DE102016101789B4

DE102016101789B4 - System und Verfahren zum Batteriemanagement

Info

Publication number: DE102016101789B4
Application number: DE102016101789.2A
Authority: DE
Inventors: Michael A. Carralero; Jimmy M. Quiambao
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-02
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2036-02-03
Also published as: FR3032838B1; JP6732467B2; US10547184B2; FR3081086A1; US20160241058A1; BR102015031501B1; DE102016101789A1; FR3032838A1; BR102015031501A2; JP2016184573A; FR3081086B1

Abstract

System mit:einer Batterie (102) mit mehreren Zellen;einer Energie-Management-Einheit (106), die mit einer Batterie (102) verbunden ist, wobei die Energie-Management-Einheit (106) die Energie zu der Batterie (102) steuert; undeiner Reserve-Energie-Einheit (310), die mit der Energie-Management-Einheit (106) und der Batterie (102) verbunden ist, wobei die Energie-Management-Einheit (106) überschüssige Ladung in der Reserve-Energie-Einheit (310) speichert und gespeicherte Ladung an die Batterie (102) umleitet, wenn die Batterie (102) weniger als einen bestimmten Prozentsatz geladen ist; undeiner Zell-Ausgleichs-Einheit (112), die mit der Batterie (102) und der Reserve-Energie-Einheit verbunden ist, wobei die Zell-Ausgleichs-Einheit die Ladung der Zellen der Batterie ausgleicht.

Description

GEBIET
Die Systeme und Verfahren betreffen das Handhaben des Betriebs einer Batterie und/oder Zellen einer Batterie, beispielsweise um eine Lithiumionen-Batterie innerhalb von Sicherheitsgrenzen zu betreiben.
HINTERGRUND
Neue Batterietechnologien beginnen, ihren Durchbruch auch in Luft- und Raumfahrt sowie Automobil-Anwendungen zu schaffen. Die Sicherheit dieser Batterien kann komplex sein und deren Fehler können zu Überhitzung führen. Um diese Sicherheitsbedenken zu adressieren, können neue Verbesserungen in der Batteriechemie mit weniger reaktiven Kathodenmaterialien, neuen thermisch stabilen Elektrolytlösungen und verbesserten Separator-Beschichtungsmaterialien umgesetzt werden. Zusätzliche Lösungen wie Einhausungen können umgesetzt werden, um zu verhindern, dass das thermische Außer-Kontrolle-Geraten zu einem Entzünden anderer System aus der Batterieüberhitzung führt. Eine Einhausung fügt jedoch Gewicht hinzu und löst nicht das Überhitzungsproblem.
In DE 10 2011 011 800 A1 ist ein Spannungsnetz eines Fahrzeugs beschrieben. Es wird durch mindestens einen ersten Energiespeicher mit Spannung versorgt. Dabei wird eine durch den mindestens einen ersten Energiespeicher durchgeführte Energieversorgung des Spannungsnetzes überwacht. Wenn bei der Überwachung erfasst wird, dass die Energieversorgung des Spannungsnetzes durch den mindestens einen ersten Energiespeicher gestört ist, wird ein zweiter Energiespeicher zur Energieversorgung des Spannungsnetzes in zugeschaltet.
In US 2012/0053900 A1 werden ein System und ein Verfahren zum Schätzen und Steigern der Leistung beschrieben, die durch ein Energiespeicherungssystem über dessen Garat ein Energieverwaltungssystem, das so ausgestaltet ist, dass es das Energiespeicherungssystem kommuniziert und verwaltet, und ein Datenverarbeitungssystem, das so ausgestaltet ist, dass es mit dem Energieverwaltungssystem kommuniziert, ein. Das System ist so ausgestaltet, dass es die Leistung, die durch das Energiespeicherungssystem über dessen Garantiefrist hinaus geliefert wird, schätzt, Anpassungen erkennt, die zur Steigerung der Leistung des Energiespeicherungssystems vorzunehmen sind, und Anpassungen an dem Energiespeicherungssystem vornimmt, wodurch die durch ein Energiespeicherungssystem über dessen Garantiefrist hinaus lieferbare Leistung gesteigert wird.
ZUSAMMENFASSUNG
In Anspruch 1 ist ein System und in Anspruch 15 ist ein Verfahren definiert, die die Leistung zu der Batterie steuern bzw. regeln. Eine Reserve-Energie-Einheit kann mit einer Energie-Management-Einheit und der Batterie verbunden sein. Die Energie-Management-Einheit speichert überschüssige Ladung in die Reserve-Energie-Einheit und leitet die gespeicherte Ladung zu der Batterie um, wenn die Batterie weniger als einen bestimmten Prozentsatz geladen ist.
Entsprechend einem anderen Gesichtspunkt überwachen ein System und ein Verfahren mit einem Prozessor eine Spannung, einen Strom und eine Temperatur einer Batterie. Der Gesundheitszustand der Batterie wird basierend auf dem Echtzeitbetrieb der Batterie und einem virtuellen Betrieb der Batterie bestimmt. Eine Betriebs-Grenze der Batterie wird basierend auf dem Gesundheitszustand der Batterie eingestellt.
Andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus einer Prüfung der nachfolgenden Figuren und der detaillierten Beschreibung. Alle solchen zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale, und Vorteile sollen innerhalb der Beschreibung liegen und sollen durch die angehängten Ansprüche geschützt sein.
Figurenliste
In Verbindung mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren die gleichen Elemente bezeichnen können.

1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zum adaptiven Management einer Batterie.
2 ist ein Schaltdiagramm eines Beispiels eines Mehr-Kreis-Batterielade- und Energiemoduls.
3 ist ein Schaltdiagramm einer beispielhaften Zellen-Ausgleichs-Einheit.
4 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung der Zellen-Ausgleichs-Einheit.
5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Batteriezellendesigns, das skalierbar ist.
6 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften skalierbaren Modul-Implementierung.
7 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Zell-Ausgleichs-Algorithmus.
8 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Modell-basierten adaptiven Algorithmus.
9 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften integrierten Batterie-Gesundheitsmanagement-System-Algorithmus (IBHM).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bestehende Batteriesysteme sind bezogen auf Schwellenwertparameter nicht adaptiv, die konstant sind und nicht an ändernde Umgebung und Verwendung anpassbar sind. Wenn die Batterie altert, verschlechtern sich die Zellen, was ungleiche Ladungen verursacht, die Energiespeicherkapazität reduziert und geringere Spannungen produziert. Ebenfalls sind existierende Batteriesysteme nicht Modell-basiert. In einer anspruchsvollen Betriebsumgebung kann die vorhergesagte Fähigkeit nicht verifiziert werden. Existierende Systeme benutzen inaktive physikalische Modellparameter, um eine Lebensdauer der Batterie zu managen. Deshalb kann ein Gesundheitszustand der Batterie nicht mit einem virtuellen Modell synchronisiert werden.
Ein adaptives Modell-basiertes Batteriemanagementsystem und -verfahren (kollektiv nachfolgend als ein System bezeichnet), überwacht die Leistung der Batterie und deren Gesundheit bzw. den Gesundheitszustand. Das System kann eine Kurzschlusserkennung und -verhinderung mit einer aktiven thermischen Steuerung und einem Feuer-Verhinderungssystem aufweisen. Das System kann den wahren Gesundheitszustand der Batterie in jeglicher Art von Umgebung vorhersagen, einschließlich anspruchsvoller Umgebungen. Ein adaptives Batteriemanagementsystem kann ein aktives System mit geschlossenem Kreis umfassen, um zu gewährleisten, dass die Batterie innerhalb ihrer Sicherheits-Betriebsspezifikationen in jeder Umgebung verwendet wird. Die adaptive Steuerung des Batteriemanagementsystems kann durch Ausgleichen jeder Zelle und Überwachung jeder Zelle erreicht werden, so dass der maximale Zustand der Ladung oder Entladung nicht überschritten wird. Im Lademodus kann die überschüssige Ladung in den Reservezellen gespeichert werden. Im Entlademodus kann die gespeicherte Ladung in den Reservezellen zu schwächeren Batteriezellen umgeleitet werden, beispielsweise Batteriezellen, die weniger als einem bestimmten Betrag geladen sind, beispielsweise ein bestimmter Prozentsatz einer vollen Ladung. Das Batteriemanagementsystem kann modular sein, um die Skalierbarkeit von Anwendungen mit geringer Spannung bis Anwendungen mit hoher Spannung zu verbessern, indem Basisdesigns verwendet werden. Der Lösungsweg kann zu verbesserter Zuverlässigkeit aufgrund mehrerer Redundanzen führen.
Vorhersehende, adaptive und steuernde Algorithmen können für den sicheren Betrieb der Batterie verwendet werden. Das System kann eine sichere Betriebsumgebung für Batterien bereitstellen, indem eine Modell-basierte virtuelle Zelle als Schutz für den Batteriebetrieb verwendet wird. Das System kann zwei Betriebstypen verwenden, nämlich real und virtuell. Der Echtzeitbetrieb ist der Betrieb der Batterie bei jeglicher Art von Umgebungsbedingungen. Dieser Betrieb umfasst die Echtzeitüberwachung der Temperatur, Spannung und Strom, etc. Eine Temperatur-Steuerungseinheit liefert die Grenzen der Betriebstemperaturen und steuert aktiv die Lade- und Entlade-Raten der Batterie. Der virtuelle Betrieb der Batterie kann parallel mit dem Echtzeitbetrieb ausgeführt werden. Die Ausgangssignale können korreliert werden, um deren Daten und Abweichungen zu dem vorhergesagten Gesundheitszustand der Batterie zu analysieren. Dies liefert den aktuellen Status des Gesundheitszustands der Batterie. Der virtuelle Betrieb der Batterie ist der Standard des Modell-basierten Gesundheitszustands. Der Ausgang des virtuellen Modells mit den eingestellten Betriebs-Schwellenwertgrenzen liefert sichere Betriebsbedingungen und optimiert die Batterienutzung.
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems 100 zum adaptiven Managen einer Batterie 102, beispielsweise ein Batteriemanagementsystems (BMS). Das System 100 kann ein oder mehrere Lade- und Energiemodule 104, ein Energie-Managementsystem (PMU) 106, eine Temperatur-Management-Einheit (TMU) 108, eine Gas-Management-Einheit (GMU) 110, und/oder eine Zell-Ausgleichs-Einheit 112 aufweisen, um die Leistung und den Gesundheitszustand der Batterie 102 zu steuern und zu überwachen. Die Zell-Ausgleichs-Einheit 112 kann mit einem regenerativen Energiespeicher und einem seriellen Kommunikationsbus verbunden sein, wie nachfolgend im Detail erläutert wird. Mehr oder weniger Komponenten zum Managen der Batterie 102 können verwendet werden. Ein Energiebus 114 kann die Batterie 102 mit dem Lade- und Energiemodul 104 und der Zell-Ausgleichs-Einheit 112 verbinden. Ein Kommunikationsbus 116 kann die Batterie 102 mit der PMU 106, TMU 108 und GMU 110 verbinden.
Die TMU 108 kann eine passive Temperatur-Steuerungs-Einheit umfassen, die die sichere Batterie-Betriebs-Temperatur überwacht. Falls die Temperatur den eingestellten Schwellenwert für die maximale Betriebs-Temperatur erreicht, stoppt die TMU 108, die zusammen mit der Batterie-Ausgleichseinheit 112 arbeitet, das Laden oder Entladen der Batterie 102. In Verbindung mit einem vorrausschauenden Steuerungsalgorithmus kann die Rate der Ladung und Entladung dynamisch eingestellt werden, um zu verhindern, dass die Batterie 102 die maximale Temperatur überschreitet. Die TMU 108 kann eine aktive Fähigkeit haben abhängig von den Erfordernissen. Erhitzer und eingie Typen von aktiven Heiz- und Kühl-Vorrichtungen können implementiert werden. Diese Fähigkeiten, wenn implementiert, werden mit dem Rest des Systems 100 gekoppelt, um die Batterie 102 daran zu hindern, die maximale und die minimale Temperatur der Batterie und ebenfalls in jeder Zelle innerhalb der Batterie 102 zu überschreiten bzw. unterschreiten.
Die GMU 110 kann aktivieren, wenn andere Sicherheitsmaßnahmen innerhalb der Batterie 102 erschöpft sind, beispielsweise wenn ein thermisches Außer-Kontrolle-Geraten vorliegt, aufgrund eines internen Kurzschlusses, der zu schnell ist, um die Batterie zu überhitzen. Eine solche Reaktion kann die GMU 110 triggern, die verwendet wird, um abrupt die erschöpften Elemente der Batterie 102 zu aktivieren. Die Menge an Sauerstoff, der erzeugt wird, und der sich aufbauende Druck können überwacht werden, und wenn die Schwellenwertgrenze erreicht wird, was ein unkontrollierbares thermisches Außer-Kontrolle-Geraten anzeigt, werden die Auslassventile geöffnet, um den Druck zu entspannen und das entstandene Gas durch eine Öffnung umzuleiten, die zu der Außenseite des Fahrzeugs führt. Bei einem Beispiel kann das aktive System implementiert sein, um das Innere der Batterie 102 mit Stickstoff zu fluten, um damit die thermischen unkontrollierbaren Reaktionen zu stoppen.
Das Lade- und Energiemodul 104 steuert das Laden der Batterie 102. Das Lade- und Energiemodul 104 kann seine Energie von einer Systemenergieversorgung erhalten und einen eingestellten Ladestrom zu der Batterie 102 führen. Die PMU 106 kann für Anwendungen hoher Energie skalierbar sein. Das Lade- und Energiemodul 104 und die PMU 106 können zusammen gestapelt sein, um einen höheren Ladestrom zu erreichen. Die Steuerung des Lade- und Energiemoduls 104 kann in Verbindung mit der PMU 106 erreicht werden, indem mehrere Feedbackparameter verwendet werden, um das Lade- und Energiemodul 104 zu überwachen und zu steuern innerhalb seiner Sicherheits- Betriebs-Temperatur, eines Laststroms und eines Ladestroms. In einem Beispiel können mehrere PMUs 106 synchronisiert werden, indem ein Algorithmus verwendet wird, der beispielsweise einen Master-Slave-Typ der Verbindung unter den PMUs 106 implementiert, um jedem einen Teil des Ladestroms zu liefern und um die richtige Menge an Ladestrom zu der Batterie 102 zu bestimmen.
2 ist ein Schaltdiagramm eines beispielhaften Mehrschleifen- bzw. Mehr-Kreis-Batterielade- und Energiemoduls 104. Das Lade- und Energiemodul 104 kann als ein Teilsystem der PMU 106 implementiert sein, um das Laden der Batterie 102 zu regeln, die mit den Lasten LD1 bis LDn verbunden ist, die alle verbunden werden können oder über Schalter 322 und 324 priorisiert werden können. Das Lade- und Energiemodul 104 kann einen DC zu DC (Gleichspannungs- zu Gleichspannungs)-Wandler 200 aufweisen, einen Temperatursensor 202 und ein Steuerungs-Kreis-Modul 204, das mit verschiedenen Transistoren, Schaltern, Kapazitäten und Widerständen verbunden ist, wie dies dargestellt ist. Der Versorgungsstrom 206 und die Versorgungsspannung 208 können eingestellt werden, indem Ri_sense, I_sense(+), I_sense(-) bzw. V_supply_sense verwendet werden.
Das Lade- und Energiemodul 104 kann der Batterie 102 eine Konstant-Strom/Konstant-Spannungs-Lade-Charakteristik bereitstellen und eine Erhaltungs-Spannungs-Rückkopplungsreferenz verwenden, so dass jede gewünschte Batterie-Erhaltungsspannung programmiert werden kann. Das Steuerungs-Kreis-Modul 204 kann ein oder mehrere Last (LD) Spannungs-Regelkreise, einen Ladestrom-Regelkreis 212, einen Batteriestapel-Regelkreis 214 und einen Temperatur-Regelkreis 216 aufweisen, wie nachfolgend erläutert werden wird. Beispielsweise kann der Ladestrom-Regelkreis 212 die Eingangsspannung (VIN) durch Reduzierung des Ladestroms regeln, falls die Eingangsspannung (VIN) unter einen programmierten Schwellenwert fällt. Andere Merkmale können umfassen eine Widerstands-programmierbare Erhaltungs-Spannungs-Erhöhung, einen breiten Eingangsspannungs-Bereich, skalierbare Module und skalierbare Ladeströme, einen integrierten Eingangsspannungs-Verpolungsschutz, auswählbare Beendigung und eine Erhaltungsspannungs-Referenzgenauigkeit.
Für eine Mehr-Pfad-Steuerungs-Energieerzeugung kann das Lade- und Energiemodul 104 als ein Hochspannungs-, Hochleistungs-Controller implementiert sein, der viele extern kompensierte Energieeinheiten in vollständige Batterie-Lader umwandelt. Das Lade- und Energiemodul 104 vereint Mehr-Steuerungsparameter; wie Lastspannung, Ladestrom, Stapel-Ausgleichsüberwachung, Temperatur und Versorgungsstrom, um die passende und sichere Ladung der Batterie 102 einzustellen. Merkmale können umfassen: genaue Strombeendigung, Temperatur qualifiziertes Laden, indem der Temperatursensor 202 benutzt wird, automatisches Wiederladen und C/10 Erhaltungsladen für tief entladene Zellen, Erkennung von schlechten Batterien und Statusanzeige-Ausgangssignale. Das Lade- und Energiemodul 104 umfasst auch eine Präzisions-Stromerfassung, die geringere Erkennungsspannungen für Hochstrom-Anwendungen ermöglicht und Rückstromschutz mit geringem Verlust bereitstellt, Über-Strom- und Spannungsschutz. Das Lade- und Energiemodul 104 kann ein „Instant-on“ Merkmal erleichtern, das eine sofortige nachgeschaltete (downstream) Systemenergie bereitstellt, selbst wenn mit einer stark entladenen oder kurzgeschlossenen Batterie verbunden. Das Lade- und Energiemodul 104 kann ebenfalls ein Erhaltungsladen vorkonditionieren, eine schlechte Batterie erkennen, eine Auswahl von Beendigungsschemata bereitstellen und einen automatischen Neustart bereitstellen.
3 ist ein Schaltdiagramm einer beispielhaften Zell-Ausgleichs-Einheit 112. Die Zell-Ausgleichs-Einheit 112 kann Teil der Batterie 102 sein, die die Ladung individueller Zellen, beispielsweise Zelle 1 (300) bis Zelle 8 (307) ausgleicht. Eine andere Anzahl von Zellen kann verwendet werden. Die Zellen 300-307 können verschiedene Widerstände, Kapazitäten, Schalter, Dioden und Umwandler, etc., umfassen, wie dargestellt. Ein aktives Ausgleichen ermöglicht eine Kapazitäts-Korrektur in Stapeln fehlangepasster Batterien. Die Ladung von einer ausgewählten Zelle 301-307 kann mit hoher Effizienz zu oder von benachbarten Zellen oder einer Reservezelle oder eine Energieeinheit 310 übertragen werden. Die Reservezelle oder Energieeinheit 310 kann ein oder mehrere Batterien, Zellen, Superkondensatoren, Schwungräder, etc. aufweisen. Die Reservezelle oder Energieeinheit 310 kann mit den Zellen 300-307 über einen Ladungs-Sperrwandler 312 und einen Entladungs-Sperrwandler 314 verbunden sein. Sperrwandler 312 können jeweils einen monolithischen Sperr-DC/DC-Wandler umfassen, der ausgelegt ist, um aktiv Hochspannungs-Batteriestapel auszugleichen, eine Regelung und eine Spannungsumwandlung zwischen den Zellen 300-307 und der Reservezelle oder Energieeinheit 310 bereitzustellen. Die hohe Effizienz eines Schaltreglers kann den erreichbaren Ausgleichsstrom erhöhen, während die Wärmeerzeugung reduziert wird. Im Lademodus kann die überschüssige Ladung in der Reservezelle oder Energieeinheit 310 gespeichert werden. Im Entlademodus kann die gespeicherte Ladung in der Reservezelle oder Energieeinheit 310 zu den schwachen Batteriezellen umgeleitet werden.
Die Reservezelle oder Energieeinheit 310 kann als eine externe regenerative Energiequelle für schwache Zellen arbeiten, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Zell-Ausgleichs-Einheit 112 kann ebenfalls einen Schalter 320 aufweisen, um die Reservezelle oder Energieeinheit 310 mit den Lasten LD1 bis LDn zu verbinden bzw. von diesen zu trennen. Schalter 322, 324 können die Zellen 300-307 mit den LD1 bis LDn verbinden bzw. von diesen trennen. Ein Schalter 326 kann das Lade- und Energiemodul 104 mit den Zellen 300-307 verbinden oder von diesen trennen. Zenerdioden-Widerstandsschutzschaltungen 330-337 können verwendet werden, um die Zellen 300-307 jeweils zu umgehen während externer Kurzschlüsse oder um tote Zellen zu umgehen, beispielsweise offene Schaltungen. Die Bypass-Zenerdiode kann vorgesehen sein für ein kontinuierliches Laden/Entladen der Batterie 102, indem die Zenerdioden die schlechten Zellen 300-307 umgehen. Isolationsumwandler 340-347 können zur Isolation zwischen den Zellen 300-307 und der Zell-Ausgleichs-Einheit 112 vorgesehen sein.
4 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung der Zell-Ausgleichseinheit 112. Die Batterie 102 kann mehrere Zellen 300-307 aufweisen, die in Serie miteinander verbunden sind. Daraus ergibt sich, dass der Ladestrom der gleiche ist für alle Zellen 300-307. Falls eine oder mehrere der Zellen-Ladekapazitäten verschlechtert ist, können die Zellen 300-307 überladen werden, überhitzen oder können zu einem thermischen Ausreißer führen, der die Batterie 102 zum Explodieren führen kann oder entzünden kann. Während der Entladung, falls die Zellen 300-307 nicht ausgeglichen sind, erreichen die schwachen Zellen den Entlade-Schwellenwert bevor der Entladezyklus vorüber ist. Daraus ergibt sich, dass das Anodenpotential umgekehrt wird, was zu einem Lithium-Platieren führt. Mit der Zeit können die Plättchen den Separator durchstechen und somit einen Kurzschluss erzeugen.
Mit der Zell-Ausgleichs-Einheit 112 kann ein Fehlerschutz-Controller erreicht werden für ein Umwandler-basiertes bidirektionales aktives Ausgleichen von mehrzelligen Batteriestapeln. Zugeordnete Gate-Ansteuerungsschaltungen, präzise Stromerfassung, Fehlererkennungsschaltungen und eine robuste serielle Schnittstelle mit eingebautem Watchdog-Timer können integriert sein, wie beispielsweise in 3 beschrieben. Eine serielle Schnittstelle, die mit einem Level-Shifting kompatibel ist, ermöglicht, dass mehrere Controller in Serie verbunden sind ohne Optokoppler oder Isolatoren und einen Ausgleich jeder Zelle 300-307 in einer lange Reihe von in Reihe geschalteten Batterien 102 erlaubt.
Die Zell-Ausgleichs-Einheit 112 hilft zu gewährleisten, dass jede Zelle 300-307 mit der richtigen Menge an Ladung arbeitet, während die Batterie 102 lädt und entlädt. Wenn eine schwache Zelle, beispielsweise eine oder mehrere der Zellen 300-307 schneller lädt als die anderen Zellen, wird der Überladestrom zu der schwachen Zelle, zu einem passiven Element zu anderen Batterien und/oder der Reservezelle oder Energieeinheit 310 umgeleitet. Falls andererseits eine schwache Zelle schneller entlädt als der Rest der Zellen kann dann der Entladestrom umgeleitet werden von anderen Batterien und/oder der Reservezelle oder Energieeinheit 310. Das Ausgleichen setzt sich fort bis alle Zellen 300-307 einen bestimmten Schwellenwert für einen maximalen Lade-Pegel und einen maximalen Entlade-Pegel erreichen. Auf diese Weise können die Batterien 102 in einem Batteriepack etwa 99,5 Prozent Zuverlässigkeit in einem Beispiel erreichen. Die dargestellten Prozentsätze sind nur zu Erläuterungszwecken.
5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Batteriezellendesigns, das skalierbar ist. Zellen 300, 301, 300(n), 300(n-1), etc., sind skalierbar wie in 5 gezeigt, in einer Vielzahl von Zellformationen, beispielsweise seriell, parallel, seriell-parallel verbunden, um ein Modul oder eine Batterie 102 zu bilden. Die Formation der Zellen 300, 301, 300(n), 300(n-1) kann skalierbare Serienelemente verwenden, einschließlich der Zell-Ausgleichs-Einheiten 112(1), 112(2), 112(n-1), 112(n), Batterielade- und Energiemodule 104(1) bis 104(n) und einen lokalen Prozessor 500. Eingangssignale zu dem Prozessor 500 umfassen Lastanforderungen, Prioritäts-Tags und eine Lade/Entlade-Zeitlinie (timeline), wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird: Ausgangssignale des Prozessors 500 umfassen eine Standard-Betriebs-Bedingung (SOC), einen Gesundheitszustand (SOH), restliche Energie und restliche Kapazität, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird.
Eine gemeinsame Zell-Ausgleichs-Schaltung ermöglicht eine Serienschaltung von einer Anzahl N Zellen, beispielsweise nur begrenzt durch die Fähigkeit der Batterielade- und Energiemodule 104(1) bis 104(n-1). Gemeinsame Batterie-Lade-Schaltungen ermöglichen skalierbare Spannungs- und Strompegel. Serielle periphere Schnittstellen (SPI) stellen eine physische serielle Schnittstelle sowie serielle Datenverbindungen 502 zwischen intelligenten skalierbaren Serienschnittstelleneinheiten bereit, beispielsweise für RS 232 oder andere Kommunikationen. Ein SPI-Bus kann mit dem lokalen Prozessor 500 arbeiten, der als Master-Batterie-Lade- und Energiemodul 104(n) dient, und mit einem oder mehreren Slave-Batterielade- und Energiemodulen 104(1).
Bei mehreren Slave-Vorrichtungen kann ein unabhängiges SS-Signal von dem Master-Batterie-Lade- und Energiemodul 104(n) für jedes Slave-Batterielade- und Energiemodul 104(1) verwendet werden. Slave-Vorrichtungen können Tri-State(drei Zustände)-Ausgänge haben, so dass deren MISO-Signal eine hohe Impedanz (logisch getrennt) einnimmt, wenn die Vorrichtung nicht ausgewählt ist. Vorrichtungen ohne Tri-State-Ausgänge können nicht die SPI-Bussegmente mit anderen Vorrichtungen teilen, beispielsweise kann nur ein Slave mit dem Master kommunizieren, und nur sein Chip-Select könnte aktiviert sein. Um eine Kommunikation zu beginnen, konfiguriert der Busmaster zunächst den Takt, indem eine Frequenz kleiner oder gleich der maximalen Frequenz, die eine Slave-Vorrichtung unterstützt, verwendet wird. Solche Frequenzen sind typischerweise bis zu wenigen MHz. Der Master übermittelt dann die logische 0 für den gewünschten Chip über die Chip-Select-Leitung. Eine logische 0 wird übermittelt, wenn die Chip-Select-Leitung aktiv low ist, was bedeutet, dass ihr Off-State eine logische 1 ist; „an“ ist mit einer logischen 0 verknüpft. Falls eine Warteperiode verwendet wird, beispielsweise für eine Analog-zu-Digital-Wandlung, wartet der Master zumindest für diese Zeitperiode, bevor er damit startet, die Taktzyklen auszugeben.
Während jedes SPI-Taktzyklus findet eine Vollduplex-Datenübertragung statt. Der Master sendet ein Bit auf der MOSI-Leitung; der Slave liest dieses von der gleichen Leitung. Der Slave sendet ein Bit auf der MISO-Leitung; der Master liest dieses von dieser Leitung. Nicht alle Übertragungen erfordern alle vier dieser Operationen, um sinnvoll zu sein. Übertragungen umfassen normalerweise zwei Schieberegister einer vorgegebenen Wortgröße, wie beispielsweise acht Bit, ein Schieberegister im Master und ein Schieberegister im Slave; sie sind als Ring verbunden. Daten werden üblicherweise mit dem höchstwertigsten Bit zuerst hinausgeschoben, während ein niedrigwertiges Bit in das gleiche Register geschoben wird. Nachdem das Register herausgeschoben wurde, haben der Master und der Slave die Registerwerte ausgetauscht. Dann nimmt jede Vorrichtung den Wert und führt eine Aktion aus, beispielsweise das Schreiben in den Speicher. Falls mehr Daten auszutauschen sind, werden die Schieberegister mit neuen Daten geladen und der Vorgang wiederholt sich.
Übertragungen können eine Anzahl von Taktzyklen umfassen. Wenn es keine weiteren Daten zur Übertragung gibt, kann der Master seinen Takt umschalten und den Slave dann deselektieren. Übertragungen können 8-Bit-Worte umfassen und der Master kann mehrere solcher Übertragungen initiieren, falls dies erforderlich ist. Andere Wortgrößen können jedoch ebenfalls benutzt werden, wie beispielsweise 16-Bit Worte für Touchscreen-Controller oder Audio-Codec, wie bei dem TSC2101 von Texas Instruments; oder 12-Bit-Worte für viele Digital/Analog oder Analog/Digital-Wandler.
6 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung skalierbarer Module 600(1) bis 600(n). Module 600(1) bis 600(n) sind skalierbar in einer Vielzahl von Modulformationen, beispielsweise Seriell-, Parallel-, Seriell-Parallel-Verbindungen, um Hochspannungsbatterien 102 zu bilden. Jedes Modul kann SPI-Schnittstellen aufweisen; sowohl physische Verbindungen als auch serielle Datenverbindungs-Kommunikation 602, beispielsweise kann jedes Modul verbunden sein, um eine gemeinsame Datenverbindung 602 (beispielsweise für RS-232-Kommunikation) zu teilen. Die gemeinsame Schnittstelle ermöglicht eine Anzahl von N Batteriemodulen 600(1) bis 600(n) in Serie und/oder parallel zu schalten. Synchronization der Batterielade- und Energiemodule 104(1)-104(n) ermöglicht eine Anzahl von n Batterie Modulen 600(1) bis 600(n).
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Zell-Ausgleichs-Algorithmus. Der Zell-Ausgleichs-Algorithmus kann einer von verschiedenen Algorithmen des Systems 100 sein, um Simulationsdaten mit Echtzeitdaten für die Batterie 102 zu korrelieren. Während das System 100 den Zustand der Batterie 102 steuert und überwacht, kann die Echtzeit-Information der Batterie 102 unabhängig überwacht werden, einschließlich verschiedener Parameter der Batterie 102, beispielsweise Temperatur, Druck, Spannungen und Strom. Aus den Parametern kann der Echtzeit-Teil des Systems unabhängig die Standard-Betriebs-Bedingung, den Gesundheitszustand, die Sicherheits-Schwellenwert-Parameter und ebenfalls das Laden/Entladen der Batterie 102 bestimmen.
Der Zell-Ausgleichs-Algorithmus liefert eine Steuerung der Ladung und /Entladung jeder Zelle 300-307, etc. In Verbindung mit dem Rest der Teilsysteme, werden die Zellen 300-307 mit der Rate und den maximalen Standard-Betriebs-Bedingungs(SOC)-Schwellenwerten geladen, die von dem adaptiven Algorithmus-Teilsystem gesetzt wurden. Der Zell-Ausgleichs-Algorithmus kann die Batterieregelung prüfen, um zu bestimmen, ob die Zellen 300-307 im Normalbereich arbeiten oder außerhalb des Bereichs (700). Falls die Zellen 300-307 außerhalb des Bereichs sind, bestimmt der Zell-Ausgleichs-Algorithmus, ob dies eine Standard-Betriebs-Bedingung (SOC) (720) ist. Falls es keine Standard-Betriebs-Bedingung (SOC) ist, wird die Energie an die Zellen 300-307 gestoppt (704). Falls die Zellen 300-307 normal arbeiten, bestimmt der Zell-Ausgleichs-Algorithmus, ob die Zellen geladen oder entladen werden (706).
Während des Ladens der Zellen 300-307 bestimmt der Zell-Ausgleichs-Algorithmus den Zustand der Ladung (SOC) (708). Falls der Zustand der Ladung (SOC) im Bereich liegt, wird die Spannung der Zellen 300-307 geprüft (710). Falls die Spannung der Zellen 300-307 im Bereich liegt, führt der Zell-Ausgleichs-Algorithmus fort mit dem Laden der Zellen 300-307 (712). Falls die Spannung einer oder mehrerer der Zellen 300-307 ausgereizt ist oder der Zustand der Ladung (SOC) ausgereizt ist, schließt der Zell-Ausgleichs-Algorithmus das Laden (716) ab oder überprüft das Zell-Gleichgewicht (718) abhängig von einer Konfiguration der Zellen, beispielsweise entweder eine einzelne Zelle/parallele Zellen oder Zellen, die in Reihe verbunden sind (714). Falls Zellen 300-307 in Serie liegen und ausgeglichen sind (718), schließt der Zell-Ausgleichs-Algorithmus das Laden (716) ab.
Falls Zellen 300-307, die in Serie konfiguriert sind, nicht ausgeglichen sind (718), kann dann der Zell-Ausgleichs-Algorithmus die Spannung (Vout) begrenzen und die überschüssige Ladung zu dem Stapel der Zellen 300-307 und/oder zu individuellen Zellen (720) übertragen. Dies kann für alle Zellen in Serie wiederholt werden, bis die Zellen ausgeglichen sind, beispielsweise entsprechend der Standard-Betriebs-Bedingung (SOC). Wenn die Standard-Betriebs-Bedingungs(SOC)-Schwellenwerte erreicht sind, können die Zellen 300-307 den Ladestrom zu der Zelle unterbrechen, können zu dem Zellpaket oder einem externen Widerstand umleiten, oder zu einer externen Reservezelle, oder einem Typ von Energiespeicherelement, beispielsweise einer Reservezelle oder Energieeinheit 310. Dieser Prozess kann ebenfalls ausgeführt werden beim Entladen, mit Ausnahme, dass das externe Element oder die Reserveversorgung den Strom entleert.
Im Entlademodus wird das Entladen der Zellen 300-307 überprüft, ob im Bereich oder am maximalen Pegel, beispielsweise entsprechend der Standard-Betriebs-Bedingung (SOC) (730). Falls im Bereich kann der Zell-Ausgleichs-Algorithmus die Spannung der Zellen 300-307 prüfen, ob im Bereich oder an einem Minimum (732). Falls im Bereich kann der Zell-Ausgleichs-Algorithmus den Zellen 300-307 das weitere Entladen ermöglichen. Falls die Spannung einer oder mehrerer Zellen 300-307 minimal ist oder die Tiefe der Entladung (DOD) ausgereizt ist, beendet der Zell-Ausgleichs-Algorithmus das Entladen (738) oder überprüft das Zellgleichgewicht (740) abhängig von einer Konfiguration der Zellen, beispielsweise entweder einer Einzel-Zellen/Parallelzellen oder Zellen, die in Serie verbunden sind (736). Falls die Zellen 300-307 in Serie verbunden sind und ausgeglichen sind (740), beendet der Zell-Ausgleichs-Algorithmus das Entladen (738). Andernfalls kann der Zell-Ausgleichs-Algorithmus die Spannung (Vout) und die Ladung von dem Stapel der Zellen und/oder von individuellen Zellen begrenzen. Das kann für alle Zellen in der Reihenschaltung wiederholt werden, bis die Standard-Betriebs-Bedingung (SOC) ausgeglichen ist.
Gleichzeitig mit der Echtzeitüberwachung der Spannung, des Stroms und der Temperatur (744) kann eine Offline-Verarbeitung der Multi-Physikalisch-abgeleiteten Modelle durchgeführt werden (746). Diese Modelle adaptieren an die vorhandenen Arbeits-Umgebungen der Echtzeitverarbeitung und speichern die Steuerungs- und Arbeitsparameter. Die Spannungen, der Strom, die Temperaturen, und der Druck können in einem dynamischen virtuellen Speicher gespeichert werden, während beim Bestimmen die Standard-Betriebs-Bedingung (SOC) und andere Gesundheitszustands-Parameter und Schwellenwerte. Der lokale Prozessor 500, beispielsweise von 5 und 6, kann die Verarbeitung der Daten steuern. Die Echtzeitdaten und die simulierten Daten werden zusammen korreliert, um statistisch genaue Vorhersagen und zukünftige Datentrends zu erzeugen, beispielsweise die Fähigkeit, Ladung zu halten, einen Fehlerzeitpunkt zu bestimmen, plötzliche Batteriefehler vorherzusagen, Parameter zu aktualisieren einschließlich Kapazität, Alterung, Standard-Betriebs-Bedingung (SOC), Gesundheitszustand (SOH), Zustand der Lebensdauer (SOL), Restenergie und Restkapazität. Die sich ergebenden Steuerungsparameter können verwendet werden, um die Steuerungs- und Schwellenwert-Parameter des Echtzeitsystems zu aktualisieren, um einen sicheren und zuverlässigen Batteriebetrieb zu gewährleisten.
8 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Modell-basierten adaptiven Algorithmus. Ein Energiemanagement mit adaptiver Steuerung kann vorausschauende Algorithmen zur Verhinderung von Batteriefehlern aufweisen und Gegenmaßnahmen, um katastrophale Fehler zu erschweren und zu verhindern. Der Modell-basierte Algorithmus kann in Verbindung mit anderen Teilsystemen arbeiten, um die Datenverarbeitung sowohl der Echtzeit als auch der simulierten Daten bereitzustellen. Die Verarbeitung kann die Arbeits- und Schwellenwert-Parameter des Echtzeitsystems 100 aktualisieren und ebenfalls den Gesundheitszustand (tote Zellen, schwache Zellen, etc.), Standard-Betriebs-Bedingung (SOC), Wärmeerzeugung, Temperaturänderung, maximale Lade/Entlade-Rate charakterisieren. Der adaptive Algorithmus kann ebenfalls den verbleibenden Zustand der Lebensdauer (SOL) der Batterie vorhersagen.
Der adaptive Algorithmus kann überwachte Daten benutzen, beispielsweise Spannung, Strom, Rate und Temperatur (800). Die Daten können in einen SOC, SOH und SOL Ableitungs/Abschätz-Algorithmus eingegeben werden zusammen mit Aktualisierungen von (A), wie nachfolgend beschrieben (802). Der Ableitungs/Abschätz-Algorithmus gibt aktuelle Daten aus und die aktuellen Daten (804) können charakterisiertes Verhalten umfassen, beispielsweise SOH (Information über tote Zellen, schwache Zellen, Ladestrom, Kapazität, maximale Entladung, maximale Rate der Ladung, Wärmeerzeugung, Temperaturänderung, etc. (806). Der adaptive Algorithmus kann aktuelle Daten (804) vergleichen (808), einschließlich des charakterisierten Verhaltens, mit den vorherigen Daten (810). Falls es keine Änderung gibt, läuft der adaptive Algorithmus weiter ohne korrelierte Daten, etc. zu benötigen. Falls es eine Änderung zwischen den aktuellen Daten (804) und den vorherigen Daten (810) gibt, kann der adaptive Algorithmus die Daten korrelieren, beispielsweise um Varianzen zwischen den aktuellen Daten und den vorherigen Daten zu bestimmen und Daten und Parameter (814) vorherzusagen. Auf diese Weise kann der adaptive Algorithmus als ein empirisches Modell implementiert werden, beispielsweise basierend auf, betreffend oder nachprüfbar durch die Beobachtung oder die Erfahrung und nicht durch Theorie oder pure Logik.
Der adaptive Algorithmus kann ebenfalls eine Optimierung ausführen, um die Spannung, Temperatur und ändernde Stromgrenzen nachzujustieren, und die Kalman-Filtervariablen (beispielsweise Spannung, Strom und Temperatur) nachzujustieren (816). Der adaptive Algorithmus aktualisiert die vorherigen Daten für eine zukünftige Bezugnahme (818). Der adaptive Algorithmus aktualisiert die Ausgangs-Parameter (820) und aktualisiert die Timeline (822), beispielsweise die vorhergesagte Lebensdauer der Batterie 102, für die Eingabe in den Ableitungs/Abschätz-Algorithmus (802), beispielsweise um die aktuellen Daten (804) zu bestimmen.
9 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften integrierten Batterie-Gesundheitszustand-Managementsystem (IBHM)-Algorithmus. Der IBHM kann in der PMU 106 von 1 integriert sein, oder kann als eine separate Einheit implementiert sein. Der IBHM-Algorithmus in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Modell-basierten Algorithmus und Systemen, kann das aktuelle und das vorausgesagte Verhalten der Batterie 102 bereitstellen. Der IBHM kann den aktualisierten Gesundheitszustand der Batterie 102 speichern, die vorhergesagte Restlebensdauer und die Betriebs/ /Steuerungsparameter der Batterie 102 aktualisieren. Der Gesundheitszustand kann eine Eigenschaft der Batterie 102 umfassen, beispielsweise ob die Batterie 102 neu ist, die Hälfte ihrer Lebensdauer erreicht hat, am Ende ihrer Lebensdauer ist, etc. Bei einem Beispiel kann die PMU 106 die Batterie 102 basierend auf dem Gesundheitszustand der Batterie 102 betreiben. Beispielsweise können die Batterie-Arbeits-Schwellenwerte basierend auf dem Gesundheitszustand eingestellt werden. Der IBHM kann ebenfalls eine passende Wartung oder einen Ersatz der Batterie 102 speichern/empfehlen.
Der IBHM Algorithmus kann ein Eingangssignal empfangen, beispielsweise Spannung, Strom, Rate und Temperatur (900). Der IBHM kann die Eingangssignale konditionieren, beispielsweise durch analoges Filtern und/oder analog-zu-digital (A/D)-Wandlung (902). Der IBHM kann die Signale verarbeiten, beispielsweise durch dig-Filterung, Datenumwandlung, Schwellenwertbildung, Einstufen (Änderung der Spannung über der Änderung der Temperatur und/oder Änderung der Spannung über der Änderung des Stroms), und/oder durch Bestimmen des Ladungszustands (SoC), beispielsweise als eine Funktion der Spannung, des Stroms, der Rate und der Temperatur (904). Die konditionierten und verarbeiteten Eingangssignale können einem Datenvereinigungsmodell zugeführt werden, beispielsweise einem multivariaten statistischen Ansatz, einem Extended Kalman-Filter, und/oder einer Bayesianischen Interferenz (906). Als Teil des Datenvereinigungsmodells können Offline-Verarbeitungs-Informationen eingegeben werden, einschließlich eines BDS-Mathematikmodells, Tabellen mit BDS-Standard-Bedingungen (SOC) und SoC als Funktion der Spannung, des Stroms, der Temperatur, der Raten und der Alterung (908). Ein abgeleitetes SoC kann aus gefilterter Spannung, Strom und Temperatur-Messungen bestimmt werden. Der Extended Kalman-Filter kann eine gute Abschätzung der aktuellen Messungen bereitstellen und unvollständige und rauschbehaftete Daten berücksichtigen. Die Bayesianische Interferenz kann früheres Wissen von SoC, Strom, Spannung (Voc), Rate und Temperatur vereinigen, um eine bessere Abschätzung der SOC-Grenzen, Zeit plus ein (t+1), (t+2),...(t+n) Schwellenwerte und Temperatur.
Die Vor-Ausgabe Verarbeitung kann die Schwellenwertbildung und die außerhalb der Grenzen Funktionsanalyse (910) umfassen. Der IBHM kann dann die Ausgangsvariable Voc, SoC, SOC, SOH und SOL (912) bestimmen. Der IBHM kann ebenfalls ein Diagnostikmodell umfassen, um die Lebenszeitende-Schwellenwerte aus den Signalen (914) zu bestimmen. Die Lebenszeitende-Schwellenwerte können Teil der Ausgangsvariablen sein.
Vorteile des Systems 100 können eine höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit sein, ein System 100, das eine größere Zuverlässigkeit und sicheren Betrieb innerhalb der Herstellerspezifikationen bereitstellt, die Fähigkeiten der Gesundheitszustands-Überwachung und -prognose, die Berücksichtigung verschiedener Sicherheitsmechanismen und Gegenmaßnahmen innerhalb der Zelle/Module, und/oder eine größere Batterie-Verwendbarkeit. Das System 100 kann die Batterie 102 in einem weiteren Bereich des Ladungszustands (SoC) betreiben, beispielsweise die spezifisch ist zu den chemischen Eigenschaften und den Kundenanforderungen.
Die zuvor beschriebenen Systeme und Verfahren können in vielen unterschiedlichen Arten in vielen unterschiedlichen Kombinationen von Hardware, Software, Firmware oder jeder Kombination davon implementiert werden. In einem Beispiel können die Systeme und Verfahren mit einem Prozessor und einem Speicher implementiert werden, wobei der Speicher Befehle speichert, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, die Systeme und Verfahren auszuführen. Der Prozessor kann jeglicher Typ von Schaltung sein, wie beispielsweise, aber nicht beschränkend, ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, ein Grafikprozessor, ein digitaler Signalprozessor oder ein anderer Prozessor. Der Prozessor kann ebenfalls mit diskreter Logik oder Komponenten implementiert sein, oder einer Kombination anderer Typen von analogen oder digitalen Schaltungen, kombiniert auf einer einzelnen integrierten Schaltung oder verteilt über mehrere integrierte Schaltungen. Die gesamte oder ein Teil der Logik, die zuvor beschrieben wurde, kann in Form von Befehlen zur Ausführung durch den Prozessor, den Controller oder andere Verarbeitungsvorrichtungen implementiert werden, und kann in einem greifbaren oder nicht flüchtigen maschinenlesbaren oder computerlesbaren Medium gespeichert sein, wie beispielsweise einem Flashspeicher, einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) oder einem Nur-Lesespeicher (ROM), einem löschbaren programmierbaren Nur-Lesespeicher (EPROM) oder einem anderen maschinenlesbaren Medium, wie beispielsweise einer Kompaktdisk-Nur-Lesespeicher (CDROM), oder einer magnetischen oder optischen Disk gespeichert sein. Ein Produkt, wie beispielsweise ein Computerprogrammprodukt kann ein Speichermedium und computerlesbare Befehle aufweisen, die auf dem Medium gespeichert sind, die, wenn sie an einem Endpunkt, einem Computersystem, oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt werden, die Vorrichtung veranlassen, die Operationen entsprechend der vorherigen Beschreibung auszuführen. Der Speicher kann mit einer oder mehreren Festplatten implementiert werden, und/oder einem oder mehreren Laufwerken, die entfernbare Medien handhaben, wie beispielsweise Disketten, Compaktdisks (CDs), digitale Videodisks (DVDs), Flashmemory-Vorrichtungen oder andere entfernbare Medien.
Die Verarbeitungsfähigkeit des Systems kann über mehrere Systemkomponenten verteilt sein, wie beispielsweise über mehrere Prozessoren und Speicher, und kann optional mehrere verteilte Verarbeitungssysteme aufweisen. Parameter, Datenbanken und andere Datenstrukturen können separat gespeichert und verwaltet werden, können in einem einzelnen Speicher oder Datenbank vorgesehen sein, können logisch und physisch in vielen verschiedenen Arten organisiert sein und können in vielen Arten implementiert sein, einschließlich Datenstrukturen wie verknüpfte Listen, Hash-Tabellen oder implizite Speichermechanismen. Programme können Teile (beispielsweise Teilroutinen) eines einzelnen Programms, separater Programme, verteilt über mehrere Speicher und Prozessoren sein, oder können in vielen unterschiedlichen Arten implementiert sein, wie beispielsweise in einer Bibliothek, wie einer geteilten Bibliothek (beispielsweise einer Dynamic-Link-Library (DLL)). Die DLL kann beispielsweise Code speichern, der jede der zuvor beschriebenen Systemverarbeitungen ausführt.
Ferner umfasst die Offenbarung Ausführungsformen entsprechend den nachfolgenden Klauseln:

Klausel 1. System mit
- einer Batterie;
- einer Energie-Management-Einheit, die mit einer Batterie verbunden ist, wobei die Energie-Management-Einheit die Energie zu der Batterie steuert; und
- einer Reserve-Energie-Einheit, die mit der Energie-Management-Einheit und der Batterie verbunden ist, wobei die Energie-Management-Einheit überschüssige Ladung in der Reserve-Energie-Einheit speichert und gespeicherte Ladung an die Batterie umleitet, wenn die Batterie weniger als einen bestimmten Prozentsatz geladen ist.
Klausel 2. System nach Klausel 1, wobei die Energie-Management-Einheit die Batterie innerhalb vorbestimmter Schwellenwert-Grenzen betreibt.
Klausel 3. System nach Klausel 2, wobei die Schwellenwert-Grenzen Energie und/oder Strom für eine bestimmte Last umfassen.
Klausel 4. System nach einer der vorhergehenden Klauseln, wobei die Energie-Management-Einheit einen Gesundheitszustand der Batterie bestimmt.
Klausel 5. System nach Klausel 4, wobei der Gesundheitszustand der Batterie aufweist: eine neue Batterie, eine die Hälfte ihrer Lebensdauer überschrittene Batterie und eine das Ende ihrer Lebensdauer erreichte Batterie.
Klausel 6. System nach Klausel 4, wobei die Energie-Management-Einheit die Schwellenwert-Grenzen basierend auf dem Gesundheitszustand der Batterie einstellt.
Klausel 7. System nach einer der vorherigen Klauseln, wobei die Energie-Management-Einheit einen Zustand der Batterie voraussagt, indem Echtzeitdaten mit simulierten Daten verglichen werden.
Klausel 8. System nach einer der vorherigen Klauseln, ferner mit einem IsolationsUmwandler, der zwischen der Batterie und der Reserve-Energie-Einheit vorgesehen ist.
Klausel 9. System nach einer der vorherigen Klauseln, ferner mit einer Zenerdiode, die mit einer Zelle der Batterie verbunden ist, wobei die Zenerdiode eine schlechte Zelle überbrückt.
Klausel 10. System nach Klausel 9, wobei die schlechte Zelle einen offenen Stromkreis für die Batterie während des Ladens oder Entladens aufweist.
Klausel 11. System nach einer der vorherigen Klauseln, wobei die Energie-Management-Einheit eine Lebensdauer der Batterie vorhersagt.
Klausel 12. System nach einer der vorherigen Klausel, wobei die Energie-Management-Einheit eine Wartung der Batterie empfiehlt.
Klausel 13. System nach einer der vorherigen Klauseln, ferner mit einer Temperatur-Management-Einheit, die mit der Energie-Management-Einheit verbunden ist, wobei die Temperatur-Management-Einheit eine Temperatur der Batterie überwacht und das Laden oder Entladen der Batterie unterbricht, wenn die Batterie außerhalb einer vorbestimmten Grenze arbeitet.
Klausel 14. System nach einer der vorherigen Klauseln, ferner mit einer Gas-Management-Einheit, die mit der Energie-Management-Einheit verbunden ist, wobei die Gas-Management-Einheit einen Druck eines Gases um die Batterie herum überwacht und ein Ventil öffnet, um den Druck abzubauen und Gas umzuleiten, wenn das Gas oder der Druck außerhalb einer bestimmten Grenze liegt.
Klausel 15. System nach einer der vorherigen Klauseln, ferner mit einer Zell-Ausgleichs-Einheit, die mit der Batterie und der Reserve-Energie-Einheit verbunden ist, wobei die Zell-Ausgleichs-Einheit eine Ladung der Zellen der Batterie ausgleicht.
Klausel 16. Verfahren mit:
- einem Prozessor
- Überwachen einer Spannung, eines Stroms und einer Temperatur einer Batterie;
- Bestimmen eines Gesundheitszustands der Batterie basierend auf einem Echtzeit-betrieb der Batterie und einem virtuellen Betrieb der Batterie; und
- Einstellen einer Betriebs-Grenze der Batterie basierend auf dem Gesundheitszustand der Batterie.
Klausel 17. Verfahren nach Klausel 16, ferner mit: Senden übertragener überschüssiger Ladung an eine Reserve-Energie-Einheit und Umleiten der gespeicherten Ladung von der Reserve-Energie-Einheit an die Batterie, die weniger als ein vorbestimmter Prozentsatz geladen ist.
Klausel 18. Verfahren nach Klauseln 16 oder 17, ferner mit: Vorhersagen einer Lebensdauer der Batterie.
Klausel 19. Verfahren nach einer der Klauseln 16 bis 18, ferner mit: Empfehlen einer Wartung der Batterie.
Klausel 20. Verfahren nach einer der Klauseln 16 bis 19, ferner mit: Ausgleichen einer Ladung der Zellen der Batterie.

Viele Modifikationen und andere Ausführungsformen, die hier ausgeführt wurden, ergeben sich für den Fachmann aus den Vorteilen der hier in der obigen Beschreibung präsentierten Lehre und der zugehörigen Zeichnungen. Obgleich spezifische Begriffe hier verwendet werden, werden sie in einer allgemeinen und beschreibenden Form benutzt und nicht zum Zwecke der Einschränkung.

Claims

System mit: einer Batterie (102) mit mehreren Zellen; einer Energie-Management-Einheit (106), die mit einer Batterie (102) verbunden ist, wobei die Energie-Management-Einheit (106) die Energie zu der Batterie (102) steuert; und einer Reserve-Energie-Einheit (310), die mit der Energie-Management-Einheit (106) und der Batterie (102) verbunden ist, wobei die Energie-Management-Einheit (106) überschüssige Ladung in der Reserve-Energie-Einheit (310) speichert und gespeicherte Ladung an die Batterie (102) umleitet, wenn die Batterie (102) weniger als einen bestimmten Prozentsatz geladen ist; und einer Zell-Ausgleichs-Einheit (112), die mit der Batterie (102) und der Reserve-Energie-Einheit verbunden ist, wobei die Zell-Ausgleichs-Einheit die Ladung der Zellen der Batterie ausgleicht.
System nach Anspruch 1, wobei die Energie-Management-Einheit (106) die Batterie innerhalb bestimmter Schwellenwert-Grenzen betreibt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schwellenwert-Grenzen Energie und/oder Strom für eine bestimmte Last umfassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energie-Management-Einheit (106) einen Gesundheits-Zustand der Batterie (102) bestimmt.
System nach Anspruch 4, wobei der Gesundheits-Zustand der Batterie (102) umfasst: neue Batterie, eine die Hälfte ihrer Lebensdauer überschrittene Batterie, und eine das Ende ihrer Lebensdauer erreichte Batterie.
System nach Anspruch 4, wobei die Energie-Management-Einheit (106) Schwellenwert-Grenzen basierend auf dem Gesundheits-Zustand der Batterie (102) einstellt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energie-Management-Einheit (106) einen Zustand der Batterie (102) vorhersagt, indem Echtzeit-Daten mit simulierten Daten verglichen werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem IsolationsUmwandler (340-347), der zwischen der Batterie (102) und der Reserve-Energie-Einheit (310) vorgesehen ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Zener-Diode (330-337), die mit einer Zelle der Batterie (102) verbunden ist, wobei die Zener-Diode eine schlechte Zelle überbrückt.
System nach Anspruch 9, wobei die schlechte Zelle einen offenen Kreis zu der Batterie während des Ladens oder Entladens umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energie-Management-Einheit (106) eine Lebensdauer der Batterie (102) vorhersagt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energie-Management-Einheit (106) eine Wartung der Batterie (102) vorschlägt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Temperatur-Management-Einheit (108), die mit der Energie-Management-Einheit (106) verbunden ist, wobei die Temperatur-Management-Einheit (108) eine Temperatur der Batterie (102) überwacht und ein Laden oder Entladen der Batterie (102) unterbricht, wenn die Batterie außerhalb einer bestimmten Grenze arbeitet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Gas-Management-Einheit (110), die mit der Energie-Management-Einheit (106) verbunden ist, wobei die Gas-Management-Einheit (110) den Druck eines Gases um die Batterie (102) herum überwacht und ein Ventil öffnet, um den Druck abzubauen und das Gas umzuleiten, wenn das Gas oder Druck außerhalb einer bestimmten Grenze sind.
Verfahren mit: mit einem Prozessor (744) Überwachen einer Spannung, eines Stroms und einer Temperatur einer Batterie (102), die mehrere Zellen aufweist; Bestimmen eines Gesundheits-Zustands (746) der Batterie (102) basierend auf einem Echtzeit-Betrieb der Batterie und einem virtuellen Betrieb der Batterie; Einstellen einer Betriebs-Grenze (720, 742) der Batterie (102) basierend auf dem Gesundheits-Zustand (746) der Batterie (102); und Senden übertragener überschüssiger Ladung an eine Reserve-Energie-Einheit und Umleiten der gespeicherten Ladung von der Reserve-Energie-Einheit an zumindest eine Zelle der Batterie, die weniger als ein vorbestimmter Prozentsatz geladen ist, um die Ladung der Zellen der Batterie auszugleichen.