CN117794779A - 用于一个或多个能量存储设备的故障检测的系统、方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种能量存储设备管理系统可包括用于对能量存储设备进行充电/放电的管理部分和用于在充电/放电循环期间使超声能量通过能量存储设备的超声询问部分。存储器存储源自从能量存储设备出来的超声能量的捕获数据实例的数据流和在能量存储设备的正常充电/放电期间对应于能量存储设备的基线超声数据实例。处理器可将每个捕获数据实例与基线超声数据进行比较，并检测能量存储设备的异常运行状态。当检测到异常运行状态时，警告系统可发出通知。

Description

用于一个或多个能量存储设备的故障检测的系统、方法和 设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年4月30日提交的名称为“Systems,Methods,and Devices forBattery Failure Detection(用于电池故障检测的系统、方法和设备)”的美国临时申请第63/182,213号和2021年6月14日提交的名称为“Ultrasound-Battery Management Systems(U-BMS),and Energy Storage Systems Employing U-BMS(超声电池管理系统(U-BMS)和采用U-BMS的能量存储系统)”的美国临时申请第63/210,413号的权益，每个申请的全部内容通过引用并入本文。
关于联邦资助研究的声明
这项发明是在能源部(DOE)授予的DE-SC0020735的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
版权声明
本专利文件的公开内容的一部分可能包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对出现在专利和商标局的专利文档或记录中的专利文件或专利公开内容进行传真复制，但是保留所有版权。以下声明适用于本文件：“Copyright2021 2022TitanAdvanced Energy Solutions Inc.”。
技术领域
本公开大体上涉及对一个或多个能量存储设备(例如，一个或多个电池)的监测，并且更具体地，涉及例如经由超声询问(ultrasound interrogation)对一个或多个能量存储设备的潜在故障(在其发生之前)进行检测。
背景技术
能量存储系统(ESS，其可包括一个或多个能量存储设备，例如，电池)可实现与可再生能源(例如，太阳能光伏(PV)、风、潮汐等)和/或发电系统的广泛集成，以改善孤立的(isolated)能源和存储设施以及电网的能量分配和存储效率。ESS可保护能源安全，减少碳排放，并为一系列利益相关者带来新的收入来源。然而，在美国，只有约2.5％的总发电量依赖于电网储能。广泛安装ESS的主要障碍是系统成本和安全问题。电化学能量存储技术(例如，锂离子和其他液体电解质电池)表现出高功率或能量密度、高充电和放电效率、快速的能量传送响应时间以及易于携带，这对于某些应用可能是特别可取的。实际上，可充电DC电池由于其成本降低、高周期性和技术成熟，已经成为储能的主要选择。
将锂离子和其他液体电解质电池广泛用于ESS的主要障碍是电池/系统故障的可能性，尤其是ESS的一个或多个电池的灾难性故障(称为“热失控”)，这可能导致火灾或爆炸。热失控事件以及随之而来的火灾和爆炸是灾难性液体电解质电池故障的主要原因。当一个或多个电池的运行状态开始偏离正常的电池运行状态行为时，升高的环境温度(例如，高于80℃)会触发ESS电池的额外内部加热。当电池开始偏离正常运行状态时，正反馈循环迅速发生，导致不可控制的放热反应。此类事件的主要触发因素是电池单元内产生热量和/或气体。产生气体的热量可以是由电极材料的分解和/或液体电解质的分离引起的，液体电解质是易燃的碳酸盐。热失控可由内部和外部短路引起，或可由过充电、过热或过放电产生的气体引起。一旦开始，电极材料的分解和/或液体电解质的分离导致电解质电解、电解质降解和电池电阻增加，这又会促使在较高电流使用状态下电池过热。
与新设备相比，不良健康状态(SoH)能量存储设备(例如，电池)具有较低的充电容量，因此具有较低的放电能力。在单个能量存储设备的情况下，该设备的SoH可随着充电和放电循环次数的增加而降低，直到该设备对于其内在目的不再有用。此外，如果设备在其整个寿命周期内总是以相同的恒定电流和/或恒定电压(例如，针对具有优良SoH的设备所推荐的)充电和放电，则恒定电流和恒定电压充电/放电可能在设备寿命的末期变为过充电和过放电。因此，设备会偏离其正常运行状态，潜在地导致正反馈循环，从而导致热失控。当使用相同的充电和放电参数(例如，恒定电流和电压)对多个能量存储设备(每个能量存储设备具有不同的SoH)进行集体充电和放电时，这种风险会增加。在这种情况下，多个能量存储设备中的一个或多个可能具有不良的SoH，因此偏离其正常运行状态，从而潜在地导致热失控。
在与由过充电、过热和/或过放电以及随后的电解质电解和电解质降解导致的气体产生相关的故障期间，锂离子电池可进入危险的运行状态，因为锂离子电池在能量存储设备或ESS的各个电池或电池单元内放出易燃气体。存在于能量存储设备外壳内的气体增加了内部气压，并促使能量存储设备外壳膨胀。当ESS中的单个电池开始出现故障时，ESS中其他电池的电负载或热负载会增加，这会促使其他电池也出现故障。来自附近起火或过热的电池的负载和/或热量的突然变化会导致ESS的更多电池经历热失控。
检测热失控前兆的常规方法包括检测电压变化、检测温度快速上升(例如，每秒≥4℃)或检测气体逸出。这种方法通常提前大约30秒到5分钟来提供快速转变到热失控状态的预警。然而，30秒到5分钟的警报对于采取纠正措施来说是不切实际的，例如，向附近的工人报警，通知消防和安全组，或者确定哪个或哪些能量存储设备导致了预警。此外，快速转变到热失控状态的常规预警通常发生在有缺陷的电池或能量存储设备被永久损坏之后。
在常规系统中，负责潜在地最小化与操作ESS相关联的风险的ESS的主要部件是电池管理系统(BMS)，该电池管理系统包括温度监测模块以及电压和电流监测模块。BMS可以使用监测到的信息来估计SoC、SoH和/或电池电阻，并且可以包括与ESS的每个电池或能量存储设备相关联的开关控制模块。遗憾的是，如通过许多历史灾难事件所展示的，常规的BMS模块不足以可靠地检测与释放的可燃气体、过充电、过放电、电解质电解、电解质降解和/或ESS的各个电池或设备中电阻增加相关的即将发生的ESS或各个能量存储设备故障。
所公开主题的实施例可以解决上述问题和缺点中的一个或多个(除其他方面外)。
发明内容
所公开的主题系统的实施例提供了用于检测能量存储设备的热失控的前兆的系统、设备和方法，例如，通过使用超声询问来监测一个或多个能量存储设备的状态(或各自的状态)。在一些实施例中，响应于检测到热失控的一个或多个前兆，例如，当被监测的任何一个能量存储设备的运行状态被确定为表现出与正常运行状态特征不同或有差异的运行状态特征时，可以发出初始警告通知。替代地或附加地，在一些实施例中，响应于在被监测的任何一个能量存储设备中检测到热失控的一个或多个前兆，可以发出紧急停止命令(E-stop command)，例如，以便将表现出一个或多个前兆的能量存储设备与所有电流源自主断开。
在一些实施例中，超声询问系统(ultrasound interrogation system)可以操作性地联接到(例如，电连接到)(例如，能量存储系统(ESS)的)电池管理系统(BMS)。超声询问系统可使用超声来询问一个或多个能量存储设备，并且BMS可管理一个或多个能量存储设备的充电和/或放电。在一些实施例中，一个或多个存储设备可以存储与一个或多个能量存储设备类型的正常运行状态特征对应的基线超声数据。在一些实施例中，正常运行状态特征可包括在一种或多种能量存储设备类型的多个正常充电/放电循环期间捕获的超声询问信号数据。替代性地或附加地，在一些实施例中，一个或多个数据处理设备可被编程为将存储在一个或多个存储设备中的超声询问信号数据与源自由超声询问系统监测的一个或多个能量存储设备的超声询问数据进行比较。在一些实施例中，可以在一个或多个能量存储设备类型的多个正常充电/放电循环期间捕获存储的超声询问信号数据。
所公开主题的实施例可应用于各种领域，例如但不限于能量存储设备的管理、能量存储设备运行状态监测、能量存储设备安全性和可靠性评估、能量存储设备健康状态(SoH)监测、能量存储设备充电状态(SoC)监测以及故障预测和预防。替代性地或附加地，所公开主题的实施例可应用于各种系统和能量存储设备，例如但不限于可充电DC电池、能量存储系统(ESS)、电池管理系统(BMS)、包括能量存储设备和能源的电子设备以及与ESS相关联的发电系统。
所公开主题的实施例可识别各个能量存储设备(例如，ESS或单个能量存储设备的锂离子电池)的潜在危险状况或运行状态，并且可以在确定设备状态偏离其正常运行状态时提供早期警报。在一些实施例中，当一个或多个能量存储设备首先开始表现出潜在的破坏性运行状态时，单个能量存储设备或多个能量存储设备可以自主地或自动地与电流源(例如，电池充电器)、电力负载和/或其他能量存储设备断开。在一些实施例中，断开可以足够早，以防止火灾或爆炸，通知人(例如，用户或操作者)、BMS或潜在的热失控状况的其他系统，以便采取纠正措施，和/或防止对ESS的能量存储设备的永久损坏。
在代表性实施例中，一种方法可包括检测对应于工作电池的超声能量信号变化，并且将检测到的信号变化与在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化进行比较。该方法还可包括当检测到的信号变化具有在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化的特征时，终止电池的运行。
在另一个代表性实施例中，一种系统可包括一个或多个处理器和计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可存储计算机可读指令，计算机可读指令在由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器从电池中提取检测到的超声信号的至少一个特征，并且响应于所提取的特征中的一个或多个特征满足一个或多个阈值，生成指示电池故障的一个或多个信号。
在另一个代表性实施例中，一种方法可包括检测在电池充电或放电期间通过电池内部传输和/或从电池内部反射的超声。该方法可还包括至少部分基于检测到的超声满足一个或多个预定阈值，提供电池故障的指示。
在另一个代表性实施例中，一种系统可包括电池管理系统、超声询问系统、数据存储器和数据处理器。电池管理系统可被配置为管理一个或多个能量存储设备中的每一个的充电和/或放电。超声询问系统可操作性地联接到(例如，电连接到)电池管理系统，并且被配置为在其充电和/或放电期间使超声能量通过一个或多个能量存储设备。数据存储器可被配置为存储(i)源自离开一个或多个能量存储设备的超声能量的捕获数据实例，以及(ii)在一个或多个能量存储设备的充电和/或放电期间对应于该一个或多个能量存储设备的基线超声数据。数据处理器可与数据存储器通信。数据处理器可被配置为将每个捕获数据实例与基线超声数据进行比较，并且至少部分基于比较，检测一个或多个能量存储设备中的任何一个在其充电和/或放电期间的异常运行状态。
本公开的各种创新中的任何一种创新可组合使用或单独使用。提供发明内容，以便以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。该发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。从参考附图进行的以下具体实施方式中，所公开的技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
下文将参考附图描述实施例，附图不一定按比例绘制。在适用的情况下，为了有助于说明和描述下面的特征，可能简化或者没有示出一些元件。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是示出根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性超声询问系统的简化示意图。在所示的示例中，超声询问系统(本文也称为超声询问模块)包括超声发射器和超声接收器，每个超声发射器和超声接收器都与信号驱动和采集系统电连接。信号驱动和采集系统可被配置为在充电和放电期间将超声能量引导至能量存储设备，并接收从能量存储设备出来的超声能量。信号驱动和采集系统也可被配置为生成表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号。
图2描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性超声信号特征提取的图形表示。在所示的示例中，该提取包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号。
图3描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的另一示例性超声信号特征提取的图形表示。在所示的示例中，该提取包括与表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的希尔伯特变换相关联的电信号。
图4描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的另一示例性超声信号特征提取的图形表示。在所示的示例中，该提取包括与表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的傅立叶变换相关联的电信号。
图5描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性电信号的两个图形表示(A)和(B)。在所示的示例中，电信号(A)与包括能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时电压的基线循环数据相关联，电信号(B)与能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时温度相关联。
图6描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性电信号的三个图形表示(A)、(B)和(C)。在所示的示例中，电信号(A)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的均方根的超声信号特征提取示例相关联，电信号(B)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的希尔伯特变换的超声信号特征提取示例相关联，并且电信号(C)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的傅立叶变换的超声信号特征提取示例相关联。
图7描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性电信号的五个图形表示(A)-(E)。在所示的示例中，电信号(A)和(B)与室温下的恒定电流过充电循环数据相关联，具体地，其中电信号(A)是能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时电压，电信号(B)与能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时温度相关联。在所示的示例中，电信号(C)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的均方根的超声信号特征提取示例相关联，电信号(D)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的希尔伯特变换的超声信号特征提取示例相关联，并且电信号(E)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的傅立叶变换的超声信号特征提取示例相关联。
图8描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性电信号的五个图形表示(A)-(E)。在所示的示例中，电信号(A)和(B)与在65℃下的恒定电流过充电循环数据相关联，具体地，其中电信号(A)是能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时电压，电信号(B)与能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时温度相关联。在所示的示例中，电信号(C)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的均方根的超声信号特征提取示例相关联，电信号(D)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的希尔伯特变换的超声信号特征提取示例相关联，并且电信号(E)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的傅立叶变换的超声信号特征提取示例相关联。
图9描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性电信号的五个图形表示(A)-(E)。在所示的示例中，电信号(A)和(B)与在65℃下的恒定电压过充电循环数据相关联，具体地，其中电信号(A)是能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时电压，电信号(B)与能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时温度相关联。在所示的示例中，电信号(C)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的均方根的超声信号特征提取示例相关联，电信号(D)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的希尔伯特变换的超声信号特征提取示例相关联，并且电信号(E)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的傅立叶变换的超声信号特征提取示例相关联。
图10描绘了根据所公开主题的一个或多个实施例的示例性电信号的五个图形表示(A)-(E)。在所示的示例中，电信号(A)和(B)与室温下的恒定电压过充电循环数据相关联，具体地，其中电信号(A)是能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时电压，电信号(B)与能量存储设备在多个充电和放电循环中的瞬时温度相关联。在所示的示例中，电信号(C)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的均方根的超声信号特征提取示例相关联，电信号(D)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的希尔伯特变换的超声信号特征提取示例相关联，并且电信号(E)与包括表示从能量存储设备出来的超声能量的电信号的傅立叶变换的超声信号特征提取示例相关联。
图11是示出根据所公开主题的一个或多个实施例的用于超声询问系统的示例性测试设置的多个方面的简化示意图。在所示的示例中，超声询问测试系统可操作，以便在充电和放电循环期间将超声能量传输到单个能量存储设备中，并在超声能量从能量存储设备出来时接收超声能量，以供处理器分析。
图12是示出根据所公开主题的一个或多个实施例的用于超声询问系统的另一示例性测试设置的多个方面的简化示意图。在所示的示例中，超声询问测试系统可操作，以便在多个能量存储设备的充电和放电循环期间将超声能量传输到多个能量存储设备中，并在超声能量从多个能量存储设备出来时接收超声能量，以供处理器分析。
图13是示出根据所公开主题的一个或多个实施例的具有警报指示器的示例性系统的多个方面的简化示意图。
图14描绘了可以实现所公开的技术的计算环境的一般示例。
具体实施方式
总则
出于此描述的目的，本文描述了本公开的实施例的某些方面、优点和新颖特征。所公开的方法和系统不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开针对的是所公开的各种实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，无论是单独的还是相互之间的各种组合和子组合。这些方法和系统不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的实施例也不要求存在任何一个或多个特定的优点或要解决的问题。来自任何实施例或示例的技术可以与任何一个或多个其他实施例或示例中描述的技术相结合。鉴于所公开的技术的原理可以应用于许多可能的实施例，应该认识到，所示的实施例仅仅是示例性的，并且不应该被视为限制所公开的技术的范围。
尽管为了方便呈现，以特定的顺序描述了公开的方法的一些操作，但是应当理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序。例如，依次描述的操作在某些情况下可以被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的方法可以结合其他方法使用的各种方式。此外，说明书有时使用类似“提供”或“实现”的术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作可以根据特定的实现方式而变化，并且很容易被本领域技术人员所识别。
除非另有说明，数值范围的公开应当理解为指该范围内的每个离散点，包括端点。除非另有说明，说明书或权利要求中使用的表示部件的数量、分子量、百分比、温度、时间等的所有数字应理解为由术语“约”修饰。因此，除非另外暗示或明确指出，或者除非上下文被本领域技术人员正确理解为具有更明确的解释，所阐述的数值参数是近似值，这些近似值可能取决于所寻求的期望特征和/或标准测试条件/方法下的检测极限，如本领域技术人员所知。当直接和明确区分实施例与所讨论的现有技术时，实施例编号不是近似值，除非使用了单词“约”。每当“基本上”、“大约”、“约”或类似的语言明确地与特定值结合使用时，除非另有明确说明，否则变化高达并包括该值的10％。
方向和其他相对参考可用于促进本文的附图和原理的讨论，但不旨在进行限制。例如，可以使用某些术语，例如，“内”、“外”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内部”、“外部”、“左侧”、“右侧”、“前部”、“后部”、“背部”等。当处理相对关系时，特别是关于所示的实施例，在适用的情况下，使用这些术语来提供某种清晰的描述。然而，这些术语并不意味着绝对的关系、位置和/或方向。例如，对于一个物体，仅仅通过翻转该物体，“上”部分可以变成“下”部分。尽管如此，仍然是同一个部分，物体也保持不变。
如本文所用，“包括”意味着“包含”，单数形式“一”或“一个”或“该”包括复数，除非上下文另有明确指示。术语“或”是指所述的替代性元件中的单个元件或者两个或更多元件的组合，除非上下文中另有明确说明。
尽管本文阐述的各种部件、参数、操作条件等都有替代方案，但是这并不意味着这些替代方案必然是等同的和/或执行得同样好。除非另有说明，否则也不意味着以优选的顺序列出了替代方案。除非另有说明，下面定义的任何组都可以被取代或未被取代。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。尽管在本公开的实践或测试中可以使用类似于或等同于本文所述的方法和材料，但是合适的方法和材料在下文中描述。材料、方法和示例仅是说明性的，而不是限制性的。根据以下具体实施方式和所附权利要求，当前公开的主题的特征将变得显而易见。
术语概述
提供以下内容，以便于描述所公开的主题的各个方面，并指导本领域技术人员实践所公开的主题。
除非特别指出，否则本说明书通篇使用以下缩写：
术语 定义
ESS 能量存储系统
BMS 电池管理系统
RMS 均方根
除非另外特别指出，否则在整个说明书和附图中使用下面的附图标记：
介绍
参考图1，示出了非限制性的示例性超声询问系统100。超声询问系统100可与能量存储设备105耦合或耦合到能量存储设备。在一个非限制性示例中，能量存储设备可以是可充电锂离子电池或其他液体电解质电池系统。能量存储设备105可包括至少一个电池单元(cell)110。每个电池单元110可包括阳极电极(“阳极”)、阴极电极(“阴极”)和设置在阳极和阴极之间的电绝缘隔板材料层(“隔板”)。阳极和阴极中的每一个可以联接到(例如，电连接到)一对电池端子115、120中的相应一个。在一些实施例中，能量存储设备105包括多个电池单元110。例如，多个电池单元110可组装在由周壁175形成的密封外壳或容器内。外壳可被配置为在其中接收多个电池单元110。尽管在图1的右侧仅示出了电池单元110的子集，但是在一些实施例中，整个外壳可以充满电池单元110。替代地或附加地，在一些实施例中，外壳内空的空间可填充有液体电解质并被密封，例如，使得每个电池单元110浸没在液体电解质中。
在一些实施例中，可提供电池管理模块或系统(BMS)125，作为超声询问系统100的一部分，或者作为与超声询问系统100操作性通信的独立部件。例如，BMS可操作性地联接到(例如，电连接到)一个或多个能量源130(例如，电流或电压源)和/或一个或多个能量负载135(例如，使用由能量存储设备存储的电能的电路或设备)。在一些实施例中，BMS125可以操作性地联接到(例如，电连接到)端子115、120，端子可延伸穿过周壁175进入每个电池单元110(或者通过相应的电连接或导管连接到外表面接触部分)。在一些实施例中，能量存储设备105、外部能量源130和/或外部能量负载135可各自包括与BMS125电互连的一个或多个可充电DC电池。在一些实施例中，能量存储设备105可用于从源130接收输入的电力，存储接收到的输入的电力，和/或向能量负载135输出存储的电力。
例如，在下文描述的实验结果中，外部能量源130和外部能量负载135是电池循环模块(Neware BTS4000系列8信道5V，6A循环仪)的元件或端子。可控制电池循环模块以恒定电流(CC)或恒定电压(CV)对能量存储设备105充电，和/或以恒定电流(CC)或恒定电压(CV)对能量存储设备105放电。
返回图1，在一些实施例中，外部能量源130可包括电网源接口、可再生能量源接口或任何其他能量存储或发电系统，其可作为电能或电力源操作，用于根据其电压和电流充电要求对能量存储设备105充电。在一些实施例中，外部能量负载135可包括电子设备接口，例如，与电动车辆(EV)马达或其他电动马达、与电子计算、通信或数据存储系统、或与当从能量存储设备105可获得的输出电压和电流范围与被供电的负载135兼容时可从能量存储设备105接收电能或电力的其他电气设备负载连接。
在一些实施例中，BMS125可包括一个或多个DC到DC单向或双向电源转换器140、145。DC到DC电源转换器和BMS125可被配置为修改由BMS125接收的电力的电压(例如，从源130或从能量存储设备105接收的电力的电压)，以输送到负载135。除了改变电压之外或代替改变电压，一个或多个单向或双向DC到DC电源转换器140、145和BMS125可被配置为修改或调制从源130接收的输入电力的电流，或修改或调制从能量存储设备105输出到负载135的电力的电流。
在一些实施例中，可以提供信号驱动和采集系统(SDAS)150，作为超声询问系统100的一部分或者作为与超声询问系统100操作性通信的独立部件。例如，SDAS150可操作性地联接到(例如，电连接到)超声发射器155和/或超声接收器160。超声发射器155和/或超声接收器160可通过相应的偏压力(例如，偏置构件，例如，图11至图12中的弹簧420)保持抵靠周壁175的相应表面。超声发射器155和超声接收器160可分别通过声耦合剂165和声耦合剂170声耦合到周壁。例如，声耦合剂165、170可各自包括材料层，该材料层被选择成改善通过超声发射器155发射的穿过周壁175进入能量存储设备105的超声能量传输，并改善从能量存储设备传输出并穿过周壁175到达超声接收器160的超声能量传输。
例如，在下文描述的实验结果中，声耦合剂包括合成橡胶(例如，橡胶)的薄层(例如，大约1.6mm)。第一声耦合剂被附接到超声发射器的表面，并被布置在发射器和能量存储设备的周壁的相应表面之间。类似地，第二声耦合剂被附接到超声接收器的表面，并被布置在接收器和能量存储设备的周壁的相应表面之间。
返回图1，在一些实施例中，超声发射器155和超声接收器160可保持抵靠外壳的相对表面(例如，相互平行且间隔开的周壁175)，并且超声能量可以由超声发射器155穿过周壁的第一表面引导到能量存储设备105中。可以沿着与每个电池单元110的相对表面正交(或至少基本正交)的超声能量轴190引导超声能量，使得被引导的超声能量在从能量存储设备105出来到达超声接收器160之前穿过每个电池单元110的阳极、隔板和阴极。
在一些实施例中，可提供处理器195(例如，数字数据处理器)、存储器205(例如，数字数据存储器)和/或接口设备210(例如，数字网络接口设备)，作为超声询问系统100的一部分或者作为与超声询问系统100操作性通信的一个或多个单独的部件。在一些实施例中，处理器195、存储器205和/或接口设备210可例如经由通信信道180在SDAS150和/或BMS125之间共享。附加地或替代性地，SDAS150和BMS125中的一个或两个可以包括其自己的处理器、存储器和/或接口设备。
在一些实施例中，超声询问系统和BMS可组合在一起，例如，以形成超声电池管理系统(U-BMS)，如下面的美国临时申请第63/210,413号中所述，该申请通过引用并入本文。例如，电化学观察和评估系统(EchOes)可被配置为控制和管理多个超声换能器。对于每个电池模块(例如，一个或多个电池单元)，至少一个超声换能器可以与其表面机械耦合。每个超声换能器可以响应于从EchOes接收的激励信号向电池发射超声波。此外，每个超声换能器可操作，以便接收来自电池的超声波(例如，反射或传输的)并响应于接收到的超声波生成电信号。
在一些实施例中，电信号可被传输到EchOes，以供进一步处理和/或使用。当要为ESS中的所有电池捕获超声数据时，U-BMS协调器可向所有连接的EchOEs设备发送命令(例如，电信号)，以收集超声数据。在一些实施例中，协调器模块可以从每个电池的BMS获取电压数据和/或电流数据。一旦收集了所有数据，U-BMS的协调器模块可将数据发送到SoC/SoH建模模块。在一些实施例中，SoC/SoH建模模块可被设置成远离U-BMS(例如，在云中)。替代性地或附加地，SoC/SoH建模模块可以是BMS的一部分。SoC/SoH建模模块可以提取测量值，例如，用于评估热失控的前兆。替代性地或附加地，协调器模块可以评估系统平衡，并且可以更新用于ESS的每个电池的BMS平衡命令和容量度量。
返回图1，在一些实施例中，SDAS150可包括信号生成部分215，该信号生成部分被配置为生成电激励信号220、222，用于输送到超声发射器155。在图1中，示出了两个非限制性的示例性电激励信号220和222，其对应于两个示意性的电压与时间信号表示。例如，每个示例性电激励信号220、222的总持续时间224可包括零电压部分和恒定峰值电压部分。在所示的示例中，对于电激励信号220示出了单个电压峰值，而对于电激励信号222示出了两个电压峰值(例如，正电压峰值和负电压峰值)。在电激励信号220的示例中，从右侧开始，电激励信号220最初在持续时间t1内具有恒定的正电压峰值，然后在总持续时间224的剩余时间内具有零电压或基线电压。在电激励信号222的示例中，从右侧开始，电激励信号222最初在持续时间t1内具有正电压峰值，然后在第二持续时间t2内具有负电压峰值，然后在总持续时间224的剩余时间内具有零电压或基线电压。
电激励信号220或222可用于激励超声发射器155。根据一个或多个设想到的实施例，其他激励信号轮廓和/或超声波波形也是可行的。响应于一个电激励信号(例如，信号220、222或其他波形)，超声发射器155可将超声能量发射到能量存储设备105中，沿着超声能量轴190引导该能量。在所示的示例中，超声能量轴与电池单元110的相对主表面正交，使得超声能量在从能量存储设备105出来到达超声接收器160之前穿过每个电池单元110。
在一些实施例中，当超声能量225穿过Fraunhofer近场区时，超声能量可首先被衍射，然后穿过到达Fraunhofer远场区。例如，近场区与远场区之间的转变可在能量存储设备105内(例如，在测试电池内)。可选择超声发射器155的特征和由此发射的超声能量，以输送具有适当振幅(例如，以dB为单位)的超声能量225，例如，具有适当的信噪比(SNR)、脉冲持续时间(例如，以ns为单位)、总脉冲能量、脉冲中心频率和/或脉冲带宽。
例如，在下面描述的实验结果中，使用电激励信号222，双极方波脉冲(正第一)的中心频率约为500kHz，脉冲电压为±90V，总持续时间为20ms。此外，超声能量轴与电池厚度正交。电池是厚度约为1cm、长度约为8cm、宽度约为6cm的LG1P-531A锂离子电池。此外，每个超声发射器和超声接收器都是CHG014型微点超声换能器(可从美国加利福尼亚州杭廷顿海滩市的NDT Systems购买)。
返回图1，在一些实施例中，响应于接收到穿过能量存储设备105传输的超声能量，超声接收器160可至少部分基于和/或响应于从能量存储设备105内部接收到的超声能量225生成电响应信号235。例如，电响应信号235可包括瞬时电压与时间值的数据流(stream)。在一些实施例中，响应信号235可被传输到SDAS150，例如，用于处理和/或分析。在一些实施例中，电响应信号235可以是模拟信号(例如，由超声接收器160响应于接收到的超声能量225而生成的电压与时间值的数据流)，在这种情况下，电响应信号235可由超声接收器160或SDAS150转换成该数据流的数字表示。在一些实施例中，SDAS150可包括信号采集部分230，该信号采集部分被配置为从超声接收器160接收电响应信号235(例如，以模拟或数字格式)。替代性地或附加地，信号采集部分230可根据一个或多个超声响应信号评估方案(例如，在处理器195和/或SDAS的独立处理器上运行)来修改电响应信号235。
示例性电响应信号235在图1中显示在超声接收器160的右侧。在所示的示例中，从左到右读取，电响应信号235包括主响应部分(或峰值振幅)，其对应于超声能量225首次到达超声接收器160时的超声能量水平。电响应信号235还可包括小于峰值振幅的其它响应部分，例如，对应于在主响应部分之后的时间从能量存储设备150出来的散射、反射或回波超声能量。
在一些实施例中，SDAS150可被配置为完全接收来自超声接收器160的电响应信号，直到时间限制或结束时间(例如，≤1ms)。在一些实施例中，时间限制可由用户或操作者预先确定和/或设置。替代性地或附加地，在一些实施例中，时间限制可由SDAS 150根据用户或操作者选择的设置和/或根据与由SDAS150操作的能量管理方案相关联的预定设置来改变。在一些实施例中，SDAS150可以以一致或变化的间隔(例如，≤100ms)周期性地和/或重复地施加电激励信号。在一些实施例中，SDAS150可根据用户或操作者选择的设置和/或根据与由SDAS150操作的能量管理方案相关联的预定设置来改变后续电子激励信号的时间限制和/或频率。在一些实施例中，这种设置可基于能量存储设备的厚度、超声发射器和超声接收器的相对位置(例如，沿着超声轴190的间隔)、和/或能量存储设备105的飞行时间(例如，发送电激励信号222和由信号采集部分230从超声接收器160接收电响应信号之间的时间间隔)样本来改变。
例如，在下文描述的实验结果中，时间限制是70μs，并且后续电激励信号由信号生成部分每20ms传输一次。
返回图1，在一些实施例中，当从超声接收器160接收到电响应信号235时，电响应信号235可由在处理器195(或者由SDAS150操作的独立处理器)上运行的方案来修改，例如，以形成捕获数据实例。电响应信号235的修改可包括但不限于将模拟信号转换成数字信号表示、过滤噪声的数字响应信号、过滤数字响应信号以减少频率含量(frequency content)和/或从数字响应信号中选择性地过滤频率含量的频谱范围、过滤数字响应信号以移除异常数据点(例如，不具有静态显著性的峰值或谷值电压值)、或前述的任何组合。替代性地或附加地，可以在将电响应信号235转换成数字响应信号之前和/或之后放大电响应信号235。在通过SDAS方案完成对电响应信号235的修改之后，修改后的数字电响应信号可作为捕获数据存储在存储器205中，例如，与时间戳和标识符(例如，电池ID等)相关联，以唯一地识别捕获数据。
在一些实施例中，SDAS150可被配置为穿过能量存储设备105发送一系列超声能量实例225，然后独立地处理与每个超声能量实例225相关联的电响应信号235。例如，16个超声能量实例225可被依次发送并由SDAS150独立处理。当已经修改与所有超声能量实例225相关联的电响应信号时，SDAS方案可计算多个(例如，16个)超声能量实例225的平均值、中间值和/或其他电压幅度与时间数据值。在一些实施例中，SDAS方案可将这些值组合成单个捕获数据实例。一旦被组合，包括平均值、中间值或其他电压幅度与时间数据值的捕获数据可被存储为单个捕获数据实例，并且与时间戳和标识符(例如，电池ID等)相关联，以唯一地识别该捕获数据实例。
超声特征提取的示例
用于实验示例和电池表征数据的能量存储设备是由LG公司(韩国Yeoudi-dong)制造的锂离子电池(LGIP-531A，950mAh，3.7V)。这种锂离子电池通常用作手机或其他便携式电子设备的电源。表征方法可以以类似于下文针对LGIP-531A锂离子电池所述的方式在其他能量存储设备和/或电池单元上执行，并且可以获得类似的表征数据。因此，所公开主题的实施例不局限于具体的LGIP-531A锂离子电池，也不局限于一般的锂离子电池。
基线数据
图2至图4示出了由根据图1所示的配置的超声询问系统生成的超声特征提取的图表。具体地，图2描绘了非限制性的示例性电响应信号235(例如，如上所述)的电压与时间图。时域窗口约为70μs，在正常运行中，电响应信号235以20ms的间隔重复。图3描绘了源自电响应信号235的希尔伯特变换的希尔伯特变换信号240。图4描绘了源自电响应信号235的傅立叶变换的傅立叶变换信号245。在所示的示例中，图2的电响应信号235可被认为是上述捕获数据。换句话说，图2的电响应信号235是已经被在SDAS150上运行的方案放大、滤波和以其他方式修改的数字信号。希尔伯特变换信号240和傅立叶变换信号245中的每一个对应于上述的电响应信号235或捕获数据信号的变换。电响应信号235包括在大约70μs的时间段内在时间(t)的瞬时电压幅度值的数据流。在时间(t)的瞬时电压幅度值存储在存储器205中。
图5至图6示出了LG1P-531A锂离子电池的基线测试数据。收集基线测试数据，以在多次充电和放电循环中表征能量存储设备。充电和放电循环由电池循环设备(NewareModel BTS4000系列8信道5v，6A循环仪)控制，该电池循环设备被设计成表征能量存储设备。电池循环设备包括充电电源和放电负载机构。放电负载机构附接到测试设备的端子(例如，端子115、120)，并且测试设备由电池循环设备在完全充电状态和完全放电状态之间自动循环。电池循环设备被配置为设置充电和放电电压和电流值，测量充电和放电期间的瞬时电压和电流幅度，从与测试设备相关联的温度传感器接收电池温度测量值，并将数据记录在存储器中。图5示出了从电池循环设备接收的在图表(A)和(B)中的基线数据。替代性地或附加地，电池循环设备可进一步确定和跟踪测试设备的瞬时电流幅度、SoC、SoH和/或电阻，并且在存储器中记录该附加数据。
在一些实施例中，BMS可被配置为设置充电和放电电压和电流值，测量充电和放电期间的瞬时电压和电流幅度，从与测试能量存储设备相关联的温度传感器接收电池温度测量值，确定测试设备的SoC和SoH，和/或在存储器中记录基线数据。替代性地，在一些实施例中，BMS可缺少由电池循环设备提供的高精度充电和放电模块，因此电池循环设备可用于替代或补充BMS的监测/控制。在示例性运行模式中，电池循环设备的瞬时充电电压和电流可以如下设置：(i)充电设置；4.2V，在250mA下；(ii)放电设置：2.5V，在250mA下。
在图5中，图表B中的平均电池温度约为23℃，其在下文中称为室温(RT)。图5的图表(A)和(B)的左边部分涉及电池循环的前30个小时(例如，大约前五次完全充电和放电循环)。图5的图表(A)和(B)的右边部分涉及电池循环的最后30小时(例如，完全充电和放电循环)，反映了总共363次充电和放电循环。图5的图表(A)和(B)一起用于基于在测试电池的使用寿命期间在测试电池的每个充电和放电循环中测量的受控电池电压和温度值来表征测试设备的状态。因此，图5的数据提供了与在受控参数下运行的测试电池对应的基线数据模板。
图6示出了对应于电响应信号235的捕获数据的超声提取特征的基线数据，该电响应信号是在上述相同的受控充电和放电循环期间记录的，并且与图5所示的基线数据相关。超声提取特征各自源自电响应信号235或源自超声激励特征(例如，源自从电响应信号235导出的超声提取特征)。如图6的图表(A)所示，例如，通过将电响应信号235的电压值转换成均方根(RMS)电压值260，修改的超声提取特征信号260源自电响应信号235(或捕获数据)。每个RMS电压与时间实例(例如，以mV为单位)与电响应信号235的相应电压与时间(例如，以V为单位)相关。可以使用信号260的RMS电压值，因为RMS电压值也与充电期间可添加到测试能量存储设备的能量的量相关。因此，RMS信号值260还包括与整个充电循环中的充电能量对应的信息。在实际的实施例中，电响应信号235可受到充电能量的频率的影响，该充电能量可到达测试能量存储设备，但是在单独考虑电压时不会被另外考虑。因此，RMS信号值260可提供比单独的电压更多的信息。例如，图2所示的电响应信号235可被转换成RMS信号260，如图6的图表(A)所示。
如图6的图表(B)所示，修改的超声提取特征信号265也源自电响应信号235(或捕获数据)。修改的超声提取特征信号265包括电响应信号235的希尔伯特变换，然后布置数据图，以示出希尔伯特变换的最大电压出现的时间(例如，以μs为单位)。如图6的图表(C)所示，修改的超声提取特征信号270也源自电响应信号235(或捕获数据)。修改的超声提取特征信号270包括电响应信号235的傅立叶变换，然后基于电响应信号235的傅立叶变换布置数据图，以显示最大频率振幅与时间。
总的来说，发现与源自捕获数据或电响应信号235的超声提取特征信号对应的一组四十三(43)个测量值是有用的，并且在大多数情况下，值得评估，以监测能量存储设备(例如，锂离子电池)在其寿命期间的运行状态。对应于超声提取特征信号的测量值可包括但不限于穿过被监测设备的飞行时间、过零点时间、拐点时间、初级、次级和第三级正和负峰值电压点的时间以及其他时域比较结果。对应于超声提取特征信号的测量值还可包括初级、次级和第三级正和负电压峰值的电压值、电压值拐点、频率带宽和选定的频率幅度以及与平均值或中间值相比、与最大值和最小值相比的电压幅度或频率幅度的差异等。在一些实施例中，源自捕获数据或源自电响应信号235的一个、一些或所有的上述超声提取特征信号可以由SDAS150执行和存储，并且可以生成特征矩阵，以供数据处理器195评估或存储在存储器205中或两者。
在过充电时的表征
为了测试检测LG1P-531A锂离子电池的运行状态的偏差的可行性，设计了一系列实验，以在室温(RT)(例如，约23℃)和高温(ET)(例如，约65℃)下有目的地对测试电池过充电至少一些充电循环。选择过充电故障机制来重现与ESS现场故障一致的内部电池故障机制。众所周知，过充电会促使电解质快速降解和除气，进行这些实验是为了在包括对测试电池进行过充电的充电和放电循环期间，通过测试电池的超声询问，确定是否可以检测和表征由于过充电引起的电池状态变化。
一系列电池充电和放电循环包括一系列初始的正常充电和放电循环，同时收集图5至图6所示的相同基线数据，随后对测试电池进行过充电，直到电池发生故障。一系列正常电池充电和放电循环由上述电池循环设备控制。电池循环设备也用于收集与电池电压、电流和电池温度对应的数据。超声询问系统每30秒收集一次在一系列正常电池充电和放电循环期间收集的超声询问数据。通过恒电位仪(VMP3恒电位仪，由法国伊泽尔省的BioLogicSciences Instruments出售)控制测试电池的过充电，直到电池发生故障。恒电位仪被配置为完成(a)在400mA下的CC过充电，没有电压上限，直到电池排气，或者(b)在5.5V下的CV过充电。
表1提供了用于在一系列正常电池充电和放电循环期间捕获基线数据的电池循环仪的电池充电和放电参数以及用于过充电直到电池发生故障的CC过充电和CV过充电参数。在基线循环时间段期间，每两(2)分钟收集一次超声捕获。在过充电直至故障时间段期间，每三十(30)秒收集一次超声捕获。
表1：参考电池循环简档参数
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表2列出了进行的九(9)次实验/测试，包括时域中的电池电压和温度数据以及周期性地采集的超声捕获数据。数据存储在存储器中。下面描述了与测试中的所选测试相关联的数据图，并且在图7至图10的图中反映一些测试。
表2：电池故障实验列表
测试 温度 过充电条件
1 RT CC过充电
2 RT CC过充电
3 RT CV过充电
4 RT CV过充电
5 65℃ CV过充电
6 65℃ CV过充电
7 65℃ CV过充电
8 65℃ CV过充电
9 65℃ CC过充电
电池故障前兆和早期预警的检测示例
图7包括与表2中列出的测试1相关联的电信号的数据图，其中测试参数为具有CC过充电的RT(“测试1CCRT”)。具体地，图7包括五个图表(A)-(E)。图表(A)示出了电池电压与时间的信号275。图表(B)示出了电池温度与时间的信号280。图表(C)示出了RMS值(以mV为单位)与时间的信号285，其通过将电响应信号的电压值转换成RMS电压值来实现。图表(D)示出了电响应信号的希尔伯特变换的信号290，其被设置为识别最大希尔伯特转移幅度值出现的时间(以μs为单位)。图表(E)示出了电响应信号的傅立叶变换的信号295，其被设置为识别傅立叶变换最大频率幅度值出现的时间。在图7的图表(A)-(E)中的每一个中，在时间300(例如，在400分钟之前)指示过充电的开始，在时间305(例如，仅仅在400分钟之后)给出超声警告通知，在时间310(例如，在500分钟之前)发出紧急停止命令，并且在时间315(例如，在500分钟之后)指示电池故障。
图8包括与表2中列出的测试9相关联的电信号的数据图，其中测试参数为具有CC过充电的ET(“测试9CC ET”)。具体地，图8包括五个图表(A)-(E)。图表(A)示出了电池电压与时间的信号330。图表(B)示出了电池温度与时间的信号335。图表(C)示出了RMS值(以mV为单位)与时间的信号340，其通过将电响应信号的电压值转换成RMS电压值来实现。图表(D)示出了电响应信号的希尔伯特变换的信号345，其被设置为识别最大希尔伯特转移幅度值出现的时间(以μs为单位)。图表(E)示出了电响应信号的傅立叶变换的信号350，其被设置为识别傅立叶变换最大频率幅度值出现的时间。在图8的图表(A)-(E)中的每一个中，在时间300(例如，在1500分钟之后)指示过充电的开始，在时间305(例如，在1500分钟之后)给出超声警告通知，在时间310(例如，在2000分钟之前)发出紧急停止命令，并且在时间315(例如，在2000分钟之后)指示电池故障。
图9包括与表2中列出的测试6相关联的电信号的数据图，其中测试参数为具有CV过充电的ET(“测试6CV ET”)。具体地，图9包括五个图表(A)-(E)。图表(A)示出了电池电流与时间的信号355。图表(B)示出了电池温度与时间的信号360。图表(C)示出了RMS值(以mV为单位)与时间的信号365，其通过将电响应信号的电压值转换成RMS电压值来实现。图表(D)示出了电响应信号的希尔伯特变换的信号370，其被设置为识别最大希尔伯特转移幅度值出现的时间(以μs为单位)。图表(E)示出了电响应信号的傅立叶变换的信号375，其被设置为识别傅立叶变换最大频率幅度值出现的时间。在图9的图表(A)-(E)中的每一个中，在时间300(例如，在60分钟之后)指示过充电的开始，在时间305(例如，在大约70分钟之后)给出超声警告通知，在时间310(例如，在80分钟之前)发出紧急停止命令，并且在时间315(例如，在100分钟之前)指示电池故障。
图10包括与表2中列出的测试3相关联的电信号的数据图，其中测试参数为具有CV过充电的RT(“测试3CV RT”)。具体地，图10包括五个图表(A)-(E)。图表(A)示出了电池电流与时间的信号380。图表(B)示出了电池温度与时间的信号385。图表(C)示出了RMS值(以mV为单位)与时间的信号385，其通过将电响应信号的电压值转换成RMS电压值来实现。图表(D)示出了电响应信号的希尔伯特变换的信号395，其被设置为识别最大希尔伯特转移幅度值出现的时间(以μs为单位)。图表(E)示出了电响应信号的傅立叶变换的信号400，其被设置为识别傅立叶变换最大频率幅度值出现的时间。在图10的图表(A)-(E)中的每一个中，在时间300(例如，在大约200分钟)指示过充电的开始，在时间305(例如，在200分钟之后)给出超声警告通知，在时间310(例如，在大约210分钟)发出紧急停止命令，并且在时间315(例如，在大约300分钟)指示电池故障。
超声询问系统的示例性方面
图11示出了用于超声询问的测试设置的非限制性示例，例如，捕获支撑设备405。捕获支撑设备405可以支撑位于超声发射器155和超声接收器160之间的被测设备105(例如，测试电池、能量存储设备或容纳测试电池或能量存储设备的外壳)。替代性地或附加地，在一些实施例中，超声发射器155和/或超声接收器160可以由相应的超声波收发器代替，例如，以在设置在电池一侧的单个单元中提供超声传输和检测。在一些实施例中，发射器155和接收器160中的一个或两个可以被放置成与被测设备的面对表面紧密接触(例如，推靠在该面对表面上)。在图11所示的示例中，超声发射器155和超声接收器160中的每一个都被相应的弹簧420偏压在被测设备105上。
背板415可以可释放地附接到捕获支撑设备405，并且可以被构造为将弹簧420保持、支撑和/或捕获在超声发射器155与背板415的面对表面之间。弹簧420施加偏压力，该偏压力将超声发射器155推靠在耦合剂165上，并且还将耦合剂165推靠在被测设备105的表面上。类似地，第二背板415A可释放地附接到捕获支撑设备405，并且可以被构造为将弹簧420保持、支撑和/或捕获在超声接收器160与第二背板415A的面对表面之间。弹簧420施加偏压力，该偏压力将超声接收器160推靠在耦合剂170上，并且还将耦合剂170推靠在被测设备105的相对表面上。在所示的示例中，温度传感器425与被测设备105接触。例如，温度传感器425可以经由机械固定装置(例如，将传感器放置成与设备105的表面接触的独立定位器)、设备105的表面特征(例如，被构造为可释放地接纳传感器425的夹子、插头或凹槽)和/或粘合剂联接到被测设备105。替代性地或附加地，在一些实施例中，可以使用非接触传感器(例如，红外高温计或热成像仪)测量温度。
图12示出了用于超声询问的测试设置的另一个非限制性示例，例如，捕获支撑设备410。捕获支撑设备410可以支撑位于超声发射器155和超声接收器160之间的三个被测设备105(例如，测试电池、能量存储设备或容纳测试电池或能量存储设备的外壳)以进行同时询问。超声发射器155被弹簧420偏压在三个测试电池或能量存储设备105中的第一个的表面上。尽管图12示出了三个设备105，但是根据一个或多个设想到的实施例，其他数量的设备(例如，两个或更多个)也是可行的。
背板415可以可释放地附接到捕获支撑设备405，并且可以被构造为将弹簧420保持、支撑和/或捕获在超声发射器155与背板415的面对表面之间。弹簧420施加偏压力，该偏压力将超声发射器155推靠在耦合剂165上，并且还将耦合剂165推靠在三个被测设备105中的第一被测设备的表面。类似地，第二背板415A可以可释放地附接到捕获支撑设备405，并且可以被构造为将弹簧420保持、支撑和/或捕获在超声接收器160和第二背板415A的面对表面之间。弹簧420施加偏压力，该偏压力将超声接收器160推靠在耦合剂170上，并且还将耦合剂170推靠在三个被测设备105中的第二测设备上(例如，在三个设备105形成的堆叠体的相对侧上)。
三个被测设备中的第三个被夹在第一被测设备和第二被测设备的面对表面之间。第一耦合剂170夹在第一被测设备和第三被测设备的面对表面之间，第二耦合剂165夹在第二被测设备和第三被测设备的表面之间。由每个弹簧420提供的偏压力用偏压力将所有三个被测设备推靠在相应的耦合剂上。所有三个被测设备105因此可以声学耦合到超声发射器155和超声接收器160中的每一个。
在所示的示例中，温度传感器425与三个被测设备105中的第一被测设备接触。例如，温度传感器425可以经由机械固定装置(例如，将传感器放置成与设备105的表面接触的独立定位器)、设备105的表面特征(例如，被构造为可释放地接纳传感器425的夹子、插头或凹槽)和/或粘合剂联接到被测设备105。然而，传感器425可以与三个被测设备105中的任何一个进行热通信。替代性地或附加地，可以提供多个温度传感器425，例如，每个被测设备105一个。替代性地或附加地，在一些实施例中，可以使用非接触传感器(例如，红外高温计或热成像仪)测量温度。
示例性警告或警报系统
图13示出了具有警报指示器(例如，警报系统模块)的示例性系统435的框图。系统435可以包括BMS125、SDAS150、处理器440、存储器模块445和/或网络接口或其他数据通信信道455，和/或与其连接。当处理器440和/或SDAS150基于超声信号特征检测到能量存储设备的异常运行状态，或者检测到热失控的前兆时，可以触发警报指示器450。例如，当处理器440执行RMS信号(例如，信号285)、希尔伯特变换信号(例如，信号290)和/或傅立叶变换信号(例如，信号295)的评估时，例如，通过与对应于任何一个信号的基线数据进行比较并检测与基线数据的偏差，处理器440可以被配置为触发(例如，通过发送命令信号)警报指示器450。
在一些实施例中，警报触发可以基于两个不同的水平或阈值。第一触发水平可以基于RMS信号、希尔伯特变换信号和/或傅立叶变换信号与包括基线信号或数据点、数据特征或源自基线信号的数据特征的组合的相应数据相比的变化。例如，响应于RMS信号、希尔伯特变换信号和/或傅立叶变换信号(或来自这些信号中的一个或多个信号的提取)不同于存储在存储器中的相应基线信号(或其提取)，并且这些差值是统计相关的，但是小于或等于相对于基线平均值的10个标准偏差，可以启动第一触发水平的警报。
在检测到第一触发水平差值(例如，第一阈值)时，处理器440指示发出第一级警告/通知。在一些实施例中，第一级警告/通知可以包括数字通知(例如，在显示屏上显示)，激活听觉或视觉警报(例如，通过激活警报指示器450等)。替代性地或附加地，第一级警告可触发由BMS125实现的动作，例如，以识别哪个能量存储设备引起第一级警告和/或由BMS125等进一步评估引起第一级警告的能量存储设备的状态。
第二触发水平可用于停止可能处于即将发生故障的风险中的能量存储设备的运行(或至少减轻有害运行)。本文称为紧急停止命令，当RMS信号、希尔伯特变换信号和/或傅立叶变换信号(或来自这些信号中的一个或多个信号的提取)不同于存储在存储器中的相应基线信号(或其提取)，并且该差值大于相对于基线平均值的10个标准偏差时，可以触发该第二级警告。
在检测到紧急停止触发水平差值(例如，第二阈值)时，处理器440指示发出第二级警告/通知。在一些实施例中，第二级警告可以包括确定(例如，通过处理器440和/或BMS125)哪个或哪些能量存储设备引起第二级警告。在一些实施例中，系统然后可以寻求将那些能量存储设备与电流源和/或电力负载隔离，例如，通过选择性地将可疑能量存储设备与外部电路(例如，电源或负载)和/或能量存储系统中的其他电池单元断开。替代性地或附加地，第二级警告可以命令所有能量存储设备(例如，不仅仅是可疑设备)与电流源和/或电力负载隔离。
测试、实验方法和基线数据收集
在测试1到测试9中，时间300(例如，如图7至图10所示)指示过充电的开始。在CC过充电的情况下，在时间300，250mA的正常电池充电电流增加到400mA，而正常电池充电电压保持在4.2V。CC测试数据与测试1和测试9相关联，其中，测试1在RT下进行，测试9在ET下进行。与测试1相关的数据呈现在图7中，与测试9相关的数据呈现在图8中。在CV过充电的情况下，在时间300，在250mA下正常电池充电参数的电压4.2V增加到5.5V，最大电流限制为5000mA。CV测试数据与测试3和测试6相关联，其中，测试3在RT下进行，测试6在ET下进行。与测试6相关联的数据呈现在图9中，与测试3相关联的数据呈现在图10中。
在测试期间，在施加过充电参数之前，每个测试电池由电池循环仪在制造商规范内的正常循环条件下进行循环，以建立超声基线，然后在每个测试电池上引发故障。当电池循环时，SDAS(例如，类似于SDAS150)在正常电池运行期间记录透射传输超声特征和捕获数据，以建立与经历故障的电池进行比较的基线。数据也由电池循环仪收集，包括时间(例如，时间戳和实验时间)与测试电池电压、测试电池电流和测试电池容量。由SDAS收集的数据包括时间(例如，时间戳)、透射传输超声捕获和测试电池温度测量值。一旦收集了所有数据，循环数据和SDAS数据的时间戳配对，使得每个超声捕获和温度具有唯一的电压、电流、最大循环容量和充电状态(SoC)。
输入数据由数据处理器(例如，类似于图1中的处理器195或图13中的处理器440)预处理。具体地，检查数据统计(例如，循环时SoC的变化)，并去除异常信号(例如，如果时序偏移或与同一捕获中的其他超声脉冲不匹配)。然后，在时域(观察随后出现在传输信号中的直接传输和内部反射)和不同的变换域(例如，图3至图4中所示的傅立叶变换和希尔伯特变换)中检查超声信号。从时间序列信号和变换信号中提取一组四十三(43)个特征，并生成特征矩阵。
为了开发检测方法，考虑了两个数据集：(1)基线数据集，其中电池在正常条件下运行；以及(2)过充电数据集，其中电池故意在正常循环参数之外运行，特别是当测试电池过充电时。检查基线数据集的特征，以确定基线数据集的特征如何响应于一系列正常的电池充电和放电循环而变化。来自电响应信号(例如，图1中的信号235)、时间序列信号的傅立叶变换(例如，图3中的信号245)和时间序列信号的希尔伯特变换(例如，图2中的信号240)的每一个特征用于与每个测试电池一致地循环的分析，从而导致总共三(3)个超声特征。图6示出了基线循环和三个超声特征引起的变化的示例。随着时间的推移，信号没有显著变化。然而，每个特征都会随着SoC和温度的变化而变化。
一旦检查了所有实验的基线信号和导出特征，就分析诱发故障的数据，用于进行比较。选择过充电故障机制来重现与ESS现场故障一致的内部故障机制。例如，已知诱发过充电会促使电解质快速降解和除气。在基线循环数据的背景下，分析了诱发故障期间的信号变化。换句话说，在故障期间对信号变化的所有观察结果应该与正常循环期间的信号变化显著不同。
由于温度影响超声，并且五个故障实验是在高温下进行的(例如，在高温室中)，校正信号特征，使得超声特征的变化被温度补偿。温度对超声的影响在一些基线数据中是明显的，其中，平均温度的变化导致时间序列和变换特征的轻微变化。为了补偿温度，两个电池在室温下循环，然后移动到烤箱中在高温下循环。在这两种环境中计算了大约五个循环的特征。下面的等式1显示了用于补偿温差的关系：
Fi，High T×THigh T(℃)＝Fi，RT×TLow RT+const. (1)
其中，Fi是高温(高T)或室温(RT)下的特征，T是这组五个循环(高温或低温)的平均温度，const.是实验确定的常数。
如图7至图10所示，基于电流和电压的循环仪测量值的异常状况的引入被示为在时间300开始的过充电。时间300是超声信号由于电池退化而偏离正常的最早时间。因此，为了最小化假阳性报告的数量，所有故障检测被解释为在过充电开始之后在时间305发生。为了分析超声特征提取的变化，将基线数据的几个度量与给定测试的故障数据的相同度量进行比较：
·特征范围：计算过充电开始前所有基线数据的特征幅度范围，并与过充电期间的幅度进行比较。在这种情况下，幅度范围涉及图5至图6中描述的基线数据与对应于表2中列出的和图7至图10的示例图中示出的任何测试的表征数据和过充电数据之间的比较。
·特征幅值的变化率：对于所有参考数据，计算具有各种数量的先前点的特征的变化率(例如，用于计算斜率的三个先前点与五个先前点相比)。这些计算结果的极值用于确定正常可变性，并与过充电开始时的相同变化率进行比较。
·与平均值相差10个标准偏差的偏差：在过充电之前，计算所有基线数据的平均值和标准偏差。与平均值相差10个标准偏差的特征幅度变化超出了所有参考数据，并被记录为过充电期间紧急停止的标准。
一旦识别出测试电池故障的开始，基于上述度量形成了三个超声提取特征的偏差的检测方法。潜在测试电池故障的检测包括两种类型的通知：
(1)警告通知，其发生在附图标记305指示的时间(在图7至图10的每一个中示出)。来自超声系统的警告通知可以与三个超声提取特征中的至少一个开始偏离基线循环行为的时间相关联，该时间由绝对幅度的变化(例如，增加或减少)和/或由三个超声提取特征中的至少一个的变化率确定。警告通知并不指示电池已经达到即将发生故障的点，而是指示状况表明需要进一步的监测和/或故障是可能的。
(2)紧急停止或E停止命令，其发生在由附图标记310指示的时间(在图7至图10的每一个中示出)。当三个超声提取特征中的至少一个的显著变化指示电池即将发生灾难性故障时(例如，当一个或多个测得的数据点与对应的基线数据点相差相对于基线平均值的十(10)个标准偏差时)，可以执行紧急停止命令(例如，通过超声系统100、通过BMS125和/或通过警报系统模块435)。在一些实施例中，紧急停止通知提示SDAS(例如，SDAS150)或BMS(例如，BMS125)断开到测试电池的电路和/或停止电流。
在示例性CC过充电测试中，当电池电压超过4.2V(基线循环实验中的电压极限)时，标记过充电开始时间300。测试结束时，在电池发生故障前130分钟发出警告。与基线相比，这与时间序列和希尔伯特变换特征的更快的变化率相一致。在测试电池发生故障前54分钟，确定三个信号中的一个信号的变化与该信号的基线平均值相差十(10)个标准偏差。响应于检测到信号变化是相对于基线平均值的十(10)个标准偏差，警报系统模块可以在时间310触发紧急停止通知/命令，当激活时，其促使到电池的电流停止。然而，在此处，允许过充电测试继续，直到测试电池发生故障。CC过充电测试以测试电池发生故障结束，包括电池膨胀和最终排气。
图9至图10示出了在图9中的ET下和图10中的RT下与由于CV过充电引起的故障检测相关联的数据图。过充电的开始被标记为过充电开始时间300，该时间与电流尖峰达到其最大值5A以使电池电压达到5.5V的时间一致。在图9中，电流尖峰与RMS信号365的突然下降以及超声信号特征370和375的剧烈变化一致。在时间305发出警告，此后不久在时间310检测到紧急停止命令。在图10中，电流尖峰与在时间305发出的突然警告通知一致，紧接着在时间310发出紧急停止命令。
图7与测试1相关联，图8与测试9相关联。图7示出了与超声询问系统在RT下检测由于CC过充电引起的电池故障的能力相关联的数据图，而图8示出了与该系统在ET下检测由于CC过充电引起的电池故障的能力相关联的数据图。在图7中，过充电的开始被标记为过充电开始时间300，该时间与充电电流尖峰在4.2V下达到其最大值400mA的时间一致。电流尖峰与RMS信号285的突然下降以及超声信号特征290和295的较小变化一致。在时间305发出警告通知，大约在测试电池发生故障前130分钟。警报之后是RMS信号285增加，超声信号特征290和295的变化甚至更小。响应于所有三个超声信号特征的突然急剧和同时下降，在时间310发出紧急停止命令，大约在测试电池发生故障前54分钟。
在图8中，过充电的开始被标记为过充电开始时间300，该时间与充电电流尖峰在4.2V下达到其最大值400mA的时间一致。在时间305发出警告通知，几乎紧接在过充电开始时间300之后，大约在测试电池发生故障前183分钟。警告通知是在三个超声信号特征340、345、350中的任何一个都没有太大变化的情况下发出的。在测试电池发生故障前142分钟，在时间310发出紧急停止命令。响应于超声系统(例如，系统100)在所有三个超声信号特征中检测到的突然急剧和同时下降，发出紧急停止命令(例如，通过警报系统模块，例如，模块435)。
检查实验结果
图7至图10示出了对应于如上所述的测试1、3、6和9的数据图。对于测试1到测试9中的每一个，在下表3中列出与所有电池过充电至发生故障相关的数据。具体地，表3提供了每个实验的总结以及与总故障时间相比的警告通知和紧急停止命令的响应时间。故障前警告时间表示灾难性故障事件和检测到超声警告之间的时间量。故障前紧急停止时间表示灾难性故障前的时间量。注意，全球电动汽车安全技术法规要求电池故障前5分钟发出警告。
表3：故障检测时间
参考图9和表3中所示的测试6的数据，测试能量存储设备在CV和ET下被过充电。在过充电开始后大约11分钟，在时间305发出第一超声警告通知。第一超声警告时间305是在最终电池发生故障之前的20分钟。在时间310，或过充电时间300开始后约12分钟和电池发生故障前约19分钟，发出紧急停止命令。过充电开始时间300和电池故障时间315之间的总警告时间约为31分钟。
本文所述的超声询问系统可被装备成监测单个能量存储设备(例如，液体电解质电池，例如，锂离子电池)或多个能量存储设备，并检测其潜在危险的运行状态的前兆。图5提供了生成和存储由电池循环器在能量存储设备类型或型号的一系列充电和放电循环中测量的基线数据的示例。图6提供了由超声询问系统在相同系列的充电和放电循环期间捕获的基线超声特征数据。因此，超声询问系统被装备成存储数据集或数据集的特征提取，这些数据集或特征提取对应于在一个或多个能量存储设备类型或型号的正常充电和放电循环期间收集的数据。
超声询问系统还可操作，以便与能量存储设备电连接，并管理能量存储设备，以从源接收电力或能量和/或将电力或能量输送到电力负载。超声询问系统可以进一步可操作，以便在能量存储设备的运行和管理期间监测能量存储设备的特征。能量存储设备的特征可以至少包括设备温度、设备电压、设备电流和/或设备电阻。该超声询问系统还可操作，以便将超声询问模块与能量存储设备机械连接，将超声能量传输到能量存储设备中并通过能量存储设备，和/或接收从能量存储设备出来的被传输的超声能量，例如，当能量存储设备从源接收电力或能量、将电力或能量输送到负载、存储电能或前述任何组合时。
超声询问系统还可操作，以便在能量存储设备和BMS运行时，捕获响应于从能量存储设备出来的超声能量的电响应信号。超声询问系统还可操作，以便在其存储器中存储或捕获电响应信号，并在能量存储设备和BMS运行时生成超声提取信号。此外，超声询问系统还可操作，以便将超声提取信号与存储在其存储器中的基线数据集进行比较，并且还可操作，以便在运行的能量存储设备的超声提取信号的比较与存储在其存储器中的基线数据集不一致时，检测被管理的能量存储设备的潜在危险的运行状态的前兆。
当例如通过与存储在其存储器中的基线数据集进行比较而检测到被管理的能量存储设备的潜在危险的运行状态的前兆时，或者当被管理的能量存储设备的运行状态与存储在其存储器中的基线数据集不一致时，超声询问系统还可操作，以便生成一个或多个警告和/或自主地将被管理的电池从电流源断开。
计算机实现方式
图14描绘了合适的计算环境631的一般示例，其中可以实现所描述的创新，例如，本文描述的超声询问方法的各方面、本文描述的多级警告指示、SDAS150、BMS125和/或警报系统模块435。计算环境631不旨在对使用范围或功能提出任何限制，因为创新可在各种通用或专用计算系统中实施。例如，计算环境631可以是各种计算设备(例如，台式计算机、膝上型计算机、服务器计算机、平板计算机等)中的任何一种。
参考图14，计算环境631包括一个或多个处理单元635、637和存储器639、641。在图14中，该基本配置651包括在虚线内。处理单元635、637执行计算机可执行指令。处理单元可以是通用中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)中的处理器或任何其他类型的处理器。在多处理系统中，多个处理单元执行计算机可执行指令，以提高处理能力。例如，图14示出了中央处理单元635以及图形处理单元或协处理单元637。有形的存储器639、641可以是易失性存储器(例如，寄存器、高速缓存、RAM)、非易失性存储器(例如，ROM、EEPROM、闪存等)或这两者的某种组合，其可由处理单元访问。存储器639、641以适于由处理单元执行的计算机可执行指令的形式存储实施本文描述的一个或多个创新的软件633。
计算系统可以具有附加特征。例如，计算环境631包括存储装置661、一个或多个输入设备671、一个或多个输出设备681以及一个或多个通信连接691。诸如总线、控制器或网络等互连机制(未示出)将计算环境631的部件互连。通常，操作系统软件(未示出)为在计算环境631中执行的其他软件提供操作环境，并协调计算环境631的部件的活动。
有形的存储装置661可以是可移动的或不可移动的，并且包括磁盘、磁带或盒式磁带、CD-ROM、DVD或可以用于以非暂时性方式存储信息并且可以在计算环境631内访问的任何其他介质。存储装置661可以存储用于实施本文描述的一个或多个创新的软件633的指令。
输入设备671可以是诸如键盘、鼠标、笔或轨迹球等触摸输入设备、语音输入设备、扫描设备或向计算环境631提供输入的另一设备。输出设备671可以是显示器、打印机、扬声器、CD刻录机或提供来自计算环境631的输出的另一设备。
通信连接691允许通过通信介质与另一计算实体通信。通信介质传送信息，例如，计算机可执行指令、音频或视频输入或输出、或经调制的数据信号中的其他数据。经调制的数据信号是以在信号中编码信息的方式设置或改变其一个或多个特征的信号。作为示例而非限制，通信介质可以使用电、光、射频(RF)或另一种载体。
任何公开的方法可以被实现为存储在一个或多个计算机可读存储介质(例如，一个或多个光学介质盘、易失性存储器部件(例如，DRAM或SRAM)、或非易失性存储器部件(例如，闪存或硬盘))上并且在计算机(例如，任何市场上可买到的计算机，包括智能电话或包括计算硬件的其他移动设备)上执行的计算机可执行指令。术语计算机可读存储介质不包括通信连接，例如，信号和载波。用于实现所公开的技术的任何计算机可执行指令以及在实施所公开的实施例期间创建和使用的任何数据可以存储在一个或多个计算机可读存储介质上。计算机可执行指令可以是例如专用软件应用程序或经由网络浏览器或其他软件应用程序(例如，远程计算应用程序)访问或下载的软件应用程序的一部分。这种软件可以例如在单个本地计算机(例如，任何合适的市场上可买到的计算机)上或在使用一个或多个网络计算机的网络环境中(例如，经由因特网、广域网、局域网、客户端-服务器网络(例如，云计算网络)或其他这种网络)执行。
为了清楚起见，仅描述了基于软件的实现方式的某些选定方面。省略了本领域公知的其他细节。例如，应该理解，所公开的技术不限于任何特定的计算机语言或程序。例如，所公开的技术的各方面可以通过用C++、Java、Perl、任何其他合适的编程语言编写的软件来实现。同样，所公开的技术不限于任何特定的计算机或硬件类型。合适的计算机和硬件的某些细节是众所周知的，不需要在本公开中详细阐述。
还应该很好地理解，本文描述的任何功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件而不是软件来执行。例如，但不限于，可以使用的硬件逻辑部件的例示说明性类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。
此外，任何基于软件的实施例(包括例如用于使计算机执行任何所公开的方法的计算机可执行指令)可以通过合适的通信手段被上传、下载或远程访问。这种合适的通信手段包括例如互联网、万维网、内联网、软件应用程序、线缆(包括光缆)、磁通信、电磁通信(包括RF、微波和红外通信)、电子通信或其他这种通信手段。在任何上述示例和实施例中，可以通过有线或无线连接生成和传输适当的电信号，来提供请求(例如，数据请求)、指示(例如，数据信号)、指令(例如，控制信号)或系统、部件、设备等之间的任何其他通信。
所公开的技术的附加示例
鉴于所公开主题的上述实现方式，本申请公开了以下列举的条款中的附加示例。应当注意，一个单独的条款的一个特征或者该条款的一个以上的特征的组合以及可选地与一个或多个另外的条款的一个或多个特征的组合是也落入本申请的公开范围内的另外的示例。
条款1.一种电池系统故障检测方法，包括：
检测与运行的电池相对应的超声能量信号变化；
将检测到的信号变化与先前在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化进行比较；以及
当检测到的信号变化具有先前在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化的特征时，终止电池的运行。
条款2.根据本文的任一条款或示例尤其是条款1所述的方法，其中，检测由电池的电池管理系统的超声询问系统执行。
条款3.根据本文的任一条款或示例尤其是条款1-2中任一项所述的方法，其中，比较由电池的电池管理系统执行。
条款4.根据本文的任一条款或示例尤其是条款1-3中任一项所述的方法，其中，终止由电池的电池管理系统执行。
条款5.根据本文的任一条款或示例尤其是条款2-4中任一项所述的方法，还包括经由电池管理系统控制电池的充电或放电。
条款6.根据本文的任一条款或示例尤其是条款2-5中任一项所述的方法，其中，先前在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化由电池管理系统存储。
条款7.根据本文的任一条款或示例尤其是条款2-6中任一项所述的方法，其中，终止包括发送信号，该信号促使电池与电流源、电压源、负载、其他电池或前述的任何组合断开。
条款8.根据本文的任一条款或示例尤其是条款1-7中任一项所述的方法，其中，在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化源自多个电池在多个充电和放电循环期间的超声特征。
条款9.根据本文的任一条款或示例尤其是条款1-8中任一项所述的方法，其中，电池信号变化对应于电池电压、电池电流测量值、电池温度或前述的任何组合。
条款10.一种方法，包括：
(a)检测在电池的充电或放电期间通过电池内部传输和/或从电池的内部反射的超声；以及
(b)至少部分基于检测到的超声满足一个或多个预定阈值，提供电池故障的指示。
条款11.根据本文的任一条款或示例尤其是条款10所述的方法，其中，(b)包括至少部分基于检测到的超声满足第一阈值，提供电池的潜在故障的指示。
条款12.根据本文的任一条款或示例尤其是条款11所述的方法，其中，第一阈值是与在电池的正常运行期间获得的基线提取特征值相比，从检测到的超声信号提取的一个或多个特征的第一偏差和/或所提取的一个或多个特征的变化率的值。
条款13.根据本文的任一条款或示例尤其是条款12所述的方法，其中，一个或多个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
条款14.根据本文的任一条款或示例尤其是条款10-13中任一项所述的方法，其中，(b)包括至少部分基于检测到的超声满足第二阈值，提供电池即将发生故障的指示。
条款15.根据本文的任一条款或示例尤其是条款14所述的方法，其中，即将发生故障的指示对于在电池发生灾难性故障之前终止电池的运行是有效的。
条款16.根据本文的任一条款或示例尤其是条款14-15中任一项所述的方法，其中，第二阈值是与在电池的正常运行期间获得的基线提取特征值相比，从检测到的超声信号中提取的一个或多个特征的第二偏差。
条款17.根据本文的任一条款或示例尤其是条款16所述的方法，其中，一个或多个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
条款18.根据本文的任一条款或示例尤其是条款14-17中任一项所述的方法，其中，第一阈值不同于第二阈值。
条款19.一种故障检测系统，包括：
一个或多个处理器；以及
存储计算机可读指令的计算机可读存储介质，计算机可读指令在由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器：
从电池中提取检测到的超声信号的至少一个特征；以及
响应于所提取的特征中的一个或多个满足一个或多个阈值，生成指示电池故障的一个或多个信号。
条款20.根据本文的任一条款或示例尤其是条款19所述的系统，其中，计算机可读指令在由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器通过以下方式生成一个或多个信号：响应于所提取的特征中的一个或多个满足第一阈值，生成第一信号，第一信号提供电池的潜在故障的指示。
条款21.根据本文的任一条款或示例尤其是条款20所述的系统，其中，至少一个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
条款22.根据本文的任一条款或示例尤其是条款19-21中任一项所述的系统，其中，计算机可读指令在由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器通过以下方式生成一个或多个信号：响应于所提取的特征中的一个或多个满足第二阈值，生成第二信号，第二信号提供电池即将发生故障的指示。
条款23.根据本文的任一条款或示例尤其是条款22所述的系统，其中，第二信号对于在电池发生灾难性故障之前终止电池的运行是有效的。
条款24.根据本文的任一条款或示例尤其是条款22-23中任一项所述的系统，其中，至少一个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
条款25.一种用于在运行期间管理一个或多个能量存储设备的系统，包括：
电池管理系统，电池管理系统被配置为管理一个或多个能量存储设备中的每一个的充电或放电；
超声询问系统，超声询问系统与电池管理系统电连接，并被配置为在一个或多个能量存储设备的充电或放电期间使超声能量通过一个或多个能量存储设备；
数据存储器，数据存储器被配置为存储(i)源自从一个或多个能量存储设备出来的超声能量的捕获数据实例，以及(ii)在一个或多个能量存储设备的充电或放电期间对应于一个或多个能量存储设备的基线超声数据；以及
与数据存储器通信的数据处理器，数据处理器被配置为：
将每个捕获数据实例与基线超声数据进行比较；以及
至少部分基于比较，检测一个或多个能量存储设备中的任何一个在其充电或放电期间的异常运行状态。
条款26.根据本文的任一条款或示例尤其是条款25所述的系统，其中，超声询问系统被配置为在一个或多个能量存储设备的充电或放电期间使超声能量通过一个或多个能量存储设备中的每一个。
条款27.根据本文的任一条款或示例尤其是条款25-26中任一项所述的系统，还包括：
警报系统模块，警报系统模块被操作性地联接到数据处理器，
其中，警报系统模块被配置为当确定任何一个能量存储设备的运行状态表现出与对应于基线超声数据的正常运行状态特征不同的运行状态特征时，发出初始警告通知。
条款28.根据本文的任一条款或示例尤其是条款27所述的系统，其中：
警报系统模块还被配置为当数据处理器确定超声捕获数据实例表现出热失控的前兆时，向一个或多个能量存储设备中的至少一个发出紧急停止命令，以及
紧急停止命令促使一个或多个能量存储设备中的所述至少一个与任何电流源自主隔离。
条款29.一种系统，包括一个或多个处理器和存储计算机可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，计算机可读指令在由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行本文的任一条款或示例尤其是条款1-18中的任一项所述的方法。
结论
例如，关于图1至图14和条款1-29在本文示出或描述的任何特征可以与例如关于图1至图14和条款1-29在本文示出或描述的任何其他特征相结合，以提供在本文没有以其他方式示出或具体描述的系统、设备、方法和实施例。实际上，本文描述的所有特征彼此独立，并且除了在结构上不可能的情况之外，可以与本文描述的任何其他特征结合使用。鉴于所公开的技术的原理可以应用于许多可能的实施例，应该认识到所示的实施例仅仅是示例，并且不应该被视为限制所公开的技术的范围。相反，范围由下面的权利要求来限定。因此，我们要求这些权利要求的范围和精神内的所有内容。

Claims (28)

1.一种电池系统故障检测方法，包括：
检测与运行的电池相对应的超声能量信号变化；
将检测到的所述信号变化与先前在一个或多个电池故障模式期间观察到的电池信号变化进行比较；以及
当检测到的所述信号变化具有先前在所述一个或多个电池故障模式期间观察到的所述电池信号变化的特征时，终止所述电池的运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测由所述电池的电池管理系统的超声询问系统执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比较由所述电池的电池管理系统执行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述终止由所述电池的电池管理系统执行。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括经由所述电池管理系统控制所述电池的充电或放电。
6.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，先前在所述一个或多个电池故障模式期间观察到的所述电池信号变化由所述电池管理系统存储。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述终止包括发送信号，所述信号促使所述电池与电流源、电压源、负载、其他电池或前述的任何组合断开。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在一个或多个电池故障模式期间观察到的所述电池信号变化源自多个电池在多个充电和放电循环期间的超声特征。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电池信号变化对应于电池电压、电池电流测量值、电池温度或前述的任何组合。
10.一种方法，包括：
(a)检测在电池的充电或放电期间通过所述电池的内部传输和/或从所述电池的内部反射的超声；以及
(b)至少部分基于检测到的所述超声满足一个或多个预定阈值，提供电池故障的指示。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，(b)包括：
(b1)至少部分基于检测到的所述超声满足第一阈值，提供所述电池的潜在故障的指示。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一阈值是与在所述电池的正常运行期间获得的基线提取特征值相比，从检测到的超声信号中提取的一个或多个特征的第一偏差和/或所提取的所述一个或多个特征的变化率的值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，(b)还包括：
(b2)至少部分基于检测到的所述超声满足第二阈值，提供所述电池即将发生故障的指示。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，(b2)的所述指示对于在所述电池发生灾难性故障之前终止所述电池的运行是有效的。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二阈值是与在所述电池的正常运行期间获得的基线提取特征值相比，从检测到的超声信号中提取的一个或多个特征的第二偏差。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述一个或多个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一阈值不同于所述第二阈值。
19.一种故障检测系统，包括：
一个或多个处理器；以及
存储计算机可读指令的计算机可读存储介质，所述计算机可读指令在由所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器：
从电池中提取检测到的超声信号的至少一个特征；以及
响应于所提取的所述特征中的一个或多个满足一个或多个阈值，生成指示电池故障的一个或多个信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述计算机可读指令在由所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器通过以下方式生成所述一个或多个信号：
响应于所提取的所述特征中的一个或多个满足第一阈值，生成第一信号，所述第一信号提供所述电池的潜在故障的指示。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述至少一个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
22.根据权利要求19至21中的任一项所述的系统，其中，所述计算机可读指令在由所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器通过以下方式生成所述一个或多个信号：
响应于所提取的所述特征中的一个或多个满足第二阈值，生成第二信号，所述第二信号提供所述电池即将发生故障的指示。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述第二信号对于在所述电池发生灾难性故障之前终止所述电池的运行是有效的。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，所述至少一个特征包括从时间序列信号中提取的特征、从傅立叶变换中提取的特征、从希尔伯特变换中提取的特征或其任何组合。
25.一种用于在运行期间管理一个或多个能量存储设备的系统，包括：
电池管理系统，所述电池管理系统被配置为管理所述一个或多个能量存储设备中的每一个的充电或放电；
超声询问系统，所述超声询问系统与所述电池管理系统电连接，并被配置为在所述一个或多个能量存储设备的充电或放电期间使超声能量通过所述一个或多个能量存储设备；
数据存储器，所述数据存储器被配置为存储(i)源自从所述一个或多个能量存储设备出来的超声能量的捕获数据实例，以及(ii)在所述一个或多个能量存储设备的所述充电或放电期间对应于所述一个或多个能量存储设备的基线超声数据；以及
与所述数据存储器通信的数据处理器，所述数据处理器被配置为：
将每个捕获数据实例与所述基线超声数据进行比较；以及
至少部分基于所述比较，检测所述一个或多个能量存储设备中的任何一个在其充电或放电期间的异常运行状态。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述超声询问系统被配置为在所述一个或多个能量存储设备的充电或放电期间使超声能量通过所述一个或多个能量存储设备中的每一个。
27.根据权利要求25至26中的任一项所述的系统，其中，所述系统还包括：
警报系统模块，所述警报系统模块操作性地联接到所述数据处理器，
其中，所述警报系统模块被配置为当确定所述能量存储设备中的任一个的运行状态表现出与对应于所述基线超声数据的正常运行状态特征不同的运行状态特征时，发出初始警告通知。
28.根据权利要求27所述的系统，其中：
所述警报系统模块还被配置为当所述数据处理器确定所述超声捕获数据实例表现出热失控的前兆时，向所述一个或多个能量存储设备中的至少一个发出紧急停止命令，以及
所述紧急停止命令促使所述一个或多个能量存储设备中的所述至少一个与任何电流源自主隔离。
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