CN115190975A - 实时电池故障检测和健康的状态监控 - Google Patents

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Abstract

电池管理系统和方法可以提供对电池健康和存在的各方面的实时自动化监控。一些电池管理系统可以使用等效电池单元电路模型来实时预测在实际操作条件下电池单元的预期行为的范围。可以将该预测与电池单元的实际行为进行比较，以确定是否存在异常。一些电池管理系统可以维持电池健康的状态参数（诸如充电容量和内阻）的估计值，并且可以在电池放电和/或充电时实时更新这些估计值。监控的参数中的异常变化可以触发实时故障通知。

Description

实时电池故障检测和健康的状态监控
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年3月12日提交的美国临时申请第62/988,853号和2021年3月9日提交的美国专利申请第17/196,848号的优先权，该美国临时申请和美国专利申请的公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开一般地涉及电池监控，并且特别涉及用于实时监控电池健康和性能的系统和方法。
背景技术
电池是可以将储存的化学能转化为电能的电化学设备。现有技术中已知许多电池技术的示例，包括锂离子电池、镍金属氢化物电池、铅酸电池、镍镉电池、碱性电池等等。电池可以以许多大小来制作，并具有一系列操作特性（例如，电压（或电势）、最大电流、充电容量等等）。为了支持高电压或高充电容量，可以通过串联和/或并联电连接多个电池单元来制造电池组。根据技术，一些类型的电池可以是通过连接到充电电流的源可再充电的。
电池（特别是锂离子电池）已经发现各种各样的用途，包括作为便携式电源来驱动诸如汽车、航空器、船只等等的交通工具的电机。在一些情况下，电池或电池组可能是交通工具的唯一电源。如果电池出故障，仅依靠电池动力来推进的交通工具可能突然失去其动力。根据电池发生故障时交通工具的状态，后果可能范围从不便到灾难性。因此，可能期望的是监控电池性能并检测可能指示问题的条件，使得在电池出故障之前可以对其进行维修（service）或更换。
发明内容
本文中描述的是电池监控系统和方法的示例（或实施例），该电池监控系统和方法可以提供对电池健康和操作的各方面的实时自动化监控。在各种实施例中，可以监控电池健康和操作的不同方面。例如，电池监控系统可以使用等效电池单元电路模型来实时预测定义在实际操作条件（例如，特定温度下的特定负载电流或充电电流）下电池单元的预期行为（例如，电池单元的电势或电压）的范围（或“包络（envelope）”）。可以将该预测与电池的实际行为（例如，测量的电池的电势）进行比较，以确定是否存在潜在问题，本文中称为“模型故障”状况。作为另一示例，电池监控系统可以维持电池健康的状态参数的估计值，诸如充电容量和内阻；这些估计值可以在电池放电和/或充电时实时更新，并且健康的状态参数中的异常变化可以指示“可疑参数”故障。电池监控系统可以实时提供检测到的故障的通知，从而允许采取及时的纠正动作。
根据一些实施例，一种用于监控电池单元的充电容量的方法可以包括：当电池单元处于空闲状态中时，确定电池单元的初始充电的状态；此后，当电池单元是活动状态（例如，其中电荷从电池单元转移到负载的放电状态，或者其中电荷从外部电源转移到电池单元的充电状态）时，监控从电池单元转移的电荷的总量或转移到电池单元的电荷的总量；在电池单元返回到空闲状态之后，确定电池单元的最终充电的状态；使用初始充电的状态、最终充电的状态和转移的电荷的总量计算未滤波的充电容量值；以及使用未滤波的充电容量值来更新充电容量估计值。
在一些实施例中，可以计算相对于先前估计值的充电容量估计值中的变化的幅度；并且在充电容量中的变化的幅度超过阈值的情况下，可以生成电池单元容量故障通知。
在一些实施例中，确定初始充电的状态可以包括：当电池单元处于初始空闲状态中时，测量电池单元的初始电池单元电势和初始电池单元温度；以及使用初始电池单元电势和初始电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
在一些实施例中，确定最终充电的状态可以包括：当电池单元返回到空闲状态时，测量电池单元的最终电池单元电势和最终电池单元温度；以及使用最终电池单元电势和最终电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
在一些实施例中，在电池单元处于活动状态中时监控转移的电荷的总量可以包括：以规则的时间间隔测量通过电池单元的电流；以及将测量的电流和由规则的时间间隔定义的时间步长的乘积加到转移的电荷的累计总量（a running total of charge）。
在一些实施例中，更新充电容量估计值可以包括：将无限脉冲响应滤波器应用于未滤波的充电容量值和先前存储的充电容量估计值。
根据一些实施例，一种用于监控电池单元的内阻的方法可以包括：响应于检测到电池单元从空闲状态到活动状态（例如其可以是充电状态或放电状态）的转换，使用存储的值来初始化内阻的运行估计值；当电池单元处于活动状态中时：测量电池单元的电势、电流和温度；以及基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值；以及响应于检测到电池单元从活动状态到空闲状态的转换：基于存储的值和运行估计的最终值来计算内阻中的变化；以及使用运行估计的最终值来更新存储的值。
在一些实施例中，在内阻中的变化超过阈值的情况下，可以生成电池单元电阻故障通知。
在一些实施例中，基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值可以包括：对于每次迭代更新，确定测量的电势、电流和温度是否在预定义的有效范围内。在测量的电势、电流和温度在预定义的有效范围内的情况下，可以基于等效电池单元电路模型来计算内阻的原始估计值，并且可以使用原始估计值和来自先前时间步长的先前运行估计值来更新运行估计值。在一些实施例中，将原始估计值与合理的值的范围进行比较，并且仅当原始估计值在合理的值的范围内时，才将原始估计值用于更新运行估计值。在测量的电势、电流或温度中的一个或多个不在预定义的有效范围内的情况下，该方法可以包括等待下一个时间步长，而不更新运行估计值。
在一些实施例中，更新运行估计值可以包括将无限脉冲响应滤波器应用于原始估计值和先前的运行估计值。
根据一些实施例，一种用于监控电池单元的状态的方法可以包括：确定电池单元的一个或多个健康的状态参数（例如，电池单元的内阻、电池单元的充电容量）的当前值；测量电池单元的多个操作状态参数（例如，通过电池单元的电流、电池单元的温度）的值，包括测量电池单元的实际电势；基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的乐观值（optimistic value）来计算乐观电势，乐观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更好的健康的状态；基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的悲观值（pessimisticvalue）来计算悲观电势，悲观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更差的健康的状态；确定电池单元的实际电势是否基本上在由乐观电势和悲观电势限定的包络内；以及在实际电势基本上不在包络内的情况下生成模型故障通知。在各种实施例中，该方法可以在电池单元为负载供电时和/或在电池单元充电时实时执行。模型故障通知可以在电池处于活动使用（为负载供电和/或充电）中时实时生成。在一些实施例中，电池单元的预测电势也可以基于电池单元状态模型、存在状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的当前值来计算。
在一些实施例中，根据本文中所述的技术，可以在电池处于活动使用中时确定电池单元的充电容量和/或内阻的估计值，并且这些估计值可以用于状态监控方法中。
上述或其他方法中的任何或所有，或其任何组合，都可以在实时电池监控系统（使用硬件、软件/固件或其任何组合）中实现，无论电池是否处于活动使用中，包括电池正在为负载供电时和/或电池正在充电时，该电池监控系统都可以操作。在一些实施例中，电池监控系统可以基于上述或其他方法中的任一个的结果来生成警报或执行其他动作。
以下详细描述连同附图一起，将提供对要求保护的发明的性质和优点的更好理解。
附图说明
图1示出了根据一些实施例的用于电池监控的操作环境的高级框图。
图2示出了根据一些实施例的电池组的简化示意图。
图3示出了根据一些实施例的电池监控系统的示例。
图4是根据一些实施例的用于对电池单元行为进行建模和检测模型故障的过程的流程图。
图5示出了根据一些实施例的用于为航空器供电的电池单元的电池单元电势作为时间的函数的示例图。
图6是根据一些实施例的用于基于放电事件来估计电池单元的充电容量的过程的流程图。
图7是根据一些实施例的用于基于放电事件来估计电池单元的内阻的过程的流程图。
图8示出了根据一些实施例的用于迭代地更新内阻的运行估计值的过程的流程图。
具体实施方式
为了说明和描述的目的，呈现本发明的示例性实施例的以下描述。不旨在穷举或将要求保护的发明限制为所描述的精确形式，并且本领域技术人员将理解许多修改和变化是可能的。已经选择和描述了实施例以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，以由此使得本领域中的其他技术人员能够在各种实施例中最好地利用本发明，并且具有如适合于预期的特定用途的各种修改。
系统概述
图1示出了根据一些实施例的用于电池监控的操作环境100的高级框图。环境100可以是例如机动交通工具（powered vehicle），诸如航空器、船只、轨道交通工具、汽车、卡车、越野交通工具或诸如此类。环境100包括向电负载104提供电力的电池102。电池102可以是任何类型的电池，包括锂离子电池、铅酸电池、镍金属氢化物电池等等。电池102可以被实现为单个电池单元或者被实现为包括多个电池单元的电池组，所述多个电池单元根据需要串联和/或并联地连接在一起。（如本文中所使用的，术语“电池单元（battery cell）”或“电池单元（cell）”可以被理解为包括独立的电池，或者在电池组的情况下，可以被理解为包括电池组内的一些数量的独立可更换的电池单元中的一个。）电负载104可以包括例如交通工具的电机（或引擎），或任何其他电池供电的机构或设备。电负载104可以在不同时间从电池102汲取（draw）不同量的电力。例如，交通工具的电机在交通工具加速时可能比交通工具静止或以恒定速度移动时汲取更多的电力。
控制系统106与负载104通信。例如，控制系统106可以向负载104发送指令，例如以增加或降低电机速度，或者以启用、禁用或改变任何耗电组件的操作状态。控制系统106还可以从负载104接收指示其操作状态、可能发生的异常情况以及诸如此类的反馈。控制系统106还可以包括人机接口组件，诸如显示屏、指示器灯、扬声器、人类可操纵的控制设备（例如，键盘、鼠标、触摸屏或触摸板、操纵杆、控制轮、脚踏板等等）。控制系统106可以位于负载104的本地（例如，在其负载104包括电机的交通工具中），或者远离负载104定位，并经由适当的连接进行通信，所述适当的连接包括短程或长程（long-range）网络连接。在一些实施例中，控制系统106可以包括本地和远程元件两者。例如，环境100可以是自主的或遥控的（remotely-piloted）交通工具，其从不同于其在那里操作的位置被监控和引导。
在一些实施例中，电池102是可再充电电池，其可以通过将电池102连接到充电电源（诸如充电器110）来再充电。充电器110可以包括能够从外部电源（例如，标准壁式电源或电池102的外部的任何其他电源）提供电力（或充电）以由电池102存储的任何系统或设备；许多示例在本领域中是已知的。充电器110还可以包括控制电路以控制充电器110的操作，包括何时以及供应多少电力。在一些实施例中，电池102可以在特定时间被耦合到充电器110，而在其他时间从充电器110解耦（decouple）；因此，充电器110用虚线示出。取决于实现，电池102可能能够或可能不能够在从充电器110接收电力的同时向负载104提供电力。在一些实施例中，控制系统106可以协调充电器110的操作与电池102的负载供电操作。
电池监控系统108可以被耦合到电池102、控制系统106和充电器110。电池102可以配备有（outfitted with）传感器，以测量电池或各个电池单元的各种状态参数，诸如电势、电流（其可以在任一方向上流动，取决于电池是充电还是放电）、以及操作温度。电池监控系统108可以实时（例如，当负载104从电池102汲取电力时）从电池102接收测量的状态参数。基于状态参数，电池监控系统108可以执行各种计算以确定电池或各个电池单元的健康状态参数（例如，充电容量和/或内阻）的值，和/或检测电池性能是否与预期行为一致。下面描述了可以在电池监控系统108中实现的计算的示例。基于计算的结果，电池监控系统108可以向控制系统106和/或充电器110提供电池状态信息。电池状态信息可以包括例如从电池102报告的测量状态参数、由电池监控系统108计算的健康状态参数的值、将实际电池行为与预期电池行为的模型进行比较的信息、指示电池性能的某些方面已经偏离预期的“故障”通知、和/或电池监控系统108中可能可用的任何其他信息的任何组合。控制系统106和/或充电器110可以使用该信息来向环境100的操作者生成警报，基于电池状态信息改变负载104的操作，基于电池状态信息来改变充电器110的操作（例如，充电功率以其被供应给电池102的速率），维护电池102的电池历史信息，和/或采取可以被编程到控制系统106中的其他响应动作。
在一个具体示例中，操作环境100对应于能够在本地或远程控制下飞行的电池供电的航空器。负载104可以包括航空器的电机，并且电池102可以是电机的电源。在这样的环境中，电池102的可靠性对于使得航空器能够安全地完成飞行是至关重要的。为了以高可靠性提供必要的电量，电池102可以包括由并联布置的多个电池组构成的高压电池组（其可以提供冗余），其中每个电池组包括串联和/或并联布置的多个电池单元。电池监控系统108可以提供关于每个电池组的状态的实时信息，例如，基于每个电池单元或针对电池单元的组，从而允许在电池故障发生之前检测和解决问题。例如，当电池监控系统108生成故障的通知时，可以通知维修技术人员，并且可以在下一次飞行之前修理或更换电池102。在该示例中，电池102可以被耦合到充电器110，以用于在飞行之间再充电，并且电池监控系统108可以在充电期间继续提供关于每个电池组的状态的信息。
应理解，操作环境100是说明性的而非限制性的。驱动任何类型的负载的任何类型的电池（包括任何数量和布置的电池单元）可以使用本文中描述的种类的系统和方法来监控。
图2示出了根据一些实施例的电池组200的简化示意图。电池组200包括电池监控系统作为电池组内的嵌入式系统。电池组200可以在诸如上述操作环境100的操作环境中用作电池102。在该示例中，电池组200包括并联连接在端子204（其可以连接到负载）和地206之间的三个高压（HV）电池组202a-c。电池组202a-c是可再充电的，并且充电端子208被提供用于将每个电池组202a-c连接到充电器。
电池组202a-c中的每个包括并联连接的两个HV电池210a-b。每个HV电池210a-b包括单独的电池单元212，其可以是例如锂离子电池单元。例如，每个电池单元可以具有3-5V的操作电压，1-50mΩ的内阻，0-200mA的操作电流范围；这些参数可以变化。电池单元212的数量可能相当大。在该示例中，每个HV电池210a-b内的电池单元212被串联连接以形成具有大量的电池单元212的串（例如，每个串144个电池单元），并且三个串联串在每个HV电池210a-b内并联连接在一起。电池组200可以提供高操作电压（例如，在从大约400至800 V的范围内的总系统电压）和高水平的冗余两者，使得即使电池单元212中的一些出故障，电池组200也可以继续供电。
每个HV电池210还包括电池监控系统（BMS）板220，其可以是图1的电池监控系统108的组件。每个BMS板220可以是具有被配置成监控HV电池210内的一个或多个电池单元的状态的电路的印刷电路板。在一些实施例中，BMS板220能够监控每个HV电池210的每个电池单元。例如，每个HV电池210可以包括12个BMS板220，其中每个BMS板能够监控36个电池单元。下面描述可以在BMS板220中实现的组件和操作的示例。
应理解，电池组200是说明性的而非限制性的。电池系统可以包括任何数量的电池，并且每个电池可以包括任何数量的电池单元。如本文中所述的电池监控可以在单独的电池单元的水平上执行，或者如果需要的话，可以将一组电池单元作为一个单元进行监控。
图3示出了根据一些实施例的电池监控系统300的示例。电池监控系统300可以用于例如实现图1的电池监控系统108。在一些实施例中，图2的电池组200的每个BMS板220可以包括电池监控系统300的组件的一个或多个实例。
电池监控系统300包括处理器302、存储器304、电池接口306和控制系统接口308。处理器302可以是微处理器、微控制器、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或实现如本文中描述的逻辑操作的其他电路。在一些实施例中，电池监控系统300可以是嵌入式系统，并且如下所述，可以使用小型低功率处理器以可以实时执行的方式实现计算。存储器304可以包括基于半导体的存储器（例如，DRAM、SRAM）、闪存、磁存储装置、光存储装置或其他计算机可读存储介质。存储器304可以存储关于电池监控系统300监控的每个电池单元的信息。例如，存储器304可以存储电池单元配置参数310和电池单元状态参数312。电池单元配置参数310可以包括跨特定电池单元的寿命的静态或缓慢变化的参数，而电池单元状态参数312可以包括随着电池被使用而动态变化的参数。存储器304还可以存储电池单元状态模型（例如，等效电池单元电路模型），该电池单元状态模型可以用于以迭代方式预测电池单元的状态参数。例如，电池单元状态模型可以基于先前的时间步长处的汲取的电流、温度、内阻、充电容量和充电的状态来预测给定时间步长处的电池单元的充电的状态和极化的状态（或电压）。在一些实施例中，相同的电池单元状态模型被应用于所有的电池单元，但是由于电池单元之间关于配置和/或状态参数值的差异，针对不同电池单元的预测可能不同。作为另一示例，电池单元状态模型可以用于估计可能随时间演变的电池单元配置参数，诸如充电容量和内阻。下面描述了具体的示例。
电池接口306可以包括使得处理器302能够从连接到电池接口306的电池单元（或电池）的传感器获得状态信息的硬件和/或软件组件。状态信息可以包括例如电池单元的电流、电势和操作温度的测量值。在一些实施例中，电池接口306以规则的时间间隔提供状态信息。如果需要的话，该间隔可以根据当前操作模式而变化。例如，当电池处于活动使用中时，状态信息可以每秒被提供一次或两次，或者当电池空闲时，可以一小时提供三次或四次。在一些实施例中，电池接口306可以以期望的间隔向电池发送对状态信息的请求。替代地，电池单元可以具有连续提供数据（例如，作为模拟信号）的传感器，并且电池接口306可以在适当的时间对模拟信号进行采样和数字化。处理器302可以使用由此获得的传感器数据来计算各种状态参数值，例如，如下所述。
控制系统接口308可以包括使得处理器302能够将电池状态信息提供给控制系统（例如，图1的控制系统106）的硬件和/或软件组件。在各种实施例中，电池状态信息可以包括从电池单元接收的数据、根据数据计算的状态参数、根据数据计算的配置参数和/或故障通知或其他警报，其示例在下面描述。
应理解，电池监控系统300是说明性的，并且变化和修改是可能的。在一些实施例中，电池监控系统300可以包括用于被监控的每个电池单元的其组件的分离的实例，或者可以使用具有（一个或多个）相关联的存储器设备的单个处理器来监控多个电池单元。在本文中描述的示例中，对电池单元执行电池监控；然而，不排除在更高水平上（例如，一组串联连接的电池单元或整个电池包或电池组）的电池监控。电池监控系统300可以实现任何数量的监控操作及监控操作的组合，包括但不限于以下描述的示例中的任何一个或多个。在一些实施例中，电池监控系统还可以支持其他电池管理操作，诸如校准、自测试（self-testing）等等。
在操作中，考虑到电池单元的自然老化（其可能缓慢降低性能）和影响电池性能的其他因素，诸如电池监控系统300的电池监控系统可以实时监控电池状态并评估电池状态，以确定电池（或特定电池单元）是否按预期执行。现在将描述电池监控过程的示例。
模型故障检测
一种类型的电池监控过程可以基于预测和观察正常使用期间的电池单元行为。电池单元在本质上通常是电化学的，并且电池单元对特定条件的响应，例如作为电流的函数的电势或在给定操作电势下的电流，可以使用等效电池单元电路模型或诸如此类来定量地建模。因此，电池监控系统的一些实施例可以使用从被监控的电池单元的定量模型（本文中称为“电池单元状态模型”）导出的预测函数来预测电池操作期间在任何给定时间处的电池单元电势。可以将实际（测量的）电池单元电势与预测进行比较，并且如果实际电池单元电势与预测不一致，则可以生成“模型故障”通知。
图4是根据一些实施例的用于对电池单元行为和检测模型故障进行建模的过程400的流程图。过程400可以例如在电池监控系统300或上述其他电池监控系统中实现。过程400可以实时操作以监控电池单元的状态，并确定电池单元状态是否与电池单元状态模型的预测一致。在一些实施例中，过程400针对每个电池单元维护估计的（或预测的）电池单元状态，该电池单元状态基于从电池接收的测量数据以规则的时间间隔动态更新。可以使用表1中定义的变量来定义和监控电池单元状态，其中下标k表示时间步长。
变量 定义（单位）
<i>V</i><sub><i>pred,k</i></sub> 预测的电池单元电势（伏特（V））
<i>V</i><sub><i>actual,k</i></sub>（或<i>V</i><sub><i>k</i></sub>） 测量的电池单元电势（V）
<i>V</i><sub><i>p</i></sub> 电池单元极化（V）
<i>C</i><sub>0</sub> 电池单元最大充电容量（安培小时（Ah））——配置参数
<i>SOC</i><sub><i>k</i></sub> 电池单元充电的状态（C<sub>0</sub>的分数）
<i>U</i><sub><i>k</i></sub> 在参考温度<i>T</i><sub><i>ref</i></sub>下，电池单元可以从当前SOC放电的最大能量
<i>Q</i><sub><i>discharge,k</i></sub> 截至时间步长<i>k</i>转移的电荷的量。可以使用符号约定，例如<i>Q</i><sub><i>discharge,k</i></sub> &gt; 0表示放电；<i>Q</i><sub><i>discharge,k</i></sub> &lt; 0表示充电。
<i>I</i><sub><i>k</i></sub> 测量的电池单元电流（A）（对于放电，<i>I</i><sub><i>k</i></sub> &gt; 0；对于充电，<i>I</i><sub><i>k</i></sub> &lt; 0）
<i>R</i><sub><i>i</i></sub> 电池单元内阻（欧姆）——配置参数
<i>T</i><sub><i>k</i></sub> 测量的电池单元温度（℃）
<i>μ</i><sub><i>k</i></sub> 指示由[<i>V</i><sub><i>p</i></sub>, <i>SOC</i><sub><i>k</i></sub>]定义的电池单元状态的符号便利
<i>dt</i> 时间步长（秒）
表1。
在一些实施例中，使用表1的符号，定义电池单元状态模型更新函数，使得：
Figure 700192DEST_PATH_IMAGE001
（1）
modelUpdate（）函数根据先前的电池单元状态、测量的电流和温度、充电容量C 0和内阻R i 的估计值以及时间步长来计算电池单元的SOC和针对时间步长k的预测电势。modelUpdate（）函数可以基于使用等效电池单元电路模型的电池单元行为的常规模型。这样的模型的示例在本领域中是已知的，并且可以基于特定类型的电池单元选择合适的模型。
可以基于电池单元的当前操作状态来选择时间步长dt。例如，电池单元可以具有有限状态模型，该有限状态模型包括以下状态：“放电”（从电池汲取电流）；“充电”（施加电流以为电池再充电）；“放松”（流出（或流入）电池的电流低于指示不活动的阈值）；和“空闲”（当电流保持低于不活动阈值并且电压在延长的时间段（例如至少15分钟）内保持稳定，从放松状态进入）。在一些实施例中，当处于放电、充电或放松状态中时，过程400可以以较高的速率（例如，dt ~ 1 s）更新电池状态，而当处于空闲状态中时，以较低的速率（例如，dt ~900 s）更新电池状态。也可以使用其他状态模型。
在一些实施例中，等效电池单元电路模型取决于健康的状态参数，诸如充电容量C 0和内阻R i 。预期这些参数将会随着电池单元老化而随时间降低，其中最大充电容量缓慢下降，并且内阻缓慢增加。在一些实施例中，电池监控系统可以基于电池单元传感器数据可以使用被动实时过程（passive-real time process）来估计C 0和R i ；下面描述了这样的过程的示例。在其他实施例中，C 0和R i 可以不时地被测量（例如，通过在预期电池空闲达延长的时间段时执行测试程序）并且被视为测量之间的常数。
过程400可以在框402处以初始化开始。例如，当电池管理系统通电或重置时，或者当电池从空闲状态转换到任何其他状态时，可以发生初始化。初始化可以包括建立电池单元状态模型的各种参数的初始值，假设当初始化发生时电池单元不在使用中。例如，V p 可以被初始化为零。C 0和R i 可以基于最后测量或估计的值来初始化。SOC 0 可以被初始化为最后估计的SOC，或者，如果电池在初始化期间未极化，则可以使用getSOC（V, T）函数根据V actual,0和T 0的测量值来计算SOC 0 ，该函数基于等效电池单元电路模型将电池单元充电的状态计算为电池单元电势和温度的函数。在一些实施例中，getSOC（）可以针对电势和温度值的离散集合预先计算，并存储在查找表中，以便于实时计算。也可以初始化其他参数和标志。例如Q discharge,0可以被初始化为0。
在框404处，对于过程400的每次迭代（时间步长k处），确定电池单元的状态参数的新值。在一些实施例中，确定新的状态参数可以包括测量汲取的电流（I k ）、跨电池单元的实际电势（V actual,k ）和电池单元温度（T k ），并应用等式（1）来确定SOC k 和预测电势V p 和V pred,k 。
在一些实施例中，确定新的状态参数还可以包括估计电池单元能量（U k ）和电池单元放电Q discharge,k 。例如，可以使用以下等式：
Figure 368065DEST_PATH_IMAGE002
，（2）
Figure 272435DEST_PATH_IMAGE003
，（3）
其中，等式（2）中的getOCV（SOC，T）是getSOC（V，T）的补充函数，其基于等效电池单元电路模型将电池单元电势（特别是开路电压）计算为SOC和电池单元温度的函数。与getSOC（）函数类似，getOCV（）可以针对SOC和温度值的离散集合预先计算，并存储在查找表中，以便于实时计算。应该理解，可以在每次迭代时计算U k ，从而将积分近似为一系列时间步长。
在框406处，在框404处确定的状态参数用于计算“乐观”电池单元参数的集合和“悲观”电池单元参数的集合，特别是乐观电池单元电势（V opt ）和悲观电池单元电势（V pess ）。乐观电池单元参数表示具有增加的充电容量和降低的内阻（相对于C 0和R i 的当前估计值）的假设电池单元的状态参数，该假设电池单元经历与被建模的电池单元相同的充电或放电事件。相反，悲观电池单元参数表示具有降低的充电容量和增加的内阻（再次，相对于C 0和R i 的当前估计值）的假设电池单元的状态参数，该假设电池单元经历与被建模的电池单元相同的充电或放电事件。在一些实施例中，乐观和悲观电池单元参数未被定义为在框404处确定的状态参数周围的固定误差容限（margin）；代之以，它们是使用电池单元状态模型来动态计算的。
作为说明，在一些实施例中，乐观电池单元电势V opt 基于以下假设来定义：电池单元的最大充电容量C 0被低估了K C0,opt 的量；电池单元的内阻R i 被高估了K Ri,opt 的量；并且电池单元的超电势偏离了K η,opt的缩放因子。基于该假设，以下计算可以用于确定V opt ：
Figure 228497DEST_PATH_IMAGE004
，（4）
Figure 42869DEST_PATH_IMAGE005
，（5）
Figure 943960DEST_PATH_IMAGE006
，（6）
Figure 273310DEST_PATH_IMAGE007
，（7）
Figure 534527DEST_PATH_IMAGE008
，（8）
Figure 387427DEST_PATH_IMAGE009
，（9）
Figure 443108DEST_PATH_IMAGE010
，（10）
其中，E Ro 是活化能。可以根据需要选择K因子，例如，基于来自性能良好（well-behaved）的电池单元的设计规范的电池单元间可变性的经验观察来选择。在以上参考图2描述的种类的电池组的一些实施例中，K C0,opt ~ 0.1 Ah（例如，0.2 Ah），K Ri,opt ~ 0.0001Ω（例如，0.0003Ω），并且K η,opt ~ 0.7（例如，0.75）。
类似地，在一些实施例中，悲观电池单元电势V pess 基于以下假设来定义：电池单元的最大充电容量C 0被高估了K C0,pess 的量；电池单元的内阻R i 被低估了K Ri,pess 的量；并且电池单元的超电势偏离了K η,pess 的缩放因子。基于该假设，以下计算可以用于确定V pess ：
Figure 761219DEST_PATH_IMAGE011
（11）
Figure 498231DEST_PATH_IMAGE012
，（12）
Figure 83933DEST_PATH_IMAGE013
，（13）
Figure 513777DEST_PATH_IMAGE014
，（14）
Figure 489823DEST_PATH_IMAGE015
，（15）
Figure 764947DEST_PATH_IMAGE016
，（16）
Figure 408418DEST_PATH_IMAGE017
，（17）
Figure 133797DEST_PATH_IMAGE018
（18）
类似于乐观电池单元，基于电池单元参数（及其可变性）的经验观察和/或基于将指示电气故障的特定变化，悲观电池单元的K因子可以根据需要来选择。在上面参考图2描述的种类的电池组的一些实施例中，K C0,pess ~ -0.1 Ah（例如，0.2 Ah），K Ri,pess ~ 0.0003Ω，（例如，0.0001Ω）并且K η,pess ~ 0.7（例如，0.75）。在等式中（11）和（18）中，CF是当电池单元充电时应用于电池单元的总超电势的缩放因子，其考虑了充电时电池单元电势中的增加的可变性。（如将变得显而易见的，当电池单元充电时，仅将缩放因子应用于悲观电势估计——或仅应用于乐观电势估计——具有加宽的可接受电势的包络的效果。）
应注意的是，标签“乐观”和“悲观”并不旨在暗示V opt,k > V pess,k ，并且不必是这种情况。例如，等式（4）-（10）和（11）-（18）产生的结果是，当电池单元放电时，V opt,k > V pess,k ，但是当电池单元充电时，V pess,k > V opt,k 。在一些实施例中，为了确保包络至少具有最小宽度，可以使用填充电势V pad 来微调V opt,k 和V pess,k 。例如，如果V opt,k > V pess,k ，则可以使用以下等式来进行微调：
Figure 862719DEST_PATH_IMAGE019
，（19）
Figure 941533DEST_PATH_IMAGE020
。（20）
类似地，如果V pess,k ≥ V opt,k ，则可以使用以下等式来进行微调：
Figure 734784DEST_PATH_IMAGE021
，（21）
Figure 506431DEST_PATH_IMAGE022
。（22）
V pad 可以根据需要来选择，例如V pad = 0.01 V。
在框408处，乐观参数和悲观参数用于限定可接受的电池性能的包络，诸如可接受的电势的范围。例如，如果V opt,k > V pess,k ，则包络可以被定义为：
Figure 457069DEST_PATH_IMAGE023
，（23）
并且如果V pess,k ≥ V opt,k ，则包络可以被定义为
Figure 667470DEST_PATH_IMAGE024
，（24）
其中V k 是时间步长k处的电池单元电势。
在框410处，测量跨电池单元的实际电势V actual,k 。在一些实施例中，测量可以作为在框404处确定电池单元的状态参数的一部分来进行。
在框412处，可以确定测量的电势V actual,k 是否在可接受的电池性能的包络内，例如，酌情使用等式（23）或等式（24）来确定。在一些实施例中，可以应用附加条件。例如，如果电池单元SOC k 低于阈值（例如，0.1）或者如果电流I k 超过阈值（例如，对于一种类型的电池单元，为70 A），则用于定义包络的等效电池单元电路模型可能变得不可靠。在其中电池单元状态模型不可靠的情况下，可以忽略由电池单元状态模型定义的包络（例如，测量的V actual,k 可以被视为总是在包络内）。
在包络之外的测量的电势V actual,k 可以指示电池有问题，并且可以生成模型故障通知。在一些实施例中，测量的电势V actual,k 在包络之外的任何情况都可能导致生成模型故障通知。在其他实施例中，包络之外的瞬时偏移作为非实质性波动被忽略；可以使用故障计数器来确定包络之外的偏移何时被认为基本上在包络之外。因此，在框414处，如果测量的电势不在包络内，则故障计数器可以递增；在框416处，如果测量的电势在包络内，则故障计数器可以被重置。在框418处，确定故障计数器是否已经超过阈值，并且如果是，则在框420处生成模型故障通知。在一些实施例中，在诸如图1的电池管理系统108的电池管理系统中生成模型故障通知可以包括向控制系统106（和/或根据需要向其他系统组件）发送通知。在各种实施例中，模型故障通知可以包括其他动作，诸如点亮电池上故障指示器灯，向维护服务发送消息以请求在下一次机会时对电池进行维修，等等。
用于生成模型故障通知的计数器阈值可以是常数，该常数基于灵敏度（检测问题的能力）和特异性（避免在没有实际问题的情况下生成故障通知）之间的权衡来定义。在一个示例中，以1 Hz的速率执行实际电池单元电势是否在包络内的确定，并且故障计数器的阈值被设置为30，使得如果实际电势保持在包络之外达30秒或更长，则生成模型故障事件。也可以选择其他阈值。
为了进一步说明过程400的操作，图5示出了根据一些实施例的用于为航空器供电的电池单元的电池单元电势作为时间的函数的示例图。在该示例中，直到在时间1000 s之前不久航空器是空闲的，此时航空器上升到巡航高度并开始巡航。在时间3000秒之前不久，航空器下降。实线502对应于测量的电池单元电势V actual,k 。线504对应于使用应用于实际电池单元参数的电池单元状态模型预测的预测电势V pred,k 。（在该示例中，线504密切地跟踪测量的电势。）
线506对应于使用如上所述的乐观电池单元参数预测的预测电势V opt,k （使用与线504相同的电池单元状态模型），并且线508对应于使用如上所述的悲观电池单元参数预测的预测电势V pess,k （再次使用与线504相同的电池单元状态模型）。如可以看到的那样，由线506、508限定的包络的宽度作为时间的函数而变化。宽度受当前电池单元行为（例如，汲取了多少电流）以及滞后影响。在该示例中，实际电势（线502）保持在由线506、508或测量的持续时间限定的包络内，因此将不会生成模型故障事件。
将理解，过程400是说明性的，并且变化和修改是可能的。在逻辑允许的范围内，被描述为顺序的操作可以并行执行，或者操作可以以不同的次序执行。可以执行未具体描述的其他操作，并且如果需要的话，可以省略具体描述的操作。电池单元状态模型和其他参数值（例如，用于确定乐观和悲观电势的参数）可以基于电池电池的类型和属性以及基于期望的特定灵敏度和特异性针对特定实现进行优化。可以并行或顺序地对任何数量的电池单元执行监控过程。使用过程400或类似过程的监控可以在电池处于任何状态中时执行。替代地，如果需要的话，监控可以仅在处于某些状态中时（例如，仅在放电事件期间或仅在充电事件期间）执行。
电池单元健康的状态估计
如上所述，模型故障检测涉及检测电池或电池单元在活动使用期间的异常行为。除了任何异常之外，由于电化学和热力学的原因，可能预期电池或电池单元（特别是可再充电电池或电池单元）的整体性能随着时间的推移而缓慢下降，直到电池或电池单元达到无用点（point of uselessness）。因此，除了检测异常行为之外或代替检测异常行为，电池监控系统的一些实施例还可以监控电池或多电池单元电池的各个电池单元的“健康的状态”。在本文中的示例中，健康的状态由电池单元的最大充电容量C 0和电池单元的内阻R i 来表征。随着电池单元退化，最大充电容量趋于降低，而内阻趋于增加。在其他实施例中，除了或代替C 0和R i ，其他参数可以与健康的状态相关联。
在一些系统中，C 0和R i 的监控可以是主动测试过程的一部分，该过程在电池以其他方式是空闲的并连接至充电器或负载时执行。这样的主动测试过程的示例在本领域中是已知的。然而，主动测试过程通常要求电池保持空闲并连接到充电器或负载达延长的时间段（其可以是几个小时）。对于在高占空比下操作的电池，可以优选替代过程。
相应地，电池监控系统的一些实施例可以使用“被动”过程来监控电池单元的C 0和R i 。被动过程依赖于对电压、电流和温度（与上述模型故障检测过程期间测量的相同的状态参数）的实时监控，并且C 0和R i 可以从测量的参数定量估计。在一些实施例中，估计C 0和R i 还可以包括使用滤波函数（例如，移动平均）来消除（smooth out）估计值中的波动。该过程被称为“被动的”，因为它可以在电池在使用中时执行，而不影响电池的性能。现在将描述用于估计C 0和R i 的被动过程的示例。
在本文中所述的示例中，C 0被定义为电池单元在参考电流（例如，1 A）和参考温度（例如，T ref =25℃）下可以放电的最大电荷的量。在一些实施例中，如果放电事件满足与C 0估计值的可靠性和稳定性相关的某些标准，则可以在放电事件的结束时计算原始充电容量值C 0,raw 。例如，针对放电事件的C 0,raw 可以被定义为：
Figure 19954DEST_PATH_IMAGE025
，（25）
其中Q discharge 是由电池在放电事件期间放电的总电荷，并且∆SOC是在放电事件期间电池单元的充电的状态中的变化。等式（25）的原始值可以被滤波（例如，使用移动平均或其他滤波函数）以提供C 0的估计值。
图6是根据一些实施例的用于基于放电事件来估计电池单元的C 0的过程600的流程图。过程600可以例如在电池监控系统300或上述其他电池监控系统中实现。当电池处于空闲状态中时，过程600可以执行C 0估计。过程600是被动监控过程的示例，因为它不涉及除正常操作（即，为负载供电和/或充电）之外的电池活动。
过程600可以在电池处于空闲状态中时开始。在框602处，过程600可以确定电池单元的初始SOC（SOC init ）。在一些实施例中，初始SOC可以被计算为：
Figure 962503DEST_PATH_IMAGE026
，（26）
其中，V h 是初始化时的测量的电池单元电势，T h 是初始化时的测量的温度，并且getSOC（）是上面参考图4描述的相同函数。
在一些实施例中，仅当电池单元电势V h 和温度T h 在特定范围内时，才建立SOC init 。可以基于电势和温度的范围来选择范围，对于所述范围，getSOC（）函数是电池单元行为的可靠模型。如果V h 或T h 在适当的范围之外，则不建立SOC init 。
除了建立SOC init ，在框602处处理还可以包括初始化用于C 0监控的其他参数。例如，由电池单元放电的电荷的累计总量（如上面定义的Q discharge,k ）可以被初始化为零，并且与C 0监控相关联的运行时间参数（t run,C0）也可以被重置为零。
在框604处，电池进入放电状态，并且过程600可以监控放电事件。（在也实现过程400的情况下，该监控可以作为在框404处确定状态参数的一部分而发生。）例如，可以根据上面的等式（3）在每个时间步长处（例如，每秒一次）更新总放电电荷Q discharge,k 。并且运行时间参数t run,C0可以在每个时间步长处递增。在框606处，放电事件结束，并且电池重新进入空闲状态（此时，Q discharge,k 和运行时间参数t run,C0的更新可以停止）。
在框608处，过程600可以建立电池单元的最终SOC（SOC final ）。在一些实施例中，最终SOC可以被计算为：
Figure 462754DEST_PATH_IMAGE027
，（27）
其中V l 是放电事件的结束时的测量的电池单元电势，并且T l 是放电事件的结束时的测量的温度。等式（26）和（27）的结果通常将彼此不同，因为V l 和/或T l 的放电后测量通常不同于V h 和T h 的放电前测量。
在框610处，过程600可以确定是否所有测量值都在使得SOC final 可以被认为可靠的范围内。例如，在一些实施例中，仅当电池单元电势V l 和温度T l 在特定范围内时，才建立SOC final 。可以基于电势和温度的范围来选择范围，对于所述范围，getSOC（）函数是电池单元行为的可靠模型。如果V l 或T l 在适当的范围之外，则不建立SOC final ；代之以，可以在框612处重置计算，并且过程600可以返回到框602以重新开始。
也可以应用与SOC final 的可靠性相关的其他要求。例如，在一些实施例中，如果运行时间参数t run,C0超过上限，则结果可能变得不可靠（例如，由于Q discharge,k 对电流传感器偏移误差进行积分），并且过程600可以在框612处静止，并且返回到框602以重新开始。
作为另一个示例，框610可以要求SOC中的变化超过可靠性的最小阈值，所述SOC中的变化被定义为
Figure 202081DEST_PATH_IMAGE028
，（28）。可以选择阈值来要求放电事件消耗电池单元的充电容量的大部分；例如，阈值可以是0.4或0.5或诸如此类。如果不是，则可以在框612处重置计算，并且过程600可以返回到框602以重新开始。
在框614处，过程600可以根据等式（25）计算未滤波的C 0值（C 0,raw ），其中Q discharge 是来自框604处的放电事件的Q discharge,k 的最终值，并且∆SOC由等式（25）给出。在框616处，过程600可以使用近似移动平均的无限脉冲响应滤波器来计算滤波的C 0值：
Figure 300750DEST_PATH_IMAGE029
，（29）
其中，C 0,prev 是C 0的存储估计值（例如，来自过程600的先前迭代），并且γ是滤波器衰减常数，其可以基于对更新值的期望灵敏度来选择。在一个示例中，γ=0.05；然而，可以选择其他值。可以使用用于将新计算的C 0,raw 与先前的C 0的估计值相结合的其他技术，包括移动平均、加权移动平均（其中越近的估计值被赋予越大的权重）、递归移动平均或诸如此类。在一些实施例中，可以执行针对电池单元的C 0的最近估计值的分布的统计分析，例如，以确定最近的C 0,raw 值在预期分布之外多远，从而允许消除随机测量噪声。在一些实施例中，在针对新电池单元的过程600的第一次迭代之前，可以使用在电池单元的测试期间测量的充电容量、标称值（例如，基于电池单元的设计规格）、或根据需要使用另一值来初始化C 0,prev 。
在框618处，过程600可以例如通过将C 0,filt 与阈值进行比较来确定C 0,filt 是否难以置信地高。该阈值可以被设置为对应于（或超过）电池单元可以预期具有的最大充电容量。在一些实施例中，最大充电容量可以基于电池单元的设计规格来确定，其具有优于设计性能的一些余量（allowance）。在其他实施例中，特定电池单元的最大充电容量可以通过在安装前测试期间主动测量电池单元的充电容量来确定，假设电池单元的充电容量不随着使用而增加。如果C 0,filt 高于阈值，则在框620处，C 0,filt 被丢弃，并且过程600可以重置，从而返回到框602。在一些实施例中，难以置信地高的C 0,filt 被假设是数字伪影（artifact），并被简单地忽略。在其他实施例中，过程600可以生成C 0错误通知。在又一些其他实施例中，过程600可以跟踪难以置信地高的C 0,filt 是否重复发生，并且在这种情况下生成C 0错误通知。
在一些实施例中，C 0估计值C 0,filt 可以用于触发电池单元容量故障通知。例如，预期C 0会随着时间的推移而缓慢变化，而出乎意料地快速变化可能表明问题。相应地，在框622处，过程600可以例如使用
Figure 162002DEST_PATH_IMAGE030
，（30）
来计算C 0中的变化，并且，如果∆C 0超过阈值，则结果被视为可疑的。例如，在框624处，过程600可以生成“电池单元容量故障”通知。在一些实施例中，可以定义多个阈值，并且可以基于超过哪个（哪些）阈值来生成不同的故障通知。例如，如果∆C 0超过第一阈值（例如，0.4 Ah），则可以生成“电池单元容量可疑”故障通知，并且如果∆C 0超过第二个更高的阈值（例如，0.8 Ah），则可以生成“电池单元容量非常可疑”故障通知。当在框624处生成电池单元容量故障通知时，过程600可以重置，从而丢弃C 0计算的结果并返回到框602。
在框626处，可以例如通过用在框616处计算的C 0,filt 替换存储的值来更新存储的C 0,prev 值。更新的C 0,prev 值可以被报告给控制系统106或其他系统组件。在一些实施例中，控制系统106可以将估计的充电容量并入到电池状态报告中（例如，以供维修技术人员审阅）。
假设电池在放电事件之间进入空闲状态，可以对每个放电事件重复过程600。在一些实施例中，每当电池进入空闲状态时，电池管理系统可以确定当前是否存储了有效的SOC high 。如果不是，则可以执行框602；如果是，则可以执行框608和后续框。在一些实施例中，过程600或类似过程也可以用于基于充电事件期间的测量来估计C 0。（这可能是不期望的，例如，如果电池系统设计使得电流或其他相关参数的测量在充电事件期间不如在放电事件期间可靠。）
将理解，过程600是说明性的，并且变化和修改是可能的。在逻辑允许的范围内，被描述为顺序的操作可以并行执行，或者操作可以以不同的次序执行。可以执行未具体描述的其他操作，并且如果需要的话，可以省略具体描述的操作。例如，在所描述的示例中，使用当前估计值和表示先前估计值的单个值，但是在其他实现中，可以存储来自过程600的多次迭代的先前估计值，并且可以执行对估计值的集合的统计分析。（这样的统计分析可以提高准确性并减少波动，但是也将增加存储先前估计值所需的存储器的量。）可以基于电池单元的类型和属性以及期望的特定灵敏度和特异性来选择特定实现中的电池单元状态模型和其他参数值以获得最佳结果。可以并行或顺序地对任何数量的电池单元执行C 0估计过程。在一些实施例中，如果估计的C 0（滤波后）下降到下限以下，则可以生成低C 0故障通知；这可能是该电池单元需要更换的指示。
在一些实施例中，除了或代替C 0，可以估计电池单元的内阻R i 。内阻R i 可以被定义为在标准SOC、电流和温度下且在没有电池单元极化时电池单元的阻抗的电阻（欧姆）分量。阻抗的欧姆分量可以被理解为电势相对于电流中的瞬时变化；然而，对变化的瞬时测量对于操作的电池单元来说可能是不实际的。此外，内阻通常取决于SOC、温度和放电电流，因此简单地测量短时段内的∆V/∆I可能无法得出可靠的估计值。因此，一些实施例引入补偿因子来改善R i 估计值。
图7是根据一些实施例的用于基于放电事件来估计电池单元的R i 的过程700的流程图。过程700可以例如在电池监控系统300或上述其他电池监控系统中实现。过程700可以在电池主动操作（例如，在放电或充电状态中）时执行迭代（运行）R i 计算，并且可以在电池进入空闲状态中时使用运行计算来更新R i 估计值。过程700是除正常操作之外不涉及电池活动的被动监控过程的另一个示例。
过程700可以在框702处当电池从空闲状态转换到活动状态（例如，充电或放电状态）时开始。响应于该转换，在框704处，过程700可以初始化内阻的运行估计值（R i,run ）。例如，运行估计值可以被初始化为从过程700的先前执行中确定的R i 值。在一些实施例中，在用于新电池单元的过程700的第一次迭代期间，R i,run 可以基于在电池单元的测试期间测量的内阻、标称值（例如，基于电池单元的设计规范）、或根据需要基于另一个值来初始化。
在框706处，只要电池保持在活动状态中，R i,run 就被迭代更新。（在也实现过程400的情况下，这样的更新可以作为在框404处确定状态参数的一部分而发生。）图8示出了根据一些实施例的用于迭代更新R i,run 的过程800的流程图。过程800可以用于例如实现过程700的框704，并且过程800可以在电池处于活动状态中时以规则的时间间隔（时间索引k）执行。
在框802处，过程800可以测量电池的电流（I k ）、电势（V k ）和温度（T k ）。在框804处，过程800可以检查是否满足关于电流、电势和温度的可靠性条件。例如，可以应用以下可靠性条件：
Figure 149550DEST_PATH_IMAGE031
，（31）
Figure 373857DEST_PATH_IMAGE032
，（32）
Figure 61453DEST_PATH_IMAGE033
。（33）
等式（31）和（32）要求从一个时间步长到下一个时间步长的电势和电流中的变化足够大，以便测量。等式（33）要求温度在其中用于更新R i,run 的电阻性行为的模型被认为可靠的范围内。限制参数∆I min 、∆V min 、T max 和T min 可以根据特定系统的需要来选择。在使用图2的电池组200的实现的一个示例中，∆I min = 2 A，∆V min = 0.010 V，T max = 50℃，并且T min = 20℃。也可以应用其他条件，例如关于电流和/或电势中的变化的上限，以及关于温度中的变化的限制。
在框806处，如果不满足框804的可靠性条件中的至少一个，则过程800可以在框808处等待下一个时间步长，并再次尝试。如果在框806处满足所有可靠性条件，则在框810处，过程800可以计算时间步长k的“原始”估计值R i,raw 。在一些实施例中，可以使用以下计算：
Figure 408121DEST_PATH_IMAGE034
，（34）
其中SOC k 可以使用上面参考等式（26）描述的函数getSOC（V k ，T k ）函数来确定，并且IRComp（）是函数，它返回取决于SOC、电流和温度的内阻补偿因子。例如，IRComp（）可以被定义为：
Figure 820648DEST_PATH_IMAGE035
。（35）
函数calcRI（）可以被定义为：
Figure 471815DEST_PATH_IMAGE036
，（36）
其中A（）和B（）是可以通过在受控条件下测试给定设计规范的多个电池单元来经验定义的函数。在一些实现中，经验分析可以用于用对应于SOC和I的各种组合的A（）和B（）的值填充查找表。在等式（35）中，SOC ref 、I ref 和T ref 是SOC、电流和温度的恒定参考值，其可以结合定义等式（36）中的函数A（）和B（）来预先选择。例如，可以选择以下参考值：SOC ref = 1，I ref = 22 A，T ref = 25℃。
在框812处，过程800可以确定在框810处计算的R i,raw 是否在合理范围内。在一个示例中，合理范围被定义为在0.005 Ω和0.03 Ω之间；取决于电池单元的设计，可以使用其他范围。如果R i,raw 不在合理范围内，则在框814处，过程800可以丢弃或忽略计算的R i,raw 值，并等待下一个时间步长以再次尝试。在其他实施例中，过程800可以生成R i 错误通知。在又一些其他实施例中，过程800可以跟踪不合理的R i,raw 是否重复发生，并且在这种情况下生成R i 错误通知。
如果R i,raw 在合理范围内，则在框816处，过程800可以使用近似移动平均的无限脉冲响应滤波器来更新R i,run ：
Figure 73305DEST_PATH_IMAGE037
，（37）
其中γ是可以基于对更新值的期望灵敏度来选择的滤波器衰减常数。在一个示例中，γ= 0.01；然而，也可以选择其他值。应当理解，在实现过程600和800两者的实施例中，等式（37）中的R i 估计值的衰减常数可以但不必具有与等式（29）中的C 0估计值的衰减常数相同的值。可以使用用于将新计算的R i,raw 与先前的R i 的估计值相结合的其他技术，包括移动平均、加权移动平均（其中越近的估计值被赋予越大的权重）、递归移动平均或诸如此类。在一些实施例中，可以执行针对电池单元的R i 的最近估计值的分布的统计分析，例如，以确定最近的R i,raw 值在预期分布之外多远，从而允许消除随机测量噪声。
在一些实施例中，只要电池保持在活动状态中，就可以迭代地执行过程800（对应于过程700的框704）。再次参考图7，在框708处，电池转换到空闲状态。在电池进入空闲状态后，R i,run 的最终值（来自过程800）可以用作新的R i 估计值。在一些实施例中，R i 估计值可以用于触发故障通知。例如，预期R i 会随时间缓慢变化，而出乎意料地快速变化可能表明问题。因此，在框710处，过程700可以计算R i 中的变化，例如，使用以下等式来计算：
Figure 325294DEST_PATH_IMAGE038
（38）
其中R i 是来自框702的R i 值。如果∆R i 超过阈值，则结果将被视为可疑的。例如，在框714处，过程700可以生成“电池单元电阻故障”通知。在一些实施例中，可以定义多个阈值，并且可以基于超过了哪个（哪些）阈值来区分不同的故障通知。例如，如果∆R i 超过第一阈值（例如，0.002 Ω），则可以生成“电池单元电阻可疑”故障通知，并且如果∆R i 超过第二个更高阈值（例如，0.01 Ω），则可以生成“电池单元电阻非常可疑”故障通知。当在框714处生成电池单元电阻故障通知时，过程700可以丢弃得到的R i,run 值，并返回到框702，以等待下一次转换到活动状态。
在框716处，可以例如通过用R i,run 替换存储的R i 值来更新存储的R i 值。更新的R i 值可以被报告给控制系统106或其他系统组件。在一些实施例中，控制系统106可以将估计的内阻并入到电池状态报告中（例如，以供维修技术人员审阅）。
可以重复过程700，其中每次电池进入活动状态时计算新的R i,run （例如，使用过程800），并且当电池处于空闲状态中时更新R i （如果满足条件）。在一些实施例中，过程700或类似过程可以用于基于充电事件或放电事件来估计R i ，或者如果需要的话，则过程700可以仅结合放电事件（或仅结合充电事件）被选择性地调用。
将理解，过程700和800是说明性的，并且变化和修改是可能的。在逻辑允许的范围内，被描述为顺序的操作可以并行执行，或者操作可以以不同的次序执行。可以执行未具体描述的其他操作，并且如果需要的话，可以省略具体描述的操作。例如，在所描述的示例中，使用当前估计值和表示先前估计值的单个值，但是在其他实现中，可以存储来自过程800的多次迭代的先前估计值，并且可以执行对估计值的集合的统计分析。（这样的统计分析可以提高准确性并减少波动，但是也将增加存储先前估计值所需的存储器的量。）可以基于电池单元的类型和属性以及期望的特定灵敏度和特异性来选择特定实现中的电池单元状态模型和其他参数值以获得最佳结果。可以并行或顺序地对任何数量的电池单元执行R i 估计过程。在一些实施例中，如果估计的R i 上升超过上限，则可以生成高R i 故障通知；这可能是该电池单元需要更换的指示。
附加实施例
虽然已经参考具体实施例描述了本发明，但具有对本公开的访问的本领域技术人员将理解变化和修改是可能的。本文中所描述的种类的电池监控系统和过程可以用于监控任何数量的电池或任何数量的电池单元，并且该系统和过程可以适于使用多种电池技术实现的电池单元。在电池监控期间生成的通知不限于上面给出的示例，并且通知的使用不限于上面描述的使用情况。监控过程的任何组合可以在特定系统中实现，包括上述过程中的任何一个或多个。被描述为基于电池单元状态模型（例如，等效电池单元电路模型）的功能可以通过提供键控到该功能的输入的查找表来实现，该查找表具有基于电池单元状态参数的测量的分辨率（例如，电势、电流和温度传感器的分辨率）的适当粒度。在一些实施例中，监控参数的确定可以以函数的输入在由查找表覆盖的范围内为条件。
本文中所描述的种类的计算操作可以在通常可能具有常规设计的计算机系统中实现，所述计算机系统诸如台式计算机、笔记本计算机、平板计算机、移动设备（例如，智能电话）或诸如此类。这样的系统可以包括用于执行程序代码的一个或多个处理器（例如，可用作中央处理单元（CPU）的通用微处理器和/或诸如图形处理器（GPU）的专用处理器，其可以提供增强的并行处理能力）；用于存储程序代码和数据的存储器和其他存储设备；用户输入设备（例如，键盘、诸如鼠标或触摸板的指向设备、麦克风）；用户输出设备（例如，显示设备、扬声器、打印机）；组合输入/输出设备（例如，触摸屏显示器）；信号输入/输出端口；网络通信接口（例如，诸如以太网接口的有线网络接口和/或诸如Wi-Fi的无线网络通信接口）；等等。包括所要求保护的发明的各种特征的计算机程序可以被编码并存储在各种计算机可读存储介质上；合适的介质包括磁盘或磁带、诸如压缩盘（CD）或DVD（数字多功能盘）的光存储介质、闪存和其他非暂时性介质。（应该理解，数据的“存储”不同于使用诸如载波之类的暂时性介质的数据的传播。）编码有程序代码的计算机可读介质可以与兼容的计算机系统或其他电子设备封装在一起，或者程序代码可以与电子设备分离地提供（例如，经由互联网下载或作为分离地封装的计算机可读存储介质）。
应理解，本文中使用的所有数值都用于说明目的，并且可以变化。在一些情况下，指定范围以提供比例感，但是不排除所公开范围之外的数值。
还应理解，本文中的所有图表都旨在是示意性的。除非特别指出，否则附图并不旨在暗示其中所示元件的任何特定物理布置，或者所示的所有元件都是必要的。具有对本公开的访问的本领域技术人员将理解，可以修改或省略附图中所示的或以其他方式在本公开中描述的元件，并且可以添加未示出或描述的其他元件。
上述描述是说明性的而非限制性的。在审阅本公开时，本发明的许多变化对本领域技术人员来说将变得显而易见。因此，专利保护的范围不应参考上述描述来确定，而代之以应参考下面的权利要求及其全部范围或等同物来确定。

Claims (60)

1.一种用于监控电池单元的充电容量的方法，所述方法包括：
当电池单元处于空闲状态中时，确定电池单元的初始充电的状态；此后
当电池单元处于活动状态中时，监控从电池单元转移的电荷的总量或转移到电池单元的电荷的总量；
在电池单元返回到空闲状态之后，确定电池单元的最终充电的状态；
使用初始充电的状态、最终充电的状态和转移的电荷的总量计算未滤波的充电容量值；以及
使用未滤波的充电容量值来更新充电容量估计值。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
计算相对于先前估计值的充电容量估计值中的变化的幅度；以及
在充电容量中的变化的幅度超过阈值的情况下，生成电池单元容量故障通知。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定初始充电的状态包括：
当电池单元处于初始空闲状态中时，测量电池单元的初始电池单元电势和初始电池单元温度；以及
使用初始电池单元电势和初始电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其中确定最终充电的状态包括：
当电池单元返回到空闲状态时，测量电池单元的最终电池单元电势和最终电池单元温度；以及
使用最终电池单元电势和最终电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在电池单元处于活动状态中时监控转移的电荷的总量包括：
以规则的时间间隔测量通过电池单元的电流；以及
将测量的电流和由规则的时间间隔定义的时间步长的乘积加到转移的电荷的累计总量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中活动状态是放电状态，在放电状态中，电荷从电池单元转移到负载。
7.根据权利要求1所述的方法，其中更新充电容量估计值包括：
将无限脉冲响应滤波器应用于未滤波的充电容量值和先前存储的充电容量估计值。
8.一种电池监控系统，包括：
电池接口，用于从电池单元的电池传感器接收传感器数据；
控制系统接口，用于向控制系统提供输出数据；
存储器；以及
耦合到存储器、电池接口和控制系统的处理器，所述处理器被配置成：
当电池单元处于空闲状态中时，确定电池单元的初始充电的状态；此后
当电池单元处于活动状态中时，监控从电池单元转移的电荷的总量或转移到电池单元的电荷的总量；
在电池单元返回到空闲状态之后，确定电池单元的最终充电的状态；
使用初始充电的状态、最终充电的状态和转移的电荷的总量计算未滤波的充电容量值；以及
使用未滤波的充电容量值来更新存储在存储器中的充电容量估计值。
9.根据权利要求8所述的电池监控系统，其中所述处理器被进一步配置成：
计算相对于先前估计值的充电容量估计值中的变化的幅度；以及
在充电容量中的变化的幅度超过阈值的情况下，生成电池单元容量故障通知。
10.根据权利要求8所述的电池监控系统，其中所述处理器被进一步配置成使得确定初始充电的状态包括：
当电池单元处于初始空闲状态中时，测量电池单元的初始电池单元电势和初始电池单元温度；以及
使用初始电池单元电势和初始电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
11.根据权利要求10所述的电池监控系统，其中，所述处理器被进一步配置成使得确定最终充电的状态包括：
当电池单元返回到空闲状态时，测量电池单元的最终电池单元电势和最终电池单元温度；以及
使用最终电池单元电势和最终电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
12.根据权利要求8所述的电池监控系统，其中，所述处理器被进一步配置成使得其中当电池单元处于活动状态中时监控转移的电荷的总量包括：
以规则的时间间隔测量通过电池单元的电流；以及
将测量的电流和由规则的时间间隔定义的时间步长的乘积加到转移的电荷的累计总量。
13.根据权利要求8所述的电池监控系统，其中活动状态是放电状态，在放电状态中，电荷从外部电源转移到电池单元。
14.根据权利要求8所述的电池监控系统，其中所述处理器被进一步配置成使得更新充电容量估计值包括：
将无限脉冲响应滤波器应用于未滤波的充电容量值和先前存储的充电容量估计值。
15.一种其中存储有程序指令的计算机可读存储介质，当所述程序指令由耦合到电池单元的电池监控系统中的处理器执行时，使得处理器执行包括如下步骤的方法：
当电池单元处于空闲状态中时，确定电池单元的初始充电的状态；此后
当电池单元处于活动状态中时，监控从电池单元转移的电荷的总量或转移到电池单元的电荷的总量；
在电池单元返回到空闲状态之后，确定电池单元的最终充电的状态；
使用初始充电的状态、最终充电的状态和转移的电荷的总量计算未滤波的充电容量值；以及
使用未滤波的充电容量值来更新充电容量估计值。
16.根据权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
计算相对于先前估计值的充电容量估计值中的变化的幅度；以及
在充电容量中的变化的幅度超过阈值的情况下，生成电池单元容量故障通知。
17.根据权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中确定初始充电的状态包括：
当电池单元处于初始空闲状态中时，测量电池单元的初始电池单元电势和初始电池单元温度；以及
使用初始电池单元电势和初始电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
18.根据权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中确定最终充电的状态包括：
当电池单元返回到空闲状态时，测量电池单元的最终电池单元电势和最终电池单元温度；以及
使用最终电池单元电势和最终电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。
19.根据权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中在电池单元处于活动状态中时监控转移的电荷的总量包括：
以规则的时间间隔测量通过电池单元的电流；以及
将测量的电流和由规则的时间间隔定义的时间步长的乘积加到转移的电荷的累计总量。
20.根据权利要求15所述的计算机可读存储介质，其中更新充电容量估计值包括：
将无限脉冲响应滤波器应用于未滤波的充电容量值和先前存储的充电容量估计值。
21.一种用于监控电池单元的内阻的方法，所述方法包括：
响应于检测到电池单元从空闲状态到活动状态的转换，使用存储的值来初始化内阻的运行估计值；
当电池单元处于活动状态中时：
测量电池单元的电势、电流和温度；以及
基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值；以及
响应于检测到电池单元从活动状态到空闲状态的转换：
基于存储的值和运行估计的最终值来计算内阻中的变化；以及
使用运行估计的最终值来更新存储的值。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：
在内阻中的变化超过阈值的情况下，生成电池单元电阻故障通知。
23.根据权利要求21所述的方法，其中基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值包括：
对于每次迭代更新，确定测量的电势、电流和温度是否在预定义的有效范围内；
在测量的电势、电流和温度在预定义的有效范围内的情况下：
基于等效电池单元电路模型来计算内阻的原始估计值；以及
使用原始估计值和来自先前时间步长的先前运行估计值来更新运行估计值；以及
在测量的电势、电流或温度中的一个或多个不在预定义的有效范围内的情况下，等待下一个时间步长，而不更新运行估计值。
24.根据权利要求23所述的方法，其中更新运行估计值包括：
将无限脉冲响应滤波器应用于原始估计值和先前的运行估计值。
25.根据权利要求21所述的方法，其中基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值包括：
对于每次迭代更新，确定测量的电势、电流和温度是否在预定义的有效范围内；
在测量的电势、电流和温度在预定义的有效范围内的情况下：
基于等效电池单元电路模型来计算内阻的原始估计值；
在原始估计值在合理的值的范围之外的情况下，丢弃原始估计值；以及
在原始估计值在合理的值的范围内的情况下，使用原始估计值和来自先前时间步长的先前运行估计值来更新运行估计值；以及
在测量的电势、电流或温度中的一个或多个不在预定义的有效范围内的情况下，等待下一个时间步长，而不更新运行估计值。
26.根据权利要求25所述的方法，其中更新运行估计值包括：
将无限脉冲响应滤波器应用于原始估计值和先前的运行估计值。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述活动状态是充电状态。
28.根据权利要求21所述的方法，其中所述活动状态是放电状态。
29.一种电池监控系统，包括：
电池接口，用于从电池单元的电池传感器接收传感器数据；
控制系统接口，用于向控制系统提供输出数据；
存储器；以及
耦合到存储器、电池接口和控制系统的处理器，所述处理器被配置成：
响应于检测到电池单元从空闲状态到活动状态的转换，使用存储的值来初始化内阻的运行估计值；
当电池单元处于活动状态中时：
测量电池单元的电势、电流和温度；以及
基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值；以及
响应于检测到电池单元从活动状态到空闲状态的转换：
基于存储的值和运行估计的最终值来计算内阻中的变化；以及
使用运行估计的最终值来更新存储的值。
30.根据权利要求29所述的电池监控系统，其中所述处理器被进一步配置成：
在内阻中的变化超过阈值的情况下，生成电池单元电阻故障通知。
31.根据权利要求29所述的电池监控系统，其中所述处理器被进一步配置成使得基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值包括：
对于每次迭代更新，确定测量的电势、电流和温度是否在预定义的有效范围内；
在测量的电势、电流和温度在预定义的有效范围内的情况下：
基于等效电池单元电路模型来计算内阻的原始估计值；
在原始估计值在合理的值的范围之外的情况下，丢弃原始估计值；以及
在原始估计值在合理的值的范围内的情况下，使用原始估计值和来自先前时间步长的先前运行估计值来更新运行估计值；以及
在测量的电势、电流或温度中的一个或多个不在预定义的有效范围内的情况下，等待下一个时间步长，而不更新运行估计值。
32.根据权利要求31所述的电池监控系统，其中所述处理器被进一步配置成使得更新运行估计值包括：
将无限脉冲响应滤波器应用于原始估计值和先前的运行估计值。
33.根据权利要求29所述的电池监控系统，其中所述活动状态是充电状态。
34.根据权利要求29所述的电池监控系统，其中所述活动状态是放电状态。
35.一种其中存储有程序指令的计算机可读存储介质，当所述程序指令由耦合到电池单元的电池监控系统中的处理器执行时，使得处理器执行包括如下步骤的方法：
响应于检测到电池单元从空闲状态到活动状态的转换，使用存储的值来初始化内阻的运行估计值；
当电池单元处于活动状态中时：
测量电池单元的电势、电流和温度；以及
基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值；以及
响应于检测到电池单元从活动状态到空闲状态的转换：
基于存储的值和运行估计的最终值来计算内阻中的变化；以及
使用运行估计的最终值来更新存储的值。
36.根据权利要求35所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
在内阻中的变化超过阈值的情况下，生成电池单元电阻故障通知。
37.根据权利要求35所述的计算机可读存储介质，其中基于测量的电势、电流和温度迭代地更新内阻的运行估计值包括：
对于每次迭代更新，确定测量的电势、电流和温度是否在预定义的有效范围内；
在测量的电势、电流和温度在预定义的有效范围内的情况下：
基于等效电池单元电路模型来计算内阻的原始估计值；以及
使用原始估计值和来自先前时间步长的先前的运行估计值来更新运行估计值；以及
在测量的电势、电流或温度中的一个或多个不在预定义的有效范围内的情况下，等待下一个时间步长，而不更新运行估计值。
38.根据权利要求37所述的计算机可读存储介质，其中更新运行估计值包括：
将无限脉冲响应滤波器应用于原始估计值和先前的运行估计值。
39.根据权利要求35所述的计算机可读存储介质，其中所述活动状态是充电状态。
40.根据权利要求35所述的计算机可读存储介质，其中所述活动状态是放电状态。
41.一种用于监控电池单元的状态的方法，所述方法包括：
确定电池单元的一个或多个健康的状态参数的当前值；
测量电池单元的多个操作状态参数的值，包括测量电池单元的实际电势；
基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的乐观值来计算乐观电势，乐观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更好的健康的状态；
基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的悲观值来计算悲观电势，悲观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更差的健康的状态；
确定电池单元的实际电势是否基本上在由乐观电势和悲观电势限定的包络内；以及
在实际电势基本上不在包络内的情况下生成模型故障通知。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述方法在电池单元为负载供电时实时执行。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，所述方法在电池单元充电时实时执行。
44.根据权利要求41所述的方法，其中，模型故障通知在电池单元处于活动使用中时实时生成。
45.根据权利要求41所述的方法，其中，操作状态参数包括通过电池单元的电流和电池单元的温度。
46.根据权利要求41所述的方法，其中，一个或多个健康的状态参数包括：
电池单元的内阻；以及
电池单元的充电容量。
47.根据权利要求46所述的方法，进一步包括：
当电池处于活动使用中时，估计健康的状态参数中的一个或多个的值；以及
将估计值存储为健康的状态参数的当前值。
48.根据权利要求41所述的方法，其中电池单元状态模型是等效电池单元电路模型。
49.根据权利要求41所述的方法，进一步包括基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的当前值来计算电池单元的预测电势。
50.一种电池监控系统，包括：
电池接口，用于从电池单元的电池传感器接收传感器数据；
控制系统接口，用于向控制系统提供输出数据；
存储器；以及
耦合到存储器、电池接口和控制系统的处理器，所述处理器被配置成：
确定电池单元的一个或多个健康的状态参数的当前值；
接收包括电池单元的多个操作状态参数的值的传感器数据，所述多个操作状态参数包括电池单元的实际电势；
基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的值以及一个或多个健康的状态参数的乐观值来计算乐观电势，乐观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更好的健康的状态；
基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的值以及一个或多个健康的状态参数的悲观值来计算悲观电势，悲观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更差的健康的状态；
确定电池单元的实际电势是否基本上在由乐观电势和悲观电势限定的包络内；以及
在实际电势基本上不在包络内的情况下，生成模型故障通知。
51.根据权利要求50所述的电池监控系统，其中，所述处理器被配置成：接收传感器数据，计算乐观电势，计算悲观电势，确定电池单元的实际电势是否基本上在包络内，并且在电池单元处于活动使用中时实时生成模型故障通知。
52.根据权利要求50所述的电池监控系统，其中传感器数据包括通过电池单元的电流和电池单元的温度。
53.根据权利要求50所述的电池监控系统，其中所述一个或多个健康的状态参数包括：
电池单元的内阻；以及
电池单元的充电容量。
54.根据权利要求53所述的电池监控系统，其中，所述处理器被进一步配置成使用电池单元正在向负载供电的传感器数据来估计健康的状态参数中的一个或多个的值，并将估计值存储为健康的状态参数的当前值。
55.一种其中存储有程序指令的计算机可读存储介质，当所述程序指令由电池监控系统中的处理器执行时，使得处理器执行包括如下步骤的方法：
确定电池单元的一个或多个健康的状态参数的当前值；
测量电池单元的多个操作状态参数的值，包括测量电池单元的实际电势；
基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的乐观值来计算乐观电势，乐观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更好的健康的状态；
基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的悲观值来计算悲观电势，悲观值对应于比一个或多个健康的状态参数的当前值更差的健康的状态；
确定电池单元的实际电势是否基本上在由乐观电势和悲观电势限定的包络内；以及
在实际电势基本上不在包络内的情况下生成模型故障通知。
56.根据权利要求55所述的计算机可读存储介质，其中所述方法在电池单元处于活动使用中时实时执行。
57.根据权利要求55所述的计算机可读存储介质，其中，一个或多个健康的状态参数包括：
电池单元的内阻；以及
电池单元的充电容量。
58.根据权利要求57所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
当电池处于活动使用中时，估计健康的状态参数中的一个或多个的值；以及
将估计值存储为健康的状态参数的当前值。
59.根据权利要求55所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括基于电池单元状态模型、操作状态参数的第一子集的测量值以及一个或多个健康的状态参数的当前值来计算电池单元的预测电势。
60.根据权利要求55所述的计算机可读存储介质，其中操作状态参数包括通过电池单元的电流和电池单元的温度。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115528329A (zh) * 2022-11-09 2022-12-27 智洋创新科技股份有限公司 一种蓄电池实时运行检测方法及检测系统

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11495976B2 (en) * 2019-10-01 2022-11-08 Samsung Sdi Co., Ltd. Battery system and method for controlling battery system
US11443569B1 (en) * 2021-10-30 2022-09-13 Beta Air, Llc Systems and methods for battery management for a vehicle
US11996527B2 (en) * 2021-12-02 2024-05-28 Arm Limited Technique for monitoring a battery cell
CN114252771B (zh) * 2021-12-13 2024-05-07 北京经纬恒润科技股份有限公司 一种电池参数在线辨识方法及系统
CN115615181A (zh) * 2022-09-30 2023-01-17 广东利元亨智能装备股份有限公司 一种水分检测方法及烘烤装置
CN115663312B (zh) * 2022-12-27 2023-05-30 深圳市今朝时代股份有限公司 一种基于电池保护的电池运行监测系统及方法
CN117148170B (zh) * 2023-10-30 2024-01-09 深圳市普裕时代新能源科技有限公司 一种电池储能系统及其储能测试方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012105492A1 (ja) * 2011-01-31 2012-08-09 三洋電機株式会社 電池の満充電容量検出方法
CN103091636A (zh) * 2011-10-28 2013-05-08 三洋电机株式会社 组电池的异常判定方法和组电池
CN104852413A (zh) * 2014-02-19 2015-08-19 紘康科技股份有限公司 更新堆栈电池芯充满电量的方法及电池管理系统
CN105050855A (zh) * 2013-03-22 2015-11-11 丰田自动车株式会社 蓄电系统和用于蓄电装置的满充电容量估计方法
CN106842065A (zh) * 2017-04-10 2017-06-13 北京新能源汽车股份有限公司 一种电池健康状态的获得方法及装置

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6307377B1 (en) 1999-11-05 2001-10-23 Dell Usa, L.P. Battery charge determination
EP1571457A4 (en) * 2002-12-11 2010-04-21 Gs Yuasa Corp BATTERY CHARGING STATUS CALCULATION DEVICE AND BATTERY CHARGING STATE CALCULATION METHOD
JP3920263B2 (ja) 2003-12-22 2007-05-30 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 情報処理装置、制御方法、プログラム、及び記録媒体
JP4144568B2 (ja) 2004-06-04 2008-09-03 ソニー株式会社 バッテリ残量検出システム、電子機器及びバッテリパック
KR100740097B1 (ko) * 2005-10-20 2007-07-16 삼성에스디아이 주식회사 배터리의 ｓｏｃ 추정 방법 및 이를 이용한 배터리 관리시스템
US7550946B2 (en) * 2006-06-07 2009-06-23 Gm Global Technology Operations, Inc. Method and apparatus for real-time life estimation of an electric energy storage device in a hybrid electric vehicle
JP2008241358A (ja) * 2007-03-26 2008-10-09 Sanyo Electric Co Ltd 電池の満充電容量検出方法
WO2012143996A1 (ja) 2011-04-18 2012-10-26 日立ビークルエナジー株式会社 蓄電装置
US9244132B2 (en) * 2011-09-12 2016-01-26 Eaglepicher Technologies, Llc Systems and methods for determining battery state-of-health
JP6224005B2 (ja) * 2012-01-19 2017-11-01 ナイキ イノベイト シーブイ 活動監視装置における電源管理
US9601940B2 (en) * 2013-08-06 2017-03-21 Analog Devices, Inc. Battery pack with locally controlled disconnect safeguards
KR20160063756A (ko) * 2014-11-27 2016-06-07 삼성에스디아이 주식회사 배터리 팩 및 이의 제어 방법
EP4020740A1 (en) 2015-02-18 2022-06-29 Wisk Aero LLC Electric vehicle power distribution system
DE102015212176A1 (de) * 2015-05-29 2016-12-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Bestimmung eines Potentials einer Anode und/oder eines Potentials einer Kathode in einer Batteriezelle
US10048321B2 (en) * 2016-02-19 2018-08-14 Johnson Controls Technology Company Systems and methods for directional capacity estimation of a rechargeable battery
JP6828339B2 (ja) * 2016-09-21 2021-02-10 株式会社豊田自動織機 蓄電装置
JP2018159572A (ja) 2017-03-22 2018-10-11 三菱自動車工業株式会社 バッテリ状態推定装置
US10110033B1 (en) 2018-01-31 2018-10-23 Kitty Hawk Corporation Multi-battery charging station which selectively connects battery sub-modules to a common power bus for charging
JP7173127B2 (ja) * 2018-03-27 2022-11-16 住友電気工業株式会社 電池監視方法、電池監視装置及び電池監視システム
US10355496B1 (en) 2018-07-26 2019-07-16 Kitty Hawk Corporation Inter-module battery balancing using minimum cell voltages to select battery sub-modules to power loads
WO2020097271A1 (en) * 2018-11-07 2020-05-14 Qnovo Inc. Battery adaptive charging
JP7171462B2 (ja) * 2019-01-28 2022-11-15 本田技研工業株式会社 制御装置、バッテリモジュール、および電動車両
CN109795363A (zh) * 2019-02-19 2019-05-24 上海韧思能源科技有限公司 一种电动汽车充电监控装置
CN111025168A (zh) * 2019-11-29 2020-04-17 淮南师范学院 一种电池健康状态监控装置及电池荷电状态智能估算方法
EP3993212A1 (en) * 2020-10-30 2022-05-04 ABB Schweiz AG Machine learning -based method for increasing lifetime of a battery energy storage system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012105492A1 (ja) * 2011-01-31 2012-08-09 三洋電機株式会社 電池の満充電容量検出方法
CN103091636A (zh) * 2011-10-28 2013-05-08 三洋电机株式会社 组电池的异常判定方法和组电池
CN105050855A (zh) * 2013-03-22 2015-11-11 丰田自动车株式会社 蓄电系统和用于蓄电装置的满充电容量估计方法
CN104852413A (zh) * 2014-02-19 2015-08-19 紘康科技股份有限公司 更新堆栈电池芯充满电量的方法及电池管理系统
CN106842065A (zh) * 2017-04-10 2017-06-13 北京新能源汽车股份有限公司 一种电池健康状态的获得方法及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115528329A (zh) * 2022-11-09 2022-12-27 智洋创新科技股份有限公司 一种蓄电池实时运行检测方法及检测系统
CN115528329B (zh) * 2022-11-09 2024-02-20 智洋创新科技股份有限公司 一种蓄电池实时运行检测方法及检测系统

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