Способ расчета допустимой мощности батарей с использованием усовершенствованных методик предсказания на основе модели элемента

Изобретение относится к способу и устройству для оценки разрядной и зарядной мощности батарейных устройств, включая батареи, используемые в гибридных электрических транспортных средствах (HEV) и электрических транспортных средствах (EV). Один из методов оценки зарядной/разрядной мощности включает проектные ограничения по напряжению, уровню заряда (SOC), мощности и току и работает на определяемом пользователем интервале времени Δt. По меньшей мере, две модели элемента используются при расчете максимально допустимой зарядной/разрядной мощности на основе ограничений по напряжению. Первая - простая модель элемента, которая использует разложение в ряд Тейлора для линеаризации сложного уравнения. Вторая более сложная и более точная модель элемента, которая моделирует динамику элемента в форме пространства состояний с дискретным временем. Модель элемента может включать множество входных параметров, таких как температура, сопротивление, емкость и т.д. Одно из преимуществ использования модельного подхода то, что одна и та же модель может использоваться как при фильтрации Кальмана для получения SOC, так и в оценке максимально допустимого зарядного/разрядного тока на основе ограничений по напряжению. 4 н. и 70 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к реализации способа и устройства для оценки зарядной и разрядной мощности батареи.

Уровень техники

Ряд высокоэффективных батарейных приложений требуют точной оценки в реальном времени располагаемой мощности батареи. Например, в гибридных электрических транспортных средствах (HEV) и аккумуляторных электрических транспортных средствах (BEV) контроллеру транспортного средства постоянно необходима актуальная информация от системы управления батареями (BMS) относительно мощности, которая может быть выдана электродвигателю батареей, и мощности, которая может быть подана на батарею от системы рекуперативного торможения или при заряде батареи от двигателя. Один из распространенных в технике методов, называемый HPPC (гибридный метод характеристики импульсной мощности), выполняет задачу такой оценки, используя ограничения по напряжению для расчета максимальных ограничений при заряде и разряде. Как описано в PNGV (Partnership for New Generation Vehicles) Battery Test Manual, Revision 3, February 2001, опубликованном Idaho National Engineering and Environment Laboratory of the U.S. Department of Energy, метод HPPC оценивает максимально допустимую мощность элемента, принимая во внимание только проектные рабочие ограничения по напряжению. Он не принимает во внимание проектные ограничения по току, мощности или уровню заряда (SOC) батареи. Также метод дает грубую оценку по интервалу времени Δt. Каждый элемент батареи моделируется приближенным соотношением:

v_k(t) = OCV(z_k(t)) - R × i_k(t), (1)

где OCV(z_k(t)) - напряжение разомкнутой цепи элемента k при его текущем уровне заряда (z_k(t)), а R - константа, представляющая собой внутреннее сопротивление элемента. Для зарядных и разрядных токов, если требуется, могут использоваться разные значения R, обозначаемые R^chq и R^dis соответственно.

Поскольку должны выдерживаться проектные ограничения v_min ≤ v_k(t) ≤ v_max, максимально допустимый разрядный ток может быть вычислен, как зависящий от напряжения, как показано ниже:

.

(2)

Максимально допустимая амплитуда зарядного тока аналогично может быть вычислена по напряжению. Заметим, между прочим, что в данном изобретении зарядный ток полагается отрицательного знака (хотя в дополнительных модификациях способа может использоваться противоположная договоренность), и, таким образом, ток максимальной амплитуды является минимальным при учете знака. Имеем:

.

(3)

Мощность батареи тогда вычисляется как:

.

Известный способ расчета уровня заряда имеет некоторые ограничения. Во-первых, как отмечалось выше, в этом способе при расчетах не используются проектные ограничения по SOC, максимально допустимому току или максимально допустимой мощности. Что еще более важно, используемая модель элемента слишком примитивна, чтобы давать точные результаты.

Могут выдаваться слишком оптимистичные или слишком пессимистичные результаты, тем самым, представляя угрозу для исправности батарей или приводя к их неэффективному использованию.

Так что, требуется новый способ и устройство для оценки уровня заряда батарей на основе модели элемента батареи. Такую модель элемента хорошо было бы использовать совместно с алгоритмом расчета максимально допустимой мощности, который бы использовал эту модель элемента для выдачи более точных прогнозов мощности. Новый способ также должен учитывать проектные рабочие ограничения, такие как по SOC, по току и по мощности.

Краткое описание чертежей

Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны при рассмотрении следующего описания, прилагаемой формулы и сопутствующих чертежей, на которых:

На фиг.1A изображена блок-схема, описывающая оценку уровня максимально допустимого разряда в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1B изображена блок-схема, описывающая оценку уровня минимально допустимого заряда в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 изображена схематическая диаграмма, показывающая сенсорные компоненты оценивающего уровень мощности варианта осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 приведен пример графика зависимости напряжения разомкнутой цепи (OCV) как функции от уровня заряда для одной частной электрохимии элемента.

На фиг.4 приведен пример графика, демонстрирующего зависимость производной OCV как функции от уровня заряда для одной частной электрохимии элемента.

На фиг.5 приведен график, демонстрирующий предсказание напряжения с использованием модели элемента настоящего изобретения.

На фиг.6 приведен увеличенный график предсказания напряжения для одного UDDS-цикла при примерно 50%-м уровне заряда.

На фиг.7 приведена линия уровня заряда для теста элемента.

На фиг.8 приведены графики для сравнения статических расчетов максимально допустимой мощности как функции от SOC по способу PNGV HPPC и способу I настоящего изобретения.

На фиг.9 приведены графики, демонстрирующие оценки допустимой мощности для циклического теста элемента, включающего шестнадцать UDDS-циклов в диапазоне SOC от 90% до 10%.

На фиг.10 приведены увеличенные графики фиг.9, показывающие примерно один UDDS-цикл.

На фиг.11 приведены графики, демонстрирующие оценку допустимой мощности для циклического теста элемента, включающего шестнадцать UDDS-циклов в диапазоне SOC от 90% до 10%.

На фиг.12 приведены увеличенные графики фиг.11, показывающие примерно один UDDS-цикл.

Описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для оценки разрядной и зарядной мощности батарейных устройств, включая батареи, используемые в гибридных электрических транспортных средствах (HEV) и электрических транспортных средствах (EV).

Одним из вариантов осуществления является способ предсказания уровня заряда, который включает проектные ограничения по напряжению, уровню заряда, мощности и току, работает на задаваемом пользователем интервале предсказания Δt и является более надежным и точным, чем существующие. Вариант осуществления имеет опцию, допускающую использование различных параметров модели в процессе работы батарей для приспособления к высокодинамичным батареям, используемым в гибридных электрических транспортных средствах (HEV) и электрических транспортных средствах (EV), с которыми у предыдущих реализаций имелись проблемы.

Вариант осуществления настоящего изобретения рассчитывает максимально допустимую зарядную/разрядную мощность с помощью расчета максимально допустимого зарядного/разрядного тока, с использованием любой комбинации из четырех основных ограничений:

1) ограничения по уровню заряда (SOC),

2) ограничения по напряжению,

3) ограничения по силе тока,

4) ограничения по мощности.

В одном из вариантов осуществления минимально допустимое абсолютное значение зарядного/разрядного тока, полученное из расчетов с использованием ограничений по уровню заряда (SOC), напряжению и силе тока, затем выбирается для нахождения максимально допустимой абсолютной зарядной/разрядной мощности. В одном из вариантов осуществления контролируется, чтобы максимальная абсолютная зарядная/разрядная мощность находилась внутри ограничений по мощности. В одном из вариантов осуществления максимально допустимая абсолютная зарядная/разрядная мощность рассчитывается таким образом, чтобы не нарушалась любая комбинация ограничений, которая может использоваться.

Предыдущие способы не использовали ограничения по SOC при оценке максимально допустимой зарядной/разрядной мощности. Настоящее изобретение включает использование SOC элемента батареи или батареи для оценки максимально допустимого зарядного/разрядного тока. Оценка явно содержит определяемый пользователем интервал времени Δt. В одном из вариантов осуществления SOC находится с использованием фильтра Кальмана. SOC, получаемый фильтрацией Кальмана, также дает оценку величины неопределенности, которая может быть использована в вычислениях зарядных/разрядных максимумов, для нахождения уровня доверия оценки максимально допустимого зарядного/разрядного тока.

Способы настоящего изобретения усовершенствованы по сравнению с предыдущими методами оценки мощности, основанными на пределах по напряжению. В настоящем изобретении ограничения по напряжению используются для вычисления максимально допустимого зарядного/разрядного тока способом, включающим определяемый пользователем интервал времени Δt. В настоящем изобретении содержатся два основных варианта осуществления модели элемента для расчета максимально допустимой зарядной/разрядной мощности на основе ограничений по напряжению. Первая - это простая модель элемента, которая использует разложение в ряд Тейлора для линеаризации сложного уравнения. Вторая - более сложная и более точная модель элемента, которая моделирует динамику элемента в форме пространства состояний с дискретным временем. Модель элемента может включать множество входных параметров, таких как температура, сопротивление, емкость и т.д. Одно из преимуществ использования модельного подхода - это то, что одна и та же модель может использоваться как при фильтрации Кальмана для получения SOC, так и в оценке максимально допустимого зарядного/разрядного тока на основе ограничений по напряжению.

Варианты осуществления настоящего изобретения также включают способы оценки заряда на основе любой комбинации ограничений по напряжению, силе тока, мощности или SOC, описанных выше.

Например, оценка заряда может основываться только на ограничениях по напряжению или, одновременно, на ограничениях по силе тока, ограничениях по SOC и/или ограничениях по мощности.

Варианты осуществления настоящего изобретения подключаются к устройству питания, которое получает от батареи данные измерений таких параметров, как ток, напряжение, температура, и направляют эти данные в блок арифметики, включающий вычислительное устройство, которое реализует способы расчета, описываемые в настоящем изобретении, для оценки абсолютного значения максимально допустимой зарядной и разрядной мощности.

Осуществление изобретения

Осуществления настоящего изобретения относятся к оценке заряда батарей в любых приложениях с батарейным питанием. В одном из вариантов осуществления способ оценки и устройство находят максимально допустимую абсолютную зарядную и/или разрядную мощность (основываясь на текущем состоянии батарей), которая может поддерживаться в течение Δt секунд без нарушения предустановленных для элемента ограничений по напряжению, уровню заряда, мощности или току.

Фиг.1A и 1B дают общее представление о вариантах осуществления настоящего изобретения. Фиг.1A иллюстрирует способ для нахождения максимально допустимой разрядной мощности для определенного пользователем интервала времени Δt, т.е. сколько мощности может быть отобрано с батарей непрерывно при использовании в течение следующего интервала времени Δt. В транспортных средствах точная оценка максимально допустимой разрядной мощности может помочь предотвратить опасные ситуации переразряда батарей.

На шаге 10 рассчитывается максимально допустимый разрядный ток на основе предустановленных ограничений по уровню заряда. Эта оценка явно включает установленный пользователем интервал времени Δt. В одном из вариантов осуществления SOC получается при помощи метода фильтрации Кальмана. SOC, получаемый фильтрацией Кальмана, также дает оценку величины неопределенности, которая может быть использована в вычислениях зарядных/разрядных максимумов, для нахождения уровня доверия оценки максимально допустимого зарядного/разрядного тока. В другом варианте осуществления используется уровень заряда, полученный обычным способом. Шаг 10 далее описывается в разделе «Расчеты на основе ограничений по уровню заряда (SOC)».

Максимально допустимый разрядный ток рассчитывается на основе предустановленных ограничений по напряжению на шаге 12. Настоящее изобретение имеет два основных варианта осуществления модели для вычисления максимально допустимой зарядной/разрядной мощности на основе ограничений по напряжению, хотя понятно, что также могут использоваться и другие модели элемента. Обе модели преодолевают ограничения предыдущих способов оценки разряда, выдававших грубые предсказания по интервалу времени Δt. Первая - это простая модель элемента, которая использует разложение в ряд Тейлора для линеаризации сложного уравнения. Вторая - более сложная и более точная модель элемента, которая моделирует динамику элемента в форме пространства состояний с дискретным временем. Модель элемента может включать множество входных параметров, таких как температура, сопротивление, емкость и т.д. Эти две модели далее описываются в разделе «Расчеты на основе ограничений по напряжению».

На шаге 14 максимально допустимый разрядный ток рассчитывается на основе предустановленных пользователем ограничений по силе тока. На шаге 16 выбирается минимум из трех значений силы тока, вычисленных на шагах 10, 12 и 14. Очевидно, что порядок выполнения шагов 10, 12 и 14 изменяем. Далее, очевидно, что в варианте осуществления любая комбинация шагов 10, 12 и 14, если необходимо, может быть опущена. Используя выбранное значение разрядного тока, на шаге 18 вычисляется максимально допустимая разрядная мощность. Вычисленная мощность батареи далее может быть уточнена, чтобы не нарушались проектные ограничения по мощности для индивидуального элемента питания или всей батареи.

Фиг.1B демонстрирует способ нахождения максимально допустимой абсолютной зарядной мощности для определенного пользователем интервала времени Δt, т.е. сколько мощности может быть возвращено в батарею непрерывно в течение следующего периода времени Δt. Детали и последовательность способа являются аналогичными таковым с фиг.1A. Поскольку полагается, что зарядный ток имеет отрицательный знак, максимальное абсолютное значение тока является минимальным при учете знака. На шаге 20 минимально допустимый зарядный ток вычисляется на основе установленных ограничений по уровню заряда. Опять же, SOC может быть вычислен обычным способом или получен по методу фильтрации Кальмана. Затем, минимально допустимый зарядный ток рассчитывается на основе предустановленных ограничений по напряжению на шаге 22 в соответствии с моделью элемента, такой как одна из тех двух моделей элемента, которые описаны в данном описании. Затем, на шаге 24 вычисляется минимально допустимый разрядный ток на основе предустановленных пользователем ограничений по току. Далее, на шаге 26 выбирается максимальное из значений токов, вычисленных на шагах 20, 22, 24. Опять заметим, что порядок выполнения шагов 20, 22, 24 изменяем. Далее, очевидно, что в варианте осуществления может использоваться любая комбинация шагов 20, 22, 24, и любая комбинация шагов 20, 22, 24, если требуется, может быть опущена. Используя выбранное значение зарядного тока, на шаге 28 вычисляется минимально допустимая зарядная мощность. Вычисленная мощность батареи может быть далее уточнена, чтобы не нарушались проектные ограничения по мощности индивидуального элемента питания или всей батареи.

Заметим, что варианты осуществления способа, показанные на фиг.1A и 1B, могут быть модифицированы. Например, каждый из или все шаги расчета тока на основе ограничений по уровню заряда или напряжению могут быть убраны. Также настоящее изобретение описывает несколько способов расчета максимально допустимого абсолютного значения зарядного и разрядного токов на основе уровня заряда, ограничений по напряжению и ограничений по силе тока.

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения оценивает максимально допустимое абсолютное значение зарядной/разрядной мощности батареи. Батареи могут быть, например, батареями, используемыми в гибридных электрических транспортных средствах или электрических транспортных средствах. В варианте осуществления используется ряд обозначений и ограничений, включая:

- через n обозначено число элементов в батарее, для которой требуется оценка зарядной/разрядной мощности;

- через v_k(t) обозначено напряжение на элементе батареи с номером k, которое имеет проектные рабочие ограничения так, что должно быть v_min ≤ v_k(t) ≤ v_max для всех k, таких что 1 ≤ k ≤ n;

- через z_k(t) обозначен уровень заряда элемента батареи с номером k, который имеет проектные рабочие ограничения так, что должно быть z_min ≤ z_k(t) ≤ z_max для всех k, таких что 1 ≤ k ≤ n;

- через p_k(t) обозначена мощность элемента батареи, которая имеет проектные рабочие ограничения так, что должно быть p_min ≤ p_k(t) ≤ p_max для всех k, таких что 1 ≤ k ≤ n; и

- через i_k(t) обозначен ток через элемент батареи, который имеет проектные рабочие ограничения так, что должно быть i_min ≤ i_k(t) ≤ i_max для всех k, таких что 1 ≤ k ≤ n.

В других вариантах осуществления могут быть сделаны изменения. Например, любое частное ограничение, если требуется, может быть снято заменой его значение соответственно на ±∞. В качестве другого примера, такие приделы как v_max, v_min, z_max, z_min, i_max, i_min, p_max, p_min могут к тому же быть функциями от температуры и других факторов, относящихся к условиям работы настоящей батареи. В одном из вариантов осуществления полагается, что разрядные ток и мощность имеют положительный знак, и зарядные ток и мощность - отрицательный. Любому специалисту понятно, что может использоваться и другое соглашение о знаках, и что описание настоящего изобретения может быть легко переделано под это соглашение. В одном из вариантов осуществления модель, используемая для предсказания уровня заряда, предполагает, что батарея состоит из n_s соединенных последовательно элементных модулей, где каждый модуль состоит из n_p отдельных элементов, соединенных параллельно, и n_s ≥ 1, n_p ≥ 1. Возможны и другие конфигурации, которые приспосабливаются к настоящему способу с помощью небольших модификаций.

Фиг.2 представляет собой блок-схему, показывающую сенсорные компоненты варианта осуществления настоящего изобретения. Батарея 40 подключается к цепи нагрузки 48. Нагрузкой 48 может быть, например, двигатель в электрическом транспортном средстве (EV) или гибридном электрическом транспортном средстве (HEV). В некоторых вариантах осуществления цепь 48 - это цепь, по которой подается мощность и/или отбирается мощность. Измерения напряжений батареи и отдельных элементов производятся с помощью вольтметра(ов) 44. Измерения тока батареи производится амперметром 42. Температуры батареи и отдельных элементов измеряются температурным(и) датчиком(ами) 46. Измеренные значения напряжений, тока и температур обрабатываются блоком арифметики 50. Блок арифметики (оценивающее устройство) 50 принимает данные измерений от датчиков и реализует расчетные способы настоящего изобретения для оценки мощности. В некоторых вариантах осуществления температурный параметр в расчетах не требуется.

1. Расчеты на основе ограничений по уровню заряда (SOC)

Как показано на шагах 10 и 20 фиг.1A и 1B, в вариантах осуществления настоящего изобретения рассчитываются максимально допустимые зарядный/разрядный токи с использованием ограничений по SOC. Различные варианты осуществления также явно включают в расчет интервал времени Δt. Ограничения по SOC учитываются, как показано далее. Во-первых, для фиксированного тока i_k связь между SOC и током описывается как:

z_k(t + Δt) = z_k(t) - (η_iΔt/C)i_k, (4)

где z_k(t) - текущее значение SOC для элемента k, z_k(t+Δt) - предсказанное значение SOC через Δt секунд, C - это емкость элемента в ампер-секундах и η_i - кулоновский фактор эффективности при уровне тока i_k. Здесь, для простоты объяснения полагается η_i = 1 для разрядных токов и η_i = η ≤ 1 для зарядных токов.

Если имеются проектные ограничения по SOC, так что z_min ≤ z_k(t) ≤ z_max для всех элементов батареи, то ток i_k может быть вычислен так, чтобы эти ограничения не превосходились. Простые расчеты дают ограничения на основе SOC каждого элемента:

,	(5)
.	(6)

Максимально допустимые абсолютные значения токов на основе только SOC тогда будут:

.

В этом способе предполагается, что имеется надежная оценка SOC для каждого элемента батареи. Если это не так, тогда приближенной оценкой может быть расчет:

;

,

где z(t) - это SOC батареи.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в способе предсказания мощности может приниматься во внимание больше данных, чем просто SOC элемента. Например, может использоваться фильтр Кальмана в качестве метода оценки SOC всех элементов в батарее. Кроме выдачи SOC, фильтрация Кальмана дает оценки неопределенности самой оценки SOC. Метод использования фильтрации Кальмана для оценки SOC описан в общедоступном патенте США № 6534954, включаемом сюда в качестве ссылки.

Пусть неопределенность, имеющая гауссово распределение со стандартным отклонением, как оценивается фильтром Кальмана, будет обозначена как σ_z. Тогда, метод дает 95,5%-ную уверенность, что истинное значение SOC находится в интервале оценка ± 2σ_z и 99,7%-ю уверенность, что истинное значение SOC находится в интервале оценка ± 3σ_z.

Эта информация может быть включена в оценку максимально допустимого тока на основе SOC, чтобы гарантировать, что проектные ограничения по SOC не будут нарушены.

Это делается следующим образом (предполагая доверительный интервал в 3σ_z):

.

2. Расчеты на основе ограничений по напряжению

Помимо принятия во внимание ограничений по SOC, варианты осуществления настоящего изобретения исправляют ограничения предыдущего способа HPPC при применении ограничений по напряжению (шаги 12 и 22 на фиг.1A и 1B). В способе HPPC, если предполагается модель элемента по уравнению (1), и предполагается, что R^chg и R^dis - омические сопротивления элементов, то выражение (2) и выражение (3) предсказывают мгновенную величину тока, а не величину, которая будет постоянной в течение следующих Δt секунд. В случаях, когда Δt большое, результаты расчетов приводят к проблемам сохранности или исправности батарей, поскольку элементы могут быть недо-/перезаряжены.

Чтобы преодолеть эту проблему, вариант осуществления настоящего изобретения использует следующую модель элемента:

v_k(t + Δt) = OCV(z_k(t + Δt)) - R × i_k(t). (7)

Здесь изменена предыдущая модель элемента из выражения (1). Заметим, что уравнение этой модели не может быть непосредственно решено в конечном виде для максимально допустимого тока i_k, поскольку z_k(t + Δt) само является функцией тока (сравн. с (4)), и OCV(·) является нелинейным соотношением. Заметим, что также могут использоваться и другие модели элемента.

Два варианта осуществления способа направлены на решение (7) для нахождения максимально допустимого абсолютного значения i_k(t).

2.1 Способ I: Разложение в ряд Тейлора

Первый способ использует разложение в ряд Тейлора для линеаризации уравнения, так чтобы приближенно могло быть найдено значение i. Предполагается, что OCV(·) дифференцируема в точке z_k(t), что дает в результате:

,

где остаточный член первого порядка R₁(z_k(t), i_k(η_iΔt)/C)/||z_k(t)|| → 0 при i_k(η_iΔt)/C → 0.

Заметим, что изменение SOC за Δt секунд обычно мало, следовательно, может быть применено следующее приближение:

что дает:

В одном из вариантов осуществления и функция OCV(z) и ее производная ∂OCV(z)/∂z могут быть вычислены из известных математических соотношений для OCV(z) (например, уравнения Нернста) с использованием аналитических или численных методов или затабулированных эмпирических данных. Эта величина положительна для большинства электрохимий батарей во всем диапазоне SOC, так что значения, полученные по (8) и (9), меньше по величине, чем полученные из (2) и (3) для тех же самых величин R^dis и R^chg.

Неточность процедуры HPPC компенсируется использованием значений R^dis и R^chg, полученных экспериментально, что аппроксимирует члены в знаменателе (8) и (9). Это, однако, не может быть точным во всем диапазоне SOC, поскольку ∂OCV(z)/∂z не является константой, в частности, вблизи экстремальных значений z.

Разрядный и зарядный токи со всеми наложенными ограничениями вычисляются как (шаги 16 и 26 на фиг.1A и 1B):

и мощность может быть рассчитана с помощью суммирования мощностей по всем элементам. Аналогично для получения максимально допустимого тока и предсказываемого напряжения.

В этих расчетах также могут налагаться максимальные и минимальные ограничения по мощности элемента и батареи. Заметим, что во всех выражениях OCV(z), C, v_max, v_min, z_max, z_min, i_max, i_min, R^chg и R^dis могут являться функциями температуры и других факторов, имеющих отношение к текущим условиям работы батареи.

2.2 Способ II: Использование усовершенствованной модели элемента

Способ решения уравнения (7), приведенный в предыдущем разделе, требует меньших вычислительных затрат. Второй вариант осуществления способа настоящего изобретения может использоваться, когда доступны большие вычислительные мощности. Этот второй способ предлагает более точную математическую модель динамики элемента, которая может быть в форме пространства состояний с дискретным временем, такая как система из двух уравнений:

x_k[m + 1] = f(x_k[m], u_k[m]) (14)

v_k[m] = g(x_k[m], u_k[m]),(15)

где m - это индекс отсчета дискретного времени, векторная функция времени x_k[m] называется «состоянием» системы, u_k[m] - это входные параметры системы, которые включают в качестве компонента ток через элемент i_k[m] и могут также включать температуру, сопротивление, емкость и т.д., а f(·) и g(·) - функции, выбранные для моделирования динамики системы.

Также могут использоваться альтернативные формы модели, включая пространство состояний с непрерывным временем, дифференциальные и разностные выражения. Предполагается, что существует способ вычисления SOC, даваемого реализуемой моделью.

Для удобства объяснения предполагается, что модель имеет форму пространства состояний с дискретным временем. Также предполагается, что Δt секунд могут быть представлены в дискретном времени как T отсчетных интервалов. Тогда эта модель может быть использована для предсказания напряжения на элементе через Δt секунд как:

v_k[m + T] = g(x_k[m + T], u_k[m + T]),

где x_k[m + T] может быть найдено моделированием по (14) для T временных отсчетов. Предполагается, что входные параметры остаются постоянными от значения индекса времени m до m + T, так что если изменение (например) температуры на этом интервале времени существенно, это должно быть включено как часть динамической модели с помощью (14), а не как часть измеряемых входных параметров u_k[m].

Затем способ использует алгоритм половинного деления для нахождения и с помощью поиска такого i_k (как компонента вектора u_k), которое приводит к равенству:

v_min = g(x_k[m + T], u_k[m + T]), или0 = g(x_k[m + T], u_k[m + T]) - v_min (16)

для нахождения , и с помощью поиска такого i_k, которое приводит к равенству:

v_max = g(x_k[m + T], u_k[m + T]), или 0 = g(x_k[m + T], u_k[m + T]) - v_max (17)

для нахождения . Особый случай, когда уравнение состояния (14) линейное, т.е., когда:

x_k[m + 1] = Ax_k[m] + Bu_k[m],

где A и B - постоянные матрицы. Модель, представленная в разделе 3, озаглавленном «Пример модели элемента», является примером, в котором имеет место такая ситуация. Что для постоянного входа u_k и времени от m до m + T приводит к:

Большинство из этих членов могут быть предварительно вычислены без информации об u_k для ускорения вычислений с использованием алгоритма половинного деления.

Когда предельные значения силы тока и на основе SOC вычислены с использованием (5) и (6), и предельные значения силы тока и на основе напряжения вычислены с использованием (16) и (17), суммарные границы силы тока могут быть вычислены с использованием (10) и (11) (шаги 16 и 26 на фиг.1A и 1B). Мощность тогда вычисляется как:

с u_k, в котором - в качестве величины тока и

с u_k, в котором - в качестве величины тока.

1.2.1 Способ половинного деления

Для решения уравнений (16) и (17) требуется способ нахождения корней нелинейного уравнения. В одном из вариантов осуществления для этой цели используется алгоритм половинного деления. Алгоритм половинного деления позволяет найти корень f(x) (т.е. значение x, такое что f(x)=0), когда априори известно, что корень лежит между значениями x₁ < корень < x₂. Один из признаков, говорящих, что корень лежит в этом интервале - это то, что знак f(x₁) отличается от знака f(x₂).

При каждой итерации алгоритма половинного деления вычисляется функция в средней точке x_mid = (x₁ + x₂)/2. На основе знака вычисленного значения или x₁ или x₂ заменяется на x_mid, чтобы остались разными знаки f(x₁) и f(x₂). Очевидно, что неопределенность положения корня этим шагом алгоритма сокращается вдвое. В алгоритме половинного деления итерации повторяются, пока интервал между x₁ и x₂ и, следовательно, неточность корня f(x) не станут, насколько необходимо, малыми. Если ε - требуемая точность корня, тогда алгоритму потребуется порядка итераций. Способ половинного деления показан в листинге 1.

1.2.2 Нахождение максимально/минимально допустимого тока

Для нахождения максимально допустимого разрядного и зарядного тока для каждого отдельного элемента способ половинного деления применяется к (16) и (17). Способ половинного деления включается в общий алгоритм следующим образом. Во-первых, предпринимаются три попытки определения напряжения на элементе через Δt секунд для тока элемента i_k = 0, i_k = i_min и i_k = i_max. Если предсказывается, что напряжение на элементе будет между v_min и v_max для максимально допустимых скоростей разряда/заряда, тогда могут использоваться эти максимально допустимые скорости. Если уровни напряжения на элементе вне границ даже на холостом ходу, тогда максимальные скорости устанавливаются равными нулю. Иначе, истинная максимальная скорость может быть найдена способом половинного деления между нулевой скоростью и ее максимально допустимым значением. Половинное деление осуществляется между границами по току (i_min, 0) или (0, i_min).

Алгоритм 1 Алгоритм половинного деления

begin{алгоритм половинного деления}

set x₁ = первая граница поиска

set x₂ = вторая граница поиска

set ε = требуемая точность по току на выходе

set JMAX = максимальное число итераций деления

let func(·) - функция, у которой ищутся корни

set интервал поиска dx = x₂ - x₁

if ((func(x₁)≥0) { //ограничение: func(x₁)<0

dx = -dx

x₁=x₂

} // теперь корень между (x₁, x₁ + dx), и func(x₁)<0

for j = 1 to JMAX {

dx = 0,5 × dx

x_mid = x₁ + dx

if (func(x_mid) ≤ 0) { x₁ = x_mid }

if (|dx| ≤ ε) { return(x₁ + 0,5 × dx) }

} // слишком много итераций, вернуть наилучший результат

return(x₁ + 0,5 × dx)

end{алгоритм половинного деления}

_______________________________________________________________

2. Пример модели элемента

Здесь приводится пример модели элемента для способов оценки мощности по настоящему изобретению, снабженный иллюстрациями, чтобы продемонстрировать характеристики этих двух способов по сравнению с предыдущим способом PNGV HPPC. Модель элемента - это модель пространства состояний с дискретным временем в форме (14) и (15), которая применяется к элементам батареи. Модель, называемая «усовершенствованная самокорректирующаяся модель элемента», описывается подробнее изобретателем в статье "Advances in EKFLiPB SOC Estimation", опубликованной на CD-ROM и представленной в Proc. 20th Electric Vehicle Symposium (EVS20) in Long Beach CA, (November 2003), полностью включаемой здесь в качестве ссылки. Понятно, что данная модель является только примером модели, и что может использоваться множество подходящих альтернативных моделей.

«Усовершенствованная самокорректирующаяся модель элемента» включает эффекты, связанные с напряжением в разомкнутой цепи, внутренним сопротивлением, временными постоянными напряжения и гистерезиса. Для примера значения параметров подогнаны к структуре этой модели для моделирования динамики литий-йонных полимерных (LiPB) элементов, хотя структура и способ, приведенные здесь, являются общими.

Уровень заряда получается с помощью одного уравнения модели. Это уравнение есть:

z_k[m + 1] = z_k[m] - (η_iΔT/C)i_k[m],

где ΔT обозначает интервал между отсчетами (в секундах), а C обозначает емкость элемента (в ампер-секундах).

Постоянные времени ответа напряжения на элементе получаются с помощью нескольких уравнений фильтра. Если предположить, что n_f - постоянные времени, тогда

f_k[m + 1] = A_ff_k[m] + B_fi_k[m].

Матрица может быть диагональной матрицей с действительными элементами. Если так, то система является устойчивой, если все элементы имеют величину меньше единицы. Вектор может просто считаться состоящим из n_f «1». Значение n_f и элементы матрицы A_f выбираются в ходе процедуры идентификации системы для наилучшего соответствия параметров модели измеренным данным элемента.

Уровень гистерезиса получается с помощью одного уравнения:

где γ - это константа степени гистерезиса, опять же находится при идентификации системы.

Общим уравнением модели является:

x_k[m] = [[f_k[m]' h_k[m] z_k[m]]',

где символ (') обозначает оператор транспонирования матрицы/вектора. Уравнение состояния модели образуется комбинацией всех отдельных приведенных выше уравнений. Заметим, что на каждом временном шаге уравнение модели линейно по входам

u_k[m] = [i_k[m] 1]',

что ускоряет операцию предсказания.

Выходным уравнением, которое объединяет результаты уравнений для предсказания напряжения на элементе, будет:

v_k[m] = OCV(z_k[m]) + Gf_k[m] - Ri_k[m] + Mh_k[m],

где - это вектор констант, который соединяет уравнения для временных констант на выходе, R - сопротивление элемента (для разряда/заряда могут использоваться различные значения) и M - это максимальный уровень гистерезиса.

Напряжение разомкнутой цепи как функция уровня заряда на примере литий-йонных полимерных элементов (LiPB) изображено на фиг.3. Это эмпирическое соотношение, найденное при тестировании элемента. Сначала, элемент был полностью заряжен (постоянным током до 4,2 V, постоянным напряжением до 200 mA). Потом элемент был разряжен со скоростью C/25 до полного разряда (3,0 V). Элемент далее был заряжен со скоростью C/25 до напряжения 4,2 V. Малые скорости использовались для минимизации возбуждения динамических эффектов в элементе. Напряжение на элементе как функция уровня заряда при разряде и заряде усреднялось для вычисления OCV. Это в большой степени исключает возможный вклад гистерезиса и омического сопротивления в окончательную функцию. Для вычислений, использующих OCV, окончательная кривая была оцифрована в 200 точках и записана в таблицу. Для поиска значений в таблице используется линейная интерполяция.

Частная производная OCV по SOC для элементов в этих примерах построена на фиг.4. Эта зависимость была вычислена с помощью сначала нахождения конечных разностей между точками на графике OCV на фиг.3 и деления на расстояния между точками (т.е. аппроксимации Эйлера для производной). Окончательные данные слишком зашумлены, чтобы иметь практическую пользу, что показано серой линией на фиг.4. Они фильтровались с использованием нуль-фазного фильтра нижних частот, с результатом, отмеченным черной линией на фиг.4, который может быть использован в вычислениях мощности. Это соотношение также оцифровывается в 200 точках, и когда проводятся вычисления, требующие эту функцию, используется линейная интерполяция в таблице значений.

Другие параметры подгоняются под эту модель элемента. В частности, модель использует четыре уравнения фильтров нижних частот (n_f = 4), номинальную емкость 7,5 Ah и интервал между отсчетами ΔT = 1 s. Имеется очень точное согласие между напряжением, предсказываемым моделью элемента, и истинным напряжением на элементе. Это иллюстрируется на фиг.5, которая представляет собой график, показывающий предсказание напряжения с использованием модели элемента настоящего изобретения. Для этой фигуры тест элемента представлял собой последовательность из шестнадцати UDDS-циклов, покрывающих диапазон SOC от 90% до 10%, проведенных при комнатной температуре и разделенных импульсами разряда и пятиминутными перерывами. Разность между истинным напряжением на клеммах элемента и оцененным напряжением на клеммах элемента является очень малой (среднеквадратичная ошибка (RMS) оценки напряжения менее 5 mV). Для того чтобы лучше проиллюстрировать точность модели, обратимся к увеличенному изображению одного UDDS-цикла в области SOC 50%, показанному на фиг.6. SOC как функция времени изображена на фиг.7, которая представляет собой кривую SOC для теста элемента. График показывает, что SOC возрастает примерно на 5% за каждый UDDS-цикл, но снижается примерно на 10% во время каждого разряда между циклами. Во время тестирования элементов проходится полный рабочий диапазон для этих элементов (от 10% SOC до 90% SOC, изображенный на фигуре как область между тонкими пунктирными линиями).

3. Сравнение расчетов максимальной мощности

Способ PNGV HPPC оценки мощности дает результат, являющийся только функцией SOC. Поэтому можно построить график зависимости располагаемой мощности от SOC, чтобы подвести итог расчетов по алгоритму. Первый предложенный в описании настоящего патента способ (Способ I: Разложение в ряд Тейлора) также можно отобразить таким способом. Оцениваемая мощность является функцией только SOC, ∂OCV/∂z (также функция SOC) и постоянных ограничений по максимально допустимому току и мощности. Второй способ (Способ II: Способ усовершенствованной модели элемента), однако, динамически зависит от всех состояний системы. Две системы с одним уровнем заряда, но с различными значениями временных констант напряжения или уровнем гистерезиса, будут иметь различную располагаемую мощность. Для сравнения мощности, вычисленной этими тремя способами, должны проводиться динамические тесты.

Для следующих результатов предполагается, что батарея LiPB элементов имеет n_s = 40 и n_p = 1. Данные, соответствующие моделям, были получены с прототипных изготовленных вручную элементов, разработанных совместно LG Chem (Daejeon, Korea) и Compact Power Inc. (Monument, Colorado). Ограничения для вычислений мощности приведены в таблице. Каждый элемент имеет номинальную емкость 7,5 Ah, Δt равнялось десяти секундам как для заряда, так и для разряда.

Таблица: Параметры для примеров расчета мощности.

Параметр	Минимум	Максимум
vk(t)	3,0 V	4,35 V
ik(t)	-200 A	200 A
zk(t)	0,1	0,9
pk(t)	-∞	∞

Сначала сравниваются способ PNGV HPPC со Способом I настоящего изобретения на фиг.8, которая представляет собой графики, сравнивающие вычисления статических максимально допустимых мощностей как функций SOC для PNGV HPPC способа и Способ I настоящего изобретения. Черные кривые соответствуют зарядной мощности, а серые кривые - разрядной мощности. Заметим, что изображены абсолютные значения мощностей, чтобы избежать недоразумений с договоренностью о знаках. Рассматривая сначала вычисления зарядной мощности, очевидно, что способ PNGV HPPC дает результаты, подобные Способу I, в середине диапазона SOC. Небольшие различия имеют место из-за того, что 10-секундное значение R^chg, используемое в способе PNGV, и R^chg, модифицированное с учетом производной, в Способе I не совпадают. График показывает, что вне середины диапазона SOC в Способе I мощность опускается вблизи z_max, чтобы избежать перезаряда батарей, тогда как способ PNGV не имеет таких ограничений. При очень маленьких уровнях SOC способ PNGV предсказывает завешенную величину имеющейся мощности, поскольку нет ограничений по току, накладываемых при вычислениях. Оценка по Способу I оказывается автоматически ниже из-за большой производной в знаменателе. Это приводит к отклонению вблизи нулевых SOC, где способ предсказывает заниженную зарядную мощность. Однако, поскольку элемент не будет работать в этом диапазоне, это не представляет проблемы.

При рассмотрении кривых разрядной мощности, сравнение показывает, что Способ I накладывает ограничения на разрядную мощность, чтобы гарантировать, что элемент не будет переразряжен, тогда как способ PNGV этого не делает. В диапазоне SOC от примерно 15% до 35% два этих метода предсказывают близкие мощности. Для SOC более примерно 35%, мощность, предсказанная Способом I, насыщается, потому что достигается ограничение по максимально допустимому разрядному току в 200 A. Способ PNGV не учитывает этого ограничения. При SOC примерно 99% на графике опять видно отклонение для вычислений по Способу I, где мощность недооценивается из-за большого члена с производной. Это видимое затруднение не является проблемой, поскольку элемент не будет работать в этом диапазоне.

Фиг. с 9 по 13 демонстрируют два основных, основанных на ограничениях по напряжению метода оценки мощности по данному изобретению (Способ I и Способ II) по сравнению с предыдущим методом PNGV при динамическом тестировании элемента, показанном на фиг.5. Фиг.9 представляет собой графики, показывающие эти оценки допустимой разрядной мощности для циклического теста элемента, включающего шестнадцать UDDS-циклов, в диапазоне SOC от 90% до 10%. Фиг.10 представляет собой увеличенные графики с фиг.9, показывающие примерно один цикл UDDS. Фиг.11 представляет собой графики, показывающие оценки допустимой зарядной мощности для циклического теста элемента, включающего шестнадцать UDDS-циклов, в диапазоне SOC от 90% до 10%. Фиг.12 представляет собой увеличенные графики с фиг.11, показывающие примерно один цикл UDDS. Опять, изображены абсолютные значения мощности.

В следующем обсуждении полагается, что результаты Способа II являются «истинными» возможностями элемента. Это предположение оправдывается точностью оценок напряжения моделью, что подтверждается данными на фиг.6. Фиг.9 демонстрирует, что три метода дают близкие оценки. В частности, Способ I и Способ II, по-видимому, являются практически идентичными при рассмотрении в данном масштабе. При больших SOC способ PNGV HPPC предсказывает большую мощность, чем доступно в действительности (до 9,8%), и при малых SOC способ PNGV HPPC предсказывает заниженную доступную мощность. Только методы настоящего изобретения включают ограничения по SOC, что объясняет, почему их предсказания так отличаются от оценок методом PNGV HPPC при малых SOC. Если бы контроллер транспортного средства проводил разряд со скоростью, предсказанной методом PNGV HPPC, элемент бы в некоторых случаях переразряжался (сокращая срок службы) и недоиспользовался бы в других случаях.

Для лучшей демонстрации, на фиг.10 показано увеличенное изображение с фиг.9 (показана та же область, что и на фиг.6). В этой области три метода дают почти идентичные предсказания. Отличительная черта Способа II, однако, это то, что в нем, при предсказании, учитывается полная динамика элемента. Поэтому при сильных разрядах элемента в моменты времени около 237 и 267 минут опускается напряжение элемента и допускается меньшая разрядная мощность, чем в двух других методах, в которых учитывается только SOC, когда делаются оценки.

Три этих метода также сравниваются по зарядной мощности, что показано на фиг.11. В этом масштабе оценки представляются почти идентичными. Опять, в методе PNGV HPPC не учитываются границы SOC, таким образом, предсказывается завышенная зарядная мощность при больших SOC. Им также предсказывается завышенная мощность при малых SOC, поскольку в нем не учитывается увеличение зарядного сопротивления при малых SOC. Увеличенное изображение этого графика изображено на фиг.12, оно подчеркивает различие в предсказаниях. Здесь можно увидеть, что глубокие разряды в моменты времени около 237 и 267 минут допускают большую зарядную мощность, т.к. напряжение не будет меняться быстро.

Промышленная применимость

Поскольку описанные здесь методы и устройства для осуществления этих методов составляют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что в них могут быть внесены изменения, не уводящие от сущности или области настоящего изобретения, что определено в прилагающейся формуле. Например, шаги 10, 12, 14, описываемые на фиг.1A, могут выполняться в другом порядке или в других комбинациях, и шаги 20, 22, 24, описываемые на фиг.1B, могут выполняться в другом порядке или в других комбинациях. Также могут использоваться различные модели элемента для оценки максимально допустимой абсолютной зарядной/разрядной мощности батареи/элемента.

Были описаны способ и устройство для расчета допустимой мощности батарей с использованием усовершенствованных методик предсказания на основе модели элемента совместно с одним или более частными вариантами осуществления. Настоящее изобретение определяется прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

1. Способ для оценки максимально допустимой разрядной мощности батареи, включающий следующие шаги:

генерацию, при помощи датчика, сигнала, указывающего на текущий уровень заряда указанной батареи;

расчет, на основе указанного сигнала, указанного текущего уровня заряда указанной батареи, используя арифметический блок, связанный в рабочем состоянии с упомянутым датчиком;

расчет максимально допустимого разрядного тока указанной батареи с использованием указанного арифметического блока на основе по меньшей мере:

минимального ограничения по уровню заряда для указанной батареи, указанного текущего уровня заряда, и

минимального ограничения по напряжению для указанной батареи, таким образом, что при этом выходное напряжение указанной батареи не снижается ниже указанного минимального ограничения по напряжению и уровень заряда указанной батареи не снижается ниже указанного минимального ограничения по уровню заряда для указанной батареи; и

расчет указанной максимально допустимой разрядной мощности основываясь на минимальном значении разрядного тока выбранного из указанного вычисленного максимально допустимого разрядного тока, используя указанный арифметический блок.

2. Способ по п.1, в котором указанный шаг расчета максимально допустимого разрядного тока также выполняют с учетом максимального ограничения по току для указанной батареи.

3. Способ по п.2, в котором в указанной оценке максимально допустимой разрядной мощности учитывается определенный пользователем интервал времени Δt.

4. Способ по п.2, в котором на указанном шаге расчета указанного текущего уровня заряда находится уровень заряда с помощью метода фильтрации Кальмана.

5. Способ по п.4, в котором оценка величины неопределенности, полученная с помощью метода фильтрации Кальмана, используется для нахождения уровня доверия указанного рассчитанного максимально допустимого разрядного тока.

6. Способ по п.2, в котором указанная батарея является батареей, содержащей по меньшей мере один элемент.

7. Способ по п.6, в котором на указанном шаге расчета максимально допустимого разрядного тока указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда рассчитываются ограничения по току каждого элемента k указанной батареи, с использованием выражения

где обозначает максимально допустимый разрядный ток на основе ограничений по уровню заряда, z_k(t) обозначает уровень заряда элемента в момент времени t, z_min обозначает проектное ограничение по уровню заряда, η обозначает кулоновский фактор эффективности, Δt обозначает интервал времени и С обозначает емкость элемента.

8. Способ по п.7, в котором максимально допустимый разрядный ток указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда есть

9. Способ по п.1, в котором на указанном шаге расчета максимально допустимого разрядного тока указанной батареи на основе ограничений по напряжению используется модель элемента.

10. Способ по п.9, в котором уравнением модели элемента решается с помощью разложения в ряд Тейлора.

11. Способ по п.9, в котором указанное уравнение модели элемента решается с использованием модели пространства состояний с дискретным временем.

12. Способ по п.9, в котором указанная батарея является батареей, содержащей по меньшей мере один элемент.

13. Способ по п.12, в котором указанными моделями элемента являются

v_k(t+Δt)=OCV(z_k(t+Δt))-R·i_k(t),

где V_k(t+Δt) обозначает напряжение на элементе k через период времени Δt, OCV(z_k(t+Δt)) обозначает напряжение разомкнутой цепи элемента как функцию уровня заряда z_k элемента k через период времени Δt, R - константа, обозначающая внутреннее сопротивление элемента k и i_k(t) обозначает ток элемента k.

14. Способ по п.13, в котором указанный максимально допустимый разрядный ток на основе ограничений по напряжению находится с помощью решения посредством разложения в ряд Тейлора

где обозначает максимально допустимый разрядный ток элемента k, R^dis обозначает внутреннее сопротивление элемента при разряде, обозначает производную от напряжения разомкнутой цепи элемента по уровню заряда z, вычисленную при текущем уровне заряда z_k(t).

15. Способ по п.14, в котором указанная рассчитывается с помощью эмпирических данных из таблицы.

16. Способ по п.13, в котором указанное уравнение модели элемента решается с использованием модели пространства состояний с дискретным временем.

17. Способ по п.16, в котором указанной моделью пространства состояний с дискретным временем является

x_k[m+1]=f(x_k[m], u_k[m]),

v_k[m]=g(x_k[m], u_k[m]),

где m обозначает индекс отсчета дискретного времени, x_k[m] является векторной функцией времени и обозначает состояние батареи, u_k[m] обозначает входные параметры батареи и включает в качестве компонента ток элемента i_k[m], a f(·) и g (·) - функции, выбранные для моделирования динамики системы.

18. Способ по п.17, в котором указанные входные параметры u_k[m] включают температуру.

19. Способ по п.17, в котором указанные входные параметры u_k[m] включают сопротивление.

20. Способ по п.17, в котором указанные входные параметры u_k[m] включают емкость.

21. Способ по п.17, в котором ищется с помощью поиска i_k, которое приводит к равенству в

v_min=g(x_k[m+T], u_k[m+T]),

где g(x_k[m+T], u_k[m+T]) используют для определения напряжения на элементе k в заданный момент времени.

22. Способ по п.21, в котором указанное равенство решается с помощью алгоритма половинного деления.

23. Способ по п.17, в котором уравнение

x_k[m+T]=Ax_k[m]+Bu_k [m] - линейное, где А и В - постоянные матрицы.

24. Способ по п.12, в котором указанное минимальное значение разрядного тока выбирается с использованием выражения

где i_max обозначает указанный максимально допустимый разрядный ток на основе ограничений по току,

обозначает минимум указанного максимально допустимого разрядного тока на основе ограничений по уровню заряда для каждого элемента k,

обозначает минимум указанного максимально допустимого разрядного тока на основе ограничений по напряжению для каждого элемента k.

25. Способ по п.24, в котором указанная максимально допустимая разрядная мощность рассчитывается с помощью решения

где обозначает максимально допустимую разрядную мощность, n_р обозначает число элементов, соединенных параллельно, n_s обозначает число элементов, соединенных последовательно, обозначает указанный выбранный разрядный ток и ν_k(t+Δt) обозначает напряжение на элементе k в период времени после t.

26. Способ по п.25, в котором аппроксимируется как

где (OCV(z_k(t)- Δt/С) обозначает напряжение разомкнутой цепи элемента как функцию уровня заряда z_k для элемента k в момент времени t,

Δt, которое обозначает интервал времени, и С, которое обозначает емкость элемента; и R, которое обозначает внутреннее сопротивление элемента при разряде.

27. Способ по п.2, в котором любое из ограничений по уровню заряда, по напряжению и по току может быть исключено из указанных расчетов с помощью использования значения "плюс бесконечность" или "минус бесконечность" для представления указанных исключаемых ограничений в указанных расчетах.

28. Способ по п.2, в котором любое из указанных ограничений по уровню заряда, по напряжению и по току зависит от температуры.

29. Способ по п.1, в котором указанная рассчитанная максимально допустимая разрядная мощность проверяется, чтобы гарантировать, что она попадает в ограничения по мощности указанной батареи.

30. Способ для оценки минимально допустимой зарядной мощности батареи, включающий следующие шаги:

генерацию, при помощи датчика, сигнала, указывающего на текущий уровень заряда указанной батареи;

расчет, на основе указанного сигнала, указанного текущего уровня заряда указанной батареи, используя арифметический блок, связанный в рабочем состоянии с упомянутым датчиком;

расчет минимально допустимого зарядного тока указанной батареи с использованием указанного арифметического блока на основе по меньшей мере:

максимального ограничения по уровню заряда для указанной батареи, указанного текущего уровня заряда, и

максимального ограничения по напряжению для указанной батареи, таким образом, что при этом выходное напряжение указанной батареи не превышает указанное максимальное ограничение по напряжению и уровень заряда указанной батареи не превышает указанное максимальное ограничение по уровню заряда для указанной батареи; и

расчет указанной минимально допустимой зарядной мощности основываясь на максимальном значении зарядного тока, выбранного из указанного вычисленного минимально допустимого зарядного тока, используя указанный арифметический блок.

31. Способ по п.30, в котором указанный шаг расчета минимально допустимого разрядного тока также выполняют с учетом минимального ограничения по току для указанной батареи.

32. Способ по п.31, в котором в указанной оценке минимально допустимой зарядной мощности учитывается определенный пользователем интервал времени Δt.

33. Способ по п.30, в котором на указанном шаге расчета указанного текущего уровня заряда находится уровень заряда с помощью метода фильтрации Кальмана.

34. Способ по п.33, в котором оценка величины неопределенности, полученная с помощью метода фильтрации Кальмана, используется для нахождения уровня доверия указанного рассчитанного минимально допустимого зарядного тока.

35. Способ по п.31, в котором указанная батарея является батареей, содержащей по меньшей мере один элемент.

36. Способ по п.35, в котором на указанном шаге расчета минимально допустимого зарядного тока указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда рассчитываются ограничения по току каждого элемента k указанной батареи, с использованием выражения:

где обозначает минимально допустимый зарядный ток на основе ограничений по уровню заряда, z_k(t) обозначает уровень заряда элемента в момент времени t, z_max обозначает проектное ограничение по уровню заряда, η обозначает кулоновский фактор эффективности, Δt обозначает интервал времени и С обозначает емкость элемента.

37. Способ по п.36, в котором минимально допустимый ток заряда указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда есть

38. Способ по п.30, в котором на указанном шаге расчета минимально допустимого зарядного тока указанной батареи также используется модель элемента.

39. Способ по п.38, в котором уравнение модели элемента решается с помощью разложения в ряд Тейлора.

40. Способ по п.38, в котором указанное уравнение модели элемента решается с использованием модели пространства состояний с дискретным временем.

41. Способ по п.38, в котором указанная батарея является батареей, содержащей по меньшей мере один элемент.

42. Способ по п.41, в котором указанной моделью элемента является

v_k(t+Δt)=OCV(z_k(t+Δt))-Rxi_k(t),

где v_k(t+Δt) обозначает напряжение на элементе k через период времени Δt, OCV(z_k(t+Δt)) обозначает напряжение разомкнутой цепи элемента как функцию уровня заряда z_k элемента k через период времени Δt, R - константа, обозначающая внутреннее сопротивление элемента k и i_k(t) обозначает ток элемента k.

43. Способ по п.42, в котором указанный минимально допустимый зарядный ток на основе ограничений по напряжению находится с помощью решения посредством разложения в ряд Тейлора

где обозначает минимально допустимый зарядный ток элемента k, R^chg обозначает внутреннее сопротивление элемента при заряде, η обозначает кулоновский фактор эффективности, обозначает производную от напряжения разомкнутой цепи элемента по уровню заряда z, вычисленную при текущем уровне заряда z_k(t).

44. Способ по п.43, в котором указанная рассчитывается с помощью эмпирических данных из таблицы.

45. Способ по п.42, в котором указанное уравнение модели элемента решается с использованием модели пространства состояний с дискретным временем.

46. Способ по п.45, в котором указанной моделью пространства состояний с дискретным временем является

x_k[m+1]=f(x_k[m], u_k[m]),

v_k[m]=g(x_k[m], u_k[m]),

где m обозначает индекс отсчета дискретного времени, x_k[m] является векторной функцией времени и обозначает состояние батареи, u_k[m] обозначает входные параметры батареи и включает в качестве компонента ток элемента i_k[m], a f(·) и g(·) - функции, выбранные для моделирования динамики системы.

47. Способ по п.46, в котором указанные входные параметры u_k[m] включают температуру.

48. Способ по п.46, в котором указанные входные параметры u_k[m] включают сопротивление.

49. Способ по п.46, в котором указанные входные параметры u_k[m] включают емкость.

50. Способ по п.46, в котором ищется с помощью поиска i_k, которое приводит к равенству в

V_max=g(x_k[m+T], u_k[m+T]),

где g(x_k[m+T], u_k[m+T]) используют для определения напряжения на элементе k в заданный момент времени.

51. Способ по п.50, в котором указанное равенство решается с помощью алгоритма половинного деления.

52. Способ по п.46, в котором уравнение

x_k[m+T]=Ax_k[m]+Bu_k[m] - линейное, где А и В - постоянные матрицы.

53. Способ по п.41, в котором указанное максимальное значение зарядного тока выбирается с использованием выражения

i_min обозначает указанный минимально допустимый зарядный ток на основе ограничений по току,

обозначает максимум указанного минимально допустимого зарядного тока на основе ограничений по уровню заряда для каждого элемента k,

обозначает максимум указанного минимально допустимого зарядного тока на основе ограничений по напряжению для каждого элемента k.

54. Способ по п.53, в котором указанная минимально допустимая зарядная мощность рассчитывается с помощью решения

,

где обозначает минимально допустимую зарядную мощность, n_р обозначает число элементов, соединенных параллельно, n_s, обозначает число элементов, соединенных последовательно, обозначает указанный вычисленный минимально допустимый зарядный ток и ν_k(t+Δt) обозначает напряжение на элементе k в период времени после t.

55. Способ по п.54, в котором аппроксимируется как

где обозначает напряжение разомкнутой цепи элемента как функцию уровня зарядки z_k для элемента k в момент времени t, , Δt, которое обозначает интервал времени, η_i, которое обозначает кулоновский фактор эффективности, С, которое обозначает емкость элемента; и R^chg, которое обозначает внутреннее сопротивление элемента при заряде.

56. Способ по п.31, в котором любое из ограничений по уровню заряда, по напряжению и по току может быть исключено из указанных расчетов с помощью использования значения "плюс бесконечность" или "минус бесконечность" для представления указанных исключаемых ограничений в указанных расчетах.

57. Способ по п.31, в котором любое из указанных ограничений по уровню заряда, по напряжению и по току зависит от температуры.

58. Способ по п.30, в котором указанная рассчитанная минимально допустимая зарядная мощность проверяется, чтобы гарантировать, что она попадает в ограничения по мощности указанной батареи.

59. Устройство оценки мощности для оценки максимально допустимой разрядной мощности батареи, включающее

устройство измерения напряжения для измерения напряжения на указанной батарее;

устройство измерения температуры для измерения температуры указанной батареи;

устройство измерения тока для измерения тока указанной батареи;

оценивающее устройство для расчета максимально допустимой разрядной мощности указанной батареи,

где указанное оценивающее устройство использует данные измерений от указанного устройства измерения напряжения, указанного устройства измерения температуры и устройства измерения тока и производит вычисления для оценки максимально допустимой разрядной мощности указанной батареи, причем указанное оценивающее устройство включает

устройство для вычисления максимально допустимого разрядного тока указанной батареи на основе ограничений по напряжению указанной батареи;

устройство для вычисления максимально допустимого разрядного тока указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда указанной батареи;

устройство для вычисления максимально допустимого разрядного тока указанной батареи на основе ограничений по току указанной батареи,

где указанная максимально допустимая разрядная мощность вычисляется по минимальному значению разрядного тока, выбранному из указанного рассчитанного максимально допустимого разрядного тока на основе ограничений по напряжению, указанного рассчитанного максимально допустимого разрядного тока на основе ограничений по уровню заряда и указанного рассчитанного максимально допустимого разрядного тока на основе ограничений по току.

60. Устройство оценки мощности по п.59, в котором указанным оценивающим устройством учитывается определяемый пользователем интервал времени Δt.

61. Устройство оценки мощности по п.59, в котором указанным устройством для вычисления максимально допустимого разрядного тока указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда находится уровень заряда с использованием метода фильтрации Кальмана.

62. Устройство оценки мощности по п.61, в котором оценка величины неопределенности, полученная с помощью указанного метода фильтрации Кальмана, используется для нахождения уровня доверия указанного рассчитанного максимально допустимого разрядного тока.

63. Устройство оценки мощности по п.61, в котором указанная батарея является батареей, содержащей n элементов.

64. Устройство оценки мощности по п.61, в котором в указанном устройстве расчета максимально допустимого разрядного тока указанной батареи на основе ограничений по напряжению используется модель элемента.

65. Устройство оценки мощности по п.61, в котором уравнение модели элемента решается с помощью разложения в ряд Тейлора.

66. Устройство оценки мощности по п.61, в котором указанное уравнение модели элемента решается с использованием модели пространства с дискретным временем.

67. Устройство оценки мощности для оценки минимально допустимой зарядной мощности батареи, включающее

устройство измерения напряжения для измерения напряжения на указанной батарее;

устройство измерения температуры для измерения температуры указанной батареи;

устройство измерения тока для измерения тока указанной батареи;

оценивающее устройство для расчета минимально допустимой зарядной мощности указанной батареи,

где указанное оценивающее устройство использует данные измерения от указанного устройства измерения напряжения, указанного устройства измерения температуры и устройства измерения тока и производит вычисления для оценки минимально допустимой зарядной мощности указанной батареи, причем указанное оценивающее устройство включает

устройство для вычисления минимально допустимого зарядного тока указанной батареи на основе ограничений по напряжению указанной батареи;

устройство для вычисления минимально допустимого зарядного тока указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда указанной батареи;

устройство для вычисления минимально допустимого зарядного тока указанной батареи на основе ограничений по току указанной батареи,

где указанная минимально допустимая мощность зарядного тока вычисляется по максимальному значению разрядного тока, выбранному из указанного рассчитанного минимально допустимого зарядного тока на основе ограничений по напряжению, указанного рассчитанного минимально допустимого зарядного тока на основе ограничений по уровню заряда и указанного рассчитанного минимально допустимого зарядного тока на основе ограничений по току.

68. Устройство оценки мощности по п.67, в котором указанным оценивающим устройством учитывается определяемый пользователем интервал времени Δt.

69. Устройство оценки мощности по п.67, в котором указанным устройством для вычисления минимально допустимого зарядного тока указанной батареи на основе ограничений по уровню заряда находится уровень заряда с использованием метода фильтрации Кальмана.

70. Устройство оценки мощности по п.69, в котором оценка величины неопределенности, полученная с помощью указанного метода фильтрации Кальмана, используется для нахождения уровня доверия указанного рассчитанного максимально допустимого разрядного тока.

71. Устройство оценки мощности по п.69, в котором указанная батарея является батареей, содержащей n элементов.

72. Устройство оценки мощности по п.69, в котором в указанном устройстве расчета минимально допустимого тока указанной батареи на основе ограничений по напряжению используется модель элемента.

73. Устройство оценки мощности по п.69, в котором уравнение модели элемента решается с помощью разложения в ряд Тейлора.

74. Устройство оценки мощности по п.69, в котором указанное уравнение модели элемента решается с использованием модели пространства состояний с дискретным временем.