DE112021004896T5

DE112021004896T5 - System und Verfahren zur Anomaliedetektion und Schätzung der Gesamtkapazität einer Batterie

Info

Publication number: DE112021004896T5
Application number: DE112021004896.1T
Authority: DE
Inventors: Hemtej Gullapalli; Omer TANOVIC; Johannes Traa; Erfan Soltanmohammadi
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2023-07-06
Also published as: US11686699B2; CN116249909A; WO2022060533A1; US20220091062A1

Abstract

Die hier beschriebenen Batterieüberwachungstechniken können zur Detektion von Batterieanomalien oder -fehlern verwendet werden. Außerdem können die hier beschriebenen Batterieüberwachungstechniken verwendet werden, um Schätzungen der Gesamtbatteriekapazität zu erzeugen. Die Batterieüberwachungstechniken können einen Wechselstromfrequenzgang (ACFR) der Batterie verwenden. Die ACFR-Antwort der Batterie kann verwendet werden, um Anomalien zu detektieren und/oder eine Gesamtkapazität der Batterie zu schätzen.

Description

PRIORITÄTSANSPRÜCHE
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 29. Juli 2021 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 17/389,202 mit dem Titel „A SYSTEM AND METHOD FOR ANOMALY DETECTION AND TOTAL CAPACITY ESTIMATION OF A BATTERY“, die die Priorität der am 18. September 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 63/080,329 mit dem Titel „A SYSTEM AND METHOD FOR ANOMALY DETECTION AND TOTAL CAPACITY ESTIMATION OF A BATTERY“ beansprucht, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Batteriemanagementsystem (BMS), insbesondere Anomaliedetektion und Gesamtkapazitätsschätzung.
HINTERGRUND
Elektrofahrzeuge (EVs) werden immer beliebter. Eine Herausforderung der Verwendung von EVs ist die Instandhaltung der Batterie. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) kann verwendet werden, um verschiedene Betriebsbedingungen einer Batterie zu überwachen, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen verwendet werden. In der Regel lassen sich Bedingungen wie Spannung und Oberflächentemperatur unter Verwendung eines BMS messen. Obgleich diese Bedingungen einen allgemeinen Hinweis auf den Zustand der Batterie geben können, bieten sie kein vollständiges Bild des Gesundheitszustands der Batterie. Dementsprechend haben die Erfinder unter anderem einen Bedarf an verbesserten Batterieüberwachungstechniken erkannt, die umfassendere Informationen über den Gesundheitszustand der Batterie bereitstellen können.
Figurenliste
Verschiedene der beigefügten Zeichnungen veranschaulichen lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und sind nicht als deren Schutzumfang einschränkend zu betrachten.

1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines drahtlosen Batteriemanagementsystems.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines drahtgebundenen Batteriemanagementsystems.
3 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie.
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 400 zum Messen einer Batterie während eines Ladezyklus.
5 veranschaulicht Spannungs- und Stromprofile einer Batterie während des Ladens.
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Messen einer Batterie unter stationären Bedingungen.
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Detektieren einer Anomalie.
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 800 zum Berechnen der Gesamtkapazität einer Batterie.
9 veranschaulicht beispielhafte Diagramme der Gesamtladekapazität, die sowohl die vorhergesagte Kapazität als auch tatsächliche Messungen zeigen.
10A-10C veranschaulichen beispielhafte Diagramme der Gesamtladekapazität, die sowohl die vorhergesagte Kapazität als auch tatsächliche Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen zeigen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die hier beschriebenen Batterieüberwachungstechniken können zur Detektion interner Fehler (auch als Anomalien bezeichnet) verwendet werden. Außerdem können die hier beschriebenen Batterieüberwachungstechniken verwendet werden, um Schätzungen der Gesamtbatteriekapazität zu erzeugen. Die Batterieüberwachungstechniken können einen Wechselstromfrequenzgang (ACFR) der Batterie verwenden (bisweilen auch als elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bezeichnet). Die ACFR-Antwort der Batterie kann verwendet werden, um Anomalien zu detektieren und/oder eine Gesamtkapazität der Batterie zu schätzen.
Das Dokument beschreibt ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie. Das Verfahren weist Folgendes auf: Empfangen einer ersten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen ersten Mehrfrequenz-Sweep; Empfangen einer zweiten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen zweiten Mehrfrequenz-Sweep; und basierend auf der ersten und zweiten Impedanzmessung, Bestimmen einer geschätzten Kapazität der Batterie unter Verwendung eines Regressionsmodells.
Dieses Dokument beschreibt auch ein Verfahren zum Detektieren einer Anomalie in einer Batterie. Das Verfahren weist Folgendes auf: Empfangen einer ersten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen ersten Mehrfrequenz-Sweep; Empfangen einer zweiten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen zweiten Mehrfrequenz-Sweep; und basierend auf der ersten und zweiten Impedanzmessung, Detektieren einer Anomalie in der Batterie.
Dieses Dokument beschreibt ferner ein Batteriemanagementsystem. Das System weist mindestens einen Hardwareprozessor und mindestens einen Speicher auf, der Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den mindestens einen Hardwareprozessor bewirken, dass der mindestens eine Hardwareprozessor Operationen durchführt, die Folgendes aufweisen: Empfangen einer ersten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen ersten Mehrfrequenz-Sweep; Empfangen einer zweiten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen zweiten Mehrfrequenz-Sweep; und basierend auf der ersten und zweiten Impedanzmessung, Bestimmen einer geschätzten Kapazität der Batterie unter Verwendung eines Regressionsmodells; und Detektieren einer Anomalie in der Batterie.
Die hier beschriebenen Batterieüberwachungstechniken können in einem drahtgebundenen BMS, einem drahtlosen BMS (WBMS) oder einer Kombination davon verwendet werden. 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines WBMS 100. Das WBMS 100 kann mehrere Batteriemodule 102.1-102.n aufweisen, die jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen. Beispielsweise können die Batteriemodule 102.1-102.n Lithium-Ionen-Batterien sein. Es können Batterien mit anderen Spezifikationen, Größen und Formen verwendet werden. Jedes Modul kann mit einer jeweiligen Überwachungseinrichtung 104.1-104.n gekoppelt sein. Das WBMS 100 kann auch einen Netzwerkmanager 110 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 114 aufweisen.
Jede Überwachungseinrichtung 104.1-104.n kann eine oder mehrere BMS-Überwachungseinrichtungen 106 und einen Drahtlosknoten 108 aufweisen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 106 kann mit einem Batteriemodul gekoppelt sein und kann verschiedene Zustände oder Eigenschaften des Batteriemoduls überwachen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 106 kann als eine integrierte Schaltung bereitgestellt sein, die als veranschaulichende Beispiele eine monolithisch integrierte BMS-Schaltung oder ein integriertes Modul aufweisen, das mehrere Integrierte-Schaltung-Dies oder andere Schaltungselemente innerhalb eines gemeinsam genutzten Gehäuses eines Integrierte-Schaltung-Bauelements aufweist.
Die BMS-Überwachungseinrichtung 106 kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 106 kann die Batteriespannung abtasten, um den Batteriestand zu überwachen. Die BMS-Überwachungseinrichtung kann außerdem den Strom des Batteriemoduls und die externe Oberflächentemperatur überwachen. In einer Ausführungsform kann die BMS-Überwachungseinrichtung 106 einen Stimulussignalgenerator enthalten, um ein Stimulussignal zu erzeugen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 106 kann das Stimulussignal in das Batteriemodul einspeisen und dann synchron die Impedanzantwort auf das Stimulussignal überwachen. Die Impedanzantwort kann überwacht werden, indem die Spannungsantwort der Batterie auf das Stimulussignal gemessen wird.
Die BMS-Überwachungseinrichtung 106 kann mit dem durch eine Kommunikationsschnittstelle gekoppelt Drahtlosknoten 108 sein, beispielsweise durch eine serielle periphere Schnittstelle (SPI) oder dergleichen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 106 und der Drahtlosknoten 108 können auf einer einzigen Leiterplatte (PCB) bereitgestellt sein. Der Drahtlosknoten 108 kann ein drahtloses System-on-Chip (SoC) aufweisen, das einen Funksendeempfänger aufweisen kann, um die Batteriemessungen über ein Drahtlosnetzwerk an den Netzwerkmanager 110 zu übermitteln. In einem Beispiel kann der Drahtlosknoten 108 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) für funktionale Sicherheit (FuSi) aufweisen, um bestimmte Batteriezustandsmessungen zu verarbeiten.
Der Netzwerkmanager 110 kann ein oder mehrere drahtlose SOCs 112.1-112.2 aufweisen, um mit den Überwachungseinrichtungen 104.1-104.n zu kommunizieren. Der Netzwerkmanager 110 kann durch jeweilige Kommunikationsschnittstellen, beispielsweise SPI, mit der ECU 114 und einem Packebenen-Sensor 120 gekoppelt sein. Die ECU 114 kann eine BMS-App 116 und eine WBMS-Schnittstellenbibliothek 118 zum Steuern des Betriebs des WBMS 100 aufweisen.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines drahtgebundenen BMS 200. Das drahtgebundene BMS 200 kann mehrere BMS-Überwachungseinrichtungen 202.1-202.n und einen Netzwerkmanager 204 aufweisen. Wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, können die BMS-Überwachungseinrichtungen 202.1-202.n eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 202.1-202.n kann die Batteriespannung abtasten, um den Batteriestand zu überwachen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 202.1-202.n kann außerdem den Strom des Batteriemoduls und die externe Oberflächentemperatur überwachen. Darüber hinaus kann die BMS-Überwachungseinrichtung 202.1-202.n einen Stimulussignalgenerator enthalten, um ein Stimulussignal zu erzeugen. Die BMS-Überwachungseinrichtung 202.1-202.n kann das Stimulussignal in das Batteriemodul einspeisen und dann synchron die Impedanzantwort auf das Stimulussignal überwachen. Die Impedanzantwort kann überwacht werden, indem die Spannungsantwort der Batterie auf das Stimulussignal gemessen wird.
Die BMS-Überwachungseinrichtungen 202.1-202.n können in diesem Beispiel über eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle mit dem Netzwerkmanager 204 kommunizieren. Beispielsweise kann die drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle eine isolierte (Transformator-)Kommunikationsverkabelung aufweisen, etwa unter Implementierung einer isolierten seriellen peripheren Schnittstelle (SPI). Die Kommunikationsverkabelung kann seriell von Modul zu Modul verbunden sein, z. B. als Daisy Chain von Überwachungseinrichtung zu Überwachungseinrichtung, wobei die letzte Slave-Überwachungseinrichtung als Abschlusspunkt der Verkabelung dient.
Ein Stimulussignal kann unter Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Hardwarekonfigurationen erzeugt werden. Es kann intern in der BMS-Überwachungseinrichtung erzeugt werden, wie oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. Darüber hinaus oder alternativ kann es unter Verwendung mit dem BMS gekoppelter externer Geräte erzeugt werden. Ein Stimulussignal kann auf einer Ad-hoc-Basis erzeugt werden, um die ACFR zu erfassen. Wie nachstehend beschrieben, können mehrere Mehrfrequenz-Impedanz-Sweeps während vorgegebener Zeiten erfasst werden, wie beispielsweise beim Laden und/oder während eines stationären Zustands. Diese Impedanz-Sweeps können dann zur Anomaliedetektion und/oder Gesamtkapazitätsschätzung verwendet werden.
3 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 300 zum Überwachen einer Batterie. Bei 302 kann sich die Batterie in einem oder mehreren bekannten Zuständen befinden. In einem Beispiel kann sich die Batterie in einem angeregten Zustand (z. B. Vollladung) oder in einem stationären Zustand oder einer Kombination davon befinden. Der stationäre Zustand kann durch einen stabilen Strom und/oder eine stabile Batterietemperatur gekennzeichnet sein. In einem Beispiel kann ein stationärer Zustand als Batterie im Ruhezustand bei einem bekannten Ladezustand bei einer relativ konstanten Temperatur der Batterieumgebung definiert sein. Somit kann ein stationärer Zustand eine Batterie im thermischen Gleichgewicht aufweisen (d. h. relativ konstante Temperatur über den Körper der Batterie hinweg).
Bei 304 können mehrere Mehrfrequenz-Impedanz-Sweeps als Reaktion auf Stimulussignale erfasst werden. Beispiele für Mehrfrequenz-Impedanz-Sweeps werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
Bei 306 können historische Daten der Batterie basierend auf den gemessenen Impedanzwerten aktualisiert werden. Bei 308 können andere relevante Eingaben in Bezug auf den Batteriezustand erfasst werden. Diese Eingaben können direkt gemessen oder indirekt anhand von Batterie- oder anderen Messungen berechnet werden. In einem Beispiel können die Batterieklemmenspannung und der Batterieladezustand gemessen und als Eingaben verwendet werden. In einem anderen Beispiel kann der Verlauf früherer Messungen als Eingaben verwendet werden. In einem anderen Beispiel können Nichtbatteriemessungen als Eingaben verwendet werden, wie beispielsweise Temperatur oder Feuchtigkeit der Batterieumgebung.
Bei 310 kann ein Anomaliedetektionsalgorithmus basierend auf den gemessenen Impedanzwerten, den historischen Daten der Batterie und anderen relevanten Eingaben durchgeführt werden, um das Vorliegen einer Anomalie zu detektieren. Beispiele für die Detektion von Anomalien werden nachstehend ausführlicher beschrieben. Eine Anomalie kann einen Fehlerzustand der Batterie aufweisen. Beispielsweise kann eine Abweichung von einer vorherigen Impedanzmessung als potenzieller Defekt in der Batterie gekennzeichnet werden. Ein Batteriefehler kann durch mehrere Faktoren verursacht werden.
Beispielsweise kann ein Batteriefehler durch Herstellungsdefekte verursacht werden. Hierzu können eine Beeinträchtigung von Materialien wie Partikelgrößenvarianz/Fremdstoffe in Elektroden, Elektrolytbeeinträchtigung, Feuchtigkeitsverunreinigungen, Stromkollektoroxidation usw. gehören. Zu Herstellungsdefekten können auch beeinträchtigte Komponenten wie Inhomogenität in Elektrodenbeschichtungen, gelöste Gase usw. gehören. Zu Herstellungsdefekten können ferner fehlerhafte Montage wie Über-/Unterfüllen mit Elektrolyt, inkorrektes Wickeln, inkorrekter Stapeldruck, defekte Zellabdichtung, unvollständiges Entgasen (nach Bildung) usw. gehören. Zudem können zu Herstellungsdefekten eine fehlerhafte Bildung wie Timing-Probleme, elektrische Inkonsistenzen, unsachgemäße Elektrodenbenetzung, Ausgasung usw. gehören.
Ein Batteriefehler kann außerdem durch Betriebsprobleme wie Überentladung (absichtlich, lange Lebensdauer), Überladung, thermische Belastung (Lagerung, Laden, Entladen), hohe Ströme (Spitzen, Laden), Höhe usw. verursacht werden. Ein Batteriefehler kann ferner durch Unfälle verursacht werden, die zu elektrischen Fehlfunktionen (z. B. externen Kurzschlüssen), Druck, Stoß, Aufprall usw. führen.
Fehler können zu einer schnellen Verschlechterung (z. B. Batteriebrand aufgrund einer Kollision) oder einer langsamen Verschlechterung (z. B. können kleine Fremdpartikel im Inneren zu einer beschleunigten Alterung der Batterie innerhalb von 20 % ihrer Lebensdauer führen) führen. Sich langsam ausbreitende Defekte bilden normalerweise eine kleinere Anomalie innerhalb einer Zelle, die nach bestimmten Nutzungszyklen zu auffälligeren Defekten heranwachsen kann. Die hier beschriebene Anomaliedetektionstechnik kann diese Anomalien basierend auf einer Abweichung von Impedanzmessungen in einem Frühstadium der Ausprägung der Anomalien detektieren.
Bei 312 kann das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Anomalie bestimmt werden. Wird eine Anomalie detektiert, so kann bei 314 eine Warnung ausgegeben werden. Wird keine Anomalie detektiert, so kann die Batterie bei 316 weiter verwendet werden.
Bei 318 kann ein Gesamtkapazitätsschätzalgorithmus basierend auf den gemessenen Impedanzwerten, den historischen Daten der Batterie und anderen relevanten Eingaben durchgeführt werden. Beispiele für Techniken zur Schätzung der Gesamtkapazität werden nachstehend ausführlicher beschrieben. Bei 320 kann die erwartete Gesamtkapazität bestimmt werden. In einem Beispiel kann die Gesamtkapazität basierend auf unterschiedlichen Umgebungstemperaturen bestimmt werden. Die Gesamtkapazitätsinformationen können auch verwendet werden, um die historischen Informationen der Batterie zu aktualisieren.
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 400 zum Messen einer Batterie während eines Ladezyklus. 5 veranschaulicht Spannungs- und Stromprofile einer Batterie während des Ladens. Das Verfahren 400 kann auf einer Ad-hoc-Basis und/oder in jedem angeforderten Zyklus durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Batterie bei jedem n-ten Ladezyklus überwacht werden, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist. Befindet sich die Batterie beispielsweise in einem EV, so können die Messungen wenn möglich einmal alle paar Ladezyklen durchgeführt werden, wenn das EV bei relativ stabilen Temperaturen geladen wird (z. B. über Nacht in einer Garage).
In einem Beispiel können während des Ladezyklus zwei oder mehr Mehrfrequenz-Impedanz-Sweeps erfasst werden. Bei 402 kann die Batterie mit einem konstanten Strom (CC) vollständig geladen werden. Bei 404 kann der erste Impedanz-Sweep erfasst werden, nachdem die Batterie vollständig mit dem CC geladen ist. Es können Stimulussignale verwendet werden, die mehreren Frequenzen im Bereich von 1 Hz bis 1 kHz entsprechen. Bei 406 kann die Batterie nach der ersten Impedanzmessung mit einer konstanten Spannung (CV) gesättigt werden. Bei 408 kann das Laden ausgeschaltet werden. Bei 410 kann eine Wartezeit, t_r, eingehalten werden. Bei 412, nach t_r, kann der zweite Impedanz-Sweep erfasst werden. Es können Stimulussignale verwendet werden, die mehreren Frequenzen im Bereich von 1 Hz bis 1 kHz entsprechen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, kann die Gesamtkapazitätsberechnung 414 eine oder beide Impedanzantworten verwenden, und ebenso kann die Anomaliedetektion 416 eine oder beide Impedanzantworten verwenden. Bei 418 kann die Batterie weiterhin verwendet werden (oder die Verwendung kann unterbrochen werden, wenn eine Anomalie detektiert wird).
Die Impedanzmessungen können auch während stationärer Zustände der Batterie durchgeführt werden. Wie oben beschrieben, kann ein stationärer Zustand durch einen stabilen Strom und/oder eine stabile Batterietemperatur gekennzeichnet sein. In einem Beispiel kann ein stationärer Zustand als Batterie im Ruhezustand bei einem bekannten Ladezustand bei einer relativ konstanten Temperatur der Batterieumgebung definiert sein. Somit kann ein stationärer Zustand eine Batterie im thermischen Gleichgewicht aufweisen (d. h. relativ konstante Temperatur über den Körper der Batterie hinweg). 6 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 600 zum Messen einer Batterie unter stationären Bedingungen. Bei 602 kann ein bekannter stationärer Zustand der Batterie detektiert werden. Als Nächstes können mehrere Impedanzmessungen der Batterie durchgeführt werden. Bei 604 kann eine erste Wartezeit τ₁ eingehalten werden. Bei 606 kann ein erster Impedanz-Sweep erfasst werden (Z₁). Bei 608 kann eine zweite Wartezeit τ₂ eingehalten werden. Bei 610 kann ein zweiter Impedanz-Sweep erfasst werden (Z₂). Bei 612 kann eine dritte Wartezeit τ₃ eingehalten werden. Bei 614 kann ein dritter Impedanz-Sweep erfasst werden (Z₃). Dieser Prozess kann fortgesetzt werden, bis bei 616 eine n-te Wartezeit eingehalten wird und ein n-ter Impedanz-Sweep erfasst werden kann (Z_n), wobei n eine ganze Zahl größer als 1 ist. Bei 618 kann eine Anomaliedetektion basierend auf den erfassten Impedanzwerten (Z_1-Z_n) durchgeführt werden und eine oder beide Impedanzantworten verwenden. Bei 620 kann die Batterie weiterhin verwendet werden (oder die Verwendung kann unterbrochen werden, wenn eine Anomalie detektiert wird).
7 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 700 zum Detektieren einer Anomalie. Das Anomaliedetektionsverfahren 700 kann in zwei Phasen eingeteilt werden: 1) eine Lernphase 710 und 2) eine Betriebsphase 750. In der Lernphase 710 können mehrere Batterien des gleichen Typs unter simulierten Bedingungen verwendet werden. Bei 712 können mehrere Impedanzantworten (zwei oder mehr), wie oben beschrieben, für jeden Zyklus gemessen werden. Die Impedanzantworten können während des Ladens und/oder unter stationären Bedingungen gemessen werden, wie oben unter Bezugnahme auf 4-6 beschrieben. Bei 714 kann basierend auf den gemessenen Impedanzantworten eine Verschiebung der Impedanzparameter bei relevanten Frequenzen berechnet werden. Bei 716 können diese berechneten Verschiebungsimpedanzwerte verwendet werden, um ein Modell zu erstellen (z. B. erlernte Modellparameter). Dieses Modell kann durch verschiedene Variablen wie Batteriealter, Ladezustand, Batterietemperatur, Batterieformfaktor und Konfiguration usw. parametrisiert werden. Beispielsweise kann dieses Modell die Verteilung der Verschiebungen der Impedanzparameter darstellen. In einem Beispiel könnte diese Verteilung der Verschiebungen unter Verwendung eines Mischmodells modelliert werden.
In der Betriebsphase 750 wird nur die Testbatterie verwendet. Hier kann sich die Batterie in der einbezogenen Vorrichtung (z. B. einem EV) befinden. Bei 718 kann das in der Lernphase 710 erzeugte Modell portiert werden. Bei 754 können mehrere Impedanzantworten gemessen werden. In einem Beispiel können an der Spitze der Ladung für jeden n-ten Zyklus zwei oder mehr Impedanzantworten, wie oben unter Bezugnahme auf 4-5 beschrieben, gemessen werden. In einem weiteren Beispiel können die Impedanzantworten gemessen werden, wenn bestimmt wird, dass sich die Batterie in einem bekannten stationären Zustand befindet, wie oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. In einem anderen Beispiel können die Impedanzantworten während eines Ladezyklus und im stationären Zustand gemessen werden. Basierend auf den gemessenen Impedanzantworten kann eine Verschiebung der Impedanzparameter berechnet werden. Die Verschiebung der Impedanzparameter kann zwischen zwei beliebigen Messungen berechnet werden. In einem Beispiel kann die Verschiebung zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Messungen berechnet werden. In einem anderen Beispiel kann die Verschiebung über verschiedene Messungen gemittelt werden.
Bei 756 können andere relevante Eingaben (z. B. letztes bekanntes Alter der Batterie) in Bezug auf den Batteriezustand erfasst werden. Diese Eingaben können direkt gemessen oder indirekt anhand von Batterie- oder anderen Messungen berechnet werden. In einem Beispiel können die Batterieklemmenspannung und der Batterieladezustand gemessen und als Eingaben verwendet werden. In einem anderen Beispiel kann der Verlauf früherer Messungen als Eingaben verwendet werden. In einem anderen Beispiel können Nichtbatteriemessungen als Eingaben verwendet werden, wie beispielsweise Temperatur oder Feuchtigkeit der Batterieumgebung.
Bei 758 kann basierend auf den anderen relevanten Eingaben und dem während der Lernphase erzeugten Modell die gemessene Verschiebung der Impedanzparameter mit der erwarteten Verteilung der Verschiebungswerte verglichen werden. In einem Beispiel kann die gemessene Verschiebung mit dem erwarteten Wert für die Impedanzverschiebung verglichen werden, und wenn der Abstand zwischen den gemessenen und den erwarteten Werten größer als ein gewisser Schwellenwert ist, kann eine Warnung ausgegeben werden, die das Vorliegen einer Anomalie angibt. Wird eine Anomalie detektiert, so kann bei 760 eine Warnung ausgegeben werden. Wird keine Anomalie detektiert, so kann die Batterie bei 762 weiter verwendet werden.
Die Wechselstromimpedanz ist empfindlich gegenüber der Ladungsverteilung zwischen verschiedenen Komponenten in einer elektrochemischen Zelle. Wenn die Batterie geladen ist und ruhen gelassen wird, kann sich die Ladungsverteilung mit der Zeit lockern. Für eine defekte Batterie ist diese Lockerung nicht ideal und kann beschleunigt werden. Unter Verwendung der hier beschriebenen Anomaliedetektionstechnik (z. B. zwei oder mehr Impedanzmessungen mit vordefiniertem zeitlichen Abstand) kann die Lockerungstendenz modelliert werden, und es kann eine Abweichung von dem Modell detektiert werden, um das Vorliegen einer Anomalie anzuzeigen.
Zudem kann unter Verwendung der gemessenen Impedanzantworten auch die Gesamtkapazität der Batterie (z. B. die Gesamtenergiemenge, die sie speichern kann, wenn sie vollständig geladen ist, bei bestimmten vorgegebenen Bedingungen wie Temperatur und Last gemäß Herstellerangaben) unter Verwendung historischer Daten der Batterie und anderer relevanter Eingaben berechnet werden. Zudem kann anhand der berechneten Gesamtkapazität bei Messtemperatur die bei verschiedenen Temperaturen zu erwartende Gesamtbatteriekapazität berechnet werden. Diese Informationen können für eine EV-Implementierung wertvoll sein, da die Temperatur die Batteriekapazität beeinflussen kann. Beispielsweise kann die Batterie in einem EV bei einer ersten Temperatur (z. B. nahe der Raumtemperatur in einer Garage) geladen werden, jedoch wird sie verwendet, wenn das EV bei einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, im Freien gefahren wird.
8 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 800 zum Berechnen der Gesamtkapazität einer Batterie. Das Gesamtkapazitätsberechnungsverfahren 800 kann in zwei Phasen eingeteilt werden: 1) eine Lernphase 810 und 2) eine Betriebsphase 850. In der Lernphase 810 können mehrere Batterien des gleichen Typs unter simulierten Bedingungen verwendet werden. Bei 812 können mehrere Impedanzantworten (zwei oder mehr), wie oben beschrieben, für jeden Zyklus gemessen werden. Die Impedanzantworten können während des Ladens und/oder unter stationären Bedingungen gemessen werden, wie oben unter Bezugnahme auf 4-6 beschrieben. Bei 814 können basierend auf den gemessenen Impedanzantworten Impedanzantworten bei unterschiedlichen Frequenzen erfasst werden.
Bei 816 kann eine Coulomb-Zählung verwendet werden, um die Ladekapazität pro Zyklus zu berechnen.
Bei 818 können basierend auf den gemessenen Impedanzantworten Merkmale der Batterie berechnet werden. Bei 820 können diese berechneten Merkmale zusammen mit der berechneten Ladekapazität pro Zyklus verwendet werden, um wie gezeigt ein rekurrentes Neuronalnetzmodell zu trainieren. Das Modell kann die letzten N Werte verwenden, die den letzten N Impedanzmessungen entsprechen.
Es können auch andere (glatte) Regressionsmodelle verwendet werden. Das Modell kann Impedanzmessungen und möglicherweise andere gemessene oder abgeleitete Merkmale auf eine Schätzung der Vollladungskapazität abbilden. Zu abgeleiteten Merkmale können Ersatzschaltungsmodell(ECM)-Parameter, Klemmenspannung, Temperatur und Ladezustand gehören. Andere Modelle können unter anderem Folgendes aufweisen: lineare Regression, Polynomregression, verallgemeinertes additives Modell (GAM) und Gaußprozess(GP)-Regression. Je nach Rechen- und Speicheranforderungen und Verfügbarkeit von Daten könnten für eine gegebene Implementierung unterschiedliche Modelle gewählt werden.
Die Verwendung des Verlaufs in einem Neuronalnetzmodell ist eine Erweiterung eines Modells, das nicht zur Verwendung des Verlaufs fähig ist. Der Verlauf der Batterie kann auch in den anderen Modellen verwendet werden. Darüber hinaus können auch Neuronalnetzmodelle ohne Rekurrenz (z. B. mehrschichtiges Perzeptron, faltendes neuronales Netz) verwendet werden, und die Variationen darin weisen ein Kontinuum von Modellen auf, die Komplexität gegen Leistung abwägen.
In der Testphase 850 wird nur die Testbatterie verwendet. Bei 852 können mehrere Impedanzantworten (zwei oder mehr), wie oben beschrieben, für jeden Zyklus gemessen werden. Die Impedanzantworten können während des Ladens und/oder unter stationären Bedingungen gemessen werden, wie oben unter Bezugnahme auf 4-6 beschrieben. Bei 854 können basierend auf den gemessenen Impedanzantworten Impedanzantworten bei unterschiedlichen Frequenzen erfasst werden.
Bei 856 können basierend auf den gemessenen Impedanzantworten Merkmale der Batterie berechnet werden. Bei 820 kann das berechnete Merkmal der Testbatterie in das in der Lernphase 810 trainierte rekurrente Neuronalnetzmodell eingegeben werden. Das rekurrente Neuronalnetzmodell kann die aktuell gemessene(n) Impedanzantwort(en) sowie ältere Impedanzantworten (z. B. N Impedanzmessungen) verwenden, um die Gesamtkapazität der Batterie bei 860 zu berechnen.
9 veranschaulicht beispielhafte Diagramme der Gesamtladekapazität, die sowohl die vorhergesagte Kapazität unter Verwendung der hier beschriebenen Techniken als auch tatsächliche Messungen zeigen. Wie oben erörtert, können die hier beschriebenen Techniken verwendet werden, um die Gesamtkapazität bei unterschiedlichen Temperaturen zu schätzen. 10A-10C veranschaulichen beispielhafte Diagramme der Gesamtladekapazität, die sowohl die vorhergesagte Kapazität unter Verwendung der hier beschriebenen Techniken als auch tatsächliche Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen (z. B. 20 °C, 30 °C, 40 °C) zeigen.
Verschiedene Anmerkungen
Jeder der obigen nichtbeschränkenden Aspekte steht für sich alleine oder kann mit verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Aspekte oder anderen Gegenständen, die in diesem Dokument beschrieben sind, kombiniert werden.
Die obige ausführliche Beschreibung weist Bezugnahmen auf die begleitenden Zeichnungen auf, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen zur Veranschaulichung spezifische Implementierungen, in denen die Erfindung umgesetzt werden kann. Diese Implementierungen werden auch allgemein als „Beispiele“ bezeichnet. Derartige Beispiele können Elemente zusätzlich zu den gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Jedoch ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele in Betracht, in denen nur die gezeigten oder beschriebenen Elemente bereitgestellt sind. Zudem ziehen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele in Betracht, die eine beliebige Kombination oder Permutation der gezeigten oder beschriebenen Elemente (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) verwenden, entweder mit Bezug auf ein bestimmtes Beispiel (oder einen oder mehrere Aspekte davon) oder mit Bezug auf andere Beispiele (oder einen oder mehrere Aspekte davon), die hier gezeigt oder beschrieben sind.
Im Fall nicht übereinstimmender Verwendungen zwischen diesem Dokument und beliebigen anderen Dokumenten, die durch Bezugnahme aufgenommen sind, gilt die Verwendung in diesem Dokument.
In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein“ oder „eine“ wie in Patentdokumenten üblich so verwendet, dass sie ein/eine oder mehr als ein/eine einschließen, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Verwendungen von „mindestens ein/eine“ oder „ein/eine oder mehrere“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um auf ein nicht ausschließendes „oder“ zu verweisen, sodass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ einschließt, sofern nichts anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „einschließlich“ und „in dem“ als die Äquivalente der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ in einfachem Deutsch verwendet. Außerdem sind die Ausdrücke „einschließlich“ und „aufweisend“ in den folgenden Ansprüchen offene Ausdrücke, das heißt, ein System, eine Vorrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, der/die/das Elemente zusätzlich zu den nach einem solchen Begriff in einem Anspruch aufgelisteten aufweist, wird immer noch als in den Schutzumfang dieses Anspruchs fallend erachtet. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Begriffe „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Kennzeichnungen verwendet, und sollen keine numerischen Anforderungen hinsichtlich ihrer Objekte auferlegen.
Hier beschriebene Verfahrensbeispiele können zumindest teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Manche Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die dazu funktionsfähig sind, eine elektronische Vorrichtung zum Durchführen von Verfahren, wie in den obigen Beispielen beschrieben, zu konfigurieren. Eine Implementierung solcher Verfahren kann Code, wie etwa Mikrocode, Assemblersprachencode, Code einer höheren Programmiersprache oder dergleichen, aufweisen. Ein solcher Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren aufweisen. Der Code kann Teile von Computerprogrammprodukten bilden. Ferner kann der Code bei einem Beispiel greifbar auf einem oder mehreren unbeständigen, nichtflüchtigen oder beständigen greifbaren computerlesbaren Medien gespeichert werden, wie etwa während einer Ausführung oder zu anderen Zeiten. Zu Beispielen dieser greifbaren computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. Compact-Disks und Digital-Video-Disks), Magnetkassetten, Speicherkarten oder -Sticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Nurlesespeicher (ROMs) und dergleichen gehören.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht beschränkend sein. Zum Beispiel können die oben beschriebenen Beispiele (oder ein oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Implementierungen können beispielsweise durch Durchschnittsfachleute bei Durchsicht der obigen Beschreibung verwendet werden. Die Zusammenfassung wird bereitgestellt, um dem Leser zu ermöglichen, die Art der technischen Offenbarung schnell festzustellen. Sie ist mit dem Verständnis vorgelegt, dass sie nicht verwendet wird, um den Schutzumfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu beschränken. Auch können bei der obigen ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale zusammen gruppiert werden, um die Offenbarung zu straffen. Dies sollte nicht als die Absicht interpretiert werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für einen beliebigen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der Erfindungsgegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Implementierung liegen. Dementsprechend werden die folgenden Ansprüche hiermit als Beispiele oder Implementierungen in die Ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich alleine als eine separate Implementierung steht, und es ist beabsichtigt, dass solche Implementierungen miteinander in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen kombiniert werden können. Der Schutzumfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die angehängten Ansprüche zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten, zu welchen solche Ansprüche berechtigen, bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Batterie, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen einer ersten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen ersten Mehrfrequenz-Sweep; Empfangen einer zweiten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen zweiten Mehrfrequenz-Sweep; und basierend auf der ersten und zweiten Impedanzmessung, Bestimmen einer geschätzten Kapazität der Batterie unter Verwendung eines Regressionsmodells.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Impedanzmessung von der Batterie zu einem mit einem Ladezyklus assoziierten ersten Zeitpunkt erhalten wird und die zweite Impedanzmessung von der Batterie zu einem mit dem Ladezyklus assoziierten zweiten Zeitpunkt erhalten wird, der sich von dem ersten Zeitpunkt unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner Folgendes aufweist: vollständig Laden der Batterie unter Verwendung eines konstanten Stroms vor dem Erhalten der ersten Impedanzmessung; und Sättigen der Ladung der Batterie unter Verwendung einer konstanten Spannung vor dem Erhalten der zweiten Impedanzmessung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Impedanzmessung während eines stationären Zustands der Batterie erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Regressionsmodell ein rekurrentes Neuronalnetzmodell ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das rekurrente Neuronalnetzmodell unter Verwendung von Impedanzmessungen einer anderen Batterie trainiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das rekurrente neuronale Netz basierend auf einer berechneten Ladekapazität pro Zyklus einer anderen Batterie trainiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Impedanzmessung bei einer ersten Temperatur durchgeführt werden und die geschätzte Kapazität für eine zweite Temperatur gilt, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet.
Verfahren zum Detektieren einer Anomalie in einer Batterie, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen einer ersten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen ersten Mehrfrequenz-Sweep; Empfangen einer zweiten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen zweiten Mehrfrequenz-Sweep; und basierend auf der ersten und zweiten Impedanzmessung, Detektieren der Anomalie in der Batterie.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner Folgendes aufweist: Bestimmen einer Impedanzverschiebung zwischen der ersten und zweiten Impedanzmessung; und Vergleichen der Verschiebung mit einem erwarteten Wert für die Verschiebung.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erwartete Wert für die Verschiebung auf einem Alter der Batterie basiert.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erwartete Wert für die Verschiebung auf einem unter Verwendung einer anderen Batterie erzeugten Modell basiert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Impedanzmessung von der Batterie zu einem mit einem Ladezyklus assoziierten ersten Zeitpunkt erhalten wird und die zweite Impedanzmessung von der Batterie zu einem mit dem Ladezyklus assoziierten zweiten Zeitpunkt erhalten wird, der sich von dem ersten Zeitpunkt unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner Folgendes aufweist: vollständig Laden der Batterie unter Verwendung eines konstanten Stroms vor dem Erhalten der ersten Impedanzmessung; und Sättigen der Ladung der Batterie unter Verwendung einer konstanten Spannung vor dem Erhalten der zweiten Impedanzmessung.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste und zweite Impedanzmessung während eines stationären Zustands der Batterie erhalten werden.
Batteriemanagementsystem, das Folgendes aufweist: mindestens einen Hardwareprozessor; und mindestens einen Speicher, der Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch mindestens einen Hardwareprozessor bewirken, dass der mindestens eine Hardwareprozessor Operationen durchführt, die folgende Schritte aufweisen: Empfangen einer ersten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen ersten Mehrfrequenz-Sweep; Empfangen einer zweiten Impedanzmessung von der Batterie als Reaktion auf einen zweiten Mehrfrequenz-Sweep; basierend auf der ersten und zweiten Impedanzmessung, Erzeugen einer geschätzten Kapazität der Batterie unter Verwendung eines Regressionsmodells; und Detektieren einer Anomalie in der Batterie.
System nach Anspruch 16, wobei die erste Impedanzmessung von der Batterie zu einem mit einem Ladezyklus assoziierten ersten Zeitpunkt erhalten wird und die zweite Impedanzmessung von der Batterie zu einem mit dem Ladezyklus assoziierten zweiten Zeitpunkt erhalten wird, der sich von dem ersten Zeitpunkt unterscheidet.
System nach Anspruch 17, wobei die Operationen ferner Folgendes aufweisen: vollständig Laden der Batterie unter Verwendung eines konstanten Stroms vor dem Erhalten der ersten Impedanzmessung; und Sättigen der Ladung der Batterie unter Verwendung einer konstanten Spannung vor dem Erhalten der zweiten Impedanzmessung.
System nach Anspruch 16, wobei die erste und zweite Impedanzmessung während eines stationären Zustands der Batterie erhalten werden.
System nach Anspruch 16, wobei das Erzeugen der geschätzten Kapazität Eingeben der ersten und zweiten Impedanzmessung in ein rekurrentes Neuronalnetzmodell aufweist.