DE112019005568T5

DE112019005568T5 - Adaptives Batterieladen

Info

Publication number: DE112019005568T5
Application number: DE112019005568.2T
Authority: DE
Inventors: Dania Ghantous; Fred Berkowitz; Nadim Maluf
Original assignee: Qnovo Inc
Current assignee: Qnovo Inc
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-08-05
Also published as: WO2020097271A1

Abstract

Batterien und zugehörige Ladebedingungen oder andere Betriebsbedingungen werden durch ein Rechenmodell evaluiert, das die Batterie und die zugehörigen Bedingungen klassifiziert oder charakterisiert. Ein solches Batteriemodell kann Batterien gemäß beliebigen von vielen verschiedenen Gesichtspunkten klassifizieren, wie zum Beispiel, ob die Bedingungen sicher oder unsicher sind oder ob die Bedingungen wahrscheinlich die zukünftige Leistung die Batterie unnötig verschlechtern werden. In einigen Fällen wird das Batteriemodell ausgeführt, während die Batterie in einer elektronischen Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Smartphone oder einem Fahrzeug, installiert ist. In einigen Fällen wird das Batteriemodell ausgeführt und stellt Ergebnisse (zum Beispiel eine Klassifizierung der Batterie) in Echtzeit bereit, während die Batterie installiert ist und geladen wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNG
Diese Anmeldung ist eine Teilweiterbehandlung der US-Anmeldung Nr. 16/183,550 , eingereicht am 7. November 2018 von Dania Ghantous et al., mit dem Titel „Battery Adaptive Charging Using Battery Physical Phenomena“, und diese Anmeldung ist außerdem eine Teilweiterbehandlung der US-Patentanmeldung Nr. 16/183,559 , eingereicht am 7. November 2018 von Dania Ghantous et al., mit dem Titel „Battery Adaptive Charging Using a Battery Model“, die beide Teilweiterbehandlungen der US-Anmeldung Nr. 16/107,560 , eingereicht am 21. August 2018 von Nadim Maluf et al., mit dem Titel „Method and Circuitry to Adaptively Charge a Battery/Cell Using the State of Health Thereof“ sind, die eine Weiterbehandlung der US-Anmeldung Nr. 14/752,592 , eingereicht am 26. Juni 2015 von Nadim Maluf et al., mit dem Titel „Method and Circuitry to Adaptively Charge a Battery/Cell Using the State of Health Thereof“ (jetzt US-Patent Nr. 10,067,198 ) ist, die eine Weiterbehandlung der US-Anmeldung Nr. 14/003,826 , eingereicht am 27. September 2013 von Nadim Maluf et al., mit dem Titel „Method and Circuitry to Adaptively Charge a Battery/Cell Using the State of Health Thereof“ (jetzt US-Patent Nr. 9,121,910 ) ist, die eine 371-Anmeldung der internationalen Anmeldung Nr. PCT/ US2012/030618 ist, die am 26. März 2012 eingereicht wurde und die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/468,051 , eingereicht am 27. März 2011 von Fred Berkowitz et al., mit dem Titel „Method and Circuitry to Charge a Battery/Cell Using the State of Health Thereof and Measure the State of Health of a Battery/Cell“ beansprucht; diese Anmeldungen werden hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang und für alle Zwecke in den vorliegenden Text aufgenommen. Die US-Anmeldung Nr. 14/003,826 ist außerdem eine Teilweiterbehandlung der US-Anmeldung Nr. 13/111,902 , eingereicht am 19. Mai 2011 von Nadim Maluf et al., mit dem Titel „Method and Circuitry to Adaptively Charge a Battery/Cell“ (jetzt US-Patent Nr. 8,638,070 ), die die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/468,051 , eingereicht am 27. März 2011, der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/439,400 , eingereicht am 4. Februar 2011, der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/368,158 , eingereicht am 27. Juli 2010, der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/358,384 , eingereicht am 24. Juni 2010, und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/346,953 , eingereicht am 21. Mai 2010, beansprucht; diese Anmeldungen werden hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang und für alle Zwecke in den vorliegenden Text aufgenommen. Die US-Anmeldung Nr. 14/003,826 ist außerdem eine Teilweiterbehandlung der US-Anmeldung Nr. 13/167,782 , eingereicht am 24. Juni 2011 von Dania Ghantous et al., mit dem Titel „Method and Circuitry to Calculate the State of Charge of a Battery/Cell“ (jetzt US-Patent Nr. 8,791,669 ), und eine Teilweiterbehandlung der US-Anmeldung Nr. 13/366,352 , eingereicht am 5. Februar 2012 von Fred Berkowitz et al., mit dem Titel „Method and Circuitry to Calculate the State of Charge of a Battery/Cell“, (jetzt US-Patent Nr. 8,970,178 ); diese Anmeldungen werden hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang und für alle Zwecke in den vorliegenden Text aufgenommen.
HINTERGRUND
Batterien und die dazugehörigen Ladeschaltungen werden auf vielen Gebieten eingesetzt, und ihr Gebrauch nimmt stetig zu. Lithiumionen-Batterien sind heute in vielen gewerblichen Bereichen weit verbreitet: von der Stromversorgung fast aller portablen elektronischen Vorrichtungen bis hin zur vollständigen oder teilweisen Stromversorgung vieler Fahrzeuge, wie zum Beispiel Automobile.
Wiederaufladbare Batterien und die zugehörige Steuerungslogik wurden entwickelt, um effizientes Laden, hohe Kapazität und lange Lebensdauer zu ermöglichen. Leider schränken verschiedenste Faktoren die Fähigkeit von Batterien ein, alle diese Merkmale in vollem Umfang zu erreichen. Variationen bei der Herstellung und der Endanwendung führen zu großen Variationen bei der Fähigkeit jeder gegebenen Batterie, sowohl eine lange Zykluslebensdauer als auch schnelle Ladezeiten aufzuweisen.
Die Charakterisierung des momentanen „Gesundheitszustands“ (State of Health) einer Batterie und/oder die Bestimmung ihrer zukünftigen Leistung wäre in vielen Situationen nützlich.
KURZDARSTELLUNG
Ein Aspekt dieser Offenbarung betrifft Verfahren zur Klassifizierung und Justierung der Verwendung einer Batterie. Solche Verfahren können durch die folgenden Operationen gekennzeichnet sein: (a) Erhalten von Werten eines oder mehrerer Ladeprozessparameter, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder anzuwenden sind; (b) Einspeisen der Werte des einen oder der mehreren Ladeprozessparameter in ein Batteriemodell; (c) Empfangen, von dem Batteriemodell, einer Batterieladeprozesscharakteristik; und (d) auf der Grundlage der von dem Modell empfangenen Batterieladeprozesscharakteristik, (i) Justieren eines zum Laden der Batterie verwendeten Ladeprozesses, und/oder (ii) wenigstens vorübergehendes Beenden der Verwendung der Batterie. Das Batteriemodell kann so ausgelegt oder konfiguriert sein, dass es die Batterie und den einen oder die mehreren Ladeprozessparameter charakterisiert. Die Batterieladeprozesscharakteristik kann einen vorhergesagten Effekt des Ladens der Batterie unter Bedingungen bereitstellen, die durch den einen oder die mehreren Prozessparameter angegeben werden, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder angewendet werden sollen.
In bestimmten Ausführungsformen umfassen der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens einen Ladezustand der Batterie und einen an die Batterie angelegten Ladestrom. In bestimmten Ausführungsformen umfassen der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens eine Leerlaufspannung der Batterie oder eine Spannung oder ein Spannungsprofil, das bzw. die in Reaktion auf einen an die Batterie angelegten Stimulus erzeugt wird.
In einigen Fällen ist das Batteriemodell dafür ausgelegt oder konfiguriert, mindestens zwei Batterieladeprozesscharakteristiken bereitzustellen, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: sicheres Laden, sicheres, aber langsames Laden, potenziell unsicheres Laden, und bekanntes unsicheres Laden. In einigen Implementierungen wurde das Batteriemodell unter Verwendung eines Maschinenlernprozesses erstellt. In einigen Fällen umfasst das Verfahren zusätzlich das Modifizieren des Batteriemodells unter Verwendung von Daten, die von anderen Batterien erhalten wurden. Die Operation kann nach dem Ausführen von Operation (c) ausgeführt werden. In bestimmten Ausführungsformen stellt das Batteriemodell den vorhergesagten Effekt nur für die Batterie oder für eine Gruppe von Batterien desselben Batterietyps korrekt bereit. In bestimmten Ausführungsformen enthält das Batteriemodell ein mehrdimensionales Diagramm, eine Nachschlagetabelle, ein neuronales Netz, ein Regressionsmodell, eine Supportvektormaschine, ein Random-Forest-Modell, oder einen Klassifikations- und Regressionsbaum.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Erhalten der Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter das Messen oder Bestimmen von Werten des Stroms und/oder der Spannung, die an die Anschlüsse der Batterie angelegt und/oder an Anschlüssen der Batterie generiert werden. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Erhalten der Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter das Bestimmen eines Wertes des Ladestroms, der in der Zukunft an die Batterie angelegt werden soll.
In einigen Implementierungen werden die Operationen (a)-(d) ausgeführt, während die Batterie in einer elektronischen Vorrichtung installiert ist. In einigen Implementierungen werden die Operationen (a)-(d) ausgeführt, während die Batterie geladen wird.
In einigen Fällen umfasst das Erhalten von Werten eines oder mehrerer Ladeprozessparameter: (i) Anlegen eines Stimulus an die Batterie; (ii) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (iii) Verwenden der gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Justieren eines zum Laden der Batterie verwendeten Ladeprozesses das Justieren eines Ladeprozesses der Batterie. Als ein Beispiel kann das Anpassen eines Ladeprozesses der Batterie das Modifizieren eines oder mehrerer Stromschritte oder Stromimpulse umfassen, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft Batterieladesysteme zum Klassifizieren und Justieren der Nutzung einer Batterie. Solche Systeme können durch die folgenden Elemente gekennzeichnet sein:
eine Lade- und/oder Überwachungsschaltung, die dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, ein Ladesignal an die Batterie anzulegen und eine Spannung an den Anschlüssen der Batterie zu messen; und eine Steuerschaltung, die mit der Lade- und/oder Überwachungsschaltung gekoppelt ist und dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu Folgendem zu veranlassen: (a) Erhalten von Werten eines oder mehrerer Ladeprozessparameter, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder anzuwenden sind; (b) Einspeisen der momentanen Werte des einen oder der mehreren Ladeprozessparameter in ein Batteriemodell, das dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, die Batterie und den einen oder die mehreren Ladeprozessparameter zu charakterisieren; (c) Empfangen, von dem Batteriemodell, einer Batterieladeprozesscharakteristik, die einen vorhergesagten Effekt des Ladens der Batterie unter Bedingungen bereitstellt, die durch den einen oder die mehreren Prozessparameter angezeigt werden, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder anzuwenden sind, und (d) auf der Grundlage der von dem Modell empfangenen Batterieladeprozesscharakteristik, (i) Justieren eines zum Laden der Batterie verwendeten Ladeprozesses, und/oder (ii) wenigstens vorübergehendes Beenden der Verwendung der Batterie. Die Steuerschaltung ist dafür ausgelegt oder konfiguriert, jeden zweckmäßigen Teil des Batterieladesystems zu veranlassen, eine oder mehrere der Operationen (a)-(d) auszuführen. Dazu gehören Implementierungen, bei denen die Steuerschaltung selbst einige oder alle von beliebigen der Operationen ausführt.
In einigen Implementierungen des Systems enthalten der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens einen Ladezustand der Batterie und einen an die Batterie angelegten Ladestrom. In einigen Implementierungen umfassen der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens eine Leerlaufspannung der Batterie oder eine Spannung oder ein Spannungsprofil, das bzw. die in Reaktion auf einen an die Batterie angelegten Stimulus erzeugt wird.
Wie bei den oben beschriebenen Verfahren können die hier beschriebenen Systeme Batteriemodelle verwenden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass:

a. das Batteriemodell dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, mindestens zwei Batterieladeprozesscharakteristiken bereitzustellen, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: sicheres Laden, sicheres, aber langsames Laden, potenziell unsicheres Laden, und bekanntes unsicheres Laden;
b. das Batteriemodell unter Verwendung eines Maschinenlernprozesses erstellt wurde;
c. das Batteriemodell unter Verwendung von Daten modifiziert wird, die von anderen Batterien erhalten wurden;
d. das Batteriemodell den vorhergesagten Effekt nur für die Batterie oder für eine Gruppe von Batterien desselben Batterietyps korrekt bereitstellt; und/oder
e. das Batteriemodell ein mehrdimensionales Diagramm, eine Nachschlagetabelle, ein neuronales Netz, ein Regressionsmodell, eine Supportvektormaschine, ein Random-Forest-Modell, oder einen Klassifikations- und Regressionsbaum enthält.

In bestimmten Ausführungsformen des Batterieladesystems ist die Steuerschaltung dafür konfiguriert, die Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter aus gemessenen oder bestimmten Werten des Stroms und/oder der Spannung zu erhalten, die an Anschlüsse der Batterie angelegt und/oder an Anschlüssen der Batterie generiert werden. In bestimmten Ausführungsformen des Batterieladesystems ist die Steuerschaltung dafür konfiguriert, die Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter aus einem Wert des Ladestroms zu erhalten, der in der Zukunft an die Batterie angelegt werden soll.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Steuerschaltung außerdem dafür konfiguriert, (a)-(d) auszuführen, während die Batterie in einer elektronischen Vorrichtung installiert ist. In bestimmten Ausführungsformen ist die Steuerschaltung außerdem dafür konfiguriert, (a)-(d) auszuführen, während die Batterie geladen wird.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Steuerschaltung dafür konfiguriert, die Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter zu erhalten durch: Anlegen eines Stimulus an die Batterie; Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und Verwenden der gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Steuerschaltung dafür konfiguriert, den Ladeprozess durch Anpassen eines Ladeprozesses der Batterie zu justieren. In einem Beispiel ist die Steuerschaltung dafür konfiguriert, den Ladeprozess anzupassen, indem sie einen oder mehrere Stromschritte oder Stromimpulse modifiziert, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
Bestimmte andere Aspekte dieser Offenbarung betreffen Verfahren zum adaptiven Laden einer Batterie. Solche Verfahren können durch die folgenden Operationen gekennzeichnet sein:(a) Anlegen eines Stimulus an die Batterie; (b) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (c) Verwenden der in (b) gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren; und (d) auf der Grundlage der in (c) bestimmten Charakterisierung des physikalischen Phänomens, Anpassen eines Ladeprozesses der Batterie.
Die Verfahren können zusätzlich das Durchführen eines ersten Abschnitts des Ladeprozesses vor (a) umfassen, und das Anpassen des Ladeprozesses der Batterie kann das Modifizieren eines an die Batterie angelegten Ladesignals umfassen. Als ein Beispiel kann das Modifizieren des an die Batterie angelegten Ladesignals das Modifizieren eines oder mehrerer Stromschritte oder Stromimpulse umfassen, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
In bestimmten Ausführungsformen enthält der Stimulus einen oszillierenden Strom. Als ein Beispiel kann der oszillierende Strom mit mehreren Frequenzen angelegt werden. In bestimmten Ausführungsformen enthält der Stimulus eine Flanke in dem angelegten elektrischen Strom.
In einigen Implementierungen erfolgt das Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Zeitregimes, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt. In bestimmten Implementierungen umfasst das Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) das Vornehmen mehrerer Messungen der Reaktion der Batterie über eine definierte Dauer, die mit dem in der Batterie auftretenden physikalischen Phänomen verknüpft ist. In einigen Fällen erfolgt das Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Frequenzregimes, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Reaktion der Batterie auf den Stimulus eine an den Anschlüssen der Batterie gemessene Spannung. Als ein Beispiel kann die an den Anschlüssen gemessene Spannung (i) eine Phase in Bezug auf einen angelegten oszillierenden Strom, der den Stimulus darstellt, und (ii) eine Amplitude enthalten. Als ein weiteres Beispiel kann die an den Anschlüssen gemessene Spannung einen Wert enthalten, der während des Zeitregimes gemessen wurde, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
In bestimmten Ausführungsformen enthält das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie. In bestimmten Ausführungsformen enthält das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie. In bestimmten Ausführungsformen enthält das physikalische Phänomen eine chemische oder elektrochemische Reaktion in oder an einer Elektrode der Batterie.
In einigen Fällen umfassen Verfahren zusätzlich die folgenden Operationen: (e) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines zweiten Zeitregimes oder eines zweiten Frequenzregimes, in dem die Reaktion der Batterie ein zweites physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (f) Verwenden der in (e) gemessenen Reaktion der Batterie, um das zweite physikalische Phänomen zu charakterisieren. In solchen Fällen kann das Anpassen des Ladeprozesses der Batterie in (d) sowohl auf der Charakterisierung des in (c) bestimmten physikalischen Phänomens als auch auf der Charakterisierung des in (f) bestimmten zweiten physikalischen Phänomens basieren. In einem Beispiel enthält das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie, und wobei das zweite physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie umfasst.
In bestimmten Ausführungsformen enthält Operation (c) das Bestimmen einer Ladeimpulsspannung anhand der gemessenen Reaktion der Batterie, um den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie zu charakterisieren.
In bestimmten Ausführungsformen enthält Operation (c) das Bestimmen einer Teilrelaxationszeit anhand der gemessenen Reaktion der Batterie, um den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie zu charakterisieren.
Einige Aspekte dieser Offenbarung betreffen zusätzliche Systeme zum adaptiven Laden einer Batterie, die mindestens zwei Anschlüsse aufweist. Solche Systeme können durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet sein:

a. eine Lade- und/oder Überwachungsschaltung, die dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, ein Ladesignal an die Batterie anzulegen und eine Spannung an den Anschlüssen der Batterie zu messen; und
b. eine Steuerschaltung, die mit der Lade- und/oder Überwachungsschaltung gekoppelt ist und dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu Folgendem zu veranlassen: (a) Anlegen eines Stimulus an die Batterie; (b) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (c) Verwenden der mittels (b) gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren; und (d) auf der Grundlage der in (c) bestimmten Charakterisierung des physikalischen Phänomens, Anpassen eines Ladeprozesses der Batterie.

Die Steuerschaltung ist dafür ausgelegt oder konfiguriert, jeden zweckmäßigen Teil des Batterieladesystems zu veranlassen, eine oder mehrere der Operationen (a)-(d) auszuführen. Dazu gehören Implementierungen, bei denen die Steuerschaltung selbst einige oder alle von beliebigen der Operationen ausführt.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, den Ladeprozess der Batterie in (d) anzupassen, indem sie das System veranlasst, ein an die Batterie angelegtes Ladesignal zu modifizieren. In einigen Fällen ist die Steuerschaltung des Weiteren dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, einen ersten Abschnitt des Ladeprozesses vor (a) durchzuführen. In einigen Fällen ist die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, das an die Batterie angelegte Ladesignal zu modifizieren, indem sie das System veranlasst, einen oder mehrere Stromschritte oder Stromimpulse zu modifizieren, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Stimulus einen oszillierenden Strom. In einigen Fällen ist die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, den oszillierenden Strom mit mehreren Frequenzen anzulegen. In bestimmten Ausführungsformen enthält der Stimulus eine Flanke in dem angelegten elektrischen Strom.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, die Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Zeitregimes zu messen, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt. In bestimmten Ausführungsformen ist das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, die Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) zu messen, indem es das System veranlasst, mehrere Messungen der Reaktion der Batterie über eine definierte Dauer vorzunehmen, die mit dem in der Batterie auftretenden physikalischen Phänomen verknüpft ist. In bestimmten Ausführungsformen ist das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, die Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Frequenzregimes zu messen, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
In bestimmten Ausführungsformen enthält die Reaktion der Batterie auf den Stimulus eine an den Anschlüssen der Batterie gemessene Spannung. In einigen Fällen enthält die an den Anschlüssen gemessene Spannung (i) eine Phase in Bezug auf einen angelegten oszillierenden Strom, der den Stimulus darstellt, und (ii) eine Amplitude. In einigen Fällen enthält die an den Anschlüssen gemessene Spannung einen Wert, der während des Zeitregimes gemessen wurde, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
In bestimmten Ausführungsformen enthält das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie. In bestimmten Ausführungsformen enthält das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie. In bestimmten Ausführungsformen enthält das physikalische Phänomen eine chemische oder elektrochemische Reaktion in oder an einer Elektrode der Batterie.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Steuerschaltung des Weiteren dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu Folgendem zu veranlassen: (e) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines zweiten Zeitregimes oder eines zweiten Frequenzregimes, in dem die Reaktion der Batterie ein zweites physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (f) Verwenden der in (e) gemessenen Reaktion der Batterie, um das zweite physikalische Phänomen zu charakterisieren. In solchen Ausführungsformen kann das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert sein, sowohl die Charakterisierung des in (c) bestimmten physikalischen Phänomens als auch die Charakterisierung des in (f) bestimmten zweiten physikalischen Phänomens zu verwenden, um zu bestimmen, wie das System veranlasst werden soll, den Ladeprozess der Batterie in (d) anzupassen. In einem Beispiel enthält das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie, wobei das zweite physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie enthält.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, das physikalische Phänomen in (c) zu charakterisieren, indem es das System veranlasst, eine Ladeimpulsspannung anhand der gemessenen Reaktion der Batterie zu bestimmen, um den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie zu charakterisieren. In bestimmten Ausführungsformen ist das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, das physikalische Phänomen in (c) zu charakterisieren, indem es das System veranlasst, eine Teilrelaxationszeit anhand der gemessenen Reaktion der Batterie zu bestimmen, um den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie zu charakterisieren.
Diese und andere Merkmale der Offenbarung werden im Folgenden unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Figurenliste
Im Verlauf der folgenden Beschreibungen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Diese Zeichnungen zeigen verschiedene Aspekte einiger Implementierungen, und sofern zweckmäßig, sind Bezugszahlen, die gleiche Strukturen, Komponenten, Materialien und/oder Elemente in verschiedenen Figuren veranschaulichen, ähnlich beschriftet. Es versteht sich, dass auch verschiedene Kombinationen der Strukturen, Komponenten und/oder Elemente, die nicht ausdrücklich dargestellt sind, in Betracht gezogen werden und in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen.
Die vorliegende Offenbarung ist weder auf einen einzelnen Aspekt, noch auf eine einzelne Ausführungsform, noch auf Kombinationen und/oder Abwandlungen solcher Aspekte und/oder Ausführungsformen beschränkt. Darüber hinaus kann jeder der Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder ihrer Ausführungsformen allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der anderen Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder ihrer Ausführungsformen verwendet werden. Der Kürze halber werden bestimmte Abwandlungen und Kombinationen hier nicht gesondert besprochen und/oder veranschaulicht.

1 veranschaulicht in Blockdiagrammform ein „Batterieladesystem“ oder ein „Batterieüberwachungssystem“ in Verbindung mit einer Batterie, wobei die Ladeschaltung 112 (die zum Beispiel eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle enthält) auf die Steuerschaltung 116 anspricht, die Batterieinformationen von der Überwachungsschaltung 114 (die zum Beispiel einen Spannungsmesser und/oder einen Strommesser enthält) empfängt.
2 ist eine Veranschaulichung, die drei Reaktionen auf ein Ladepaket zeigt, das einen Ladeimpuls (der Ladung in die Batterie einspeist) und einen Entladeimpuls (der Ladung aus der Batterie abzieht) enthält, wobei eine erste Reaktion (A) ein signifikantes „Überschwingen“ enthält, wodurch der Entladeimpuls zu wenig Ladung aus der Batterie abzieht, eine zweite Reaktion (B) kein signifikantes „Überschwingen“ oder „Unterschwingen“ enthält, wobei der Entladeimpuls eine zweckmäßige Ladungsmenge abzieht, die die schnellste Teilrelaxationszeit der drei Reaktionen bereitstellt, und eine dritte Reaktion (C) ein signifikantes „Unterschwingen“ enthält, wobei der Entladeimpuls zu viel Ladung aus der Batterie abzieht.
3a-3d veranschaulichen Stromwellenformen von Ladesignalen, die zum Laden einer Batterie verwendet werden können.
4a-4g zeigen die Lade- und Entladepakete von Lade- und Entladesignalen.
5a-b zeigen Strom- und Spannungswellenformen, die aus dem Laden einer Batterie unter Verwendung einer Konstantstrom-Konstantspannungs-Technik (Constant-Current Constant-Voltage, CCCV-Technik) und einer angepassten CCCV-Technik, die mehrere konstante Ladeimpulsen enthält, ergeben. Das Anpassen einer CCCV-Technik kann das Modifizieren einer oder mehrerer Charakteristika eines Konstantstromabschnitts des Ladeprozesses umfassen. Ein Beispiel für eine solche Modifizierung ist die Änderung der Größenordnung des angelegten Stroms, was das Ändern der Stromgrößenordnung oder -dauer in einem oder mehreren Schritten enthalten kann, wenn der Konstantstromabschnitt als Stromschritte implementiert wird. Ein weiteres Beispiel kann das Ändern der Kriterien für den Übergang vom Konstantstrom- zum Konstantspannungsabschnitt des Ladeprozesses sein.
5c zeigt ein einfaches Beispiel eines Batteriemodells für das Inbeziehungsetzen von Batterieladeprozessparameterwerten mit Batterieladeprozesscharakteristika oder -klassifizierungen.
6 ist ein Nyquist-Diagramm für die elektrochemische Impedanzspektroskopie, das die Einflüsse verschiedener Batteriephänomene auf die gemessene Impedanz über einen Bereich von Frequenzen zeigt.
7a zeigt einen beispielhaften Prozessfluss zum Implementieren einer in-situ-Frequenzbereichsanalyse einer Batterie.
7b zeigt einen beispielhaften Prozessfluss zum mindestens teilweisen Implementieren einer in-situ-Zeitbereichsanalyse einer Batterie.
7c veranschaulicht die Zeitbereichserfassung elektrochemischer Daten und entsprechender Frequenzbereichsinformationen, wie unter Verwendung des Nyquist-Diagramms veranschaulicht.
8a veranschaulicht eine Ladesequenz mit zwei Ladeimpulsen (die jeweils einen Ladezeitraum (T_charge) enthalten), gefolgt von einem Ruhezeitraum (T_rest), wobei der Zeitraum der Ladesequenz als T_packet identifiziert wird, gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung; wobei eine Anschlussspannungsreaktion der Batterie/Zelle auf eine solche Ladesequenz veranschaulicht ist, wobei eine erste Spannung (V₁) identifiziert wird (die mit dem Beginn des ersten Ladeimpulses und, in dieser Ausführungsform, dem Beginn der Sequenz korreliert), eine zweite Spannung (V₂) identifiziert wird (die mit dem Ende des ersten Ladeimpulses und/oder der Spitze der Änderung der Anschlussspannung aufgrund des ersten Ladeimpulses korreliert), eine dritte Spannung (V₃) identifiziert wird (die mit dem Beginn des zweiten Ladeimpulses korreliert), eine vierte Spannung (V₄) identifiziert wird (die mit dem Ende des zweiten Ladeimpulses und/oder der Spitze der Änderung der Anschlussspannung aufgrund des zweiten Ladeimpulses korreliert), und eine fünfte Spannung (V₅) identifiziert wird (die mit dem Zeitpunkt korreliert, an dem die Anschlussspannung der Batterie/Zelle auf einen zuvor festgelegten Wert abklingt (zum Beispiel weniger als etwa 10 % der Spitzenabweichung relativ zur Anschlussspannung der Batterie/Zelle, wenn die Lade-/Entladesequenz angewendet wird (hier V₁), oder weniger als 5 % einer solchen Spitzenabweichung); wobei die Teilrelaxationszeit (Partial Relaxation Time, PRT) der Batterie/Zelle aufgrund der Ladesequenz die Zeitspanne zwischen (i) der Beendigung/dem Ende des zweiten Ladeimpulses und/oder der Spitze der Änderung der Anschlussspannung aufgrund des zweiten Ladeimpulses und (ii) dem Zeitpunkt, an dem die Anschlussspannung der Batterie/Zelle auf einen zuvor festgelegten Wert abklingt (zum Beispiel weniger als 10 % der Spitzenabweichung oder weniger als 5 % der Spitzenabweichung), sein kann.
8b veranschaulicht eine beispielhafte Ladesequenz mit einem Ladeimpuls (der Ladung in die Batterie/Zelle einspeist) und einem Entladeimpuls (der Ladung aus der Batterie/Zelle abzieht), wobei der Ladeimpuls einen Ladezeitraum (T_charge) enthält und der Entladeimpuls eine Entladezeitraum (T_discharge) enthält, gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung; wobei insbesondere in dieser Ladesequenz ein Zwischenruhezeitraum (T_inter) zwischen dem Lade- und dem Entladeimpuls angeordnet ist, und ein Ruhezeitraum (T_rest) nach dem Entladeimpuls und vor der nächsten Sequenz angeordnet ist; wobei eine beispielhafte Anschlussspannungsreaktion der Batterie/Zelle auf eine solche Ladesequenz veranschaulicht wird, wobei eine erste Spannung (V₁) identifiziert wird (die mit dem Beginn des Ladeimpulses und, in dieser Ausführungsform, dem Beginn der Sequenz korreliert), eine zweite Spannung (V₂) identifiziert wird (die mit dem Ende des Ladeimpulses und/oder der Spitze der Änderung der Anschlussspannung aufgrund des Ladeimpulses korreliert), eine dritte Spannung (V₃) identifiziert wird (die mit dem Ende des Entladeimpulses und/oder der Spitze der Änderung der Anschlussspannung aufgrund des Entladeimpulses korreliert), und eine vierte Spannung (V₄) identifiziert wird (die mit dem Zeitpunkt korreliert, an dem die Anschlussspannung der Batterie/Zelle auf einen zuvor festgelegten Wert abklingt (zum Beispiel bevorzugt weniger als 10 % der Spitzenabweichung relativ zu der Anschlussspannung der Batterie/Zelle, wenn die Lade-/Entladesequenz angewendet wird (hier V₁), und insbesondere weniger als 5 % der Spitzenabweichung); wobei die Relaxationszeit der Batterie/Zelle aufgrund der Ladesequenz dargestellt werden kann als die Zeitspanne zwischen (i) der Beendigung/dem Ende des Entladeimpulses und/oder der Spitze der Änderung der Anschlussspannung aufgrund des Entladeimpulses (siehe V₃ und T₁) und (ii) dem Zeitpunkt, an dem die Anschlussspannung der Batterie/Zelle auf einen zuvor festgelegten Wert abklingt (zum Beispiel bevorzugt weniger als 10 % der Spitzenabweichung und besonders bevorzugt weniger als 5 % der Spitzenabweichung) (siehe V₄ und T₂); wobei insbesondere einige oder alle Charakteristiken der Ladeimpulse (zum Beispiel Impulsamplitude, Impulsbreite/-dauer und Impulsform) über eine Ladeschaltung programmierbar und/oder steuerbar sind, wobei die Amplitude der positiven und/oder negativen Impulse innerhalb der Ladesequenz variieren kann (und programmierbar und/oder steuerbar ist), die Dauer und/oder der Zeitpunkt der Ruhezeiträume innerhalb der Sequenz variieren können (und programmierbar und/oder steuerbar sind), und/oder zusätzlich solche Impulse innerhalb der Sequenz gleichmäßig oder ungleichmäßig beabstandet sein können; wobei sich die Kombination von Ladeimpulsen, Entladeimpulsen und Ruhezeiträumen wiederholen kann und dadurch eine Sequenz gebildet wird, die wiederholt werden kann; wobei alle Kombinationen oder Abwandlungen von Impulsen, Impulscharakteristiken, Zeiträumen, Sequenzen und Signalcharakteristiken und -konfigurationen in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen sollen; wobei darüber hinaus Entladesequenzen ähnliche Charakteristiken wie Ladesequenzen haben können, jedoch mit der Ausnahme, dass eine Nettoladung aus der Batterie/Zelle abgezogen wird; und der Kürze halber wird die Besprechung/Veranschaulichung in Bezug auf die Entladesequenz nicht wiederholt. Alle diese möglichen Kombinationen können als Teil eines adaptiven Ladeprozesses angewendet werden.
8c veranschaulicht eine Ladesequenz wie die von 8b, wobei die Sequenz einen Ladeimpuls (der Ladung in die Batterie/Zelle einspeist) und einen Entladeimpuls (der Ladung aus der Batterie/Zelle abzieht) enthält, wobei der Ladeimpuls einen Ladezeitraum (T_charge) enthält und der Entladeimpuls eine Entladezeitraum (T_discharge) enthält, gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung; wobei in dieser Veranschaulichung auch eine Teilrelaxationszeit, die dem Ladeimpuls der Sequenz entspricht (siehe Relaxationszeit) gezeigt ist, wobei ein Maß für die mit dem Ladeimpuls verknüpfte Relaxationszeit gleich der Differenz zwischen T_A (die mit V₂ übereinstimmt) und T_B (die mit V_4' übereinstimmt) ist. Ein anderes Maß für die Relaxationszeit ist die Zeit zwischen dem Ende des Entladeimpulses oder der Entladeflanke und dem Punkt, an dem der Spannungswert auf den zuvor festgelegten Wert (zum Beispiel T_B-T₁) abgeklungen ist. Ungeachtet der Art und Weise ihrer Messung kann die Relaxationszeit der Batterie/Zelle in Reaktion auf die Ladesequenz, die einen Ladeimpuls und einen Entladeimpuls aufweist, kürzer sein als die Relaxationszeit der Batterie/Zelle in Reaktion auf die Ladesequenz, die keinen Entladeimpuls aufweist (vergleiche T_B-T₁ in 8c und T₂-T₁ in 8a), und somit kann unter bestimmten Umständen die Gesamtladezeit einer Ladesequenz, die einen Ladeimpuls und einen Entladeimpuls aufweist, kürzer sein als die Ladezeit einer Ladesequenz, die keine Entladeimpulse aufweist, um die Relaxationszeit zu verkürzen oder zu reduzieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Einleitung
In bestimmten Ausführungsformen werden Batterien und zugehörige Ladebedingungen oder andere Betriebsbedingungen durch ein Berechnungsmodell evaluiert, das die Batterie und die zugehörigen Bedingungen klassifiziert oder charakterisiert. Ein solches Batteriemodell kann Batterien gemäß beliebigen von vielen verschiedenen Gesichtspunkten klassifizieren, wie zum Beispiel, ob die Bedingungen sicher oder unsicher sind oder ob die Bedingungen wahrscheinlich die zukünftige Leistung die Batterie unnötig verschlechtern werden. In einigen Fällen wird das Batteriemodell ausgeführt, während die Batterie in einer elektronischen Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Smartphone oder einem Fahrzeug, installiert ist. In einigen Fällen wird das Batteriemodell ausgeführt und stellt Ergebnisse (zum Beispiel eine Klassifizierung der Batterie) in Echtzeit bereit, während die Batterie installiert ist und geladen wird. In bestimmten Ausführungsformen ist das Batteriemodell auf eine einzelne Batterie oder eine Gruppe von Batterien, die ähnliche Merkmale aufweisen, anwendbar, wie zum Beispiel die gleiche chemische Zusammensetzung der Batterie, derselbe Hersteller, dieselbe Charge usw. In bestimmten Ausführungsformen ist das Batteriemodell ein Maschinenlernmodell, das sich auf der Grundlage von Informationen von anderen Batterien anpassen oder auf der Grundlage von Informationen von anderen Batterien lernen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen werden aus Batterien erhaltene Daten in einer oder mehreren Zeitbereichen betrachtet, die für physikalische Phänomene charakteristisch sind, wie zum Beispiel Diffusion von Ionen in einem Batterieelektrolyten, Diffusion von Ionen in einer Elektrodenmatrix (zum Beispiel Kohlenstoff in der negativen Elektrode einer Lithiumionen-Batterie) und elektrochemische Reaktionen an der Grenzfläche des Elektrolyten und einer Batterieelektrode. Zu diesem Zweck kann eine Batterie auf eine Weise sondiert werden, die es einem Batterieüberwachungs- und/oder -ladesystem erlaubt, Daten zu erhalten, die mindestens zwei oder drei dieser verschiedenen Batteriephänomene charakterisieren. In einigen Fällen wird die Reaktion der Batterie auf einen Stimulus im Frequenzbereich analysiert. In einigen solchen Fällen wird die Batterie bei verschiedenen angelegten Strom- oder Spannungsfrequenzen sondiert. In einigen Fällen werden Batteriedaten zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Anlegen eines Stimulus (zum Beispiel eines Stromimpulses/einer Flanke) erfasst. In einem Beispiel sind oder enthalten die Batteriedaten die Ladeimpulsspannung (Charge Pulse Voltage, CPV) einer Batterie, die Informationen bereitstellen kann, die etwas über die Diffusion in dem festen Elektrodenmaterial der Batterie aussagen. In einem anderen Beispiel können die Batteriedaten die Teilrelaxationszeit einer Batterie sein, was Informationen über den Transport in dem Elektrolyten liefert. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Batterie während des Ladens der Batterie überwacht, und es werden gleichzeitig Daten erfasst. In einigen Fällen werden das Laden, das Stimulieren und das Überwachen durch die Verwendung eines gepulsten Ladestroms erreicht. Die zeit- oder frequenzbasierten Informationen können als eine Eingabe in Batteriemodelle der hier beschriebenen Typen bereitgestellt werden.
Systeme und Vorrichtungen können dafür ausgelegt und/oder konfiguriert sein, eine Analyse der physikalischen Phänomene von Batterien durchführen und Batterien auf der Grundlage von Phänomenen zu charakterisieren, die in einer der oben genannten Zeit- und/oder Frequenzbereichen auftreten. Diese Systeme können zusätzlich für das Laden und/oder Überwachen einer wiederaufladbaren Batterie zuständig sein. Zu diesem Zweck können solche Systeme Batteriemodelle der hier beschriebenen Typen verwenden.
Terminologie
Der Begriff „Batterie“ im Sinne des vorliegenden Textes meint eine oder mehrere galvanische Zellen (von denen jede Energie auf elektrochemischem Weg speichert). Eine Batterie kann eine einzelne Zelle und/oder mehrere Zellen sein, die elektrisch in einer Reihen- und/oder Parallelkonfiguration angeordnet sind. Obgleich einige Literaturquellen eine Batterie in dem Sinne beschrieben, dass sie zwei oder mehr Zellen enthält, ist der Begriff „Batterie“ in dieser Offenbarung nicht darauf beschränkt. In einigen Implementierungen ist eine Batterie eine einzelne Zelle oder mehrere Zellen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, um eine gewünschte Nennspannung oder Nennstromstärke bereitzustellen. Die im vorliegenden Text in Betracht gezogenen Batterien sind in der Regel wiederaufladbar (Sekundärbatterien).
Eine Batterie enthält allgemein eine Anode, eine Katode und einen Elektrolyten oder Separator. In manchen Situationen wird bei galvanischen elektrochemischen Systemen wie zum Beispiel Batterien die Anode als die negative Elektrode bezeichnet, und die Katode wird als die positive Elektrode bezeichnet. Im Betrieb einer Batterie leitet ein Elektrolyt Ionen, aber keine Elektronen. Während des Entladens wird die negative Elektrode oxidiert und gibt Elektronen an einen externen Stromkreis ab, während die positive Elektrode reduziert wird und Elektronen von einem externen Stromkreis aufnimmt. Während des Ladens werden die Prozesse umgekehrt. In einigen Fällen ist die negative Elektrode eine Interkalationsanode, die eine Interkalationsmatrix oder ein Interkalationssubstrat wie zum Beispiel Kohlenstoff, Zinn und/oder Silizium enthält, die bzw. das dafür konfiguriert ist, während des Ladens Ionen einzulagern oder zu interkalieren. Diese Ionen sind in der Regel Alkalimetall-Ionen (zum Beispiel Lithium- oder Natrium-Ionen) oder Erdalkalimetall-Ionen. In den Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung können auch andere Arten chemischer Zusammensetzung von Batterien oder Materialien verwendet werden.
Eine „elektronische Vorrichtung“ im Sinne des vorliegenden Textes meint eine Vorrichtung, die eine beliebige Anzahl von Aufgaben oder Funktionen elektrisch ausführt und die mit einer Batterie betrieben werden kann. Die Vorrichtung kann die hier beschriebene Batterie, das hier beschriebene Batterieladesystem oder die hier beschriebene Steuerungslogik physisch enthalten (zum Beispiel umschließen oder damit versehen sein), muss es aber nicht. Elektronische Vorrichtungen können portabel oder fest installiert sein. Beispiele für elektronische Vorrichtungen sind Mobiltelefone, Digitalkameras, Laptops, portable Lautsprecher, batteriebetriebene Fahrzeuge, Systeme zum Speichern von Solar- und anderer generierter elektrischer Energie, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und Elektrowerkzeuge.
„Batterieparameter“ meinen Parameter einer - oder im Zusammenhang mit einer - Batterie und ihrer Verwendung. Die Werte von Batterieparametern werden häufig durch die Batteriesteuerungslogik erhalten und/oder verwendet, wie zum Beispiel Logik, die in einem Batterieladegerät verwendet wird. Beispiele für Arten von Batterieparametern sind Ladeimpulsspannung, Teilrelaxationszeit, Betriebszeit der Batterie (zum Beispiel ab dem Zeitpunkt, an dem sie in die Vorrichtung, die sie versorgt, eingebaut wurde, oder ab dem Zeitpunkt, an dem sie zum ersten Mal verwendet wurde) sowie volle Ladekapazität und prognostizierte Kapazität (in der Regel für eine bestimmte Anzahl von Zyklen). Andere Batterieparameter können physikalische Eigenschaften der Batterie widerspiegeln, wie zum Beispiel den Materialtransport in einer Elektrode oder einem Elektrolyten (zum Beispiel Diffusionskoeffizienten), Reaktionen oder Prozesse innerhalb oder an der Grenzfläche einer Elektrode (zum Beispiel Ratenkonstanten und Doppelschichtkapazität) usw. Die Werte jedes dieser Parameter können in Abhängigkeit vom Ladezustand während des Ladeabschnitts eines einzelnen Batteriezyklus oder der Betriebstemperatur variieren. Die Parameterwerte können auch von Zyklus zu Zyklus über die Lebensdauer der Batterie hinweg variieren.
„Batterietyp“ unterscheidet Klassen oder Gruppen von Batterien voneinander. Zu den Faktoren, die einen Batterietyp identifizieren, gehören (i) die chemische Zusammensetzung der Batterie (zum Beispiel Lithiumionen-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien), (ii) das Batterieformat (zum Beispiel zylindrisch im Vergleich zu prismatisch oder Pouch) und die Größe (zum Beispiel 18650 im Vergleich zu AA), (iii) die Identität des Herstellers (zum Beispiel Samsung SDI im Vergleich zu Panasonic), (iv) der Herstellungsprozess, und (v) die Implementierung der Prozesse beim Hersteller (zum Beispiel Charge, Werk und/oder Standort). Ein Beispiel für einen Batterietyp ist eine wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie vom Format 18650, die durch einen bestimmten Hersteller (zum Beispiel Samsung SDI, LG Chemical, Murata Energy usw. ) in einer bestimmten Charge unter Verwendung eines bestimmten Prozesses des Herstellers hergestellt wurde. Beliebige ein oder mehrere der oben genannten Faktoren können zum Definieren eines Batterietyps verwendet werden. Des Weiteren können die Faktoren spezifisch definiert werden. Zum Beispiel können Lithiumionen-Batterien in Typen von negativen Elektroden wie zum Beispiel Graphit, Silizium und Zinn oder Zinnoxid unterteilt werden.
Unter einem „Ladungsprozess“ oder „Ladeprozess“ ist ein Prozess zu verstehen, bei dem eine Batterie von einem Zustand geringerer Ladung in einen Zustand höherer Ladung geladen wird. Während eines Ladeprozesses erhöht sich der Ladezustand (State of Charge) der Batterie. Ein Ladeprozess kann unter der Kontrolle einer Ladeschaltung ausgeführt werden, die Teil des Batterieladesystems oder der Batteriesteuerungslogik sein kann. In bestimmten Ausführungsformen nimmt die Ladeschaltung eine Anpassung, Justierung und/oder Steuerung der Amplitude, der Impulsbreite, des Tastverhältnisses oder eines anderen Parameters von Lade- oder Entladestromimpulsen vor, und/oder sie justiert und/oder steuert die Bedingungen eines Konstantspannungsabschnitts des Ladeprozesses. Sie kann jede derartige Funktion ausführen, um ein Merkmal der Batterie zu steuern oder zu justieren, wie zum Beispiel die Gesamtladerate der Batterie, die Zykluslebensdauer der Batterie usw. Sie kann diese Funktionen ausführen, um eine spezifischere Charakteristik die Batterie zu steuern oder zu justieren, wie zum Beispiel die Relaxationszeit der Batterie, Charakteristiken des Abklingens der Anschlussspannung (zum Beispiel die Abklingrate oder die Form der Abklingkurve), die Neigung zum Plattieren von metallischem Lithium usw. Zum Beispiel kann, wie in 2 gezeigt, die Ladeschaltung die Amplitude und Impulsbreite des Entladeimpulses anpassen, justieren und/oder steuern, um das „Überschwingen“ oder „Unterschwingen“ des Abklingens der Anschlussspannung der Batterie zu reduzieren oder zu minimieren.
Ein „Ladezyklus“ ist der Prozess des Ladens einer wiederaufladbaren Batterie und ihres Entladens mit einer bestimmten Last. Ein Ladezyklus kann das Laden und Entladen einer Ladungsmenge enthalten, die der Kapazität der Batterie entspricht oder nahezu entspricht, aber nicht unbedingt eine vollständige Ladung und eine vollständige Entladung. Zum Beispiel kann die Verwendung der halben Ladung einer vollständig geladenen Batterie, ihr Wiederaufladen und die erneute Verwendung der gleichen Ladungsmenge und ihr anschließendes Wiederaufladen als ein einzelner Ladezyklus zählen. Die Anzahl der Ladezyklen bis zum Versagen einer Batterie gibt an, wie oft eine wiederaufladbare Batterie den Prozess des vollständigen Ladens und Entladens durchlaufen kann, bis sie bestimmte Kriterien nicht mehr erfüllt. Die Anzahl der Ladezyklen kann zur Angabe der erwarteten Lebensdauer einer Batterie verwendet werden, was die Lebensdauer der Batterie stärker beeinflussen kann als das bloße Verstreichen von Zeit.
Ein „Ladesignal“ meint den elektrischen Strom (zum Beispiel die Stromwellenform), der durch die Anschlüsse einer Batterie fließt, weil eine Schaltung dafür konfiguriert ist, Ladung (ein Ladesignal) zuzuführen oder Ladung aus einer Batterie zu abzuziehen (ein Entladesignal). In verschiedenen Ausführungsformen werden im Rahmen eines Ladeprozesses ein oder mehrere Ladesignale an eine Batterie angelegt, um sie aufzuladen. Eine Lade- oder Wiederaufladesequenz, eine Lade- oder Wiederaufladeoperation, ein Lade- oder Wiederaufladeprozess oder ein Lade- oder Wiederaufladezyklus kann ein oder mehrere Ladesignale enthalten, die insgesamt Ladung in die Batterie einspeisen oder anlegen, und kann optional ein oder mehrere Entladesignale (zum Beispiel Entladesignale) enthalten, die insgesamt Ladung aus der Batterie abzuziehen. Ein Ladesignal kann mehrere Ladepakete und/oder Entladepakete enthalten. Jedes Ladepaket kann einen Abschnitt einer Ladesequenz darstellen und einen oder mehrere Ladeimpulse, Entladeimpulse und Ruhezeiträume enthalten. Stromschwankungen wie zum Beispiel Flanken und Impulse können als unabhängige Merkmale, außerhalb des Konzepts eines Ladepakets, bereitgestellt werden. Unabhängig davon, ob sie Teil eines Ladepaketes sind, können Impulse eines Ladesignals jede beliebige Form haben (zum Beispiel rechteckig, dreieckig, sinusförmig oder quadratisch). In einigen Fällen hat ein Ladeimpuls eine zeitliche Dauer von etwa 1 ms bis etwa 5.000 ms.
„Batteriesteuerungslogik“ meint die Steuerungsalgorithmen und/oder -regeln, die verwendet werden, um (i) Ladeparameter (zum Beispiel die Amplitude, Breite und Frequenz von Lade- und Entladeimpulsen) in dem Ladeprozess zu bestimmen, und/oder (ii) Informationen über die Gesundheit („health“) einer Batterie, die erwartete Lebensdauer, Defekte, ihre physikalischen und/oder Materialeigenschaften usw. zu gewinnen. In einigen Ausführungsformen werden die Algorithmen oder Regeln so gewählt, dass die Zykluslebensdauer und/oder die Ladegeschwindigkeit einer Batterie verbessert oder ausbalanciert werden. In einigen Fällen kann die Batteriesteuerungslogik den Ladezustand (State of Charge, SOC), den Gesundheitszustand (State of Health, SOH), die Teilrelaxationszeit, das Überpotenzial oder das Auftreten von Metallplattierung einer Batterie bestimmen oder zu schätzen. In einigen Fällen kann die Batteriesteuerungslogik Informationen über den Gesundheitszustand (SOH) und/oder Batterierückmeldungsmessungen verwenden, die den Ladezustand (SOC), die Temperatur, die Spannung, den Strom und die Form der Spannungsreaktion aufgrund von Lade- und Entladezyklen enthalten können. In einigen Fällen verwendet die Batteriesteuerungslogik ein Batteriemodell, um eine Batterie zu klassifizieren, und/oder die Batterie zu klassifizieren, wenn sie einem definierten Satz von Ladebedingungen (zum Beispiel Batterieladeprozessparameterwerten) ausgesetzt sind. In bestimmten Ausführungsformen ist die Batteriesteuerungslogik als ausführbare Instruktionen oder ausführbarer Code implementiert, die in Hardware (zum Beispiel in einer von verschiedenen Formen von Speicher), Firmware oder Software gespeichert sind. Man kann auch annehmen, dass die Batteriesteuerungslogik einen oder mehrere Prozessoren enthält, die für die Ausführung der Instruktionen oder des Codes konfiguriert oder ausgelegt sind, insbesondere, wenn solche Prozessoren direkt mit dem Speicher oder einem anderen Datenlager verbunden sind, der bzw. das die Instruktionen oder den Code bereitstellt. Sofern nicht anders angegeben, sind die Begriffe „Batteriesteuerschaltung“ und „Steuerschaltung“ gleichbedeutend mit „Batteriesteuerungslogik“. In bestimmten Ausführungsformen ist die Batteriesteuerungslogik Teil eines Batterieladesystems.
Ein „Batterieüberwachungssystem“, das Teil eines Batterieladesystems sein kann, wird verwendet, um eine Batterie zu überwachen und gemessene Frequenz- oder Zeitbereichs-Batteriedaten zu verwenden, die von der Batterie erhalten werden (und/oder Bedingungen charakterisieren, unter denen die Batterie geladen oder anderweitig betrieben wird). In verschiedenen Ausführungsformen übermittelt das Überwachungssystem Informationen an die Batteriesteuerungslogik, um eine Batterie zu charakterisieren und/oder zweckmäßige Ladebedingungen zu bestimmen. 1 zeigt in Blockform ein beispielhaftes Batterieladesystem, das eine Ladeschaltung 112 enthält, die auf eine Steuerschaltung 116 (zum Beispiel eine Batteriesteuerungslogik) anspricht, die Batterieinformationen von der Überwachungsschaltung 114 empfängt. 1 wird im Folgenden näher beschrieben.
„Kapazität“ oder „Nennkapazität“ meint die Gesamtladung (die in Amperestunden oder Coulomb gemessen werden kann), die zur Verfügung steht, wenn die Batterie mit einem bestimmten Entladestrom (der als eine C-Rate angegeben werden kann) von einem vollständig geladenen Zustand (zum Beispiel 100 Prozent Ladezustand) bis zu einer definierten Grenzspannung entladen wird. Die Kapazität einer Batterie kann sich über mehrere Ladezyklen hinweg ändern. Bei herkömmlichen Batterien ist es üblich, dass die Kapazität der Batterie über mehrere Zyklen hinweg abnimmt oder „schwindet“.
Der Begriff „Kapazitätsschwund“ meint die Verringerung der Batteriekapazität im Lauf der Zeit oder über mehrere Ladezyklen hinweg. Die Kapazität einer Batterie bei einem gegebenen Zyklus kann auf der maximalen Batteriekapazität bei diesem Zyklus oder einem anderen Referenzwert der Batteriekapazität basieren (zum Beispiel 85 % der anfänglichen maximalen Kapazität, Kapazität bei einer spezifischen Anschlussspannung, usw.).
„Anschlussspannung‟ ist die Spannung zwischen den Batteriepolen. Die Anschlussspannung kann mit dem Ladezustand und/oder der Größenordnung des Entlade- oder Ladestroms variieren. Die Anschlussspannung kann mit oder ohne Stromfluss durch eine Last gemessen werden. In letzterem Fall ist die Anschlussspannung eine Leerlaufspannung.
Eine „Leerlaufspannung“ (Open Circuit Voltage, OCV) ist die Anschlussspannung einer Batterie, wenn kein Strom fließt. Sie ist eine Eigenschaft der Zelle unter einem bestimmten Satz von Bedingungen. Eine „Arbeitsspannung“ (Closed Circuit Voltage, CCV) ist die Batterieanschlussspannung bei vorhandenem Stromfluss (zum Beispiel während des Ladens der Batterie). Die CCV wird von der OCV beeinflusst, hängt aber auch vom Betrieb der Batterie ab. Während des Ladens mit konstantem Strom kann eine CCV zum Beispiel als die Summe aus OCV und dem Ladestrom, multipliziert mit dem Widerstand der Batterie, berechnet werden. Während des Ladens mit konstanter Spannung ist die CCV gleich der angelegten Spannung.
„Ladezustand“ (State of Charge, SOC) kann sich auf die momentan in einer Batterie gespeicherte Ladungsmenge als ein Prozentsatz der maximalen Kapazität beziehen. Der SOC wird verwendet, um zu charakterisieren, wie weit eine Batterie im Gebrauch zwischen einem vollständig geladenen Zustand und einem entladenen Zustand fortgeschritten ist. In einigen Fällen wird der Ladezustand unter Verwendung der Stromintegration berechnet, um die momentane Ladungsmenge in einer Batterie zu bestimmen.
Der „Gesundheitszustand“ (State of Health, SOH) einer Batterie ist ein Parameter, der das „Alter“ oder die „Gesundheit“ der Batterie und/oder die Fähigkeit der Batterie, eine Ladung zu speichern, zum Beispiel in Bezug auf einen bestimmten Zeitpunkt im Betrieb der Batterie (zum Beispiel den Anfangszeitpunkt des Betriebes) charakterisiert. Der SOH einer Batterie kann Informationen bereitstellen, um andere Batterieparameterwie zum Beispiel die Fähigkeit einer Batterie, eine Ladung zu speichern - zu schätzen, zu berechnen, zu messen und/oder zu bestimmen. Die Spannung an den Anschlüssen der Batterie bei einem gegebenen SOC ändert sich in dem Maße, wie sich der SOH ändert, und daher verschiebt sich die Spannungskurve (Spannung im Vergleich zum Ladezustand) der Batterie in dem Maße, wie sie altert und sich ihr SOH verschlechtert. Der Gesundheitszustandsparameter wird im US-Patent Nr. 9.121.910 , erteilt am 1. September 2015, das hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird, näher beschrieben.
Eine „Ladeimpulsspannung“ (Charge Pulse Voltage, CPV) ist eine Spannungsmessung, die charakterisiert werden kann als (i) eine an den Anschlüssen der Batterie/Zelle gemessene Spitzenspannung, die durch die Batterie in Reaktion auf eine Stromänderung (zum Beispiel eine Flanke oder einen Impuls) generiert wird, auf die die Batteriespannung anspricht, und/oder (ii) eine wesentliche Spitzenspannung (zum Beispiel innerhalb von 5-10 % der Spitzenspannung), die an den Anschlüssen der Batterie/Zelle gemessen wird und durch die Batterie in Reaktion auf einen Ladeimpuls generiert wird. In einigen Fällen wird eine CPV-Messung durch einen adaptiven Ladeprozess verwendet. In einigen Fällen wird eine CPV-Messung vorgenommen, um einen Batterieparameter, wie zum Beispiel SOC oder SOH, zu bestimmen.
Ein „Batteriemodell“ oder einfach ein „Modell“ ist ein mathematisches Konstrukt, eine Software und/oder eine sonstige Logik, die eine Batterie oder einen bestimmten Satz von Ladeprozessparametern klassifizieren kann, die auf der Batterie angewendet werden oder sie charakterisieren. Beispiele für solche Parameter sind der Ladezustand, die Temperatur, die Ladespannung, die Leerlaufspannung, der Ladestrom, die Eigenschaften und der Zustand der internen Materialien einer Batterie, das Design der Batterie usw. Das Modell nimmt als Eingaben Informationen über die Batterie selbst und/oder die Ladeprozessparameter und gibt eine oder mehrere Ladeprozesscharakteristiken der Batterie aus. Die Ladecharakteristiken können eine Schlussfolgerung über die Zweckmäßigkeit der Ladeprozessparameter (zum Beispiel sichere, potenziell unsichere oder unsichere Ladebedingungen) und/oder eine Vorhersage über die Ergebnisse oder Auswirkungen der Ladeprozessparameter auf der Batterie darstellen; zum Beispiel die Auswirkungen, wenn die Batterie dem eingegebenen Satz von Ladeprozessparametern ausgesetzt wird.
Ein Modell braucht nur auf eine bestimmte einzelne Batterie anwendbar zu sein, oder kann auf mehrere Batterien desselben Batterietyps oder innerhalb einer Gruppe verwandter Batterietypen anwendbar sein. In einigen Fällen berücksichtigt ein Modell den Gesundheitszustand einer Batterie. Wenn zum Beispiel ein irreversibler Schaden an der Batteriezelle aufgetreten ist, so kann ein Modell den Gesundheitszustand der Batterie widerspiegeln. Allgemeiner ausgedrückt, kann sich das Modell auf der Grundlage von Informationen und/oder Daten, die es aus der Anwendung auf eine oder mehrere Batterien erhält, weiterentwickeln oder lernen. Einige Änderungen des Modells können aus Änderungen in einer Batterie selbst resultieren, zum Beispiel Änderungen ihrer Gesundheit oder ihrer Materialeigenschaften, wie schon erwähnt. Andere Änderungen des Modells können aus der Beobachtung und Einbeziehung verschiedener Situationen resultieren, die während des Ladens einer Batterie auftreten. Ein solches Beobachten und Lernen kann als Maschinenlernen oder Deep Learning implementiert werden.
Ein Modell kann beliebige von verschiedenen Formen annehmen. In einem Beispiel nimmt das Modell die Form einer Nachschlagetabelle an. In einem anderen Beispiel nimmt das Modell die Form eines oder mehrerer Ausdrücke, Matrizen usw. an, wie zum Beispiel Regressionsbeziehungen, neuronale Netze, Entscheidungsbäume und dergleichen.
„Messen“, „Sammeln“ oder „Erfassen“ eines Parameters im Sinne des vorliegenden Textes ist eine Möglichkeit, einen Wert des Parameters zu erhalten. Zum Beispiel kann das Messen der Spannung einer Batterie bedeuten, ein Instrument, wie zum Beispiel einen Spannungsmesser, zu verwenden, um die Spannung zwischen den Anschlüssen der Batterie direkt zu messen. In einigen Kontexten bedeutet es, Parameterwerte zu erhalten, die sich auf Rohmessungen der Batterie beziehen, und/oder andere Informationen über der Batterie (zum Beispiel Teilrelaxation, Aufquellen der Batterie usw.) abzuleiten. Zu den Rohmessungen einer Batterie können Strom (angelegt oder generiert), entgegengenommene oder durchgelassene Ladung, Spannung und Temperatur gehören.
Zahlenbereiche enthalten die Zahlen, die den Bereich definieren. Es ist beabsichtigt, dass jede maximale Zahlenbegrenzung, die in dieser Spezifikation angegeben ist, jede niedrigere Zahlenbegrenzung so enthält, als ob diese niedrigeren Zahlenbegrenzungen hier ausdrücklich angegeben wären. Jede kleinste Zahlenbegrenzung, die in dieser Spezifikation angegeben ist, enthält jede höhere Zahlenbegrenzung so, als ob diese höheren Zahlenbegrenzungen hier ausdrücklich angegeben wären. Jeder Zahlenbereich, der in dieser Spezifikation angegeben ist, enthält jeden engeren Zahlenbereich, der in diesen breiteren Zahlenbereich fällt, so, als ob diese engeren Zahlenbereiche alle hier ausdrücklich angegeben wären.
Die hier angegebenen Überschriften sind nicht als Einschränkung der Offenbarung gedacht.
Sofern im vorliegenden Text nicht anders definiert, haben alle im vorliegenden Text enthaltenen technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie gemeinhin vom Durchschnittsfachmann verstanden wird. Verschiedene wissenschaftliche Wörterbücher, die die im vorliegenden Text enthaltenen Begriffe enthalten, sind allgemein bekannt und dem Fachmann verfügbar. Obgleich beliebige Verfahren und Materialien, die den im vorliegenden Text beschriebenen ähnlich oder gleichwertig sind, bei der Praktizierung oder bei Tests der im vorliegenden Text offenbarten Implementierungen Verwendung finden, werden nur einige Verfahren und Materialien beschrieben.
Im Sinne des vorliegenden Textes enthalten die Einzahlformen „ein/einer/eine“ und „der/die/das“ auch die Mehrzahlformen sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes verlangt.
Der im vorliegenden Text verwendete logische Verbinder „oder“ ist im Sinne des vorliegenden Textes inkludierend, sofern nichts anderes angegeben ist. Insofern wird die Bedingung „A oder B“ auch durch „A und B“ erfüllt, sofern nichts anderes angegeben ist.
Adaptives Laden
Adaptives Laden meint im Sinne des vorliegenden Textes Ladeprozesse, die Rückmeldungen in Bezug auf den Batteriezustand, Umgebungsbedingungen, Benutzerverhalten, Benutzerpräferenzen, Batteriediagnoseinformationen, physikalische Eigenschaften der Batterie und dergleichen nutzen. Unter Verwendung adaptiver Ladetechniken können eine oder mehrere Charakteristiken eines Ladesignals während des Ladens einer Batterie kontinuierlich oder periodisch justiert oder gesteuert werden. Eine solches Justieren oder Steuern kann ausgeführt werden, um Batterieparameterwerte innerhalb eines ausgewählten Bereichs zu halten. Allgemein wird das adaptive Laden verwendet, um die Zykluslebensdauer der Batterie zu optimieren, ihre Ladegeschwindigkeit zu optimieren, ihr Aufquellen zu minimieren und/oder ihren Betrieb innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Zum Beispiel kann der adaptive Ladeprozess einen Batterieladeprozess in einem Betriebsregime halten, in dem allenfalls eine minimale Degradation der Batterie, wie zum Beispiel durch Metallplattierung (zum Beispiel metallische Lithiumplattierung), auftritt oder wahrscheinlich auftreten wird. Es können verschiedene Arten von Batterieparameterwerten erfasst und für das adaptive Laden verwendet werden. Einige dieser Parameterwerte werden durch Messen von Parametern erhalten, die direkt mit der Batterie, dem Ladesystem und/oder der durch die Batterie versorgten Vorrichtung verknüpft sind. Zum Beispiel können die Parameterwerte aus Messungen der Batterieanschlussspannung, der Batterietemperatur, der Batteriegröße und dergleichen erhalten werden. In einigen Fällen nutzt das adaptive Laden auch Parameter, die nicht direkt mit einer Batterie verknüpft sind. Beispiele dafür sind Benutzerinformationen und Umgebungsinformationen. Beispiele für indirekt erhaltene Batterieparameter, die für das adaptive Laden verwendet werden können, sind die Ladeimpulsspannung, die Teilrelaxationszeit, der Ladezustand, und der Gesundheitszustand der Batterie. In einigen Fällen können die Bereiche akzeptabler Werte jedes dieser Parameter in Abhängigkeit vom Ladezustand während des Ladeabschnitts eines Batteriezyklus variieren. Die Parameterwerte können auch von Zyklus zu Zyklus über die Lebensdauer der Batterie hinweg variieren. In einigen Fällen kann das adaptive Laden auch die momentanen Ladeparameter verwenden, wie zum Beispiel den Strom oder die Spannung, der bzw. die durch die Ladeschaltung an eine Batterie angelegt wird.
Verschiedene adaptive Ladetechniken sind in Anmeldungen beschrieben, die der Qnovo Inc. aus Newark, Kalifornien, erteilt wurden. Beispiele für solche Patente sind das US-Patent Nr. 8,638,070 mit dem Titel „METHOD AND CIRCUITRY TO ADAPTIVELY CHARGE A BATTERY/CELL“, erteilt am 28. Januar 2014; US-Patent Nr. 8,791,669 mit dem Titel „METHOD AND CIRCUITRY TO ADAPTIVELY CHARGE A BATTERY/CELL‟, erteilt am 24. Juli 2014; US-Patent Nr. 9,121,910 mit dem Titel „METHOD AND CIRCUITRY TO ADAPTIVELY CHARGE A BATTERY/CELL USING THE STATE OF HEALTH THEREOF“, erteilt am 1. September 2015; US-Patent Nr. 9,142,994 mit dem Titel „METHOD AND CIRCUITRY TO ADAPTIVELY CHARGE A BATTERY/CELL‟, erteilt am 22. September 2015; US-Patent Nr. 9,035,623 mit dem Titel „MONITOR AND CONTROL CIRCUITRY FOR CHARGING A BATTERY/CELL, AND METHODS OF OPERATING SAME‟, erteilt am 19. Mai 2015; und US-Patent Nr. 8,907,631 mit dem Titel „ADAPTIVE CHARGING TECHNIQUE AND CIRCUITRY FOR A BATTERY/CELL USING MULTIPLE CHARGING CIRCUITS AND TEMPERATURE DATA‟, das am 9. Dezember 2014 erteilt wurde. Jedes dieser Patente wird hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen.
In einigen Ausführungsformen gehören zu den Batterieparametern, die beim adaptiven Laden verwendet werden, physikalische Charakteristiken der Batterie, die die Reaktion einer Batterie in bestimmten Frequenz- oder Zeitbereichen widerspiegeln, wie zum Beispiel solche, die mit der Metallionendiffusion in dem Elektrolyten oder der Elektrode (Anode oder Katode) der Batterie und/oder den Reaktionsraten an der Anode oder Katode der Batterie zu tun haben. Solche Charakteristiken können mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie oder verwandter Techniken abgeleitet werden.
Zur Veranschaulichung eines Beispiels für adaptives Laden zeigt 2, wie ein Ladeprozess das „Überschwingen“ oder „Unterschwingen“ des Abklingens der Anschlussspannung der Batterie durch Justieren der Amplitude und der Impulsbreite eines Entladeimpulses reduzieren oder minimieren kann. Wenn ein Ladeprozess ein „Überschwingen“ des Abklingens der Anschlussspannung der Batterie relativ zum partiellen Gleichgewicht (siehe Entladeimpuls A) bewirkt, so kann die Ladeschaltung die Charakteristiken des Entladeimpulses justieren, indem sie zum Beispiel die Menge der durch den Entladeimpuls abgezogenen Ladung erhöht. Durch Erhöhen der Amplitude und/oder der Impulsbreite des Entladeimpulses kann zum Beispiel das Überschwingen korrigiert werden. Wenn ein Ladeprozess zu einem „Unterschwingen“ des Abklingens der Anschlussspannung der Batterie relativ zum partiellen Gleichgewicht führt (siehe Entladeimpuls C), so kann die Ladeschaltung die Menge der durch den Entladeimpuls abgezogenen Ladung verringern (zum Beispiel durch Verringern der Amplitude und/oder der Impulsbreite des Entladeimpulses). Insofern kann die Steuerschaltung die Charakteristiken eines oder mehrerer anschließender Entladeimpulse (zum Beispiel die Amplitude, die Impulsbreite und/oder die Impulsform) justieren, um die Rate, die Form und/oder die Charakteristiken des Abklingens der Anschlussspannung der Batterie zu steuern oder anzupassen. Zu weiteren Beispielen für das Modifizieren des Ladeprozesses, um ein adaptives Laden zu bewerkstelligen, gehört das Modifizieren der Rate oder Menge der Ladung, die während des Ladens in der Batterie eingespeist wird. Allgemein ändert der Ladeprozess in einer Klasse von adaptiven Ladetechniken die Amplitude und/oder die Dauer eines oder mehrerer Entladeimpulse, um eine gewünschte Reaktion in der Teilrelaxationszeit zu stimulieren. Beispiele für justierbare Parameter von Entladeimpulsen sind in den 8b und 8c veranschaulicht.
3a-3d veranschaulichen beispielhafte Wellenformen von Ladesignalen. Eine Lade- oder Wiederaufladesequenz, eine Lade- oder Wiederaufladeoperation oder ein Lade- oder Wiederaufladezyklus kann Ladesignale (die insgesamt Ladung in die Batterie einspeisen oder anlegen) und Entladesignale (die insgesamt Ladung aus der Batterie abzuziehen) enthalten. Die Ladesignale können gemäß einer zuvor festgelegten Rate und/oder einem zuvor festgelegten Muster (zum Beispiel asymptotisch, linear oder quadratisch) in dem Maße abnehmen, wie zum Beispiel die Anschlussspannung der Batterie während einer Lade- oder Wiederaufladesequenz, einer Lade- oder Wiederaufladeoperation oder eines Lade- oder Wiederaufladezyklus ansteigt (siehe zum Beispiel 3b und 3d). In einigen Fällen kann eine Impulsladesequenz oder eine Impulsladeoperation eine Konstantspannungsphase (Constant Voltage, CV-Phase) nach einem Zeitraum des Impulsladens und/oder nach dem Laden der Batterie/Zelle auf einen zuvor festgelegten Ladezustand enthalten. In einigen Ausführungsformen enthält der Zeitraum vor der CV-Phase das Steuern des an der Batterie übertragenen Stroms. In einigen Fällen ist diese Phase nominell eine Konstantstromphase (Constant Current, CC-Phase) - obgleich auch Impulse überlagert werden können - oder eine Stromschrittphase.
4a-4e veranschaulichen Lade- und/oder Entladepakete der Lade- und Entladesignale (die in den 3a-3d veranschaulicht sind), wobei solche Lade- und Entladepakete einen oder mehrere Ladeimpulse und einen oder mehrere Entladeimpulse enthalten können. In einigen Ausführungsformen enthält ein Ladesignal der 3a-3d mehrere Pakete (zum Beispiel etwa 100 bis etwa 50.000 Pakete), und in einigen Ausführungsformen kann jedes Paket mehrere Ladeimpulse, Entladeimpulse und Ruhezeiträume enthalten. Allgemeiner ausgedrückt, enthält ein Ladepaket eine oder mehrere Änderungen des Ladestroms oder eines anderen Ladeparameters. In einigen Fällen enthalten die in einem Ladepaket enthaltenen Änderungen eine Flanke im Ladestrom. Wenn Impulse verwendet werden, so können sie eine beliebige Form habenzum Beispiel können die Impulse rechteckig, dreieckig, sinusförmig oder quadratisch sein. In einigen Ausführungsformen können die Lade- und/oder Entladeimpulse des Paketes eine zeitliche Dauer von etwa 1 ms bis etwa 2000 ms, bevorzugt weniger als 1000 ms, enthalten. Es ist zu beachten, dass das Konzept eines „Paketes“ für das Charakterisieren eines Ladeprozesses nicht wesentlich ist. Einige Impulsladeprozesse lassen sich hinreichend als eine Reihe von Lade- (und optional Entlade-) Impulsen oder -Schritten beschreiben. Schrittladeprotokolle fallen ebenfalls in den Geltungsbereich dieser Offenbarung. Während des adaptiven Laden können die Amplitude, die Dauer und/oder eine andere Charakteristik eines oder mehrerer Schritte in einem Schrittladeprozess modifiziert werden.
4f veranschaulicht ein Beispiel für ein Ladepaket mit einem Ladeimpuls, der einen Ladezeitraum (T_charge), gefolgt von einem Ruhezeitraum (T_rest), enthält, wobei der Zeitraum des Ladepaketes als T_packet bezeichnet wird.
4g veranschaulicht ein Beispiel für ein Ladepaket mit einem Ladeimpuls (der Ladung in die Batterie einspeist) und einem Entladeimpuls (der Ladung aus der Batterie abzieht), wobei der Ladeimpuls einen Ladezeitraum (T_charge) enthält und der Entladeimpuls einen Entladezeitraum (T_discharge) enthält. Wie gezeigt, ist ein Zwischenruhezeitraum (T_inter) zwischen den Lade- und Entladeimpulsen angeordnet, und ein Ruhezeitraum (T_rest) ist nach dem Entladeimpuls und vor dem nächsten Paket angeordnet.
Entladesignale können verwendet werden, um den Zeitraum zu verkürzen, in dem die Batterieanschlussspannung zum Gleichgewicht zurückkehrt. In dieser Hinsicht kann der Entladezeitraum überschüssige Ladung abziehen, die anderenfalls zu Degradationsmechanismen, wie zum Beispiel dem Verdicken der Feststoff-Elektrolyt-Grenzschicht (Solid-Electrolyte Interface, SEI) oder dem metallischen Plattieren von Lithium beitragen könnte. Die Differenz zwischen der elektrischen Ladung, die der Zelle während eines Ladezeitraums zugeführt wird, und der elektrischen Ladung, die aus der Zelle während eines Entladezeitraums abgezogen wird, bestimmt eine elektrische Netto-Gesamtladung, die der Zelle innerhalb eines einzelnen Zeitraums zugeführt wird. Diese elektrische Netto-Gesamtladung, geteilt durch den Zeitraum, kann einen effektiven Netto-Ladestrom bestimmen.
Es gibt zahlreiche Kombinationen und Abwandlungen im Hinblick auf die Menge der elektrischen Ladung, die der Batterie während des Ladesignals zugeführt wird, und die Menge der Ladung, die während des Entladesignals abgezogen wird. Alle Abwandlungen sollen ebenfalls in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Zum Beispiel kann jede Abwandlung zu einer anderen Rate, Form und/oder Charakteristik des Abklingens der Anschlussspannung der Batterie führen. Darüber hinaus gibt es innerhalb jeder Abwandlung eine große Anzahl von Unter-Abwandlungen, die i) die Charakteristiken eines Ladesignals (zum Beispiel die Dauer, die Form und/oder die Amplitude des Ladesignals) kombinieren, wobei das Produkt aus ihnen die Menge an elektrischer Ladung bestimmt, die der Zelle zugeführt wird; und ii) die Charakteristiken eines Entladesignals (zum Beispiel die Dauer, die Form und/oder die Amplitude eines Entladesignals) kombinieren, wobei das Produkt aus ihnen die Menge an elektrischer Ladung bestimmt, die der Zelle entnommen wird; und iii) die Zeitdauer des Ruhezeitraums. Die Charakteristiken eines Ladesignals können sich von den Charakteristiken eines Entladesignals unterscheiden. Das heißt, eines oder mehrere der Dauer, der Form und/oder der Amplitude des Ladesignals können sich von einem oder mehreren der Dauer, der Form und/oder der Amplitude des Entladesignals unterscheiden.
Einige oder alle Charakteristiken der Lade- und Entladeimpulse oder -schritte können programmierbar und/oder steuerbar sein. Zum Beispiel können die Impuls- oder Schrittamplitude, die Breite/Dauer und die Form justiert werden. In anderen Beispielen kann die Amplitude der positiven und/oder negativen Impulse innerhalb des Paketes variieren, die Dauer und/oder die Zeitpunkte der Ruhezeiträume können innerhalb des Paketes variieren, und/oder die Impulse können innerhalb des Paketes gleichmäßig oder ungleichmäßig beabstandet sein. Die Kombination aus Ladeimpulsen, Entladeimpulsen und Ruhezeiträumen kann sich wiederholen, wodurch ein Paket entsteht, das wiederholt werden kann.
5a veranschaulicht Strom und Spannung einer Batterie als eine Funktion der Zeit, was das herkömmliche Ladeverfahren veranschaulicht, das als Konstantstrom-Konstantspannungs-Ladeverfahren (Constant-Current, Constant-Voltage, CCCV) bekannt ist. Während des Ladens einer wiederaufladbaren Batterie (zum Beispiel einer Lithiumionen-Batterie) mittels CCCV enthält die Ladesequenz einen Konstantstrom-Lademodus (Constant-Current, CC), bis die Anschlussspannung der Batterie/Zelle etwa eine maximale Amplitude erreicht hat (zum Beispiel etwa 4,2 V bis 4,5 V bei bestimmten Lithiumionen-Batterien), woraufhin die Ladesequenz vom Konstantstrom-Lademodus zu einem Konstantspannungs-Lademodus (Constant-Voltage, CV) wechselt. Im CV-Modus wird eine konstante Spannung an die Anschlüsse der Batterie angelegt. Allgemein wechselt die Ladeschaltung während des Ladens einer wiederaufladbaren Batterie mittels der CCCV-Technik vom CC-Lademodus in den CV-Lademodus, wenn der Ladezustand (SOC) der Batterie zum Beispiel bei etwa 60-80 % liegt, obgleich in einigen Ausführungsformen, wie im vorliegenden Text beschrieben, eine Ladeschaltung erst dann in den CV-Lademodus eintritt, wenn die Batterieladung größer als etwa 90 % SOC oder größer als etwa 95 % SOC ist. Das adaptive Laden kann eingesetzt werden, um die CC- und/oder CV-Abschnitte eines CCCV-Ladeprozesses zu justieren. Adaptives Laden kann auch verwendet werden, um den Übergang vom CC- zum CV-Abschnitt des Prozesses zu justieren.
5b veranschaulicht den Strom und die Spannung einer Batterie als eine Funktion der Zeit, wenn sie durch eine Schrittladetechnik geladen wird. 5b veranschaulicht ein einzelnes Beispiel für eine Schrittladetechnik. Bei einem Schrittladeprozess einer wiederaufladbaren Batterie (zum Beispiel einer wiederaufladbaren Lithiumionen-Batterie) wird ein mehrstufiger Konstantstrom-Lademodus (Constant-Current, CC) verwendet, bis zum Beispiel die Anschlussspannung der Batterie etwa eine maximale Amplitude erreicht hat (zum Beispiel etwa 4,2 V bis 4,5 V bei bestimmten Lithiumionen-Batterien), woraufhin die Ladesequenz vom Konstantstrom-Lademodus zu einem Konstantspannungs-Lademodus (Constant-Voltage, CV) wechselt. Wie bei der in 5a gezeigten CCCV-Technik wird im CV-Modus eine konstante Spannung an die Anschlüsse der Batterie angelegt. Und wie bei der in 5a gezeigten Technik kann adaptives Laden verwendet werden, um den CC-Abschnitt (einschließlich einzelner Schritte, Amplitude, Dauer), den CV-Abschnitt und/oder den Übergang vom CCzum CV-Abschnitt des Prozesses zu justieren.
Batteriemodelle und ihre Verwendung
A. Übersicht über das Batteriemodell
Aspekte dieser Offenbarung betreffen Modelle oder ähnliche Tools zur Charakterisierung oder Klassifizierung einer Batterie und/oder der Charakteristiken einer Batterie (zum Beispiel Ladecharakteristiken) an verschiedenen Punkten innerhalb der Lebensdauer der Batterie, von denen einige oder alle eintreten können, wenn die Batterie in Betrieb ist, wie zum Beispiel, wenn die Batterie in einer elektronischen Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Telefon, einem Auto usw., installiert ist. In bestimmten Ausführungsformen werden Modelle unter Verwendung von Informationen über eine Batterie entwickelt oder präzisiert, die gesammelt werden, während die Batterie in Betrieb ist. Unabhängig davon, wie ein Modell generiert und/oder aktualisiert wird, kann es eine Batterie in einer solchen Weise klassifizieren, dass verschiedene Ladeprozessregimes oder -charakteristiken der Batterie identifiziert werden.
Ein einfaches, bildhaftes Beispiel für ein zweidimensionales Batteriemodell ist in 5c dargestellt. Wie gezeigt, klassifiziert das Modell die Ladeprozessparameter für eine bestimmte Batterie - in diesem speziellen Fall die Werte des Ladezustands und des Ladestroms. Anhand dieser Ladeparameter klassifiziert das Modell den Ladeprozess gemäß einem bestimmten Zustand: sicher, sicher und langsam, potenziell unsicher, und bekannt unsicher, und definiert damit die gegenseitigen Beziehungen zwischen den betrachteten Parametern (in diesem einfachen Beispiel Ladezustand und Ladestrom). Es versteht sich, dass das Diagramm von 5c zwar den Ladestrom und den Ladezustand als Ladeprozessparameter veranschaulicht, dass ein Modell aber oft auch andere und/oder zusätzliche Ladeprozessparameter und/oder Betriebsbedingungen berücksichtigt, wie zum Beispiel Temperatur, Anschlussspannung (die isoliert oder in Reaktion auf einen Stimulus, wie zum Beispiel eine angelegte Stromflanke, bereitgestellt wird), Alter/Gesundheit der Batterie, Materialeigenschaften, Abtastzeiträume zum Erhalten der erforderlichen Informationen, Messdauer usw., die allesamt unabhängige Achsen in einem mehrdimensionalen Modell darstellen können. Den Kern der mehrdimensionalen Modelle bilden Beziehungen, die die unabhängigen Parameter (und Achsen) miteinander verbinden. Diese Beziehungen bestimmen dann die optimale Ladung und den optimalen Betrieb einer Batterie.
In einigen Fällen können die Ladeprozessparameter einer Batterie in einem Batterieparameterraum visualisiert werden, der eine Anzahl von Dimensionen hat, die mit diesen Parametern verknüpft sind. Während also 5c zwei Dimensionen des Batterieladeprozessparameterraums zeigt, haben andere Beispiele drei oder mehr solcher Dimensionen. Die Anzahl der in einem Modell enthaltenen Batterieladeprozessparameter (und damit ein durch das Modell berücksichtigter mehrdimensionaler Raum) hängt von der Fähigkeit der gewählten Parameter ab, eine Batterie präzise und/oder sicher zu klassifizieren oder eine sonstige Anforderung zu erfüllen. In bestimmten Ausführungsformen verwendet das Modell mindestens zwei Batterieladeparameter oder mindestens etwa fünf Batterieladeparameter. Ungeachtet der Anzahl der Dimensionen stellt jeder Satz von Batterieladeprozessparameterwerten, allein oder in Kombination mit Batterietypinformationen, einen Punkt in dem mehrdimensionalen Parameterraum dar.
Im Sinne des vorliegenden Textes bezeichnet der Begriff „Batterieladeprozessparameter“ oder einfach „Batterieladeparameter“ Informationen über eine Batterie, mitunter einschließlich Informationen über die Ladebedingungen einer Batterie (zum Beispiel Ladezustand und Größenordnung des Stroms), die in ein Modell eingegeben werden können, während der Begriff „Batterieladeprozesscharakteristiken“ oder einfach „Batterieladecharakteristiken“ eine Schlussfolgerung oder eine Vorhersage bezüglich der Ergebnisse oder der Hinlänglichkeit der Batterie angibt, wenn sie bestimmten Batterieladeparametern ausgesetzt wird. Beispiele für Batterieladeprozesscharakteristiken sind sichere Betriebsbedingungen, potenziell unsichere Betriebsbedingungen und bekannte unsichere Betriebsbedingungen. Eigenständige Batterieladeprozesscharakteristiken können verschiedene Regionen oder Regimes in einem mehrdimensionalen Raum einnehmen, der die Batterieladeprozessparameter darstellt. Mit anderen Worten: Der Raum ist in Regionen unterteilt, die jeweils mit einer anderen Klassifizierung oder Charakteristik einer gegebenen Batterie verknüpft sind. Die Grenzen zwischen diesen Regionen können abrupt oder in Abstufungen verlaufen (das heißt, der Übergang zwischen einer sicheren und einer potenziell sicheren Ladeprozessregion kann sich über eine Distanz im Parameterraum vollziehen). Siehe die eigenständigen Regionen in 5c. Ein Batteriemodell klassifiziert eine Batterie und die zugehörigen Ladeprozessparameter in eines der Regimes/Charakteristiken.
Alternativ oder zusätzlich zum einfachen Klassifizieren einer Batterie anhand der Position im mehrdimensionalen Batterieparameterraum kann ein Batteriemodell eine Wertung auf der Grundlage der Batterieladeprozessparameterwerte erzeugen, optional mit Gewichten, die auf einzelne Parameterwerte angewendet werden. Zum Beispiel kann die Wertung eine gewichtete Summierung ausgewählter einzelner Batterieladeprozessparameter sein. In bestimmten Ausführungsformen können die Gewichte anhand statistischer Analysen der Eigenschaften zuvor getesteter Batterien berechnet werden. Andere Funktionen der Batterieladeprozessparameter, wie zum Beispiel nicht-lineare Funktionen, können verwendet werden, um eine Wertung zu erhalten.
In einigen Ausführungsformen wird eine Hauptkomponentenanalyse oder eine ähnliche Technik zum Reduzieren der Dimensionalität auf einen Datensatz angewendet, der Ladeprozessparameterwerte für Batterien und ihre zugehörigen Ladeverfahren enthält. Die Hauptkomponenten des Datensatzes definieren Vektoren einer maximalen Variation durch den mehrdimensionalen Parameterraum. Die Hauptkomponenten können in einem Batterieparameterraum mit reduzierter Dimension verwendet werden. In einigen Fällen wird ein Batteriemodell trainiert oder anderweitig ausgelegt, um Parameterwerte zu verwenden, die in Form von Hauptkomponenten präsentiert werden.
In bestimmten Ausführungsformen werden separate Modelle für verschiedene Batterien bereitgestellt. Dies widerspiegelt die Tatsache, dass einzelne Batterien häufig unterschiedliche Charakteristiken aufweisen, die sich aus unterschiedlichen Designs, unterschiedlicher Herstellung, unterschiedlicher Handhabung und/oder unterschiedlicher Verwendung im Betrieb ergeben. In einigen Ausführungsformen können mehrere Batterien desselben Typs (zum Beispiel von gleicher Größe, von gleichem Format, mit der gleichen chemischen Zusammensetzung, aus dem gleichen Herstellungsprozess und aus derselben Charge) wenigstens zum Anfang dasselbe Modell verwenden. Im Lauf der Zeit können sich die Modelle für einzelne dieser Batterien desselben Typs weiterentwickeln oder zu unterschiedlichen Modellen werden, um eigenständige beobachtete Eigenschaften zu berücksichtigen, die sich aus anfänglich unbekannten Unterschieden oder aus Unterschieden in den Nutzungsmustern ergeben können. Wie aus diesem Beispiel ersichtlich sein dürfte, können sich Modelle im Lauf der Zeit ändern, und die Änderungen können durch beobachtete Änderungen in der Reaktion einer Batterie auf bestimmte Stimuli oder sonstige Bedingungen diktiert werden. Einige Beispiele für Batteriereaktionen werden im Folgenden in Bezug auf Batterieinformationen im Zeitbereich und im Frequenzbereich beschrieben. Zum Beispiel kann ein Batteriemodell elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) oder EIS-artige Informationen verwenden, um ein Modell zu erstellen oder zu präzisieren oder zu trainieren.
In bestimmten Ausführungsformen wird die Batterie in situ unter Verwendung eines Modells evaluiert. Das heißt, die Batterie muss nicht aus ihrer elektronischen Vorrichtung entnommen werden, um durch das Modell klassifiziert zu werden. Das Sammeln von Batterieparameterwerten und das Anwenden auf ein Batteriemodell können versteckt im Hintergrund stattfinden, zum Beispiel während des Ladeprozesses, und auf eine Weise, die den Ladeprozess nicht wesentlich verlangsamt oder verändert. In einigen Implementierungen oder bei einigen Nutzungsmustern kann das Modell seine Evaluierungen durchführen, ohne dass der Benutzer der durch die Batterie versorgten Vorrichtung dies bemerkt.
Die durch ein Modell bereitgestellten Batterieladeprozesscharakteristiken können Entscheidungen über die zukünftige Leistung der Batterie und/oder Maßnahmen zur Behebung potenzieller Sicherheitsrisiken, Leistungsverschlechterungen, Ladeverfahren usw. mitbestimmen. Zum Beispiel kann ein bestimmtes Modell für eine bestimmte Batterie anzeigen, dass die Batterie mit einem Strom von mehr als 0,5 A geladen werden kann oder sollte, wenn der Ladezustand der Batterie bei einer gegebenen Temperatur 40 % beträgt. Dasselbe Modell kann anzeigen, dass die Batterie bequem und zweckmäßig mit einem Strom von etwa 0,6 A geladen werden kann, wenn der Ladezustand der Batterie bei der gleichen Temperatur 80 % beträgt. Des Weiteren kann das Modell anzeigen, dass die Batterie auf keinen Fall mit einem Strom von mehr als 0,5 A geladen werden sollte, wenn der Ladezustand der Batterie bei der gleichen Temperatur ebenfalls 90 % beträgt. In bestimmten Ausführungsformen werden die Batterieladecharakteristiken verwendet, um Ladeprozessparameter anzupassen (wie zum Beispiel während des im vorliegenden Text beschriebenen adaptiven Ladens).
Eingangs- und Ausgangsvariablen
Wie erläutert, kann ein Batteriemodell verschiedene Batterieladeprozessparameter als Eingaben erhalten. Zu Beispielen für Klassen dieser Parameter gehören folgende: (a) angelegte Stromcharakteristiken (zum Beispiel Größenordnung oder Form, wie zum Beispiel Impuls-, Flanken- oder Schrittcharakteristiken), (b) gemessene Spannung an den Batterieanschlüssen (zum Beispiel als eine Funktion der Zeit nach dem einen oder den mehreren angelegten Stromimpulsen oder zu festen Zeiten nach dem einen oder den mehreren Stromimpulsen) (zu verschiedenen Zeiten nach dem Stimulus oder in Reaktion auf verschiedene Stimulusfrequenzen gemessen), (c) Ladezustand (durch Leerlaufspannung, durchgelassene Coulombs usw. bestimmt), (d) Temperatur (über einen Temperatursensor gemessen und optional als eine Funktion der Zeit nach dem angelegten Stromimpuls oder zu festen Zeiten nach dem Stromimpuls bereitgestellt), (e) Batteriealter (Zyklenzahl, Betriebstage usw.), (f) zuvor generierte Ausgangsvariablen und/oder Gesundheitszustand der Batterie, (g) Abtastfrequenzen der Strom- und/oder Spannungswerte, (h) Dauer des Abtast- und Messzeitraums (Abtastfrequenz und Dauer weisen auf unterschiedliche physikalische und chemische Prozesse innerhalb der Batterie hin), (i) Designwerte der Batterie, die entweder direkt vom Hersteller oder durch physische Zerlegung der Batterie erhalten wurden (zum Beispiel Materialdicken, Abmessungen, Eigenschaften des Elektrolyten, bekannte Temperaturabhängigkeiten solcher Materialeigenschaften), und dergleichen.
In bestimmten Ausführungsformen sind die Batteriemodelle dafür konfiguriert, Parameterwerte sowohl für den an die Batterie angelegten Strom als auch für die Spannung an den Batterieanschlüssen zu erhalten. In einigen Fällen verwenden die Batteriemodelle zusätzlich eine Kombination von Parametern der oben angeführten Typen (c)-(f). In bestimmten Ausführungsformen verwenden Batteriemodelle den angelegten und/oder gemessenen Strom der Batterie bei mehreren verschiedenen Ladezuständen; oder anders ausgedrückt: bei verschiedenen Ladezuständen, die im Verlauf eines einzelnen Ladeprozesses oder über mehrere Ladeprozesse hinweg auftreten. In bestimmten Ausführungsformen verwenden Batteriemodelle (i) den Ladestrom, (ii) die zugehörige Anschlussspannung, und (iii) den Ladezustand als Eingaben in das Modell. Es ist zu beachten, dass der in Modellen verwendete Ladestrom zum Beispiel ein augenblicklicher Ladestrom oder ein durchschnittlicher Ladestrom sein kann. In einigen Fällen wird ein augenblicklicher Ladestrom über einen Zeitraum von Millisekunden bis zu einigen zehn Sekunden bestimmt. Unabhängig davon, welche Batterieladeprozessparameterwerte in das Modell eingegeben werden, klassifiziert das Modell den Ladeprozess anhand dieser Parameterwerte. Es ist zu beachten, dass die Strom- und Spannungswerte sowie bestimmte andere Ladeprozessparameter in einem bestimmten Zeitbereich oder Frequenzbereich bereitgestellt werden können, wie unten noch näher erläutert wird.
Um Werte bestimmter dieser Eingangsvariablen zu erzeugen, kann ein Batteriesystem einen Stimulus anlegen, der ein Stromimpuls sein kann, der bei einem spezifizierten Ladezustand angelegt wird. In Reaktion auf den angelegten Stimulus misst das System die Anschlussspannung und optional einen oder mehrere andere Parameterwerte, wie zum Beispiel die Temperatur der Batterie.
Der angelegte Strom ist nicht unbedingt ein Stromimpuls; in verschiedenen Ausführungsformen ist er eine Form von Flanke, das heißt, eine Änderung der Größenordnung des angelegten Stroms. Aus der Sicht der Signaltheorie enthält eine Flanke Oberwellenfrequenzen, die bei der Bewertung der Reaktion einer Batterie auf die angelegte Stromflanke berücksichtigt werden können. Die Grund- und Oberwellenfrequenzen können der primäre Mechanismus sein, um die Reaktion der Batterie zu stimulieren. Es ist zu beachten, dass die Größenordnung der Stromflanke nicht auf null Ampere zu gehen braucht, um eine Flanke zu erzeugen; sie muss sich lediglich im Wert und in der Zeit ändern. Außerdem braucht die Flanke nicht vertikal zu sein, wie im Fall einer Flanke einer Dreieckswelle. Die Rate, mit der sich die Flanke ändert, sollte eine ausreichende Frequenzbandbreite enthalten, um die interessierenden Frequenzen innerhalb der Batterie anzuregen. Die Anschlussspannung und/oder andere Parameter können zu verschiedenen Zeiten während oder nach dem Anlegen der Stromflanke gemessen werden. Alternativ kann unter bestimmten Umständen der Stimulus selbst die Anschlussspannung anstelle des Anschlussstroms sein.
Die Modellausgabe klassifiziert eine Batterie unter einem Satz von Bedingungen. Das Modell kann dies für Bedingungen zum Zeitpunkt der Messung oder zu einem anderen Zeitpunkt tun, wie zum Beispiel zu einem zukünftigen Zeitpunkt, an dem es einem hypothetischen Satz von Bedingungen ausgesetzt wird (zum Beispiel eine erwartete zukünftige angelegte Stromgrößenordnung bei einem bestimmten Ladezustand und eine bestimmte Temperatur).
In bestimmten Ausführungsformen erlaubt die durch ein Batteriemodell bereitgestellte Klassifizierung es dem Ladesystem, eine Änderung eines Ladezustands vorzuschlagen oder zu implementieren (zum Beispiel einen erhöhten oder verringerten augenblicklichen oder durchschnittlichen Strom). In bestimmten Ausführungsformen erlaubt die Klassifizierung es dem Steuerungssystem, das der Batterie oder einer elektronischen Vorrichtung, in der der Batterie installiert ist, zugeordnet ist, zu bestimmen, ob der Batterie in einem potenziell unsicheren Modus arbeitet und zur weiteren Beobachtung markiert werden sollte oder ob ihr Betrieb beendet werden sollte. In bestimmten Ausführungsformen erlaubt die Klassifizierung es dem System zu bestimmen, dass die Batterie von einem unmittelbar bevorstehenden Ausfall bedroht ist und/oder ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko darstellt. In solchen Fällen kann ein System das weitere Laden und/oder Entladen verhindern, bis der Batterie aus der Vorrichtung entnommen oder ersetzt wurde.
Wie kehren zu 5c zurück. Ein Klassifizierungsdiagramm 521 stellt ein vereinfachtes, bildliches Beispiel eines Batteriemodells für eine bestimmte Batterie oder eine Familie von Batterien dar. Das Diagramm 521 veranschaulicht vier diskrete Regionen, die vier verschiedene Batterieladeprozesscharakteristiken darstellen. Wie gezeigt, sind diese Regionen eine sichere, aber langsame Laderegion 523, eine allgemein sichere Betriebsregion 525, eine potenziell unsichere Betriebsregion 527, und eine bekannte unsichere Betriebsregion 529. Wenn der Ladeprozess in der sicheren, aber langsamen Laderegion 523 arbeitet, so ist es unwahrscheinlich, dass die Batterie beschädigt oder zerstört wird, aber sie könnte problemlos auch schneller geladen werden. Mit anderen Worten: Während die Batterie in der Region 523 sicher geladen wird, könnte die Ladeprozesslogik bestimmen, dass die Batterie schneller geladen werden sollte, möglicherweise auf ein Niveau innerhalb der Region 525. Wie gezeigt, liegt die Region 525 oberhalb der Region 523 (das heißt, sie hat einen höheren Ladestrom), erstreckt sich aber nicht in hohe Ladezustände hinein. Mit anderen Worten: Ein Ladeprozess, der sowohl mit einem hohen Ladezustand als auch mit einem hohen Ladestrom arbeitet, wird durch das Batteriemodell als unsicher erachtet. Allgemein werden Batterien, die in Region 525 arbeiten, so angesehen, dass sie mit einem ausreichend schnellen Ladestrom sicher geladen werden können. Es ist ohne Weiteres möglich, sich eine mehrdimensionale Version von 5c vorzustellen, bei der zusätzliche Parameter (oder Achsen) hinzugefügt werden, wie zum Beispiel Temperatur, Gesundheit und/oder Alterung, Betriebsbedingung usw.
Wie gezeigt, charakterisiert das Modell Ladeprozesse, die relativ hohe Ladeströme bei hohen Ladezuständen verwenden, entweder als potenziell unsicher (Region 527) oder als bekannt unsicher (529). Eine bekannte unsichere Betriebsregion kann eine Region sein, in der ein Versagen der Batterie früher oder später zu einem Brand oder einer Explosion führen kann. Zum Beispiel kann eine Ansammlung von metallischem Lithium dendritische Filamente verursachen, die einen internen elektrischen Kurzschluss verursachen können, was zu einer schnellen Entladung die Batterie und wahrscheinlich zu einem Brand führt. Eine potenziell unsichere Region ist eine Region, in der das Risiko eines Ausfalls erhöht ist, in der aber ein Ausfall einen Brand oder eine Explosion nach sich ziehen kann, aber nicht muss. Wenn die Ladelogik einer Vorrichtung bestimmt, dass eine Batterie in einer dieser Regionen arbeitet oder bald in einer dieser Regionen arbeiten wird, so kann sie ihre Ladeparameter so justieren, dass diese Regionen vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen versucht die Ladelogik, nahe an einer Grenze 531 zwischen der sicheren Region 525 und der potenziell unsicheren Betriebsregion 527 zu arbeiten. Natürlich wird die Logik versuchen, auf der sicheren Seite der Grenze 531 zu bleiben, aber dies erfordert natürlich, dass das Modell die Grenze präzise definiert. Außerdem kann die Grenze von Batterie zu Batterie oder sogar zu verschiedenen Evaluierungszeiten für eine gegebene Batterie variieren.
Diese Grenzen oder Schwellen zwischen verschiedenen Regionen können in einigen Fällen von früheren oder laufenden Messungen der Batterieeigenschaften abhängen, wie zum Beispiel der Spannung, die in Reaktion auf bestimmte Stimuli gemessen wird. Zum Beispiel kann eine Stromladeschwelle (zum Beispiel für die Grenze 531) gelockert werden, wenn eine allmähliche (oder abrupte) Änderung bei der Reaktion der Batterie auf bestimmte Stimuli detektiert wird, die darauf hinweist, dass der Betrieb bei höheren Strömen kein Sicherheitsrisiko darstellt. In bestimmten Ausführungsformen wird die Grenzenbestimmung unter Verwendung eines Optimierungsregimes vorgenommen (und periodisch aktualisiert), das zum Beispiel verschiedene EIS-Messungen als Eingaben nimmt und bestimmt, in welcher Beziehung sie zu einer definierten Spezifikation (zum Beispiel Ladezeit, Zykluslebensdauer, Gesundheit und voranschreitender Alterung usw.) stehen. Die Grenzenbestimmung oder -aktualisierung kann diesen Prozess unter Verwendung aktueller und historischer Daten und Eingaben erforderlichenfalls iterieren, um das Modell zu justieren, was das Aktualisieren einer optimalen Ladeprozesskonfiguration erlaubt.
Wie gezeigt, stellt das in 5c veranschaulichte Modell nur ein Beispiel von vielen möglichen Modellstrukturen dar. Die Parameter, die berücksichtigt werden, um den Raum zu definieren, in dem ein Ladeprozess für eine Batterie klassifiziert wird, können als Beispiele eines oder mehrere von Folgendem enthalten: Ladezustand, Ladestrom (Durchschnitt, Spitze usw.), Spannungsreaktionen (die in verschiedenen Zeit- oder Frequenzregimes bereitgestellt werden können), usw.
Entwickeln des Modells
Um ein Batteriemodell zu entwickeln, wird eine Gruppe von Batterien, zum Beispiel solche eines bestimmten Batterietyps, die von einem bestimmten Hersteller geliefert wurden, auf Faktoren, wie zum Beispiel den Gesundheitszustand die Batterie unter verschiedenen Bedingungen, den Ausfall die Batterie und Sicherheitsaspekte, analysiert. Zu den Sicherheitsaspekten gehören Dinge wie das Ablagern von Metall auf der Anode während des Ladeprozesses und das anschließende Bilden leitfähiger Dendrite, der Verlust von Batterieelektrolyt, Aufquellen und Brand oder Explosion der Batterie.
Das Computersystem oder die Personen, die mit der Entwicklung des Modells beauftragt sind, analysieren einige oder alle der oben identifizierten Eingangsvariablen auf Muster oder Trends, die sich in einem Computermodell widerspiegeln, das Batterien auf der Grundlage der Werte der Eingangsvariablen (Ladeprozessparameter) klassifiziert. Informationen über jede Batterie, einschließlich der Batterieladeprozessparameter und der zugehörigen Merkmale/Klassifizierungen des Batterieladeprozesses, können gemeinsam als ein Trainingssatz für die Entwicklung des Batteriemodells dienen.
Batterien, die für die Untersuchung in einem Entwicklungsmodell ausgewählt werden, können anhand verschiedener Kriterien ausgewählt werden. Wie bereits erwähnt, können sie alle vom selben Typ sein, aber in einigen Fällen werden andere Kriterien verwendet. Zum Beispiel können die Batterien auf der Grundlage von Unterschieden in der Funktionsweise einer Batterie ausgewählt werden, was anhand physikalischer Kenntnisse bestimmt werden kann. In einigen Fällen berücksichtigt also ein Experte, der über solche Kenntnisse verfügt, modellempirische Parameter, die zum Beispiel auf Fertigungsvariabilität zurückzuführen sein können, und rechnet diese Verbindungen in die Auswahl der Batterien für die Entwicklung eines Batteriemodells ein. In anderen Fällen wählt ein Computersystem die zu analysierenden Batterien für die Entwicklung eines Batteriemodells aus.
Die Mechanik der Entwicklung eines Batteriemodells kann verschiedene Formen annehmen. Bei einem Ansatz analysieren ein oder mehrere Experten Batteriedaten und bestimmen, was sichere und was unsichere Regionen des Batterieladeprozessparameterraums sind. Andere Verfahren enthalten verschiedene computergestützte Modellierungs- und Maschinenlerntechniken, die Muster in den Eingangsvariablen und zugehörigen Bedingungen von Batterien identifizieren können (zum Beispiel normales oder erwartetes Verhalten, unerwartete Degradation, potenziell gefährlicher Betrieb, und drohender Ausfall oder drohendes Sicherheitsproblem).
Ein Batteriemodell kann verschiedene Formen annehmen. Beispiele sind Klassifizierungs- und Regressionsbäume (Classification and Regression Trees, CART), Random-Forest-Modelle, neuronale Netze, Regressionsmodelle, Supportvektormaschinen, Wahrscheinlichkeitsmodelle (zum Beispiel Log Likelihood), Nachschlagetabellen und andere Modelle und Beziehungen, die dem Fachmann bekannt sind.
Verwendung des Modells
Ein Modell kann an einem beliebigen von verschiedenen Orten ausgeführt werden. In bestimmten Ausführungsformen befindet sich die Logik zum Ausführen des Batteriemodells vollständig in der Vorrichtung oder dem Ladegerät der Vorrichtung (zum Beispiel mit einem Batteriepack oder einem Prozessor, der durch die Vorrichtung für andere Zwecke verwendet wird). In bestimmten Ausführungsformen befindet sich die Logik zum Ausführen des Batteriemodells an einem räumlich abgesetzten Ort (zum Beispiel in einer Cloud oder auf einem Server unter der Kontrolle des Batterieherstellers, des Vorrichtungsherstellers oder des Anbieters des Batterielade-/- überwachungssystems). In bestimmten Ausführungsformen ist die Logik zum Ausführen des Batteriemodells zwischen lokalen und räumlich abgesetzten Ressourcen verteilt.
Wie erläutert, kann die Batteriesteuerungslogik in einigen Implementierungen Parameter überwachen oder anderweitig bestimmen, die mit einem Ladeprozess zu tun haben. Einige davon können als Batterieladeprozessparameter verwendet werden, zum Beispiel als Eingaben in ein Batteriemodell. Diese Parameter können direkt oder indirekt von der Messschaltung bereitgestellt werden. Siehe zum Beispiel 1. Zu den durch die Messschaltung vorgenommenen Roh-Batteriemessungen gehören zum Beispiel Temperatur, Spannung, Stromstärke, durchgelassene Ladung und Zeit ab oder zwischen Ereignissen. In einigen Ausführungsformen werden Roh-Batteriemessungen an die Steuerschaltung weitergeleitet, die eine Logik verwenden kann, um Parameter, wie zum Beispiel SOC, SOH, Überspannung und PRT, zu bestimmen. In Abhängigkeit vom Design des Batteriemodells können beliebige rohe oder abgeleitete Messungen und Parameter durch Batteriemodelle verwendet werden. Als ein Beispiel werden Messungen, wie zum Beispiel der SOC einer Batterie, direkt durch Messschaltungen vorgenommen und an ein Batteriemodell weitergeleitet. Rohe und/oder abgeleitete Parameter können lokal oder auf einer räumlich abgesetzten Vorrichtung gespeichert und zu einem zweckmäßigen Zeitpunkt in das Batteriemodell zur Analyse und letztendlich zum Generieren einer Klassifizierung des Batterieladeprozesses eingespeist werden. Die analysierten aktuellen und/oder historischen Daten und/oder die Klassifizierung des Batterieladeprozesses können in die Batteriesteuerungslogik zurückgespeist werden, um zum Beispiel adaptives Laden, Sicherheitsalarme usw. zu ermöglichen.
In einigen Implementierungen werden Batteriemodelle im Lauf der Zeit trainiert oder weiter präzisiert, zum Beispiel, wenn Servicedaten von einer oder mehreren Batterien gesammelt werden, um die Leistung der Modelle zu verbessern. In einigen Fällen können mehrere Batterien, zum Beispiel Batterien in Telefonen, Informationen bereitstellen, die als Datenpunkte für das weitere Trainieren eines Modells dienen. Wenn zum Beispiel eine Batterie ausfällt, was durch die Vorrichtung oder durch einen Benutzer detektiert wird, so können die Daten, die zu diesem Ausfall führten oder anderweitig mit ihm verknüpft sind, verwendet werden, um die Genauigkeit eines Batteriemodells zu verbessern. Dieser Ansatz kann zum Beispiel seltene Produktionsfehler identifizieren.
Die Modellergebnisse oder -ausgaben können auf verschiedene Weise behandelt oder verwendet werden. In einem Ansatz klassifizieren die Modellergebnisse/ausgaben eine Batterie im Großen und Ganzen als (a) wie für eine normale Batterie ähnlichen Alters erwartet, (b) auf eine Weise, die das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls nahe legt, oder (c) auf eine Weise, die ein Sicherheitsrisiko darstellt. Wenn sich die Batterie wie erwartet verhält, so kann das Batterieladesystem das Ladeprotokoll anpassen, um ein schnelleres Laden zu ermöglichen. Wenn sich die Batterie so verhält, dass ein vorzeitiger Ausfall drohen könnte, so kann das Batterieladesystem oder eine andere Logik einen Alarm an den Benutzer und/oder den Hersteller senden und/oder das Ladeprotokoll anpassen, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Wenn ein Alarm gesendet wird, so könnte er eine Garantieklausel für die Vorrichtung und/oder die Batterie auslösen, und/oder er könnte einen frühzeitigen Austausch der Batterie nahe legen. Wenn sich die Batterie in einer Weise verhält, die ein Sicherheitsrisiko darstellt, so kann das zuständige System die Vorrichtung abschalten und eine Warnung senden, um die Batterie oder die Vorrichtung sofort auszutauschen oder eine andere Vorsichtsmaßnahme zu ergreifen.
Charakterisierung physikalischer Phänomene der Batterie
Zeitregimes und Batteriephänomene
Die Batterieleistung wird durch verschiedene Phänomene beeinflusst, die jeweils eine zugehörige Reaktionszeit auf Ereignisse haben, die während des Batterieladens auftreten können. Obgleich die Liste nicht vollständig ist, werden drei Klassen von Phänomenen als Beispiele verwendet: (1) Lithiumionen-Transport im Elektrolyt, (2) Reaktionskinetik, die sich an der Elektrodenoberfläche (oft der Anode) vollzieht, und (3) Lithiumionen-Diffusion innerhalb der festen Matrix einer Elektrode (Anode oder Katode). Es versteht sich, dass zwar in dieser Offenbarung häufig von Lithiumionen die Rede ist, dass sich aber die offenbarten Konzepte auch auf Batteriesysteme erstrecken, die andere Arten von stromführenden Ionen, wie zum Beispiel Natriumionen, verwenden.
Der Lithiumionen-Transport in dem Elektrolyten einer Batterie, der ruhig sein kann, wird in der Regel durch eine Kombination aus Migration (eine Bewegung von geladenen Spezies in einem elektrischen Feld) und Diffusion (eine Bewegung, die durch einen Konzentrationsgradienten ausgelöst wird) in dem Elektrolyten verursacht. Dieser Transport ist ein relativ schneller Prozess und spiegelt sich in Daten wider, die (i) mit einem hochfrequenten Stimulus (zum Beispiel ein hochfrequentes Stromsignal, das bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie angelegt wird) und/oder (ii) zu kurzen Zeiten nach dem Anlegen eines Stimulus erhalten werden. Die Reaktionszeit von Lithiumionen in einem Batterieelektrolyten liegt in der Regel in der Größenordnung von einigen wenigen bis zu mehreren zehn Millisekunden, obgleich sie in einigen Arten von Elektrolyten, insbesondere in einigen Festkörperelektrolyten, langsamer sein kann; in diesem Fall liegt die Reaktionszeit in der Regel in der Größenordnung von etwa 1 bis 5 Sekunden. Der Transport von Metallionen in einem flüssigen Batterieelektrolyten kann sich in den Batteriereaktionscharakteristiken, wie zum Beispiel der Teilrelaxationszeit, widerspiegeln (siehe zum Beispiel 8a-c).
Die Kinetik von Reaktionen, die an der Grenzfläche der einen oder der mehreren Elektroden in einer Batterie stattfinden, wird durch verschiedene Faktoren bestimmt. In der Anode oder negativen Elektrode können (während des Ladens) die Änderungen der Reaktionskinetik das Wachstum einer SEI-Schicht und/oder die Art elektrochemischer Reaktionen an der Grenzfläche widerspiegeln. Diese Phänomene machen sich im Fall der elektrochemischen Impedanzspektroskopie in Daten bemerkbar, die in Reaktion auf einen zwischenfrequenten Stimulus erfasst werden. Die Reaktionszeit einer Grenzflächenreaktion in einer Batterie liegt in der Regel in der Größenordnung von einigen Millisekunden und ist in der Regel länger als die Reaktionszeit des lonentransports in dem Elektrolyten. Grenzflächenreaktionen an der Oberfläche einer Batterieelektrode (zum Beispiel an der Anodenoberfläche) können sich in den Batteriereaktionscharakteristiken, wie zum Beispiel Teilrelaxationszeit, Überpotenzial und CPV, widerspiegeln.
Der Transport von Lithiumionen in dem festen Elektrodenmaterial, wie zum Beispiel Kohlenstoff oder Silizium oder Metalloxid, kann durch die Diffusion von Lithiumionen in der festen Matrix der Elektrode widergespiegelt werden. Die Charakterisierung dieses Phänomens kann durch eine relativ niederfrequente Stimulation erreicht werden. Die Reaktionszeit der Diffusion von Metallionen in einem anodenaktiven Material (zum Beispiel Lithiumionen in Graphit) einer Batterie liegt in der Regel in der Größenordnung von wenigen bis einigen zehn Sekunden und ist in der Regel länger als die Reaktionszeit einer Reaktionskinetik an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche. Der Transport von Metallionen in den Feststoffpartikeln der Elektrode kann in den Batteriereaktionscharakteristiken, wie zum Beispiel der Ladeimpulsspannung (CPV) und der Relaxationszeit, widergespiegelt werden.
Es ist zu beachten, dass eine Reaktionszeit in einer Batterie von einem Schritt oder einem Impuls aus gemessen werden kann und durch eine Zeitkonstante charakterisiert werden kann. In diesem Zusammenhang kann eine Zeitkonstante so verstanden werden, dass sie die verstrichene Zeit darstellt, die für das Abklingen der Batteriereaktion auf einen Wert nahe dem Gleichgewicht erforderlich gewesen wäre, wenn das System weiter mit der anfänglichen Rate abgeklungen wäre. Im Fall eines exponentiellen Abklingens wird der Wert der Reaktion in dieser Zeit praktisch auf (ausgehend von einer schrittweisen Verringerung) abgenommen haben. Bei einem ansteigenden exponentiellen System ist die Zeitkonstante die Zeit, in der die Reaktion der Batterie ihres endgültigen (asymptotischen) Wertes (ausgehend von einer schrittweisen Erhöhung) erreicht. Für bestimmte Batterieprozesse liegt die Abklingrate nahe einem exponentiellen Abklingen, aber es ist eigentlich kein exponentielles Abklingen.
Die Zeitkonstante für die vollständige Relaxation liegt in der Größenordnung von Hunderten Millisekunden bis Sekunden. Die Zeitkonstante für die CPV ist ähnlich. Die Zeitkonstante für die Teilrelaxation liegt in der Größenordnung von einigen zehn Millisekunden. Wie erläutert, spiegeln beide einen unterschiedlichen Prozess innerhalb die Batterie wider. Jede wird auch durch einen „Impuls“ oder eine „Flanke“ mit ausreichender Bandbreite (das heißt, mit genügend Oberwellen) stimuliert. In Bezug auf das Messen einer Relaxationszeit im Vergleich zur Teilrelaxationszeit tendieren eine kürzere Messdauer (nach Anlegen der Stromflanke oder eines anderen Stimulus) und eine schnellere Abtastung in Richtung Teilrelaxationszeit, während eine längere Messdauer und eine langsamere Abtastung in Richtung der vollen Relaxationszeit tendieren. In bestimmten Ausführungsformen - obgleich dies nicht erforderlich ist - wird die Relaxationszeit mit einem positiven Stromschritt oder -impuls gemessen, und die Teilrelaxationszeit mit einem negativen Stromschritt oder -impuls gemessen.
Elektrochemische Impedanzspektroskopie
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie wird herkömmlicherweise ausgeführt, indem ein kleines Erregungssignal, in der Regel ein Wechselspannungspotential, an die elektrochemische Zelle angelegt wird und der resultierende Strom durch die Zelle gemessen wird. Unter der Annahme, dass ein sinusförmiges Erregungspotential angelegt wird, ist die Reaktion ein sinusförmiges Stromsignal. Durch Messen der Amplitude der Reaktion und der Phasendifferenz zwischen Erregung und Reaktion - beides als eine Funktion der angelegten Frequenzkann ein Testsystem Informationen über die Mechanismen oder die Leistung der elektrochemischen Zelle bereitstellen. Diese Informationen enthalten die oben besprochenen Reaktionszeiten oder werden durch sie beeinflusst.
Ansätze zur Analyse von mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie gewonnenen Daten modellieren elektrochemische Zellen oft unter Verwendung von Ersatzschaltungselementen, wie zum Beispiel Widerständen und Kondensatoren. Ladungstransfer, Reaktionskinetik, Diffusion und andere elektrochemische Phänomene können als Schaltungselemente dargestellt werden, und eine Batterie kann als ein oder mehrere Stromkreise mit solchen Elementen dargestellt werden, die in Reihe oder parallel oder in einer Kombination aus Reihe und parallel geschaltet sind. Einige Modelle verwenden empirisch abgeleitete Elemente als Alternativen zu physischen Modellelementen, oder teilweisen Ersatz für physische Modellelemente (zum Beispiel physische Schaltungselemente, wie zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren und Kombinationen davon).
Einige Tools zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie versuchen, ein Modell zu finden, dessen berechnete Impedanz mit der gemessenen Impedanz einer betrachteten Batterie übereinstimmt. Wenn Modellparameter eine gute Übereinstimmung mit beobachteten Ergebnissen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie erbringen, so können die Modellparameter einen guten physikalischen Einblick in den Betrieb einer Batterie geben. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wird in der Buch „Electrochemical Impedance Spectroscopy and its Applications“ von A. Lasia, (2014), Springer, Herausgeber: Springer, näher beschrieben; diese Publikation wird hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen.
In bestimmten Ausführungsformen wird ein angelegter EIS-Stimulus durch Überlagern eines bekannten Signals mit einer einzigen Frequenz und Abtasten der Frequenz bereitgestellt. In einigen Implementierungen wird ein EIS-Stimulus in Form von Stromimpulsen bei verschiedenen Frequenzen bereitgestellt, wobei eine bestimmte Art von Batteriephänomen charakterisiert werden kann. In bestimmten Ausführungsformen wird eine Batterie in situ sondiert, indem ein Signal mit verschiedenen Oberwellenfrequenzen während des Ladens der Batterie oder während einer anderen Zeit angelegt wird. Wie bei der herkömmlichen EIS können die angelegten Impulse einen breiten Frequenzbereich enthalten, der über einen kontinuierlichen oder nahezu kontinuierlichen Bereich bereitgestellt werden kann. Alternativ können auch diskrete Frequenzbereiche angelegt werden. In allen Fällen wird die Reaktion der Batterie überwacht. Zusammen stellen die Spannungs- und Stromwerte Impedanzinformationen bereit, die zur Charakterisierung der Batterie verwendet werden. In einigen Szenarien ist der Stimulus ein Strom und die gemessene Reaktion eine Spannung. Es kann jedoch auch der umgekehrte Fall verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, ist der Lithiumionen-Transport in einem Elektrolyten ein relativ schneller Prozess, was bedeutet, dass dies in hochfrequenten Daten widergespiegelt wird, die mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie bestimmt werden. Beispiele für solche Frequenzen liegen im Bereich von etwa 100 Hz bis 2 kHz oder in äquivalent kurzen Zeiträumen, zum Beispiel etwa 10 ms bis 100 ms. Die Kinetik von Reaktionen, die an der Grenzfläche der Elektrode stattfinden, ist in Daten erkennbar, die bei Zwischenfrequenzen, zum Beispiel Frequenzen im Bereich von etwa 10 Hz bis 0,5 kHz, oder in äquivalent kurzen Zeiträumen, zum Beispiel etwa 2 ms bis 100 ms, erfasst wurden. Die Diffusion von Lithiumionen in dem festen Anodenmaterial, wie zum Beispiel Kohlenstoff oder Silizium, kann bei relativ niedrigen Erregungsfrequenzen, zum Beispiel Frequenzen im Bereich von etwa 1 mHz bis 1 Hz, oder in äquivalent längeren Zeitspannen, zum Beispiel etwa 1 Sekunde bis 1.000 Sekunden, charakterisiert werden.
Daten, die in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie über einen Bereich von Frequenzen gesammelt werden, werden üblicherweise in einem Bode-Diagramm oder einem Nyquist-Diagramm dargestellt; letzteres zeigt den Wert der imaginären Komponente der Impedanz als eine Funktion der realen Komponente der Impedanz. 6 zeigt ein beispielhaftes Nyquist-Diagramm für eine Lithiumionen-Batterie (adaptiert von Comsol Blog, Tommy Zavalis, Juli 2015, comsol.com/blogs/studying-impedance-toanalyze-the-li-ion-battery-with-an-app/). Wie zu sehen ist, enthält das Diagramm eigenständige Abschnitte, die mit den drei relevanten physikalisch-chemischen Batteriephänomenen zusammenhängen. Die Kurven in den mittel- und hochfrequenten Bereichen können den Ionentransport in einem flüssigen Elektrolyten, das Aufladen von Doppelschichten auf den Materialien innerhalb der Elektrode, und Widerstände der Elektrodenmaterialien und ohmischen Filme widerspiegeln. Die Mittelfrequenzkurve spiegelt die Rate einer Ladungstransferreaktion wider. Die Kurve oder der Schwanz der niedrigeren Frequenzen spiegelt die Ionendiffusion innerhalb der aktiven Elektrodenmaterialien wider. Lage und Größe des Schwanzes können durch die Diffusionskonstanten und die Partikelgröße für das Elektrodenmaterial gesteuert werden. Jede dieser Zonen spiegelt physikalische und Materialeigenschaften wider, die den relevanten physikalisch-chemischen Phänomenen zugrunde liegen. Wenn eine Batterie altert oder sich anderweitig verändert, so ändern sich entsprechend die Impedanzinformationen in einem oder mehreren dieser Regimes.
Die Impedanzmessungen können mit einem Batteriemodell verwendet werden, um die Batteriephänomene zu charakterisieren. In bestimmten Ausführungsformen kann man die Modellparameter variieren, um zu bestimmen, welche Merkmale einer Batterie die Impedanz bei einer bestimmten Frequenz oder bestimmten Frequenzen beeinflussen. Alternativ kann man das Modell durch ein Optimierungsverfahren an experimentelle Impedanzdaten anpassen und die Eigenschaften untersuchen.
In bestimmten Ausführungsformen ist ein Batteriesystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, EIS in situ auszuführen, das heißt, während die Batterie in einer Vorrichtung, wie zum Beispiel einer konsumelektronischen Vorrichtung (Telefon, Kamera usw.) oder einem Fahrzeug (zum Beispiel einem Pkw, Lkw, Flugzeug, Boot oder Motorrad), installiert ist. In bestimmten Ausführungsformen führt das System EIS zu Zeiten durch, wenn die Batterie geladen und/oder nicht verwendet wird (zum Beispiel, wenn die Batterie nicht entladen wird; in der Regel, wenn ein Endbenutzer die Vorrichtung nicht verwendet). Das System kann EIS durchführen, indem es Stromimpulse mit verschiedenen Frequenzen anlegt und die resultierende Anschlussspannungsamplitude und -phase misst. Es kann ein ganzes Frequenzspektrum von mHz bis kHz oder eine Teilmenge davon abtasten. In einigen Implementierungen legt das System Spannungsimpulse an und misst die Stromreaktion der Batterie (an einem oder beiden Anschlüssen der Batterie). Das Batteriesystem kann dafür ausgelegt oder konfiguriert sein, die EIS so auszuführen, dass Informationen über einen Bereich von Batteriebedingungen hinweg erfasst werden: Zum Beispiel führt das System die EIS bei verschiedenen Ladezuständen, verschiedenen Temperaturen usw. durch.
Das System kann dafür konfiguriert sein, die EIS-Ergebnisse (zum Beispiel Größenordnung und Phase der Spannung) als eine Funktion von mindestens der angelegten Stromfrequenz und -größenordnung zu analysieren. Es kann diese Ergebnisse auch in Bezug auf einen oder mehrere der folgenden Batterieparameter analysieren: Temperatur, Ladezustand, und Gesundheit oder Alter (zum Beispiel Anzahl der Ladezyklen, Betriebstage usw.). Anhand der EIS-Ergebnisse kann das System bestimmen, ob sich eine Batterie (a) verhält, wie es für eine normale Batterie ähnlichen Alters erwartet wird, (b) in einer Weise verhält, die eine vorzeitige Degradation oder ein Ausfallrisiko nahe legt, oder (c) in einer Weise verhält, die ein Sicherheitsrisiko darstellt. Zum Beispiel ist eine Messung der Ionendiffusion in einer Elektrode bei einem bestimmten SOC und/oder einer bestimmten Temperatur ein Hinweis auf die Integrität des Elektrodenmaterials und des Batteriedesigns. Mechanische Spannungen in der Elektrode oder ein Bruch der Körner des Elektrodenmaterials können zu einer langsameren detektierten Diffusion führen, was anhand der Niederfrequenzinformationen zu beobachten ist. In ähnlicher Weise kann eine Verdickung der Festkörper-Elektrolyt-Grenzschicht (SEI-Schicht) in einer langsameren detektierten Diffusion sowie in einer Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften widergespiegelt werden, was anhand von Mittelfrequenzinformationen zu beobachten ist. Wenn sich die Batterie wie erwartet verhält, so kann das System ein Anpassen des Ladeprotokolls in Betracht ziehen, um ein schnelleres Laden zu ermöglichen. Wenn sich die Batterie in einer Weise verhält, die auf einen vorzeitigen Ausfall schließen lassen könnte, so kann das System einen Alarm an den Benutzer und/oder den Hersteller senden. Wenn ein solcher Alarm gesendet wird, so könnte er eine Garantieklausel für die Vorrichtung und/oder die Batterie auslösen, und/oder er könnte einen frühzeitigen Austausch der Batterie nahe legen. Alternativ oder zusätzlich kann das System das Ladeprotokoll anpassen, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, wenn sich die Batterie in einer Weise verhält, die auf einen vorzeitigen Ausfall schließen lassen könnte. Wenn sich die Batterie in einer Weise verhält, die ein Sicherheitsrisiko darstellt, so könnte das System die Vorrichtung abschalten und eine Warnung senden, um die Batterie oder die Vorrichtung sofort auszutauschen oder eine andere Vorsichtsmaßnahme zu ergreifen. Ein Sicherheitsrisiko könnte entstehen, wenn das System eine signifikante Plattierung von Lithium, einen hohen Temperaturausschlag, eine signifikante Elektrolytdegradation oder dergleichen bestimmt.
7a zeigt einen beispielhaften Prozessfluss zum Implementieren einer insitu-Frequenzbereichsanalyse einer Batterie. In der gezeigten Ausführungsform werden eine oder mehrere Stimulusfrequenzen an eine Batterie angelegt, und die Reaktion der Batterie bei der einen oder den mehreren Frequenzen gemessen. Die resultierenden Informationen werden analysiert, um frequenzspezifische Impedanzdaten bereitzustellen, die verwendet werden können, um ein oder mehrere physikalische Phänomene in der Batterie festzustellen (zum Beispiel lonentransport und/oder Grenzflächenreaktionen). Die frequenzspezifischen Impedanzinformationen können als Rückmeldung für ein adaptives Ladeverfahren und/oder für die Ausgabe von Benachrichtigungen, Warnungen oder das Ergreifen von Maßnahmen zur Vermeidung oder Minderung potenzieller Sicherheitsprobleme verwendet werden.
Wie in 7a gezeigt, beginnt ein Prozess 701 mit einer Operation 703, die das Anlegen eines frequenzspezifischen in-situ-Stimulus (zum Beispiel eines definierten Stroms oder einer definierten Spannung) an eine Batterie umfasst. Beispiele für frequenzspezifische Stimuli sind an anderer Stelle im vorliegenden Text beschrieben. Zum Beispiel kann ein oszillierendes Stromsignal über einen Bereich von Frequenzen abgetastet werden. In einigen Implementierungen wird der Stimulus als ein Bereich oder eine oder mehrere diskrete Frequenzen innerhalb des Bereichs von etwa 1 mHz bis 5 kHz bereitgestellt. Während die Batterie dem frequenzspezifischen Stimulus ausgesetzt wird, wird ihre frequenzspezifische Reaktion in situ gemessen oder überwacht. Siehe Operation 705. Beispiele für frequenzspezifische Messungen sind an anderer Stelle im vorliegenden Text beschrieben. Häufig bestimmen die Messungen die Amplitude der Reaktion und die Phase der Reaktion in Bezug auf den angelegten Stimulus. Zum Beispiel können die Phase und die Amplitude der Spannung einer Batterie in Reaktion auf einen oszillierenden Stromstimulus gemessen werden.
Mit Daten von sowohl dem Stimulus als auch der Reaktion kann der Prozess die Frequenzantwort der Batterie analysieren und optional die Impedanz bei mehreren Frequenzen bestimmen. Siehe Operation 707. Somit bestimmt der Prozess in einigen Fällen ein Impedanzspektrum die Batterie. Natürlich können die realen und imaginären Teile der Impedanz und/oder die zugehörige Amplitude und Phase der Impedanz berücksichtigt werden. Solche Informationen können auf die gleiche Weise wie EIS-Daten bestimmt und/oder verwendet werden. Zum Beispiel können, wie erläutert, die Impedanzdaten verwendet werden, um physikalische Bedingungen innerhalb einer Batterie festzustellen, wie zum Beispiel Transport- und Reaktionsphänomene. Der Stimulus kann entweder Strom oder Spannung sein, wobei die entsprechenden Reaktionen Spannung oder Strom sind.
Anhand der Analyse der Frequenzantwort kann der Prozess bestimmen, ob eine Benachrichtigung ausgegeben und/oder die Behandlung der Batterie modifiziert werden soll. Siehe Operation 709. Falls der Prozess bestimmt, dass er eine solche Benachrichtigung ausgeben oder eine solche Behandlung modifizieren sollte, so kann er eine entsprechende Benachrichtigung ausgeben und/oder die Behandlung der Batterie modifizieren (zum Beispiel einen Ladeprozess modifizieren). Siehe Operation 711. Wie angedeutet, kann das Modifizieren der Behandlung eine adaptive Ladeoperation umfassen.
Wie in 7a veranschaulicht, kann der Stimulus die Batterie in situ erfolgen, was bedeutet, dass die Operation stattfindet, während sich die Batterie in einer Vorrichtung befindet, die von ihr mit Strom versorgt wird. Zum Beispiel kann die Operation stattfinden, während die Batterie geladen oder entladen wird oder sich ungenutzt in der Vorrichtung befindet. Es ist zu beachten jedoch, dass die im vorliegenden Text beschriebenen Prozesse nicht auf in-situ-Prozesse beschränkt sind; in einigen Fällen wird der Prozess ausgeführt, während die Batterie aus der Vorrichtung herausgenommen ist.
Die Frequenz eines Stimulus, der ein physikalisches und/oder chemisches Phänomen eines bestimmten Batterietyps beeinflusst, entspricht dem Reziprok einer Zeitkonstante für das Phänomen. Zwar können die in Ausführungsformen dieser Offenbarung verwendeten Batterieinformationen durch einen Stimulus im Frequenzbereich und eine Analyse im Frequenzbereich auf die gleiche Weise wie bei der EIS erhalten werden, doch können ähnliche Informationen auch im Zeitbereich erfasst und zum Beispiel durch eine Fourier-Transformation in den Frequenzbereich umgewandelt werden. Die Analyse der resultierenden Daten kann im Frequenzbereich ausgeführt werden, wie es in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie üblich ist. Anstatt Stromimpulse mit verschiedenen Frequenzen anzulegen, kann zum Beispiel ein Batteriesystem diskrete Stromimpulse (zum Beispiel Lade- und Entladeimpulse) anlegen und die Spannung zu verschiedenen Zeiten nach dem oder den Stromimpulsen messen. Der oder die Stromimpulse und die daraus resultierenden Spannungsvariationen können in ihre verschiedenen Frequenz- (oder Oberwellen-) Komponenten zerlegt werden, aus denen der oder die Impulse bestehen. Mit diesen Informationen und der Spannungsreaktion zu verschiedenen Zeiten nach dem Impuls kann das System die Batteriecharakteristika bestimmen, die mit Stimuli bei verschiedenen Frequenzen verknüpft sind.
In einigen Ausführungsformen wird eine EIS-artige Analyse vollständig im Zeitbereich implementiert, indem einfache Stromvariationen, wie zum Beispiel Impulse (mit einer oder beiden Polaritäten und ohne Frequenzabtastung) angelegt und Spannungsreaktionen - und optional Temperaturreaktionen - im Zeitbereich (zu verschiedenen Zeiten nach dem Anlegen eines Stromimpulses) erfasst werden. Auf diese Weise kann das System alle Berechnungen im Zeitbereich durchführen, ohne jemals in den Frequenzbereich überzugehen. Die Zeitskala bestimmter Daten, die im Zeitbereich erhalten werden, entspricht den inversen Werten bestimmter Frequenzen, die mit verschiedenen Klassen physikalischer Batteriephänomene korrelieren, wie oben besprochen. Beim Ausführen von Batterieanalysen im Zeitbereich dient eine Flanke eines angelegten Stromsignals, die gegebenenfalls bei 0 Ampere beginnen oder enden könnte, als ein Stimulus, der das Messen der Reaktionsspannung an den Batterieanschlüssen zu verschiedenen Zeiten nach dem Anlegen der Flanke erlaubt, wobei diese verschiedenen Zeiten verschiedenen Frequenzen entsprechen.
7b zeigt einen beispielhaften Prozessfluss zum mindestens teilweisen Implementieren einer in-situ-Zeitbereichsanalyse einer Batterie. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 7a muss somit der Prozess nicht den Stimulus über einen Bereich von Frequenzen abtasten, muss nicht den Stimulus auf mehrere diskrete Frequenzen anwenden, und/oder muss nicht eine Phasenreaktion in Bezug auf den Stimulus messen. Die resultierenden Informationen können jedoch analysiert werden, um frequenzspezifische Daten zu bereitstellen, die verwendet werden können, um ein oder mehrere physikalische Phänomene in der Batterie festzustellen (zum Beispiel Ionentransport und/oder Grenzflächenreaktionen). In einigen Fällen werden die Impedanzwerte der Batterie aus den Zeitbereichsinformationen bereitgestellt. Wie bei den Frequenzbereichsprozessen können die resultierenden Informationen als Rückmeldung für ein adaptives Ladeverfahren und/oder für die Ausgabe von Benachrichtigungen, Warnungen oder das Ergreifen von Maßnahmen zur Vermeidung oder Minderung potenzieller Sicherheitsprobleme verwendet werden.
Wie in 7b gezeigt, beginnt ein Prozess 731 mit einer Operation 733, die das Anlegen einer in-situ-Flanke (zum Beispiel eines definierten Strom- oder Spannungsimpulses) an eine Batterie umfasst. In Abhängigkeit von der Schrittgröße, der Anstiegsrate, der Impulsbreite und/oder anderen Charakteristiken der Flanke können verschiedene Informationen, die verschiedenen Frequenzen und damit verschiedenen physikalischen Prozessen innerhalb die Batterie entsprechen, ermittelt werden. Wie bei dem Prozess von 7a misst und/oder überwacht der Prozess der Reaktion der Batterie (Spannung oder Strom) auf den in-situ-Schritt- oder Flankenstimulus. Siehe Operation 725. Wie an anderer Stelle ausführlicher erläutert, kann die Messung zu verschiedenen Zeiten nach Anwendung des Flanken- oder sonstigen Zeitbereichsstimulus erfolgen. Die Gesamtdauer der Messungen zusammen mit der Abtastfrequenz und der oder den Größenordnungen der gemessenen Reaktion stellen Informationen bereit, die verschiedenen frequenzabhängigen Impedanzen und damit verschiedenen physikalischen Prozessen in der Batterie entsprechen. Daher braucht ein Zeitbereichsprozess, wie zum Beispiel der von 7b, die Messungen nicht in den Frequenzbereich konvertieren oder anderweitig Analysen im Frequenzbereich durchführen. In bestimmten Ausführungsformen wandelt jedoch ein Prozess, der Zeitbereichsmessungen verwendet, die Reaktion der Batterie in Frequenzbereichsinformationen um, um eine Frequenzbereichsanalyse zu ermöglichen. Siehe die optionale Operation 727.
Unabhängig davon, ob eine Analyse im Zeitbereich oder im Frequenzbereich ausgeführt wird, kann der Prozess die Batterie in Bezug auf einen oder mehrere ihrer internen physikalischen Prozesse (zum Beispiel Transport- oder Reaktionsphänomene) charakterisieren. In einigen Fällen, wie in Operation 729 von 7b gezeigt, analysiert der Prozess der Reaktion der Batterie in mehreren Zeit- oder Frequenzregimes. Dies erlaubt es dem Prozess, verschiedene mögliche Probleme zu berücksichtigen, die sich auf das Sicherheitsverhalten einer Batterie auswirken können. In bestimmten Ausführungsformen betrachtet ein Batterieanalyseprozess im Zeitbereich die Leistung die Batterie zu einem oder mehreren Zeitpunkten innerhalb von etwa 0,001 bis 1000 Sekunden.
Anhand der Analyse der Zeit- oder Frequenzantwort kann der Prozess bestimmen, ob eine Benachrichtigung ausgegeben und/oder die Behandlung die Batterie geändert werden soll. Siehe Operation 731. Falls der Prozess bestimmt, dass er eine solche Benachrichtigung ausgeben oder eine solche Behandlung modifizieren sollte, so kann er eine entsprechende Benachrichtigung ausgeben und/oder die Behandlung der Batterie modifizieren (zum Beispiel einen Ladeprozess modifizieren). Siehe Operation 733. Wie angedeutet, kann das Modifizieren der Behandlung eine adaptive Ladeoperation umfassen.
Beispiele für Zeitbereichsstimulus und/oder Zeitbereichsmessung
Stimulus
Es können verschiedene Arten von Stimuli auf die Batterie angewendet werden. Ein Stimulus-Zeitbereichssignal kann ein Ladesignal oder ein Entladesignal verwenden. Wenn ein Ladestimulus verwendet wird, dann ist die Spannungsänderung im Zeitbereich positiv. Wenn ein Entladesignal oder ein Entladeimpuls verwendet wird, dann ist die Spannungsänderung im Zeitbereich negativ. Der Stromstimulus kann eine einzelne Flanke (zum Beispiel eine Stufe), ein Impuls oder eine andere Form sein. Die Dauer und die Anstiegsrate der Flanke definieren die maximale Bandbreite der Oberwellenfrequenzen, die die Reaktion der Batterie anregen. Zum Beispiel hat ein Impuls der Dauer T eine Spektralenergie bei der Hauptfrequenzkomponente 1/2T und harmonische Vielfache bei n x 1/2T, wobei n = 2, 3, 4 usw.
Reaktion
Verschiedene Arten von Signalen, die durch die Batterie in Reaktion auf einen Stimulus generiert werden, können überwacht oder detektiert werden, um Informationen über die Charakteristiken der Batterie zu erhalten. Zum Beispiel können Spannungs- und/oder Stromreaktionen an einem oder mehreren Zeitpunkten nach dem Anlegen des Stimulus gemessen werden.
In bestimmten Ausführungsformen wird die Spannungsreaktion auf den Stimulus mit unterschiedlichen Zeitspannen während und nach dem Stimulus gemessen. Die Dauer, mit der die Spannungsmessung ausgeführt wird, ist umgekehrt proportional zur gewünschten Frequenz oder Oberwelle des Stimulus. Eine Messdauer, die sich über eine längere Zeit erstreckt, ist eine Messreaktion, die mehrere Frequenzkomponenten enthält, und ist eine lineare Überlagerung der Werte über den gewünschten Spektralbereich. Diese Äquivalenz von Zeitbereich und Frequenzbereich ist dem Fachmann vertraut. Sie wird in Lehrbüchern über Fourier-Transformationen beschrieben, wie zum Beispiel in „The Fourier Transform and its Application“, 2. Auflage, von Ronald Bracewell, Herausgeber: McGraw-Hill, das hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
In einem Beispiel enthält eine CPV-Messung, die über eine Dauer von 1 Sekunde ausgeführt wird, eine spektrale Information, die 1 Hz äquivalent ist, und entspricht der Zone im EIS-Diagramm, die die Ionendiffusion in festem Elektrodenmaterial oder in Festkörperelektrolyten widerspiegelt. In ähnlicher Weise enthält eine Teilrelaxationsmessung, die über eine Dauer von wenigen bis Hunderten Millisekunden ausgeführt wird, eine spektrale Information, die mehreren zehn bis Tausenden von Hz äquivalent ist, und entspricht der Zone in einem EIS-Diagramm, die eine oder mehrere Oberflächenladungsschichten, Ladungskinetik und Leitereigenschaften widerspiegelt.
Die Spannungsmessung kann eine Messung zwischen zwei Punkten sein: einem ersten Startpunkt, wenn der Stimulus angelegt wird, und einem zweiten Endpunkt, der später folgt. Der Spektralgehalt verhält sich umgekehrt proportional zur Dauer zwischen den beiden Punkten. Der Spektralgehalt wird auch durch die Abtastrate beeinflusst. Die Spannungsmessung kann M Abtastungen zwischen diesen beiden Punkten enthalten, wobei in diesem Fall der Spektralgehalt um den Faktor M/2 erhöht wird. Die gewünschte Abtastrate (und der inhärente Spektralgehalt) hängt von vielen chemisch-physikalischen Prozessen ab, die diagnostiziert werden sollen.
Vergleich von Reaktions- und Stimulussignalen
Das Messen der Spannungsreaktion und ihrer entsprechenden Zeitkonstante stellt eine quantitative Messung der chemisch-physikalischen Prozesse bereit, die bei hoher Frequenz stattfinden, zum Beispiel Filmwiderstand oder Doppelschichtcharakteristiken (siehe 6). Zum Generieren und Interpretation von Reaktionsdaten können verschiedene Ansätze verwendet werden. Ein System kann dafür ausgelegt oder konfiguriert sein, Parameter, wie zum Beispiel die Größenordnung des angelegten Stimulus, die Dauer des Stimulus und die Reaktion sowie die Anzahl der Messungen oder Abtastungen, die während dieser Zeitspannen vorgenommen werden, zu steuern.
Die Spannungsmessung kann durch drei Sätze von Werten charakterisiert werden: die Spannungsamplitude an jedem Abtastpunkt, die Dauer des Messzeitraums, und die Anzahl der in diesem Zeitraum vorgenommenen Abtastungen. Entsprechend kann auch der Stimulusstrom gemessen und durch drei Gruppen von Werten charakterisiert werden: die Stromamplitude an jedem Abtastpunkt, die Dauer des Messzeitraums, und die Anzahl der in diesem Zeitraum vorgenommenen Abtastungen. Die Anzahl der Abtastungen verhält sich umgekehrt proportional zum maximalen Spektralgehalt. Die Spannungs- und Stromwerte an jedem Abtastpunkt stehen mit dem komplexen Impedanzwert bei einer bestimmten Frequenz in Beziehung, wobei sich diese Abtastfrequenz umgekehrt proportional zu dem Abtastzeitraum verhält. Die Spannungs- und Stromwerte am Ende des Messzeitraums stehen zu dem komplexen Impedanzwert bei einer anderen, niedrigeren Abtastfrequenz in Beziehung, wobei sich die Frequenz umgekehrt proportional zu dem längeren Messzeitraum verhält. Die Differenz zwischen der oberen und der unteren Frequenz ist die Bandbreite selbst, auf den gesamten Messzeitraum bezogen. Der Fachmann versteht die Beziehung zwischen Abtastzeiten, Abtastfrequenzen und Bandbreite, die in der Kommunikationstheorie häufig verwendet wird. Folglich steht eine solche im Zeitbereich ausgeführte Messtechnik eine quantitative Analyse der Impedanz in verschiedenen Frequenzzonen in dem EIS-Diagramm bereit, ohne dass Frequenzsignale angelegt werden oder rechenintensive Frequenztransformationen verwendet werden. Häufig ist das Implementieren von Zeitbereichsmessungen praktischer als das Implementieren von Frequenzbereichsmessungen .
Der Stimulusstrom kann ein Entladeimpuls von kurzer Dauer sein, was einen hochfrequenten Stimulus für die Batterie impliziert. Ein Entladeimpuls von solch kurzer Dauer hat allenfalls sehr geringe Auswirkungen auf das Abziehen von Ladung aus der Batterie.
7c veranschaulicht Beispiele für die Zeitbereichserfassung elektrochemischer Daten und zugehöriger Frequenzbereichspositionen in einem Nyquist-Diagramm. Die Figur zeigt, wie verschiedene Ladestromstimuli und Spannungsmessungen, die mit verschiedenen Zeitbereichen verknüpft sind, verschiedenen Batteriephänomenen entsprechen.
In einem ersten Beispiel ist ein Strom-Spannungs-Diagramm für eine Batteriesondierungstechnik mit hoher Frequenz (das heißt, mit kleiner Zeitkonstante) im unteren linken Abschnitt der Figur gezeigt. Wie gezeigt, generiert ein negativer Impuls mit einer steilen Flanke zusammen mit einer hohen Abtastrate Daten, die auf hochfrequente Batteriephänomene wie zum Beispiel die Diffusion von Ionen im Elektrolyten hinweisen. Dies sind Informationen, die mit niedrigeren Werten der realen Komponente der Impedanz verknüpft sind, wie in dem entsprechenden Nyquist-Diagramm im oberen Abschnitt der Zeichnung veranschaulicht ist.
In einem zweiten Beispiel ist ein Strom-Spannungs-Diagramm für eine Batteriesondierungstechnik mit geringerer Frequenz (das heißt, mit großer Zeitkonstante) im unteren rechten Abschnitt der Figur gezeigt.
Wie gezeigt, generiert ein positiver Ladeimpuls mit einer flachen Flanke (mit niedriger Anstiegsrate) zusammen mit einer niedrigen Abtastrate Daten, die auf niederfrequente Batteriephänomene wie zum Beispiel die Diffusion von Ionen in einer Festphasenelektrode hinweisen. Dies sind Informationen, die mit höheren Werten der realen und imaginären Komponenten der Impedanz verknüpft sind, wie in dem entsprechenden Nyquist-Diagramm veranschaulicht ist.
Abhilfemaßnahmen, wie zum Beispiel Justierungen des Ladeprozesses
Die quantitative Analyse der Impedanz in verschiedenen Zonen des EIS-Diagramms kann als ein direkter Mechanismus zur Diagnose von Änderungen der Charakteristiken die Batterie verwendet werden. Insbesondere Änderungen der von Zyklus zu Zyklus gemessenen Werte bei einem gegebenen SOC erlauben eine besonders gezielte Diagnose einer oder mehrerer physikalischer Eigenschaften der Batterie und ihrer Materialien. Zum Beispiel kann eine Änderung des CPV-Wertes von Zyklus zu Zyklus auf eine Degradation eines der zugrundeliegenden physikalischen/chemischen Prozesse der Batterie hinweisen und kann für den Beginn einer inneren Beschädigung der Elektrodenmaterialien oder das Vorhandensein einer Metallplattierung repräsentativ sein. Solche gezielten Diagnoseinformationen können verwendet werden, um die Amplitude des Ladestroms in einem Regelkreissystem zu modifizieren, um die verschlechterte Gesundheit der Batterie zu beheben.
Vorrichtung
Die Vorrichtung, die zum Generieren von Zeit- und/oder Frequenzbereichs-Batteriedaten und/oder zum Analysieren des Zustands einer Batterie unter Verwendung solcher Daten verwendet wird, kann viele Konfigurationen haben. In einigen Fällen werden alle oder die meisten der gemessenen Batteriedaten (zum Beispiel Strom, Spannung und Temperatur) durch ein einzelnes Modul oder einen einzelnen Schaltkreis erfasst, während in anderen Fällen die Batteriedaten durch mehrere Module und/oder Schaltkreise erfasst werden. Zu diesem Zweck können Batterieüberwachungskreise und/oder Ladekreise verwendet werden. In einigen Fällen kann die Batteriesteuerungslogik unabhängig davon, ob sie allein oder in Verbindung mit Batterieüberwachungs- und/oder Ladeschaltungen arbeitet, zum Erfassen der Batteriedaten verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen werden die Batteriedaten durch ein Modul, einen Schaltkreis oder eine Logik erfasst, das, der bzw. die direkt mit einer Batterie verbunden ist, wie zum Beispiel einem Schaltkreis oder einen Modul, der bzw. das physisch an einer elektronischen Vorrichtung, in der sich die Batterie befindet, angebracht, daran montiert oder darin untergebracht ist. In anderen Ausführungsformen werden die Batteriedaten durch ein Modul, einen Schaltkreis oder einer Logik erfasst, das, der bzw. die von der Batterie und/oder der durch die Batterie versorgten elektronischen Vorrichtung räumlich entfernt ist. Zum Beispiel kann das Modul, der Schaltkreis oder die Logik über eine verdrahtete oder drahtlose Verbindung mit der Batterie und/oder der Vorrichtung gekoppelt sein.
Die Vorrichtung, die die Batteriesteuerungslogik betreibt, so kann die gleiche Vorrichtung sein, die zum Sammeln der Batteriedaten verwendet wird, oder kann eine eigenständige Vorrichtung sein, wie zum Beispiel eine Mobilvorrichtung, ein Server oder eine verteilte Zusammenstellung räumlich abgesetzter Verarbeitungsvorrichtungen. In einigen Implementierungen wird eine Cloud-basierte Anwendung zum Speichern und Betreiben die Batteriesteuerungslogik verwendet. In bestimmten Ausführungsformen wird die Vorrichtung, die zum Sammeln von Batteriedaten verwendet wird, auch zum adaptiven Laden einer Batterie verwendet.
1 zeigt in Blockform ein Batterieüberwachungs-/-ladesystem, das dafür konfiguriert sein kann, Zeit- und/oder Frequenzbereichsdaten von einer Batterie zu erhalten und analysiert und optional eine Batterie adaptiv zu laden. Die Vorrichtung enthält eine Ladeschaltung 112, die auf Steuersignale anspricht, um ein Ladesignal zu erzeugen, das an die Anschlüsse der Batterie angelegt wird. Die Vorrichtung enthält außerdem eine Messschaltung 114, die mit der Batterie gekoppelt ist, um Spannung, Strom und/oder andere Batterieparameterwerte zu messen, die für das adaptive Laden verwendet werden können. Die Steuerschaltung 116 ist mit der Ladeschaltung und der Messschaltung gekoppelt. Die Steuerschaltung ist dafür konfiguriert, unter Verwendung von durch die Überwachungsschaltung empfangenen Daten ein oder mehrere Steuersignale zu generieren, um eine oder mehrere Charakteristiken eines Ladepaketes im Kontext des adaptiven Ladens anzupassen. In einigen Fällen kann die Steuerschaltung auch Funktionen bei der Überwachung der Batterieleistung und der Erfassung von Batterieparameterwerten übernehmen.
Ladeschaltung
In einer Ausführungsform ist die Ladeschaltung112 dafür ausgelegt und/oder konfiguriert, in Reaktion auf die Steuerschaltung ein oder mehrere Ladesignale an die Batterie anzulegen. Die Ladeschaltung kann eine Stromquelle und/oder eine Spannungsquelle enthalten, um elektrische Ladung an die Anschlüsse der Batterie 118 anzulegen. Die durch die Ladeschaltung angelegten Ladesignale können ein oder mehrere Ladesignale enthalten, die einen Nettoeingang von Ladung oder Strom in die Batterie bereitstellen (siehe zum Beispiel 3a und 3b), und können ein oder mehrere Entladesignale enthalten, die einen Nettoabzug von Ladung oder Strom aus der Batterie bereitstellen (siehe zum Beispiel 3c und 3d).
Die adaptive Ladeschaltung und adaptiven Ladetechniken können jede beliebige Ladeschaltung verwenden, ob im vorliegenden Text beschrieben, jetzt bekannt oder später entwickelt, um die Batterie zu laden; alle derartigen Ladeschaltungen sollen in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen. Zum Beispiel kann die Ladeschaltung Lade- und Entladesignale, -pakete und -impulse (wie im vorliegenden Text beschrieben) generieren. Vor allem spricht die Ladeschaltung allgemein auf Steuersignale von der Steuerschaltung an.
Wie oben mit Bezug auf die 4a-4g erläutert, können die Lade- und Entladesignale mehrere Ladepakete enthalten, wobei jedes Ladepaket einen oder mehrere Ladeimpulse und - in bestimmten Ausführungsformen - einen oder mehrere Entladeimpulse enthält. Die Lade- und Entladesignale können auch ein oder mehrere Entladepakete enthalten, wobei jedes Entladepaket einen oder mehrere Entladeimpulse enthält. Die Lade- und Entladesignale können praktisch auch Ladepakete und ein oder mehrere Entladepakete enthalten, wobei jedes Ladepaket und Entladepaket einen oder mehrere Ladeimpulse und/oder einen oder mehrere Entladeimpulse enthält.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Ladeschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert, oszillierende Strom- und/oder Spannungssignale an die Batterie anzulegen. Solche oszillierenden Signale können mit einer festen Frequenz, mehreren diskreten Frequenzen oder einem Kontinuum von Frequenzen bereitgestellt werden. Wie an anderer Stelle im vorliegenden Text erläutert, stimulieren verschiedene Frequenzen eigenständige physikalische Phänomene innerhalb einer Batterie. In bestimmten Ausführungsformen ist die Ladeschaltung dafür ausgelegt und/oder konfiguriert, die Frequenz von an die Batterie angelegten Stromsignalen programmierbar zu variieren.
B. Überwachungsschaltung
Die Überwachungsschaltung 114 ist dafür ausgelegt und/oder konfiguriert, kontinuierlich oder periodisch (zum Beispiel bei zuvor festgelegten Ladezuständen) einen oder mehrere Zustände oder Charakteristiken die Batterie zu messen, zu überwachen, zu erfassen, zu detektieren und/oder abzutasten. Zum Beispiel kann die Überwachungsschaltung die Anschlussspannung (eine Leerlaufspannung (OCV) oder eine Arbeitsspannung (CCV)), die Spannungsreaktion der Batterie auf einen oder mehrere Ladeimpulse, oszillierenden Strom mit variierenden Frequenzen und/oder die Temperatur die Batterie messen. In einer Ausführungsform enthält die Überwachungsschaltung einen Sensor zum Bestimmen einer Spannung (zum Beispiel einen Spannungsmesser) und/oder einen Sensor zum Bestimmen eines Stroms (zum Beispiel ein Strommesser). Die Überwachungsschaltung übermittelt Daten, die für den Zustand oder die Charakteristiken der Batterie repräsentativ sind, an die Steuerschaltung. Darüber hinaus kann die Überwachungsschaltung einen oder mehrere Temperatursensoren enthalten, die thermisch mit der Batterie gekoppelt sind, um Daten zu generieren, zu messen und/oder bereitzustellen, die für die Temperatur der Batterie repräsentativ sind. Die Überwachungsschaltung und die Überwachungstechniken können jene sein, die im vorliegenden Text beschrieben sind, jetzt bekannt sind oder später entwickelt werden, um Daten zu erfassen, die durch die Steuerschaltung verwendet werden, um das Ladeprofil der Batterie anzupassen; alle derartigen Überwachungskreise und Überwachungstechniken sollen in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen.
Steuerschaltung
In bestimmten Ausführungsformen ist die Steuerschaltung 116 dafür ausgelegt und/oder konfiguriert, Daten von der Überwachungsschaltung zu verwenden, um den Status oder den Zustand der Batterie in Verbindung mit dem Lade- oder Wiederaufladeprozess zu berechnen, zu bestimmen und/oder zu beurteilen. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung eine Änderung der Anschlussspannung der Batterie in Reaktion auf eine Ladung oder einen Strom, die bzw. der an die Batterie angelegt oder in sie eingespeist wird, berechnen, bestimmen und/oder schätzen. Die Steuerschaltung kann auch eines, mehrere oder alles von einem SOC der Batterie, einem SOH der Batterie, einer Teilrelaxationszeit der Batterie, einem Überpotenzial der Batterie und/oder einer vollständigen Relaxationszeit der Batterie berechnen, bestimmen und/oder schätzen. Die Steuerschaltung kann auch eine oder mehrere physikalische Charakteristiken der Batterie oder einen oder mehrere mit den physikalischen Charakteristiken verknüpften Batterieparameter berechnen, bestimmen und/oder schätzen. Wie erläutert, gehören zu Beispielen für physikalische Charakteristiken der Batterie die Diffusion von Ionen im Elektrolyten der Batterie, die Diffusion von Ionen in einer der Elektroden der Batterie, Reaktionen an der Anode der Batterie, usw. Zu Beispielen für Parameter, die mit solchen physikalischen Charakteristiken verknüpft sind, gehören Diffusionskoeffizienten, Reaktionsratenkonstanten (oder Reaktionen beliebiger Ordnung), usw.
Die Steuerschaltung kann auch eine Ladesequenz oder ein Ladeprofil auf der Grundlage oder unter Verwendung einer oder mehrerer der adaptiven Ladetechniken und -algorithmen berechnen, bestimmen und/oder implementieren. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung dafür konfiguriert sein, beliebige der im vorliegenden Text beschriebenen Lade- oder Entladejustierungen zu implementieren, um einer tatsächlichen oder potenziellen Degradation der Batterie entgegenzuwirken. In dieser Hinsicht passt die Steuerschaltung eine oder mehrere Charakteristiken der Ladung oder des Stroms, die bzw. der an die Batterie angelegt oder in sie eingespeist werden, an, justiert sie und/oder steuert sie (über das Steuern des Betriebes der Ladeschaltung), dergestalt, dass die Anschlussspannung, das Ändern der Anschlussspannung oder ein anderer Batterieparameter (in Reaktion auf die Ladung oder den Strom, die bzw. der während einer Lade- oder Wiederaufladesequenz/-operation an die Batterie angelegt oder in sie eingespeist wird) innerhalb eines zuvor festgelegten Bereichs und/oder unter einem zuvor festgelegten Wert liegt. In dieser Hinsicht können eine oder mehrere Charakteristiken des Ladesignals angepasst werden, um Batterieparameter wie zum Beispiel die Anschlussspannung oder eine Relaxationszeit zu steuern und/oder zu managen. Zusätzlich zum Anpassen der Abfolge von Ladesignalen, Entladesignalen und Ruhezeiträumen - in Beziehung zueinander- kann die Steuerschaltung eine oder mehrere der variablen Charakteristiken eines Ladesignals variieren, justieren und/oder steuern. In einigen Fällen kann die Steuerschaltung dafür konfiguriert sein, eine gewünschte oder zuvor festgelegte Relaxationszeit oder einen gewünschten oder zuvor festgelegten Relaxationszeitraum (zum Beispiel eine Relaxationszeit, die innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt) zu erhalten oder bereitzustellen, indem sie die Menge an elektrischer Ladung, die während eines Entladezeitraums abgezogen wird, die Menge an elektrischer Ladung, die während eines Ladezeitraums hinzugefügt wird, und/oder die Charakteristiken eines Ruhezeitraums justiert und/oder steuert. In einer Ausführungsform verwendet die adaptive Ladetechnik oder der adaptive Ladealgorithmus eine Abfolge von Entladesignalen, wobei die Relaxationszeit nach jedem der Entladesignale berechnet, bestimmt und/oder gemessen wird. Auf diese Weise kann die Steuerschaltung adaptiv die Gesamtmenge an elektrischer Ladung bestimmen, die abzuziehen ist (und in Reaktion darauf die Ladeschaltung entsprechend steuern).
Die Steuerschaltung kann einen oder mehrere Prozessoren, eine oder mehrere Zustandsmaschinen, ein oder mehrere Gate-Arrays, programmierbare Gate-Arrays und/oder feldprogrammierbare Gate-Arrays und/oder eine Kombination davon enthalten. Die Steuerschaltung und die Überwachungsschaltung können praktisch Schaltungen untereinander sowie mit anderen Elementen gemeinsam nutzen; solche Schaltungen können zwischen mehreren integrierten Schaltkreisen verteilt sein, die auch eine oder mehrere andere Operationen ausführen können, die von den im vorliegenden Text beschriebenen getrennt und verschieden sein können. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung in einer Vorrichtung untergebracht sein, die die Batterie enthält. Alternativ kann eine Batterie in einer elektronischen Vorrichtung untergebracht sein, während die Steuerschaltung anderswo untergebracht sein kann. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung auf einem räumlich abgesetzten Server oder in einer Cloud-basierten Anwendung arbeiten. In einigen Fällen kann die Steuerschaltung mit der Überwachungsschaltung und/oder der Ladeschaltung über drahtlose oder drahtgebundene Kommunikation gekoppelt sein. In einigen Fällen kann die Steuerschaltung dafür konfiguriert sein, identifizierte Parameterwerte auf einem räumlich abgesetzten Server zu speichern, und in einigen Fällen können die Steuerschaltungsalgorithmen durch einen Benutzer aktualisiert werden.
Die Steuerschaltung kann eine oder mehrere Anwendungen, Routinen, Programme und/oder Datenstrukturen ausführen, die bestimmte im vorliegenden Text beschriebene und veranschaulichte Verfahren, Techniken, Aufgaben oder Operationen implementieren. Die Funktionalität der Anwendungen, Routinen oder Programme kann kombiniert oder verteilt sein. Darüber hinaus können die Anwendungen, Routinen oder Programme durch die Steuerschaltung unter Verwendung einer beliebigen Programmiersprache implementiert werden, unabhängig davon, ob diese heute bekannt ist oder später entwickelt wird, zum Beispiel Assembler, FORTRAN, C, C++ und BASIC, und unabhängig davon, ob es sich um kompilierten oder nicht-kompilierten Code handelt; alle diese Programmiersprachen sollen in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen.
Zusätzliche Ausführungsformen
Es ist zu beachten, dass die Schaltungen der vorliegenden Offenbarung die Steuer-/Verarbeitungsschaltung, die Überwachungsschaltung und/oder die Ladeschaltung enthalten und/oder verwenden können, die in der PCT-Anmeldung mit der Seriennummer PCT/ US2012/30618 , der US-Anmeldung mit der Seriennummer 13/366,352 , der US-Anmeldung mit der Seriennummer 13/626,605 , der US-Anmeldung mit der Seriennummer 13/657,841 und der US-Anmeldung mit der Seriennummer 13/747,914 beschrieben und veranschaulicht sind, die alle hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Der Kürze halber wird die Besprechung bezüglich solcher Schaltungen im Kontext der Techniken der vorliegenden Offenbarung nicht wiederholt.
Der Speicher, der die Daten, Gleichungen, Beziehungen, Instruktionen zum Ausführen von Batteriemodellen und/oder die Nachschlagetabelle speichert, kann permanenter, semi-permanenter oder temporärer (das heißt, ein bis zur Neuprogrammierung speichernder) Speicher sein, der zum Beispiel in der Steuerschaltung diskret oder resident (das heißt, in sie integriert ist) ist. Insofern kann der Speicher in einer Ausführungsform einmalig programmierbar sein, oder Daten, Gleichungen, Beziehungen und/oder Nachschlagetabellen, die durch die Steuer-/Verarbeitungsschaltung verwendet werden, können einmalig programmierbar sein (zum Beispiel während eines Tests oder bei der Herstellung programmiert). In einer anderen Ausführungsform ist der Speicher mehr als einmal programmierbar, und insofern können die durch die Steuerschaltung verwendeten zuvor festgelegten Werte und/oder Bandgrenzen nach einem Test und/oder der Herstellung modifiziert werden. Zum Beispiel können die zuvor festgelegten Werte und/oder Bandgrenzen durch die Steuerungslogik oder durch ein Firmware-Update modifiziert werden. In bestimmten Ausführungsformen ist der Speicher ein nicht-transitorischer Speicher.
In einigen Ausführungsformen kann sich der Speicher zum Speichern von Daten, Gleichungen, ausführbaren Instruktionen, Beziehungen und/oder Batterieparameterwerten in einer Batterieeinheit befinden. Indem der Speicher physisch an einer Batterie selbst angebracht wird, ist es möglich, die Parameter einer Batterie selbst dann zu erfassen und aufzuzeichnen, wenn die Batterie zwischen mehreren Vorrichtungen verwendet wird. Zum Beispiel kann ein Batteriegehäuse einen dauerhaft angebrachten Speicher oder einen abnehmbaren Speicher aufweisen. In einigen Fällen kann ein physisch angebrachter Speicher dafür konfiguriert sein, mit der Vorrichtung, an der die Batterie angebracht ist, über drahtlose Kommunikation zu kommunizieren. Zum Beispiel kann eine Batterie einen RFID mit Speicher haben. In einigen Fällen kann eine Batterie mit Verbindungsstiften konfiguriert sein, die zum Übertragen von Informationen an die Vorrichtung, an der eine Batterie angebracht ist, verwendet werden können.
Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Lehren sind viele Modifizierungen, Variationen, Kombinationen und/oder Abwandlungen möglich. Obgleich die beispielhaften Ausführungsformen und/oder Techniken im Kontext von Verfahren, Schaltungen und Techniken für eine auf Lithiumionen-Technologie/-Chemie basierende Batterie/Zelle (zum Beispiel Lithium-Kobalt-Oxid, Lithium-Mangan-Oxid, Lithium-Eisen-Phosphat und Lithium-Eisen-Sulfid) beschrieben und/oder veranschaulicht sind, können zum Beispiel die im vorliegenden Text beschriebenen und/oder veranschaulichten Konzepte auch in Verbindung mit anderen chemischen Zusammensetzungen und Technologien für Elektrolytbatterien/-zellen mit einer oder mehreren Anoden, die wässrige oder nichtwässrige Elektrolyten umfassen, und verschiedenen Anoden- und Katodenmaterialien implementiert werden. Zu Beispielen für Anodenmaterialien gehören Lithium-Metall (zum Beispiel Lithium-Metall-Folie), Silizium oder Silizium-Legierungen sowie ein oder mehrere weitere Materialien, einschließlich beispielsweise andere Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien, Zinn-Legierungen und Zinn-Graphit-Verbundmaterialien. Elektrolyte können Flüssig-, Gel- oder Festphasenelektrolyte sein. Batterien, die nichts mit Lithiumionen-Batterien oder gar Interkalationsbatterien zu tun haben, können im Kontext von dieser Offenbarung ebenfalls brauchbar sein. Beispiele hierfür sind Nickel-Metallhydrid-Batterien, Nickel-Zink-Batterien, Lithium-Metall-Batterien (zum Beispiel Lithium-Schwefel-Batterien) und verschiedene Arten von Festkörperbatterien. Darum versteht es sich, dass auch andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass Funktionsänderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die obige Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen wurde mithin zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung vorgestellt. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Offenbarung nicht allein auf die obige Beschreibung beschränkt ist.
Es ist des Weiteren anzumerken, dass die verschiedenen im vorliegenden Text offenbarten Schaltkreise und Schaltungen unter Verwendung computergestützter Design-Tools beschrieben und als Daten und/oder Instruktionen, die in verschiedenen computerlesbaren Medien verkörpert sind, in Bezug auf ihre Verhaltens-, Registerübertragungs-, Logikkomponenten-, Transistor-, Layout-Geometrie- und/oder sonstigen Charakteristiken ausgedrückt (oder dargestellt) werden können. Zu den Formaten von Dateien und anderen Objekten, in denen solche Schaltkreisausdrücke implementiert werden können, gehören beispielsweise Formate, die Verhaltenssprachen unterstützen, wie zum Beispiel C, Verilog und HLDL, Formate, die Beschreibungssprachen auf Registerebene unterstützen, wie zum Beispiel RTL, und Formate, die Geometriebeschreibungssprachen unterstützen, wie zum Beispiel GDSII, GDSIII, GDSIV, CIF, MEBES, sowie alle sonstigen Formate und/oder Sprachen, die jetzt bekannt sind oder später entwickelt werden. Zu computerlesbaren Medien, in denen solche formatierten Daten und/oder Instruktionen verkörpert sein können, gehören beispielsweise nicht-flüchtige Speichermedien in verschiedenen Formen (zum Beispiel optische, magnetische oder Halbleiter-Speichermedien). Zu Beispielen für Übertragungen solcher formatierter Daten und/oder Instruktionen gehören beispielsweise Übertragungen (Uploads, Downloads, E-Mail usw.) über das Internet und/oder andere Computernetze über ein oder mehrere Datenübertragungsprotokolle (zum Beispiel HTTP, FTP, SMTP usw.).
Wenn sie in einem Computersystem über ein oder mehrere computerlesbare Medien empfangen werden, so können solche daten- und/oder instruktionsbasierten Ausdrücke der beschriebenen Schaltkreise durch eine Verarbeitungseinheit (zum Beispiel einen oder mehrere Prozessoren) innerhalb des Computersystems in Verbindung mit der Ausführung eines oder mehrerer anderer Computerprogramme verarbeitet werden, einschließlich beispielsweise Netzlistengenerierungsprogramme, Platzierungs- und Routungsprogramme und dergleichen, um eine Darstellung oder ein Bild einer physischen Manifestation solcher Schaltkreise zu generieren. Eine solche Darstellung oder ein solches Bild kann anschließend bei der Fertigung von Vorrichtungen verwendet werden, indem zum Beispiel das Generieren einer oder mehrerer Masken ermöglicht wird, die zum Bilden verschiedener Komponenten der Schaltkreise in einem Vorrichtungsfertigungsprozess verwendet werden.
Darüber hinaus können die verschiedenen im vorliegenden Text offenbarten Schaltkreise und Schaltungen sowie Techniken durch Simulationen unter Verwendung computergestützter Design- und/oder Testtools dargestellt werden. Die Simulation der Ladeschaltung, der Steuerschaltung und/oder der Überwachungsschaltung und/oder der durch sie implementierten Techniken kann durch ein Computersystem implementiert werden, in dem Charakteristiken und Operationen solcher Schaltungen und der durch sie implementierten Techniken über ein Computersystem imitiert, repliziert und/oder vorhergesagt werden. Die vorliegende Offenbarung betrifft auch solche Simulationen der offenbarten Ladeschaltung, Steuerschaltung und/oder Überwachungsschaltung und/oder der durch sie implementierten Techniken, die mithin alle in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen sollen. Die computerlesbaren Medien, die solchen Simulationen und/oder Testtools entsprechen, sollen ebenfalls in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen.
Insbesondere bedeutet die Erwähnung von „eine bestimmte Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ im vorliegenden Text, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Charakteristikum, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in einer, einigen oder allen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Die Verwendungen oder das Vorkommen des Ausdrucks „in einer bestimmten Ausführungsform“ oder „in einer anderen Ausführungsform“ in der Spezifikation beziehen sich weder auf dieselbe Ausführungsform, noch schließen separate oder alternative Ausführungsformen zwangsläufig eine oder mehrere andere Ausführungsformen gegenseitig aus. Das Gleiche gilt für den Begriff „Implementierung“. Die vorliegende Offenbarung ist weder auf einen einzelnen Aspekt, noch auf eine einzelne Ausführungsform, noch auf Kombinationen und/oder Abwandlungen solcher Aspekte und/oder Ausführungsformen beschränkt. Darüber hinaus kann jeder der Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder ihrer Ausführungsformen allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der anderen Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder ihrer Ausführungsformen verwendet werden. Der Kürze halber werden bestimmte Abwandlungen und Kombinationen hier nicht gesondert besprochen und/oder veranschaulicht.
Des Weiteren ist eine im vorliegenden Text als beispielhaft beschriebene Ausführungsform oder Implementierung nicht als bevorzugt oder vorteilhaft zum Beispiel gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen auszulegen; vielmehr soll damit vermittelt oder angezeigt werden, dass es sich bei der Ausführungsform oder den Ausführungsformen um eine oder mehrere beispielhafte Ausführungsformen handelt.
In den Ansprüchen meint der Begriff „bestimmen“ und „berechnen“ und andere Formen davon (das heißt, bestimmend, bestimmt und dergleichen oder berechnend, berechnet und dergleichen) unter anderem berechnen, beurteilen, bestimmen und/oder schätzen und andere Formen davon.
Darüber hinaus meint die Formulierung „Bestimmen eines Ladezustands der Batterie“ und „Berechnen eines Ladezustands der Batterie“ in den Ansprüchen das Bestimmen, Detektieren, Berechnen, Schätzen und/oder Messen eines Ladezustands der Batterie und/oder einer Änderung eines Ladezustands der Batterie/Zelle. In ähnlicher Weise bedeutet die Formulierung „Berechnen eines Gesundheitszustands der Batterie“ und „Bestimmen eines Gesundheitszustands der Batterie“ in den Ansprüchen das Bestimmen, Detektieren, Berechnen, Schätzen und/oder Messen eines Gesundheitszustands der Batterie und/oder einer Änderung eines Gesundheitszustands der Batterie/Zelle.
Darüber hinaus bezeichnen die Begriffe „erste“, „zweite“ und dergleichen im vorliegenden Text keine Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern werden verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Darüber hinaus bezeichnen die Begriffe „ein/einer/eine“ im vorliegenden Text keine Mengenbegrenzung, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem der genannten Elemente. Des Weiteren kann der Begriff „Daten“ unter anderem ein oder mehrere Strom- oder Spannungssignale meinen, sei es in analoger oder einer digitalen Form (die ein einzelnes Bit (oder dergleichen) oder mehrere Bits (oder dergleichen) sein können).
Im Sinne der Ansprüche sollen sich die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthält“, „enthaltend“, „haben“ und „aufweisen“ oder jede andere Variation davon auf eine nicht-exklusive Inklusion erstrecken, dergestalt, dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur diese Elemente enthält, sondern auch andere Elemente enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder einem solchen Prozess, einem solchen Verfahren, einem solchen Artikel oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Des Weiteren bedeutet die Aussage, dass ein oder mehrere Schaltkreise, Schaltungen, Knoten und/oder Komponenten „gekoppelt“ sind, dass die Schaltkreise, Schaltungen, Knoten und/oder Komponenten entweder direkt oder indirekt, das heißt, über einen oder mehrere dazwischenliegende Schaltkreise, Schaltungen, Knoten und/oder Komponenten, miteinander verbunden sind und/oder (zum Beispiel physisch oder elektrisch) zusammenarbeiten, solange eine Verbindung besteht; „direkt gekoppelt“ meint, dass zwei Elemente direkt miteinander verbunden sind, in Kontakt stehen und/oder miteinander arbeiten.
Die Anspruchselemente, in denen nicht von „Mittel“ oder „Schritt“ gesprochen wird, haben keine „Mittel plus Funktion“- oder „Schritt plus Funktion“-Form (siehe 35 USC §112(f)). Der Anmelder beabsichtigt, dass nur Anspruchselemente, in denen von „Mittel“ oder „Schritt“ gesprochen wird, gemäß oder im Sinne von 35 USC §112(f) interpretiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 16/183550 [0001]
US 16/183559 [0001]
US 16/107560 [0001]
US 14/752592 [0001]
US 10067198 [0001]
US 14/003826 [0001]
US 9121910 [0001, 0059, 0071]
US 2012/030618 [0001]
US 61/468051 [0001]
US 14003826 [0001]
US 13111902 [0001]
US 8638070 [0001, 0071]
US 61/439400 [0001]
US 61/368158 [0001]
US 61/358384 [0001]
US 61/346953 [0001]
US 13/167782 [0001]
US 8791669 [0001, 0071]
US 13/366352 [0001, 0163]
US 8970178 [0001]
US 9142994 [0071]
US 9035623 [0071]
US 8907631 [0071]
US 2012/30618 [0163]
US 13/626605 [0163]
US 13/657841 [0163]
US 13/747914 [0163]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

7. November 2018 von Dania Ghantous [0001]
21. August 2018 von Nadim Maluf [0001]
26. Juni 2015 von Nadim Maluf [0001]
27. März 2011 von Fred Berkowitz [0001]
19. Mai 2011 von Nadim Maluf [0001]
24. Juni 2011 von Dania Ghantous [0001]
5. Februar 2012 von Fred Berkowitz [0001]
„METHOD AND CIRCUITRY TO ADAPTIVELY CHARGE A BATTERY/CELL‟, erteilt am 24. Juli 2014 [0071]
„METHOD AND CIRCUITRY TO ADAPTIVELY CHARGE A BATTERY/CELL‟, erteilt am 22. September 2015 [0071]
„MONITOR AND CONTROL CIRCUITRY FOR CHARGING A BATTERY/CELL, AND METHODS OF OPERATING SAME‟, erteilt am 19. Mai 2015 [0071]
„ADAPTIVE CHARGING TECHNIQUE AND CIRCUITRY FOR A BATTERY/CELL USING MULTIPLE CHARGING CIRCUITS AND TEMPERATURE DATA‟, das am 9. Dezember 2014 [0071]

Claims

Verfahren zum Klassifizieren und Justieren der Verwendung einer Batterie, wobei das Verfahren umfasst: (a) Erhalten von Werten eines oder mehrerer Ladeprozessparameter, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder anzuwenden sind; (b) Einspeisen der Werte des einen oder der mehreren Ladeprozessparameter in ein Batteriemodell, das dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, die Batterie und den einen oder die mehreren Ladeprozessparameter zu charakterisieren; (c) Empfangen, von dem Batteriemodell, einer Batterieladeprozesscharakteristik, die einen vorhergesagten Effekt des Ladens der Batterie unter Bedingungen bereitstellt, die durch den einen oder die mehreren Prozessparameter angezeigt werden, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder anzuwenden sind, und (d) auf der Grundlage der von dem Modell empfangenen Batterieladeprozesscharakteristik, (i) Justieren eines zum Laden der Batterie verwendeten Ladeprozesses, und/oder (ii) wenigstens vorübergehendes Beenden der Verwendung der Batterie.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens einen Ladezustand der Batterie und einen an die Batterie angelegten Ladestrom umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens eine Leerlaufspannung der Batterie oder eine Spannung oder ein Spannungsprofil, das bzw. die in Reaktion auf einen an die Batterie angelegten Stimulus erzeugt wird, umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Batteriemodell dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, mindestens zwei Batterieladeprozesscharakteristiken bereitzustellen, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: sicheres Laden, sicheres, aber langsames Laden, potenziell unsicheres Laden, und bekanntes unsicheres Laden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhalten der Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter das Messen oder Bestimmen von Werten des Stroms und/oder der Spannung, die an die Anschlüsse der Batterie angelegt und/oder an Anschlüssen der Batterie generiert werden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhalten der Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter das Bestimmen eines Wertes des Ladestroms, der in der Zukunft an die Batterie angelegt werden soll, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodell unter Verwendung eines Maschinenlernprozesses erstellt wurde.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das des Weiteren nach (c) das Modifizieren des Batteriemodells unter Verwendung von Daten, die von anderen Batterien erhalten wurden, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodell den vorhergesagten Effekt nur für die Batterie oder für eine Gruppe von Batterien desselben Batterietyps korrekt bereitstellt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodell ein mehrdimensionales Diagramm, eine Nachschlagetabelle, ein neuronales Netz, ein Regressionsmodell, eine Supportvektormaschine, ein Random-Forest-Modell, oder einen Klassifikations- und Regressionsbaum umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Operationen (a)-(d) ausgeführt werden, während die Batterie in einer elektronischen Vorrichtung installiert ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Operationen (a)-(d) ausgeführt werden, während die Batterie geladen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erhalten von Werten eines oder mehrerer Ladeprozessparameter umfasst: Anlegen eines Stimulus an die Batterie; Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und Verwenden der gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Justieren eines zum Laden der Batterie verwendeten Ladeprozesses das Justieren eines Ladeprozesses der Batterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Justieren eines Ladeprozesses der Batterie das Modifizieren eines oder mehrerer Stromschritte oder Stromimpulse umfasst, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
Batterieladesystem zum Klassifizieren und Justieren der Verwendung einer Batterie, wobei das System umfasst: eine Lade- und/oder Überwachungsschaltung, die dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, ein Ladesignal an die Batterie anzulegen und eine Spannung an den Anschlüssen der Batterie zu messen; und eine Steuerschaltung, die mit der Lade- und/oder Überwachungsschaltung gekoppelt ist und dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu Folgendem zu veranlassen: (a) Erhalten von Werten eines oder mehrerer Ladeprozessparameter, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder anzuwenden sind; (b) Einspeisen der momentanen Werte des einen oder der mehreren Ladeprozessparameter in ein Batteriemodell, das dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, die Batterie und den einen oder die mehreren Ladeprozessparameter zu charakterisieren; (c) Empfangen, von dem Batteriemodell, einer Batterieladeprozesscharakteristik, die einen vorhergesagten Effekt des Ladens der Batterie unter Bedingungen bereitstellt, die durch den einen oder die mehreren Prozessparameter angezeigt werden, die momentan auf die Batterie angewendet werden oder anzuwenden sind, und (d) auf der Grundlage der von dem Modell empfangenen Batterieladeprozesscharakteristik, (i) Justieren eines zum Laden der Batterie verwendeten Ladeprozesses, und/oder (ii) wenigstens vorübergehendes Beenden der Verwendung der Batterie.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens einen Ladezustand der Batterie und einen an die Batterie angelegten Ladestrom umfassen.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei der eine oder die mehreren Ladeprozessparameter mindestens eine Leerlaufspannung der Batterie oder eine Spannung oder ein Spannungsprofil, das bzw. die in Reaktion auf einen an die Batterie angelegten Stimulus erzeugt wird, umfassen.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-18, wobei das Batteriemodell dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, mindestens zwei Batterieladeprozesscharakteristiken bereitzustellen, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: sicheres Laden, sicheres, aber langsames Laden, potenziell unsicheres Laden, und bekanntes unsicheres Laden.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, die Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter aus gemessenen oder bestimmten Werten des Stroms und/oder der Spannung zu erhalten, die an Anschlüsse der Batterie angelegt und/oder an Anschlüssen der Batterie generiert werden.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, die Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter aus einem Wert des Ladestroms zu erhalten, der in der Zukunft an die Batterie angelegt werden soll.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-21, wobei das Batteriemodell unter Verwendung eines Maschinenlernprozesses erstellt wurde.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-22, wobei die Steuerschaltung des Weiteren dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, nach dem Ausführen von (c) das Batteriemodell unter Verwendung von Daten zu modifizieren, die von anderen Batterien erhalten wurden.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-23, wobei das Batteriemodell in der Lage ist, den vorhergesagten Effekt nur für die Batterie oder für eine Gruppe von Batterien desselben Batterietyps korrekt bereitzustellen.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-24, wobei das Batteriemodell ein mehrdimensionales Diagramm, eine Nachschlagetabelle, ein neuronales Netz, ein Regressionsmodell, eine Supportvektormaschine, ein Random-Forest-Modell, oder einen Klassifikations- und Regressionsbaum umfasst.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-25, wobei die Steuerschaltung des Weiteren dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, die Operationen (a)-(d) auszuführen, während die Batterie in einer elektronischen Vorrichtung installiert ist.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-26, wobei die Steuerschaltung des Weiteren dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, die Operationen (a)-(d) auszuführen, während die Batterie geladen wird.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-27, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, die Werte eines oder mehrerer Ladeprozessparameter zu erhalten durch: Anlegen eines Stimulus an die Batterie; Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und Verwenden der gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren.
Batterieladesystem nach einem der Ansprüche 16-28, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, den Ladeprozess durch Anpassen eines Ladeprozesses der Batterie zu justieren.
Batterieladesystem nach Anspruch 29, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, den Ladeprozess anzupassen, indem sie einen oder mehrere Stromschritte oder Stromimpulse modifiziert, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei die Lade- und/oder Überwachungsschaltung des Weiteren dafür konfiguriert ist, eine Temperatur der wiederaufladbaren Batterie zu messen, wobei die erwartete Spannung von der gemessenen Temperatur abhängig ist.
Batterieladesystem nach Anspruch 16, wobei die Lade- und/oder Überwachungsschaltung des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen durch die wiederaufladbare Batterie während des Ladeprozesses erzeugten Strom zu messen.
Verfahren zum adaptiven Laden einer Batterie, wobei das Verfahren umfasst: (a) Anlegen eines Stimulus an die Batterie; (b) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (c) Verwenden der in (b) gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren; und (d) auf der Grundlage der in (c) bestimmten Charakterisierung des physikalischen Phänomens, Anpassen eines Ladeprozesses der Batterie.
Verfahren nach Anspruch 33, das des Weiteren das Durchführen eines ersten Abschnitts des Ladeprozesses vor (a) umfasst, wobei das Anpassen des Ladeprozesses der Batterie das Modifizieren eines an die Batterie angelegten Ladesignals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Modifizieren des an die Batterie angelegten Ladesignals das Modifizieren eines oder mehrerer Stromschritte oder Stromimpulse umfasst, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Stimulus einen oszillierenden Strom umfasst.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei der oszillierende Strom mit mehreren Frequenzen angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33-37, wobei der Stimulus eine Flanke in dem angelegten elektrischen Strom umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33-38, wobei das Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Zeitregimes erfolgt, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 39, wobei das Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) das Vornehmen mehrerer Messungen der Reaktion der Batterie über eine definierte Dauer, die mit dem in der Batterie auftretenden physikalischen Phänomen verknüpft ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Frequenzregimes erfolgt, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33-41, wobei die Reaktion der Batterie auf den Stimulus eine über die Anschlüsse der Batterie gemessene Spannung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die über die Anschlüsse gemessene Spannung (i) eine Phase in Bezug auf einen angelegten oszillierenden Strom, der den Stimulus darstellt, und (ii) eine Amplitude umfasst.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die über die Anschlüsse gemessene Spannung einen Wert umfasst, der während des Zeitregimes gemessen wurde, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei das physikalische Phänomen eine chemische oder elektrochemische Reaktion in oder an einer Elektrode der Batterie umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33-47, das des Weiteren umfasst: (e) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines zweiten Zeitregimes oder eines zweiten Frequenzregimes, in dem die Reaktion der Batterie ein zweites physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (f) Verwenden der in (e) gemessenen Reaktion der Batterie, um das zweite physikalische Phänomen zu charakterisieren, wobei das Anpassen des Ladeprozesses der Batterie in (d) sowohl auf der Charakterisierung des in (c) bestimmten physikalischen Phänomens als auch auf der Charakterisierung des in (f) bestimmten zweiten physikalischen Phänomens basiert.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie umfasst und wobei das zweite physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33-49, wobei (c) das Bestimmen einer Ladeimpulsspannung anhand der gemessenen Reaktion der Batterie umfasst, um den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie zu charakterisieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33-50, wobei (c) das Bestimmen einer Teilrelaxationszeit anhand der gemessenen Reaktion der Batterie umfasst, um den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie zu charakterisieren.
System zum adaptiven Laden einer Batterie, die mindestens zwei Anschlüsse enthält, wobei das System umfasst: eine Lade- und/oder Überwachungsschaltung, die dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, ein Ladesignal an die Batterie anzulegen und eine Spannung an den Anschlüssen der Batterie zu messen; und eine Steuerschaltung, die mit der Lade- und/oder Überwachungsschaltung gekoppelt ist und dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu Folgendem zu veranlassen: (a) Anlegen eines Stimulus an die Batterie; (b) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines Zeitregimes oder eines Frequenzregimes, bei dem die Reaktion der Batterie ein physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (c) Verwenden der mittels (b) gemessenen Reaktion der Batterie, um das physikalische Phänomen zu charakterisieren; und (d) auf der Grundlage der in (c) bestimmten Charakterisierung des physikalischen Phänomens, Anpassen eines Ladeprozesses der Batterie.
System nach Anspruch 52, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, den Ladeprozess der Batterie in (d) anzupassen, indem sie das System veranlasst, ein an der Batterie angelegtes Ladesignal zu modifizieren, und wobei die Steuerschaltung des Weiteren dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, einen ersten Abschnitt des Ladeprozesses vor (a) auszuführen.
System nach Anspruch 53, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, das an die Batterie angelegte Ladesignal zu modifizieren, indem sie das System veranlasst, einen oder mehrere Stromschritte oder Stromimpulse zu modifizieren, die in dem Ladeprozess verwendet werden.
System nach Anspruch 52, wobei der Stimulus einen oszillierenden Strom umfasst.
System nach Anspruch 55, wobei die Steuerschaltung dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, den oszillierenden Strom mit mehreren Frequenzen anzulegen.
System nach einem der Ansprüche 52-56, wobei der Stimulus eine Flanke in dem angelegten elektrischen Strom umfasst.
System nach einem der Ansprüche 52-57, wobei das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, die Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Zeitregimes zu messen, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
System nach einem der Ansprüche 52-58, wobei das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert, das System zu veranlassen, die Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) zu messen, indem es das System veranlasst, mehrere Messungen der Reaktion der Batterie über eine definierte Dauer vorzunehmen, die mit dem in der Batterie auftretenden physikalischen Phänomen verknüpft ist.
System nach Anspruch 52, wobei das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu veranlassen, die Reaktion der Batterie auf den Stimulus in (b) während des Frequenzregimes zu messen, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
System nach einem der Ansprüche 52-60, wobei die Reaktion der Batterie auf den Stimulus eine über die Anschlüsse der Batterie gemessene Spannung umfasst.
System nach Anspruch 61, wobei die über die Anschlüsse gemessene Spannung (i) eine Phase in Bezug auf einen angelegten oszillierenden Strom, der den Stimulus darstellt, und (ii) eine Amplitude umfasst.
System nach Anspruch 61, wobei die über die Anschlüsse gemessene Spannung einen Wert umfasst, der während des Zeitregimes gemessen wurde, in dem die Reaktion der Batterie das in der Batterie auftretende physikalische Phänomen widerspiegelt.
System nach Anspruch 52, wobei das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie umfasst.
System nach Anspruch 52, wobei das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie umfasst.
System nach Anspruch 52, wobei das physikalische Phänomen eine chemische oder elektrochemische Reaktion in oder an einer Elektrode der Batterie umfasst.
System nach einem der Ansprüche 52-66, wobei die Steuerschaltung des Weiteren dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das System zu Folgendem zu veranlassen: (e) Messen der Reaktion der Batterie auf den Stimulus während eines zweiten Zeitregimes oder eines zweiten Frequenzregimes, in dem die Reaktion der Batterie ein zweites physikalisches Phänomen widerspiegelt, das in der Batterie auftritt; und (f) Verwenden der in (e) gemessenen Reaktion der Batterie, um das zweite physikalische Phänomen zu charakterisieren, wobei das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, sowohl die Charakterisierung des in (c) bestimmten physikalischen Phänomens als auch die Charakterisierung des in (f) bestimmten zweiten physikalischen Phänomens zu verwenden, um zu bestimmen, wie das System veranlasst werden soll, den Ladeprozess der Batterie in (d) anzupassen.
System nach Anspruch 67, wobei das physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie umfasst und wobei das zweite physikalische Phänomen den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie umfasst.
System nach einem der Ansprüche 52-68, wobei das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das physikalische Phänomen in (c) zu charakterisieren, indem es das System veranlasst, eine Ladeimpulsspannung anhand der gemessenen Reaktion der Batterie zu bestimmen, um den Transport von Metallionen in einer Elektrode der Batterie zu charakterisieren.
System nach einem der Ansprüche 52-69, wobei das Steuerungssystem dafür ausgelegt oder konfiguriert ist, das physikalische Phänomen in (c) zu charakterisieren, indem es das System veranlasst, eine Teilrelaxationszeit anhand der gemessenen Reaktion der Batterie zu bestimmen, um den Transport von Metallionen in einem Elektrolyten der Batterie zu charakterisieren.
Batterieladesystem nach Anspruch 52, wobei die Lade- und/oder Überwachungsschaltung des Weiteren dafür konfiguriert ist, eine Temperatur der wiederaufladbaren Batterie zu messen, wobei die erwartete Spannung von der gemessenen Temperatur abhängig ist.
Batterieladesystem nach Anspruch 52, wobei die Lade- und/oder Überwachungsschaltung des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen durch die wiederaufladbare Batterie während des Ladeprozesses erzeugten Strom zu messen.