ES2382272A1 - METHOD AND MEASURING DEVICE OF THE STATE OF CHARGE AND THE STATE OF BATTERY HEALTH. - Google Patents
METHOD AND MEASURING DEVICE OF THE STATE OF CHARGE AND THE STATE OF BATTERY HEALTH. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2382272A1 ES2382272A1 ES200902187A ES200902187A ES2382272A1 ES 2382272 A1 ES2382272 A1 ES 2382272A1 ES 200902187 A ES200902187 A ES 200902187A ES 200902187 A ES200902187 A ES 200902187A ES 2382272 A1 ES2382272 A1 ES 2382272A1
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- battery
- signal
- state
- charge
- health
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000036541 health Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000003862 health status Effects 0.000 claims description 7
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 abstract 1
- 229920000729 poly(L-lysine) polymer Polymers 0.000 description 14
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
-
- G01R31/3679—
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Método y aparato de medida del estado de carga y del estado de salud de baterías.Se propone un método y un aparato de medida para determinar el estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) de baterías recargables. Está demostrado en el estado de la técnica que la impedancia interna de las baterías depende de su estado de carga y de su estado de salud. El método consiste en medir el desfase que se produce en una señal senoidal cuando circula a través de la batería debido a la variación de la impedancia de la misma. El aparato de medida consiste en un lazo de enganche en fase (PLL): mediante su oscilador controlado por tensión interno (VCO) se genera una señal periódica, y mediante su comparador de fases interno se determina el desfase. El método es una simplificación de la técnica espectroscopía de impedancias, con aplicación en sistemas portátiles o móviles.Method and device for measuring the state of charge and state of health of batteries. A method and device for measuring the state of charge (SoC) and state of health (SoH) of rechargeable batteries is proposed. It has been shown in the state of the art that the internal impedance of batteries depends on their state of charge and their state of health. The method consists of measuring the phase shift that occurs in a sinusoidal signal when it circulates through the battery due to the variation of its impedance. The measurement device consists of a phase-locked loop (PLL): a periodic signal is generated by its internal voltage-controlled oscillator (VCO), and the phase offset is determined by its internal phase comparator. The method is a simplification of the impedance spectroscopy technique, with application in portable or mobile systems.
Description
Método y aparato de medida del estado de carga y del estado de salud de baterías.Method and apparatus for measuring the state of charge and of the state of health of batteries.
La presente invención se refiere a un método y a un aparato para la determinación del estado de carga y salud de baterías recargables. La presente invención tiene aplicación en el campo de de los aparatos electrónicos móviles o portátiles y en el sector de la automoción.The present invention relates to a method and to an apparatus for determining the state of charge and health of rechargeable batteries. The present invention has application in the field of mobile or portable electronic devices and in the automotive sector
Dos parámetros de importancia en la caracterización y descripción de baterías son su estado de carga (SoC - state of charge en inglés) y su estado de salud (SoH - state of Health en inglés). El estado de carga (SoC) indica la energía disponible en una batería. El estado de salud (SoH) indica el desgaste o degradación de la batería, y por ende, su capacidad de almacenar energía.Two important parameters in the battery characterization and description are its state of charge (SoC - state of charge in English) and your state of health (SoH - state of Health in English). The state of charge (SoC) indicates the energy Available in a battery. Health status (SoH) indicates the wear or degradation of the battery, and therefore, its ability to store energy
La determinación precisa del SoC y del SoH de
pilas y baterías es de especial importancia en los sistemas
eléctricos o electrónicos que se alimentan de estas fuentes de
energía. En especial, en sistemas móviles, desde teléfonos a
automóviles eléctricos. La importancia de conocer el SoC y el SoH
radica en poder predecir con precisión cuando será conveniente
recargar la batería para evitar la interrupción indeseada del
funcionamiento del sistema eléc-
trico.The precise determination of the SoC and SoH of batteries is especially important in electrical or electronic systems that are powered by these energy sources. Especially, in mobile systems, from phones to electric cars. The importance of knowing the SoC and SoH lies in being able to predict precisely when it will be convenient to recharge the battery to avoid unwanted interruption of the operation of the electrical system
trico.
Se han propuesto numerosos métodos para la determinación del SoC [1] y del SoH. Algunos de ellos son básicamente académicos mientras otros son usados en los equipos electrónicos actuales. Se describen brevemente las técnicas más comunes:Numerous methods have been proposed for the determination of SoC [1] and SoH. Some of them are basically academics while others are used in teams Current electronics The most brief techniques are described common:
Test de descarga, para determinar la capacidad total de la batería cuando es nueva. Es un test sencillo pero se tiene que desconectar la batería, modifica el estado de la batería y es de larga duración.Discharge test, to determine the capacity Total battery when it is new. It's a simple test but it you have to disconnect the battery, modify the battery status and It is long lasting.
Medida de la carga inyectada en la batería. Es muy precisa siempre y cuando se lleven a cabo recalibraciones de las medidas. Una invención reciente basada en este método se describe en la patente USPTO 2009/0132186 [2].Measurement of the charge injected into the battery. Is very accurate as long as recalibrations of the measurements. A recent invention based on this method is described in USPTO 2009/0132186 [2].
Medida de la tensión de la batería en circuito abierto. Es económica, de fácil implementación, de medida in-situ, pero requiere que la batería esté inactiva durante un largo periodo de tiempo para que la medida sea precisa.Measurement of battery voltage in open circuit. It is economical, easy to implement, in-situ measurement, but requires that the battery be inactive for a long period of time for the measurement to be accurate.
Determinación a partir de algoritmos externos o tablas de calibración. Se requiere un algoritmo o tabla para cada batería.Determination based on external algorithms or calibration tables An algorithm or table is required for each drums.
Medida de la impedancia es efectiva para determinar el estado de carga y de salud pero es muy cara. Una invención reciente se propone en JP2004311257A [3].Impedance measurement is effective for determine the state of charge and health but it is very expensive. A Recent invention is proposed in JP2004311257A [3].
Para mejorar la determinación del SoC o del SoH se pueden combinar varias técnicas en un aparato tal como se propone en la invención EP1933159A2 [4], en la cual se mide la tensión, la impedancia y se determina el SoC y el SoH a partir de un algoritmo.To improve the determination of SoC or SoH several techniques can be combined in an apparatus as proposed in the invention EP1933159A2 [4], in which the voltage is measured, the impedance and the SoC and SoH are determined from a algorithm.
Conforme se desprende de las metodologías posibles para determinar el estado de carga y de salud, la medida de impedancia es una buena elección si se consigue aplicar a un coste económico y energético reducido. La invención propuesta persigue reunir estas dos premisas.As it follows from the methodologies possible to determine the state of burden and health, the extent of impedance is a good choice if you can apply at a cost Economical and reduced energy. The proposed invention pursues meet these two premises.
Desde un punto de vista electroquímico es conocida la dependencia de la impedancia de la batería con su carga interna y con su desgaste [5]. La impedancia de la batería es sensible a las variaciones del SoC y del SoH.From an electrochemical point of view it is known the dependence of the impedance of the battery with its charge internal and with its wear [5]. The impedance of the battery is sensitive to SoC and SoH variations.
Conforme a esta conclusión previa, la monitorización de la impedancia de la batería es de especial interés para determinar el SoC y el SoH por su fiabilidad. La impedancia se puede determinar con precisión mediante la técnica de espectroscopia de impedancias, que es eficaz y está bien establecida a nivel de laboratorio. Su aplicación práctica a sistemas móviles no se ha desarrollado debido a que los equipos necesarios para su medida son de envergadura y de alto consumo.According to this previous conclusion, the Battery impedance monitoring is of special interest to determine SoC and SoH for their reliability. Impedance is can be accurately determined by spectroscopy technique of impedances, which is effective and well established at the level of laboratory. Its practical application to mobile systems has not been developed because the necessary equipment for its measurement are of size and high consumption.
La impedancia interna de la batería es, desde un punto de vista electroquímico, un parámetro complejo. Para simplificar su análisis, se han propuesto numerosos modelos eléctricos equivalentes para describir el comportamiento de celdas electroquímicas [6, 7] en diferentes casos. En general, un mayor grado de complejidad del modelo permite una mejor descripción de los fenómenos a costa de complicar también la caracterización física de la batería. Ha sido demostrada la relación entre modelos eléctricos simples de impedancias y el estado de carga [8] y el estado de salud [9] de las mismas baterías.The internal impedance of the battery is, from a electrochemical point of view, a complex parameter. For Simplify your analysis, numerous models have been proposed Electrical equivalents to describe the behavior of cells electrochemical [6,7] in different cases. In general, a major The degree of complexity of the model allows a better description of the phenomena at the expense of complicating also the physical characterization of Battery. The relationship between electric models has been demonstrated simple impedances and load status [8] and health status [9] of the same batteries.
Uno de los componentes importantes comprendido en la invención es un lazo de enganche en fase (PLL - Phase-Locked Loop en inglés). Un PLL es un sistema de control que genera una señal alterna y compara su fase con una señal externa. Múltiples fabricantes comercializan PLLs tanto con salidas analógicas (por ejemplo el integrado LM565) como digitales (por ejemplo, integrados de la familia 4046).One of the important components included in the invention it is a phase hitch loop (PLL - Phase-Locked Loop in English). A PLL is a system of control that generates an alternating signal and compares its phase with a external signal Multiple manufacturers market PLLs with both analog outputs (for example the integrated LM565) as digital (for example, integrated from family 4046).
El uso de sistemas PLL en sistemas de gestión de potencia de baterías se ha limitado al control del proceso de carga de la batería, ajustando la inyección de carga mediante un bombeo de corriente [10, 11].The use of PLL systems in management systems Battery power has been limited to the control of the charging process of the battery, adjusting the load injection by pumping current [10, 11].
Con la invención se busca llevar a cabo un método de medida de elevada precisión, que tenga tanto un consumo energético bajo para su funcionamiento como un coste económico bajo en relación al equipo en el cual estará integrado. Pues, actualmente no está desarrollado comercialmente ningún sistema compacto que se base en este principio por la complejidad de la medida.The invention seeks to carry out a high precision measurement method, which has both a consumption low energy for operation as a low economic cost in relation to the team in which it will be integrated. Well, currently no compact system is commercially developed that based on this principle for the complexity of the measure.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
[1] V. Pop, H. J. Bergveld, P. H. L. Notten and P. P. L. Regtien, "State-of-the-art of battery state-of-charge determination", Measurement Science & Technology 16 (2005) pp. R93-R110.[1] V. Pop , HJ Bergveld , PHL Notten and PPL Regtien , "State-of-the-art of battery state-of-charge determination", Measurement Science & Technology 16 ( 2005 ) pp. R93-R110.
[2] D. Esnard, J. Walley and S. Sanya, "Method And System For Reporting Battery Status Based On Current Estimation" Patent: USPTO 2009/0132186 A1, May 21 (2009).[2] D. Esnard , J. Walley and S. Sanya , "Method And System For Reporting Battery Status Based On Current Estimation" Patent: USPTO 2009/0132186 A1, May 21 ( 2009 ).
[3] Mitsubishi Motor, "Internal-impedance estimation apparatus of battery, estimates internal impedance of battery in transient state and steady state, based on detected voltage, electric current and charge state of battery", Patent: JP2004311257-A (2004).[3] Mitsubishi Motor, "Internal-impedance estimation apparatus of battery, estimates internal impedance of battery in transient state and steady state, based on detected voltage, electric current and charge state of battery", Patent: JP2004311257-A ( 2004 ).
[4] N. C. Iwane, K. C. Chikazawa and K. C. Morii, "Method and device for determining state of battery, and battery power supply system therewith" Patent: EP 1 933 159 A2 Bulletin 2008/25 (2008).[4] NC Iwane , KC Chikazawa and KC Morii , "Method and device for determining state of battery, and battery power supply system therewith" Patent: EP 1 933 159 A2 Bulletin 2008/25 ( 2008 ).
[5] U. Troltzsch, O. Kanoun and H. Trankler, "Characterizing aging effects of lithium ion batteries by impedance spectroscopy", Electrochimica Acta, 51, (2006) pp. 1664-1672.[5] U. Troltzsch , O. Kanoun and H. Trankler , "Characterizing aging effects of lithium ion batteries by impedance spectroscopy", Electrochimica Acta , 51 , ( 2006 ) pp. 1664-1672.
[6] S. Santhanagopalan, Q. Z. Guo, P. Ramadass and R. E. White, "Review of models for predicting the cycling performance of lithium ion batteries", J. Power Sources 156 (2006) pp. 620-628.[6] S. Santhanagopalan , QZ Guo , P. Ramadass and RE White , "Review of models for predicting the cycling performance of lithium ion batteries", J. Power Sources 156 ( 2006 ) pp. 620-628.
[7] R. Rao, S. Vrudhula and D. N. Rakhmatov, "Battery modeling for energy-aware system design", Computer, 36 (2003) pp. 77-81.[7] R. Rao , S. Vrudhula and DN Rakhmatov , "Battery modeling for energy-aware system design", Computer , 36 ( 2003 ) pp. 77-81.
[8] A. Cuadras and O. Kanoun, "SoC li-ion battery monitoring with impedance spectroscopy", in 6th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices, 2009. SSD '09. pp. 1-5.[8] A. Cuadras and O. Kanoun , "SoC li-ion battery monitoring with impedance spectroscopy", in 6th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices , 2009 . SSD '09. pp. 1-5.
[9] A. Cuadras, U. Troltzsch and O. Kanoun, "Low energy budget battery monitoring", in XXII Eurosensors (2008) pp. 1490-1493.[9] A. Cuadras , U. Troltzsch and O. Kanoun , "Low energy budget battery monitoring", in XXII Eurosensors ( 2008 ) pp. 1490-1493.
[10] L. R. Chen, "PLL-based battery charge circuit topology", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51 (2004) pp. 1344-1346.[10] LR Chen , "PLL-based battery charge circuit topology", IEEE Transactions on Industrial Electronics , 51 ( 2004 ) pp. 1344-1346.
[11] L. R. Chen, J. J. Chen, N. Y. Chu and G. Y. Han, "Current-pumped battery charger", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55 (2008) pp. 2482-2488.[11] LR Chen , JJ Chen , NY Chu and GY Han , "Current-pumped battery charger", IEEE Transactions on Industrial Electronics , 55 ( 2008 ) pp. 2482-2488.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
La invención consiste en un método y un aparato de medida para determinar el estado de carga y de salud de baterías.The invention consists of a method and an apparatus of measurement to determine the state of charge and health of batteries
A partir de la técnica de la espectroscopia de impedancias, cuyo esquema general se ilustra en la Figura 1, la invención propone una simplificación del método para tener un aparato de medida compacto. Si en la espectroscopia se hace un barrido en frecuencia, el método propone inyectar múltiples señales alternas de diferentes frecuencias (de forma discreta y en número bajo en comparación con un barrido) para determinar la impedancia compleja de la batería electroquímica.From the spectroscopy technique of impedances, whose general scheme is illustrated in Figure 1, the invention proposes a simplification of the method to have a compact measuring device. If a spectroscopy is done frequency scanning, the method proposes to inject multiple signals alternates of different frequencies (discreetly and in number low compared to a sweep) to determine the impedance electrochemical battery complex.
El método consiste en determinar el estado de salud y de carga a partir de medir la diferencia de fase entre una señal de tensión de referencia senoidal a la entrada de la batería y una señal de tensión medida a la salida de la batería. El desfase entre las dos señales es debida a la impedancia compleja interna de la batería. La impedancia interna de la batería depende del SoC y del SoH de la batería.The method is to determine the status of health and load from measuring the phase difference between a sine reference voltage signal at the battery inlet and a voltage signal measured at the battery outlet. The lag between the two signals is due to the complex internal impedance of Battery. The internal impedance of the battery depends on the SoC and SoH battery.
El aparato de medida de la invención comprende:The measuring device of the invention understands:
Un lazo de enganche en fase (PLL), analógico o digital, cuyas funciones asignadas son:A loop in phase (PLL), analog or digital, whose assigned functions are:
- generar una señal alterna, cuadrada en el caso que sea digital o senoidal en el caso que sea analógico, de frecuencia prefijada mediante su oscilador controlado por tensión interno (VCO),generate a alternating signal, square in the case that it is digital or sinusoidal in the case that is analog, of predetermined frequency by means of its internal voltage controlled oscillator (VCO),
- comparar las fases de dos señales de entrada.compare the phases of two input signals.
Un filtro para convertir la señal cuadrada generada por el oscilador en una señal senoidal, en caso de usar un PLL digital que genere una señal cuadrada.A filter to convert the square signal generated by the oscillator in a sinusoidal signal, in case of using a Digital PLL that generates a square signal.
Un amplificador de potencia para amplificar la potencia de la señal senoidal.A power amplifier to amplify the power of the sine signal.
Un comparador de dos entradas, para convertir la señal senoidal de referencia del amplificador a señal cuadrada y la señal senoidal perturbada en la batería en señal cuadrada, en caso de usar un PLL digital.A two-way comparator, to convert the reference sine signal of the amplifier to square signal and the Sine signal disturbed in the battery in square signal, in case of using a digital PLL.
Un controlador que,A controller that,
- fija la tensión de referencia del VCO de manera que el oscilador genere una señal con una frecuencia predeterminada y,set the tension VCO reference so that the oscillator generates a signal with a predetermined frequency and,
- determina el SoC y el SoH en función de la variación de fase entre las señales de referencia y de la batería.determine the SoC and the SoH as a function of the phase variation between the signals of Reference and battery.
El método se ha implementado mediante un aparato de medida, descrito en la Figura 2. Se detallan los componentes de la implementación que se ha verificado. A partir de un PLL (2) comercial digital (modelo 4046), se usa el oscilador controlado por tensión (VCO) interno (3) para generar una señal cuadrada cuya frecuencia se fijará mediante un nivel de tensión establecido por el controlador (8). El lazo de enganche en fase (PLL) se ha alimentado a 6 V; en general, los PLLs digitales funcionan en el rango de tensiones de 3 a 15 V.The method has been implemented using a device of measurement, described in Figure 2. The components of the implementation that has been verified. From a PLL (2) commercial digital (model 4046), the oscillator controlled by internal voltage (VCO) (3) to generate a square signal whose frequency shall be set by a voltage level set by the controller (8). The hitch loop in phase (PLL) has been powered at 6 V; In general, digital PLLs work in the range of voltages from 3 to 15 V.
Para medir adecuadamente el desfase introducido por la impedancia de la batería es preferible inyectar una señal senoidal. Por este motivo, la señal cuadrada generada por el oscilador del PLL se filtra mediante un filtro (4), (en el montaje desarrollado mediante un filtro de segundo orden) para conseguir una señal senoidal de frecuencia fijada.To properly measure the lag introduced due to the impedance of the battery it is preferable to inject a signal sine. For this reason, the square signal generated by the PLL oscillator is filtered by a filter (4), (in the assembly developed using a second order filter) to get a frequency sinusoidal signal set.
Debido a que la impedancia interna de la mayoría de baterías es inferior a 10\Omega, la corriente que subministra el PLL no es suficiente por lo que es conveniente amplificar la señal mediante un amplificador de potencia (5).Because the internal impedance of the majority of batteries is less than 10 \ Omega, the current that supplies the PLL is not enough so it is convenient to amplify the signal through a power amplifier (5).
Esta señal senoidal amplificada se inyecta a la batería (1) y se recoge la señal de salida en un comparador (6) (se ha usado un comparador simple de lazo abierto unipolar basado en un amplificador operacional) para recuperar una señal cuadrada.This amplified sinusoidal signal is injected into the battery (1) and the output signal is collected in a comparator (6) (it has used a simple unipolar open loop comparator based on a operational amplifier) to recover a square signal.
Para evitar que la batería se descargue a través del aparato de medida, se debe colocar un condensador en serie con la batería para cortar el flujo de corriente continua.To prevent the battery from discharging through of the measuring device, a capacitor must be placed in series with the battery to cut the flow of direct current.
Se compara la fase de la señal de referencia que se inyecta a la batería con la fase de la señal de salida de la batería en el comparador de fase (7) del PLL. La tensión de salida del comparador es recogida por el controlador (8) que, en función de los datos recogidos, determinará el estado de salud y el estado de carga.The phase of the reference signal that the battery is injected with the phase of the output signal of the battery in the phase comparator (7) of the PLL. Output voltage of the comparator is collected by the controller (8) which, depending on The data collected will determine the state of health and the state of load.
En la Figura 3, se ilustran los resultados experimentales obtenidos para una batería de Li-ion ML2016: la curva de referencia inyectada por el amplificador a la batería, la señal desfasada a la salida de la batería y la señal resultante de la comparación de los desfases de las dos señales anteriores.In Figure 3, the results are illustrated Experimental obtained for a Li-ion battery ML2016: the reference curve injected by the amplifier to the battery, the signal out of date at the output of the battery and the signal resulting from the comparison of the offset of the two signals previous.
En la Figura 4 se ilustran los resultados experimentales obtenidos para una batería de Li-ion ML2016 muy degradada y completamente cargada: la curva de referencia inyectada por el amplificador a la batería, la señal desfasada a la salida de la batería y la señal resultante de la comparación de los desfases de las dos señales anteriores.The results are illustrated in Figure 4 Experimental obtained for a Li-ion battery ML2016 very degraded and fully charged: the reference curve injected by the amplifier to the battery, the signal out of phase to the battery output and the signal resulting from the comparison of Offsets of the two previous signals.
En la Figura 5 se ilustran los resultados experimentales obtenidos para una batería de Li-ion ML2016 muy degradada y completamente descargada: la curva de referencia inyectada por el amplificador a la batería, la señal desfasada a la salida de la batería y la señal resultante de la comparación de los desfases de las dos señales anteriores.The results are illustrated in Figure 5 Experimental obtained for a Li-ion battery ML2016 very degraded and completely unloaded: the curve of reference injected by the amplifier to the battery, the signal out of date at the battery outlet and the signal resulting from the comparison of the offsets of the two previous signals.
La comparación entre las Figura 3 y Figura 5 ilustra la diferencia entre las señales de salida del comparador debido a las diferencias de fase entre las señales de referencia y las señales perturbadas para una batería nueva y una batería degradada, o lo que es lo mismo, el efecto del estado de salud (SoH) sobre la medida de la impedancia. La comparación entre las Figura 4 y Figura 5 ilustra la diferencia entre las señales de salida del comparador debido a las diferencias de fase entre las señales de referencia y las señales perturbadas para la batería completamente cargada y la batería completamente descarga. Esta comparación da lugar a una indicación del SoC. El ancho del pulso para la Figura 3 es de 30º. Para la Figura 4 es de 45º. Para la Figura 5 es de 50.5º. Tal como se había puesto de manifiesto en [9] en el análisis de baterías ML2016 mediante el uso de un analizador de impedancias, los efectos del estado de salud sobre la impedancia de la batería son manifiestamente más significativos que los efectos del estado de carga.The comparison between Figure 3 and Figure 5 illustrates the difference between the comparator's output signals due to the phase differences between the reference signals and Disturbed signals for a new battery and a battery degraded, or what is the same, the effect of health status (SoH) on the measure of impedance. The comparison between Figure 4 and Figure 5 illustrates the difference between the output signals of the comparator due to phase differences between the signals of reference and the signals disturbed for the battery completely charged and the battery completely discharges. This comparison gives place to an indication of the SoC. The pulse width for Figure 3 It is 30º. For Figure 4 it is 45º. For Figure 5 it is 50.5º. As it had been revealed in [9] in the analysis of ML2016 batteries by using an impedance analyzer, the Health status effects on battery impedance are manifestly more significant than the effects of the state of load.
Para determinar la relación entre estado de carga y de salud, es necesario conocer para cada tipo de baterías, el comportamiento general de la impedancia en función del SoC y del SoH. Este comportamiento se introduce en el controlador para tener una curva de calibración para cada tipo de batería.To determine the relationship between state of charge and health, it is necessary to know for each type of batteries, the general behavior of the impedance depending on the SoC and the SoH This behavior is introduced into the controller to have a calibration curve for each type of battery.
Para determinar el estado de carga (SoC), se observará la variación de fase durante el proceso de descarga, desde plena carga hasta llegar a plena descarga para fijar los límites de la curva. El proceso es reversible, es decir, cuando se carga la batería, el desfase disminuye.To determine the state of charge (SoC), observe the phase variation during the download process, from full load until full discharge is reached to set the limits of the curve. The process is reversible, that is, when the battery, the offset decreases.
Para caracterizar el estado de salud (SoH), se mide el desfase con la batería plenamente cargada. La variación del desfase en función del número de ciclos de carga y descarga fija la evolución del estado de salud.To characterize the state of health (SoH), it Measure the offset with the battery fully charged. The variation of offset depending on the number of charge and discharge cycles fixed the evolution of the state of health.
El sistema se ha probado en baterías de litio, cuya impedancia varía exponencialmente con el estado de salud y linealmente para el SoC (Referencias [8, 9] del estado de la técnica).The system has been tested on lithium batteries, whose impedance varies exponentially with the state of health and linearly for the SoC (References [8, 9] of the state of the technique).
Conforme a la invención, es ahora posible disponer de un sistema compacto de bajo consumo para determinar el estado de carga y de salud y que funciona de manera discontinua.According to the invention, it is now possible have a compact low consumption system to determine the state of charge and health and that works discontinuously.
Conforme a la invención descrita, se derivan diferentes ventajas del método propuesto respecto a los sistemas descritos en el estado de la técnica:According to the described invention, they are derived different advantages of the proposed method over systems described in the state of the art:
Respecto de los sistemas de medidas de corriente e integración de carga, que trabajan de forma ininterrumpida, la invención propuesta puede hacer la medida de manera discontinua y con la frecuencia que se establezca conveniente.Regarding current measurement systems and load integration, which work continuously, the proposed invention can make the measurement discontinuously and as often as is convenient.
Respecto de los sistemas de medida de tensión, los resultados de esta invención son más robustos, pues la tensión como único parámetro ha demostrado una variabilidad respecto de muchos factores, como la temperatura, la corriente de operación además del estado de carga o del estado de salud. Además, las medidas se pueden realizar de forma más rápida y repetida.Regarding voltage measurement systems, The results of this invention are more robust, since the tension as the only parameter it has demonstrated a variability with respect to Many factors, such as temperature, operating current in addition to the state of charge or the state of health. In addition, the Measurements can be performed more quickly and repeatedly.
La señal de medida de la batería es de baja tensión (del orden de los mV) y la corriente se ajusta al mínimo necesario en función de cada batería. De esta manera, la perturbación de la batería debido a la medida eléctrica se mantiene en un mínimo.The measurement signal of the battery is low voltage (of the order of mV) and the current is set to the minimum necessary depending on each battery. In this way, the battery disturbance due to electrical measurement is maintained At a minimum.
El sistema puede funcionar a tensiones muy bajas, limitadas por las condiciones de operación del PLL.The system can operate at very high voltages. low, limited by the operating conditions of the PLL.
La Figura 1 ilustra el funcionamiento general del análisis mediante espectroscopia de impedancias.Figure 1 illustrates the general operation of the analysis by impedance spectroscopy.
La Figura 2 ilustra los componentes que conforman la invención.Figure 2 illustrates the components that make up the invention.
La Figura 3 ilustra los resultados
experimentales de desfase medido para una batería electroquímica
nueva de
Li-ion ML2016 completamente
descargada.Figure 3 illustrates the experimental measured offset results for a new electrochemical battery of
ML2016 Li-ion completely discharged.
La Figura 4 ilustra los resultados experimentales de desfase medido para una batería electroquímica de Li-ion ML2016 muy degradada y completamente cargada.Figure 4 illustrates the results experimental phase offset measured for an electrochemical battery of ML2016 Li-ion very degraded and completely loaded
La Figura 5 ilustra los resultados experimentales de desfase medido para una batería electroquímica de Li-ion ML2016 muy degradada y completamente cargada.Figure 5 illustrates the results experimental phase offset measured for an electrochemical battery of ML2016 Li-ion very degraded and completely loaded
Claims (6)
- --
- Un generador de señal analógico, que genera una señal senoidal, de amplitud y frecuencia seleccionables.A analog signal generator, which generates a sinusoidal signal, of Selectable amplitude and frequency.
- --
- Un amplificador de potencia si la señal senoidal del generador no es capaz de inyectar la corriente necesaria en la batería para recuperar una señal senoidal.A power amplifier if the generator sine signal is not able to inject the necessary current into the battery to Recover a sine signal.
- --
- Un comparador de fase para la determinación del desfase entre la señal de entrada y de salida de la batería.A phase comparator for determining the offset between the signal of input and output of the battery.
- --
- Un controlador para determinar el estado de salud (SoH) y del estado de carga (SoC) de la batería sobre la base del desfase que se produce y con base en valores de referencia consignados.A controller to determine the state of health (SoH) and the state of battery charge (SoC) based on the lag that occurs and based on set reference values.
- --
- Un controlador para fijar la frecuencia de la señal del generador en función del resultado de la medida del desfase determinado por el mismo controlador.A controller to set the frequency of the generator signal to function of the offset measurement result determined by the same controller.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- Un generador de señal digital, que genera una señal cuadrada, de amplitud y frecuencia seleccionables.A digital signal generator, which generates a square signal, of Selectable amplitude and frequency.
- --
- Un convertidor de señal cuadrada a senoidal.A square to sine signal converter.
- --
- Un amplificador de potencia si la señal senoidal del generador no es capaz de inyectar la corriente necesaria en la batería para recuperar a la salida una señal senoidal.A power amplifier if the generator sine signal is not able to inject the necessary current into the battery to recover a sinusoidal signal at the output.
- --
- Un convertidor de señal senoidal a cuadrada.A Sine to square signal converter.
- --
- Un comparador de fase para la determinación del desfase entre la señal cuadrada de entrada y la señal cuadrada de salida de la batería.A phase comparator for determining the offset between the signal square input and the square output signal of the drums.
- --
- Un controlador para determinar el estado de salud (SoH) y del estado de carga (SoC) de la batería sobre la base del desfase que se produce y con base en valores de referencia consignados.A controller to determine the state of health (SoH) and the state of battery charge (SoC) based on the lag that occurs and based on set reference values.
- --
- Un controlador para fijar la frecuencia de la señal del generador en función del resultado de la medida del desfase determinado por el mismo controlador.A controller to set the frequency of the generator signal to function of the offset measurement result determined by the same controller.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200902187A ES2382272B1 (en) | 2009-11-13 | 2009-11-13 | METHOD AND MEASURING DEVICE OF THE STATE OF CHARGE AND THE STATE OF BATTERY HEALTH |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200902187A ES2382272B1 (en) | 2009-11-13 | 2009-11-13 | METHOD AND MEASURING DEVICE OF THE STATE OF CHARGE AND THE STATE OF BATTERY HEALTH |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2382272A1 true ES2382272A1 (en) | 2012-06-06 |
| ES2382272B1 ES2382272B1 (en) | 2013-05-07 |
Family
ID=46086129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200902187A Active ES2382272B1 (en) | 2009-11-13 | 2009-11-13 | METHOD AND MEASURING DEVICE OF THE STATE OF CHARGE AND THE STATE OF BATTERY HEALTH |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2382272B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111983477A (en) * | 2020-08-24 | 2020-11-24 | 哈尔滨理工大学 | Lithium ion battery safety degree estimation method and estimation device based on impedance spectrum model |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4185881A4 (en) | 2020-07-24 | 2024-08-14 | Analog Devices International Unlimited Company | TRACKING THE CHARGE STATE OF A NON-RECHARGEABLE BATTERY USING IMPEDANCE SPECTROSCOPY |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060170397A1 (en) * | 2005-01-28 | 2006-08-03 | Rengaswamy Srinivasan | Battery healty monitor |
-
2009
- 2009-11-13 ES ES200902187A patent/ES2382272B1/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060170397A1 (en) * | 2005-01-28 | 2006-08-03 | Rengaswamy Srinivasan | Battery healty monitor |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Cuadras et al. 'SoC Li-ion battery monitoring with impedance spectroscopy'. 6th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices, 2009. SSD '09. IEEE, Piscataway, NJ, USA. 23.03.2009. ISBN 978-1-4244-4345-1. Todo el document o. * |
| Huet. 'A review of impedance measurements for determination of the state-of-charge or state-of-health of secondary batteries'. Journal of Power Sources Vol. 70, páginas 59-69 ,ELSEVIER SA CH, 30.01.1998. doi. Todo el documento. * |
| 'Phase detector'. Artículo Wikipedia. Documento recuperado de internet [recuperado el 31.05.2012]. 08.09.2009. Todo el documento * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111983477A (en) * | 2020-08-24 | 2020-11-24 | 哈尔滨理工大学 | Lithium ion battery safety degree estimation method and estimation device based on impedance spectrum model |
| CN111983477B (en) * | 2020-08-24 | 2022-09-02 | 哈尔滨理工大学 | Lithium ion battery safety degree estimation method and estimation device based on impedance spectrum model |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2382272B1 (en) | 2013-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2917177T3 (en) | Method and apparatus for determining the state of health and state of charge of lithium sulfur batteries | |
| CN106461732B (en) | Method for estimating state of health of battery | |
| US10191118B2 (en) | Battery DC impedance measurement | |
| CN102066964B (en) | For determining the system and method for battery state of charge | |
| Schwarz et al. | Sensorless battery cell temperature estimation circuit for enhanced safety in battery systems | |
| ES3044040T3 (en) | Device for assessing degree of degradation of secondary battery and assembled battery | |
| US9537325B2 (en) | Battery state estimation system, battery control system, battery system, and battery state estimation method | |
| US9551757B2 (en) | Measuring devices of remaining battery life and measuring methods thereof | |
| CN108291944B (en) | battery management device | |
| US20140266228A1 (en) | Active measurement of battery equivalent series resistance | |
| TW202204926A (en) | Battery management device, battery management method | |
| KR20160004077A (en) | Method and apparatus for estimating state of battery | |
| US10073144B2 (en) | Method of determining the state of charge of a battery of an electronic appliance | |
| ES2382272A1 (en) | METHOD AND MEASURING DEVICE OF THE STATE OF CHARGE AND THE STATE OF BATTERY HEALTH. | |
| EP2767842B1 (en) | State of charge estimation based on battery discharge model | |
| Boukhal et al. | Implementation of a lithium-ion battery state of charge estimation algorithm for BMS on the real time target NI myRio | |
| Baronti et al. | FPGA implementation of the mix algorithm for state-of-charge estimation of Lithium-ion batteries | |
| ES3023170T3 (en) | Method and device for robust online determination of the state of large battery storage systems | |
| JP2013238404A (en) | Apparatus for estimating state of cells of battery pack | |
| US20250355052A1 (en) | Accurate coulomb counting system and state of charge estimation | |
| Giorgi et al. | A method for estimating state of charge in energy-aware wireless sensor nodes | |
| Jeong et al. | A 42nJ/conversion on-demand state-of-charge indicator for miniature IoT Li-ion batteries | |
| Barsukov et al. | Battery Capacity Monitoring Accuracy and Implementation | |
| Lim et al. | Real-time State-of-Health Estimation Algorithm for Lithium-ion Battery Based on Coulomb Counting and Constant Voltage Charging Time Reset | |
| Jayakumar et al. | Developing an On-Board Diagnostic Tool for Estimating the State of Charge for Battery in Electric Vehicle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2382272 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20130507 |