临床实施后更新电池容量的制作方法

1.本发明技术整体涉及用于电池管理的技术。更具体地，本发明技术涉及用于在临床环境中使用电池之后准确地确定电池的真实充电状态和总容量的技术。


背景技术：

2.可再充电电池在各种各样的系统中提供电力，包括安全性至关重要的医疗装置系统。电池的满充电容量是可再充电电池的最大化学容量的量度。随着电池单元老化，电池的满充电容量通常降低，并且电池的真实充电状态可能难以非常准确地确定。因为测量和更新满充电容量和充电状态是安全操作医疗装置的基础，所以对于向医疗装置提供电力的电池，通常需要更准确地执行这些任务。在电池已在临床环境中使用之后，测量变得甚至更加复杂并且容易出错。


技术实现要素：

3.本公开的技术整体涉及用于确定电池的总容量的方法、系统和设备。
4.一方面，本公开提供了一种方法，该方法包括确定在充电循环的一部分期间向电池输送的电荷量。该方法还可包括在该充电循环之后，测量该电池的充电状态。在实施方案中，该电池可被充满电。在确定该电池处于充满时的充电状态后，该方法可确定在使该电池达到放电深度(dod)阈值的放电循环期间由该电池产生的电荷量。在该放电循环之后，确定电池为空时的充电状态。然后，可基于该电池为空时的充电状态、电池充满时的充电状态以及在放电循环和充电循环中的至少一者期间产生的电荷量来计算总容量。
5.本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和描述中阐述。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中描述的技术的其他特征、目标和优点将是显而易见的。
附图说明
6.图1是根据一些实施方案的包括用于管理电池的电池管理系统的装置的框图。
7.图2是示出根据一些实施方案的电池管理系统的进一步细节的框图。
8.图3示出根据实施方案的用于基于开路电压(ocv)找到电池的放电深度(dod)的函数。
9.图4是示出根据一些实施方案的电池充电和放电循环的曲线图。
10.图5是示出根据一些实施方案计算的不同电池的总容量的曲线图。
11.图6是示出根据实施方案的用于电池管理的控制逻辑的方法的流程图。
具体实施方式
12.电池容量对应于可在电池充电期间累积、在开路条件下存储并且在电池放电期间释放的电荷量。当电池以恒定电流放电时，电池容量由公式cd＝i
·
td给出，其中td是放电持续时间，并且i是电流。当放电持续时间以小时表示时，电池容量的典型单位是安培小时
(ah)。
13.电池的充电状态(soc)指示当电池休止或处于平衡状态时该电池的端子处的电压。soc与平衡电压之间的数学关系是已知的关系并且基于电池类型。平衡电压和soc可用于确定电池的总容量和剩余容量。
14.然而，随着电池老化，电池的总容量衰减。在没有充分跟踪电池的总容量的情况下，电池的soc和剩余容量的估计值将变得不太准确。此外，在电池已用于临床场景中之后，由于电池老化或其他因素，电池的总剩余容量可能会发生变化。这些和其他问题可导致临床环境中的安全隐患，其中重要的是要了解可为医疗装置供电的电池的总剩余容量。
15.为了补救这些和其他问题，实施方案提供了用于更准确地确定电池容量的方法。一些实施方案提供了用于在临床场景中使用电池(例如，在医疗装置内使用)之后确定电池容量的方法，尽管实施方案不限于此。
16.图1是根据实施方案的操作、工艺、方法和方法论的包括用于管理电池的电池管理系统的装置100的框图。装置100可包括本文引用的硬件或逻辑部件的任何组合。装置100可包括心室辅助装置的或用于控制其操作的部件。装置100可包括任何其他装置，例如实现患者治疗所需的其他装置，或与该装置耦接。
17.装置100可包括处理器102形式的处理电路系统，该处理器可以是微处理器、多核处理器、多线程处理器、超低电压处理器、嵌入式处理器或其他已知的处理元件。处理器102可以是片上系统的一部分，其中处理器102和本文所描述的其他部件被形成在单个集成电路中。
18.电池128可为装置100供电，尽管在装置100处于固定位置的示例中，装置100可具有耦接到电网的电源。电池128可包括一个或多个电化学电池单元并且可以是锂离子电池单元，尽管实施方案不限于此。电池管理系统130可包括在装置100中，或者电池管理系统130可以是外部设备的耦接到装置100以跟踪电池128的充电状态(soc)的部分。外部电源132或耦接到网的其他电源可与电池管理系统130耦接但与电池分离，以对电池128进行充电。换句话说，在一些实施方案中，外部电源132可充当充电器。在一些示例中，外部电源132可用无线功率接收器替换，以便无线地获得功率。下面参考图2提供关于电池管理系统130的进一步细节。
19.图2是系统200的框图。提供根据一些实施方案的电池管理系统130的进一步细节。电池管理系统130可用于监测电池128的其他参数，诸如电池128的健康状态(soh)和功能状态(sof)，以便提供故障预测。电池管理系统130可包括电池监测电路系统，例如电压传感器202和库仑计数器204。库仑计数器204可包括与电池128的端子210、212中的一个端子串联放置的电阻元件。库仑计数器204像积分器一样起作用，使得库仑计数器204电阻元件两端的电压随时间被测量，并且因此表示与流过电阻元件的电流的时间积分成比例的量。此类时间积分电流是已流过库仑计数器204的累积电荷。由库仑计数器204检测到的累积电荷可与充满电的电池128的容量进行比较，以提供对剩余电荷的指示，或如本文稍后描述的其他电池健康或状态指示。库仑计数器204可向电池管理系统130的其他部件提供对检测到的累积电荷的指示。
20.电池管理系统130可包括控制电路系统206。在实施方案中，控制电路系统206在装置100的处理器102(图1)上执行，尽管实施方案不限于此。例如，在一些实施方案中，电池管
理系统130可包括用于执行包括在控制电路系统206中的至少一些操作的处理电路系统。
21.控制电路系统206可根据本文稍后描述的方法对电池128的充电循环进行控制。控制电路系统206还可基于来自库仑计数器204的输入(例如，对累积电荷的指示)，控制电池128的放电循环。在一些实施方案中，充电循环可在外部电源132向电池管理系统130提供电力(例如，连接到该电池管理系统)时发生，并且放电可在外部电源132从电池管理系统断开时发生，尽管实施方案不限于此。指示器(例如，电量计)208测量电池128中剩余的电荷量并且将其指示提供给控制电路系统206。在一些示例中，指示器208可包括容量指示器。在一些示例中，指示器208可响应于电池128的总容量下降或退化到阈值以下而提供服务指示，这可指示电池128的老化度、损坏或其他健康状况。
22.电池128容量对应于可在电池128充电期间累积、在开路条件下存储并且在电池128放电期间释放的电荷量。当电池128以恒定电流放电时(例如，在根据本文所述的方法的放电循环期间，或者在装置100的正常操作期间)，电池128容量由公式cd＝i
·
td给出，其中td是放电持续时间，并且i是电流。当放电持续时间以小时表示时，电池128容量的典型单位是安培小时(ah)。
23.当电池128休止或处于平衡状态时，电池128的soc指示该电池128的端子210、212处的电压。soc与平衡电压之间的数学关系是已知的关系并且基于电池类型。当电池128不处于平衡状态时，电流流过电池128。在这种状况下，电池128的端子210、212处的实际电压比平衡电压低一定量，该量可使用已知电池128的内阻并且已知在端子之间流动的电流的欧姆定律来计算。可使用该平衡电压的估计值来计算可用电池128容量。然而，用于估计平衡电压的方法容易出现误差，尤其是当电池128的老化度增加时。此外，随着电池128老化，电池128的总容量衰减。在没有充分跟踪电池128的总容量的情况下，电池128的soc和剩余容量的估计值将变得不太准确。
24.为了补救这些和其他问题，控制电路系统206提供受控充电循环以实现成功的容量更新。成功的容量更新可取决于开路电压(ocv)的稳定性、温度、放电深度(dod)以及其他条件。所有这些条件和其他条件可通过根据实施方案控制的充电和放电循环进行控制。在一些实施方案中，电池128被充电和再充电，并且控制电路系统206和相关电路系统确定每个点处的电荷量以导出总电池容量的值。
25.图3示出根据实施方案的用于基于ocv找到电池128的dod的函数300。函数300可以通过例如在37摄氏度的体温下测试医疗装置中使用的典型电池来导出。本文早先描述的传感器和设备(例如，电压传感器202(图2))可根据由控制电路系统206(图2)提供的控制，在各个时间点(例如，当电池128处于弛豫状态时)测量电池128的ocv，如本文稍后将关于图6描述的。然后，控制电路系统206可使用函数300估计dod并且根据soc＝1-dod确定电池128充电状态(soc)。
26.在一些示例中，控制电路系统206将使电池放电直到检测到约3.7伏的ocv为止。这是因为，如可以理解的，在检查函数300时，dod电压变化从充满电状态302陡降到约3.7伏(点304)为止。从点304进一步放电导致dod的变化较小，并且因此ocv测量误差将对dod准确度具有较小影响，并且soc可以较大准确度确定。另外，如果外部电力丢失并且装置100由于电池中剩余能量不足而切换到电池128电力，则比点304更远的放电可能导致患者处于危险状况。最后，通过确定最高或接近最高可能dod(例如，如图3中所见的约94％)和最低或接近
最低可能dod(例如，充满电的电池128)处的ocv，使点302与304之间所见的总电荷差最大化，并且更准确地确定总容量。
27.图4是示出根据一些实施方案的电池充电和放电循环的曲线图400。曲线图400示出在整个电池128充电和放电循环(包括如下所述的弛豫周期)的各个点处的ocv 401。电池128在不同阶段(例如在充电或放电结束时)的soc可通过图3中所示的传递函数300确定。例如，给定测量的ocv 401，控制电路系统206(图2)可通过检查传递函数300来确定dod。然后，控制电路系统206可通过根据soc＝1-dod计算soc来确定电池128的soc。
28.在点402处，电池128充满电，并且电压稳定。控制电路系统206和相关联的电路系统可测量该点处的dod，以导出充满电状态下的soc(soc
满
)。控制电路系统206可控制电池128放电到点404，在该点处ocv可急剧下降，或者继续进一步放电到点406。在一些实施方案中，放电可发生直到装置100发送低电荷警报为止，尽管实施方案不限于此。库仑计数器204可确定在从点402到404(或到406)的放电循环期间流过库仑计数器204的累积电荷，这又可用于确定电池128的充电容量q
放电
。在点404(或406)处，患者或临床医生可连接外部电源132以向装置100供电，并且电池128可休止一定的时间量(在一些示例中，约三小时)或直到由电池128或装置100提供诸如就绪信号的指示，在该点处测量soc以给出soc
空
。
29.电池128可被充电到点408，并且库仑计数器204可确定在充电循环的一部分期间(例如，从点404(或406)到点408)由电池产生的累积电荷q
充电
。电池128可休止一定的时间量，并且可再次测量soc
满
。电池128可从点408到点410再次放电。电池128可再次充电到点412，库仑计数器204可类似地确定累积电荷，并且soc
满
可类似地测量第二次，如上文早先所述。通过多次测量和确定总电荷和soc，可通过平均获得更准确的结果，这消除了测量中的伪像和异常。此外，放电到特定点并且之后再充电可导致更准确的结果。例如，将电池放电至约90％ dod的阈值可导致测得总可能电荷的更大百分比，因为大多数dod变化发生直至90％ dod，具有最显著的电压降。
30.图5是示出根据一些实施方案计算的不同电池的总容量的曲线图500。对于沿x轴显示的电池序列号，以毫安小时(mah)为单位示出三个不同的总容量(q
最大
)值。总容量可基于在如上所述的放电和充电循环期间确定的累积电荷(q
充电
或q
放电
)和soc差进行计算。线502表示在极小电流下测量的化学容量@
最大
，其可以表示准确的容量测量值。
31.图6示出用于确定电池128的容量的方法600。方法600的一些操作由图1和图2中示出的部件(例如，控制电路系统206、库仑计数器204等)执行。
32.方法600以控制电路系统206(图2)进行的操作602开始，该控制电路系统将电池128的充电过程控制到如在操作604处确定的充满电的状态。然后，控制电路系统206控制电池128保持在休止状态，例如保持约三个小时，或者直到电压在操作606处变稳定为止。在整个操作602、604和606中，装置100可保持连接到外部电源132，同时电池128保持在休止状态达一定时间量(例如，约两个小时)或者直到提供就绪信号(通过电池/电量计)为止。在完成休止状态(或提供就绪信号)时的此类时间处，库仑计数器204将基于操作608中的dod确定电荷以便测量soc，并且该值将在未来计算中用作充满电的值(例如，soc
满
)。
33.方法600可继续进行操作610，其中外部电源132被断开并且电池128代替外部电源132向装置100提供电力。电池128可向装置100提供电力持续一段时间，或者响应于装置100而在操作612处发送低电荷警报。然后，将装置100连接到外部电源132，使得电池128可休
止。一旦电池128电压在操作614处稳定，库仑计数器204就可在操作616处确定q
放电
，如本文早先所述。然后，控制电路系统206可在操作618中根据下式计算总容量q
最大
：
34.q
最大
＝q
放电
/(soc
满-soc
空
) (1)
35.方法600继续进行操作620，其中将装置100连接到外部电源132(即，将装置100从电池128电源移除)。控制电路系统206将继续控制电池128的充电过程622至如在操作624处所确定的充满电的状态。然后，控制电路系统206控制电池128保持在休止状态，例如保持约三个小时，或者直到电压在操作626处变稳定为止。在整个操作622、624和626中，装置100可保持连接到外部电源132，同时电池128保持在休止状态达一定时间量(例如，约两个小时)或者直到提供就绪信号(通过电池/电量计)为止。在完成休止状态(或提供就绪信号)时的此类时间处，库仑计数器204将在操作630中确定电荷q
充电
并且在操作628中确定dod(可从其导出soc
满
)。
36.在以上操作620-630中确定的值可用于根据式(2)计算电池128的总容量：
37.q
最大
＝q
充电
/(soc
满-soc
空
) (2)
38.再次参考图1，描述了可包括在装置100中的其他部件。处理器102可通过互连106(例如，总线)与系统存储器104通信。可使用任何数目的存储器装置来提供给定量的系统存储器。作为示例，存储器104可以是随机存取存储器(ram)。然而，可包括任何其他类型的存储器。也可通过存储装置108提供永久存储。存储装置108还可经由互连106耦接到处理器102。存储装置108可包括磁盘驱动器、闪存存储器卡、通用串行总线(usb)闪存驱动器等。
39.这些部件可在互连106上通信。互连106可包括任何数目的技术，包括工业标准架构(isa)、扩展isa(eisa)、外围部件互连(pci)、扩展外围部件互连(pcix)、快速pci(pcie)或任何数目的其他技术。互连106可以是专有总线。
40.互连106可将处理器102耦接到收发器110。收发器110可使用任何数目的频率和协议、ieee或蓝牙协议，尽管实施方案不限于这些协议。可包括收发器110，以经由局域网协议或广域网协议与云112中的装置或服务通信。
41.可包括网络接口控制器(nic)114，以通过云112向其他装置或系统提供有线通信。有线通信可提供以太网连接或者可基于其他类型的网络。互连106可将处理器102耦接到用于连接附加装置或子系统的传感器接口116。这些附加装置可包括传感器118，诸如光学光传感器、相机传感器、温度传感器等。接口116可进一步用于将装置100连接到致动器120，诸如电源开关、阀致动器、可听声音发生器、视觉警告装置等。
42.在一些可选示例中，各种输入/输出(i/o)装置可存在于装置100内或连接到该装置。例如，可包括显示器或其他输出装置122以显示信息，诸如传感器读数、电量计读数、电量计诊断输出等。可包括输入装置124(诸如按钮、触摸屏或键盘)以接受输入。输出装置122可包括任何数目的形式的音频或视觉显示，包括简单视觉输出，诸如二进制状态指示器(例如，发光二极管(led))和多字符视觉输出，或者更复杂的输出，诸如显示屏(例如，液晶显示器(lcd)屏)，其中字符、图形、多介质对象等的输出由装置100的操作生成或产生。在本系统的上下文中，显示器或控制台硬件可用于提供医疗装置(包括可植入医疗装置)的输出和接收医疗装置的输入；识别医疗装置或相关/连接的装置的状态；或者执行任何其他数目的管理或监管功能。
43.存储装置108可包括软件、固件或硬件命令形式的指令125以实现本文所述的技
术。尽管此类指令125被显示为包括在存储器104和存储装置108中的代码块，但可理解的是，这些代码块中的任何代码块可用硬连线电路(例如，内置到专用集成电路(asic)中的硬连线电路)来替换。
44.在一个示例中，经由存储器104、存储装置108或处理器102提供的指令125可被实现为非暂态机器可读介质126，该非暂态机器可读介质包括用于指导处理器102执行装置100中的电子操作的代码。处理器102可在互连106上访问非暂态机器可读介质126。例如，非暂态机器可读介质126可由针对存储装置108描述的装置实现，或者可包括特定存储单元，诸如光盘、闪存驱动器或任何数目的其他硬件装置。非暂态机器可读介质126可包括用以指导处理器102执行特定动作序列或流程的指令，例如，如关于上文所描绘的操作和功能性的流程图和框图所描述的。如本文所用的，术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”是可互换的。
45.在其他示例中，机器可读介质还包括能够存储、编码或携带供机器执行的指令并且致使该机器执行本公开的方法论中的任一个或多个方法论，或者能够存储、编码或携带由此类指令利用或与此类指令相关联的数据结构的任何有形介质。因此，“机器可读介质”可包括但不限于固态存储器以及光学和磁性介质。机器可读介质的具体示例包括非易失性存储器，包括但不限于，举例来说，半导体存储器装置(例如，电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom))以及闪存存储器装置；磁盘，诸如内置硬盘和可移动磁盘；磁光盘；和cd-rom和dvd-rom盘。由机器可读介质实现的指令可进一步经由利用数个传输协议(例如，超文本传输协议(http))中的任一传输协议的网络接口装置，使用传输介质在通信网络上被传输或接收。
46.机器可读介质可由能够以非暂态格式托管数据的存储装置或其他设备提供。在一个示例中，存储于或以其他方式提供于机器可读介质上的信息可表示指令，诸如指令本身或可从其导出指令的格式。可从其导出指令的该格式可包括源代码、经编码指令(例如，以经压缩或经加密形式)、经封装指令(例如，分成多个封装)等。表示机器可读介质中的指令的信息可由处理电路系统处理成指令，以实现本文所论述操作中的任一操作。例如，从信息导出指令(例如，由处理电路系统进行处理)可包括：将信息编译(例如，从源代码、目标代码等)、解释、加载、组织(例如，动态地或静态地链接)、编码、解码、加密、解密、封装、解除封装成指令，或以其他方式操纵成指令。
47.本文所公开的各个方面可以与说明书和附图中具体呈现的组合不同的组合进行组合。还应该理解，取决于示例，本文描述的过程或方法的任一者的某些动作或事件可以以不同的顺序执行，可以完全添加、合并或省略(例如，执行这些技术可能不需要所有描述的动作或事件)。另外，尽管为清楚起见，本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应当理解，本公开的技术可以通过与例如医疗装置相关联的单元或模块的组合来执行。
48.在一个或多个示例中，描述的技术可在硬件、软件、固件或它们的任何组合中实现。如果在软件中实现，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂时性计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，ram、rom、eeprom、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。
49.指令可由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(dsp)、通用微
处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)或其他等同的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适于实现所描述的技术的任何其他物理结构中的任一种。另外，本技术可在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现。

技术特征：
1.一种设备，包括：充电器，所述充电器用以对一个或多个电池进行充电；和控制电路系统，所述控制电路系统能够操作地耦接到所述充电器并且被配置为：确定在充电循环的一部分期间向耦接到所述充电器的电池输送的电荷量q
充电
；在对所述电池充电之后，测量所述电池的充电状态(soc
满
)，确定在所述电池达到放电深度(dod)阈值的放电循环期间由所述电池产生的电荷量q
放电
；在使所述电池放电之后，测量所述电池的充电状态(soc
空
)；以及基于soc
满
、soc
空
以及q
充电
和q
放电
中的至少一者来确定总容量q
最大
。2.一种系统，包括：充电设备，所述充电设备用于对一个或多个电池进行充电；和电池，所述电池操作地耦接到所述充电设备，所述电池包括：一个或多个电化学电池单元；和电池管理系统，所述电池管理系统包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器能够操作地耦接到所述一个或多个电化学电池单元并且被配置为：确定在充电循环的一部分期间向所述电池输送的电荷量q
充电
；在对所述电池充电之后，测量所述电池的充电状态(soc
满
)，确定在所述电池达到放电深度(dod)阈值的放电循环期间由所述电池产生的电荷量q
放电
；在使所述电池放电之后，测量所述电池的电荷状态(soc
空
)；以及基于soc
满
、soc
空
以及q
充电
和q
放电
中的至少一者来确定总容量q
最大
。3.一种方法，包括：确定在充电循环的一部分期间向电池输送的电荷量q
充电
；在所述充电循环之后，测量所述电池的充电状态(soc
满
)，确定在所述电池达到放电深度(dod)阈值的放电循环期间由所述电池产生的电荷量q
放电
；在使所述电池放电之后，测量所述电池的充电状态(soc
空
)；以及基于soc
满
、soc
空
以及q
充电
和q
放电
中的至少一者来确定总容量q
最大
。3.根据权利要求1所述的设备、根据权利要求2所述的系统或根据权利要求3所述的方法，其中所述dod阈值是基于电池老化度确定的。4.根据权利要求3所述的设备、根据权利要求3所述的系统或根据权利要求3所述的方法，其中所述dod阈值为约90％。5.根据权利要求1、3和4中任一项所述的设备，其中所述控制电路系统被进一步配置为在所述充电循环和所述放电循环中的至少一者之后，并且在测量soc
满
和soc
空
中的至少一者之前，提供弛豫时段。6.根据权利要求5所述的设备，还包括电池就绪指示器，并且其中所述控制电路系统被进一步配置为响应于从所述电池就绪指示器接收到指示所述电池就绪的信号，终止所述弛豫时段。7.根据权利要求1、3和4中任一项所述的设备，还包括容量指示器，并且其中所述控制
电路系统被进一步配置为：基于q充电来确定总容量q
最大
的第一估计值；基于q
放电
来确定总容量q最大的第二估计值；确定所述第一估计值和所述第二估计值的平均值；以及基于所述平均值更新所述容量指示器。8.根据权利要求7所述的设备，还包括服务指示器和存储装置，并且其中所述控制电路系统被进一步配置为存储q
最大
的估计值，并且向所述服务指示器提供指令，以响应于q
最大
退化到阈值以下而提供服务指示。9.根据权利要求2所述的系统，其中所述电池管理系统被进一步配置为在所述充电循环和所述放电循环中的至少一者之后，并且在测量soc
满
和soc
空
中的至少一者之前，提供弛豫时段。10.根据权利要求9所述的系统，还包括容量指示器，并且其中所述电池管理系统被进一步配置为：基于q充电来确定总容量q
最大
的第一估计值；基于q
放电
来确定总容量q最大的第二估计值；确定所述第一估计值和所述第二估计值的平均值；以及基于所述平均值更新所述容量指示器。11.根据权利要求10所述的系统，还包括服务指示器和存储装置，并且其中所述电池管理系统被进一步配置为存储q
最大
的估计值，并且向所述服务指示器提供指令，以响应于q
最大
退化到阈值以下而提供服务指示。

技术总结
本发明公开了一种用于电池管理的方法，该方法包括确定在充电循环的一部分期间向电池输送的电荷量Q


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：美敦力公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/9/13