СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ЗАРЯДА
SYSTEMS AND METHODS OF DETERMINING CHARGE STATE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к зондированию заряда аккумуляторной системы.
Уровень техники
Все более возрастает значение аккумуляторных систем (например, включающих в себя один или более аккумуляторов) в повседневной жизни, поскольку они охватывают широкий спектр приложений от портативных устройств, таких как сотовые телефоны, до приложений, предназначенных для работы в тяжелых условиях, таких как вилочные погрузчики, гольфмобили и в последние годы даже электрические или гибридные электрические транспортные средства. В любом из вышеупомянутых приложений (или в других приложениях) надежный контроль за состоянием заряда имеет важное значение при обеспечении коммерческой жизнеспособности аккумуляторных систем. В некоторых случаях, например, таких как электрические и гибридные транспортные средства, контроль за состоянием заряда может быть даже связан с проблемами безопасности.
Сущность изобретения
В одном варианте осуществления способ, выполняемый процессором, содержит этапы, на которых получают значения напряжения, соответствующие аккумуляторной системе, получают значения заряда, соответствующие заряду, протекающему через аккумуляторную систему, и определяют состояние заряда на основании специфических точек отсчета при интегрировании заряда, причем точки отсчета вычисляются на основании полученного напряжения и времени.
Краткое описание чертежей
Многие аспекты настоящего изобретения будут более понятны при изучении следующих чертежей. Компоненты на чертежах могут быть представлены не в масштабе. Вместо этого основной акцент сделан на ясной иллюстрации принципов настоящего изобретения. Кроме того, одинаковые ссылочные позиции обозначают на чертежах соответствующие части на всех отдельных видах.
Фиг.1 - блок-схема, которая иллюстрирует вариант осуществления примерной системы определения состояния заряда.
Фиг.2 - схема, которая иллюстрирует вариант осуществления примерного устройства, выполненного с возможностью выполнения способа определения состояния заряда.
Фиг.3 - схема последовательности операций, которая иллюстрирует вариант осуществления способа определения состояния заряда.
Фиг.4 - схема последовательности операций, которая иллюстрирует другой вариант осуществления способа определения состояния заряда.
Подробное описание изобретения
Далее приводится описание некоторых вариантов осуществления систем и способов определения состояния заряда вместе и по отдельности, которые в дальнейшем называются как системы определения состояния заряда или SCD системы. Один или более вариантов осуществления SCD систем обеспечивают точную, эффективную, экономичную и надежную систему, которую можно использовать при зондировании состояния заряда (например, фактической емкости) аккумуляторной системы (например, аккумулятора или многочисленных аккумуляторов). Например, в одном варианте осуществления состояние заряда аккумуляторной системы определяется путем автоматического обнаружения напряжения и интегрирования заряда.
Отклоняясь от основной темы, вкратце заметим, что состояние заряда аккумуляторной системы можно традиционно зондировать только на основании напряжения. Однако само по себе зондирование напряжения аккумуляторной системы может вводить в заблуждение и/или быть ненадежным в случае, когда аккумуляторная система работает в условиях ввода/вывода высокого тока, что может привести к непредсказуемым повышениям или падениям напряжения во время процессов заряда или разряда. Кроме того, традиционные технологии зондирования напряжения могут быть неточными по другим причинам, таким как в случае, когда плато напряжения аккумуляторной системы является слишком ровным относительно емкости. Это последнее условие особенно справедливо для аккумуляторов на основе оксида литий-железо-фосфора или литий-ионных аккумуляторов на основе литий-железо-фосфата, которые обладают плоским плато напряжения во всем широком диапазоне отсчетов емкостей.
Для того чтобы преодолеть одну или более из вышеупомянутых проблем, среди других проблем, в некоторых вариантах осуществления SCD систем, раскрытых здесь, используется интегрирование заряда для предотвращения недостоверного зондирования емкости, такого как в реализациях, где имеются условия высокой мощности и плоского плато. Однако поскольку само по себе интегрирование заряда может обладать недостатками по точности с течением времени (например, вызванных дрейфом показаний и/или ограничениями по точности интеграторами заряда), в некоторых вариантах осуществления SCD систем интегрирование заряда объединено с обнаружением напряжения.
Для ясности, использование термина ″аккумулятор″ относится в дальнейшем к одной электрохимической ячейке, и использование фразы ″аккумуляторная система″ относится к ячейке или множеству ячеек, соединенных последовательно и/или параллельно. Другими словами, аккумуляторная система может содержать один аккумулятор.
Известно, что типичный профиль разряда для аккумуляторной системы содержит напряжение, которое изменяется со временем. Кроме того, известно, что профиль разряда может быть разным, когда аккумуляторная система разряжается при различной величине тока. В результате, интегрирование заряда можно использовать при определении состояния заряда более надежным образом, чем одно лишь напряжение, когда использование одного лишь напряжения традиционно применялось для контроля состояния заряда аккумулятора. Поскольку интегрирование заряда требует начальную и конечную точки для интегрирования, некоторые условия позволяют определить начальную и конечные точки интегрирования (которые называются в дальнейшем как точки отсчета). В настоящем раскрытии напряжение и время или напряжение, ток и время можно использовать при определении точек отсчета. Между точками отсчета интегрирование заряда может иметь значение при определении состояния заряда аккумуляторной системы.
На фиг.1 изображена блок-схема, которая иллюстрирует вариант осуществления примерной системы 100 определения состояния заряда (SCD). SCD система 100 содержит логическую схему 102 для измерения напряжения на аккумуляторе и логическую схему 104 для измерения напряжения на шунте, выполненные с возможностью измерения напряжение аккумулятора и падения напряжения на сопротивлении шунта. В контексте настоящего раскрытия специалистам в данной области техники будет понятно, что логическую схему 104 для измерения напряжения на шунте можно осуществить в виде любого устройства, используемого для прямого измерения тока (например, кольцо Холла). Аналогичным образом, специалисты в данной области техники должны понимать, что для измерения напряжения аккумулятора можно использовать множество различных схем хорошо известных в уровне техники.
SCD система 100 дополнительно содержит процессор 106, выполненный с возможностью приема одного или более входных сигналов (например, значений) из логической схемы 102 для измерения напряжения на аккумуляторе и логической схемы 104 для измерения на напряжения на шунте. Такие входные сигналы могут включать в себя, среди прочих данных, значения напряжения, значения тока и/или значения заряда. Процессор 106 может содержать микропроцессор, микроконтроллер или функционально-специализированную интегральную схему. Процессор 106 сконфигурирован с помощью встроенного кода (или в некоторых вариантах осуществления посредством извлечения данных программного обеспечения или аппаратных средств из связанного с ним энергозависимого и/или энергонезависимого запоминающего устройства, такого как память) для обеспечения отсчета времени (например, отдельно или в комбинации со схемой тактирования аппаратных средств и/или программного обеспечения), интегрирования заряда (например, для результатов определения состояний заряда), вычислений величины тока (например, посредством деления интегрального заряда на время) и результатов определения напряжения аккумулятора. В некоторых вариантах осуществления процессор 106 только получает результаты определения напряжения и использует их для дальнейшей обработки.
Процессор 106 дополнительно выполнен с возможностью подачи через беспроводное или проводное соединение выходных данных в устройство 108 отображения. Выходные данные включают в себя, без ограничения, показания состояния заряда, показания величины тока и показания напряжения на аккумуляторе. Устройство 108 отображения можно расположить удаленным или локальным образом относительно процессора 106. Устройство 108 отображения содержит экран отображения, в основе работы которого лежит одна из многочисленных известных технологий отображения, такие как технологии на основе жидкокристаллических диодов (LCD) или светоизлучающих диодов (LED).
На фиг.2 изображена схема, которая иллюстрирует вариант осуществления примерного устройства, выполненного с возможностью выполнения способа определения состояния заряда и, в общем, контроля за состоянием заряда. В частности, устройство 200 содержит плату состояния заряда, включающую в себя входные выводы 202 источника питания, выводы 204 для измерения напряжения на аккумуляторе, выводы 206 для измерения напряжения на шунте, выходной интерфейс 208 и процессор 106. Входные выводы 202 источника питания выполнены с возможностью получения питания от источника питания, при этом источник питания приводит в действие устройство 200. В некоторых вариантах осуществления источник питания можно выполнить как одно целое с устройством 200. Выводы 204 для измерения напряжения на аккумуляторе и выводы 206 для измерения напряжения на шунте выполнены с возможностью получения данных из логической схемы 102 для измерения напряжения на аккумуляторе и логической схемы 104 для измерения на напряжения на шунте, соответственно. В некоторых вариантах осуществления, один или более зондов можно использовать для измерения, и логическая схема на плате, которая связана с каждым из выводов 204 и 206, обеспечивает соответствующие вычисления, например, заряда, напряжения, тока и т.д.
В одном варианте осуществления данные, полученные с выводов 204 для измерения напряжения на аккумуляторе, содержат значения напряжения, которые используются для определения (например, с помощью процессора 106) точек отсчета. Показания падения напряжения на сопротивлении шунта, полученные на выводах 206 для измерения напряжения на шунте, используются (например, процессором 106) для интегрирования заряда. Выходной интерфейс 208 выполнен с возможностью предоставления информации (например, данных) для отображения на экране устройства 108 изображения. В одном варианте осуществления процессор 106 (или в некоторых вариантах осуществления память, к которой имеет доступ процессор 106) сконфигурирован с помощью таблицы или другой структуры данных, которая используется при установке параметров. Например, таблица может быть заполнена данными, такими как входное напряжение, время и/или ток для использования при установлении точек отсчета. Таблица может также учитывать другие входные данные, такие как сопротивление шунта, начальная емкость аккумулятора и/или регулировки для времени коррекции дрейфа.
В контексте настоящего раскрытия специалисты в данной области должны понимать, что один вариант осуществления SCD системы может содержать устройство 200 или поднабор компонентов, расположенных в ней (например, процессор 106). В некоторых вариантах осуществления SCD система может содержать компоненты, изображенные на фиг.1. Некоторые варианты осуществления SCD системы могут включать в себя комбинацию компонентов, показанных на фиг.1 и 2, и, следовательно, эти и другие изменения рассматриваются как находящиеся в пределах объема раскрытия.
После описания некоторых примерных SCD систем основное внимание будет уделено теперь различным способам определения состояния заряда. В примерах, которые следуют ниже, описано определение высокого и низкого состояния заряда в контексте 100% состояния заряда и 0% состояния заряда, соответственно, при понимании того, что для некоторых вариантов осуществления можно использовать и другие значения. Определение условия высокого состояния заряда (например, 100%) соответствует высшей точке отсчета (например, 100%) для состояния заряда. В одном варианте осуществления напряжение и время используется для определения высшей точки отсчета. Например, если общее напряжение на шестнадцати (16) последовательно соединенных аккумуляторах, например аккумуляторной системы на основе оксида литий-железо-фосфора, превышает 56 Вольт (В) в течение периода, равного 20 секундам, то определяется 100% состояние заряда. Любой другой заряд не рассматривается при увеличении емкости.
В некоторых вариантах осуществления высшую точку отсчета можно определить с помощью величины напряжения, времени и тока. Например, если общее напряжение на шестнадцати (16) последовательно размещенных аккумуляторах, например аккумуляторной системы на основе литий-железо-фосфора, превышает 56 В, и итог заряда составляет менее чем 500 мА в течение периода времени, равного 20 секунд, определяется 100% состояния заряда.
В одном варианте осуществления два условия, соответствующие высшей точке отсчета, проанализированы следующим образом.
Условие 1. Если интегрирование заряда превысило 100% перед тем, как достигнута эта точка отсчета, то отображается только часть (например, 99%) состояния заряда, и интегрирование заряда остается активным. В качестве дополнительного объяснения, подсчет заряда получается из интегрирования заряда, и подсчет заряда может начинаться с любого числа. Как описано выше, процессор 106 может использовать таблицу для установления начальной емкости аккумулятора, которая приведет в результате к установке зависимости между емкостью и подсчетом заряда (например, 100 подсчетов для 1 А час, что может соответствовать, например, 1% емкости). Поскольку интегрирование заряда может вызвать подсчет заряда с любого числа, существует возможность того, что подсчет заряда превышает 100% состояния заряда (например, введенного с помощью ошибок интегрирования, накопленных в течение времени) перед достижением точки отсчета. В этом сценарии максимум 99% отображается тогда, когда интегрирование заряда остается активным. Следует отметить, что отображаемые значения могут включать в себя ток, напряжение и состояние заряда (например, в процентах). Подсчет заряда может использовать контрольную точку, которая при этом не отображается.
Условие 2. Если интегрирование заряда не превысило 100% и достигнута высшая точка отсчета, отображается 100% состояния заряда. При таких условиях определяется новая контрольная точка (число подсчета заряда) для интегрирования заряда и сохраняется на этом числе. Это означает, что специфический подсчет заряда устанавливается в качестве 100% состояния заряда. Интегрирование заряда будет возобновлено только тогда, когда напряжение на аккумуляторе упадет ниже некоторой точки (например, в настоящем примере 55,5 В) аккумуляторной системы, что означает то, что происходит изменение подсчета заряда (например, только) тогда, когда напряжение на аккумуляторной системе падает ниже некоторого определенного напряжения (например, 55,5 В).
Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления высшую точку отсчета можно точно определить с помощью напряжения, времени или напряжения, времени, тока или повторения вышеупомянутых условий в течение точно определенного числа раз (например, если напряжение превышает 56 В, 0 секунд в течение 3 раз). Такие варианты осуществления обращают внимание на возможность заряда аккумулятора путем управления только напряжения в конце заряда, что означает, что зарядное устройство повторяет заряд между, например, 56,5 В и некоторым низким напряжением типа 53 В, и повторение выполняется в течение точно определенных часов или завершается с помощью другого средства, например вручную.
Как упомянуто выше, вышеупомянутые условия включают в себя использование 100% иллюстрированного примера с пониманием того, что ту же самую или подобную методологию, использующую другое значение (например, 90%) в качестве высшей точки отсчета, можно реализовать в некоторых вариантах осуществления. Например, 90% можно использовать в качестве реперной точки характеристики для представления истинной емкости аккумулятора, которую можно определить посредством обнаружения напряжения, тока и длительности времени.
В дополнение к этому, ту же самую или подобную методологию можно применить, используя одну или несколько высших точек отсчета (например, одновременно) для контроля за состоянием заряда.
Описав примерное высокое состояние заряда, внимание теперь будет направлено на способы, связанные с определением условий низкого (например, 0%) состояний заряда, которые соответствуют низкой точке отсчета (например, 0%) для состояний заряда. В одном варианте осуществления напряжение и время используются для определения низкой точки отсчета. Например, если общее напряжение на шестнадцати (16) последовательно соединенных аккумуляторов, например на аккумуляторной системе на основе оксида литий-железо-фосфора, падает ниже 40 В в течение периода времени, равного 20 секунд, определяется 0% состояния заряда.
В некоторых вариантах осуществления низкую точку отсчета можно определить с помощью величины напряжения, времени и тока. Например, если общее напряжение на шестнадцати (16) последовательно соединенных аккумуляторах, например на аккумуляторной системе на основе литий-железо-фосфора, падает ниже 40 В, и ток разряда становится менее чем 500 мА в течение периода времени, равного 20 секунд, определяется 0% состояния заряда. Необходимость точного определения величины необходима, например, для предотвращения ошибочного запуска низкой точки отсчета, когда аккумуляторная система разряжена в условиях высокого тока, что приводит к резкому падению напряжения. Аналогично подходу, описанному выше, два условия, соответствующие нижней точке отсчета, проанализированы следующим образом.
Условие 1. Если интегрирование заряда падает ниже 0% перед достижением нижней точки отсчета, отображается только 0% состояния заряда, и поддерживается активным интегрирование заряда. Например, один примерный сценарий включает в себя ситуацию, где аккумуляторная система является разряженной перед запуском нижней точки отсчета. Обычно интегрирование заряда продолжается, но 0% состояния заряда указывает на то, что представляется (отображается) в качестве минимального состояния заряда.
Условие 2. Если интегрирование заряда не уменьшается ниже 0% и уже достигнута нижняя точка отсчета, то отображается 0% состояния заряда. При таких условиях интегрирование заряда сохраняется активным, и интегрирование заряда и соотношение отображения на основании того факта, что предыдущее состояние заряда было установлено на ноль (0).
Условия, проанализированные выше со ссылкой на нижнюю точку отсчета, используют 0% в качестве иллюстративного примера с пониманием того, что та же самая или аналогичная методология позволяет использовать другое значение (например, 10%) в качестве нижней точки отсчета. Например, 10% используется в качестве реперной точки характеристики для представления истинной емкости аккумулятора, которую можно определить посредством обнаружения напряжения тока и продолжительности.
Кроме того, ту же самую или аналогичную методологию можно применить для одной или множества нижних точек отсчета, представленных одновременно, для контроля за состоянием заряда.
Некоторые варианты осуществления SCD систем можно выполнить с возможностью выполнения оценки и обновлений емкости аккумуляторной системы. Например, такие функциональные возможности можно использовать для обновления емкости аккумуляторной системы, когда емкость уменьшается, так как продолжается подсчет циклов. Обновление емкости можно проводить (например, с помощью процессора 106) путем изменения интегрирования заряда между двумя точками отсчета. Процессор 106 может точно определить (или соблюдать) условия для обновления емкости, как если бы интегрирование заряда между двумя точками отсчета произошло в пределах определенного периода времени (например, для предотвращения обновления емкости с огромной ошибкой интегрирования заряда с течением времени). В некоторых вариантах осуществления условия для обновления заряда могут возникать в случае, если точки отсчета запускаются ниже определенной величины только разряда (например, для предотвращения ошибочного обновления емкости в случае, когда присутствует большой постоянный ток разряда).
Не исчерпывающее краткое изложение типичных примерных условий, которые процессор 106 позволяет установить для запуска обновления емкости, включает в себя следующее: (а) при достижении высшей точки отсчета; (b) при достижении нижней точки отсчета в пределах определенной величины тока; и/или (с) при запуске периода времени между высшей и низшей точками отсчета в пределах некоторого (например, определенного) периода времени. Условия, установленные для обновлений емкости, не ограничиваются примером, раскрытым выше. Например, любые условия, которые можно точно определить с помощью напряжения, времени, продолжительности, величины тока и/или направления протекания тока (условия заряда или разряда), можно использовать для запуска обновлений емкости аккумуляторной системы в зависимости от требований приложения.
Как объяснено выше, некоторые варианты осуществления SCD системы могут включать в себя плату контроля за состоянием заряда, который обнаруживает напряжение аккумуляторной системы и заряд, протекающий через аккумуляторную систему. Выходные сигналы платы могут включать в себя напряжение аккумуляторной системы, величину тока (например, посредством вычисления путем деления заряда на время) и состояние заряда, которое определяется с помощью точек отсчета, точно определенных с помощью напряжения и времени в одном варианте осуществления, или с помощью напряжения, тока и времени в некоторых вариантах осуществления. В некоторых вариантах осуществления, SCD системы содержат вышеупомянутую плату состояния заряда, которая дополнительно содержит функцию обновлений емкости аккумуляторной системы.
Кроме того, некоторые варианты осуществления SCD систем содержат точки отсчета, которые точно определяются с помощью напряжения и времени или в некоторых вариантах осуществления с помощью напряжения, тока и времени и непосредственно назначаются специфическому состоянию заряда. Точки отсчета можно использовать при обновлении емкости аккумуляторной системы путем, например, сравнения подсчета заряда, регистрируемого при обнаружении точек отсчета. Помимо точек отсчета, установленных для специфического состояния заряда, состояние заряда можно определить путем сравнения изменения интегрального заряда с обновленной емкостью (например, самого последнего) аккумуляторной системы. Обновление емкости аккумуляторной системы можно запускать во время процесса заряда или процесса разряда. Кроме того, обновления емкости аккумуляторной системы можно запускать с помощью дополнительных ограничений на продолжительность между моментами времени, когда достигаются точки отсчета. Обновления емкости аккумуляторной системы можно дополнительно ограничить путем точного определения диапазона величин тока при достижении точек отсчета.
Описав некоторые варианты осуществления SCD системы и связанные с ней способы, один вариант осуществления способа (например, который выполняется с помощью процессора 106 или платы 200), показанный на фиг.3, имеющий ссылочную позицию 300, содержит этапы, на которых получают значение напряжения, соответствующее аккумуляторной системе (302); получают значение заряда, соответствующее заряду, протекающему через аккумуляторную систему (304); и определяют состояние заряда на основании специфических точек отсчета интегрирования заряда, причем точки отсчета основаны на полученных напряжении и времени (306).
Другой вариант осуществления способа, имеющий ссылочную позицию 400 (например, который выполняется с помощью процессора 106 и платы 200) и иллюстрированной на фиг.4, содержит этапы, на которых получают значение, соответствующее измеренным значениям напряжения и заряда (402); точно определяют точки отсчета интегрирования заряда, причем точки отсчета основаны на измеренных значениях напряжения, времени и тока (404); и определяют состояние заряда на основании специфических точек отсчета (406).
SCD систему (или поднабор ее компонентов) можно осуществить в виде аппаратных средств, программного обеспечения, программно-аппаратных средств или их комбинации. Когда SCD система реализована в целом или частично в виде программного обеспечения или программно-аппаратных средств, такое программное обеспечение или программно-аппаратное средство хранится в невременной памяти и исполняется с помощью подходящей системы исполнения команд. Когда SCD реализована в целом или частично в виде аппаратных средств, аппаратные средства могут включать в себя любую или комбинацию следующих технологий, которые все хорошо известны в уровне техники; дискретная логическая схема(ы), имеющая логические элементы для выполнения логических функций над информационными сигналами, специализированная интегральная схема (ASIC), имеющая соответствующие комбинационные логические элементы, программируемая вентильная матрица(ы) (PGA), программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) и т.д.
Любые описания процессов или блоки на схемах технологических операций следует рассматривать как представляющие собой модули, сегменты или части кода, которые включают в себя один или более исполняемых инструкций для выполнения специфических логических функций или этапов в процессе, и альтернативные реализации включены в рамки объема раскрытия, в котором функции можно выполнять не в том порядке, который показан или обсужден, включая, по существу, параллельный или обратный порядок в зависимости от включенных функциональных возможностей, как будет понятно специалистам в данной области техники из настоящего раскрытия.
Другие системы, способы, признаки и преимущества настоящего раскрытия будут или станут очевидными специалистами в данной области техники после изучения следующих чертежей и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества будут включены в данное описание, будут находиться в пределах объема настоящего изобретения и будут защищены сопроводительной формулой изобретения.