IT202100014435A1 - METHOD FOR DETERMINING THE SAFETY STATUS (SOS) OF A RECHARGEABLE BATTERY - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
?METODO PER DETERMINARE LO STATO DI SICUREZZA (SOS) DI UNA BATTERIA RICARICABILE? ?METHOD TO DETERMINE THE SAFETY STATUS (SOS) OF A RECHARGEABLE BATTERY?
CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD
La presente invenzione riguarda un metodo per determinare lo stato di sicurezza (SOS) di una batteria ricaricabile. The present invention relates to a method for determining the safety status (SOS) of a rechargeable battery.
BACKGROUND DELL?INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION
Come ? noto, i veicoli elettrici sono alimentati da batterie ricaricabili, ad esempio batterie agli ioni di litio, collegate tra loro in celle per aumentare la densit? di energia. Le batterie, specialmente le batterie agli ioni di litio, sono talvolta soggette a malfunzionamenti che possono essere piuttosto pericolosi quando si ottengono densit? di energia elevate. Infatti, anche se la tecnologia agli ioni di litio ? sicura con milioni di consumatori che usano le batterie, possono verificarsi guasti. As ? known, electric vehicles are powered by rechargeable batteries, such as lithium-ion batteries, connected together in cells to increase the density? of energy. Batteries, especially Li-ion batteries, are sometimes prone to malfunctions which can be quite dangerous when you get high density batteries. of high energy. In fact, even if the lithium-ion technology ? safe with millions of consumers using batteries, failure can occur.
A titolo esemplificativo, nel 2006, un guasto su 200.000 ha provocato un richiamo di quasi sei milioni di pacchi di ioni di litio. Il produttore delle celle agli ioni di litio in questione fa notare che in rare occasioni particelle di metallo microscopiche possono entrare a contatto con altre parti della cella di batteria, portando a un cortocircuito all'interno della cella. Il cortocircuito pu? causare il surriscaldamento della batteria che pu? prendere fuoco, producendo gas potenzialmente pericolosi. For example, in 2006, one failure in 200,000 resulted in a recall of nearly six million lithium-ion packs. The manufacturer of the Li-ion cells in question points out that on rare occasions microscopic metal particles can come into contact with other parts of the battery cell, leading to a short circuit within the cell. The short circuit can cause the battery to overheat, which can? catch fire, producing potentially dangerous gases.
Pertanto, vi ? l?esigenza di fornire un metodo che possa determinare lo stato di sicurezza (SOS) di una batteria ricaricabile in modo soddisfacente, fornendo un valore numerico che indichi chiaramente il livello di sicurezza. Therefore, there ? the need to provide a method that can satisfactorily determine the safety status (SOS) of a rechargeable battery, providing a numerical value that clearly indicates the safety level.
I metodi della tecnica anteriore noti sono di natura qualitativa, ma non forniscono una quantificazione numerica della sicurezza della batteria. Known prior art methods are qualitative in nature, but do not provide a numerical quantification of battery safety.
Ad esempio CN110696624A descrive un metodo di monitoraggio di sicurezza e di avvertimento precoce comprendente le fasi di monitorare la temperatura ambiente in un vano batteria per l?accumulo di energia di batteria e determinare il livello di stato di sicurezza del vano batteria in base alla temperatura ambiente; se la temperatura ambiente ? inferiore ad un primo valore di temperatura preimpostato, determinare che il livello di stato di sicurezza ? uno stato di primo livello; se la temperatura ambiente ? uguale o superiore ad un primo valore di temperatura preimpostato e inferiore ad un secondo valore di temperatura preimpostato, determinare che il livello di stato di sicurezza ? uno stato secondario e bloccare una reazione chimica di produzione di calore di una batteria difettosa nel vano batteria; se la temperatura ambiente ? uguale a o maggiore del secondo valore di temperatura preimpostato, determinare che il livello di stato di sicurezza ? il livello di stato pericoloso preimpostato secondo i valori di parametro misurati dai molteplici sensori disposti nel vano batteria, in modo che lo stato di sicurezza della batteria sia diviso in molteplici livelli secondo la temperatura ambiente e altri valori di parametro e un gestore possa prendere provvedimenti corrispondenti per eliminare lo stato pericoloso secondo il livello di stato di sicurezza. For example, CN110696624A describes a safety monitoring and early warning method comprising the steps of monitoring the ambient temperature in a battery compartment for accumulating battery energy and determining the safety status level of the battery compartment based on the ambient temperature ; if the ambient temperature ? lower than a first preset temperature value, determine that the safety status level ? a first-level status; if the ambient temperature ? equal to or greater than a first preset temperature value and less than a second preset temperature value, determine that the safety state level is ? a secondary state and block a heat producing chemical reaction of a defective battery in the battery compartment; if the ambient temperature ? equal to or greater than the second preset temperature value, determine that the safety status level is ? the pre-set dangerous state level according to the parameter values measured by the multiple sensors arranged in the battery compartment, so that the safe state of the battery is divided into multiple levels according to the ambient temperature and other parameter values, and a manager can take corresponding measures to clear the dangerous state according to the safe state level.
CN106842043A fornisce un metodo di test per la valutazione della qualit? di sicurezza di una batteria agli ioni di litio. Il metodo di test comprende tre dei seguenti sei tipi di metodi di test: cortocircuito, sovraccarico, scarica eccessiva, riscaldamento, estrusione e perforazione con ago. CN106842043A provides test method for quality assessment? safety of a lithium-ion battery. The test method includes three of the following six types of test methods: short circuit, overload, over discharge, heating, extrusion and needle piercing.
Tuttavia, si sente continuamente l?esigenza di migliorare i metodi esistenti per determinare lo stato di sicurezza di una batteria. However, there is a constant need to improve existing methods for determining the safety status of a battery.
Un obiettivo della presente invenzione ? di soddisfare le esigenze summenzionate. An objective of the present invention ? to meet the aforementioned needs.
RIEPILOGO DELL?INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
Il suddetto scopo si ottiene grazie alla presente invenzione, poich? questa riguarda un metodo per determinare lo stato di sicurezza di una batteria ricaricabile come rivendicato nell?insieme di rivendicazioni allegato. The aforementioned object is achieved thanks to the present invention, since this relates to a method for determining the safety status of a rechargeable battery as claimed in the appended set of claims.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Per una migliore comprensione della presente invenzione, nel seguito ? descritta una forma di realizzazione preferita, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui: For a better understanding of the present invention, ? described a preferred embodiment, by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
? la figura 1 ? una rappresentazione schematica di una batteria, il cui stato ? determinato mediante il metodo della presente invenzione; e ? figure 1 ? a schematic representation of a battery, whose state ? determined by the method of the present invention; And
? la figura 2 ? un diagramma di flusso che descrive le fasi del metodo della presente invenzione. ? figure 2 ? a flowchart describing the steps of the method of the present invention.
? La figura 3 mostra la funzione di sicurezza della presente invenzione insieme agli intervalli sicuro, di avvertimento e non sicuro. ? Figure 3 shows the safety function of the present invention together with the safe, warning and unsafe ranges.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Nella figura 1, il numero 1 indica una batteria (o numerose batterie) che ? progettata per alimentare energia elettrica ad un apparecchio elettrico 3 quale un inverter che fornisce alimentazione elettrica a uno o pi? motori elettrici M di un veicolo elettrico (non mostrato). In Figure 1, the number 1 indicates a battery (or several batteries) that ? designed to supply electricity to an electrical appliance 3 such as an inverter which supplies electricity to one or more? electric motors M of an electric vehicle (not shown).
Un?unit? elettronica 4 ? collegata attraverso una rete Can 5 ad un sistema di gestione di batteria che ? configurato per monitorare diverse variabili della batteria 1 che saranno definite nel seguito. A unit electronics 4 ? connected through a Can 5 network to a battery management system that ? configured to monitor various variables of battery 1 which will be defined below.
Il metodo per determinare lo stato di sicurezza (SOS) di una batteria ricaricabile ? descritto in riferimento al diagramma di flusso della figura 2. The method for determining the safety status (SOS) of a rechargeable battery ? described with reference to the flow chart in Figure 2.
Il metodo comprende le seguenti fasi. The method includes the following steps.
Misurare (blocco 100) un gruppo di k differenti variabili (V1(t), V2(t), .. Vk(t)) che sono usate per caratterizzare lo stato di sicurezza della batteria 1. Measure (block 100) a set of k different variables (V1(t), V2(t), .. Vk(t)) which are used to characterize the safe state of battery 1.
Esempi di variabili misurate V1(t), V2(t),... Vk(t) che appartengono al gruppo sono una o pi? delle seguenti: Examples of measured variables V1(t), V2(t),... Vk(t) which belong to the group are one or more? of the following:
? Resistenza interna in corrente continua (DCIR), la cui unit? di misura ? l?Ohm. La resistenza interna in corrente continua (DCIR) rappresenta la resistenza della corrente che scorre attraverso la batteria 1. Il valore di DCIR non ? fisso e varia in base a molteplici fattori, quali materiali di batteria, concentrazione di elettrolita, temperatura e profondit? di scarica. ? Internal resistance in direct current (DCIR), whose unit? of measure? l?Ohm. The internal direct current resistance (DCIR) represents the resistance of the current flowing through battery 1. The value of DCIR is not ? fixed and varies based on many factors, such as battery materials, electrolyte concentration, temperature and depth? dump.
? Differenza tra temperatura minima e massima della batteria 1, l?unit? di misura ? ?C. Temperatura media della batteria 1, l?unit? di misura ? ?C. ? Difference between minimum and maximum temperature of the battery 1, the unit? of measure? ?C. Average temperature of the battery 1, the unit? of measure? ?C.
? Tensione a circuito aperto OCV o VOC, l?unit? di misura ? Volt. La tensione a circuito aperto ? la differenza di potenziale elettrico tra due terminali della batteria 1 quando scollegati dall?apparecchio 3 che ? alimentato dalla batteria. ? Open circuit voltage OCV or VOC, the unit? of measure? Volt. The open circuit voltage? the difference of electric potential between two terminals of the battery 1 when disconnected from? appliance 3 which ? powered by battery.
? Stato di salute SOH della batteria 1 che ? rappresentato da una percentuale %. Lo stato di salute SOH rappresenta la condizione di lavoro di una batteria rispetto alla sua condizione di lavoro ideale (100%). ? SOH health status of battery 1 which ? represented by a percentage %. The health status SOH represents the working condition of a battery compared to its ideal working condition (100%).
? Stato di carica SOC della batteria 1 che ? rappresentato da una percentuale %. (0% = completamente scarica; 100% = completamente carica). ? State of charge SOC of battery 1 which ? represented by a percentage %. (0% = fully discharged; 100% = fully charged).
? Resistenza di isolamento misurata in Ohm: la resistenza di isolamento ? la resistenza equivalente parallela delle resistenze di isolamento dei terminali positivo e negativo rispetto al riferimento di terra. ? Insulation resistance measured in Ohm: the insulation resistance? the parallel equivalent resistance of the insulation resistances of the positive and negative terminals with respect to the earth reference.
? Variazione della temperatura della batteria rispetto al tempo misurata in gradi/min. ? Variation of battery temperature with respect to time measured in degrees/min.
Il blocco 100 fornisce anche le variabili misurate V1(t), V2(t), .. Vk(t) campionate nei tempi (t2 e t1) e calcola le k variazioni di variabili h(x) come il valore medio (o media) della derivata della k<esima >variabile nell'intervallo di tempo [t2, t1] (ossia quozienti di differenza), le k variazioni di variabili h(x) sono calcolate come [V1(t2)- V1(t1)]/(t2-t1), [V2(t2)- V2(t1)]/(t2-t1), ? [Vk(t2)- Vk(t1)]/(t2-t1). I tempi di campionamento possono essere, per esempio, pochi millisecondi. Block 100 also supplies the measured variables V1(t), V2(t), .. Vk(t) sampled in the times (t2 and t1) and calculates the k variations of variables h(x) as the mean value (or average ) of the derivative of the k<th >variable in the time interval [t2, t1] (i.e. difference quotients), the k variations of variables h(x) are calculated as [V1(t2)- V1(t1)]/ (t2-t1), [V2(t2)- V2(t1)]/(t2-t1), ? [Vk(t2)-Vk(t1)]/(t2-t1). Sampling times can be, for example, a few milliseconds.
Le variazioni di variabili h(x) possono essere calcolate usando una finestra temporale media mobile per calcolare ciascun valore di variabile su un periodo di tempo pi? lungo. La derivata pu? essere calcolata tra valori medi di finestre diverse (tm-tm-1). Can the changes in variables h(x) be computed by using a rolling average time window to compute each variable value over a longer period of time? long. The derivative can be calculated between mean values of different windows (tm-tm-1).
Il metodo comprende inoltre (blocco 110) calcolare, per ciascuna k variazione di variabili h(x), il valore numerico di una rispettiva funzione di sicurezza f(x) che rappresenta lo Stato di Sicurezza (SOS) della batteria. The method further comprises (block 110) calculating, for each k variation of variables h(x), the numerical value of a respective safety function f(x) which represents the Safety State (SOS) of the battery.
Un esempio di una possibile funzione di sicurezza f(x) ? il seguente: An example of a possible safety function f(x) ? the following:
dove Where
? h(x) rappresenta la variazione di variabili; ? h(x) represents the variation of variables;
? m ? un parametro di impostazione che permette di controllare la velocit? di decrescita della funzione di sicurezza, m pu? essere impostato a 1; vale a dire che m rappresenta la ripidezza della curva di funzione di sicurezza f(x). Un valore maggiore di m rende la curva pi? ripida, fornendo quindi meno valori della funzione di sicurezza f(x). Questo parametro ? anche una funzione dello stato di salute del pacco batteria e ? m ? a setting parameter that allows you to control the speed? of decrease of the safety function, m pu? be set to 1; that is, m represents the steepness of the safety function curve f(x). A greater value of m makes the curve more? steep, thus providing fewer values of the safety function f(x). This parameter? also a function of the health of the battery pack e
? d rappresenta il valore obiettivo della variazione di variabili h(x) che ? in funzione dello stato di salute della batteria. ? d represents the target value of the variation of variables h(x) that ? depending on the state of health of the battery.
La figura 3 mostra come la funzione di sicurezza f(x) dipenda dai parametri m e d. Nella stessa figura, sono mostrati gli intervalli sicuro, di avvertimento e non sicuro. Figure 3 shows how the safety function f(x) depends on the parameters m and d. In the same figure, the safe, warning, and unsafe ranges are shown.
Infatti, quando la variazione di variabili h(x) corrisponde al valore obiettivo d, la funzione di sicurezza ? 1. Indeed, when the variation of variables h(x) corresponds to the target value d, the safety function ? 1.
Con l?aumento di differenza tra il valore obiettivo d e la variazione di variabili misurata h(x), la funzione di sicurezza f(x) diminuisce notevolmente e ancor di pi? quando m aumenta. In altre parole, il valore della funzione di sicurezza varia tra 0, completamente non sicuro, e 1, completamente sicuro. As the difference between the target value d and the measured variable variation h(x) increases, the safety function f(x) decreases considerably and even more? when m increases. In other words, the value of the safety function varies between 0, completely unsafe, and 1, completely safe.
Ad esempio, il valore ideale d della variazione della temperatura con il tempo ? 0,8 gradi/min per un pacco batteria nuovo e, man mano che la batteria diventa pi? vecchia, la variazione migliore della temperatura con il tempo aumenter? a 1,5 gradi/min. Quindi, d pu? variare tra 0,8 e 1,5 in base allo stato di salute della batteria. For example, the ideal value d of the change in temperature with time ? 0.8 degrees/min for a new battery pack and as the battery becomes heavier old, the best variation of the temperature with time will increase? at 1.5 degrees/min. So, d pu? vary between 0.8 and 1.5 depending on the health of the battery.
Pertanto, nella funzione di sicurezza f(x) di cui sopra, i parametri di calibrazione d e m potrebbero essere impostati in modo appropriato secondo lo stato di salute del pacco batteria. Therefore, in the above f(x) safety function, the calibration parameters d and m could be set appropriately according to the health status of the battery pack.
Il blocco 110 ? seguito sia del blocco 120 sia dal blocco 130. Block 110? followed by both block 120 and block 130.
Il blocco 130 calcola un singolo valore di una funzione di sicurezza totale contribuendo ai k valori gi? calcolati (nel blocco 110) delle rispettive funzioni di sicurezza corrispondenti a k differenti variabili. Block 130 calculates a single value of a total safety function contributing to the k values already calculated (in block 110) of the respective safety functions corresponding to k different variables.
Possono essere considerati diversi modi per calcolare il singolo valore di una funzione di sicurezza totale, preferibilmente selezionando dalle funzioni di sicurezza calcolate quella peggiore, ossia il valore minore. Modi alternativi per calcolare il singolo valore di una funzione di sicurezza totale comprendono determinare la media pesata dei valori calcolati o determinare un prodotto dei valori calcolati. Different ways can be considered to calculate the single value of a total safety function, preferably selecting from the calculated safety functions the worst one, i.e. the lowest value. Alternative ways to calculate the single value of a total safety function include determining the weighted average of the calculated values or determining a product of the calculated values.
Il blocco 130 ? seguito dal blocco 140 che verifica se il valore calcolato della funzione di sicurezza totale rientra in un intervallo di sicurezza. Block 130? followed by block 140 which checks whether the calculated value of the total safety function falls within a safety interval.
Nel caso in cui la funzione di sicurezza totale calcolata rientri nell?intervallo di sicurezza, il blocco 140 ? seguito dal blocco 150 che identifica uno stato sicuro della batteria. Lo stato sicuro ? memorizzato e viene anche notificato a un utente della batteria 1. Il metodo quindi torna al punto iniziale ?avvio? per il monitoraggio continuo della salute del pacco batteria. In the event that the calculated total safety function falls within the safety interval, block 140 ? followed by block 150 which identifies a safe state of the battery. Safe state? stored and is also notified to a user of battery 1. The method then returns to the starting point ?start? for continuous monitoring of battery pack health.
Se la verifica del blocco 140 ? negativa, vale a dire la funzione di sicurezza totale ricade al di fuori dell?intervallo di sicurezza, il blocco 140 ? seguito dal blocco 160 che identifica uno stato non sicuro della batteria. Lo stato non sicuro ? memorizzato ed ? anche notificato a un utente della batteria. Possono anche essere eseguite azioni automatiche come interrompere il collegamento tra la batteria 1 e l?apparecchio 3 alimentato dalla batteria 1. Analogamente al caso precedente, il metodo quindi torna al punto iniziale di avvio per il monitoraggio continuo della salute del pacco batteria. If the verification of block 140 ? negative, ie the total safety function falls outside the safety interval, block 140 ? followed by block 160 which identifies an unsafe state of the battery. Unsafe state? memorized and ? also notified to a battery user. Automatic actions such as breaking the connection between battery 1 and appliance 3 powered by battery 1 can also be performed. Similar to the previous case, the method then returns to the initial starting point for continuous monitoring of the health of the battery pack.
Come evidenziato sopra, il blocco 120 verifica se i valori delle funzioni di sicurezza calcolate f(x) rientrano nei rispettivi intervalli di sicurezza della Fig. 3. As highlighted above, block 120 verifies whether the values of the calculated safety functions f(x) fall within the respective safety intervals of Fig. 3.
Se uno qualsiasi dei valori calcolati delle funzioni di sicurezza rientra nel rispettivo intervallo di avvertimento della Fig. 3, il blocco 120 ? seguito dal blocco 170 che incrementa di un?unit? (+1) un contatore che accumula il numero di violazioni della funzione di sicurezza, contemporaneamente viene avviato un timer, quindi detto timer viene avviato dal momento in cui ? stata rilevata una prima violazione accumulata. If any of the calculated values of the safety functions fall within the respective warning range of Fig. 3 , block 120 ? followed by block 170 which increases by one?unit? (+1) a counter that accumulates the number of violations of the safety function, a timer is started at the same time, then said timer is started from the moment when ? a first accumulated violation was detected.
Una volta che il valore del contatore raggiunge un valore limite (C_limit) e il timer ? entro un limite di tempo predeterminato (T_warning), (blocco 180 successivo al blocco 170), viene impostato uno stato di avvertimento per la batteria (blocco 190) in altro modo, se il timer ? fuori dal limite di tempo T_warning e il contatore ? inferiore al valore limite (C_limit), il contatore e il timer sono azzerati (blocco 200). In entrambi i casi, il metodo torna al punto iniziale di avvio. Once the counter value reaches a limit value (C_limit) and the timer ? within a predetermined time limit (T_warning), (block 180 following block 170), a warning state is set for the battery (block 190) in another way, if the timer ? out of the time limit T_warning and the counter ? lower than the limit value (C_limit), the counter and the timer are reset to zero (block 200). In both cases, the method returns to its starting point.
Alla luce di quanto precede, sono evidenti i vantaggi del metodo per determinare lo stato di sicurezza di una batteria ricaricabile secondo l?invenzione. In the light of the foregoing, the advantages of the method for determining the safety status of a rechargeable battery according to the invention are evident.
Grazie al metodo proposto, ? possibile anticipare una condizione non sicura della batteria prima che avvenga un guasto importante, usando i dati correlati ai sensori gi? esistenti sulle batterie dei veicoli. Thanks to the proposed method, ? It is possible to anticipate an unsafe condition of the battery before a major failure occurs, using the data related to the sensors already? existing on vehicle batteries.
? chiaro che possono essere apportate modifiche al metodo descritto per determinare lo stato di sicurezza di una batteria ricaricabile che non si estendono oltre l?ambito di protezione definito dalle rivendicazioni. ? It is clear that modifications can be made to the described method for determining the safety status of a rechargeable battery which do not extend beyond the scope of protection defined by the claims.
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