处理数据以表征电池的热行为的制作方法
本申请要求于2016年2月29日提交的序列号为62/301,301的美国专利申请的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
电池是消费电子和汽车的重要组件。电池寿命的主要因素之一是电池的温度。较高的温度会减少电池的寿命。但是，无法总是避免高温。例如，汽车中电池的温度可以是发动机生成的热量的函数。
技术实现要素：
本说明书描述与电池有关的技术。
通常，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以体现在方法中，该方法包括在方面1中获得电池表面内或表面上的一个或多个位置的温度数据的动作，该温度数据包括施加到电池的时变热流输入和由电池生成的时变温度信号。该方法还包括处理温度数据以生成具有一个或多个时间延迟元素和一个或多个参数的连续时间热模型的动作，其中参数值使用温度数据进行拟合。
前述和其它实施例可以各自可选地单独或组合地包括以下特征中的一个或多个。
根据方面1和3-17的任何组合的方面2，其中连续时间热模型可以被配置为预测多个热流的电池热行为。
根据方面1-2和4-17的任何组合的方面3，其中多个热流可以各自施加到电池中的边界条件或体积区域。
根据方面1-3和5-17的任何组合的方面4，其中连续时间热模型可以包括时间延迟元素和线性传递函数元素。
根据方面1-4和6-17的任何组合的方面5，其中温度信号可以从实验环境或从模拟中获得。
根据方面1-5和7-17的任何组合的方面6，其中连续时间热模型可以在平衡时被线性化。
根据方面1-6和8-17的任何组合的方面7，其中温度信号可以包括指示一组稳态条件下的电池的温度和热边界条件的数据。
根据方面1-7和9-17的任何组合的方面8，其中生成连续流热模型可以包括最小化观察到的测量值与所测量的稳态条件匹配之间的差异。
根据方面1-8和10-17的任何组合的方面9，其中温度信号可以包括指示在平衡条件下开始的一组瞬态条件下的电池的温度和热边界条件的数据。
根据方面1-9和11-17的任何组合的方面10，其中温度信号可以包括从相同的电池平衡条件开始的多组瞬态测量值。
根据方面1-10和12-17的任何组合的方面11，其中时间延迟可以使用具有连续时间模型中的分子和分母的不同阶数的pade近似来实现。
根据方面1-11和13-17的任何组合的方面12，其中温度信号可以使用模拟来生成。
根据方面1-12和14-17的任何组合的方面13，其中温度信号可以在车辆中收集。
根据方面1-13和15-17的任何组合的方面14，其中温度信号可以使用物理测试台来生成。
根据方面1-14和16-17的任何组合的方面15，其中该方法还可以包括确定电池热保护系统是否与模型一致的动作。
根据方面1-15和17的任何组合的方面16，其中模拟包括电池和外部散热器之间的热传递。
根据方面1-16的任何组合的方面17，其中模拟将电池与所有外部热源和散热器隔离。
可以实现本说明书中描述的主题的特定实施例，以便实现以下优点中的一个或多个优点。可以高效地生产电池的电热模型。可以使用比管理和计算更复杂的方程所需的更少的处理能力来使用电子器件监视和控制电池。
在附图和以下描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节。根据描述、附图和权利要求，本主题的其它特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1图示了用于创建和验证快速电池模型的环境的示例。
图2图示了将基函数拟合到模型的示例。
图3图示了时间延迟的示例。
图4图示了用于三维对象的测试环境的示例测试环境。
图5图示了用于生成快速热模型的示例过程。
各个附图中相同的标号和名称指示相同的元素。
具体实施方式
快速、低复杂度的电池热行为模型可以用在电池的设计和操作中。可以使用物理测试、原位操作或3d模拟来生成快速电池模型。例如，图1图示了用于创建和验证快速电池模型的环境的示例。可以在热隔离环境102中测试电池或电池组。可以从物理测试、原位操作或3d模拟中收集数据。
可以记录在热隔离环境102中对电池执行的测试的结果。例如，可以测量(一个或多个)阶跃响应。曲线图104图示了所测量的阶跃响应曲线，其中实线表示边界条件，并且虚线表示测量值。
所测量的响应可以用于生成模型。简化算法106可以对响应曲线中的每个阶跃执行拟合过程。拟合的阶跃响应可以被转换为方程。并且方程可以用在模型108中。
模型108可以用于模拟电池的预期热行为。可以将基于模型的模拟的结果与测试结果(或更复杂的模拟的效果)进行比较，如曲线图110所表示的。如果模型108与测试结果足够相似，则模型108可以被集成到不同的电子设备中，包括但不限于：汽车、移动电话和平板电脑。
快速电池模型(诸如模型108)可以使用包含与单个时间常数一阶滤波器卷积的时间延迟传递函数的时域阶跃响应的一组受限制的基函数将电池热模型的响应与已知的输入信号匹配并创建低阶动态模型，该低阶动态模型以使热系统的响应与任意输入匹配的最小计算来执行。可以使用凸优化来执行拟合。拟合可以用于为任何一组测量值开发单个模型。
图2图示了将基函数拟合到模型的示例。系统可以使用如曲线图204中所示的参考曲线202来构建模型。参考曲线202可以例如从取自实验数据、原位测试或模拟的测量值中获得。通过对每个基函数施加权重，系统可以将来自基函数(例如，基函数206、208、210，如曲线图212中所示)的多条曲线与参考曲线202进行匹配。如曲线图214所示，系统将4.24的权重施加到基函数210，将2.2的权重施加到基函数x08，并且将0的权重施加到基函数206。如曲线图216所示，得到的曲线x18是参考曲线202的近似匹配。
图3图示了时间延迟的示例。对象中的热变化可能不立即发生。曲线图302图示了线304a的示例，线304a图示了随着时间的推移对象的温度。缩放到曲线图的区域306a中，曲线图306b示出了在对象的温度开始变化之前线304b具有小的延迟308。这种延迟使得拟合基函数变得困难。代替试图找到基函数来拟合延迟，系统可以在模型中插入延迟使得线304b的其余部分更容易地使用基函数来拟合，。
图4图示了用于三维对象的示例测试环境400。测试环境可以是物理的或虚拟的。在该环境400中，可以对对象施加诸如温度和热流的边界条件(例如，温度边界条件t＝0℃402和温度边界条件t＝20℃404)。
具有内部热量生成的三维对象的温度遵循热方程：
在这个方程中，w是温度，q是内部热量生成，cp是热容，ρ是质量密度，并且α是由以下定义的热扩散率
在这个方程中，k是热传导率。为了模拟这些方程，可以使用各种形式的离散化。通常，在方程系数恒定的情况下，离散化将产生线性方程系统。关于连续时间的离散化方案可以通过以下函数来表示：
其中ui是对象(例如，电池)中的点的温度，并且k和b是使用有限差分近似来创建的。这些方程对于开发随着时间的推移对象中所有温度的模拟是有用的。但是，该方程系统在计算上可能是昂贵的。在一些应用中，方程3中的所有温度都不是必需的。可以通过使用如方程4中所示的附加方程组来选择感兴趣的这些温度。
当需要模拟对象中的温度的子集时，可以使用比方程3和方程4所隐含的计算更少的计算来执行准确的模拟。生成更快、更简单的降阶模型的一个起始点可以是识别方程3和方程4是方程系统，该方程系统是一组线性一阶常微分方程。这种形式的方程通常被称为系统的状态空间表示。存在许多方法用于收缩状态空间模型。方法的简短列表包括奇异摄动(singularperturbation)、极点和零点匹配、不可观察状态的消除、svd分解和截断、子空间方法等等。此外，存在多种实验方法用于基于系统的频率和时域响应从实验数据构建线性系统的模型。
可以根据受时变和稳态边界条件影响的对象的实验或模拟数据生成稳定的降阶模型。图5图示了用于生成快速热模型的示例过程500。为了创建模型，可以识别平衡中的对象的状态502。在该平衡状态中，对象可以处于恒定温度或经受恒定边界条件。所开发的模型可以相对于该平衡状态进行线性化：在该平衡条件下，所有输入和输出都被赋予零值。模型复制当对象经受时变边界条件时对对象采取的测量值504。时变边界条件将是降阶模型的输入。测量值将是简化模型的输出。
为了创建降阶模型，选择一组正的以及线性独立的基础模型506。模型可以是从初始条件和输入历史生成和输出的一组数学方程。如果一个模型的输入到输出行为不能通过组中其它模型的线性组合来复制，则模型是线性独立的。正模型是在施加正稳态输入时生成正稳态输出的模型。在优选实施例中，基础模型是具有不同时间常数的一组有限的一阶滞后滤波器。方程5中图示了一组示例性模型。在该示例中，s表示一组k基础模型。每个基础模型由动力学方程f和输出方程g表示。基础模型将时变输入u变换为时变输出y。在该示例中，方程6示出了使用通过λ参数化的一阶滞后滤波器。在该示例中，如果每个λ是唯一的，则该组基础模型是正交的。
s＝{σ1，σ2，…，σk}
方程5
此外，对于要建模的每个输入和输出，可以选择时间延迟的因果模型508。在该示例中，该近似时间延迟模型可以表示为期望时间延迟的函数。近似时间延迟的一种可能表示是pade近似。从pade近似生成的示例性近似时间延迟在方程7中示出。该拉普拉斯(laplace)域传递函数具有等效的状态空间系统模型。
为了生成可以用于生成模型的输入和输出，获得一组输入信号510。输入信号可以通过设计或使用对象的结果来生成。在任一情况下，该组输入可以满足以下条件。首先，每个输入都线性独立于其它输入。其次，输入不是其它信号的线性组合的时移版本。该组信号可以作为影响对象最初处于平衡状态的情况下对象上的边界条件的输入进行施加。在施加这些时变边界条件的同时，测量输出。
为了生成简化模型，将输入信号施加到生成一组状态轨迹的每个基础模型(例如，每个输入信号可以施加到每个基础模型)，如方程8中所示。在方程8中，m指示输入，k指示来自方程5的基础模型，t表示时刻，um是输入m的信号，并且fk是来自基础模型k的动力学方程。
这些状态轨迹可以用于生成输出轨迹，如方程9中所示。在该方程中，m指示输入，k指示来自方程5的基础模型，t表示时刻，并且gk是来自基础模型k的输出方程。
ym，k(t)＝gk(xm，k(τ)，um(τ))
方程9
简化模型可以通过方程5中的基础模型的线性组合形成，其中每个基础模型的输入从时间延迟方程7的输出馈送。线性组合可以通过在方程10中由km,n,k表示的非负增益乘以每个基础模型来形成。
通过识别方程10中的km,n,k和方程11中的δtm，n的值可以找到快速的降阶模型，其最小化
minc(ε)
δtm，n，k
km，n，k
满足
{κ|κm，n，k≠0}中元素的数量≤kmax
方程12
一旦确定了热模型，就可以确定结果是否是可接受的512。例如，模型的结果是否对应于预定误差边际内的测试或样本数据。如果结果是可接受的，则过程结束514。如果结果是不可接受的，则选择一组新的基础模型506。
示例用法
作为快速电池模型应用的示例，考虑在带有冷却系统和充电器的车辆中的液体冷却电池组。在操作过程期间，该电池是热平衡的。一旦平衡，就测量或估计热边界条件。冷却流体和充电器用于施加瞬态边界条件，随后是稳态边界条件。作为简单的情况，这些设备可以生成阶跃输入以改变电池中的排出热(rejectedheat)和冷却剂温度。给定方程5中的一组先验基本模型，可以使用方程12中的优化来找到基础模型和时间延迟的最佳线性组合以复制测量值。一旦该模型可用，它就可以用于影响电池的电气使用或诊断不良的热性能。
匹配极点和零点
通常，电池的热模型表现得像线性系统。这意味着关于操作条件，可以使用传递函数来表示响应于热输入的温度变化。传递函数可以在频域和拉普拉斯变换中表示。例如，线性低通滤波器可以通过以下来描述：
该传递函数的频率响应可以通过替换s＝j·ω来绘制，其中ω＝2·π·f并且f是输入的频率。该函数在传递函数具有0值的情况下不具有s的值。如果s＝-a，则该传递函数变为大于0的常数，这被称为极点。
对于在顶部和底部使用多项式的更复杂的传递函数，则零点是分子的根，而极点是分母的根。
由于传递函数的极点和零点是分母和分子的根，因此它们唯一地识别传递函数。
本说明书中描述的主题和操作的实施例可以在数字电子电路系统中实现，或者在包括本说明书中公开的结构及其结构等同物的计算机软件、固件或硬件中实现，或者在它们中的一个或多个的组合中实现。本说明书中描述的主题的实施例可以被实现为一个或多个计算机程序(即，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的、在计算机存储介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块)。计算机存储介质可以是计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或设备、或者它们中的一个或多个的组合，或者可以被包括在上述设备中。计算机存储介质也可以是一个或多个单独的物理组件或介质(例如，多个cd、盘或其它存储设备)，或者被包括在上述组件或介质中。计算机存储介质可以是非瞬态的。
本说明书中描述的操作可以被实现为由数据处理装置对存储在一个或多个计算机可读存储设备上或从其它源接收到的数据执行的操作。
术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、片上系统、或前述的多个或组合。装置可以包括专用逻辑电路系统(例如，fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路))。除了硬件之外，装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码(例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或其中一个或多个的组合的代码)。装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础设施，诸如web服务、分布式计算和网格计算基础设施。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明式或过程式或面向对象或函数式语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程、服务、对象或适合在计算环境中使用的其它单元。计算机程序可以但不必与文件系统中的文件对应。程序可以存储在保存其它程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、存储在专用于所讨论的程序的单个文件中、或存储在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。可以部署计算机程序以在一个计算机上或在位于一个站点上或分布在多个站点上并通过通信网络进行互连的多个计算机上执行。
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行动作。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路系统(例如，fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路))执行，并且装置也可以被实现为专用逻辑电路系统(例如，fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路))。
作为示例，适于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的数字、模拟或量子计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于根据指令执行动作的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，电子盘、磁盘、磁光盘或光盘)，或可操作地耦合以从用于存储数据的一个或多个大容量存储设备接收数据或将数据传输到一个或多个大容量存储设备，或两者，但是，计算机不需要这样的设备。此外，计算机可以嵌入在另一个设备中(例如，移动电话、个人数字助理(pda)、移动音频或视频播放器、游戏控制台、gps接收器或便携式存储设备(例如，通用串行总线(usb)闪存驱动器))，这仅仅是几个例子。适用于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备(例如，eprom、eeprom和闪存设备)、磁盘(例如，内部硬盘或可移动盘)、磁光盘以及cdrom和dvd-rom盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路系统补充或并入到专用逻辑电路系统中。
为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施例可以在具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，crt(阴极射线管)或lcd(液晶显示器)监视器)以及用户可以通过其向计算机提供输入的键盘和指向设备(例如，鼠标或轨迹球)的计算机上实现。其它种类的设备也可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)，并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档和从用户使用的设备接收文档来与用户进行交互(例如，通过响应于从用户的用户设备上的web浏览器接收到的请求而将网页发送到该web浏览器)。
本说明书中描述的主题的实施例可以在计算系统中实现，该计算系统包括后端组件(例如，作为数据服务器)、中间件组件(例如，应用服务器)或前端组件(例如，具有用户可以通过其与本说明书中描述的主题的实施进行交互的图形用户界面或web浏览器的用户计算机)，或者一个或多个这样的后端组件、中间件组件或前端组件的任何组合。系统的组件可以通过任何形式或介质的数字或光学数据通信(例如，通信网络)进行互连。通信网络的示例包括局域网(“lan”)和广域网(“wan”)、互连网络(例如，互联网)和对等(peer-to-peer)网络(例如，自组织(adhoc)对等网络)。
计算系统可以包括用户和服务器。用户和服务器通常彼此远离并且通常通过通信网络进行交互。用户和服务器的关系借助于在各个计算机上运行并且彼此具有用户-服务器关系的计算机程序而产生。在一些实施例中，服务器将数据(例如，html页面)发送到用户设备(例如，用于向与用户设备交互的用户显示数据和从与用户设备交互的用户接收用户输入的目的)。可以在服务器处从用户设备接收在用户设备处生成的数据(例如，作为用户交互的结果)。
虽然本说明书包含许多具体的实现细节，但这些不应被解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而是作为特定于具体发明的具体实施例的特征的描述。在本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然上面的特征可以被描述为以某些组合起作用并且甚至最初就是如此声明的，但是在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中被去除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求这些操作以所示的特定次序或按顺序执行，或者执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应该理解的是，所描述的程序组件和系统通常可以一起被集成到单个软件产品中或被打包成多个软件产品。
因此，已经描述了主题的具体实施例。其它实施例在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中阐述的动作可以以不同的次序执行并且仍然实现期望的结果。此外，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定次序或连续顺序来实现期望的结果。在某些实现中，多任务和并行处理可能是有利的。
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