[发明专利]实时电池故障检测和健康的状态监控

说明书

电池管理系统和方法可以提供对电池健康和存在的各方面的实时自动化监控。一些电池管理系统可以使用等效电池单元电路模型来实时预测在实际操作条件下电池单元的预期行为的范围。可以将该预测与电池单元的实际行为进行比较，以确定是否存在异常。一些电池管理系统可以维持电池健康的状态参数（诸如充电容量和内阻）的估计值，并且可以在电池放电和/或充电时实时更新这些估计值。监控的参数中的异常变化可以触发实时故障通知。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年3月12日提交的美国临时申请第62/988,853号和2021年3月9日提交的美国专利申请第17/196,848号的优先权，该美国临时申请和美国专利申请的公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开一般地涉及电池监控，并且特别涉及用于实时监控电池健康和性能的系统和方法。

背景技术

电池是可以将储存的化学能转化为电能的电化学设备。现有技术中已知许多电池技术的示例，包括锂离子电池、镍金属氢化物电池、铅酸电池、镍镉电池、碱性电池等等。电池可以以许多大小来制作，并具有一系列操作特性（例如，电压（或电势）、最大电流、充电容量等等）。为了支持高电压或高充电容量，可以通过串联和/或并联电连接多个电池单元来制造电池组。根据技术，一些类型的电池可以是通过连接到充电电流的源可再充电的。

电池（特别是锂离子电池）已经发现各种各样的用途，包括作为便携式电源来驱动诸如汽车、航空器、船只等等的交通工具的电机。在一些情况下，电池或电池组可能是交通工具的唯一电源。如果电池出故障，仅依靠电池动力来推进的交通工具可能突然失去其动力。根据电池发生故障时交通工具的状态，后果可能范围从不便到灾难性。因此，可能期望的是监控电池性能并检测可能指示问题的条件，使得在电池出故障之前可以对其进行维修（service）或更换。

发明内容

本文中描述的是电池监控系统和方法的示例（或实施例），该电池监控系统和方法可以提供对电池健康和操作的各方面的实时自动化监控。在各种实施例中，可以监控电池健康和操作的不同方面。例如，电池监控系统可以使用等效电池单元电路模型来实时预测定义在实际操作条件（例如，特定温度下的特定负载电流或充电电流）下电池单元的预期行为（例如，电池单元的电势或电压）的范围（或“包络（envelope）”）。可以将该预测与电池的实际行为（例如，测量的电池的电势）进行比较，以确定是否存在潜在问题，本文中称为“模型故障”状况。作为另一示例，电池监控系统可以维持电池健康的状态参数的估计值，诸如充电容量和内阻；这些估计值可以在电池放电和/或充电时实时更新，并且健康的状态参数中的异常变化可以指示“可疑参数”故障。电池监控系统可以实时提供检测到的故障的通知，从而允许采取及时的纠正动作。

根据一些实施例，一种用于监控电池单元的充电容量的方法可以包括：当电池单元处于空闲状态中时，确定电池单元的初始充电的状态；此后，当电池单元是活动状态（例如，其中电荷从电池单元转移到负载的放电状态，或者其中电荷从外部电源转移到电池单元的充电状态）时，监控从电池单元转移的电荷的总量或转移到电池单元的电荷的总量；在电池单元返回到空闲状态之后，确定电池单元的最终充电的状态；使用初始充电的状态、最终充电的状态和转移的电荷的总量计算未滤波的充电容量值；以及使用未滤波的充电容量值来更新充电容量估计值。

在一些实施例中，可以计算相对于先前估计值的充电容量估计值中的变化的幅度；并且在充电容量中的变化的幅度超过阈值的情况下，可以生成电池单元容量故障通知。

在一些实施例中，确定初始充电的状态可以包括：当电池单元处于初始空闲状态中时，测量电池单元的初始电池单元电势和初始电池单元温度；以及使用初始电池单元电势和初始电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。

在一些实施例中，确定最终充电的状态可以包括：当电池单元返回到空闲状态时，测量电池单元的最终电池单元电势和最终电池单元温度；以及使用最终电池单元电势和最终电池单元温度，基于等效电池单元电路模型来计算电池单元的充电的状态。