RU2581844C2 - Устройство и способ быстрой зарядки аккумуляторных батарей - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам зарядки аккумуляторных батарей. Технический результат - увеличение срока службы батарей. Предложены устройство и способы сверхбыстрой зарядки одной или нескольких аккумуляторных батарей, в т.ч., например, ионно-литиевых. Определяют зарядный ток путем оптимизации модели, основанной на функциях набора переменных внутреннего состояния аккумуляторной батареи, и набора параметров модели или непараметрических данных, характеризующих аккумуляторную батарею. Определяют переменные текущего внутреннего состояния, а на аккумуляторную батарею подают оптимизированный зарядный ток, который зависит от ряда ограничений, характерных для конкретной батареи. Рекурсивно обновляют переменные внутреннего состояния аккумуляторной батареи на основе ее характеристик в процессе зарядки, а также характеристик батарей одного класса, хранящихся в базе данных или полученных по сети. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке США №61/405,829, поданной 22 октября 2010 г. и включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится к зарядке гальванических элементов и, в частности, к устройствам и способам зарядки ионно-литиевых аккумуляторных батарей.

Уровень техники

[0003] Определения: Под используемым в контексте настоящего описания и любых пунктов прилагаемой формулы изобретения термином "аккумуляторная батарея" следует понимать, если в контексте не оговорено иное, один или несколько химических аккумуляторов энергии (либо гальванических элементов), обеспечивающих создание электрического потенциала. Термином "Вторичная аккумуляторная батарея" может быть обозначена аккумуляторная батарея, заряжаемая или перезаряжаемая при приложении электрического тока.

[0004] Процесс зарядки аккумуляторной батареи включает в себя подачу тока к батарее с возможностью накапливания заряда, и, следовательно, накапливания энергии. Этот процесс необходимо тщательно контролировать. Как правило, чрезмерно высокие значения скорости зарядки или зарядного напряжения постоянно ухудшают рабочие характеристики аккумуляторной батареи и, в конечном счете, могут привести к полному отказу либо даже к отказу с катастрофическими последствиями, например, перфорации корпуса, взрыву или утечке коррозионно-активных химических веществ.

[0005] Процесс зарядки последовательно соединенных гальванических элементов требует особой осторожности. Перезарядка таких аккумуляторных батарей может привести к повреждению гальванического элемента, вызванному реверсивным режимом заряда при полном разряжении. Некоторые зарядные устройства выполнены с возможностью перезарядки таких аккумуляторных батарей и осуществляют, как правило, контроль уровня напряжения на отдельных элементах. Для одинаковой зарядки отдельных элементов могут быть использованы специальные способы.

[0006] Обычный способ зарядки аккумуляторных батарей состоит из двух или четырех отдельных этапов, в зависимости от типа батареи, см., например, Application note 680, Maxim Integrated Products, Inc, размещенное на сайте ttp://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/680 (2002). Первый этап, используемый, главным образом, для никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, обладающих значительными эффектами памяти, включает в себя полное разряжение батареи. Второй этап, именуемый "основным зарядом" или этапом "быстрой зарядки и ее окончания", включает в себя подачу постоянного тока до достижения некоторого критерия, например, достижения постоянного напряжения или снижения тока. Если С - емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах, единице измерения электрического заряда (часто обозначаемой как Q), то ток, выраженный в амперах, может быть выбран в виде коэффициента (или множителя) С. Например, быстрая зарядка Ni-MH аккумуляторной батареи, емкостью 1,2 ампер-часа, при постоянном токе 2,4А или 2*С, может обеспечить его перезарядку за полчаса, при условии отсутствия потерь, что на практике, обычно, не имеет места. При наличии литиево-ионного электрохимического элемента, зарядное устройство ограничивает и ток, и зарядное напряжение, как правило, с точностью до 0,75% (30 мВ для отдельного элемента с напряжением 4 В). Зарядка может быть окончена либо при установлении снижения тока ниже некоторого определенного значения, либо, исходя из заданного времени, прошедшего с момента достижения напряжением своего максимального значения.

[0007] Третий этап, этап, этап "дозарядки", включает в себя подачу слабого тока, обеспечивающего полный заряд аккумуляторных батарей. Этот этап может быть завершен по достижении напряжением своего максимального значения, либо через некоторое заданное время дозарядки, либо при определенной температуре аккумуляторной батареи.

[0008] Четвертый этап или этап "капельной подзарядки" обычно может быть использован для аккумуляторных батареи (химических) всех типов, за исключением ионно-литиевых. Задача этой "капельной подзарядки" состоит в компенсировании стандартной внутренней утечки аккумуляторной батареи и потери заряда с течением времени. На этом этапе могут быть поданы либо малый ток (обычный диапазон от C/16 до C/50), либо импульсы с малым коэффициентом заполнения, при котором средний ток имеет малую величину (например, C/512).

[0009] Недостатки известных протоколов зарядки аккумуляторных батарей состоят в их медленности, кроме того, они могут привести к неоправданному сокращению сроков службы батарей. Такие известные протоколы не обладают способностью учитывать различия между аккумуляторными батареями, даже среди батарей одной производственной партии.

Краткое изложение примеров осуществления изобретения

[0010] В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, предложено устройство для зарядки аккумуляторных батарей. Устройство содержит средства сопряжения для электрического соединения с аккумуляторной батареей и схему для одновременного измерения ее напряжения и тока. Кроме того, устройство имеет базу данных для накопления данных о параметрах аккумуляторных батарей и процессор для рекурсивного обновления данных, характеризующих модель аккумуляторной батареи, на основе совместно измеренных значений тока и напряжения батареи, а также накопленных данных о параметрах, полученных из базы данных. И, наконец, устройство содержит источник тока (по настоящему изобретению) для подачи регулируемого процессором заряжающего тока.

[0011] В других примерах осуществления изобретения, процессор может быть выполнен с возможностью обновления динамического представления динамики элемента аккумуляторной батареи, на основе, по меньшей мере частично, идентификации системы, или идентификации нелинейной системы.

[0012] В дополнительных примерах осуществления изобретения, схема для одновременного измерения напряжения и тока аккумуляторной батареи имеет четырехпортовую конфигурацию, а средство сопряжения для электрического соединения с аккумуляторной батареей может быть соединено с электродами сравнения аккумуляторной батареи. Процессор может иметь вход для приема сигнала от датчика, чувствительного к характеристике аккумуляторной батареи. Устройство может также иметь терморегулятор для регулирования температуры аккумуляторной батареи.

[0013] В соответствии с другими примерами осуществления настоящего изобретения, предложен способ зарядки аккумуляторных батарей. Согласно предложенному способу выполняют следующие этапы:

a) выполняют динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи;

b) определяют профиль зарядки аккумуляторной батареи на основе динамического представления; и

c) подают на аккумуляторную батарею оптимизированный зарядный ток, на основе по меньшей мере, частично, профиля зарядки, и отслеживаемого полного заряда, запасенного в аккумуляторной батарее.

[0014] В дальнейших примерах осуществления изобретения, этап подачи оптимизированного тока может зависеть от ряда ограничений, характерных для конкретной аккумуляторной батареи, которые, в свою очередь, могут быть получены, на основе повторяющейся последовательности циклов зарядки-разрядки. Профилем зарядки, в частности, может служить профиль зарядного тока.

[0015] Согласно способу дополнительно могут отслеживать температуру аккумуляторной батареи, а подача оптимизированного зарядного тока на аккумуляторную батарею, по меньшей мере частично, основана на отслеживаемой температуре аккумуляторной батареи. Подача оптимизированного тока может быть, по меньшей мере частично основана, на отслеживании переменных текущего состояния аккумуляторной батареи. Отслеживание полного заряда может включать в себя определение по меньшей мере одной переменной текущего внутреннего состояния аккумуляторной батареи в процессе ее зарядки, либо определение, по меньшей мере, одной переменной текущего внутреннего состояния аккумуляторной батареи в процессе ее разряда.

[0016] В соответствии с другими примерами осуществления изобретения динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи может быть выполнено посредством идентификации нелинейных систем. Оно может включать в себя также набор переменных внутреннего состояния, и/или набор параметров модели. Кроме того, оно может включать непараметрические данные, характеризующие модель, по меньшей мере частично.

[0017] Определения профиля зарядки аккумуляторной батареи может быть выполнено во время разряда аккумуляторной батареи, и/или ее зарядки.

[0018] При использовании набора параметров модели, он может включать в себя параметры, полученные из базы данных и, в частности, из базы данных, обновленной в процессе зарядки аккумуляторной батареи. Динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи может включать набор переменных внутреннего состояния, характерных для одного конкретного элемента или набор параметров модели, характерных для ряда элементов. Динамическое представление может быть также обусловлено, по меньшей мере частично, циклами зарядки/разрядки нескольких сетевых зарядных устройств.

[0019] В соответствии с другими примерами осуществления настоящего изобретения, предложена сеть для получения эмпирических данных модели аккумуляторной батареи. Сеть имеет несколько зарядных систем, каждая из которых содержит процессор и источник питания для подачи тока на отдельную аккумуляторную батарею. Сеть имеет также сервер для получения данных от каждого процессора и возврата обновленных данных о динамическом представлении динамики элемента для объединения с каждой зарядной системой.

[0020] В других примерах осуществления изобретения, процессор по меньшей мере одного зарядного устройства выполнен с возможностью обновления динамического представления динамики элемента аккумуляторной батареи на основе, по меньшей мере частично, идентификации систем или идентификации нелинейной системы.

Краткое описание чертежей

[0021] Изложенные выше отличительные признаки изобретения станут очевидными из приведенного далее подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

[0022] На фиг.1A показана минимальная принципиальная электрическая схема простой модели аккумуляторной батареи, а на Фиг.1B показана модель батареи Тевенина, причем обе модели известны из уровня техники.

[0023] На фиг.2 показана модель ионно-литиевой аккумуляторной батареи, предложенная Национальной лабораторией энергии.

[0024] На фиг.3 показана принципиальная схема, отображающая модель, посредством которой параметры схемы могут быть получены с использованием четырехпроводной конфигурации, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

[0025] На фиг.4 показан график идеальной зарядной кривой, построенной на основе простой эвристической процедуры, используемой в схеме, изображенной на Фиг.3.

[0026] На фиг.5A показана блок-схема, характеризующая способ зарядки аккумуляторной батареи, обеспечивающий решение задачи зарядки в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

[0027] На фиг.5B показана типовая схема для определения уровня заряда аккумуляторной батареи и осуществления ее быстрой зарядки в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;

[0028] На фиг.6 показано сравнение скоростей зарядки аккумуляторной батареи согласно примеру осуществления изобретения настоящего изобретения со скоростями, обусловленными процедурами, определенными изготовителем.

[0029] На фиг.7 показано сравнение срока службы аккумуляторной батареи по настоящему изобретению со сроками службы, обусловленными процедурами, определенными изготовителем.

[0030] На фиг.8 показана блок-схема, характеризующая способ определения параметров аккумуляторной батареи и параметров модели, сопоставленной этой батарее, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

[0031] На фиг.9 показано несколько зарядных устройств, объединенных в группу, с возможностью обобщения данных для упрощения оптимизации параметров зарядки, в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения.

[0032] Фиг.10 демонстрирует начало возникновения токовой неустойчивости, возникающей вследствие небольшого изменения параметра модели.

[0033] Фиг.11 демонстрирует начало возникновения соответствующей неустойчивости выходного и внутреннего напряжений.

[0034] На фиг.12 показана упрощенная схема, используемая в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, для приложения к аккумуляторной батарее возмущающей нагрузки с возможностью проведения измерений во время разрядки аккумуляторной батареи или в состоянии покоя.

[0035] На фиг.13 показана упрощенная схема, используемая в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, для приложения к аккумуляторной батарее возмущающей нагрузки с возможностью проведения измерений во время зарядки или разрядки аккумуляторной батареи, либо в состоянии покоя.

[0036] На фиг.14 показана блок-схема, характеризующая способ возмущения состояния аккумуляторной батареи в течение ее зарядки или разрядки, обеспечивающий решение задачи зарядки в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание конкретных примеров осуществления изобретения

[0037] Определения. Под используемым в контексте настоящего описания и любых пунктов прилагаемой формулы изобретения термином "источник тока" обычно следует понимать источник питания, поставляющий электроны элементу системы, использование которого не ограничено лишь подачей регулируемого тока, однако, этим термином может быть также обозначен и источник, создающий на элементе заданные значения потенциала, и обеспечивающий подачу тока, необходимого для поддержания заданного потенциала (т.е. "источник напряжения"). Точно так же подача "зарядного тока", как процесс, включает в себя приложение зарядного напряжения.

[0038] Если в контексте не оговорено иное, под термином «динамическое представление» следует понимать модель меняющихся во времени характеристик системы, как параметрических, так и непараметрических, к которым может быть специально отнесена независимая переменная величина времени.

[0039] Хотя термин "динамическое представление" относится к модели системы, термин "динамика элемента аккумуляторной батареи" должен обозначать фактическое электрохимическое поведение аккумуляторной батареи как функции времени при всем разнообразии условий аккумуляторной батареи.

[0040] "Профиль зарядки" представляет собой функцию, выражающую напряжение или ток, или оба этих параметра, в виде функции по меньшей мере времени (а, возможно, и других параметров, например, нагрузки, температуры или начального значения уровня заряженности).

[0041] Используемый в настоящем описании и в любых прилагаемых пунктах формулы изобретения термин "оптимизированный», относится к траектории в пространстве заданных параметров аккумуляторной батареи, максимизирующих любую вспомогательную функцию относительно любой, заданной конструктором нормы, и учитывающих такие факторы как длительность зарядки, срок службы аккумуляторной батареи и т.д., используемые в качестве примера и без ограничения.

[0042] Применительно к описываемым примерам осуществления настоящего изобретения, термин "аккумуляторная батарея", главным образом, может быть использован в отношении одноячеечных батарей. Однако следует понимать, что способы быстрой зарядки согласно примерам осуществления настоящего изобретения, могут быть также предпочтительно использованы для заряда аккумуляторных батарей, содержащих последовательно соединенные элементы, и даже более сложных систем аккумуляторных батарей.

[0043] Кроме того, следует понимать, что примеры осуществления настоящего изобретения, могут быть также использованы в электродах сравнения, или дополнительных электродах, относительно которых может быть измерен потенциал другого электрода. Использование таких электродов сравнения в аккумуляторных батареях рассматривается, например, в опубликованной заявке США 2009/0104510. Использование электродов сравнения, или дополнительных электродов, позволяет упростить способы быстрой зарядки, рассмотренные в настоящем описании, посредством более тщательного контроля внутреннего состояния электрохимических реакций внутри аккумуляторной батареи. Аналогично, внутри элементов или в сочетании с ними могут быть размещены дополнительные датчики, например, датчик температуры, pH сенсор и т.д.

[0044] Для проектирования схемы зарядки или разрядки аккумуляторной батареи, батарея зачастую может быть смоделирована с целью ее представления в числовом виде. Различные модели включают модели на основе схем, состоящих из элементарных электрических элементов (например, комплексные RLC-цепи) или, большей частью, цепей с использованием SPICE (программ моделирования интегральных схем), либо на основе нелинейного моделирования, аналогичного SPICE; на основе электрохимических моделей, и, наконец, модели черного ящика или специальные модели в параметрической или непараметрической форме. В соответствии с примерами осуществления. настоящего изобретения, моделирование аккумуляторной батареи может быть выполнено в параметрической или непараметрической форме. Например, моделью аккумуляторной батареи может служить реакция системы на импульс тока в некоторый момент времени, таким образом, частью модели может служить непрерывная функция времени. Затем непрерывная функция может быть преобразована в цифровую форму, как обычно и должно быть в контроллерах на основе микропроцессоров с использованием дискретных систем. Кроме того, для уплотнения данных и уменьшения уровня шума аналитические функции могут быть согласованы с наборами данных, например, функциями или операторами. Например, функция реакции на импульсное возмущение может быть функцией второго порядка и может быть представлена только тремя незаданными параметрами.

[0045] Примером схемы, которая может быть использована для моделирования заряда аккумуляторной батареи, согласно новому протоколу зарядки, рассматриваемому в настоящем изобретении, может служить схема, раскрытая в документе Speltino, et al., Experimental Validation of a Lithium-Ion Battery State of Charge Estimation with an Extended Kalman Filter, Proceedings of the 2009 European Control Conference (2009), включенного в настоящую заявку посредством ссылки.

[0046] В простейшей модели аккумуляторная батарея может быть представлена в виде источника постоянного напряжения. Обычно как минимум эквивалентное последовательно включенное сопротивление R_esr, может быть подсоединено к идеальному элементу для моделирования его внутреннего сопротивления и падения напряжения в зависимости от тока, как показано на простой модели аккумуляторной батареи, изображенной на Фиг.1A. При подаче внешним контуром тока I_out выходное напряжение V_out может быть уменьшено относительно напряжения V_ocv разомкнутой цепи, за счет падения напряжения на R_esr. В реальных условиях напряжение разомкнутой цепи есть нелинейная функция уровня заряженности SOC или разряженности, температуры и изменения во времени. В модели Тевенина (Фиг.1B) последовательно резистору R_esr1 может быть включена цепь, состоящая из параллельно соединенных конденсатора C_oc и резистора R_esr2, моделирующая избыточную зарядку.

[0047] На Фиг.2 показана известная модель литий-ионной батареи Национальной лаборатории энергетики ("модель NREL"), раскрытая в Johnson et al., http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/pdfs/evs17poster.pdf. Аккумуляторная батарея, обозначенная цифрой 20, в соответствии с моделью NREL содержит температурно-зависимую цепь, состоящую из двух моделей конденсаторов, причем конденсатор C_b непосредственно зависит от уровня заряженности (SOC), а напряжение V_Cb на C_b является напряжением разомкнутой цепи (OCV). Изменения в этой модели могут включать изменения R_e, R_c или R_t в зависимости от уровня заряженности. Модель позволяет определить выходное напряжение V_o как функцию тока I_s.

[0048] Более сложные модели отображают распределенную пространственную природу аккумуляторных батарей, а также электрохимические, термические и диффузионные процессы, происходящие во время зарядки и разрядки. Одна такая модель, разработанная Кимом и Смитом в NREL, раскрыта в http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/pdfs/43166.pdf (2008). Для более детального понимания батарей и, в конечном счете, усовершенствования их конструкции, могут быть созданы модели аккумуляторных батарей с использованием методов конечных элементов.

Идентификация системы и оценка параметров

[0049] К широкому классу моделей, посредством которых процессы зарядки и разрядки аккумуляторных батарей могут быть отражены в объеме настоящего изобретения, могут быть отнесены: линейные и нелинейные модели; модели, зависящие и не зависящие от времени; модели в форме изображений по Лапласу (в частотной области), а также представление во временной области; дискретные модели, распределенные модели и модели на основе метода конечных элементов; модели на основе метода белого ящика, модели черного ящика или специально разработанные модели, а также гибридные модели серого ящика; модели с запоминающими устройствами и без них.

[0050] Непосредственно после выбора модели может быть выполнен следующий этап определения числовых значений неизвестных коэффициентов, параметров, кривых, и операторов (действительных функций векторного пространства, например, рассмотренных ниже функций, разложенных методом ряда Вольтерра) с использованием эвристического метода или более формальных методов, известных как методы идентификации системы. Существует множество способов получения числовых значений, аналогичных используемым в параметрической модели, или функций, используемых в непараметрических моделях. Как будет видно из нижеизложенного, все эти способы подпадают под объем настоящего изобретения. Параметрические и непараметрические модели не могут быть отнесены исключительно к дизъюнктным классам, поскольку функции могут быть также аппроксимированы посредством приближения кривых к статическим параметрическим функциям. В распоряжении инженера или ученого имеется целый ряд способов подгонки моделей к данным, позволяющим определить числовые значения составляющих, параметров и функций; тестирования моделей, оценивания порядка и сложности; определения и оценки погрешностей. К источникам таких методов могут быть отнесены следующие документы:

- Eykhoff, System Identification: Parameter and State Estimation, Wiley & Sons, (1974);

- Goodwin et al., Dynamic System Identification: Experiment Design and Data Analysis. Academic Press (1977);

- Graupe, Identification of Systems, (2nd ed., Krieger Publ. Co. (1976);

- Ljung, System Identification - Theory for the User, 2nd ed, PTR Prentice Hall, (1999).

[0051] В большинстве случаев, до использования способа идентификации системы могут быть сделаны предварительные упрощения или допущения в отношении модели и моделируемой системы. Например, использование линейной модели с нелинейной системой возможно, как правило, посредством линеаризации относительно рабочей точки, в которой амплитуды входного и выходного сигналов ограничены нахождением в пределах заданного диапазона.

[0052] Любая стационарная нелинейная динамическая система с конечной памятью может быть с произвольной точностью представлена рядом Вольтерра конечного порядка, имеющим вид

$$y(t)=k_0+{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\frac{1}{n!}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}{k}_n(s_1,s_2,\dots ,s_n)x(t-s_1)x(t-s_1)\dots x(t-s_n)}d{s}_{1}d{s}_2\dots d{s}_n}$$

.

Основными компонентами ряда Вольтерра обычно могут служить операторы, отображающие вектора в параметрическом пространстве на нижележащем поле, как правило, скалярная величина, например, напряжение или ток. Наиболее близким к ряду Вольтерра является ряд Винера. Члены ряда Винера могут быть ортогонализированы при исключительно случайном белом шуме на входе, и, следовательно, могут быть более легко идентифицированы с помощью, например, методов взаимной корреляции.

[0053] Коренберг (см. Parallel Cascade Identification and Kernel Estimation for Nonlinear Systems, Annals of Biomedical Engineering, vol. 19, pp 429-55 (1990)) развил вышеизложенную теорему Фреше, доказав, что любая дискретная система с конечной памятью, которая может быть представлена конечным рядом Вольтерра, может быть также представлена конечным рядом параллельных каскадов линейных динамических систем, что, в свою очередь, может привести к статической нелинейности (система Винера или нелинейная (LN) система). Системы Винера являются примером класса моделей, известных как каскадные или блочные системы, к которым также могут быть отнесены модели Гаммерштейна, содержащие нелинейность, за которой следует линейная система (NL), а также каскадные системы, содержащие линейную систему, за которой следует нелинейность и другая линейная система (LNL). Коренберг и Хантер разработали эффективные способы идентификации систем Винера (LN) и Гаммерштейна (NL), описание которых приведено в Hunter et al., The Identification of nonlinear Biological Systems: Wiener and Hammerstein Cascade Models, Biological Cybernetics, vol. 55 pp.135-44 (1986). Они также разработали практические и эффективные способы идентификации системы Винера с параллельными каскадами. В соответствии с другими примерами осуществления изобретения, возможно также использование общих моделей с линейными системами с параллельными каскадами, за которыми следует статическая нелинейность и другая линейная система (LNL), см. например Korenberg et al., The Identification of Nonlinear Biological Systems: LNL Cascade Models, Biological Cybernetics, vol.55, pp.125-34, (1986). Фактически доказано, что каждая дискретно-непрерывная система времени с конечной памятью может быть равномерно аппроксимирована с помощью конечной суммы систем LNL.

[0054] Дополнительное разъяснение использования идентификации нелинейных систем, в частности, применительно к кернфункциям Винера и Вольтерра, может быть найдено в следующих документах:

- Korenberg, et al., Exact Orthogonal Kernel Estimation From, Finite Data Records: Extending Wiener's Identification Of Nonlinear Systems, Annals of Biomedical Engineering, vol.16, pp.201-14 (1988);

- Korenberg, et al., The Identification of Nonlinear Biological Systems: Wiener Kernel Approaches, Annals of Biomedical Engineering, vol.18, pp.629-54 (1990);

- Korenberg, et al., The Identification of Nonlinear Biological Systems: Volterra Kernel Approaches, Annals of Biomedical Engineering, vol.24, pp.250-68 (1996).

[0055] Пример идентификации зарядного устройства аккумуляторной батареи в виде модели Винера, содержащей каскадный динамический линейный элемент и статическую нелинейность, приведен в документе Milocco et al., State of Charge Estimation in Ni-MH Rechargeable Batteries, J. Power Sources, vol.194, pp.558-67 (2009). В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, до разработки способа зарядки могут быть использованы нелинейные методы, аналогичные рассмотренным выше, которые также могут использоваться во время зарядки аккумуляторной батареи для оценки параметров модели.

[0056] В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, оценка модели или оптимизация ее параметров могут быть выполнены во время зарядки разряженной аккумуляторной батареи, или когда она не используется. Для этого, специальная схема может быть разработана и встроена в устройство, в котором используется аккумуляторная батарея, или в корпус самой батареи. На Фиг.12 показана упрощенная схема, которая может быть использована в любом из этих случаев и в которой полевой транзистор (FET) или другое соответствующее коммутационное устройство может быть использовано с шунтирующим резистором (R_shunt) с возможностью потребления тока элемента батареи, при этом могут быть измерены напряжение элемента и ток через шунт (I_shunt). Регулирование напряжения затвора может быть выполнено с помощью микропроцессора для создания сигнала очень высокой частоты с частотно-импульсной модуляцией (PFM), или сигнала широтно-импульсной модуляцией (PWM) или импульсной модуляцей любого типа, обеспечивающих квазинепрерывное изменение тока и напряжения с заданными спектрами возбуждения, либо дискретные изменения тока могут быть использованы для создания квазислучайной псевдодвоичной последовательности (PRBS), которая подходит для идентификации системы. Следует понимать, что "очень высокая частота" служит признаком предпочтительного примера осуществления изобретения, однако, не ограничивая, при этом, объем настоящего изобретения.

[0057] Схема, изображенная на Фиг.12, демонстрирует недостатки, например, вероятность разряжения элемента, выполнимость его проверки на основе только разрядного тока, несмотря на возможную необходимость проверки с использованием как зарядного, так и разрядного токов. Для устранения этих недостатков могут быть использованы активные цепи, позволяющие уменьшить потери аккумуляторной батареи при образовании токов намагничивания обеих полярностей (зарядного и разрядного). На Фиг.13 показана упрощенная схема такой цепи. На Фиг.13 показано использование двух коммутационных устройств, T1 и T2, например, полевых транзисторов с низкими потерями. Транзистор Т1 и катушка индуктивности L1 могут быть использованы для потребления энергии от элемента "B1" и передачи ее на конденсатор C1. Если значение напряжения на конденсаторе C1 превышает на несколько вольт значение напряжения элемента, транзистор T2 и катушка индуктивности L1 используются для накачки тока обратно в сторону аккумуляторной батареи. В течение этого процесса, микропроцессором может быть выполнено измерение напряжения Vemf и тока IB элемента для идентификации системы. Ток аккумуляторной батареи IB может быть измерен соответствующим датчиком тока, например, низкоомным низкоиндуктивным токочувствительным резистором или датчиком с эффектом Холла. При выполнении измерения без помощи коммутационного устройства, например, реле S1, напряжение на конденсаторе C1 может быть поддержано на уровне напряжения элемента. В нормальном состоянии реле замкнуто, и может быть разомкнуто перед началом экспериментов по идентификации системы.

[0058] При зарядке аккумуляторной батареи, вместе с зарядным устройством 520 (Фиг.5B) могут быть использованы цепи, например, аналогичные рассмотренным выше, для приложения вместе с зарядным током малого возмущения (см. блок-схему, изображенную на Фиг.14). Кроме того, в зарядное устройство аккумуляторной батареи 520 может быть встроена логическая схема, обеспечивающая подачу в элемент заданных возмущений, как показано на Фиг.1. В этом случае, зарядное устройство рассчитывает в режиме реального времени сигнал с высокочастотным возмущением для его последовательной подачи и суммирования с сигналами зарядного напряжения или тока. Такой расчет обычно может быть выполнен в режиме реального времени, во время зарядки аккумуляторной батареи. Кроме того, зарядное устройство 920 может иметь отдельный контур (см. Фиг.13), включенный параллельно специальной зарядной цепи, в котором, однако, C1 может быть заменен другим источником напряжения V2, напряжение на котором превышает напряжение элемента Vemf, или включен параллельно этому источнику. Для простоты, и сокращения необходимой площади, катушка индуктивности L1 может быть заменена мощным резистором за счет небольшой потери энергии.

[0059] Кроме целей зарядки модель элемента может быть также использована для решения ряда других задач. Одним из важнейших оцениваемых параметров, является текущее количество энергии (в Джоулях), т.е. оставшаяся емкость аккумуляторной батареи (в Кулонах), именуемая обычно уровнем заряженности (SOC), которое может быть использовано во внешнем дисплее в абсолютном или относительном значении, и для выключения питания при достижении емкостью элемента нижнего предела, без риска для аккумуляторной батареи. Непрерывная переоценка характеристик элемента обеспечивает также точную оценку состояния элемента в момент начала нового цикла зарядки. Модель элемента, уровень заряженности (SOC), и информация о расчетном значении температуры элемента могут быть использованы также для настройки режима, в котором будет использовано устройство.

[0060] При идентификации системы непараметрические модели, как правило, могут быть сопоставлены с "представлением в виде черного ящика" системы, которое подразумевает, что сама модель не обязательно влияет на представление о системе, например, ее физику, химические режимы, электрические свойства и т.д. Модели, разработанные с априорным знанием системы, обычно представляют собой параметрические модели или модели на основе метода конечных элементов с распределенными параметрами (FEM). Тем не менее, существуют математические способы преобразования моделей из одной области в другую, т.е. преобразования непараметрической модели в параметрическую. Таким образом, например, нелинейная модель Винера, включающая в себя линейную систему, представленную в виде импульсной характеристики, за которой следует статическая нелинейность, может быть преобразована в параметрическую линейную модель (например, функцию пространства состояний или передаточную функцию), за которой следует статическая нелинейность. В этом случае, параметрическая модель хорошо поддается оценке внутренних процессов в системе. Кроме того, начальная оценка непараметрической модели с последующим ее преобразованием в параметрическую форму, зачастую является более грубым методом оценки параметров. Таким образом, наличие непараметрической модели и априорное знакомство со структурой системы обеспечивает возможность оценки состояния системы (например, уровня заряженности различных отсеков) или параметров (сопротивления, емкости и т.д.).

Формирование профиля зарядки

[0061] Для разработки алгоритма зарядки, сначала должны быть известны система физических ограничений и допусков аккумуляторной батареи. Например, превышение некоторых пределов, например, перенапряжение или превышение по току, или превышение температуры элемента могут непрерывно ухудшать характеристики аккумуляторной батареи, накладывая, таким образом, ограничения на процесс ее зарядки. Критерием выбора может служить цель получения оптимального алгоритма быстрой зарядки. В контексте настоящего описания и любых пунктов прилагаемой формулы изобретения, термином "критерий выбора" может быть обозначена действительная функция одного или нескольких параметров, которые могут быть уменьшены или увеличены посредством программы оптимизации, при наличии набора заданных ограничений.

[0062] В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, в используемых моделях кроме моделирования электрических параметров, например, напряжения и тока элемента, может быть выполнено моделирование других переменных, например, температуры элемента, внутреннего давления и т.д.

[0063] В самом простом случае, критерием выбора может служить сокращение времени зарядки. Например, если аккумуляторной батарее соответствует конденсатор C с последовательно включенным резистором R, где I_max - предельный ток, a V_max - пробивное напряжение конденсатора, то решение задачи состоит в определении I(t), позволяющем сократить время зарядки Т, выраженное интегральным уравнением:

$$V_{\max }=C{\displaystyle \underset{0}{\overset{T}{\int }}I(t)dt}$$

при следующем ограничении: $$0\le I(t)\le I_{\max I(t)}\le I_{\max }(Уравнение1)$$

[0064] Решение этой задачи, а также решения для всех линейных моделей аккумуляторных батарей, могут быть легко получены на основе теории оптимального управления в виде системы двухпозиционного управления: при достижении «точек переключения» величина тока I может меняться от I_max до 0, причем решение, обусловленное точками переключения, хорошо известно в теории управления. Для простой конденсаторной модели максимально допустимый ток может быть использован до полной зарядки аккумулятора.

[0065] Однако, на практике непосредственное измерение напряжения V на конденсаторе невозможно вследствие внутреннего сопротивления, представленного резистором R. Фактически измеренное напряжение V_out (t) конденсатора имеет вид V_out(t)=V(t)+R·I(t), a заданное напряжение источника питания может быть выражено как V_S(t)=V(t)+(R+R_S)·I(t), где R_s - последовательно включенное сопротивление, обусловленное подключением аккумуляторной батареи к зарядной цепи.

[0066] Для сокращения времени зарядки аккумуляторной батареи должны быть известны параметры R и R_s. В большинстве случаев, величиной Rs можно пренебречь, однако это несправедливо для ионно-литиевых аккумуляторных батарей, в которых должны протекать токи выше 25А, а их соединение с резистором, даже имеющим величину 1 мОм, может вызвать значительное падение напряжения 25 мВ. По существу, значение R_s, может быть получено путем измерения сопротивление проводника, соединяющего источник питания с конденсатором. Однако, как было сказано выше, со ссылкой на Фиг.3, лучшим решением может считаться использование четырехпроводной конфигурации. Могут быть использованы четыре вывода: два вывода 32 и 33 содержат витую пару, по которой может протекать зарядный ток, а выводы 34 и 35 используются для измерения напряжения V_out. Т.к. схема 36, используемая для измерения напряжения, имеет очень высокое полное сопротивление, то по проводникам 34, 35, используемым для контроля V_out, может протекать пренебрежимо малый ток, а погрешность измерения незначительна. Следует понимать, что в объеме настоящего изобретения, соединение с аккумуляторной батареей для пропускания тока или для измерения напряжения, либо другого параметра, может быть полностью, или частично, индуктивным или беспроводным.

[0067] Параметр R, как правило, может быть получен опытным путем или посредством идентификации системы. В соответствии с предпочтительными примерами осуществления настоящего изобретения, параметр R, как и другие данные, характеризующие основные кернфункции ряда Вольтерра или другие модели, могут быть получены и обновлены в процессе зарядки и/или разрядки элемента или батареи элементов. Деконволюция, например, сигнала измеренного напряжения из сигнала тока, позволяет получить сопротивление R. Измерения, выполненные во время зарядки или разрядки, обычно содержат высокочастотные "возмущения", спектральная характеристика которых превышает внутреннюю динамику элемента, соответствующую способу зарядки.

[0068] Зачастую для некоторых параметров Могут быть использованы простые эвристические методы. Как пример, на схему, изображенную на Фиг.3, может быть подан скачок тока I₀, и измерено напряжение на конденсаторе. Идеальная кривая зарядки 40 для этого случая показана на Фиг.4. Подача скачка тока 10 может, по существу, привести к мгновенному скачку напряжения V₀ на конденсаторе, так, что внутреннее емкостное сопротивление может иметь вид

$$R=\frac{V_0}{I_0}$$

.

[0069] Самый простой оптимальный протокол зарядки системы, изображенной на Фиг.3, включает в себя следующее:

- Регулирование V_s для поддержания тока I=I_max до тех пор, пока V_out=V_max+R·I_max, где V_max - максимально допустимое внутреннее напряжение; а затем

- Регулирование V_s, таким образом, что V_out=V_max+R·I, до тех пор, пока величина I не станет ниже заданной пороговой величины.

В соответствии с некоторыми примерами осуществления изобретения, во время вышеупомянутой операции активное регулирование температуры аккумуляторной батареи может быть осуществлено терморегулятором 37, которым может служить регулятор на основе эффекта Пелтье или терморегулятор любого другого типа.

[0070] Как правило, целевая функция при зарядке аккумуляторной батареи определяется как функция общего времени зарядки, КПД, внутреннего нагрева устройства, и порога по току, полученных из спецификации изготовителя или путем измерений. Обычно, неисправность зарядки может быть выражена в виде;

Повышение до максимума J(x, p) при условии

А·х≤b, (2)

где х - вектор переменных внутреннего состояния устройства, р - векторные параметры модели, a b - пределы, которые не должны быть превышены. Переменными, характеризующими состояние, могут служить внутренние напряжения и токи, а параметрами могут служить внутренние сопротивления, емкости, индуктивности и т.д.

[0071] При нахождении оптимального или удовлетворительного решения проблемы зарядки, это решение может быть использовано для зарядки аккумуляторной батареи согласно блок-схеме, изображенной на Фиг.5А. Измеряют 502 напряжение разомкнутой цепи VOC. Оцениваемое начальное состояние (501) и начальная оценка модели (503) могут также служить исходной информацией для получения информации о состоянии оцениваемой модели (504) и модели системы (505), соответственно. Регулирование зарядного напряжения (или тока) (511) может быть выполнено с помощью алгоритма управления (506), известного из настоящего описания или другого источника. Может быть продолжено измерение значений параметров системы, например, одного или нескольких напряжений, одного или нескольких токов, одной или нескольких температур и т.д. (507). В частности, определение оптимизированного тока зарядки может быть выполнено на основе отслеживания полного заряда, запасенного в аккумуляторной батарее.

[0072] Для оценки модели (509) и обновления информации об уровне заряженности, внутренних состояниях и т.д., отображенной в обновлении модели системы, может быть использован рассмотренный в настоящем описании алгоритм идентификации системы (508).

[0073] Как было рассмотрено со ссылкой на Фиг.14, при выполнении измерений, проводимых во время зарядки, разрядки или состоянии покоя, может быть выполнено возмущение параметров цепи (510), путем модулирования тока или напряжения, предпочтительно, с частотой, превышающей 100 Гц, и в более чем 10000 точках замера, характеризуемого как "высокочастотная" модуляция. Таким образом "быстрая зарядка", занимающая три минуты (или 180 секунд), произведенная при 1 кГц, может привести к образованию с течением времени 180,000 выборочных точек замера. Возмущение любого сигнала может быть выполнено в объеме настоящего изобретения, но обычно оно обеспечивает достаточное возбуждение в требуемом диапазоне частот. При получении модели, она может быть применена для вычисления оптимального или более эффективного возбуждения, которое впоследствии может быть использовано при проведении экспериментов. Измерения, проводимые одновременно с введением возмущений, или при иных обстоятельствах, предполагают возможность обновления параметрических или иных данных, образующих модель аккумуляторной батареи.

[0074] Как правило, алгоритм управления (506) может быть использован для сокращения различия между измеренными внутренним напряжением аккумуляторной батареи и током и заданными значениями напряжения и тока. Уменьшение относительно любой нормы подпадает под объем настоящего изобретения; однако предпочтительной нормой служит абсолютная величина или квадрат разности между расчетным и заданным значениями внутреннего напряжения аккумуляторной батареи. Для этого может быть использован любой из известных методов теории управления, включающий в себя числовые методы минимизации; обратное преобразование модели, а профили зарядки могут быть рассчитаны предварительно, а модели могут быть также использованы для вычисления в режиме реального времени необходимого изменения тока или напряжения.

[0075] В соответствии с некоторыми примерами осуществления изобретения, максимальный ток может быть подан при любом стечении обстоятельств в процессе зарядки, обусловленном системой определенных ограничений аккумуляторной батареи.

[0076] Регулировка зарядного напряжения Vs (506) может быть выполнена на основе решения, обеспеченного алгоритмом управления. Параметры аккумуляторной батареи, включая переменные x внутреннего состояния устройства, а также векторные параметры модели p и предельные значения b, могут быть затем рассчитаны повторно, и в случае окончания зарядки (59), процесс может считаться завершенным (500), в противном случае, он должен быть повторен.

[0077] В зарядном устройстве 90 для быстрой зарядки (Фиг.5B), как правило, используется процессор 91. В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, процессор 91 выполнен с возможностью аккумулирования тока, а также запоминания в памяти 98 текущих и накопленных данных внутреннего состояния аккумуляторной батареи.

[0078] Как правило, управляемый компьютером источник питания 38 (см. Фиг.3) может быть использован с процессором 39, выполненным с возможностью задания параметров, например, выходного напряжения и максимального тока, при стандартной частоте 10 Гц или выше. Процессор 39 может иметь вход для получения сигнала, по меньшей мере, от одного датчика, чувствительного к характеристике аккумуляторной батареи, в т.ч., например, температуры или pH, или данных, полученных от батареи, например, ее типа, № партии, даты изготовления, с помощью оптического считывающего устройства, радиочастотной идентификационной метки (активной или пассивной), высокочастотной модуляции на верхней границе значения напряжения аккумуляторной батареи и т.д., или информации, полученной с микрочипа, на котором могут быть сохранены данные, например, число циклов перезарядки батареи.

[0079] Процессор 39 может быть также выполнен с возможностью управления терморегулятором 37. В объеме настоящего изобретения, этапы алгоритма управления могут исполняться аппаратными средствами ЭВМ или программным обеспечением непосредственно внутри источника питания или за его пределами, причем источник питания может быть выполнен с возможностью подачи на него только максимального выходного тока.

[0080] Во всех случаях, важно не превышать предельных значений устройства, поскольку даже при небольшом превышении этих значений необратимое влияние может быть оказано на характеристики устройства и срок его службы. Таким образом, в соответствии с предпочтительными примерами осуществления изобретения, напряжение, ток и температура могут быть измерены с высоким уровнем точности, предпочтительно с точностью от 16 до 24 бит, для достижения точного регулирования и сохранения характеристик устройства. Ниже будут приведены дальнейшие требования к точности измерения.

[0081] На Фиг.6 показано сравнение времен зарядки при использовании алгоритма сверхбыстрой зарядки по настоящему изобретению с самым быстрым временем зарядки, рекомендуемым изготовителем аккумуляторной батареи. На кривой 601, показано изменение зарядки во времени в соответствии с рекомендациями изготовителя, демонстрирующее достижение 80-процентного уровня заряженности за 720 секунд. Для сравнения, способ по настоящему изобретению позволяет получить профиль зарядки кривой 602, при котором 80-процентный уровень заряженности может быть достигнут за 322 секунды, при 56% сокращении времени зарядки.

[0082] На Фиг.7 показано сравнение общей энергии, запасенной в аккумуляторной батарее (выраженной в процентном отношении от начальной емкости), как функции времени, при условии выполнения одного цикла зарядки/разрядки в день. После 7800 циклов зарядки/разрядки, выполненных в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, энергоемкость (кривая 72) может быть уменьшена до 39% от ее начального значения. Энергия аккумуляторной батареи уменьшается до 90% через 2 года и 2 месяца (789 циклов зарядки/разрядки), до 85% через 5 лет и 9 месяцев (2115 циклов зарядки/разрядки) и до 80% через 8 лет и два месяца (2995 циклов зарядки/разрядки). Способы зарядки, рекомендуемые изготовителем, могут привести к ухудшению параметров, как показано на кривой 71, до 90% от начального уровня заряженности после 550 циклов и до 84% после 1400 циклов. Очевидно, что срок службы аккумуляторной батареи в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения может быть увеличен по сравнению с обычными скоростями ухудшения параметров.

[0083] В объеме настоящего изобретения отслеживание параметров аккумуляторной батареи может быть осуществлено различными способами. Согласно одному способу отслеживания параметров аккумуляторной батареи, после выполнения каждого цикла зарядки параметры аккумулятора могут быть несколько раз переоценены в реальном времени по мере выполнения зарядки, либо все измеренные сигналы могут быть сохранены в памяти при выполнении каждого цикла, а параметры пересчитаны по окончании процесса зарядки.

Определение ограничений аккумуляторной батареи

[0084] Как правило, точные значения ограничений устройства, в отношении максимальных или минимальных значений, которые не могут быть превышены при зарядке устройства (вектор b в уравнении 2), неизвестны или известны с большой погрешностью и должны быть определены экспериментальным образом. По своей природе эти эксперименты могут включать в себя испытания на разрушение, а, следовательно, может возникнуть необходимость в большом количестве устройств для получения необходимых данных.

[0085] Некоторые предельные значения установлены изготовителями аккумуляторных батарей, а заявленные значения обеспечивают очень удобные начальные точки для получения наилучших значений в зависимости от поставленной конкретной задачи. Например, если задача состоит в осуществлении очень быстрой зарядки, то допускается упрощение требований к допустимому ухудшению характеристик аккумуляторной батареи по мере выполнения заданного количества циклов зарядки/разрядки.

[0086] На Фиг.8 показана блок-схема итеративного способа проверки, в соответствии с одним примером осуществления изобретения, посредством которого могут быть получены параметры зарядки и предельные значения. На основе разработанной модели аккумуляторной батареи (60) и набора параметров, согласующихся с моделью батареи, может быть рассчитан начальный набор параметров модели (61). При этом берут неиспользованную аккумуляторную батарею (62) и рассчитывают максимальные и минимальные параметры зарядки (63), исходя из конкретных особенностей (типа аккумулятора, емкости, и т.д.) проверяемой батареи. Выполняют заданное количество N циклов зарядки (64) и разрядки (65). При выполнении зарядки можно руководствоваться рассмотренным выше алгоритмом, со ссылкой на Фиг.5, а при выполнении разрядки можно руководствоваться предполагаемым оценочным уровнем использования аккумуляторной батареи. Для каждого параметра цикла, например, количества энергии, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи, количество энергии, полученной при разрядке батареи, и пересчитанные значения параметров могут быть сохранены в памяти. Поиск продолжается до нахождения лучших параметров и их сохранения (69).

[0087] Целевая функция, позволяющая определить степень ухудшения характеристик, может быть пересчитана и использована в поисковом алгоритме (66), например, стандартном алгоритме случайного поиска, методе поиска экстремума, или при любой обработке результатов. Так как характеристики аккумуляторной батареи могут изменяться в ходе испытания, в начале каждой новой серии циклов зарядки/разрядки должна быть использована новая аккумуляторная батарея.

Использование результатов проверки для усовершенствования моделей и способов зарядки

[0088] Как показано на Фиг.9, в зарядных устройствах 90, выполненных с возможностью быстрой зарядки, как правило, используют процессор 91. Зарядные устройства 92 часто могут быть использованы при наличии сетевого подключения к Интернету или локальной сети 93. В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, за счет наличия процессора 91 с памятью, достаточной для сохранения данных, измеренных при выполнении циклов зарядки и разрядки, сохраненные процессором измеренные данные аккумуляторной батареи, при установлении сетевого подключения, могут быть переданы одному или нескольким другим процессорам 94 в сети, или удаленному серверу 95 в Интернете. В то же самое время процессором 91 могут быть получены обновленные данные о модели аккумуляторной батареи, оптимальных параметрах зарядки и алгоритме процесса зарядки.

[0089] Способами измерения и оценки оптимальных режимов зарядки предпочтительно могут служить рассмотренные в настоящем описании способы быстрой зарядки отдельного элемента, в частности, включающие в себя любой из рассмотренных ранее способов, включая идентификацию нелинейных систем.

[0090] В альтернативных примерах осуществления настоящего изобретения, зарядное устройство 92 содержит датчик 96, обеспечивающий возможность получения процессором 91 информации об аккумуляторной батарее, например, типе модели батареи, изготовителе, номере партии, дате изготовления; о модели, заданной изготовителем, и о параметрах зарядки непосредственно от аккумуляторной батареи, подключенной к зарядному устройству 92. Для этого на аккумуляторной батарее может быть выполнен штриховой код, считываемый датчиком 76, например, таким как линейная матрица ПЗС. База данных 97, или любой другой способ сохранения данных, подпадает под объем настоящего изобретения, и содержит активные RFID-метки, питаемые аккумуляторной батареей, находящейся в процессе зарядки, или иным образом.

[0091] Настройка алгоритма зарядки может быть выполнена самим процессором 91 на основе данных, полученных от других процессоров 94, причем процессор содержит также все данные и характеристики, собранные им с помощью модели аккумуляторной батареи при обратной передаче данных на сервер 95.

[0092] Как правило, ионно-литиевые аккумуляторные батареи могут быть изготовлены с жестким производственным допуском, так, что различия между устройствами относительно малы. Однако, несмотря на то, что различия малы, оптимальный способ зарядки может быть высокочувствительным к некоторым параметрам устройства. В соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, огромное количество собранных серверами данных, относящихся к аккумуляторным батареям одного класса, обеспечивает, преимущественно, возможность усовершенствования моделей и более точной оценки их параметров. В частности, возможна установка параметров, исходя, по меньшей мере частично, из производственной партии или времени изготовления батарей.

Глобальная оптимизация

[0093] Установление оптимальных пределов, используемых в быстрозаряжаемых аккумуляторных батареях, требует большого количества испытаний, для каждого из которых первоначально необходима новая аккумуляторная батарея. Этот процесс может быть усложнен возможными различиями между устройствами, которые сами могут вносить в процесс оптимизации "шум", или случайные возмущения. Обычно соответствующие параметры зарядки могут быть определены на первых начальных стадиях процесса оптимизации, рассмотренного выше со ссылкой на Фиг.8. С этого момента процесс оптимизации может вносить только незначительные возмущения в значениях параметров и не оказывает какого-либо значительного влияния на срок службы устройств. На более поздних этапах оптимизация может быть получена посредством выполнения части процесса уже находящимися в эксплуатации зарядными устройствами 90. При соединении с серверами 95, им могут быть сообщены последующие параметры зарядки, которые могут быть использованы в процессе оптимизации. Затем по завершении циклов, результаты могут быть возвращены микропроцессорами 94 на сервер 95.

[0094] Чувствительность протоколов зарядки к параметрам модели и измеряемым параметрам аккумуляторной батареи, в соответствии с примерами осуществления изобретения настоящего изобретения, показана на Фиг.10. Применяемая модель аналогична модели, изображенной на Фиг.3. Начальное значение зарядного тока составляет 25A, и может быть уменьшено после достижения внутренним напряжением номинального значения 3.55. Принимая во внимание внутреннее падение, которое представлено резистивным элементом R, допускается превышение значением внешнего зарядного напряжения рекомендуемого значения максимального зарядного напряжения аккумуляторной батареи, равного 3,6 B.

[0095] Профиль зарядки, обычно получаемый в ионно-литиевых элементах, при использовании способов по настоящему изобретению, обозначен цифрой 100, причем расчетное внутреннее сопротивление R составляет 6 мОм. Однако, при заданном внутреннем сопротивлении 8 мОм, процесс зарядки может стать неустойчивым через 200 секунд после уменьшения тока до 20А (кривая 102). Как показано на Фиг.11, через 225 секунд, напряжение (кривая 111) изменилось на ~20 мВ, а неустойчивость с течением времени возросла. Однако изменение расчетного внутреннего напряжения элемента (кривая 113) никогда не превышает нескольких мВ, достигая только значения 3,556 В, и превышая заданное максимальное безопасное значение зарядного напряжения 3,55 B примерно на 6 мВ.

[0096] Так как внутреннее напряжение элемента может быть рассчитано на основе выражения, где V и RI должны быть заданы с точностью, необходимой для определения внутреннего напряжения, т.е. порядка 1 мВ. Аналого-цифровые (и цифроаналоговые) преобразователи, обычно используемые для зарядки аккумуляторных батарей, имеющие погрешность 12 бит и диапазоны напряжения ±5 или ±10 B, обеспечивают номинальную точность с погрешностью 1 бит величиной 2,4 или 4,8 мВ соответственно, что не отвечает требованиям, поскольку погрешность внутреннего напряжения при уровнях, превышающих ~1 мВ может привести к неустойчивости процесса зарядки и ограничению срока службы аккумуляторной батареи. Поэтому, для выполнения алгоритма сверхбыстрой зарядки предпочтительны 16-битовые устройства.

[0097] Таким образом, рассмотренные примеры способов получения параметров аккумуляторных батарей и их зарядки на основе этих параметров, могут быть реализованы в виде компьютерного программного продукта для использования в вычислительных системах. Такими компьютерными продуктами могут служить ряд машинных команд, занесенных на материальный носитель информации, например, машиночитаемый носитель (например, дискету, CD-ROM, ROM, или жесткий диск) или передаваемых на компьютерную систему через модем или другое устройство сопряжения, например, адаптер, подключенный к сети через среду передачи данных. Средой передачи данных может служить материальная среда (например, оптические каналы или каналы аналоговой связи) или среда передачи данных беспроводными способами (например, микроволновыми, инфракрасными или другими). Ряд машинных команд включает в себя все рассмотренные выше функциональные возможности системы или их часть. Специалистам в данной области понятно, что такие компьютерные команды могут быть написаны на множестве языков программирования для использования со многими компьютерными архитектурами или операционными системами. Кроме того, такие команды могут храниться на любом запоминающем устройстве, например, полупроводниковом, магнитном, оптическом или запоминающем устройстве другого типа, и могут передаваться с помощью любых технических средств связи, например, оптических, инфракрасных, СВЧ, или средств связи другого типа. Можно предположить, что распространение такого компьютерного программного продукта может быть выполнено на сменном носителе с сопроводительной документацией в печатном или электронном виде (например, в виде коробочного ПО), предварительно загруженного в компьютерную систему (например, на ПЗУ или жесткий диск), либо с сервера или электронного информационного табло по сети (например, Интернету или Всемирной Паутине). Некоторые примеры осуществления изобретения могут быть реализованы в виде комбинации программного обеспечения (например, компьютерного программного продукта) и аппаратных средств ЭВМ. Другие примеры осуществления изобретения могут быть реализованы полностью в виде аппаратных средств ЭВМ, или полностью в виде программного обеспечения (например, компьютерного программного продукта).

[0098] Рассмотренные примеры осуществления изобретения носят исключительно иллюстративный характер и специалистам в данной области очевидна возможность внесения многочисленных изменений и модификаций. Все такие модификации и изменения должны быть выполнены в пределах объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

Claims (38)

1. Устройство для зарядки заданной аккумуляторной батареи, содержащее:
a) средства сопряжения для электрического соединения с заданной аккумуляторной батареей;
b) схему для одновременного измерения напряжения и тока заданной аккумуляторной батареи;
c) базу данных для накопления данных о параметрах других аккумуляторных батарей и
d) процессор, выполненный с возможностью рекурсивного обновления динамического представления заданной аккумуляторной батареи на основе совместно измеренных значений тока и напряжения заданной батареи, а также накопленных данных о параметрах аккумуляторной батареи, полученных из базы данных для других аккумуляторных батарей; и
e) источник тока для подачи регулируемого процессором тока для зарядки заданной аккумуляторной батареи на основе рекурсивного обновления динамического представления заданной аккумуляторной батареи.

2. Устройство по п. 1, в котором процессор выполнен с возможностью обновления динамического представления заданной аккумуляторной батареи на основе, по меньшей мере частично, метода идентификации системы.

3. Устройство по п. 1, в котором процессор выполнен с возможностью обновления динамического представления заданной аккумуляторной батареи на основе, по меньшей мере частично, идентификации нелинейной системы.

4. Устройство по п. 1, в котором схема для одновременного измерения напряжения и тока заданной аккумуляторной батареи имеет четырехпортовую конфигурацию.

5. Устройство по п. 1, в котором средство сопряжения для электрического соединения с аккумуляторной батареей соединено с электродами сравнения заданной аккумуляторной батареи.

6. Устройство по п. 1, в котором процессор дополнительно содержит вход для приема сигнала от датчика, чувствительного к характеристике заданной аккумуляторной батареи.

7. Устройство по п. 1, которое дополнительно содержит терморегулятор для регулирования температуры заданной аккумуляторной батареи.

8. Способ зарядки аккумуляторной батареи, согласно которому:
a) выполняют нелинейное динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи;
b) определяют оптимизированный профиль зарядки аккумуляторной батареи на основе, по меньшей мере частично, нелинейного динамического представления и на основе отслеживания одного или большего количества параметров состояния системы для аккумуляторной батареи; и
c) подают на аккумуляторную батарею ток зарядки на основе, по меньшей мере частично, оптимизированного профиля зарядки.

9. Способ по п. 8, согласно которому определение оптимизированного профиля зарядки также зависит от набора ограничений, характерных для конкретной аккумуляторной батареи.

10. Способ по п. 9, согласно которому дополнительно получают указанный набор ограничений, характерных для конкретной аккумуляторной батареи, на основе повторяющейся последовательности циклов зарядки/разрядки.

11. Способ по п. 8, в котором оптимизированным профилем зарядки служит оптимизированный профиль зарядного тока.

12. Способ по п. 8, согласно которому дополнительно отслеживают температуру аккумуляторной батареи и в котором определение оптимизированного профиля зарядки, по меньшей мере частично, основано на отслеживаемой температуре аккумуляторной батареи.

13. Способ по п. 8, согласно которому определение оптимизированного профиля зарядки, по меньшей мере частично, основано на отслеживании параметров текущего состояния аккумуляторной батареи.

14. Способ по п. 8, согласно которому отслеживание полного заряда содержит определение по меньшей мере одной переменной текущего внутреннего состояния аккумуляторной батареи в процессе ее зарядки.

15. Способ по п. 8, согласно которому отслеживание полного заряда содержит определение по меньшей мере одной переменной, характеризующей текущее внутреннее состояние аккумуляторной батареи в процессе ее разрядки.

16. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи выполняют посредством идентификации нелинейной системы.

17. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи включает набор переменных внутреннего состояния.

18. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи включает набор параметров модели.

19. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи включает непараметрические данные, характеризующие модель, по меньшей мере частично.

20. Способ по п. 8, в котором определение оптимизированного профиля зарядки аккумуляторной батареи на основе нелинейного динамического представления осуществляется в процессе ее разрядки.

21. Способ по п. 8, в котором определение оптимизированного профиля зарядки аккумуляторной батареи на основе нелинейного динамического представления осуществляется в процессе ее зарядки.

22. Способ по п. 18, в котором набор параметров модели включает в себя параметры, полученные из базы данных.

23. Способ по п. 18, согласно которому набор параметров модели включает в себя параметры, полученные из базы данных, обновленной в процессе зарядки аккумуляторной батареи.

24. Способ по п. 8, в котором нелинейное динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи включает набор переменных внутреннего состояния, характерных для конкретного отдельного элемента.

25. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление динамики элемента аккумуляторной батареи включает набор параметров модели, характерных для вида элементов.

26. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление формируют на основе, по меньшей мере частично, данных, полученных в циклах зарядки/разрядки сетевых зарядных систем.

27. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление имеет линейную динамическую часть и нелинейную статическую часть.

28. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление является моделью Винера.

29. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление является моделью Гаммерштейна.

30. Способ по п. 8, согласно которому нелинейное динамическое представление является конечным рядом Вольтерра.

31. Способ по п. 8, согласно которому один или более параметров состояния системы для аккумуляторной батареи содержит полный заряд, запасенный в аккумуляторной батарее.

32. Способ по п. 8, согласно которому определение оптимизированного профиля зарядки содержит:
многократное извлечение обновленных нелинейных динамических представлений динамики элемента аккумуляторной батареи в процессе зарядки аккумуляторной батареи и
использование обновленных динамических представлений для определения оптимизированного профиля зарядки.

33. Способ по п. 32, согласно которому извлечение обновленных нелинейных динамических представлений динамики элемента аккумуляторной батареи включает использование метода нелинейной идентификации системы для извлечения обновленных динамических представлений.

34. Способ по п. 32, согласно которому обновленные нелинейные динамические представления имеют линейную динамическую часть и нелинейную статическую часть.

35. Способ по п. 8, согласно которому определение оптимизированного профиля зарядки содержит применение программы оптимизации к критериям выбора, полученным из нелинейного динамического представления.

36. Сеть для получения эмпирических данных модели аккумуляторной батареи, содержащая:
несколько зарядных систем, каждая из которых содержит процессор и источник питания для подачи тока на отдельную аккумуляторную батарею из аккумуляторных батарей и
сервер, выполненный с возможностью получения от каждого из указанных процессоров данных, полученных от каждой из аккумуляторных батарей, и возвращения обновленных данных в отношении динамического представления динамики элемента для объединения с каждой из указанных зарядных систем, причем обновленные данные получены, по меньшей мере частично, из данных, полученных от каждой из аккумуляторных батарей.

37. Сеть по п. 36, в которой процессор по меньшей мере одной зарядной системы выполнен с возможностью обновления динамического представления динамики элемента аккумуляторной батареи на основе, по меньшей мере частично, метода идентификации системы.

38. Сеть по п. 36, в которой процессор по меньшей мере одной зарядной системы выполнен с возможностью обновления динамического представления элемента аккумуляторной батареи на основе, по меньшей мере частично, идентификации нелинейной системы.

Images