在短至3到5分钟的时间段内将电池放电。这样的快速放电产生极大的热量。在一些情况下，热足以熔化电池并引起灾难性故障，例如火灾和/或爆炸。因此，大多数BMS包含热安全特征，其监控电池温度并当电池加热到某一温度时关闭或中断放电。虽然这些热安全特征极大地改善了电池的安全性和可靠性，但是它们可能引起由BMS计算的放电持续时间估计不准确，因为在电池的可用储存能量完全耗尽之前可能达到热限制。此外，当电池仅在几分钟内放电时，以分钟为单位计算的放电持续时间估计不提供可用信息。因此，需要用于在高速率电池放电期间估计电池放电持续时间的改善的方法和系统。

发明内容

本公开的实施例提供用于在高速率电池放电期间估计电池放电持续时间的系统和方法，其考虑化学和热容量两者。一般而言，本公开的实施例涉及对以秒而不是以分钟为尺度的短持续时间高电流放电事件的电池运行时间的预测，并且对包含环境温度上升和归因于单元自热的单元内部温度上升两者的温度变化进行连续地补偿，所述温度变化由于在化学容量实际耗尽之前达到热限制而可以更改放电时间。

根据一个实施例，确定电池的放电持续时间可以包括基于正从电池放电的实际电流量，计算电池的基于电流的放电终止时间。计算出的电池的基于电流的放电终止时间可以包括若干秒。还可以基于电池正被放电时电池的实际温度，计算电池的基于温度的放电终止时间。计算出的电池基于温度的放电终止时间也可以包括若干秒。计算出的电池的基于温度的放电终止时间还基于电池正被放电时电池的实际温度以及电池正被放电时电池的实际温度的变化率的实时测量。

可以将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较，并且可以基于将该计算出的电池的基于电流的放电终止时间与该计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较而确定电池的放电持续时间。更具体地，基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较而确定电池的放电持续时间可以包括：响应于电池的基于电流的放电终止时间大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于温度的放电终止时间的秒数。响应于电池的基于电流的放电终止时间不大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于电流的放电终止时间的秒数。可以提供所确定的放电持续时间，例如，作为剩余电荷的燃料计量或其他指示。

根据一个实施例，确定电池的SOH可以至少部分地基于电池正被放电时电池的实际温度，并且可以包括储存电池温度上升值的一组初始变化。可以确定电池正被放电时电池的温度上升的实际变化。可以确定所储存的温度上升值的该组初始变化中的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率。还可以确定电池正被放电时电池的最高温度和预期温度。可以基于所储存的温度上升值的该组初始变化中的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率以及电池正被放电时电池的最高温度和预期温度，确定放电期间允许的最短预测时间。响应于实际放电时间小于最短预测时间，可以将电池标识为服务寿命结束(EOSL)。

附图说明

图1是图示根据一个实施例的包含实现电池监控和放电持续时间计算的电池管理系统(BMS)的系统的框图。

图2是图示根据一个实施例的作为放电率的函数的电池单元温度上升的比较的图。

图3是图示根据一个实施例的温度上升相对电流曲线的图。

图4是图示根据一个实施例的基于电流和基于时间的放电持续时间计算的比较的曲线图。

图5是图示根据一个实施例的用于电池监控和放电持续时间计算的示例性处理的流程图。

图6是图示根据一个实施例的用于预测电池的SOH的示例性处理的流程图。

在附图中，类似的组件和/或特征可以具有相同的参考标记。此外，可以通过在参考标记之后用区分类似组件的字母来区分相同类型的各种组件。如果在说明书中仅使用第一参考标记，则该描述适用于具有相同第一参考标记的任何一个类似组件，而与第二参考标签无关。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本文公开的各种实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些具体细节的情况下实践本公开的各种实施例。随后的描述仅提供示例性实施例，并且不旨在限制本公开的范围或适用性。此外，为了避免不必要地模糊本公开，前面的描述省略了若干已知的结构和装置。该省略不应被解释为对权利要求范围的限制。而是，示例性实施例的随后的描述将为本领域技术人员提供用于实现示例性实施例的能实现的描述。然而，应当理解，本公开可以以超出本文阐述的具体细节的各种方式实践。

应当理解，在本文中说明的方面、实施例和/或配置描述高功率电池系统。该系统的各种组件可以包含电源、电力转换装备、电机驱动器、高功率机械致动器、高功率电池系统及其组合。在一些实施例中，当高功率电池或电池系统具有切入和切出与电源或包含该电源的系统的电连接的能力时，高功率电池可以在电源或电力转换系统发生故障的情况下输送电力。这些高功率电池，其中本说明书的实施例可以用于电力备用、车辆、运输、电动工具、医疗设备和测量设备。从以下描述中可以理解，并且出于计算效率的原因，在不影响系统的操作的情况下，系统的组件可以布置在电力输送系统内的任何位置。

虽然本文说明的示例性方面、实施例和/或配置示出了系统的各种组件是共同定位的，但是系统的某些组件可以远程地定位在分布式网络(诸如LAN和/或互联网)的远端部分或在专用系统内。因此，应当理解，系统的组件可以组合到一个或多个装置中或者共同定位在分布式网络的特定节点上，诸如模拟和/或数字电信网络、分组交换网络或电路交换网络。从以下描述中可以理解，并且出于计算效率的原因，在不影响系统的操作的情况下，系统的组件可以布置在分布式组件网络内的任何位置。

此外，应当理解，连接元件的各种链路可以是有线或无线链路，或其任何组合，或能够提供和/或传送数据到所连接的元件且能够从所连接的元件提供和/或传送数据的任何其他已知或以后开发的元件。这些有线或无线链路也可以是安全链路，并且能够传送加密信息。例如，用作链路的传输介质可以是用于电信号的任何合适的载体，包含同轴电缆、铜线和光纤，并且可以采用声波或光波的形式，诸如在无线电波和红外数据通信期间产生的声波或光波。

如本文所使用的，短语“至少一个”、“一个或多个”、“或”和“和/或”是开放式表达，其在操作中既是连接词又是反意连接词。例如，表达“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和/或C”以及“A、B或C”中的每个表示单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。

术语“一”或“一个”实体指代一个或多个该实体。同样地，术语“一”(或“一个”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以互换使用。

如本文所使用的术语“自动”及其变体指代当进行处理或操作时在没有实质人为输入的情况下完成的任何处理或操作。然而，即使处理或操作的进行使用了实质或非实质人为输入(如果在进行处理或操作之前接收到输入)，该处理或操作也可以是自动的。如果此类输入影响处理或操作的进行方式，则认为人为输入是实质的。对处理或操作的进行认同的人为输入则不被认为是“实质的”。

本文使用的术语“计算机可读介质”指代参与向处理器提供指令以供执行的任何有形储存和/或传输介质。这样的介质可以采用许多形式，包含但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包含例如NVRAM或磁盘或光盘。易失性介质包含动态存储器，诸如主存储器。计算机可读介质的常用形式包含，例如，软盘、可折叠盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、磁光介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM，如存储卡的固态介质、任何其他存储器芯片或盒、如下文所述的载波、或者计算机可以读取的任何其他介质。电子邮件或其他自包含信息档案或档案集的数字文件附件被认为是等同于有形存储介质的分发介质。当计算机可读介质配置为数据库时，应该理解，数据库可以是任何类型的数据库，诸如关联式的、分层的、面向对象的等。因此，本公开被认为包含有形储存介质或分发介质以及现有技术认可的等同物和后继介质，本公开的软件实现被储存在其中。

“计算机可读信号”介质可以包含传播的数据信号，其中包含计算机可读程序代码，例如，在基带中或作为载波的一部分。这样的传播信号可以采用各种形式中的任何一种，包含但不限于电磁、光学或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是任何计算机可读介质，其不是计算机可读储存介质并且可以传送、传播或传输程序以供指令执行系统、设备或装置使用或与之结合使用。计算机可读介质上包含的程序代码可以使用任何适当的介质发送，包含但不限于无线、有线、光纤电缆、RF等、或者前述的任何合适的组合。

本文使用的术语“电池”、“单元”、“电池单元”及其变体可互换使用，并且包含任何类型的电化学电力输送装置。

本文所用的术语“容量”、“能量”、“储存的能量”、“化学容量”及其变体可互换使用，并描述电池内含有的基本电荷量以及从电池中提取电荷以提供电力和/或工作的能力。

本文使用的术语“确定”、“计算”和“运算”及其变体可互换使用，并且包含任何类型的方法、处理、数学运算或技术。

应当理解，根据35USC第112节第6段，本文所用的术语“构件”应给予其最广泛的解释。因此，包含术语“构件”的权利要求应涵盖本文阐述的所有结构、材料或动作、以及其所有等同物。此外，结构、材料或动作及其等同物应包含在本公开的发明内容、附图说明、具体实施方式、摘要和权利要求本身中描述的所有那些。

本公开的各方面可以采取整体硬件实施例、整体软件实施例(包含固件、驻留软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，其在本文中一般都可以称为“电路”、“模块”或“系统”。可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读储存介质。

本公开的系统和方法可以结合专用计算机、编程的微处理器或微控制器和外围集成电路元件、ASIC或其他集成电路、数字信号处理器、诸如分立元件电路的硬线电子或逻辑电路、可编程逻辑装置或门阵列(诸如PLD、PLA、FPGA、PAL、专用计算机、任何类似的构件)等。一般地，能够实现本文所说明的方法的任何装置(或多个装置)或构件可用于实现本公开的各个方面。可以用于所公开的实施例、配置和方面的示例性硬件包含计算机、手持装置、电话(例如，蜂窝的、启用互联网的、数字的、模拟的、混合的等)、以及本领域中已知的其他硬件。这些装置中的一些包含处理器(例如，单个或多个微处理器)、存储器、非易失性储存器、输入装置和输出装置。此外，还可以构造替代软件实现方式，包含但不限于分布式处理或组件/对象分布式处理、并行处理或虚拟机处理，以实现本文所描述的方法。

本文描述的处理器的示例可以包含但不限于具有4G LTE集成和64位计算的800和801、610和615、具有64位架构的 A7处理器、 M7运动协处理器、系列、 Core^TM系列处理器、系列处理器、 Atom^TM系列处理器、系列处理器、i5-4670K和i7-4770K 22nm Haswell、i5-3570K22纳米Ivy Bridge处理器、 FX^TM系列处理器、FX-4300、FX-6300和FX-8350 32纳米Vishera处理器、 Kaveri处理器、Texas Jacinto C6000^TM汽车信息娱乐处理器、Texas OMAP^TM汽车级移动处理器、Texas MSP430^TM处理器、 Cortex^TM-M处理器、 Cortex-A和ARM926EJ-S^TM处理器、各种架构且可从数个源头得到的数字信号处理器以及其他工业等效处理器中的至少一种，并且可以使用任何已知的或未来开发的标准、指令集、库和/或架构来进行计算功能。

在又一个实施例中，所公开的方法可以容易地结合使用对象或面向对象的软件开发环境的软件来实现，该软件开发环境提供可以在各种计算机或工作站平台上使用的便携式源代码。替代地，所公开的系统可以使用标准逻辑电路或VLSI设计部分地或完全地在硬件中实现。软件还是硬件被用于实现根据本公开的系统取决于系统的速度和/或效率要求、特定功能以及所利用的特定软件或硬件系统或微处理器或微计算机系统。

在又一个实施例中，所公开的方法可以部分地以软件实现，该软件可以储存在储存介质上，在控制器和存储器协作下的编程的通用计算机、专用计算机、微处理器等之上执行。在这些情况下，本公开的系统和方法可以实现为嵌入在个人计算机上的程序，诸如applet、或CGI脚本，实现为驻留在服务器或计算机工作站上的资源，实现为嵌入在专用测量系统、系统组件中的例程等。该系统还可以通过将系统和/或方法物理地并入到软件和/或硬件系统中来实现。

尽管本公开参考特定标准和协议描述了在方面、实施例和/或配置中实现的组件和功能，但是这些方面、实施例和/或配置不限于这些标准和协议。本文未提到的其他类似标准和协议也是存在的并且认为是包含于本公开中。此外，本文提到的标准和协议以及本文未提到的其他类似标准和协议周期性地被具有基本相同功能的更快或更有效的等同物取代。具有相同功能的这样的替换标准和协议也被认为是包含于本公开中的等同物。

本公开的实施例提供用于估计电池放电时间的系统和方法，特别用于在高速率电池放电期间估计电池放电持续时间。更具体地，本公开的实施例涉及对以秒而不是以分钟为尺度的短持续时间高电流放电事件的电池运行时间的预测，并且针对环境和/或组件温度进行连续地补偿，该环境和/或组件温度由于在化学容量实际耗尽之前达到热限制而可以更改放电时间。下面将参考附图描述本公开的实施例的各种附加细节。尽管将关于事件的特定顺序来讨论和说明流程图，但应当理解，可以在不显着影响所公开的实施例、配置和方面的操作的情况下发生对该顺序的改变、添加和省略。

图1是图示根据一个实施例的包含实现电池监控和放电持续时间计算的电池管理系统(BMS)的系统的框图。一般而言，并且如该示例中所示，系统100可以包含电池105，例如锂或其他可充电电池，电池105通过一对电力导体115和120以及可选的电流限制器125向电负载110提供电力。如将可见的，组件之间的表示电力的线(诸如电力导体115和120)在此图示为粗实线，而组件之间的表示控制信号的线在此图示为虚线。

示例性系统100还可以包含BMS，该BMS包括电力接口130、控制器135、温度传感器140和电流传感器145。电力接口130可以从电力导体115和120汲取电力以给控制器135供电。控制器可以包含存储器150，其储存可由控制器135内的处理器155执行的固件或其他指令。当由处理器155执行时，存储器150中的固件或其他指令可以使控制器135管理电池105的操作，诸如，通过温度传感器140、电流传感器145和/或其他传感器(本文未示出)来监控电池105，并且直接地或通过电力接口130来致动电力导体115和120上的一个或多个断开器160和165以将电池105从负载110断开，从而来保护电池105不在安全范围外操作。

应当注意并理解，本文所示的BMS的组件，即电力接口130、控制器135、温度传感器140和电流传感器145，不需要是分开的物理元件。而是，这些组件及其功能可以组合成一个或多个物理组件。在一些实施方式中，BMS可以制造为包括一个或多个集成电路的芯片组。类似地，虽然为了简单和清楚在此未示出，但应该理解，BMS可以包含若干其他传感器和/或组件以进行各种功能。例如，除了温度传感器140和电流传感器145之外，BMS还可以包含依据总电压、个体单元的电压、平均、最小和最大单元电压等来监控电池电压的传感器。使用各种传感器并且在控制器135的固件的控制下，BMS可以保护电池105免受各种破坏性和/或危险状况的影响，包含但不限于过电流、过电压(在充电期间)、欠电压(在放电期间)、过温、欠温、接地故障等。附加地或替代地，BMS的控制器135可以确定充电状态(State ofCharge,SOC)或放电深度(Depth of Discharge,DOD)以指示电池的电荷水平，确定指示电池的整体状况的健康状态(State of Health,SOH)，和/或进行若干其他确定或进行各种其他计算。

例如，一种用于确定电池的剩余操作寿命、或电池SOH、或电池进行其预期功能的瞬时能力的方法，可以基于当前容量的测量、以及在任何时间点该容量与新电池时电池的容量的比较。因此，电池容量用作电池SOH的直接指标。使用受控放电电流、然后对由电池输送的电流乘以电池端电压进行积分，来测量电池容量。电池容量可以按如下方式计算：

容量(Ah)＝ΣI_discharge(A)*t_discharge(h)

或者

容量(Ah)＝∫I_discharge(A)*dt

其中I_discharge是放电电流，t_discharge是以小时为单位的放电持续时间。对于任何特定恒定电流值，电池容量越高，电池放电时间将越长。因此，该方法基于由于单元老化或单元化学性质的内部变化而导致的容量下降，来推导SOH值，其中SOH计算如下：

SOH_(现在的)＝容量_(现在的)/容量_(新的)

符合智能电池系统(SBS)规范的BMS系统具有预测放电持续时间的基本方法。通常称为“清空时间”，它提供了直到电池中储存的电荷完全耗尽的剩余时间的估计。当电池能量耗尽时，必须终止任何放电事件。剩余放电时间量的计算基于使用以下公式的简单计算：剩余容量(mAh)/电流(A)＝时间(hr)。这些计算也基于瞬时或平均电流。SBS规范将平均电流限定为“过去60秒内的平均电流”。这对于低速率放电是可接受的，其中完全放电时间通常以小时为单位测量。这些计算一般由符合SBS的燃料计量芯片处理，这是因为该芯片具有对剩余容量、电流和平均电流信息的完整和最新访问。

SBS规范将与持续时间(放电终止时间、平均放电终止时间、充电时间、平均充电时间等)有关的数据寄存器定义为大小为16位，并且从0分钟到65535分钟以分钟为尺度(scale)。一般而言，符合SBS的系统中不存在更改这些测量的尺度因子的选项。这样的尺度一般适用于低至中等放电率的装置，诸如手机、便携式计算机等，但是新兴的一类应用已经变得可用，其一般以非常高的放电率操作，其中被完全充电的电池的全部容量可以在五分钟或两分钟甚至更短的时段内耗尽。对于这些应用，以分钟为单位测量的放电持续时间估计不提供有用的信息。符合SBS规范的商用燃料计量芯片组不能够以除分钟以外的单位来估计放电时间，并且在诸如在该单元的正常操作下所预期的高环境温度环境中，它们所提供的放电时间估计将严重估计过高。

对于高放电率应用，例如，在500秒内发生完全放电的情况下，用户可以预期的剩余放电时间的更有意义的测量将是以秒为单位而不是分钟为单位的操作来呈现的。由于SBS规范中含有的寄存器定义，在通常可用的BMS芯片组和系统中不可能获得这样的尺度。此外，可用的BMS不具有允许针对快速升高的温度而对操作时间估计进行补偿的方法，该快速升高的温度起因于在高速率放电期间的电池自热、电池内部阻抗变化或与高电流放电事件相关的其他重要因素。

因此，本文公开的实施例提供运行时间估计过程，其考虑化学容量和热容量两者，提供信号处理以降低噪声并且包含比较逻辑计算以在高速率放电应用中获得可靠且适当尺度的放电时间估计。这些实施例可以在SBS规范规定的算法之外获得对以秒而不是以分钟为尺度的短持续时间高电流放电事件的电池运行时间的预测，并且针对瞬时且连续变化的环境和单元温度进行连续地补偿，该连续变化的环境和单元温度由于在化学容量实际耗尽之前达到热限制而可以更改放电时间。

这些实施例可以实现为指令，该指令储存在BMS控制器135的存储器150中并且由处理器155独立于任何SBS规范燃料计量芯片或算法来执行。这些指令可以向控制器135提供一组功能，包含为输出电流选择不同的平均时段(例如，1秒、5秒、7秒或适合于应用的另一周期)以匹配具体放电率以及放电电流的可变性的能力。这些功能可以将化学容量放电时间计算尺度从以分钟为单位进行的估计(即，以mAh为单位的剩余容量*60/以mA为单位的电流)改变为以秒为单位测量的估计(即，以mAh为单位的剩余容量*3600/以mA为单位的电流)。根据一个实施例，由控制器135的处理器155执行的功能可以应用温度补偿以将放电时间估计减少到电池105的化学容量或热容量中的较小者，其中温度补偿可以基于当前温度以及温度的变化率的实时测量以预测达到最高温度的时间。可以连续地进行变化的化学容量和温度变化率的比较。类似地，这些计算可以连续进行，并且计算结果可以实时报告。

因此，本公开的实施例提供电池放电持续时间的估计，其使用电池的剩余化学容量和得到的平均电流，来实时运算以秒而不是以分钟为尺度的预期放电持续时间。实施例还提供与锂电池单元自热相关的温度补偿因子。这些算法中的每一个都可以连续进行，并且结果可以实时更新。

图2是图示根据一个实施例的作为放电率的函数的电池单元温度上升的比较的图。一般而言，该图200图示了如果在化学容量限制结束之前达到最大单元工作温度，则测量到不同的放电时间。更具体地，该图200表示沿水平轴205的电池放电时间相对(versus)沿垂直轴210的电池单元温度，并且作为电池放电率的函数215A-C。在10C放电率215C的示例中，电池将在达到其热限制之前耗尽其化学容量。在15C放电率215B，放电时间(t2)在达到固定的温度限制时结束。这发生在电池达到其化学容量限制之前。在甚至更高的速率下，诸如20C的放电率215A，温度上升可以足够快以将总放电持续时间减少2倍(t1)。

因此，并且根据一个实施例，对任何给定放电的预期持续时间的计算可以基于两个不同的变化率。第一个可以是电池存储能量的变化率，并且第二个可以是放电期间的电池温度的变化率。可以基于在放电开始时电池的初始储存能量和正从电池移除的电流的基于时间的积分，来计算电池储存能量的变化率。电池的最大储存电荷与电池的化学容量有关。当完全充电时，电池具有与其化学容量有关的给定量的储存能量。当部分充电时，电池也具有具体量的储存能量，称为其瞬时容量。电池的化学容量取决于电池的内部结构和化学性质以及上充电限制电压和下放电限制电压。电池的化学容量可以使用电子测量装备实验性地确定，并且可以以安培小时(安培小时或Ah)或毫安培小时(mAh)表示。可以使用单元上的热测量装置，来测量放电期间的温度变化率。

基于电流的清空时间(Time to Empty)

在受控放电中，可以基于化学容量计算电池的放电持续时间。电池的化学容量可以经由数种方法获得。例如，可以使用受控放电并测量实际放电时间来直接测量电池容量。在另一示例中，可以基于对充电或放电电流作为时间的函数进行积分，来计算电池容量。可以在从“电池耗尽”状态到“电池充满”状态的充电循环期间、或者在从“电池充满”状态到“电池耗尽”电荷状态的放电期间，来测量电流。当电池耗尽化学能量时，它被认为是“空的”。按照惯例，充电电流被认为是正(+)电流，因为它向电池单元添加电荷。按照惯例，放电电流被认为是负(-)电流，因为它从电池单元中移除电荷。在一些示例中，可以由BMS芯片组和软件确定和报告电池电荷状态。基于电流的清空时间的计算利用了用来获得瞬时电池容量的方法，但与该方法相独立。

电池的放电时间的计算可以从电池的已知的瞬时容量或储存能量开始。这表示为电池或电池组的给定操作状态的瞬时容量(C_inst)。然后可以根据以下公式将以安培-小时为单位的瞬时容量转换为以安培-秒为单位的瞬时容量：

C_inst(As)＝C_inst(Ah)*3600(S/h)

接下来，根据安培力定律，可以以库仑(1C＝1As)计算积分电荷(Q)。可以在某个时间间隔测量电流，并且可以根据以下公式计算积分电荷：

Q(_inst)[As]＝[t₂-t₁](s)*I(A)

累积电荷的总和可以等于从电池耗尽的能量的量。当检测到放电电流并开始电荷积分时，可以测量从电池移除的电荷量。对于恒定电流放电，耗尽的电荷量可以根据以下公式计算：

C_used[As]＝t_n[s]*I_act[A]

其中C_used是消耗的电荷容量的量，t_n是放电的时间量，I_act是放电的实际测量电流。对于非恒定电流放电事件，可以根据以下公式由在某个时间间隔内电流(I)的数学积分来表示该计算：

C_used＝∫I dt

总的最大容量和使用的容量的差异则可以是要考虑的剩余容量：

C_remain[As]＝C_max[As]-C_used[As]

然后可以使用剩余容量来计算任何给定的瞬时电流值的剩余放电时间量：

t_remain[s]＝C_remain[As]/I_act[A]

根据一个实施例，可以在相反方向上使用相同的过程来累积电荷，以在充电期间补充电池能量。

基于温度的放电终止时间

电荷积分的标准实践很容易应对(account for)低速率放电期间的电池容量。然而，在大于5C并且特别是大于8C的高速率放电事件中，大多数可充电电池单元将呈现显著的温度上升。该温度上升基于由于单元的内部电阻和由单元输送的高电流引起的功率损耗。功率损耗遵循功率定律和焦耳加热，即P＝I²R，其中P是每单位时间消耗的功率，I是电流，以及R是单元的电阻。在一些情况下，自热是如此极端，以至于必须终止放电事件以保护单元或避免灾难性的单元故障。如果单元的自热产生比化学容量耗尽的速率要快的温度上升速率，则电池将达到其最高安全工作温度，迫使放电在化学能耗尽之前被终止。本公开的实施例可以计算温度上升速率并将其与能量耗尽速率进行比较，以便确定哪个放电时间限制条件将会首先发生。可以使用现代电子测量和微处理器技术，在近似实时的时间尺度上完成这样的比较。

图3是图示根据一个实施例的一系列温度上升相对电流曲线的图。可以使用单元表面上的热测量装置来测量单元温度上升。如该图300所示，如垂直轴305所示的作为时间的函数的温度上升速率(dT/dt)在如沿水平轴310所示的离散电流放电速率下相对恒定，并且单元寿命允许受控条件运行之间的比较。

随着电池老化，电池的内部电阻增加。随着内部电阻增加，与内部功率损耗和焦耳加热相关的内部温度上升加速。因此，根据一个实施例，可以使用由给定放电电流下的内部单元电阻引起的单元内部温度上升的动态测量以及放电曲线315上的位置两者，来确定电池SOH。

每个电池还具有与特定放电电流关联的端电压曲线。可以沿着放电V-I曲线的与不同SOC相对应的不同点处，测量单元温度上升的变化(ΔT)以及单元温度上升的变化率(dT/dt)。根据一个实施方案，可以保持和监控这些温度变化的记录以用于作为循环寿命的函数的改变，并用作电池的单元老化和整体健康状态的度量。可以对电池组件中的单个单元或多个串联单元计算这些温度变化，但是当基于逐个单元地考虑时可能是最有用的，这是因为单元可以由于制造公差的差异或应用中的局部环境温度差异而以不同的速率老化。

如上所述，随着电池单元老化，其内部电阻增加。这样的电阻变化是由于包括电池阳极和阴极的材料的内部结构变化、电解质的化学变化、电极涂层的退化、金属沉淀、扩散通路以及其他化学、电学和机械机理变化，其改变了锂离子在充电和放电循环期间从阳极到阴极来回传播的能力。因为内部电阻发生了变化，所以在放电循环期间产生附加的热量，其可以直接测量为温度的变化。

因此，放电期间单元温度的变化可以用作单元老化的指标，并且可以从单元电阻的变化来推断SOH值。因为单元内部电阻值高度依赖于单元组件的化学性质和结构，不同的单元将以不同的速率老化并且证明了在受控的放电条件下单元加热的个体变化。

可以将温度上升的速率与一些限制进行比较。例如，单元温度的上限可以是65℃至80℃。该限制可以由电池单元内部组件的潜在故障来施加。最大可允许放电温度可以限定为：

T_Limit＝放电终止温度最大限制

使用温度测量装置，可以监控电池或电池组的温度。此温度可以表示为：

T_act＝实际测量温度

可以在一段时间间隔内对温度取平均，以提供一些平滑。可以使用一阶导数方法计算温度变化率。这可以使用以下公式在数字上计算：

dT/dt＝(T_n+x-T_n)/(t_m+x-t_m)[deg/s]

其中T是温度，并且t是测量的时间。使用电池组温度的上升速率，可以预测电池温度达到其最大限制的时间量。达到最高温度的预测时间可以根据以下公式计算：

t_max[s]＝(T_limit-T_act)/[dT/dt]

存在多种确定dT/dt的方法。这些示例中的每一个都在处理器资源量和数据存储器要求方面不同。在一个实施例中，可以使用放电开始时间作为初始温度和时间值，然后对于给定的时间量测量温度变化以确定dT/dt，来直接地测量dT/dt。如果有足够的处理器速度和资源分配，则可以实时完成此计算。

在另一实施例中，每个电池组系统可以被校准到其给定环境(包含环境温度和任何强制空气冷却系统)的温度上升。例如，汽车电池组可以具有有限的直接单元冷却。相比之下，用于计算机系统备用电源的电池单元可以具有直接风扇冷却和较小的整体电池组大小。在系统校准期间，可以获得精确的温度上升相对电流曲线。这可以从恒定功率曲线或恒定电流放电获得。可以计算dT/dt值(如上所述)并相对于电流绘图，如图3的图300所示。图3图示了特定电池组系统在各种放电电流下的温度变化率的校准点。不同的电池系统将具有不同的温度变化率和不同的放电电流。可以使用基于功率定律的非线性曲线来拟合这些数据点。可以使用以下二次方程拟合该曲线：

y＝Ax²+Bx+C

根据曲线拟合创建了三个变量。可以在完成该计算的微控制器或BMS中，输入或改变这三个校准变量值。一旦建立校准曲线，最大电流(上文中的I_max)可以用于计算二次方程的适当dT/dt值：

dT/dt_calc＝A*I_max ²+B*I_max+C

可以取决于处理器速度和系统的资源分配，来实时计算dT/dt。在另一实施例中，可以使用校准的测量来预先确定dT/dt，该校准的测量导致如上所述的与电流的非线性关系。在此实施例中，计算在系统的编程阶段期间进行，并作为数据阵列或矩阵储存在数据存储器中。这样的类型的阵列可以应对利用多变量的多维查找。

一旦使用任何上述方法或其组合确定了dT/dt，就可以实现基于温度的放电终止时间的计算。使用先前的T_max阈值(上文中的T_limit)，可以对于所定义的电流阈值(I_max)计算温度上升限制，并且这可以被用于计算剩余时间：

t_{Tmax-remaining}(s)＝(T_limit-T_actual)[C]/(dT/dt_calc)[C/s]

可以使用类似的方程，这取决于电池组的开始或背景温度以及算法中内置的附加校正因子。

比较

然后，可以将计算出的基于电流的放电终止时间与基于温度的放电终止时间进行比较，并且这两个值中的较短者可以用于预测电池组在放电期间的放电终止操作时间。换言之，预测的放电终止时间可以是预测温度(最大值)时间和电流(最大值)时间中的较小者。预计的剩余放电时间将以秒为单位来呈现。

图4是图示根据一个实施例的基于电流和基于时间的放电持续时间计算的比较的曲线图。图400表示由电流曲线405表示的2000mAh工业标准18650形状因数单元的30A恒定电流放电的示例。以1秒的间隔监控由温度曲线410表示的单元温度。放电表示15C的放电率。放电持续了103秒。基于I的放电终止时间曲线415示出了在放电开始时大约为190秒的基于能量的剩余时间。基于T的放电终止时间曲线420基于温度上升速率。当温度达到最高68°C时，放电被终止。基于电流的剩余时间计算示出大约为80秒的剩余放电时间。在能量耗尽前，电池已达到热限制。因此，在该示例中，放电终止的预测时间应遵循基于温度的曲线而不是基于电流的曲线。该软件的逻辑功能如下：

IF[

I_Time_to_discharge termination>T_time_to_discharge_termination]

Then[Predicted_Discharge_Time＝T_time_to_discharge_termination]

else[Predicted_Discharge_Time＝I_time_to_discharge termination]

Print Predicted_Discharge_Time

图5是图示根据一个实施例的用于电池监控和放电持续时间计算的示例性过程的流程图。如此示例所述，确定电池的放电持续时间可以包括：基于正从电池放电的实际电流量，计算505电池的基于电流的放电终止时间。计算出的电池的基于电流的放电终止时间可以包括若干秒。还可以基于在电池正被放电时电池的实际温度，计算510电池的基于温度的放电终止时间。计算出的电池的基于温度的放电终止时间也可以包括若干秒。计算出的电池的基于温度的放电终止时间还可以基于电池正被放电时电池的实际温度以及电池正被放电时电池的实际温度的变化率的实时测量。

可以将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较515，并且可以基于将该计算出的电池的基于电流的放电终止时间与该计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较而确定电池的放电持续时间。更具体地，基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较而确定电池的放电持续时间可以包括：响应于确定520电池的基于电流的放电终止时间大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定530为电池的基于温度的放电终止时间的秒数。响应于确定520电池的基于电流的放电终止时间不大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，可以将放电持续时间的值设定525为电池的基于电流的放电终止时间的秒数。提供535所确定的放电持续时间，例如，作为剩余电荷的燃料计量或其他指示。

健康状态预测

作为计算剩余放电时间的基于温度的预测的变化的过程的一部分，计算了温度上升的速率(dT/dt)。如上所述，该温度上升的速率可以用于确定电池的SOH。在高速率放电中，由于内部单元阻抗(也称为内部单元电阻)而发生单元温度升高。两种最常见的内部电阻测量是AC阻抗和DC内部电阻(DCIR)。AC阻抗最常用一千赫兹(1kHz)频率测量。可以使用0.1Hz或更小的测量频率获得DC内部电阻，包含静态DC测量。在高功率放电期间，DCIR对单元的温度上升的速率具有更大的影响。DCIR差异和dT/dt之间存在直接相关性。阳极和阴极的不同化学性质以及单元组件和结构材料的差异(包含电解质组成、阳极和阴极板对准以及隔板膜构造)，可以改变内部电阻。电池单元可以专门设计为具有低DCIR。尽管DCIR存在差异，但所有单元都会经历内部化学变化，这表明随着循环寿命的增加，DCIR会增加。

由电池内的随着其累积充电和放电循环的化学变化所造成的DCIR的增加也将引起高速放电期间温度变化的速率(dT/dt)的增加。随着单元老化，dT/dt的改化导致单元随着循环计数的增加而更快速地升温。根据一个实施例，可以监控温度上升的变化(dT/dt)作为电池单元SOH的预测量度。

更具体地，在一个实施例中，可以将初始dT/dt预编程到BMS存储器中。可以基于dT/dt和放电率，将dT/dt编程为经验推导的矩阵。当电池在其操作寿命期间被放电时，可以将当前测量的dT/dt与前面提到的矩阵中的给定电流速率的初始dT/dt进行比较。dT/dt的变化率的比率可用作SOH的预测度量。知道最高温度限制和最高预期环境温度，可以计算放电时间的预测。这可以与电池完成其指定放电功能所需的最短时间进行比较。当实际放电时间达到最短预测时间时，可以认为电池已达到其服务寿命的终点。上述比较算法可以用来预测在电池应该从服务中移除之前有多长时间。这可以与常规的基于容量的SOH测量结合使用。

图6是图示根据一个实施例的用于预测电池的SOH的示例性处理的流程图。如此示例所述，确定电池的SOH可以至少部分地基于在电池正被放电时电池的实际温度，并且可以包括储存605电池的温度上升值的一组初始变化。可以确定610在电池正被放电时电池的温度上升的实际变化。可以确定615所储存的温度上升值的该组初始变化中的所储存的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率。还可以确定620在电池正被放电时电池的最高和预期温度。可以基于所储存的温度上升值的该组初始变化中的所储存的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率以及在电池正被放电时电池的最高和预期温度，而确定在放电期间允许的最短预测时间。响应于实际放电时间小于最短预测时间，可以将电池标识为处于服务寿命结束(End Of Service Life,EOSL)。

本公开在各个方面、实施例和/或配置中包含基本上如本文(包含其各个方面、实施例、配置实施例、子组合和/或子集)描绘和描述的组件、方法、过程、系统和/或设备。在理解本公开之后，本领域技术人员将理解如何制作和使用所公开的方面、实施例和/或配置。本公开在各个方面、实施例和/或配置中包含，在不存在本文未描绘和/或未描述的项目的情况下或者在其各个方面、实施例和/或配置中(包含在不存在先前的装置或过程中可能已经使用的这样的项目的情况下)提供例如用于改善性能、实现容易和/或降低实现成本的装置和过程。

上述讨论已经出于说明和描述的目的而被呈现。上述内容并非旨在将本公开限制于本文公开的一种或多种形式。在前面对示例的详细描述中，为了简化本公开，本公开的各种特征在一个或多个方面、实施例和/或配置中被组合在一起。本公开的方面、实施例和/或配置的特征可以在除了上面讨论的那些之外的替代方面、实施例和/或配置中组合。该公开方法不应被解释为反映权利要求需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。而是，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开的方面、实施例和/或配置的所有特征。因此，以下权利要求在此并入该详细描述中，其中每个权利要求自身作为本公开的单独的优选实施例。

此外，尽管描述已经包含一个或多个方面、实施例和/或配置以及某些变型和修改的描述，但是在理解本公开之后，例如，可以在本领域技术人员的技能和知识范围内的其他变型、组合和修改也在本公开的范围内。其旨在获得在允许的范围内包含替代方面、实施例和/或配置的权利，包含权利要求的替代的、可互换的和/或等同的结构、功能、范围或步骤，无论这样的替代的、可互换的和/或等同的结构、功能、范围或步骤是否在本文公开，并且其无意公开专用任何可专利主题。

Claims (20)

1.一种用于确定电池的放电持续时间的方法，所述方法包括：

由电池管理系统(BMS)基于对放电开始时储存在电池中的电荷的确定以及正从电池放电的实际电流量，计算电池的基于电流的放电终止时间；

由所述BMS基于电池正被放电时电池的实际温度测量，计算电池的基于温度的放电终止时间；

由所述BMS将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较；

由所述BMS基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较，确定电池的放电持续时间；以及

由所述BMS提供所确定的放电持续时间。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述计算出的电池的基于电流的放电终止时间包括若干秒。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述计算出的电池的基于温度的放电终止时间包括若干秒。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述计算出的电池的基于温度的放电终止时间还基于电池正被放电时电池的实际温度以及电池正被放电时电池的实际温度的变化率的实时测量。

5.如权利要求4所述的方法，其中基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较，确定电池的放电持续时间包括：

响应于电池的基于电流的放电终止时间大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于温度的放电终止时间的秒数；以及

响应于电池的基于电流的放电终止时间不大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于电流的放电终止时间的秒数。

6.如权利要求1所述的方法，还包括由所述BMS至少部分地基于电池正被放电时电池的实际温度来确定电池的健康状态(SOH)。

7.如权利要求6所述的方法，其中由所述BMS确定电池的SOH还包括储存电池的温度上升值的一组初始变化。

8.如权利要求7所述的方法，其中由所述BMS确定电池的SOH还包括：

确定电池正被放电时电池的温度上升的实际变化；

确定所储存的温度上升值的该组初始变化中的所储存的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率；

确定电池正被放电时电池的最高温度和预期温度；

基于所储存的温度上升值的该组初始变化中的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率以及电池正被放电时电池的最高温度和预期温度，确定放电期间允许的最短预测时间；以及

响应于实际放电时间小于最短预测时间，将电池标识为服务寿命结束(EOSL)。

9.一种系统，包括：

处理器；以及

存储器，与处理器耦接并可由处理器读取，并在其中储存一组指令，当由处理器执行时，该组指令使得处理器通过以下操作确定电池的放电持续时间：

基于正从电池放电的实际电流量，计算电池的基于电流的放电终止时间；

基于电池正被放电时电池的实际温度，计算电池的基于温度的放电终止时间；

将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较；

基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较，确定电池的放电持续时间；以及

提供所确定的放电持续时间。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述计算出的电池的基于电流的放电终止时间和所述计算出的电池的基于温度的放电终止时间各自包括若干秒。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述计算出的电池的基于温度的放电终止时间还基于电池正被放电时电池的实际温度以及电池正被放电时电池的实际温度的变化率的实时测量。

12.如权利要求11所述的系统，其中基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较，确定电池的放电持续时间包括：

响应于电池的基于电流的放电终止时间大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于温度的放电终止时间的秒数；以及

响应于电池的基于电流的放电终止时间不大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于电流的放电终止时间的秒数。

13.如权利要求9所述的系统，还包括至少部分地基于电池正被放电时电池的实际温度来确定电池的健康状态(SOH)。

14.如权利要求13所述的系统，其中由所述BMS确定电池的SOH还包括储存电池的温度上升值的一组初始变化。

15.如权利要求14所述的系统，其中确定电池的SOH还包括：

确定电池正被放电时电池的温度上升的实际变化；

确定所储存的温度上升值的该组初始变化中的所储存的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率；

确定电池正被放电时电池的最高温度和预期温度；

基于所储存的温度上升值的该组初始变化中的所储存的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率以及电池正被放电时电池的最高温度和预期温度，确定放电期间允许的最短预测时间；以及

响应于实际放电时间小于最短预测时间，将电池标识为服务寿命结束(EOSL)。

16.一种非暂时性计算机可读介质，包括储存在其中的一组指令，当由处理器执行时，该组指令使得处理器通过以下操作确定电池的放电持续时间：

基于正从电池放电的实际电流量，计算电池的基于电流的放电终止时间；

基于电池正被放电时电池的实际温度，计算电池的基于温度的放电终止时间；

将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较；

基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较，确定电池的放电持续时间；以及

提供所确定的放电持续时间。

17.如权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述计算出的电池的基于电流的放电终止时间和所述计算出的电池的基于温度的放电终止时间各自包括若干秒，并且其中所述计算出的电池的基于温度的放电终止时间还基于电池正被放电时电池的实际温度以及电池正被放电时电池的实际温度的变化率的实时测量。

18.如权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，其中基于将计算出的电池的基于电流的放电终止时间与计算出的电池的基于温度的放电终止时间进行比较，确定电池的放电持续时间包括：

响应于电池的基于电流的放电终止时间大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于温度的放电终止时间的秒数；以及

响应于电池的基于电流的放电终止时间不大于计算出的电池的基于温度的放电终止时间，将放电持续时间的值设定为电池的基于电流的放电终止时间的秒数。

19.如权利要求9所述的非暂时性计算机可读介质，还包括至少部分地基于电池正被放电时电池的实际温度来确定电池的健康状态(SOH)。

20.如权利要求14所述的非暂时性计算机可读介质，其中确定电池的SOH还包括：

储存电池的温度上升值的一组初始变化；

确定电池正被放电时电池的温度上升的实际变化；

确定所储存的温度上升值的该组初始变化中的所储存的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率；

确定电池正被放电时电池的最高温度和预期温度；

基于所储存的温度上升值的该组初始变化中的所储存的至少一个初始变化与温度上升的实际变化之间的比率以及电池正被放电时电池的最高温度和预期温度，确定放电期间允许的最短预测时间；以及

响应于实际放电时间小于最短预测时间，将电池标识为服务寿命结束(EOSL)。