BR102015031501A2

BR102015031501A2 - sistema, e, método

Info

Publication number: BR102015031501A2
Application number: BR102015031501A
Authority: BR
Inventors: Jimmy M Quiambao; Michael A Carralero
Original assignee: Boeing Co
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-08-23
Also published as: FR3032838B1; JP6732467B2; US10547184B2; FR3081086A1; US20160241058A1; BR102015031501B1; DE102016101789B4; DE102016101789A1; FR3032838A1; JP2016184573A; FR3081086B1

Abstract

sistema, e, método um sistema inclui uma bateria e uma unidade de gerenciamento de energia conectada bateria. a unidade de gerenciamento de energia controla a energia para a bateria. uma unidade de energia de reserva pode se conectar com a unidade de gerenciamento de energia e com a bateria. a unidade de gerenciamento de energia armazena o excesso de carga para a unidade de energia de reserva e para desviar a carga armazenada para a bateria, quando a bateria for menos carregada do que um percentual determinado.

Description

“SISTEMA, E, MÉTODO” CAMPO

[001] Os sistemas e métodos referem-se a gerenciamento da operação de uma batería e/ou células de uma batería, por exemplo, para operar a bateria de íon de lítio dentro de limites seguros.

FUNDAMENTOS

[002] Novas tecnologias de bateria estão começando a avançar em aplicações aeroespaciais e de automóveis. A segurança destas baterias pode ser complexa e suas falhas podem levar a sobreaquecimento. Para abordar estes conceitos de segurança, novos melhoramentos na química de baterias, com materiais de catodo menos reativos, novos solventes de eletrólito termicamente estáveis e materiais de revestimento de separador melhorados podem ser implementados. Soluções adicionais como recintos podem ser implementadas para evitar que avalanche térmica cause fogo em outros sistemas a partir do sobreaquecimento da bateria. Um recinto, entretanto, adiciona peso e não resolve o problema de sobreaquecimento.

SUMÁRIO

[003] De acordo com um aspecto, sistemas e métodos podem controlar a energia para a bateria. Uma unidade de energia de reserva pode ser conectada a uma unidade de gerenciamento de energia e à bateria. A unidade de gerenciamento de energia armazena o excesso de carga para a unidade de energia de reserva e para desviar a carga armazena para a bateria, quando a bateria está menos carregada do que um percentual determinado.

[004] De acordo com um outro aspecto, um sistema e um método monitoram, com um processador, uma tensão, uma corrente e uma temperatura de uma bateria. O estado de saúde da bateria é determinado com base na operação em tempo real da bateria e uma operação virtual da bateria. Um limite operacional da bateria é ajustado com base no estado de saúde da bateria.

[005] Outros sistemas, métodos, recursos e vantagens serão ou se tomarão aparentes pelo exame das seguintes figuras e descrição detalhada. É pretendido que todos estes sistemas, métodos, recursos e vantagens adicionais sejam incluídos dentro desta descrição e sejam protegidos pelas reivindicações que a acompanham.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[006] Em associação com a seguinte descrição detalhada, é feita referência aos desenhos que a acompanham, onde numerais iguais em figuras diferentes podem se referir ao mesmo elemento.

[007] Figura 1 é um diagrama em blocos de um exemplo de sistema para gerenciar adaptavelmente uma batería.

[008] Figura 2 é um diagrama de um exemplo de circuito de um carregador de batería de malhas múltiplas e módulo de potência.

[009] Figura 3 é um diagrama de circuito de um exemplo de unidade de balanceamento de célula.

[0010] Figura 4 é um diagrama em blocos de um exemplo de implementação para a unidade de balanceamento de célula.

[0011] Figura 5 é um diagrama em blocos de um exemplo de projeto de célula de batería que é escalável.

[0012] Figura 6 é um diagrama em blocos de um exemplo de implementação de módulos escaláveis.

[0013] Figura 7 é um fluxograma de um exemplo de algoritmo de balanceamento de célula.

[0014] Figura 8 é um fluxograma de um exemplo de algoritmo adaptável baseado em modelo.

[0015] Figura 9 é um diagrama em blocos de um exemplo de um algoritmo de sistema de gerenciamento de saúde da batería integrado (IBHM).

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0016] Sistemas de baterias existentes não são adaptáveis a parâmetros limite que são constantes e não adaptáveis ao uso e ambiente Λ variável. A medida que a batería envelhece, as células se deterioram, o que pode produzir cargas desiguais, capacidade de armazenagem de energia reduzida e tensões mais baixas. Também, sistemas de baterias existentes não são baseados em modelo. Em um ambiente de operação desgastante, a capacidade preditiva não pode ser verificada. Sistemas existentes usam parâmetros de modelo físico inativo para gerenciar uma vida da batería. Portanto, um estado de saúde da batería não pode ser sincronizado com um modelo virtual.

[0017] Um sistema e método de gerenciamento de batería baseado em modelo adaptável (coletivamente referido como um sistema) monitora o desempenho e saúde da bateria. O sistema pode prover detecção e prevenção de curto-circuito com um controle térmico ativo e sistemas de prevenção de incêndio. O sistema pode prever o verdadeiro estado de saúde da bateria em qualquer tipo de ambiente, incluindo ambientes desgastantes. Um sistema de gerenciamento de bateria adaptável pode incluir um sistema de malha fechada ativo para assegurar que a bateria seja usada dentro de suas especificações de operação segura em qualquer ambiente. O controle adaptável do sistema de gerenciamento de bateria pode ser estabelecido equilibrando toda célula e monitorando cada célula para não exceder o estado de carga ou descarga máximo. No modo de carga, o excesso de carga pode ser armazenado nas células de reserva. No modo de descarga, a carga armazenada nas células de reserva pode ser desviada para células de baterias fracas, por exemplo, células de bateria que são menos carregadas do que uma quantidade determinada, por exemplo, um percentual determinado de uma carga plena. O sistema de gerenciamento de bateria pode ser modular para reforçar a escalabilidade desde aplicações de baixa a alta tensão usando projetos de linha base. A abordagem pode conduzir a confiabilidade aumentada devido a redundâncias múltiplas.

[0018] Algoritmos preditivos, adaptáveis e de controle podem ser utilizados para a operação segura da batería. O sistema pode prover um ambiente de operação segura para baterias, utilizando uma célula virtual baseada em modelo como a guardiã das operações da batería. O sistema pode utilizar dois tipos de operações, real e virtual. As operações em tempo real são as operações da batería em qualquer tipo de condições ambientais. Estas operações consistem no monitoramento em tempo real da temperatura, tensão, corrente, etc. Uma unidade de controle de temperatura estabelece os limites das temperaturas operacionais e controla ativamente as taxas de carga e descarga da batería. As operações virtuais da batería podem ser realizadas em paralelo com as operações em tempo real. As saídas podem ser correlacionadas para analisar seus dados e desvios para prever o estado de saúde da batería. Isto prevê a situação real do estado de saúde da batería. Esta operação virtual da batería é o padrão do estado de saúde baseado em modelo. A saída do modelo virtual com os limites de limiar operacional estabelecidos proveem condições de operação seguras e otimizam o uso da batería.

[0019] Figura 1 é um diagrama em blocos de um exemplo de sistema 100 para gerenciar adaptavelmente uma batería 102, por exemplo, um sistema de gerenciamento de batería (BMS). O sistema 100 pode incluir um ou mais de um carregador e módulo de potência 104, um sistema de gerenciamento de potência (PMU) 106, uma unidade de gerenciamento de temperatura (TMU) 108, uma unidade de gerenciamento de gás (GMU) 110 e/ou uma unidade de balanceamento de célula 112 para controlar e monitorar o desempenho e saúde da batería 102. A unidade de balanceamento de célula 112 pode se conectar com barramento de comunicação serial e de armazenagem de energia regenerativa, conforme descrito em mais detalhe abaixo. Mais ou menos componentes para gerenciar a batería 102 podem ser usadas. Um barramento de potência 114 pode conectar a batería 102 ao carregador e ao módulo de potência 104, e à unidade de balanceamento de célula 112. Um barramento de comunicação 116 pode conectar a batería 102 à PMU 106, TMU 108 e GMU 110.

[0020] A TMU 108 pode incluir uma unidade de controle de temperatura passiva que monitora a temperatura de operação segura da batería. Se a temperatura alcança o limite ajustado para temperatura de operação máxima, a TMU 108, trabalhando em conjunto com a unidade de balanceamento de célula 112, interrompe a carga ou descarga da batería 102. Em conjunto com um algoritmo de controle preditivo, a taxa de carga e descarga pode ser dinamicamente ajustada para impedir que a batería 102 exceda a temperatura máxima. A TMU 108 pode apresentar uma capacidade ativa, dependendo dos conjuntos de exigências. Aquecedores e algum tipo de aquecimento ou resfriamento ativo pode ser implementado. Quando implementadas, estas capacidades são acopladas ao restante do sistema 100 para evitar que a batería 102 exceda a temperatura máxima e mínima da batería, bem como em cada célula da batería 102.

[0021 ] A GMU 110 pode ativar quando outras medidas protetoras dentro da batería 102 são esgotadas, isto é, se é encontrada avalanche térmica, devido a um curto interno que é rápido demais para aquecer a batería.

[0022] Tal reação pode disparar a GMU 110 que é usada para ativar abruptamente os elementos de exaustão da batería 102. A quantidade de oxigênio gerado e crescimento da pressão pode ser monitorada e, quando o limite é alcançado, indicando uma avalanche térmica incontrolável, as válvulas de exaustão são abertas para aliviar a pressão e para desviar o crescimento de gás através de uma abertura conduzindo para fora do veículo. Em alguma situação, um sistema ativo pode ser implementado para inundar o interior da bateria 102 com nitrogênio, extinguindo então as reações de avalanche térmica.

[0023] O carregador e módulo de potência 104 controla a carga da bateria 102. O carregador e módulo de potência 104 pode derivar sua potência de um sistema de fonte de alimentação e fornecer uma corrente de carga estabelecida à batería 102. A PMU 106 pode ser escalável para aplicação de alta potência para aplicação de alta potência. O carregador e módulo de potência 104 e a PMU 106 podem ser reunidos para derivar uma alta corrente de carga. O controle do carregador e módulo de potência 104 pode ser obtido, em conjunto com a PMU 106, utilizando parâmetros de realimentação múltiplos para monitorar e controlar o carregador e o módulo de potência 104 para operar dentro de sua temperatura de operação segura, corrente de consumo e corrente de carga. Em um exemplo, PMUs 106 múltiplas podem ser sincronizadas utilizando um algoritmo que, por exemplo, implementa uma relação do tipo mestre-escravo entre as PMUs 106, para fornecer cada compartilhamento de corrente de carga e para determinar uma quantidade certa de corrente de carga para a batería 102.

[0024] Figura 2 é um diagrama de um exemplo de circuito de um carregador de batería de malhas múltiplas e módulo de potência 104. O carregador e módulo de potência 104 pode ser implementado como um subsistema da PMU 106, para controlar o carregamento da bateria 102, que conecta as cargas LD1 a LDn, que podem ser todas conectadas ou priorizadas utilizando comutadores 322 e 324. O carregador e módulo de potência 104 pode incluir um conversor CC para CC 200, um sensor de temperatura 202 e um módulo de malha de controle 204, conectado com vários transistores, comutadores, capacitores e resistores, conforme ilustrado. A corrente de alimentação 206 e a tensão de alimentação 208 podem ser determinadas usando RIsense, l_sense(+), I_sense(-) e V_supply_sense, respectivamente.

[0025] O carregador e módulo de potência 104 pode prover uma característica de carga de corrente constante/tensão constante à bateria 102 e empregar uma referência de realimentação de tensão de flutuação, e assim qualquer tensão de flutuação de bateria desejada pode ser programada. O módulo de malha de controle 204 pode incluir uma ou mais dentre uma malha de regulação de tensão de consumidor (LD), uma malha de regulação de corrente de carga 212, uma malha de regulação de pilha de bateria 214 e uma malha de regulação de temperatura 216 conforme descrito adicionalmente abaixo. Por exemplo, a malha de regulação de corrente de carga 212 pode regular a tensão de entrada (VIN) reduzindo a corrente de carga, se a tensão de entrada (VIN) cair abaixo de um nível limite programado. Outros recursos podem incluir aumento de tensão de flutuação programável por resistor, uma faixa de tensão de entrada ampla, módulos escaláveis e corrente de carga escalável, proteção de tensão reversa de entrada integrada, terminação selecionável e precisão de referência de tensão de flutuação.

[0026] Para geração de energia de controle multitrajeto, o carregador e módulo de potência 104 pode ser implementado como um controlador de tensão alta, alto desempenho, que converte muitas unidades de potência compensadas extemamente em carregadores de bateria de recursos plenos. O carregador e módulo de potência 104 reúne parâmetros de multicontrole: tais como tensão de carga, corrente de carga, monitor de equalização de pilha, temperatura e corrente de fornecimento para ajustar a carga apropriada e segura para a bateria 102. Os recursos podem incluir: terminação de corrente precisa, carregamento qualificado por temperatura usando o sensor de temperatura 202, recarga automática, e carga rápida C/10 para células profundamente descarregadas, saídas de detecção de bateria ruim e indicador de estado. O carregador e módulo de potência 104 também inclui sensor de corrente de precisão que permite tensões de sensor mais baixas para aplicações de alta corrente e provê proteção de corrente reversa de baixa perda, proteção de sobrecorrente e sobretensão. O carregador e módulo de potência 104 pode facilitar um recurso instantâneo que provê potência de sistema a jusante imediata, mesmo quando conectado a uma bateria profundamente descarregada ou com falha por curto. O carregador e módulo de potência 104 pode também pré-condicionar a carga rápida, detectar uma bateria ruim, prover uma escolha de esquemas de terminação e prover reinicio automático.

[0027] Figura 3 é um diagrama de circuito de um exemplo de unidade de balanceamento de célula 112. A unidade de balanceamento de célula 112 pode ser parte da bateria 102 que equilibra a carga de células individuais, por exemplo, célula 1 (300) a célula 8 (307). Outros números de células podem ser usados. As células 300-307 podem incluir vários resistores, capacitores, comutadores, diodos e transformadores, etc., conforme ilustrado. O equilíbrio ativo permite a recuperação da capacidade em pilhas de baterias não casadas. A carga a partir de qualquer célula selecionada 301-307 pode ser transferida em alta frequência, para ou a partir de células adjacentes ou para uma célula de reserva ou unidade de potência 310. A alta eficiência de um regulador de comutação pode aumentar o equilíbrio de corrente obtenível, enquanto reduz a geração de calor. No modo de carga, a carga em excesso pode ser armazenada na célula de reserva ou unidade de potência 310. No modo de descarga, a carga armazenada da célula de reserva ou unidade de potência 310 pode ser desviada para células de baterias fracas.

[0028] A célula de reserva ou unidade de potência 310 pode operar uma fonte de energia regenerativa externa para células fracas, para aumentar a confiabilidade. A unidade de balanceamento de célula 112 pode também incluir um comutador 320 para conectar/desconectar a célula de reserva ou unidade de potência 310 com as cargas LD1 a LDn. Os comutadores 322, 324 podem conectar/desconectar as células 300-307 às cargas LD1 a LDn, respectivamente. Um comutador 326 pode conectar/desconectar o carregador e módulo de potência 104 às células 300-307. Circuitos de proteção a diodo Zener-resistivo 330-337 podem ser usados para desviar as células 300-307, respectivamente durante curtos externos ou contornar células mortas, por exemplo, circuitos abertos. O diodo Zener de desvio pode prover carga/descarga contínua da bateria 102 usando os diodos Zener para contornar células ruins 300-307. Transformadores de isolamento 340-347 podem prover isolamento entre as células 300-307 e a unidade de balanceamento de célula 112.

[0029] Figura 4 é um diagrama em blocos de um exemplo de implementação para a unidade de balanceamento de célula 112. A batería 102 pode incluir múltiplas células 300-307 conectadas em série. Como resultado, a corrente de carga é a mesma para todas as células 300-307. Se em uma ou mais das células a capacidade de carga é degradada, as células 300-307 podem ser sobrecarregadas, sobreaquecidas ou podem conduzir a avalanche térmica que pode fazer com que a batería 102 exploda e pegue fogo. Durante a descarga, se as células 300-307 estão desequilibradas, as células fracas atingem o limite de descarga antes do ciclo de descarga terminar. Como um resultado, o potencial de anodo é invertido, conduzindo a galvanização do lítio. Ao longo do tempo, o material das placas pode perfurar o separador, criando então um curto.

[0030] Com a unidade de balanceamento de célula 112, um controlador protegido contra falhas pode ser obtido para balanceamento ativo de pilhas de batería multicélulas bidirecionais com base em transformador 312. Circuitos de acionamento de porta associados, sensores de corrente de precisão, circuitos de detecção de falha e uma interface serial robusta com temporizador de vigilância incorporado pode ser integrada, conforme descrito na Figura 3. Uma interface serial compatível de deslocamento de nível habilita controladores múltiplos a serem conectados em série, sem acopladores ópticos ou isoladores, permitindo balancear toda célula 300-307 em uma longa cadeia de baterias 102 conectadas em série.

[0031] A unidade de balanceamento de célula 112 ajuda a assegura que cada célula 300-307 opera na quantidade de carga certa durante a carga e descarga da batería 102. Se uma célula fraca, por exemplo, uma ou mais das células 300-307 se carrega mais rapidamente que as outras células, a corrente de sobrecarga para a célula fraca é desviada para um elemento passivo, para outras baterias e/ou para a célula de reserva ou unidade de potência 310. Se, por outro lado, uma célula fraca se descarrega mais rápida do que o resto das células, então a corrente de descarga pode ser derivada de outras baterias e/ou da célula de reserva ou unidade de potência 310. Este balanceamento continua até que todas as células 300-307 alcancem um determinado limite para níveis de carga e descarga máximas. Deste modo, as baterias 102 em um pacote de baterias podem alcançar cerca de 99,5% de confiabilidade, em um exemplo. Os percentuais ilustrados são para fins de explicação somente.

[0032] Figura 5 é um diagrama em blocos de um exemplo de projeto de célula de bateria que é escalável. As células 300, 301, 300(n), 300(n-l), etc. são escaláveis conforme mostrado na Figura 5 em uma variedade de formações de célula, por exemplo, conexões série, paralelo, série-paralelo para formar um módulo ou uma bateria 102. A formação das células 300, 301, 300(n), 300(n-l) pode usar elementos em série escaláveis incluindo unidades de balanceamento de célula 112(1), 112(2), 112(n-l), 112(n), carregador de bateria e módulo de potência 104(1) a 104(n) e um processador local 500. Entradas para o processador 500 incluem requisições de carga, marcações de prioridade e uma linha de tempo de carga/descarga, conforme descrito em mais detalhe abaixo. Saídas do processador 500 incluem uma condição operacional padrão (SOC), um estado de saúde (SOEI), energia remanescente e capacidade remanescente, conforme descrito em mais detalhe abaixo.

[0033] O circuito de balanceamento de célula comum habilita um número N de células a serem colocadas em série, por exemplo, somente limitado pela capacidade do carregador de bateria e módulo de potência 104(1) a 104(n). Circuitos de carregador de bateria comuns habilitam níveis de tensão e corrente escaláveis. Interfaces periféricas seriais (SPI) proveem interface serial física bem como enlaces de dados seriais 502 entre unidades de interface de série escaláveis inteligentes, por exemplo, para RS 232 ou outras comunicações. Um barramento SPI pode operar com o processador local 500 servindo como o carregador de batería e módulo de potência 104(n) mestre e com um ou mais carregadores de batería e módulos de potência 104(1) escravos.

[0034] Com dispositivos escravos múltiplos, um sinal SS independente pode ser usado a partir do carregador de batería e módulo de potência 104(n) mestre para cada carregador de bateria e módulo de potência 104(1) escravo. Dispositivos escravos podem ter saídas de três estados e assim seu sinal MISO se toma de alta impedância (logicamente desconectado) quando o dispositivo não é selecionado. Dispositivos sem saídas de três estados não podem compartilhar segmentos de barramento SPI com outros dispositivos, por exemplo, somente um escravo pode falar com o mestre, e somente seu chip selecionado podería ser ativado. Para começar uma comunicação, o barramento mestre primeiramente configura o relógio, usando uma frequência menor ou igual à frequência máxima que o dispositivo escravo suporta. Tais frequências são tipicamente até uns poucos MHz. O mestre então transmite a lógica 0 para o chip desejado através da linha de seleção de chip. Um 0 lógico é transmitido porque a linha de seleção de chip está ativa baixa, significando que seu estado desligado é um 1 lógico; ligado é declarado com um 0 lógico. Se um período de espera é usado, por exemplo, para conversão analógica para digital, então o mestre aguarda por pelo menos aquele período de tempo antes de começar a emitir ciclos de relógio.

[0035] Durante cada ciclo de relógio SPI, ocorre transmissão de dados duplex pleno. O mestre envia um bit na linha MOSI; o escravo o lê a partir da mesma linha. O escravo envia um bit na linha MOSI; o mestre o lê a partir da mesma linha. Nem todas as transmissões requerem que todas quatro destas operações sejam significativas. Transmissões normalmente envolvem dois registros de deslocamento de algum tamanho de palavra dado, tal como oito bits, um no mestre e um no escravo; estes são conectados em anel. Os dados são geralmente deslocados com o bit mais significativo primeiramente, enquanto é deslocado um novo bit menos significativo no mesmo registro. Após aquele registro ter sido deslocado, o mestre e o escravo trocaram valores de registro. Então, cada dispositivo obtém aquele valor e executa uma ação, por exemplo, escrevendo-o na memória. Se há mais dados para trocar, os registros de deslocamento são carregados com novos dados e o processo se repete.

[0036] Transmissões podem envolver um número de ciclos de relógio. Quando não há mais dados para serem transmitidos, o mestre pode parar de comutar seu relógio e então desseleciona o escravo. Transmissões podem incluir palavras de 8 bits e o mestre pode iniciar tais transmissões múltiplas conforme necessário. Entretanto, outros tamanhos de palavras podem também ser usados, tais como palavras de 16 bits para controladores de tela de toque ou codec de áudio, como o TSC2101 da Texas Instruments; ou palavras de 12 bits para muitos conversores digital para analógico ou analógico para digital.

[0037] Figura 6 é um diagrama em blocos de um exemplo de implementação de módulos escaláveis 600(1) a 600(n). Módulos 600(1) a 600(n) são escaláveis em uma variedade de formações de módulo, por exemplo, conexões série, paralelo, série-paralelo, para formar baterias de tensão alta 102. Cada módulo pode apresentar interfaces SPI. Ambas interconexões físicas e comunicações de enlace de dados serial 602, por exemplo, cada módulo pode ser conectado para compartilhar um enlace de dados 602 comum, por exemplo, para comunicações de RS-232. A interface comum habilita o número N de módulos de batería 600(1) a 600(n) a ser colocado em série e/ou paralelo. A sincronização do carregador de bateria e módulos de potência 104(1) a 104(n) habilita um número n de módulos de bateria 600(1) a 600(n).

[0038] Figura 7 é um fluxograma de um exemplo de algoritmo de balanceamento de célula. O algoritmo de balanceamento de célula pode ser um de diversos algoritmos do sistema 100 para correlacionar dados de simulação com dados em tempo real para a batería 102. Enquanto o sistema 100 está controlando e monitorando o estado da batería 102, a informação em tempo real da batería 102 pode ser independentemente monitorada incluindo vários parâmetros da batería 102, por exemplo, temperatura, pressão, tensões e corrente. A partir dos parâmetros, a parte em tempo real do sistema pode determinar independentemente a condição operacional padrão, estado de saúde, parâmetros de limiar de segurança e também carga/descarga da batería 102.

[0039] O algoritmo de balanceamento de célula estabelece controle de carga e descarga de cada célula 300-307, etc. Em conjunto com o restante dos subsistemas, as células 300-307 são carregadas nos limites de taxa e condição operacional padrão máxima (SOC) ajustados pelo subsistema de algoritmo adaptável. O algoritmo de balanceamento de célula pode verificar a regulação da batería para determinar se as células 300-307 estão operando normalmente ou fora de faixa (700). Se as células 300-307 estão fora de faixa, o algoritmo de balanceamento de célula determina se esta é uma condição operacional padrão (SOC) (720). Caso negativo, a energia para as células 300-307 é interrompida (704). Se as células 300-307 estão operando normalmente, o algoritmo de balanceamento de célula determina se as células estão se carregando ou descarregando (706).

[0040] Durante a carga das células 300-307, o algoritmo de balanceamento de célula determina o estado de carga (SoC) (708). Se o estado de carga (SoC) está na faixa, a tensão das células 300-307 é verificada (710). Se a tensão das células 300-307 está na faixa, o algoritmo de balanceamento de célula continua a carregar as células 300-307 (712). Se a tensão de uma ou mais das células 300-307 é maximizada ou o estado de carga (SoC) é maximizado, o algoritmo de balanceamento de célula completa a carga (716) ou verifica o equilíbrio de célula (718), dependendo de uma confirmação das células, por exemplo, seja uma única célula/células paralelas ou células que são conectadas em série (714). Se as células 300-307 configuradas em série são balanceadas (718), o algoritmo de balanceamento de célula completa a carga (716).

[0041] Se células 300-307 configuradas em série não são balanceadas (718), então o algoritmo de balanceamento de célula pode limitar a tensão (Vout) e enviar a carga em excesso para a pilha de células 300-307 e/ou canais individuais (720). Isto pode ser repetido para todas as células em série, até que as células estejam balanceadas, por exemplo, de acordo com condição operacional padrão (SOC). Quando os limites da condição operacional padrão (SOC) são alcançados, as células 300-307 pode interromper a corrente de carga para a célula que é desviada para o pacote de células ou um resistor externo, ou uma célula de reserva externa, ou qualquer tipo de elemento de armazenagem de energia, por exemplo, célula de reserva ou unidade de potência 310. Este processo pode também ser realizado ao descarregar, exceto que o elemento externo ou fonte de reserva descarregue a corrente.

[0042] No modo de descarga, a descarga das células 300-307 é verificada na faixa ou no nível máximo, por exemplo, de acordo com a condição operacional padrão (SOC) (730). Se na faixa, o algoritmo de balanceamento de célula pode verificar a tensão das células 300-307 para estarem na faixa ou em um mínimo (732). Se na faixa, o algoritmo de balanceamento de célula pode permitir que as células 300-307 continuem a descarga. Se a tensão de uma ou mais das células 300-307 é minimizada ou a profundidade da descarga (DOD) é maximizada, o algoritmo de balanceamento de célula completa a descarga (738) ou verifica equilíbrio de célula (740) dependendo da configuração das células, por exemplo, uma única célula/células paralelas ou células que são conectadas em série (736). Se as células 300-307 configuradas em série estão balanceadas (740), o algoritmo de balanceamento de célula pode limitar a tensão (Vout) e carga a partir da pilha de células e/ou a partir de células individuais. Isto pode ser repetido para todas as células em série, até que a condição operacional padrão (SOC) esteja balanceada.

[0043] Simultaneamente com p monitoramento em tempo real da tensão, corrente e temperatura (744), um processamento off-line dos modelos multifísicos derivados pode ser operado (746). Estes modelos se adaptam aos ambientes operacionais existentes do processamento em tempo real e armazenam os parâmetros de controle e operação. As tensões, corrente, temperaturas e pressões podem ser armazenadas em uma memória virtual dinâmica, enquanto na determinação da condição operacional padrão (SOC) e outro parâmetros de estado de saúde e limites. O processador local 500, por exemplo, das Figuras 5 e 6, pode controlar o processamento dos dados. Os dados em tempo real e os dados simulados são correlacionados para estabelecer previsões estatisticamente precisas e tendências de dados futuros, por exemplo, capacidade de manter carga, um tempo de falha determinado, prever falhas súbitas da batería, atualizar parâmetros, incluindo capacidade, envelhecimento, condição operacional padrão (SOC), estado de saúde (SOH), estado de vida (SOL), energia remanescente e capacidade remanescente. Os parâmetros de controle resultantes podem ser usados para atualizar os parâmetros de controle e limite do sistema em tempo real, para assegurar operações da batería seguras e confiáveis.

[0044] Figura 8 é um fluxograma de um exemplo de algoritmo adaptável baseado em modelo. O gerenciamento de potência de controle adaptável pode incluir algoritmos prospectivos para falhas de batería iminentes, e contramedidas para impedir e evitar falhas catastróficas. O algoritmo baseado em modelo pode trabalhar em conjunto com outros subsistemas, para estabelecer o processamento de dados de ambos dados em tempo real e simulados. O processo pode atualizar os parâmetros de operação e limites do sistema em tempo real 100 e também caracterizar o estado de saúde (células mortas, células fracas, etc.), condição operacional padrão (SOC), geração de calor, variação de temperatura, taxa máxima de carga/descarga. O algoritmo adaptável pode também prever o estado de vida remanescente (SOL) da batería.

[0045] O algoritmo adaptável pode utilizar dados monitorados, por exemplo, tensão, corrente, taxa e temperatura (800). Os dados podem ser inseridos em um algoritmo de derivação/estimativa SOC, SOH e SOL, juntamente com a partir de (A) descrito abaixo (802). O algoritmo de derivação/estimativa emite dados atuais e os dados atuais (804) podem incluir comportamento caracterizado, por exemplo, SOH (informação sobre células mortas, células fracas, corrente de carga), capacidade, descarga máxima, taxa máxima de carga, geração de calor, variação de temperatura, etc. (806). O algoritmo adaptável pode comparar (808) dados atuais (804), incluindo o comportamento caracterizado, com os dados prévios (810). Se não há mudança, o algoritmo adaptável continua sem necessitar correlacionar dados, etc. Se há uma alteração entre os dados atuais (804) e os dados anteriores (810), o algoritmo adaptável pode correlacionar os dados, por exemplo, para determinar variâncias entre dados atuais e dados prévios e dados previstos e parâmetros (814). Deste modo o algoritmo adaptável pode ser implementado como um modelo empírico, por exemplo, baseado, relacionado com ou verificável por observação ou experiência, ao invés de teoria ou pura lógica.

[0046] O algoritmo adaptável pode também executar uma otimização para processar reajuste de tensão, temperatura e modificar limites atuais, e reajustar variáveis de filtro Kalman (por exemplo, tensão, corrente e temperatura) (816). O algoritmo adaptável atualiza os dados prévios para futura referência (818). O algoritmo adaptável atualiza os parâmetros de saída (820) e atualiza a linha de tempo (822), por exemplo, vida prevista da batería 102, para inserir no algoritmo de derivação/estimativa (802), por exemplo, para determinar os dados atuais (804).

[0047] Figura 9 é um diagrama em blocos de um exemplo de um algoritmo de sistema de gerenciamento de saúde da batería integrado (IBHM). O IBHM pode ser integrado à PMU 106 da Figura 1, ou ser implementado como uma unidade separada. O algoritmo IBHM, em conjunto com o algoritmo baseado em modelo e sistemas descritos acima, pode estabelecer o comportamento presente e prever o comportamento da batería 102. O IBHM pode armazenar o estado de saúde atualizado da batería 102, prever a vida remanescente e atualiza os parâmetros operacionais/de controle da batería 102. O estado de saúde pode incluir uma aptidão da bateria 102, por exemplo, se a bateria 102 é nova, possui metade da vida ou está no fim da vida, etc. Em um exemplo, a PMU 106 pode operar a bateria 102 com base no estado de saúde da bateria 102. Por exemplo, os limites operacionais da bateria podem ser ajustados com base no estado de saúde. O IBHM pode também armazenar/recomendar uma manutenção adequada ou substituição da bateria 102.

[0048] O algoritmo IBHM pode receber sinal de entrada, por exemplo, tensão, corrente, taxa e temperatura (900). O IBHM pode condicionar os sinais de entrada, por exemplo, com filtragem analógica e/ou conversão analógica para digital (A/D) (902). O IBHM pode processar os sinais, por exemplo, através de filtragem digital, transformações de dados, limiarização, taxa (variação na tensão sobre variação na temperatura e/ou variação na tensão sobre variação na corrente) e/ou determinar o estado de carga (SoC), por exemplo, como uma função da tensão, corrente, taxa e temperatura (904). As entradas condicionadas e processadas podem ser alimentadas a um modelo de fusão de dados, por exemplo, abordagem estatística multivariada, um filtro de Kalman estendido, e/ou uma inferência Bayesiana (906). Como parte do modelo de fusão de dados, informação de processo off-line pode ser inserida, incluindo um modelo matemático BDS, tabelas de padrão de condição BDS (SOC), e SoC como uma função da tensão, corrente, temperatura taxas e envelhecimento (908). O SoC derivado pode ser determinado a partir das medições de tensão, corrente e temperatura filtradas. O filtro de Kalman estendido pode prover uma boa estimativa das medições reais e responder por dados incompletos e ruidosos. A inferência Bayesiana pode fundir conhecimento anterior de SoC, corrente, tensão (Voe), taxa e temperatura para obter uma melhor estimativa de limites SOC, limites, limiares de instante mais um (t+1), (t+2),...(t+n) e temperatura.

[0049] O processamento pré-saída pode incluir limiarização e análise de função fora de limites (910). O IBHM pode então determinar variáveis de saída Voe, SoC, SOC, SOH e SOL (912). O IBHM pode incluir também um módulo de diagnóstico para determinar limites de fim de vida a partir dos sinais (914). Os limites de fim de vida podem fazer parte das variáveis de saída [0050] Vantagens do sistema 100 podem incluir segurança e confiabilidade mais alta, um sistema que provê confiabilidade mais alta e operações seguras dentro das especificações do fabricante, monitoração de saúde e capacidades de prognóstico, inclusão de vários mecanismos de segurança e contramedidas dentro da célula/módulo, e/ou maior utilização da batería. O sistema 100 pode operar a batería 102 em uma faixa mais ampla de estado de carga (SoC), por exemplo, que é específica para suas propriedades químicas e exigências do usuário.

[0051] Os sistemas e métodos descritos acima podem ser implementados de muitos modos diferentes em muitas combinações diferentes de hardware, software, firmware ou qualquer combinação destes. Em um exemplo, os sistemas de métodos podem ser implementados com um processador e uma memória, onde a memória armazena instruções que, quando executadas pelo processador, fazem com que o processador execute os sistemas e métodos. O processador pode significar qualquer tipo de circuito, tal como, porém, não limitado a um microprocessador, micro controlador, um processador gráfico, um processador de sinal digital ou outro processador. O processador pode também ser implementado com lógica discreta ou componentes, ou uma combinação de outros tipos de circuitos analógicos ou digitais, combinados em um único circuito integrado ou distribuídos entre circuitos integrados múltiplos. Toda ou parte da lógica descrita acima pode ser implementada como instruções para execução pelo processador, controlador ou outro dispositivo de processamento e pode ser armazenada em um meio legível por computador não transitório ou meio legível por computador tal como uma memória flash, memória de acesso randômico (RAM) ou memória de somente leitura (ROM), memória de somente leitura programável apagável (EPROM) ou outro meio legível por computador tal como uma memória de somente leitura de disco compacto portátil (CD-ROM), ou disco magnético ou óptico. Um produto, tal como um produto de programa de computador, pode incluir um meio de armazenagem e instruções legíveis por computador armazenadas no meio, que, quando executadas em um ponto de extremidade, sistema de computador ou outro dispositivo fazem com que o dispositivo execute operações de acordo com qualquer da descrição acima. A memória pode ser implementada com um ou mais discos rígidos e/ou um ou mais controladores que processam mídia removível, tais como disquetes, discos compactos (CDs), discos de vídeo digitais (DVDs), códigos de memória flash e outras mídias removíveis.

[0052] A capacidade de processamento do sistema pode ser distribuída entre componentes de sistema múltiplos, tais como entre processadores e memória múltiplos, incluindo opcionalmente sistemas de processamento distribuídos múltiplos. Parâmetros, bases de dados e outras estruturas de dados podem ser armazenados separadamente e gerenciados. Podem ser incorporados em uma única memória ou base de dados podem ser organizados logicamente e fisicamente de muitos modos diferentes e podem ser implementados de muitos modos, incluindo estruturas de dados tais como listas conectadas, tabelas de fracionamento ou mecanismos de armazenagem implícitos. Programas podem ser partes (por exemplo, sub-rotinas) de um único programa, programas separados, distribuídos através de várias memórias e processadores, ou implementados de muitos modos diferentes, tal como em uma biblioteca, tal como uma biblioteca compartilhada (por exemplo, uma biblioteca de enlace dinâmico (DLL)). A DLL, por exemplo, pode armazenar código que executa qualquer processamento de sistema descrito acima.

[0053] Adicionalmente, a descrição compreende modalidades de acordo com as seguintes cláusulas: Cláusula 1. Um sistema compreendendo: uma batería; uma unidade de gerenciamento de energia conectada a uma batería, a unidade de gerenciamento de energia controla a energia para a batería; e uma unidade de energia de reserva conectada à unidade de gerenciamento de energia e à batería, a unidade de gerenciamento de energia armazena o excesso de carga para a unidade de energia de reserva para desviar a carga armazenada para a batería, quando a batería é menos carregada do que um percentual determinado.

Cláusula 2. O sistema da cláusula 1, onde a unidade de gerenciamento de energia opera a batería dentro de limites de limiar detenninados.

Cláusula 3. O sistema da cláusula 2, onde os limites de limiar compreendem pelo menos uma dentre potência e corrente para uma carga determinada.

Cláusula 4. O sistema da cláusula 1, onde a unidade de gerenciamento de energia determina a saúde da batería.

Cláusula 5. O sistema da cláusula 4, onde a saúde da batería compreende uma bateria nova, uma bateria de meia vida e uma batería no fim da vida.

Cláusula 6. O sistema da cláusula 4, onde a unidade de gerenciamento de energia ajusta limites de limiares com base na saúde da bateria.

Cláusula 7. O sistema da cláusula 1, onde a unidade de gerenciamento de energia prevê um estado da bateria comparando dados em tempo real com dados simulados.

Cláusula 8. O sistema da cláusula 1, compreendendo adicionalmente um transformador de isolamento conectado entre a bateria e a unidade de energia de reserva.

Cláusula 9. O sistema da cláusula 1, compreendendo adicionalmente um diodo zener conectado a uma célula da bateria, o diodo zener contorna uma célula ruim.

Cláusula 10. O sistema da cláusula 9, onde a célula ruim compreende um circuito aberto para a bateria durante a carga ou descarga.

Cláusula 11. O sistema da cláusula 1, onde a unidade de gerenciamento de energia prevê uma vida da bateria.

Cláusula 12. O sistema da cláusula 1, onde a unidade de gerenciamento de energia recomenda uma manutenção para a bateria.

Cláusula 13. O sistema da cláusula 1, compreendendo adicionalmente uma unidade de gerenciamento de temperatura, conectada à unidade de gerenciamento de energia, a unidade de gerenciamento de temperatura monitora uma temperatura da bateria e interrompe a carga ou descarga da bateria quando a bateria estiver operando fora de um limite predeterminado.

Cláusula 14. O sistema da cláusula 1, compreendendo adicionalmente uma unidade de gerenciamento de gás conectada à unidade de gerenciamento de energia, a unidade de gerenciamento de gás monitora uma pressão de gás em tomo da batería e abre uma válvula para aliviar a pressão e desviar o gás, quando o gás ou pressão estão fora de um limite predetermin ado.

Cláusula 15. O sistema da cláusula 1, compreendendo adicionalmente uma unidade de balanceamento de célula conectada com a batería e a unidade de energia reserva, a unidade de balanceamento de célula equilibra uma carga das células da batería.

Cláusula 16. Um método compreendendo: monitorar com um processador uma tensão, uma corrente e uma temperatura de uma batería; determinar um estado de saúde da batería, com base na operação em tempo real da batería e em uma operação virtual da batería; e ajustar um limite operacional da batería com base no estado de saúde da batería.

Cláusula 17. O método da cláusula 16, compreendendo adicionalmente enviar o excesso de carga a uma unidade de energia de reserva e desviar a carga armazenada da unidade de energia de reserva para a batería que tiver menos carregada do que um percentual determinado.

Cláusula 18. O método da cláusula 16, compreendendo adicionalmente prever uma vida da batería.

Cláusula 19. O método da cláusula 16, compreendendo adicionalmente recomendar uma manutenção da batería.

Cláusula 20. O método da cláusula 16, compreendendo adicionalmente balancear uma carga de células da batería.

[0054] Muitas modificações e outras modalidades aqui estabelecidas virão à mente de um versado na técnica tendo o benefício dos ensinamentos apresentados nas descrições precedentes e desenhos associados. Embora termos específicos sejam empregados aqui, estes são usados em um sentido genérico e descritivo somente e não para fms de limitação.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Sistema, caracterizado pelo fato de compreender: uma bateria (102); uma unidade de gerenciamento de energia (106) conectada a uma bateria (102), a unidade de gerenciamento de energia (106) controla a energia para a bateria (102); e uma unidade de energia de reserva (310) conectada à unidade de gerenciamento de energia (106) e à bateria (102), a unidade de gerenciamento de energia (106) armazena o excesso de carga para a unidade de energia de reserva (310) para desviar a carga armazenada para a bateria (102), quando a bateria (102) é menos carregada do que um percentual determinado.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de energia (106) opera a bateria dentro de limites de limiar determinados.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os limites de limiar compreendem pelo menos uma dentre potência e corrente para uma carga determinada.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de energia (106) determina a saúde da bateria (102).

5. Sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a saúde da bateria (102) compreende uma bateria nova, uma bateria de meia vida e uma bateria no fim da vida.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de energia (106) ajusta limites de limiares com base na saúde da bateria (102).

7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de energia prevê um estado da bateria (102) comparando dados em tempo real com dados simulados.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um transformador de isolamento (340-347) conectado entre a bateria (102) e a unidade de energia de reserva (310).

9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um diodo zener (330-337) conectado a uma célula da bateria (102), o diodo zener contorna uma célula ruim.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a célula ruim compreende um circuito aberto para a bateria durante a carga ou descarga.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de energia (106) prevê uma vida da bateria (102).

12. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de gerenciamento de energia (106) recomenda uma manutenção para a bateria (102).

13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma unidade de gerenciamento de temperatura (108), conectada à unidade de gerenciamento de energia (106), a unidade de gerenciamento de temperatura (108) monitora uma temperatura da bateria (102) e interrompe a carga ou descarga da bateria (102) quando a bateria (102) estiver operando fora de um limite predeterminado.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma unidade de gerenciamento de gás (110) conectada à unidade de gerenciamento de energia (106), a unidade de gerenciamento de gás (110) monitora uma pressão de gás em tomo da bateria (102) e abre uma válvula para aliviar a pressão e desviar o gás, quando o gás ou pressão estão fora de um limite predeterminado.

15. Método, caracterizado pelo fato de compreender: monitorar com um processador (744) uma tensão, uma corrente e uma temperatura de uma bateria (102); determinar um estado de saúde (746) da bateria (102), com base na operação em tempo real da bateria e em uma operação virtual da bateria; e ajustar um limite operacional (720, 742) da bateria (102) com base no estado de saúde (746) da bateria (102).