Экономичный тестер аккумуляторных батарей

Тестер 100 аккумуляторных батарей предназначен для экономичного получения внутренних характеристик аккумуляторной батареи 150. Тестер 100 аккумуляторных батарей содержит блок 110 измерения, контроллер 140, двунаправленный преобразователь 120 мощности и блок 130 аккумулирования энергии, так чтобы энергия, отобранная из аккумуляторной батареи 150 во время проверки, хранилась в блоке 130 аккумулирования энергии и возвращалась обратно в аккумуляторную батарею 150. Тестер 100 аккумуляторных батарей реализует проверку с импульсом сильного тока и проверку с возбуждением при переключении, с модифицированным алгоритмом оптимизации по методу роя частиц для анализа точных параметров модели, которые можно использовать для описания общего состояния аккумуляторной батареи 150. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для определения уровня заряженности аккумуляторной батареи.

Уровень техники

Традиционные тестеры аккумуляторных батарей обычно являются неэкономичными с точки зрения энергии. Оценка рабочего состояния аккумуляторной батареи обычно включает в себя измерение изменения напряжения между периодом работы под нагрузкой и периодом восстановления, когда она подсоединена к нагрузке. Типичная нагрузка потребляет всю энергию, подаваемую на нее. Этот тип испытания приводит к потере энергии за счет рассеивающей нагрузки и ограниченной информации, собираемой об уровне заряженности аккумуляторной батареи.

Каждый способ проверки аккумуляторных батарей по току имеет дополнительные ограничения. Способ проверки аккумуляторных батарей с нагрузкой по постоянному току требует наличия резистора с высокой номинальной мощностью, подключенного к проверяемому аккумулятору, для измерения напряжения и тока. Однако резистор с течением времени нагревается, и нельзя точно представить состояние аккумуляторной батареи. В способе, основанном на электропроводности по переменному току, подается сигнал переменного тока между 80 Гц и 100 Гц с использованием схемы на основе RC-цепи. Однако этот способ не учитывает состояние заряда аккумуляторной батареи при проверке и не позволяет получить отдельные параметры модели. В способе проверки по спектроскопии и электрохимическому импедансу (EIS) подаются сигналы на множестве частот между 20 Гц и 2000 Гц с использованием схемы на основе RC-цепи, и этот способ позволяет установить все параметры в схеме на основе RC-цепи. Однако в этом способе период проверки является длительным из-за использования множества частот, и он не учитывает и не проверяет состояние заряда тестируемой аккумуляторной батареи.

В связи с вышеизложенными причинами имеется потребность в тестере аккумуляторных батарей, который был бы более экономичным и учитывал больше информации, относящейся к вычислению уровня заряженности аккумуляторной батареи.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание экономичного тестера аккумуляторных батарей, предназначенного для экономичного получения внутренних характеристик аккумуляторной батареи. Экономичный тестер аккумуляторных батарей могут использовать производители аккумуляторных батарей, работники автомагазинов или конечные пользователи для проверки различных типов аккумуляторных батарей, в том числе аккумуляторных батарей SLI (запуск, освещение, зажигание), гелевых аккумуляторов (Gel Cell) и аккумуляторов AGM ("поглощающее стекловолокно"). Экономичный тестер аккумуляторных батарей содержит блок измерения, контроллер, двунаправленный преобразователь мощности и блок аккумулирования энергии, так что энергия, отбираемая из аккумуляторной батареи во время проверки, аккумулируется в блоке аккумулирования энергии и возвращается обратно в аккумуляторную батарею. Экономичный тестер аккумуляторных батарей применяет для проверки импульс сильного тока и возбуждение при переключении с использованием модифицированного алгоритма оптимизации метода роя частиц для анализа точных параметров модели, которые можно использовать для описания состояния аккумуляторной батареи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана блок-схема варианта осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 показана простая эквивалентная модель аккумуляторной батареи, используемая в первом режиме работы, для быстрой оценки состояния аккумуляторной батареи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 показана сложная эквивалентная модель аккумуляторной батареи, используемая во втором режиме работы, для точной оценки состояния аккумуляторной батареи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 4 показан сигнал при проверке с импульсом сильного тока в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 5 показан сигнал при проверке с возбуждением при переключении в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 6 показана справочная таблица SOC-VOC для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей;

на фиг. 7 показана схема последовательности операций для модифицированного алгоритма оптимизации на основе метода роя частиц в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 8 показана схема последовательности операций процесса работы в профессиональном режиме в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 9 показана блок-схема варианта осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 10 показана принципиальная схема блока проверки состояния аккумуляторной батареи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; и

на фиг. 11 показана экспериментальная установка, использованная для проверки результатов во время процесса проверки.

Подробное описание изобретения

Подробное описание, приведенное ниже совместно с прилагаемыми чертежами, представлено в качестве описания предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления изобретения и не предназначено для представления только форм, в которых настоящее изобретение может быть сконструировано или использовано. В описании излагаются функции и последовательность этапов для построения и функционирования изобретения совместно с иллюстрированными вариантами осуществления. Однако следует понимать, что одинаковые или эквивалентные функции и последовательности могут выполняться с помощью различных вариантов осуществления, которые также предназначены для охвата в пределах сущности и объема изобретения.

Настоящее изобретение представляет экономичный тестер 100 аккумуляторной батареи (BUT) 150, которая проверяется во время периодов заряда и разряда для того, чтобы сохранить энергию и вычислить внутренние характеристики BUT. Как показано на фиг. 1, экономичный тестер 100 аккумуляторной батареи содержит блок 110 измерения, контроллер 140, двунаправленный преобразователь 120 мощности и блок 130 аккумулирования энергии (ESU). ESU 130 используется для хранения энергии, отбираемой из BUT 150 во время режима разряда и затем для заряда BUT 150 во время режима заряда. Двунаправленный преобразователь 120 мощности используется в качестве платформы для двунаправленного управляемого преобразования для того, чтобы обеспечить преобразование мощности из BUT 150 в ESU 130 в режиме разряда и из ESU 130 в BUT 150 в режиме заряда. Блок 110 измерения измеряет напряжение и ток для дальнейшего анализа параметров. Контроллер 140 управляет работой двунаправленного преобразователя 120 мощности для того, чтобы достичь режима заряда или разряда, и принимает результаты измерений из блока 130 измерения для вычисления внутренних параметров BUT 150 с использованием интеллектуальных алгоритмов.

Эквивалентные модели аккумуляторной батареи

Многочисленные эквивалентные модели аккумуляторной батареи можно использовать для оценки состояния работоспособности аккумуляторной батареи. Например, для быстрых измерений и грубой оценки состояния аккумуляторной батареи можно использовать работу в "быстром режиме", в то время как работу в "профессиональном режиме" можно использовать для обеспечения более точной оценки состояния аккумуляторной батареи.

Работа в "быстром режиме" используется для проведения быстрого анализа состояния аккумуляторной батареи. Как показано на фиг. 2, при работе в "быстром режиме" может использоваться простая эквивалентная модель 200 аккумуляторной батареи для определения состояния аккумуляторной батареи. Эту модель можно использовать в простых измерительных приборах с применением закона Ома для определения состояния аккумуляторной батареи. Эта модель имеет низкую сложность реализации и короткое время вычисления. Однако эти результаты будут лишь приблизительной оценкой состояния аккумуляторной батареи.

"Профессиональный режим" используется для более точной оценки состояния аккумуляторной батареи. Как показано на фиг. 3, при работе в "профессиональном режиме" может использоваться сложная эквивалентная модель 300 аккумуляторной батареи. В предпочтительном варианте, в этой эквивалентной модели аккумуляторной батареи используется идеальная аккумуляторная батарея (только конденсатор), последовательно включенный резистор 320, первая резистивно-емкостная параллельная цепь 340 и вторая резистивно-емкостная параллельная цепь 350 для лучшей оценки высокочастотной характеристики во время процесса возбуждения при переключении. Хотя здесь рассматриваются две параллельные резистивно-емкостные цепи, в эквивалентной модели аккумуляторной батареи можно добавлять или удалять параллельные резистивно-емкостные цепи, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Когда сложная эквивалентная модель 300 аккумуляторной батареи используется с усовершенствованным алгоритмом, таким как алгоритм оптимизации по методу роя частиц (PSO), можно более точно оценить внутренние параметры аккумуляторной батареи.

Способ проверки аккумуляторной батареи

Экономичный тестер 100 аккумуляторной батареи позволяет использовать множество способов проверки, в частности, экономичный тестер 100 аккумуляторной батареи позволяет использовать способы проверки, в которых применяется разряд и заряд аккумуляторной батареи. Например, в экономичном тестере 100 аккумуляторных батарей может использоваться проверка с импульсом сильного тока и/или проверка с возбуждением при переключении для того, чтобы определить внутренние параметры BUT 150. При проверке с импульсом сильного тока из BUT 150 вытекает сильный ток в течение короткого импульса. В проверке с возбуждением при переключении чередуют режимы разряда и заряда с фиксированной частотой. Эти проверки используются для получения данных измерения. Данные измерения, полученные в ходе этих проверок, используются с простыми уравнениями для получения быстрых оценок внутренних параметров аккумуляторной батареи или их можно использовать с более сложными алгоритмами оптимизации по методу роя частиц для точного определения внутренних параметров с использованием итерационного процесса.

При проверке с импульсом сильного тока импульс сильного тока вытекает из аккумуляторной батареи в течение короткого периода времени, в течение которого измеряется ток 410 и напряжение 420, и измеряются изменение 412 тока и изменение 422 напряжения. При проверке с импульсом сильного тока используется одновременно работа в "быстром режиме" и работа в "профессиональном режиме". Проверка с импульсом сильного тока используется для проверки возможности аккумуляторной батареи обеспечивать подачу питания/запускать двигатель. Например, возможность аккумуляторной батареи обеспечивать подачу питания может свидетельствовать о работе системы зажигания автомобиля, которая является основным блоком, который потребляет сильный ток из аккумуляторной батареи при запуске двигателя. Сбой подачи питания из аккумуляторной батареи может свидетельствовать о том, что автомобиль вряд ли заведется. Как показано на фиг. 4, когда сильный ток вытекает из аккумуляторной батареи, напряжение на выводах аккумуляторной батареи будет падать до некоторого уровня. Уровень падения напряжения служит индикатором, показывающим возможность подачи сильного тока в короткий промежуток времени. Поэтому изменение напряжения и ток, вытекающий из аккумуляторной батареи во время проверки с импульсом, можно использовать для оценки возможности аккумуляторной батареи обеспечивать подачу питания.

В экономичном тестере 100 аккумуляторных батарей, во время проверки с импульсом сильного тока, контроллер 140 управляет двунаправленным преобразователем 120 мощности для вывода импульсного тока из аккумуляторной батареи в ESU 130, такой как суперконденсатор. ESU 130 будет сохранять энергию, которая будет затем использоваться для зарядки аккумуляторной батареи во время процесса возбуждения при переключении. В простых тестерах аккумуляторных батарей используются нагрузки, не аккумулирующие электроэнергию (например, резистор), которые тратят впустую энергию за счет преобразования отбираемой энергии в тепло. Следовательно, этот способ генерации импульса с использованием ESU 130 позволяет уменьшить потери энергии и избежать рассматриваемых проблем во время проверки с сильным током.

В проверке с возбуждением при переключении, экономичный тестер 100 аккумуляторных батарей чередует режимы разряда и заряда с фиксированной частотой, как показано на фиг. 5. Такой процесс возбуждения при переключении предназначен для возбуждения компонентов двух параллельных RC-цепей эквивалентной модели при одновременном измерении тока 10 и напряжения 520 для определения изменения тока и изменения напряжения. Проверка с возбуждением при переключении используется при работе в "профессиональном режиме".

Процесс возбуждения при переключении не требует внешнего источника питания, так как энергия, хранящаяся в ESU 130, будет использоваться во время процесса зарядки аккумуляторной батареи. Кроме того, этот способ не требует свипирования по множеству частот, так как он работает с фиксированной частотой, например, сигнал переключения постоянного тока с частотой 100 кГц.

Алгоритм оценки состояния аккумуляторной батареи

С помощью измеренных данных можно оценить несколько показателей, включая ток холодного пуска (CCA), импеданс аккумуляторной батареи и состояние заряда (SOC). Они вычисляются различным образом при работе в "быстром режиме" и в "профессиональном режиме".

Работа в "быстром режиме" используется для быстрой оценки состояния аккумуляторной батареи. В "быстром режиме" проверка с импульсом сильного тока используется для измерения изменения напряжения и тока. Далее вычисляются внутренние характеристики с использованием простой эквивалентной модели 200 аккумуляторной батареи. Внутреннее сопротивление (R) аккумуляторной батареи вычисляется с помощью следующего уравнения с использованием изменения напряжения (ΔV) и изменения тока (ΔΙ):

Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи:

(1)

Затем вычисляется CCA на основании внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи. Ток холодного пуска может учитывать напряжение на выводах, предельное напряжение разрядки и температурную компенсацию. Например, согласно международным стандартам (IEC) для CCA, напряжение аккумуляторной батареи должно быть не менее 8,4 В при температуре -18°C (0°F). Значение CCA можно вычислить с помощью приведенного ниже уравнения, используя закон Ома с учетом температурной компенсации, используя функцию разности напряжения (V_Terminal) на выводах и предельного напряжения (V_cutoff) разрядки от скорректированной температуры:

Сила тока для холодного запуска двигателя:

(2)

Состояние заряда (SOC) аккумуляторной батареи можно оценить, используя функцию, связанную с напряжением на выводах, и справочную таблицу SOC-VOC, например, как показано на фиг. 6.

Состояние заряда:

SOC=f(V_Terminal)_temp-correct (3)

Используя простую эквивалентную модель 200 аккумуляторной батареи, изменение напряжения и измерение тока, можно быстро выполнить все вычисления, при этом результаты тестирования вычисляются в течение минимального периода времени. Однако "быстрый режим" обеспечивает только оценки состояния аккумуляторной батареи, но при этом отсутствует точность.

"Профессиональный режим" используется для более точного измерения параметров состояния аккумуляторной батареи. Для работы в "профессиональном режиме" для измерения данных используется проверка с импульсом сильного тока и проверка возбуждением при переключении. Внутренние характеристики вычисляются с использованием сложной эквивалентной модели 300 аккумуляторной батареи. Вычисления, используемые для сложной эквивалентной модели 300 аккумуляторной батареи и алгоритма оптимизации по методу роя частиц, требуют наличия больших вычислительных ресурсов и занимают много времени.

Последовательно включенный резистор Ro используется для моделирования мгновенного падения напряжения после скачкообразного изменения нагрузки. Параллельные RC-цепи, образованные резисторами R1, R2 и конденсаторами C1, C2, используются для моделирования переходной характеристики. Все эти параметры характеризуют поведение в установившемся режиме и переходном режиме аккумуляторной батареи, характеризуя множество постоянных времени.

Таким образом, постоянные времени τ_κ k-й цепи имеют вид:

τ_κ = R_kC_k (4)

Основываясь на законе Кирхгофа для напряжений, напряжения в RC-цепях имеют вид:

(5)

где V_k(t) – напряжение на C_k, и i_b, – ток аккумуляторной батареи, и k = 1 или 2.

Напряжение на выводах аккумуляторной батареи V_Terminal можно выразить в виде:

(6)

где

(7)

и SOC(θ) – состояние заряда в момент времени θ, C[SOC(θ)] – изменение емкости идеальной аккумуляторной батареи при другом SOC.

При использовании сложной эквивалентной модели 300 аккумуляторной батареи модифицированный алгоритм оптимизации по методу роя частиц используется для нахождения параметров аккумуляторной батареи без известных производных и он применим для критичных в отношении времени приложений. Алгоритм оптимизации по методу роя частиц представляет собой итерационный процесс, который имитирует поведение роя агентов, осуществляющих поиск цели. Агент в рое взаимодействует с другими агентами посредством совместного использования некоторой информации, которую он знает о цели, и использует информацию, также используемую другими агентами, для направления его поиска. По мере выполнения итераций рой имеет тенденцию сходиться по направлению к цели. Для того, чтобы избежать попадания в локальные оптимумы, и в настоящем изобретении используется модифицированный алгоритм оптимизации по методу роя частиц, который вводит возмущения. На фиг. 8 показана схема последовательности операций для работы в "профессиональном режиме", в которой используется модифицированный алгоритм оптимизации по методу роя частиц. Схема последовательности операций для модифицированного алгоритма оптимизации по методу роя частиц показана на фиг. 7.

Определение целевой функции и набора параметров

Целевая функция ε_T используется для измерения и количественной оценки разности между фактическими вольт-амперными характеристиками аккумуляторных батарей и вольт-амперной характеристикой аккумуляторной батареи, полученной с помощью электрической модели с расчетными внутренними параметрами для периода времени T:

(8)

где v_b,act(t) и i_b,act(t) – фактические напряжение и ток аккумуляторной батареи, соответственно, измеренные в момент времени t, v_b,m[t,P,i_act(t)] напряжение аккумуляторной батареи в момент времени t, вычисленное с использованием электрической модели с набором P параметров при фактическом токе аккумуляторной батареи i_b,act(t).

Набор P параметров оптимизируется с помощью предложенного модифицированного алгоритма оптимизации по методу роя частиц для того, чтобы минимизировать ε_T в уравнении (8). Вместо использования всех элементов цепи, показанной на фиг. 2, он определяется как:

(9)

где SOC(0) – SOC в начале периода.

Элементы C_k цепи можно получить, используя уравнения (4), то есть

(10)

Значение SOC вычисляется следующим образом:

(11)

Следовательно, значение v_b,m в уравнении (8) вычисляется с помощью уравнения (6) и уравнения (7). Лучший набор P_B параметров, который дает лучшие оценки для всех внутренних параметров, это набор, который дает минимальную ε_T в уравнении (8),

(12)

Операции модифицированного алгоритма PSO

Операции модифицированного алгоритма оптимизации по методу роя частиц изображены в схеме, показанной на фиг. 7. Размер совокупности наборов параметров-кандидатов, используемых в каждой генерации оптимизации, равен N. Каждый набор параметров-кандидатов, а именно частица, занимает свою позицию P_i, где i = 1, 2, N, и ассоциируется со скоростью V_i. Скорость V_i частицы в g-ой генерации V_i^(g) оптимизации вычисляется с использованием следующей формулы:

(13)

где V_i^(g-1) – скорость i-ой частицы в (g-1)-ой генерации, P_G – глобальная лучшая частица к настоящему моменту при оптимизации, P_i^(g-1) занимает позицию i-ой частицы в (g-1)-ой генерации, занимает отдельную лучшую позицию i-ой частицы к настоящему моменту, w^(g-1) ∈ (0, 1) – коэффициент обучения, определенный по позиции частиц, и его выражение приведено в приложении, и – случайно генерируемые весовые коэффициенты, равномерно распределенные между 0 и 1.

в уравнении (13) получается с использованием следующего критерия:

в то время как получается в соответствии со следующим критерием:

(15)

Используя уравнение (13), частицы обновляются с использованием следующей формулы

(16)

Частицам не разрешается превышать границы поиска, поэтому векторы скоростей частиц, которые достигают границ, меняются на противоположные. Чтобы избежать задержки поиска в локальных оптимумах, применяется метод возмущений. Алгоритм описан следующим образом. Прежде чем все частицы будут обновлены с помощью уравнения (15), новая частица создается путем внесения случайно сгенерированного возмущения в :

(17)

Если , то есть, если частица лучше, чем , заменяют на лучшую частицу в , где находится в пределах границ поиска, и выходит за границу

при условии , где i = 0..., k. (18)

В противном случае худшая частица в текущей генерации, которая определяется как:

, для i = 1,2,..., N, (19)

будет заменена на . То есть

(20)

Краткое описание этапов приводится со ссылкой на фиг. 7 следующим образом:

1) Границы поиска для каждого параметра устанавливаются для предотвращения задержки поиска.

2) Все N частиц инициируются случайным образом.

3) Все частицы оцениваются с помощью уравнения (8).

4) Новая частица создается путем внесения возмущения в лучшую частицу с использованием уравнения (37).

5) Лучшая или худшая частица будет заменена на новую частицу на основании уравнения (18) и уравнения (20).

6) Скорости всех частиц вычисляются с помощью уравнения (13), и позиции обновляются с помощью уравнения (16).

7) Процедура повторяется с этапа 2) для следующей генерации вплоть до конца итерации.

В случае сложной эквивалентной модели 300 аккумуляторной батареи параметры модели получаются путем сравнения характеристики эквивалентной модели с результатами измерения. Параметры модели включают в себя импеданс, значения RC-цепей и напряжение разомкнутой цепи (OCV). Эти параметры модели используются для точного вычисления внутренних параметров аккумуляторной батареи, в том числе импеданса, CCA и SOC. Так как эта процедура "профессионального режима" оценки параметров модели требует наличия больших вычислительных ресурсов, этот процесс может занять больше времени для получения результатов проверки, которые могут точно описать общее состояние аккумуляторной батареи. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения работа в "быстром режиме" позволяет получить оценки за несколько секунд, в то время как работа в "профессиональном режиме" дает результаты в течение двух минут.

Аппаратные средства тестера аккумуляторных батарей

На фиг. 9 показана блок-схема варианта осуществления экономичного тестера 100 аккумуляторных батарей, которую можно использовать для осуществления системы, устройств и способов, описанных в настоящем документе. Блок-схема является примерным вариантом и показана только в иллюстративных целях, а не для ограничения.

Как показано, микропроцессор 902, функционально связанный с памятью 904, управляет всей работой путем исполнения программных инструкций, которые определяют такую работу. Программные инструкции могут храниться в памяти 904 или на любом другом машиночитаемом носителе, а затем загружаться, когда требуется исполнение программных инструкций. Таким образом, этапы способа могут быть определены с помощью программной инструкции, хранящейся в памяти 904, и выполняться процессором, исполняющим инструкции компьютерной программы.

Микропроцессор 902 может включить в себя, среди прочего, процессоры специального назначения с программными инструкциями, встроенными в архитектуру процессора, и процессоры общего назначения с инструкциями в памяти 904 для управления процессором, и может быть единственным процессором или одним из нескольких процессоров. Процессор может быть автономной вычислительной системой, содержащей несколько ядер или процессоров, шину, контроллер памяти, кэш и т.д. Многоядерный процессор может быть симметричным или асимметричным. Процессор и память 904 могут включать в себя, быть вспомогательными или входить в состав одной или более специализированных интегральных микросхем (ASIC) и/или одной или более программируемых логических матриц (FPGA). Понятно, что изобретение может реализовываться с одним или более процессорами, или в группе или кластере компьютеров, объединенных в сеть для повышения возможностей обработки.

Память 904 содержит материальный машиночитаемый носитель информации. В качестве примера, а не ограничения, такой машиночитаемый носитель информации может включать в себя оперативное запоминающее устройство (RAM), быстродействующее оперативное запоминающее устройство (DRAM), статическое оперативное запоминающее устройство (SRAM), синхронное динамическое оперативное запоминающее устройство с удвоенной скоростью передачи данных (DDRRAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), электрически-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), флэш-память, постоянное запоминающее устройство на компакт-диске (CDROM), постоянное запоминающее устройство на универсальном цифровом диске (DVD-ROM), или другое оптическое дисковое запоминающее устройство, магнитное дисковое запоминающее устройство, или другие магнитные запоминающие устройства или любой другой носитель, который может использоваться для переноса или хранения необходимого средства программного кода в виде исполняемых компьютером команд, структур данных или микросхемы процессора. Когда информация переносится или передается по сети или через другое коммуникационное соединение (или проводное, беспроводное или их комбинацию) в компьютер, компьютер по существу видит соединение как машиночитаемый носитель. Таким образом, любое такое соединение по существу называется машиночитаемым носителем. Комбинации из вышеупомянутого должны быть также включены в объем машиночитаемого носителя. Память 904 может использоваться для множества целей, включая компьютерные инструкции для проведения испытаний, а также информацию о пользователях, системах, измеренных данных и/или результатах тестирований.

Интерфейс сетевой связи позволяет процессору взаимодействовать с другими устройствами по сети, такой как внутренняя сеть, и/или беспроводной сети, такой как сотовая телефонная сеть, беспроводная локальная сеть (LAN) и/или городская компьютерная сеть (MAN), и с другими устройствами, использующими любые подходящие стандарты связи, протоколы и технологии. Посредством примера, а не ограничения такие подходящие стандарты связи, протоколы и технологии могут включить в себя Ethernet, Wi-Fi (например, IEEE 802.11), Wi-MAX ^'(например, 802.16), Bluetooth, связь с малым радиусом действия ("NFC"), радиочастотные системы, связь в инфракрасном диапазоне, GSM, EDGE, HS-DPA, CDMA, TDMA, четырехдиапазонную связь (quadband), VoIP, IMAP, POP, XMPP, SIMPLE, IMPS, SMS или любые другие подходящие протоколы связи. В качестве примера, а не ограничения, сетевой интерфейс позволяет процессору передавать данные, синхронизировать информацию, обновлять программное обеспечение или выполнять любую другую подходящую операцию. В некоторых вариантах осуществления процессор передает данные измерения и/или результаты тестирования в другие вычислительные устройства. Это позволяет пользователю использовать мобильное устройство или компьютер для проверки, отправки по электронной почте, хранения и анализа данных измерений и/или результатов тестирования. В дополнение, пользователь может использовать мобильное устройство для поиска информации об аккумуляторной батарее, которую можно передать обратно в прибор для тестирования аккумуляторных батарей для тестирования.

Интерфейс ввода/вывода может использоваться совместно с устройствами ввода/вывода, которые позволяют пользователю взаимодействовать с системой. Например, выходной дисплей 940 может обеспечивать интерфейсную платформу между пользователем и прибором для тестирования аккумуляторных батарей для одновременного отображения информации и результатов тестирования. Устройство 928 ввода, такое как клавиатура и/или сенсорный экран, можно использовать для того, чтобы позволить пользователю вводить информацию, относящуюся к тестируемой аккумуляторной батарее 150, такой как CCA, емкость и тип аккумуляторной батареи. Кроме того, пользователи могут также выбирать различные функциональные возможности для тестирования и т.п. Печатающее устройство 930 может быть подключено в качестве удобного способа обмена результатами тестирований. Результаты могут быть распечатаны для целей учета операций или для того, чтобы показать покупателю состояние аккумуляторной батареи.

Микропроцессор 902 может быть также связан с дополнительными аппаратными средствами. Часы 924 реального времени могут быть подключены для обеспечения метки реального времени для результата тестирования и зарегистрированных данных. Внешний источник питания может использоваться для питания микроконтроллера 902 и блока 906 проверки состояния аккумуляторной батареи при тестировании глубоко разряженной аккумуляторной батареи. Инфракрасный датчик 918 температуры позволяет обеспечить измерение температуры окружающей среды для оценки CCA и SOC при температурной коррекции.

Микропроцессор 902 подключен к блоку 906 проверки состояния аккумуляторной батареи, который подключен к аккумуляторной батарее 150. Как показано, блок 906 проверки состояния аккумуляторной батареи содержит блок 910 защиты от обратной полярности, реле 912, блок 914 заряда и разряда с суперконденсатором и датчик 916 состояния мощности батареи. Блок 910 защиты от обратной полярности предотвращает неправильные соединения между положительным и отрицательным выводами аккумуляторной батареи во избежание ненужного повреждения. В случае неправильного подключения пользователи могут быть предупреждены миганием предупреждения на дисплее. Реле 912 представляет собой переключатель, который подключает между собой или отключает друг от друга аккумуляторную батарею 150 и ESU 130. Блок 914 заряда и разряда с суперконденсатором используется для двух этапов операции проверки, которые представляют собой проверку с импульсом сильного тока с возбуждением при переключении под управлением микропроцессора. Датчик 936 состояния мощности аккумуляторной батареи используется для измерения напряжения и тока аккумуляторной батареи. Соответствующие сигналы регистрируются с помощью микропроцессора 902 для дальнейшего анализа.

На фиг. 10 показана принципиальная схема блока 906 проверки состояния аккумуляторной батареи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано, схема содержит первый МОП-транзистор 1020, второй МОП-транзистор 1022, реле 912, катушку индуктивности 1030 и суперконденсатор 1050. Блок 910 защиты от обратной полярности соединен параллельно с аккумуляторной батареей 1040. Блоки измерения для измерения условий цепи подключены в различных точках цепи. Они включают в себя датчик 1010 напряжения, соединенный параллельно с аккумуляторной батареей 1040, датчик 1012 тока, подключенный между реле 912 и первым МОП-транзистором 1020, и датчик 1014 напряжения, соединенный параллельно с суперконденсатором 130. Эта схема выполняет функции двунаправленного потока мощности, поэтому энергия может передаваться перед аккумуляторной батареей 1040 в суперконденсатор 1050 и наоборот. Во время операции разряда энергия передается из аккумуляторной батареи 1040 в суперконденсатор 1050. Два МОП-транзистора переключаются таким образом, чтобы обеспечить работу схемы в качестве понижающего преобразователя с аккумуляторной батареей 1040, которая рассматривается в качестве источника, и с суперконденсатором 1050, который рассматривается в качестве нагрузки. Во время операции заряда энергия передается из суперконденсатора 1050 в аккумуляторную батарею 1040. Два МОП-транзистора переключаются таким образом, чтобы схема работала в качестве повышающего преобразователя с суперконденсатором 1050, который рассматривается в качестве источника, и с аккумуляторной батареей 1040, которая рассматривается в качестве нагрузки. Блок 1060 регулировки напряжения управляет МОП-транзисторами таким образом, чтобы можно было выполнить проверку с импульсом сильного тока и с возбуждением при переключении.

На фиг. 11 показана экспериментальная установка, используемая для проверки процесса испытания с использованием различных типов аккумуляторных батарей. Проверяемая аккумуляторная батарея подключается к источнику питания Magna TS80-62 1310 и к электронной вычислительной машине Hewlett Packard HP6050А с модулем нагрузки 1120 60502B. Источник 1110 питания используется для программирования зарядного тока для тестируемой аккумуляторной батареи, в то время как электронная вычислительная машина с электронной нагрузкой 1120 используется для программирования тока нагрузки, вытекающего из проверяемой аккумуляторной батареи. Эта компоновка может эмулировать реальные условия работы, где может иметь место заряд и разряд аккумуляторной батареи в приложении, таком как EV. Управление блоком 1110 питания и электронной вычислительной машиной с электронной нагрузкой 1120 осуществляется компьютером 1140 с помощью контроллера фирмы National Instruments NI 9263, который установлен на шасси 1130 NI cDAQ-9172 с использованием USB-соединения. Образцы тока программируются в компьютере 1140. Напряжение и ток аккумуляторной батареи (преобразованный в сигнал напряжения с использованием резистора 0,1 Ом) дискретизируются с помощью модуля получения и накопления данных фирмы National Instruments NI 9215, который также установлен на шасси 1130 cDAQ-172. Разрешение NI 9215 и NI 9263 является 16-разрядным при рабочем напряжении в диапазоне ± 10 В. Используя эту настройку с многочисленными образцами тока аккумуляторной батареи при многочисленных условиях SOC, исследования показали, что средние ошибки прогнозирования составляют менее 0,5% от напряжения аккумуляторной батареи. Таким образом, экономичный тестер аккумуляторных батарей доказал свою эффективность в практическом диапазоне для таких применений.

Приведенное выше описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения было представлено в целях иллюстрации и описания. Оно не должно быть исчерпывающим или ограничивающим изобретение точной раскрытой формой. В свете вышеизложенного возможны многие модификации и изменения. Например, хотя в настоящем раскрытии представлены способы проверки аккумуляторных батарей, экономичный тестер 100 аккумуляторных батарей может быть использован с любым объектом, который принимает двунаправленный поток мощности в соответствующей эквивалентной модели, такой как конденсатор или система генератора переменного тока транспортного средства. Предполагается, что объем изобретения не ограничивается этим подробным описанием, а ограничивается формулой изобретения и эквивалентами, представленными в нижеследующей формуле изобретения.

1. Тестер аккумуляторной батареи для оценки внутренних характеристик аккумуляторной батареи, содержащий:

a) по меньшей мере один датчик для измерения напряжения и тока;

b) блок аккумулирования энергии, предназначенный для временного хранения электроэнергии из аккумуляторной батареи;

c) двунаправленный преобразователь мощности для обеспечения передачи энергии между аккумуляторной батареей и блоком аккумулирования энергии;

d) контроллер для управления двунаправленным преобразователем мощности, причем контроллер содержит:

i) процессор, машиночитаемый носитель информации и инструкции, хранящиеся на указанном машиночитаемом носителе информации, которые при исполнении процессором приводят к выполнению процессором по меньшей мере одного способа проверки аккумуляторной батареи, причем указанный по меньшей мере один способ проверки аккумуляторной батареи включает передачу энергии из аккумуляторной батареи в блок аккумулирования энергии и передачу энергии из блока аккумулирования энергии в аккумуляторную батарею с использованием двунаправленного преобразователя мощности,

при этом двунаправленный преобразователь мощности выполнен с возможностью функционировать в качестве понижающего преобразователя во время разряда и в качестве повышающего преобразователя во время заряда, связан с указанной аккумуляторной батареей и содержит реле, первый МОП-транзистор и второй МОП-транзистор, причем второй МОП-транзистор соединен параллельно с катушкой индуктивности и суперконденсатором, и суперконденсатор является блоком аккумулирования энергии,

указанный по меньшей мере один способ проверки аккумуляторной батареи включает проведение проверки с импульсом сильного тока, причем указанная проверка с импульсом сильного тока включает отбор сильного тока из аккумуляторной батареи в блок аккумулирования энергии в течение короткого периода времени, возврат энергии из блока аккумулирования энергии в аккумуляторную батарею и измерение изменений напряжения и тока с помощью указанного по меньшей мере одного датчика,

указанный по меньшей мере один способ проверки аккумуляторной батареи дополнительно включает проведение проверки с возбуждением при переключении, при этом указанная проверка с возбуждением при переключении включает передачу энергии из аккумуляторной батареи в блок аккумулирования энергии и передачу энергии из блока аккумулирования энергии в аккумуляторную батарею с фиксированной частотой, и измерение напряжения и тока с помощью по меньшей мере одного датчика,

указанный по меньшей мере один способ проверки аккумуляторной батареи дополнительно содержит определение внутренних характеристик аккумуляторной батареи с использованием рекурсивного алгоритма для повышения точности электрической модели аккумуляторной батареи, причем рекурсивный алгоритм содержит:

a) инициирование набора частиц, характеризующих напряжение и ток аккумуляторной батареи, причем каждая частица имеет скорость и позицию;

b) обновление набора частиц для ряда итераций, причем обновление набора частиц включает в себя:

i) определение значения погрешности для каждой частицы с использованием функции погрешности, причем функция погрешности измеряет разность между фактическими вольт-амперными характеристиками аккумуляторной батареи и электрической моделью с расчетными внутренними параметрами для периода времени, при этом частица с самым низким значением погрешности считается лучшей частицей из набора частиц, и частица с самым высоким значением погрешности считается худшей частицей из набора частиц;

ii) создание замещающей частицы путем генерации и внесения возмущения в указанную лучшую частицу;

iii) оценку значения погрешности указанной замещающей частицы с использованием функции погрешности;

iv) замену указанной лучшей частицы в наборе частиц на замещающую частицу, если замещающая частица имеет более низкое значение погрешности, чем лучшая частица, или же замену указанной худшей частицы в наборе частиц на замещающую частицу; и

v) обновление скорости и позиции каждой частицы в наборе частиц; и

c) определение состояния заряда, тока холодного пуска и внутреннего сопротивления электрической модели аккумуляторной батареи на основе указанного набора частиц.

2. Тестер аккумуляторной батареи по п. 1, в котором определяемыми характеристиками аккумуляторной батареи являются внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, ток холодного пуска (CCA) и состояние заряда (SOC), причем внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи определяется путем оценки , где – изменение напряжения при изменении тока, измеренные при проверке с импульсом сильного тока; CCA определяется путем оценки , где V_Terminal – напряжение на выводах, V_cutoff – предельное напряжение разрядки, и f(V_Terminal-V_cutoff)_temp-correct – функция разности между напряжением на выводах и предельным напряжением разрядки от скорректированной температуры; при этом SOC определяется путем следующей оценки: SOC=f(V_Terminal)_temp-correct, где f(V_Terminal)_temp-correct - функция напряжения на выводах от скорректированной температуры.

3. Тестер аккумуляторной батареи по п. 1, в котором определение значения погрешности для каждой частицы определяется путем оценки функции ,

где ε_T – функция разности между фактическими вольт-амперными характеристиками аккумуляторной батареи и электрической моделью с расчетными внутренними параметрами для периода времени T; v_b,act(t) – фактическое напряжение аккумуляторной батареи, измеренное в момент времени t; i_b,act(t) – фактический ток аккумуляторной батареи, измеренный в момент времени t; v_b,m[t,P,i_act(t)] – напряжение аккумуляторной батареи в момент времени t, вычисленное с использованием электрической модели с набором P параметров при фактическом токе аккумуляторной батареи i_b,act(t).

4. Тестер аккумуляторной батареи по п. 3, в котором состояние заряда (SOC) в момент времени t определяется путем оценки , где SOC(0) – состояние заряда в начале периода, Q₀ – емкость полностью заряженной аккумуляторной батареи, i_b(θ) – ток аккумуляторной батареи в момент времени θ.

5. Способ проверки аккумуляторных батарей для определения внутренних характеристик, характеризующийся тем, что в схеме, содержащей контроллер, двунаправленный преобразователь мощности, блок аккумулирования энергии и по меньшей мере один датчик:

a) выполняют способ проверки аккумуляторной батареи, включающий:

i) регистрацию напряжения и тока аккумуляторной батареи;

ii) управление контроллером для передачи энергии из аккумуляторной батареи в блок аккумулирования энергии с использованием двунаправленного преобразователя мощности;

iii) управление контроллером для передачи энергии из блока аккумулирования энергии в аккумуляторную батарею с использованием двунаправленного преобразователя мощности; и

iv) измерение напряжения и тока в схеме с использованием по меньшей мере одного датчика; и

b) определяют внутренние характеристики аккумуляторной батареи на основе измеренных напряжения и тока указанной схемы,

при этом двунаправленный преобразователь мощности выполнен с возможностью функционировать в качестве понижающего преобразователя во время разряда и в качестве повышающего преобразователя во время заряда, связан с указанной аккумуляторной батареей и содержит реле, первый МОП-транзистор и второй МОП-транзистор, причем второй МОП-транзистор соединен параллельно с катушкой индуктивности и суперконденсатором, и суперконденсатор является блоком аккумулирования энергии;

выбор способов проверки аккумуляторной батареи содержит первый способ проверки аккумуляторной батареи для моделирования импульса сильного тока, при этом в течение короткого периода времени выполняют этап управления контроллером для передачи энергии из аккумуляторной батареи в блок аккумулирования энергии с использованием двунаправленного преобразователя мощности,

причем указанный выбор способов проверки аккумуляторной батареи содержит также второй способ проверки аккумуляторной батареи, чтобы воспроизводить возбуждение при переключении, при этом этапы управления контроллером для передачи энергии из аккумуляторной батареи в блок аккумулирования энергии и из блока аккумулирования энергии в аккумуляторную батарею выполняют с фиксированной частотой,

при определении внутренних характеристик аккумуляторной батареи используют рекурсивный алгоритм для повышения точности электрической модели аккумуляторной батареи, причем рекурсивный алгоритм содержит:

a) инициирование набора частиц, характеризующих напряжение и ток аккумуляторной батареи, причем каждая частица имеет скорость и позицию;

b) обновление указанного набора частиц для ряда итераций, причем обновление набора частиц содержит:

i) определение значения погрешности для каждой частицы с использованием функции погрешности, причем функция погрешности измеряет разность между фактическими вольт-амперными характеристиками аккумуляторной батареи и электрической моделью с расчетными внутренними параметрами для периода времени, при этом частица с самым низким значением погрешности считается лучшей частицей из набора частиц, и частица с самым высоким значением погрешности считается худшей частицей из набора частиц;

ii) создание заменяющей частицы путем генерации и внесения возмущения в указанную лучшую частицу;

iii) оценку значения погрешности заменяющей частицы с использованием функции погрешности;

iv) замену указанной лучшей частицы в указанном наборе частиц на заменяющую частицу, если заменяющая частица имеет более низкое значение погрешности, чем лучшая частица, или же замену худшей частицы в наборе частиц на заменяющую частицу; и

v) обновление скорости и позиции каждой частицы в указанном наборе частиц; и

c) определение состояния заряда, тока холодного пуска и внутреннего сопротивления электрической модели аккумуляторной батареи на основе указанного набора частиц.

6. Способ проверки аккумуляторных батарей по п. 5, в котором указанные внутренние характеристики содержат внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, ток холодного пуска (CCA) и состояние заряда (SOC), причем внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи определяют путем оценки , где – изменение напряжения при изменении тока, измеренные при проверке с импульсом сильного тока; CCA определяют путем оценки , где V_Terminal – напряжение на выводах, V_cutoff – предельное напряжение разрядки, и f(V_Terminal-V_cutoff)_temp-correct – функция разности между напряжением на выводах и предельным напряжением разрядки от скорректированной температуры; при этом SOC определяют путем следующей оценки: SOC=f(V_Terminal)_temp-correct, где f(V_Terminal)_temp-correct - функция напряжения на выводах от скорректированной температуры.

7. Способ проверки аккумуляторных батарей по п. 5, в котором значения погрешности каждой частицы определяют путем оценки функции , где ε_Т – функция разности между фактическими вольт-амперными характеристиками аккумуляторной батареи и электрической моделью с расчетными внутренними параметрами для периода времени T; v_b,act(t) – фактическое напряжение аккумуляторной батареи, измеренное в момент времени t; i_b,act(t) – фактический ток аккумуляторной батареи, измеренный в момент времени t; v_b,m[t,P,i_act(t)] – напряжение аккумуляторной батареи в момент времени t, вычисленное с использованием электрической модели с набором P параметров при фактическом токе аккумуляторной батареи i_b,act(t).

8. Способ проверки аккумуляторных батарей по п. 7, в котором состояние заряда (SOC) в момент времени t определяют путем оценки , где SOC (0) – состояние заряда в начале периода, Q₀ – емкость полностью заряженной аккумуляторной батареи, и i_b(θ) – ток аккумуляторной батареи в момент времени θ.

9. Тестер аккумуляторных батарей для оценки внутренних характеристик аккумуляторной батареи, содержащий:

a) по меньшей мере один датчик для измерения напряжения и тока;

b) суперконденсатор для временного хранения электроэнергии из аккумуляторной батареи;

c) двунаправленный преобразователь мощности, выполненный с возможностью функционировать в качестве понижающего преобразователя во время разряда и в качестве повышающего преобразователя во время заряда, предназначенный для обеспечения возможности передачи энергии между аккумуляторной батареей и суперконденсатором и содержащий реле, первый МОП-транзистор и второй МОП-транзистор, причем второй МОП-транзистор соединен параллельно с катушкой индуктивности и суперконденсатором;

d) контроллер для управления двунаправленным преобразователем мощности, причем контроллер содержит процессор, машиночитаемый носитель информации и инструкции, хранящиеся на машиночитаемом носителе информации, которые при их исполнении процессором приводят к выполнению процессором способа проверки аккумуляторной батареи, причем способ проверки аккумуляторной батареи включает передачу энергии из аккумуляторной батареи в указанный суперконденсатор и передачу энергии из суперконденсатора в аккумуляторную батарею с использованием двунаправленного преобразователя мощности; и

e) дисплей, причем пользовательский интерфейс на указанном дисплее обеспечивает возможность выбора способа проверки аккумуляторной батареи;

f) причем способ проверки аккумуляторной батареи выбирается из первого режима проверки, предназначенного для быстрой оценки аккумуляторной батареи, или второго режима проверки, предназначенного для точной оценки аккумуляторной батареи, при этом первый режим проверки содержит проверку с импульсом сильного тока, и второй режим проверки содержит проверку с импульсом сильного тока и проверку с возбуждением при переключении;

g) указанная проверка с импульсом сильного тока включает в себя отбор сильного тока из аккумуляторной батареи в суперконденсатор в течение короткого периода времени, возврат энергии из суперконденсатора в аккумуляторную батарею и измерение изменений напряжения и тока с использованием указанного по меньшей мере одного датчика;

h) указанная проверка с возбуждением при переключении включает в себя передачу энергии из аккумуляторной батареи в суперконденсатор и передачу энергии из суперконденсатора в аккумуляторную батарею с фиксированной частотой, и измерение напряжения и тока с использованием указанного по меньшей мере одного датчика;

i) в указанном первом режиме проверки определяется внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, ток холодного пуска (CCA) и состояние заряда (SOC), причем внутреннее сопротивление определяется путем оценки , где – изменение напряжения при изменении тока, измеренные при испытании с импульсом сильного тока; CCA определяется путем оценки , где V_Terminal – напряжение на выводах, V_cutoff – предельное напряжение разрядки, и f(V_Terminal-V_cutoff)_temp-correct – функция разности между напряжением на выводах и предельным напряжением разрядки от скорректированной температуры; при этом SOC определяется путем следующей оценки: SOC=f(V_Terminal)_temp-correct, где f(V_Terminal)_temp-correct - функция напряжения на выводах от скорректированной температуры.

j) во втором режиме проверки определяются внутренние характеристики аккумуляторной батареи с использованием рекурсивного алгоритма, для повышения точности электрической модели аккумуляторной батареи, при этом рекурсивный алгоритм включает:

i) инициирование набора частиц, характеризующих напряжение и ток аккумуляторной батареи, причем каждая частица имеет скорость и позицию;

ii) обновление указанного набора частиц для ряда итераций, при этом обновление набора частиц включает:

1) определение значения погрешности для каждой частицы с использованием функции погрешности, причем функция погрешности измеряет разность между фактическими вольт-амперными характеристиками аккумуляторной батареи и электрической моделью с расчетными внутренними параметрами для периода времени, при этом частица с самым низким значением погрешности считается лучшей частицей из набора частиц, и частица с самым высоким значением погрешности считается худшей частицей из набора частиц; значение погрешности для каждой частицы определяется путем оценки функции , где ε_Т – функция разности между фактическими вольт-амперными характеристиками аккумуляторной батареи и электрической моделью с расчетными внутренними параметрами для периода времени T, v_b,act(t) – фактическое напряжение аккумуляторной батареи, измеренное в момент времени t, i_b,act(t) – фактический ток аккумуляторной батареи, измеренный в момент времени t, v_b,m[t,P,i_act(t)] - напряжение аккумуляторной батареи в момент времени t, вычисленное с использованием электрической модели с набором P параметров при фактическом токе аккумуляторной батареи i_b,act(t);

2) создание заменяющей частицы путем генерации и внесения возмущения в указанную лучшую частицу;

3) оценку значения погрешности для заменяющей частицы с использованием функции погрешности;

4) замену указанной лучшей частицы в указанном наборе частиц на заменяющую частицу, если заменяющая частица имеет более низкое значение погрешности, чем указанная лучшая частица, или же замену указанной худшей частицы в наборе частиц на заменяющую частицу; и

5) обновление скорости и позиции каждой частицы в наборе частиц; и

iii. определение состояния заряда, тока холодного пуска и внутреннего сопротивления для электрической модели аккумуляторной батареи на основе указанного набора частиц, в результате чего указанные состояние заряда, ток холодного пуска и внутреннее сопротивление являются индикатором состояния аккумуляторной батареи.

10. Тестер аккумуляторных батарей по п. 9, который установлен в автомобиле для выполнения анализа автомобильной аккумуляторной батареи.

11. Тестер аккумуляторных батарей по п. 9, который является автономным устройством, выполненным с возможностью подключения к отдельной аккумуляторной батарее и отображения результатов проверки отдельной аккумуляторной батареи.

12. Тестер аккумуляторных батарей по п. 9, который дополнительно содержит источник питания, в результате чего источник питания подает энергию в тестер аккумуляторных батарей для того, чтобы проверить сильно разряженную батарею.