DE112021005695T5

DE112021005695T5 - Batteriemodellschätzung basierend auf batterieanschlussspannungs- und -stromtransienten aufgrund einer last, die aus der batterie mit energie versorgt wird

Info

Publication number: DE112021005695T5
Application number: DE112021005695.6T
Authority: DE
Inventors: John L. Melanson; Emmanuel Marchais; Eric J. King; James T. NOHRDEN
Original assignee: Cirrus Logic International Semiconductor Ltd
Current assignee: Cirrus Logic International Semiconductor Ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2023-08-10
Also published as: WO2022093454A1; GB202304568D0; US20220137146A1; US20220137143A1; CN116490788A; GB2614011A; KR20230097063A

Abstract

Ein Verfahren zur Verwaltung einer Batterie, die eine Komponente eines Geräts mit Energie versorgt, kann Überwachen einer Anschlussspannung und eines Anschlussstroms der Batterie unter einer Last, die einen Strom auf der Batterie zum Zuführen von Leistung zu einer Komponente des Geräts zieht, und Modellieren der Batterie als ein Batteriemodell enthalten, das sich an eine Beziehung zwischen der überwachten Anschlussspannung und dem überwachten Anschlussstrom über zumindest eines von Folgendem annähert: ein bestimmter Frequenzbereich, eine bestimmte Dauer, ein bestimmter Amplitudenbereich, eine angelegte Last, ein Satz von Bedingungen der Batterie und ein Satz von Bedingungen der Last. Die Beziehung zwischen der Anschlussspannung und dem Anschlussstrom kann ein frequenzabhängiges Kennzeichen aufweisen, das zumindest zwei Zeitkonstanten einschließt. Die zwei Zeitkonstanten können eine zeitvariable Beziehung zwischen einem Eingang und Ausgang des Batteriemodells darstellen.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Schaltungen für elektronische Geräte, darunter ohne Einschränkung persönliche tragbare Geräte, wie etwa drahtlose Telefone und Medienspieler, und insbesondere Batteriemodellschätzung für eine Batterie, die zum Versorgen von Komponenten eines elektronischen Geräts mit Energie benutzt werden kann.
HINTERGRUND
Tragbare elektronische Geräte, darunter drahtlose Telefone, wie etwa mobile/zellulare Telefone, Tablets, schnurlose Telefone, MP3-Player und andere Verbrauchergeräte, sind in weitverbreitetem Gebrauch. Ein derartiges tragbares elektronisches Gerät kann eine Batterie (beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie) zum Versorgen von Komponenten des tragbaren elektronischen Geräts mit Energie enthalten.
Im Betrieb kann die Anschlussspannung einer Batterie aufgrund von interner Ausgangsimpedanz der Batterie unter einen Laststrom fallen. Derartige Ausgangsimpedanz kann auf eine Anzahl geeigneter Arten und Weisen modelliert werden, einschließlich mit einem äquivalenten Schaltungsmodell einer Reihe von parallel gekoppelten Widerständen und Kondensatoren. Kenntnis der detaillierten Impedanz einer Batterie kann für Ladezustandsmessalgorithmen nützlich sein (beispielsweise zum Bestimmen einer Batterieruhespannung und einem Ladungszustand, Voraussagen von Leistungsgrenzen und/oder Ableiten von Sicherheitsgrenzen oder Betriebssicherheitsgrenzen der Batterie (beispielsweise eine Maximalspannung und ein Maximalstrom des Batterieanschlusses)).
Bei Benutzung von herkömmlichen Ansätzen wird ein Impedanzmodell typischerweise unter Benutzung eines niedrigen sinusförmigen Teststroms oder Kurzzeitimpulses geschätzt. Derartige Ansätze können der Batterie jedoch Ladebedingungen auferlegen, die sich von realen Bedingungen im Gebrauchsfall eines Mobilgeräts unterscheiden, was zu einem inadäquaten Modell führen kann.
Zudem ist bei Benutzung von herkömmlichen Ansätzen die Schätzung eines Batterieimpedanzmodells mit einer komplexen Impedanz mehrfacher Ordnung rechnerisch kostspielig.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung können ein oder mehr Nachteile und Probleme, die mit bestehenden Ansätzen zum Modellieren von Batterieimpedanz assoziiert sind, abgemildert oder beseitigt werden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein Verfahren zur Verwaltung einer Batterie, die eine Komponente eines Geräts mit Energie versorgt, Überwachen einer Anschlussspannung und eines Anschlussstroms der Batterie unter einer Last, die einen Strom auf der Batterie zum Zuführen von Leistung zu einer Komponente des Geräts zieht, und Modellieren der Batterie als ein Batteriemodell enthalten, das sich an eine Beziehung zwischen der überwachten Anschlussspannung und dem überwachten Anschlussstrom über zumindest eines von Folgendem annähert: ein bestimmter Frequenzbereich, eine bestimmte Dauer, ein bestimmter Amplitudenbereich, eine angelegte Last, ein Satz von Bedingungen der Batterie und ein Satz von Bedingungen der Last. Die Beziehung zwischen der Anschlussspannung und dem Anschlussstrom kann ein frequenzabhängiges Kennzeichen aufweisen, das zumindest zwei Zeitkonstanten einschließt. Die zwei Zeitkonstanten können eine zeitvariable Beziehung zwischen einem Eingang und Ausgang des Batteriemodells darstellen.
Gemäß diesen und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein System zur Verwaltung einer Batterie, die eine Komponente eines Geräts mit Energie versorgt, Batterieüberwachungsschaltungen, die zum Überwachen einer Anschlussspannung und eines Anschlussstroms der Batterie unter einer Last, die einen Strom auf der Batterie zum Zuführen von Leistung zu einer Komponente des Geräts zieht, konfiguriert sind, und eine Batteriemodellschätzeinrichtung enthalten, die zum Modellieren der Batterie als ein Batteriemodell konfiguriert ist, das sich an eine Beziehung zwischen der überwachten Anschlussspannung und dem überwachten Anschlussstrom über zumindest eines von Folgendem annähert: ein bestimmter Frequenzbereich, eine bestimmte Dauer, ein bestimmter Amplitudenbereich, eine angelegte Last, ein Satz von Bedingungen der Batterie und ein Satz von Bedingungen der Last. Die Beziehung zwischen der Anschlussspannung und dem Anschlussstrom kann ein frequenzabhängiges Kennzeichen aufweisen, das zumindest zwei Zeitkonstanten einschließt. Die zwei Zeitkonstanten können eine zeitvariable Beziehung zwischen einem Eingang und Ausgang des Batteriemodells darstellen.
Gemäß diesen und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein Verfahren zum Schätzen von Parametern eines Batterieimpedanzmodells, das eine Ausgangsimpedanz einer Batterie modelliert, Aufteilen des Batterieimpedanzmodells in mehrere separate Impedanzstufen enthalten, wobei sich jede separate Impedanzstufe dem Batteriemodell innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs annähert, wobei die jeweilige Impedanz in jeder separaten Impedanzstufe ein primäres Impedanzmodell mit einem primären Satz von definierenden Impedanzparametern und ein sekundäres Impedanzmodell mit einem sekundären Satz von Impedanzparametern umfasst, und wobei das Batterieimpedanzmodell durch eine Reihenverbindung der jeweiligen primären Impedanzmodelle der mehreren Impedanzstufen definiert ist. Das Verfahren kann außerdem Überwachen des Betriebs der Batterie zum Bestimmen des primären Satzes von definierenden Impedanzparametern und des sekundären Satzes von Impedanzparametern enthalten.
Gemäß diesen und anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein System zum Schätzen von Parametern eines Batterieimpedanzmodells, das eine Ausgangsimpedanz einer Batterie modelliert, einen oder mehr Ausgänge, die zum Empfangen von Information hinsichtlich des Betriebs der Batterie konfiguriert sind, und Batterieüberwachungsschaltungen enthalten. Die Batterieüberwachungsschaltungen können zum Aufteilen des Batterieimpedanzmodells in mehrere separate Impedanzstufen konfiguriert sein, wobei sich jede separate Impedanzstufe dem Batteriemodell innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs annähert, wobei die jeweilige Impedanz in jeder separaten Impedanzstufe ein primäres Impedanzmodell mit einem primären Satz von definierenden Impedanzparametern und ein sekundäres Impedanzmodell mit einem sekundären Satz von Impedanzparametern umfasst, und wobei das Batterieimpedanzmodell durch eine Reihenverbindung der jeweiligen primären Impedanzmodelle der mehreren Impedanzstufen definiert ist. Die Batterieüberwachungsschaltungen können außerdem zum Überwachen des Betriebs der Batterie zum Bestimmen des primären Satzes von definierenden Impedanzparametern und des sekundären Satzes von Impedanzparametern konfiguriert sein.
Technische Vorteile der vorliegenden Offenbarung können für den Fachmann ohne weiteres aus den Figuren, der Beschreibung und den Ansprüchen, die hierin enthalten sind, ersichtlich werden. Die Aufgaben und Vorteile der Ausführungsformen werden zumindest durch die Elemente, Merkmale und Kombinationen, die insbesondere in den Ansprüchen hervorgehoben sind, verwirklicht und erzielt.
Es versteht sich, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung Beispiele und veranschaulichend sind und die Ansprüche, die in dieser Offenbarung angeführt sind, nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Ausführungsformen und Vorteilen davon ist durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen Merkmale anzeigen, zu erfassen; es zeigen:

1 ein Blockdiagramm von ausgewählten Komponenten eines Leistungszufuhrnetzwerks gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
2 ein beispielhaftes Schaubild einer Ruhrspannung einer Batterie gegenüber dem Ladezustand der Batterie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
3 einen Schaltplan von ausgewählten Komponenten eines äquivalenten Schaltungsmodells für eine Batterie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
4 einen Schaltplan von ausgewählten Komponenten eines äquivalenten Schaltungsmodells für eine Batterie, das Schätzung eines Batterieimpedanzmodells in Stufen darstellt, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
5 einen Schaltplan von ausgewählten Komponenten eines äquivalenten Impedanzmodells für eine erste Schätzstufe gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
6 einen Schaltplan von ausgewählten Komponenten eines äquivalenten Impedanzmodells für eine zweite Schätzstufe gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
7 einen Schaltplan von ausgewählten Komponenten eines äquivalenten Impedanzmodells für eine dritte Schätzstufe gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
8 einen Schaltplan von ausgewählten Komponenten eines äquivalenten Impedanzmodells für eine vierte Schätzstufe gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
9 ein Blockdiagramm von ausgewählten Komponenten einer Batteriemodellschätzeinrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
10A ein Blockdiagramm eines Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate zum Schätzen von primären und sekundären Batteriemodellparametern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; und
10B ein Blockdiagramm eines Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate zum Schätzen von primären Batteriemodellparametern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 stellt ein Blockdiagramm von ausgewählten Komponenten eines Leistungszufuhrnetzwerks 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. In manchen Ausführungsformen kann das Leistungszufuhrnetzwerk 10 innerhalb eines tragbaren elektronischen Geräts, wie etwa eines Smartphones, Tablets, einer Spielsteuerung und/oder anderen geeigneten Geräts, implementiert sein.
Wie in 1 gezeigt, kann das Leistungszufuhrnetzwerk 10 eine Batterie 12 und eine Last 18 enthalten. Wie in 1 gezeigt, kann die Batterie 12, wenn sie durch die Last 18 geladen ist, eine Batteriespannung V_CELL an ihren Anschlüssen erzeugen und der Last 18 einen Batteriestrom I_CELL zuführen. In manchen Ausführungsformen kann die Batterie 12 eine Lithium-Ionen-Batterie umfassen. Die Last 18 kann jegliche elektrische Komponente, elektronische Komponente und/oder Kombination davon darstellen. Beispielsweise kann die Last 18 jegliche geeignete funktionelle Schaltungen oder Geräte des Leistungszufuhrnetzwerks 10 enthalten, darunter u.a. Leistungswandler, Prozessoren, Audio-Codierer/-Decodierer, Verstärker, Anzeigengeräte usw. Ferner kann das Leistungszufuhrnetzwerk 10, wenn auch in 1 nicht ausdrücklich gezeigt, außerdem Steuerschaltungen zum Steuern des Betriebs der Batterie 12 und/oder der Last 18 enthalten.
Wie außerdem in 1 gezeigt, kann das Leistungszufuhrnetzwerk 10 Batterieüberwachungsschaltungen 20 enthalten. Die Batterieüberwachungsschaltungen 20 können Die Batterieüberwachungsschaltungen 20 können jegliches geeignete System, Gerät oder Vorrichtung enthalten, das/die zum Überwachen der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL konfiguriert ist. Ferner können die Batterieüberwachungsschaltungen 20 eine Batteriemodellschätzeinrichtung 24 enthalten, die zum Aufnehmen der überwachten Batteriespannung V_CELL und einer Lesespannung V_SNS an einem Lesewiderstand 22, welche den Batteriestrom I_CELL anzeigen, und darauf basierend zum Schätzen eines Batterieimpedanzmodells für die Batterie 12 konfiguriert ist, wie unten detaillierter beschrieben. Die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann mit einem Verarbeitungsgerät implementiert sein, darunter u.a. ein Mikroprozessor, ein digitaler Signalprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ein feldprogrammierbares Gate-Array, elektrisch löschbaren, programmierbaren Festwertspeicher, ein komplexes programmierbares Logikgerät und/oder ein anderes geeignetes Verarbeitungsgerät. In manchen Ausführungsformen können die Batterieüberwachungsschaltungen 20 eine Temperatur, die mit der Batterie 12 assoziiert ist, überwachen, und die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 kann das Impedanzmodell basierend auf der Batteriespannung V_CELL, einer Lesespannung V_SNS und der abgefühlten Temperatur schätzen.
Es ist bekannt, dass Lithium-Ionen-Batterien typischerweise von 4,5 V bis 3,0 V arbeiten, was als eine Ruhespannung V_OC der Batterie (beispielsweise Batterie 12) bekannt ist. Wenn sich eine Batterie aufgrund dessen, dass der Batterie ein Strom entzogen wird, entlädt, kann der Ladezustand der Batterie ebenfalls abnehmen, und die Ruhespannung V_OC (die eine Funktion des Ladezustands sein kann) kann infolge von elektrochemischen Reaktionen, die innerhalb der Batterie stattfinden, ebenfalls abnehmen, wie in 2 gezeigt. Außerhalb des Bereichs von 3,0 V und 4,5 V für die Ruhespannung V_OC können sich die Kapazität, Lebensdauer und Sicherheit einer Lithium-Ionen-Batterie verschlechtern. Beispielsweise können auf ungefähr 3,0 V ungefähr 95% der Energie in einer Lithium-Ionen-Batterie verbraucht sein (d.h. der Ladezustand beträgt 5%), und es wäre wahrscheinlich, dass die Lesespannung V_OC schnell abfallen würde, wenn weitere Entladung weiterginge. Unterhalb von ungefähr 2,4 V können Metallplatten einer Lithium-Ionen-Batterie erodieren, was höhere interne Impedanz für die Batterie, niedrigere Kapazität und potentiellen Kurzschluss bewirken kann. Um eine Batterie (beispielsweise Batterie 12) vor Überentladung zu schützen, können daher zahlreiche tragbare elektronische Geräte den Betrieb unterhalb einer vorbestimmten Entladeschlussspannung verhindern. Kenntnis der Ausgangsimpedanz kann beim Bestimmen der Ruhespannung V_OC und von anderen Parametern der Batterie 12 nützlich sein.
3 stellt einen Schaltplan von ausgewählten Komponenten eines äquivalenten Schaltungsmodells für die Batterie 12 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in 3 gezeigt, kann die Batterie 12 als eine Batteriezelle 32 mit einer Ruhespannung V_OC in Reihe mit mehreren parallelen restistivkapazitiven Sektionen (beispielsweise die parallelen resistiv-kapazitiven Sektionen 34-1, 34-2, ..., 34-N) und ferner in Reihe mit einem äquivalenten Reihenwiederstand 36 der Batterie 12 aufweisend modelliert sein, wobei ein derartiger äquivalenter Reihenwiderstand 36 einen Widerstand von R₀ aufweist. Die Widerstände R₁, R₂, ..., R_N und jeweiligen Kapazitäten C₁, C₂, ..., C_N können batteriechemisch abhängige Zeitkonstanten τ₁, τ₂, ..., τ_N modellieren, die mit der Ruhespannung V_OC und einem äquivalenten Reihenwiderstand 36 zusammengelegt sein können. Die Reihen von Impedanzsektionen, die durch die resistiv-kapazitiven Sektionen 34 und den äquivalenten Reihenwiderstand 36 dargestellt sind, können Diffusionsprozesse darstellen, die auf verschiedenen Rateninnerhalb der Batterie 12 stattfinden. Grenzfrequenzen der parallelen resistiv-kapazitive Sektionen 34 können jeweils gegeben sein durch: $\begin{matrix} f_{c 1} = \frac{1}{x_{1}} = \frac{1}{2 π R_{1} C_{1}}; \\ f_{c 2} = \frac{1}{x_{2}} = \frac{1}{2 π R_{2} C_{2}}; \\ \dots \\ f_{c N} = \frac{1}{x_{N}} = \frac{1}{2 π R_{N} C_{N}}; \end{matrix}$
wobei π die allgemein bekannte Konstante darstellt, die als das Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser definiert, und wobei die parallelen resistiv-kapazitiven Sektionen 34 derart geordnet sind, dass f_cN < ... < f_c2 < f_c1 ist.
Bemerkenswerterweise kann ein elektrischer Knoten, der mit der Spannung V_CELL-EFF in 3 dargestellt ist, das zeitvariierende Entladungsverhalten der Batterie 12 erfassen, und die Batteriespannung V_CELL kann eine tatsächliche Spannung sein, die an Ausgangsanschlüssen der Batterie 12 ersichtlich ist. Die Spannung V_CELL-EFF könnte nicht direkt messbar sein, und daher könnte die Batteriespannung V_CELL die einzige mit der Batterie 12 assoziierte Spannung sein, die zum Schätzen des Batteriegesundheitszustands gemessen werden kann. Ebenfalls zu beachten ist, dass bei einer Stromaufnahme von Null (beispielsweise I_CELL = 0) die Batteriespannung V_CELL gleich der Spannung V_CELL-EFF sein kann, die wiederum gleich einer Ruhespannung V_OC auf einem gegebenen Ladezustand sein kann.
Zum Schätzen eines Impedanzmodells der Batterie 12 kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 die Ausgangsimpedanz der Batterie 12 in eine Anzahl von Stufen aufteilen, wodurch das Schätzproblem in mehrere Identifikationsprobleme niedrigerer Ordnung unterteilt wird. Derartige Schätzung in Stufen kann aufgrund der Tatsache möglich sein, dass Grenzfrequenzen (oder Zeitkonstanten) der Diffusionsprozesse, die durch die verschiedenen parallelen resistiv-kapazitiven Sektionen 34 dargestellt sind, um eine Größenordnung oder mehr getrennt werden können.
Obgleich ein Impedanzmodell der Batterie 12 jegliche Anzahl N von Stufen enthalten kann, wie in 3 gezeigt, kann die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 ein Impedanzmodell unter Nutzung jeglicher geeigneten Anzahl von Stufen und Durchführung einer Schätzung für jede individuelle Stufe schätzen. Beispielsweise kann die Batterieschätzvorrichtung in manchen Ausführungsformen das Impedanzmodell der Batterie 12 in vier Schätzstufen 40-1, 40-2, 40-3 und 40-4 schätzen, wie in 4 gezeigt. Die Schätzstufe 40-1 kann den Widerstand R₀, den Widerstand R₁ und die Kapazität C₁ schätzen, die Schätzstufe 40-2 kann den Widerstand R₂ und die Kapazität C₂ schätzen, die Schätzstufe 40-3 kann den Widerstand R₃ und die Kapazität C₃ schätzen und die Schätzstufe 40-4 kann den Widerstand R₄ und die Kapazität C₄ schätzen.
Im Betrieb kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 das vollständige Batterieimpedanzmodell als die Summe von jeweiligen primären Impedanzmodellen 42 (beispielsweise primäre Impedanzmodelle 42-1, 42-2, 42-3 und 42-4) für jede der Schätzstufen 40 schätzen. Ein primäres Impedanzmodell 42 für eine bestimmte Schätzstufe 40 kann ein Hauptmerkmal des vollständigen Batterieimpedanzmodells innerhalb eines Frequenzbands FB_M definieren, das um die Grenzfrequenz (beispielsweise f_c1, f_c2, f_c3, f_c4) zentriert ist, welche mit der primären Impedanz einer derartigen Schätzstufe 40 assoziiert ist. Beispielsweise kann, wenn ein primäres Impedanzmodell 42-M einer Schätzstufe 40-M eine einzelne Grenzfrequenz aufweist, die durch einen Widerstand R_M parallel mit einer Kapazität C_M definiert ist, dann eine Frequenz f_cM die Grenzfrequenz eines derartigen primären Impedanzmodells 42-M sein.
Eine primäre Impedanz einer Schätzstufe 40-M kann jedoch nicht direkt aus Kennzeichen der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL im Frequenzband FB_M identifiziert werden, da die primären Impedanzen von anderen Schätzstufen 40 zum Frequenzgang des vollständigen Batterieimpedanzmodells innerhalb des Frequenzbands FB_M beitragen können. Dementsprechend kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 das Impedanzmodell für jede Schätzstufe 40-M unter Nutzung eines sekundären Impedanzmodells für eine derartige Schätzstufe 40-M schätzen, wobei ein derartiges sekundäres Impedanzmodell die Restimpedanz der benachbarten vorhergehenden Schätzstufen (beispielsweise Schätzstufen 40-1 bis 40[M-1]) und nachfolgenden Schätzstufen (beispielsweise Schätzstufen 40[M+1] bis 40-N) über das Frequenzband FB_M für eine derartige Schätzstufe 40-M modelliert. Beispielsweise weisen für die Schätzstufe 40-1 die nachfolgenden Schätzstufen 40-2, 40-3 und 40-4 mit primären Impedanzmodellen R₂||C₂, R₃||C₃, R₄||C₄ eine Restimpedanz innerhalb des Frequenzbands FB₁, das mit der Schätzstufe 40-1 assoziiert ist, auf, welche mit einem zusammengelegten sekundären Impedanzmodell 44-1 R₂||C₂ modelliert werden kann, wie in 5 gezeigt.
Wie in 5 dargestellt, kann ein Impedanzmodell für die Schätzstufe 40-1 ein primäres Impedanzmodell 42-1 mit einer Impedanz R₀ + R₁||C₁ mit primären Parametern R₀, R₁ und C₁ enthalten, das die Auswirkungen von Impedanz nahe und über der Grenzfrequenz f_c1 modelliert. Das primäre Impedanzmodell 42-1 kann in Reihe mit dem sekundären Impedanzmodell 44-1 mit einer Impedanz R₂||C₂ und mit sekundären Parametern R₂ und C₂ sein, das die Auswirkungen der Restimpedanz der benachbarten Schätzstufen 40 nahe der Grenzfrequenz f_c1 modelliert.
Im Betrieb kann die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 Messungen der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL mit einem Bandpassfilter, der um die Grenzfrequenz f_c1 zentriert ist, filtern, oder alternativ derartige Messungen mit einem Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz über der Grenzfrequenz f_c2, jedoch unter der Grenzfrequenz f_c1, hochpassfiltern. Ferner kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate oder eine andere geeignete Passungsnäherung benutzen, um primäre Parameter R₀, R₁ und C₁ und sekundäre Parameter R₂ und C₂ an die gefilterte Sequenz der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL zu passen.
Die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann zwei Schätzschritte zum Schätzen derartiger Parameter ausführen. In einem ersten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10A beschrieben) kann ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate sowohl die primären Parameter R₀, R₁ und C₁ als auch die sekundären Parameter R₂ und C₂ gleichzeitig schätzen. In einem zweiten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10B beschrieben) kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 die sekundären Parameter R₂ und C₂ der Restimpedanz durch nachfolgende Schätzungen der primären Impedanz in den benachbarten Schätzstufen 40 einstellen und die primären Parameter R₀, R₁ und C₁ der Schätzstufe 40-1 während des zweiten Schätzschritts nur durch Fehlerquadrate anpassen. Ein derartiger zweiter Schätzschritt kann die Genauigkeit der angepassten Parameter iterativ verbessern. Daher kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 in diesem Beispiel die sekundären Parameter R₂ und C₂ der Schätzstufe 40-1 aus einer Schätzung der primären Parameter R₂ und C₂ der Schätzstufe 40-2 einstellen.
Wie in 6 dargestellt, kann ein Impedanzmodell für die Schätzstufe 40-2 ein primäres Impedanzmodell 42-2 mit Impedanz R₂||C₂ mit primären Parametern R₂ und C₂ enthalten, die die Auswirkungen der Impedanz nahe der Grenzfrequenz f_c2 modellieren. Das primäre Impedanzmodell 42-2 kann in Reihe mit dem sekundären Impedanzmodell 44-2a mit Impedanz R₃||C₃ mit sekundären Parametern R₃ und C₃ und mit einem anderen sekundären Impedanzmodell 44-2b mit Impedanz R_L1 = R₀ + R₁ sein, wobei die sekundären Parameter R_L1, R₃ und C₃ die Auswirkungen von Restimpedanz von benachbarten Schätzstufen 40 nahe der Grenzfrequenz f_c2 modellieren.
Im Betrieb kann die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 Messungen der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL mit einem Bandpassfilter, der um die Grenzfrequenz f_c2 zentriert ist, filtern, oder alternativ derartige Messungen mit einem Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz über der Grenzfrequenz f_c3, jedoch unter der Grenzfrequenz f_c2, hochpassfiltern. Ferner kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate oder eine andere geeignete Passungsnäherung benutzen, um primäre Parameter R₂ und C₂ und sekundäre Parameter R_L1, R₃ und C₃ an die gefilterte Sequenz der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL zu passen.
Die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann zwei Schätzschritte zum Schätzen derartiger Parameter ausführen. In einem ersten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10A beschrieben) kann ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate sowohl die primären Parameter R₂ und C₂ als auch die sekundären Parameter R_L1, R₃ und C₃ gleichzeitig schätzen. In einem zweiten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10B beschrieben) kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 die sekundären Parameter R_L1, R₃ und C₃ der Restimpedanz durch nachfolgende Schätzungen der primären Impedanz in den benachbarten Schätzstufen 40 einstellen und die primären Parameter R₂ und C₂ der Schätzstufe 40-1 während des zweiten Schätzschritts nur durch Fehlerquadrate anpassen. Ein derartiger zweiter Schätzschritt kann die Genauigkeit der angepassten Parameter iterativ verbessern. Daher kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 in diesem Beispiel die sekundären Parameter R₂ und C₂ der Schätzstufe 40-2 aus einer Schätzung der primären Parameter R₃ und C₃ der Schätzstufe 40-3 und aus einer Schätzung der primären Parameter R₀ und R₁ der Schätzstufe 40-1 einstellen.
Wie in 7 dargestellt, kann ein Impedanzmodell für die Schätzstufe 40-3 ein primäres Impedanzmodell 42-3 mit Impedanz R₃||C₃ mit primären Parametern R₃ und C₃ enthalten, die die Auswirkungen der Impedanz nahe der Grenzfrequenz f_c3 modellieren. Das primäre Impedanzmodell 42-2 kann in Reihe mit dem sekundären Impedanzmodell 44-3a mit Impedanz R₄||C₄ mit sekundären Parametern R₄ und C₄ und mit einem anderen sekundären Impedanzmodell 44-3b mit Impedanz R_L2 = R₀ + R₁ +R₂ sein, wobei die sekundären Parameter R_L2, R₄ und C₄ die Auswirkungen von Restimpedanz von benachbarten Schätzstufen 40 nahe der Grenzfrequenz f_c3 modellieren.
Im Betrieb kann die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 Messungen der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL mit einem Bandpassfilter, der um die Grenzfrequenz f_c3 zentriert ist, filtern, oder alternativ derartige Messungen mit einem Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz über der Grenzfrequenz f_c4, jedoch unter der Grenzfrequenz f_c3, hochpassfiltern. Ferner kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate oder eine andere geeignete Passungsnäherung benutzen, um primäre Parameter R₃ und C₃ und sekundäre Parameter R_L2, R₄ und C₄ an die gefilterte Sequenz der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL zu passen.
Die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann zwei Schätzschritte zum Schätzen derartiger Parameter ausführen. In einem ersten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10A beschrieben) kann ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate sowohl die primären Parameter R₃ und C₃ als auch die sekundären Parameter R_L2, R₄ und C₄ gleichzeitig schätzen. Im zweiten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10B beschrieben) kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 die sekundären Parameter R_L2, R₄ und C₄ der Restimpedanz durch nachfolgende Schätzungen der primären Impedanz in den benachbarten Schätzstufen 40 einstellen und die primären Parameter R₃ und C₃ der Schätzstufe 40-3 während des zweiten Schätzschritts nur durch Fehlerquadrate anpassen. Ein derartiger zweiter Schätzschritt kann die Genauigkeit der angepassten Parameter iterativ verbessern. Daher kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 in diesem Beispiel die sekundären Parameter R₃ und C₃ der Schätzstufe 40-3 aus einer Schätzung der primären Parameter R₄ und C₄ der Schätzstufe 40-4 und aus einer Schätzung der primären Parameter R₀, R₁ und R₂ der Schätzstufen 40-1 und 40-2 einstellen.
Wie in 8 dargestellt, kann ein Impedanzmodell für die Schätzstufe 40-4 ein primäres Impedanzmodell 42-4 mit Impedanz R₄||C₄ mit primären Parametern R₄ und C₄ enthalten, die die Auswirkungen der Impedanz nahe der Grenzfrequenz f_c4 modellieren. Das primäre Impedanzmodell 42-4 kann in Reihe mit dem sekundären Impedanzmodell 44-4 mit Impedanz R_L3 = R₀ + R₁ +R₂ +R₃ sein, wobei der sekundäre Parameter R_L3 die Auswirkungen von Restimpedanz von benachbarten Schätzstufen 40 nahe der Grenzfrequenz f_c4 modelliert.
Im Betrieb kann die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 Messungen der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL mit einem Bandpassfilter, der um die Grenzfrequenz f_c4 zentriert ist, filtern. Ferner kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate oder eine andere geeignete Passungsnäherung benutzen, um primäre Parameter R₄ und C₄ und sekundäre Parameter R_L3 an die gefilterte Sequenz der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL zu passen.
Die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann zwei Schätzschritte zum Schätzen derartiger Parameter ausführen. In einem ersten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10A beschrieben) kann ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate sowohl die primären Parameter R₄ und C₄ als auch den sekundären Parameter R_L3 gleichzeitig schätzen. Im der zweiten Schätzschritt (beispielsweise wie unten unter Bezugnahme auf 10B beschrieben) kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 den sekundären Parameter R_L3 der Restimpedanz durch nachfolgende Schätzungen der primären Impedanz in den benachbarten Schätzstufen 40 einstellen und die primären Parameter R₄ und C₄ der Schätzstufe 40-3 während des zweiten Schätzschritts nur durch Fehlerquadrate anpassen. Ein derartiger zweiter Schätzschritt kann die Genauigkeit der angepassten Parameter iterativ verbessern. Daher kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 in diesem Beispiel die sekundären Parameter R₄ und C₄ der Schätzstufe 40-4 aus einer Schätzung der primären Parameter R₀, R₁, R₂ und R₃ der Schätzstufen 40-1, 40-2 und 40-3 einstellen.
Der erste Schätzschritt für jede Schätzstufe 40 könnte nur einmal benötigt werden, wenn eine A-Priori-Schätzung der sekundären Parameter definiert ist. Sobald die primären Parameter jeder Schätzstufe 40 über diesen ersten Schätzschritt geschätzt wurden, kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 die primären Parameter als sekundäre Parameter von benachbarten Schätzstufen 40 weitergeben, um den Schätzprozess zu vereinfachen und einzugrenzen sowie als potentiell zu iterativ genaueren Schätzungen des vollständigen Batterieimpedanzmodells führend.
Sobald die Parameter des vollständigen Modells geschätzt sind, kann die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 Ruhespannung V_OC, Spannung V_CELL-EFF, interne Überspannungszustände der Batterie 12, ein Lithium-Ionen-Anodenpotential und/oder einen anderen Zustand, der eine Bedingung der Batterie darstellt, welche zur Verschlechterung ihrer chemischen Zusammensetzung führen kann, durch Überwachen des Stroms I_CELL (der beispielsweise durch die Lesespannung V_SNS angezeigt sein kann) schätzen. Die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann derartige Überspannungszustände beispielsweise mit einem einfachen Filtermodell oder einem Kalman-Filter schätzen.
9 stellt ein Blockdiagramm von ausgewählten Komponenten der Batteriemodellschätzeinrichtung 24 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Wie in 9 gezeigt, kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 die Batteriespannung V_CELL und den Batteriestrom I_CELL mit Analog/Digital-Wandlern (ADC) abtasten, und die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann derartige abgetastete Batteriespannung V_CELL und derartigen abgetasteten Batteriestrom I_CELL für jede Schätzstufe 40 auf eine niedrigere Rate dezimieren, die zum Erzielen einer geeigneten Schätzung genügt. Derartige Signaldezimierung kann eine Verarbeitungsmenge verringern, die beim Schätzen des Batterieimpedanzmodells erforderlich ist, während erwünschte numerische Präzision weiterhin beibehalten wird. Derartige dezimierte Signale werden nahe der jeweiligen Grenzfrequenzen f_c1, f_c2, f_c3 und f_c4 für die Schätzstufen 40 bandpassgefiltert, und, sobald sie gefiltert sind, kann die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 Fehlerquadratanpassungen zum Bestimmen der verschiedenen primären und sekundären Parameter ausführen, wie oben beschrieben. Ferner kann, sobald das Batterieimpedanzmodell erstellt wurde (und welches im Zeitverlauf dynamisch aktualisiert werden kann), die Batteriemodellschätzvorrichtung 24 ein derartiges Batterieimpedanzmodell auf den überwachten Batteriestrom I_CELL anwenden, um Ruhespannung V_OC, Spannung V_CELL-EFF, interne Überspannungszustände der Batterie 12, ein Lithium-Ionen-Anodenpotential und/oder einen anderen Zustand, der eine Bedingung der Batterie darstellt, welche zur Verschlechterung ihrer chemischen Zusammensetzung führen kann, zu schätzen.
10A stellt ein Blockdiagramm eines Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate zum Schätzen von primären und sekundären Batteriemodellparametern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate, das in 10A dargestellt ist, kann zum Ausführen des „ersten Schätzschritts“, der für jede der Schätzstufen 40 beschrieben ist, benutzt werden. Wie in 10A gezeigt, können lineare Kombinationen von verzögerten Abtastungen der dezimierten, bandpassgefilterten Messungen der Batteriespannung V_CELL und des Batteriestroms I_CELL zum Ausbilden eines Satzes von Regressoren benutzt werden. Eine Kreuzkorrelationsmatrix für Regressoren kann an den jeweiligen Grenzfrequenzen (beispielsweise f_c1, f_c2, f_c3, f_c4) für die bestimmte Schätzstufe 40 tiefpassgefiltert werden. Die Batteriemodellschätzeinrichtung 24 kann die gefilterten Korrelationen zum Bestimmen einer kleinsten Fehlerquadratlösung benutzen.
10B stellt ein Blockdiagramm eines Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate zum Schätzen von primären Batteriemodellparametern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate, das in 10B dargestellt ist, kann zum Ausführen des „zweiten Schätzschritts“, der für jede der Schätzstufen 40 beschrieben ist, benutzt werden. Wie in 10B gezeigt, kann die kleinste Fehlerquadratlösung im zweiten Schätzschritt durch Voreinstellen der sekundären Parameter weiter eingeschränkt werden, um zu einer genaueren Schätzung der primären Parameter zu führen.
Gemäß dem Vorstehenden können Verfahren und Systeme zum Schätzen von Parametern eines vollständigen Batterieimpedanzmodells vorgesehen sein, das eine Ausgangsimpedanz einer Batterie, welche eine Last mit Energie versorgt, modelliert, und das über eine volle Reichweite von relevanten Frequenzen gültig ist. Das vollständige Batteriemodell kann in eine Anzahl N von separaten Impedanzschätzstufen aufgeteilt werden, wobei N eine Ganzzahl von 2 oder größer ist. Jede Impedanzschätzstufe kann sich einem vollständigen Batterieimpedanzmodell für einen begrenzten Frequenzbereich annähern. Für jede der separaten Impedanzschätzstufen kann die jeweilige Impedanz in jeder Stufe ein primäres Impedanzmodell mit einem primären Satz von definierenden Parametern und ein sekundäres Impedanzmodell mit einem sekundären Satz von Parametern enthalten. Das vollständige Batterieimpedanzmodell kann durch eine Reihenverbindung von allen den primären Impedanzmodellen definiert werden. Daher können die primären Parameter die Parameter des vollständigen Batteriemodells definieren.
Ein voller Bereich von relevanten Frequenzen für das Batteriemodell kann von 1 MHz bis 10 KHz reichen. Hierin offenbarte Verfahren und Systeme können ferner eine gemessene Spannung und einen gemessenen Strom benutzen, die/der mit einem Einschwingverhalten der Batterie unter einer Schaltlast assoziiert ist, wie sie natürlicherweise in einem Mobilgerät vorliegt. In manchen Ausführungsformen kann eine Breitbandtesterregung der Batterie zum Erzeugen von derartiger Spannung und derartigem Strom benutzt werden.
Das primäre Impedanzmodell einer Impedanzschätzstufe M (wobei M zwischen 1 und N liegt) kann ein Hauptmerkmal (wie etwa eine elektrische Komponente oder die Kombination von elektrischen Komponenten, die die dominante Impedanz über diesen Frequenzbereich definieren) der Impedanz des vollständigen Batteriemodells über einen Frequenzbereich für die Impedanzschätzstufe M definieren. Das sekundäre Impedanzmodell einer Impedanzschätzstufe M (M liegt zwischen 1 und N) kann ein Restmerkmal des primären Impedanzmodells von jeder Impedanzschätzstufe 1 bis M-1 und M+1 bis N über den Frequenzbereich der Impedanzschätzstufe M definieren. Das sekundäre Impedanzmodell kann ein zusammengelegtes Modell von Impedanz der primären Impedanzschätzstufen 1 bis M-1 und M+1 bis N sein.
Gemäß den hierin offenbarten Systemen und Verfahren können Batterieüberwachungsschaltungen eine Anschlussspannung und einen Anschlussstrom einer Batterie überwachen. Für jede Impedanzschätzstufe M können die Batterieüberwachungsschaltungen die Anschlussspannung und den Anschlussstrom in einem Frequenzbereich bandpassfiltern, der mit einer derartigen Impedanzschätzstufe assoziiert ist. Die Batterieüberwachungsschaltungen können ein Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate auf die bandpassgefilterten Anschlussspannungs- und Anschlussstrommessungen anwenden, um Parameter des vollständigen Batterieimpedanzmodells über die Impedanzschätzstufe M hinweg zu schätzen.
Das Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate kann in zwei Schritten ausgeführt werden. Der erste Schätzschritt kann Schätzen der primären und sekundären Parameter der Impedanzschätzstufe M beinhalten, da im ersten Schätzschritt genügend A-Priori-Kenntnis der sekundären Parameter zum Ausführen der Schätzung nicht vorhanden sein könnte. Der zweite Schätzschritt kann Voreinstellen der sekundären Parameter der Impedanzschätzstufe M und nur Schätzen der primären Parameter der Impedanzschätzstufe M unter Benutzung des Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate beinhalten. In manchen Fällen können die sekundären Parameter uninteressant werden, und die Batterieüberwachungsschaltungen können den ersten Schätzschritt und den zweiten Schätzschritt erneut ausführen. In manchen Ausführungsformen kann der erste Parameterschritt nur einmal ausgeführt werden und der zweite Parameterschritt wiederholt ausgeführt werden (beispielsweise zum Verfolgen von Parametern).
In manchen Ausführungsformen können die Batterieüberwachungsschaltungen manche der geschätzten Parameter basierend auf A-Priori-Kenntnis eines gültigen Bereichs für die jeweiligen Parameter einschränken. Der Batterieüberwachungsschritt kann einen oder mehr geschätzte Parameter durch Kennzeichnen einer Belegung von Abtastungen der Batterie einschränken.
Die Batterieüberwachungsschaltungen können eine Multi-Raten-Implementierung nutzen, wobei die Batterieüberwachungsschaltungen für jede Impedanzschätzstufe M eine Abtastrate benutzt, die zum genauen Anpassen des vollständigen Batteriemodells über den definierten Frequenzbereich einer derartigen Impedanzschätzstufe M genügt, jedoch niedrig genug zum Verringern der Verarbeitungsanforderungen der Fehlerquadratanpassung ist. In manchen Ausführungsformen kann eine derartige Abtastrate eine Abtastrate sein, die zumindest das Zweifache einer Grenzhochfrequenz des Bandpassfilters der Impedanzschätzstufe M beträgt.
Die hierin beschriebene Batteriemodellschätzung kann deaktiviert werden, oder ihre Anpassungsrate kann verringert werden, wenn ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) über ein relevantes Frequenzband unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt. Derartiges Deaktivieren der Batteriemodellschätzung oder Verringerung der Anpassungsrate zum Schätzen von Parametern kann auftreten, wenn eine Last, die aus einer Batterie mit Energie versorgt wird, im Leerlauf ist oder starken Spektralinhalt aus dem relevanten Frequenzband aufweist. Eine Rauschzahl, die zum Schätzen des SNR über das Frequenzband erforderlich ist, kann a priori geschätzt werden, wenn die Last abwesend ist oder eine minimale Last im Frequenzband erkannt wird (die kann beispielsweise vorkommen, wenn ein Mobilgerät im Ruhezustand ist). Eine Rauschzahl kann gleicherweise aus einer Spannungs- und Stromsensorrauschspezifikation und Bandpassfilterparametern geschätzt werden.
Schätzung von Parametern einer Impedanzschätzstufe M wird deaktiviert, wenn Inhalt über ein Frequenzband für die Impedanzschätzstufe spektral nicht genügend divers zum eindeutigen Schätzen der Parameter der Impedanzschätzstufe M ist (Überanpassung). Die spektrale Bedingung kann durch Überwachen von einigen Termen einer Kreuzkorrelationsmatrix einer Fehlerquadratanpassung bestimmt werden.
Das vollständige Batterieimpedanzmodell kann mit einem zeitdiskreten unbegrenzten Impulsantwortfilter, wie etwa beispielsweise einem Kalman-Filter, implementiert sein. Das vollständige Batterieimpedanzmodell und abgeleitete Zustände können für Ladezustandsmessalgorithmen oder zur Leistungsgrenzenschätzung der Batterie benutzt werden.
Die Batterieüberwachungsschaltungen können das vollständige Batteriemodell auf eine überwachte Batteriespannung und/oder einen überwachten Batteriestrom zum Schätzen von internen Zuständen des vollständigen Batteriemodells, wie etwa Überspannungen und eine Ruhespannung, anwenden. In manchen Ausführungsformen können eine Anschlussspannung und ein Anschlussstrom der Batterie unter einer Last, die einen Strom auf der Batterie zum Zuführen von Leistung zur Last des Geräts aufnimmt, überwacht werden. Die Batterie kann als ein Batteriemodell modelliert werden, das sich der Beziehung zwischen der überwachten Batteriespannung und dem überwachten Batteriestrom über eines von Folgendem annähert: (1) einem bestimmten Frequenzbereich, (2) einer bestimmten Dauer oder einem bestimmten Amplitudenbereich oder einer angelegten Last oder (3) einem Satz von Bedingungen der Batterie oder der Last, wobei die Batterieüberwachungsschaltungen dazu imstande sein können, eine Spannung, die mit der Batterie assoziiert ist (beispielsweise Ruhespannung), aus dem Anschlussstrom zu schätzen.
Die Beziehung zwischen der überwachten Anschlussspannung und dem überwachten Anschlussstrom kann ein frequenzabhängiges Kennzeichen aufweisen, das zumindest zwei Zeitkonstanten einschließt. Die zumindest zwei Zeitkonstanten stellen eine zeitvariable Beziehung zwischen einem Eingang und Ausgang eines linearen oder nicht linearen Modells der Batterie dar. Die Modellparameter können über eine Optimierungsfunktion bestimmt werden. Die Modellparameter und das Batteriemodell können zum Voraussagen von Batteriekennzeichen benutzt werden.
Obgleich Obenstehendes Batterieüberwachungsschaltungen betrachtet, die zum Schätzen eines Batteriemodells konfiguriert sind, kann in manchen Ausführungsformen ein Batteriemodell auf andere Art und Weise bestimmt werden. Beispielsweise kann ein Batteriemodell eines oder mehr des Folgenden umfassen: (1) ein lineares oder nichtlineares Modell der Batterie, (2) ein parametriertes äquivalentes Schaltungsmodell, das Impedanz der Batterie modelliert, (3) ein physikbasiertes Modell, (4) eine Kombination eines äquivalenten Schaltungsmodells und eines physikbasierten Modells oder (5) ein Kalman-Filter oder erweitertes Kalman-Filter. Im Falle eines parametrierten äquivalenten Schaltungsmodells können die Parameter zum Modellieren einer Impedanz der Batterie resistive, kapazitive und/oder induktive Schaltungselemente enthalten, die parallel oder in Reihe sind und deren Elementimpedanzen zeitveränderlich sein können und/oder nichtlineare Kennzeichen aufweisen können.
Eine gefilterte überwachte Anschlussspannung oder ein gefilterter überwachter Anschlussstrom können zum Ableiten einer geschätzten Signal-Rausch-Verhältnis-(SNR-) Metrik oder Leistungsspektraldichten- (PSD-) Metrik benutzt werden. Parameter des Batteriemodells, die für das eine oder mehr Frequenzbänder relevant sind, können angepasst werden, wenn genügendes SNR erkannt wird und wenn die PSD zum Verhindern von Überanpassung des Batteriemodells genügt. Anpassung der Parameter des Batteriemodells, die für das eine oder mehr Frequenzbänder relevant sind, kann während einer Ruheperiode oder unter einer konstanten Gleichstromlast (DC-Last) deaktiviert werden. Die Anpassungsrate eines Parameters kann eine Funktion des geschätzten SNR und der erwarteten Parameteränderungsrate sein. Eine Rauschzahl, die zum Ableiten des SNR erforderlich ist, kann bestimmt werden, wenn keine Last oder sehr leichte Last vorhanden ist, etwa wenn das Gerät, das durch die Batterie mit Energie versorgt wird, in einen Schlafmodus eintritt.
Die Optimierungsfunktion kann eine Fehlerquadratanpassung oder eine frequenz- oder zeitgewichtete Variante einer Fehlerquadratanpassung sein. Das Batteriemodell kann in Verbindung mit einem Ladezustandsmessalgorithmus benutzt werden. Das Batteriemodell kann zum Schätzen einer Grenze der Batterie und Begrenzen der Leistung, die aus der Batterie aufgenommen wird, benutzt werden. Das Batteriemodell kann zum Schützen der Batterie vor Bedingungen benutzt werden, die die Batterielebensnutzdauer herabsetzen. Das Batteriemodell kann zum Gestalten von optimierten Auflade- oder Ladebedingungen der Batterie benutzt werden.
Eine Komponente, die Leistung von der Batterie aufnimmt, kann eine Komponente an einem Mobilgerät sein, wie etwa eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), eine Leistungsverwaltungseinheit (PMU), ein Verstärker, ein Audio-, haptischer oder anderer Aktuator, eine Leuchtdiode (LED), ein LED-Bildschirm, ein Mikroelektromechaniksystemsensor (MEMS-Sensor) oder anderer Sensor und/oder eine passive Komponente.
Wie hierin benutzt, zeigt, wenn zwei oder mehr Elemente als aneinander „angekoppelt“ bezeichnet werden, ein derartiger Ausdruck an, dass derartige zwei oder mehr Elemente in elektronischer Verbindung oder mechanischer Verbindung stehen, je nach Anwendung, ob indirekt oder direkt verbunden, mit oder ohne zwischenliegenden Elementen.
Diese Offenbarung umfasst alle Änderungen, Ersetzungen, Variationen, Abänderungen und Modifikationen an den beispielhaften Ausführungsformen hierin, die für den Durchschnittsfachmann erfassbar wären. Gleicherweise umfassen die beiliegenden Ansprüche, wo es zweckmäßig ist, alle Änderungen, Ersetzungen, Variationen, Abänderungen und Modifikationen an den beispielhaften Ausführungsformen hierin, die für den Durchschnittsfachmann erfassbar wären. Zudem schließt Bezugnahme in den beiliegenden Ansprüchen auf eine Vorrichtung oder ein System oder eine Komponente einer Vorrichtung oder eines Systems, die/das zum Ausführen einer bestimmten Funktion geeignet, angeordnet, imstande, konfiguriert, freigegeben, betriebsfähig oder betriebsbereit ist, diese Vorrichtung, dieses System oder die Komponente ein, ob diese Funktion nun aktiviert, eingeschaltet oder entsperrt ist oder nicht, solange diese Vorrichtung, dieses System oder diese Komponente derart geeignet, angeordnet, imstande, konfiguriert, freigegeben, betriebsfähig oder betriebsbereit ist. Dementsprechend können Modifikationen, Hinzufügungen und Auslassungen an den hierin beschriebenen Systemen, Vorrichtungen und Verfahren vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können die Komponenten der Systeme oder Vorrichtungen integriert oder getrennt sein. Zudem können die Betriebsvorgänge der hierin offenbarten Systeme und Vorrichtungen durch mehr, weniger oder andere Komponenten ausgeführt werden, und die hierin beschriebenen Verfahren können mehr, weniger oder andere Schritte beinhalten. Zudem können Schritte in jeglicher geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden. Wie in diesem Dokument verwendet, bezieht sich „jede/r/s“ auf jedes Glied eines Satzes oder auf jedes Glied eines Teilsatzes eines Satzes.
Obgleich beispielhafte Ausführungsformen in den Figuren dargestellt und untenstehend beschrieben sind, können die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung unter Anwendung jeglicher Anzahl von Techniken, ob derzeit bekannt oder nicht, implementiert werden. Die vorliegende Offenbarung sollte keineswegs auf die beispielhaften Implementierungen und Techniken begrenzt werden, die in den Zeichnungen dargestellt und obenstehend beschrieben sind.
Falls nicht spezifisch anders angegeben, sind in den Zeichnungen abgebildete Gegenstände nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Alle hierin angeführten Beispiele und Formulierungen sollen pädagogischen Zwecken dienen, um dem Leser dabei zu unterstützen, die Offenbarung und die Konzepte, die vom Erfinder zum Voranbringen des Fachgebiets beigesteuert werden, zu verstehen, und sie sind ohne Einschränkung derartiger spezifisch angeführter Beispiele und Bedingungen ausgelegt. Obgleich Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung detailliert beschrieben wurden, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen daran vorgenommen werden könnten, ohne vom Umfang und Wesen der Offenbarung abzuweichen.
Obgleich oben spezifische Vorteile aufgezählt wurden, können verschiedene Ausführungsformen einige, keine oder alle der aufgezählten Vorteile enthalten. Zusätzlich können andere technische Vorteile für den Durchschnittsfachmann nach der Prüfung der vorstehenden Figuren und Beschreibung ohne weiteres ersichtlich werden.
Um das Patentamt und jegliche Leser jeglichen Patents, das unter dieser Anmeldung eingereicht wird, bei der Auslegung der dort beiliegenden Ansprüche zu unterstützen, möchten die Anmelder anmerken, dass sie nicht beabsichtigen, dass sich die beiliegenden Ansprüche oder Anspruchselemente auf 35 U.S.C. § 112(f) berufen, sofern die Wörter „Mittel zum“ oder „Schritt zum“ nicht ausdrücklich in dem bestimmten Anspruch verwendet sind.

Claims

Verfahren zur Verwaltung einer Batterie, die eine Komponente eines Geräts mit Energie versorgt, umfassend: Überwachen einer Anschlussspannung und eines Anschlussstroms der Batterie unter einer Last, die einen Strom auf der Batterie zum Zuführen von Leistung zu einer Komponente des Geräts zieht; Modellieren der Batterie als ein Batteriemodell, das sich an eine Beziehung zwischen der überwachten Anschlussspannung und dem überwachten Anschlussstrom über zumindest eines von Folgendem annähert: ein bestimmter Frequenzbereich, eine bestimmte Dauer, ein bestimmter Amplitudenbereich, eine angelegte Last, ein Satz von Bedingungen der Batterie und ein Satz von Bedingungen der Last; wobei: die Beziehung zwischen der Anschlussspannung und dem Anschlussstrom ein frequenzabhängiges Kennzeichen aufweist, das zumindest zwei Zeitkonstanten einschließt; und die zwei Zeitkonstanten eine zeitvariable Beziehung zwischen einem Eingang und Ausgang des Batteriemodells darstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Batteriemodell Parameter aufweist und das Verfahren ferner Bestimmen der Modellparameter über eine Optimierungsfunktion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Optimierungsfunktion eine Fehlerquadratanpassung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Optimierungsfunktion eine frequenz- oder zeitgewichtete Variante einer Fehlerquadratanpassung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Batteriemodell zumindest eines von Folgendem umfasst: ein lineares Modell der Batterie, ein nichtlineares Modell der Batterie, ein parametriertes äquivalentes Schaltungsmodell, das Impedanz der Batterie modelliert, ein physikbasiertes Modell, eine Kombination eines äquivalenten Schaltungsmodells und eines physikbasierten Modells, ein Kalman-Filter oder ein erweitertes Kalman-Filter.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend Isolieren und Filtern der Anschlussspannung und des Anschlussstroms über ein oder mehr Frequenzbänder, um die Batterie zu modellieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend Benutzen des Batteriemodells zum Voraussagen von Batteriekennzeichen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Batteriekennzeichen zumindest eines von Folgendem beinhalten: eine maximal verfügbare Leistung der Batterie, einen Ladezustand der Batterie, einen Gesundheitszustand der Batterie und einen internen Zustand der Batterie.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der interne Zustand zumindest eines einer Ruhespannung der Batterie, eines internen Überspannungszustands der Batterie, eines Lithium-Ionen-Anodenpotentials der Batterie und andere Zustände beinhalten kann, die eine Bedingung der Batterie darstellen, welche zur Verschlechterung ihrer chemischen Zusammensetzung führen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6 bis 9, wobei: das Batteriemodell ein parametriertes äquivalentes Schaltungsmodell enthält, das Impedanz der Batterie modelliert; und das Batteriemodell Parameter zum Modellieren einer Impedanz der Batterie enthält, darunter resistive, kapazitive und/oder induktive Schaltungselemente, parallel oder in Reihe.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei Impedanzen der Schaltungselemente zeitveränderlich sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei Impedanzen der Schaltungselemente nichtlineare Kennzeichen aufweisen.
System zur Verwaltung einer Batterie, die eine Komponente eines Geräts mit Energie versorgt, umfassend: Batterieüberwachungsschaltungen, die zum Überwachen einer Anschlussspannung und eines Anschlussstroms der Batterie unter einer Last, die einen Strom auf der Batterie zum Zuführen von Leistung zu einer Komponente des Geräts zieht, konfiguriert sind; und eine Batteriemodellschätzeinrichtung, die zum Modellieren der Batterie als ein Batteriemodell konfiguriert ist, das sich an eine Beziehung zwischen der überwachten Anschlussspannung und dem überwachten Anschlussstrom über zumindest eines von Folgendem annähert: ein bestimmter Frequenzbereich, eine bestimmte Dauer, ein bestimmter Amplitudenbereich, eine angelegte Last, ein Satz von Bedingungen der Batterie und ein Satz von Bedingungen der Last; wobei: die Beziehung zwischen der Anschlussspannung und dem Anschlussstrom ein frequenzabhängiges Kennzeichen aufweist, das zumindest zwei Zeitkonstanten einschließt; und die zwei Zeitkonstanten eine zeitvariable Beziehung zwischen einem Eingang und Ausgang des Batteriemodells darstellen.
System nach Anspruch 13, wobei das Batteriemodell Parameter aufweist und die Batteriemodellschätzeinrichtung ferner zum Bestimmen der Modellparameter über eine Optimierungsfunktion konfiguriert ist.
System nach Anspruch 14, wobei die Optimierungsfunktion eine Fehlerquadratanpassung ist.
System nach Anspruch 14, wobei die Optimierungsfunktion eine frequenz- oder zeitgewichtete Variante einer Fehlerquadratanpassung ist.
System nach Anspruch 13 bis 16, wobei das Batteriemodell zumindest eines von Folgendem umfasst: ein lineares Modell der Batterie, ein nichtlineares Modell der Batterie, ein parametriertes äquivalentes Schaltungsmodell, das Impedanz der Batterie modelliert, ein physikbasiertes Modell, eine Kombination eines äquivalenten Schaltungsmodells und eines physikbasierten Modells, ein Kalman-Filter und ein erweitertes Kalman-Filter.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Batteriemodellschätzeinrichtung ferner zum Isolieren und Filtern der Anschlussspannung und des Anschlussstroms über ein oder mehr Frequenzbänder konfiguriert ist, um die Batterie zu modellieren.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Batteriemodellschätzeinrichtung ferner zum Voraussagen von Batteriekennzeichen unter Benutzung des Batteriemodells konfiguriert ist.
System nach Anspruch 19, wobei die Batteriekennzeichen zumindest eines von Folgendem beinhalten: eine maximal verfügbare Leistung der Batterie, einen Ladezustand der Batterie, einen Gesundheitszustand der Batterie und einen internen Zustand der Batterie.
System nach Anspruch 20, wobei der interne Zustand zumindest eines einer Ruhespannung der Batterie, eines internen Überspannungszustands der Batterie, eines Lithium-Ionen-Anodenpotentials der Batterie und andere Zustände beinhalten kann, die eine Bedingung der Batterie darstellen, welche zur Verschlechterung ihrer chemischen Zusammensetzung führen kann.
System nach Anspruch 13 bis 16 und 18 bis 21, wobei: das Batteriemodell ein parametriertes äquivalentes Schaltungsmodell enthält, das Impedanz der Batterie modelliert; und das Batteriemodell Parameter zum Modellieren einer Impedanz der Batterie enthält, darunter resistive, kapazitive und/oder induktive Schaltungselemente, parallel oder in Reihe.
System nach Anspruch 22, wobei Impedanzen der Schaltungselemente zeitveränderlich sind.
System nach Anspruch 22, wobei Impedanzen der Schaltungselemente nichtlineare Kennzeichen aufweisen.