电池异常诊断装置和方法与流程

1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年8月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2020-0100131的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文。技术领域
[0003][0004]
本发明涉及一种用于诊断空闲时段中的电池的异常的电池异常诊断装置和方法。


背景技术：

[0005]
近来，已积极地执行二次电池的研究和开发。在本文中，作为可充电/可放电电池的二次电池可以包括所有常规镍(ni)/镉(cd)电池、ni/金属氢化物(mh)电池等以及最近的锂离子电池。在二次电池当中，锂离子电池具有比常规ni/cd电池、ni/mh电池等的能量密度高得多的能量密度。此外，锂离子电池可以被制造为小且重量轻，使得锂离子电池已被用作移动设备的电源。另外，锂离子电池正在随着其使用范围被扩大到电动车辆的电源而作为下一代能量存储介质吸引关注。
[0006]
此外，二次电池通常被用作包括多个电池单体彼此串联和/或并联连接的电池模块的电池组。电池组可以由电池管理系统在状态和操作方面管理和控制。
[0007]
同时，通常，能量存储系统(ess)的二次电池包括用于在发生火灾之前做出诊断的诊断列表。这样的诊断列表包括有关电压、电流、温度、功率等的若干值以用于防止火灾，并且二次电池主要针对过电压或欠电压执行诊断。
[0008]
然而，在二次电池中，异常可能基本上发生在除电压的顶部或基部以外的范围中。例如，即使当未生成针对过电压或欠电压的警告通知时，也可能发生火灾。因此，需要新诊断项目来解决火灾以及过电压或欠电压的问题。


技术实现要素：

[0009]
[技术问题]
[0010]
本发明已被设计来解决上述问题，并且目的旨在提供一种电池异常诊断装置和方法，通过该电池异常诊断装置和方法，可以通过回归分析来诊断电池的空闲时段中的电压的不稳定行为，来对电池的空闲时段中的异常类型进行分类。
[0011]
[技术方案]
[0012]
一种根据本文档中公开的实施例的电池异常诊断装置包括：电压获得单元，该电压获得单元获得电池单体的电压；分析单元，该分析单元通过分析电池单体的电压来计算用于估计电池的电压的估计信息；以及诊断单元，该诊断单元通过分析估计信息来诊断电池单体的异常。
[0013]
在实施例中，估计信息可以包括与电池单体的电压相关的电压估计方程，并且诊断单元可以基于在电压估计方程中相对于时间的斜率差来诊断电池单体的异常。
[0014]
在实施例中，诊断单元可以在斜率差小于预设的第一参考值时将电池单体诊断为空闲长时间弛豫(relaxation)异常，并且在斜率差大于或等于第一参考值时将电池单体诊断为充电后或放电后空闲电压异常。
[0015]
在实施例中，第一参考值可以基于针对包括在电池架中的多个电池单体的电压估计方程的斜率差的标准偏差来确定。
[0016]
在实施例中，在斜率差大于或等于第一参考值的情况下，诊断单元可以在电池单体的空闲时段的起始电压大于预设的第二参考值时将电池单体诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的空闲时段的起始电压小于或等于第二参考值时将电池单体诊断为放电后空闲电压异常。
[0017]
在实施例中，第二参考值可以被确定为与电池单体的soc为50％相对应的电压。
[0018]
在实施例中，在斜率差大于或等于第一参考值的情况下，诊断单元可以在电池单体的电流沿第一方向流动时将电池单体诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的电流沿与第一方向相反的第二方向流动时将电池单体诊断为放电后空闲电压异常。
[0019]
在实施例中，分析单元可以在电池单体的充电或放电之后的空闲时段中计算电压估计方程。
[0020]
在实施例中，电池异常诊断装置可以进一步包括通知单元，该通知单元在诊断单元确定在电池单体中发生异常时生成警告通知。
[0021]
一种根据本文档中公开的实施例的电池异常诊断方法包括：获得电池单体的电压；通过分析电池单体的电压来计算用于估计电池的电压的估计信息；以及通过分析估计信息来诊断电池单体的异常。
[0022]
在实施例中，估计信息可以包括与电池单体的电压相关的电压估计方程，并且电池单体的异常的诊断可以包括基于电压估计方程中相对于时间的斜率差来诊断电池单体的异常。
[0023]
在实施例中，电池单体的异常的诊断可以包括：在斜率差小于第一参考值时将电池单体诊断为空闲长时间弛豫异常；以及在斜率差大于或等于第一参考值时将电池单体诊断为充电后或放电后空闲电压异常。
[0024]
在实施例中，电池单体的异常的诊断可以包括：在斜率差大于或等于第一参考值的情况下，在电池单体的空闲时段的起始电压大于预设的第二参考值时将电池单体诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的空闲时段的起始电压小于或等于第二参考值时将电池单体诊断为放电后空闲电压异常。
[0025]
在实施例中，电池单体的异常的诊断可以包括：在斜率差大于或等于第一参考值的情况下，在电池单体的电流沿第一方向流动时将电池单体诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的电流沿与第一方向相反的第二方向流动时将电池单体诊断为放电后空闲电压异常。
[0026]
[有益效果]
[0027]
根据本发明的电池异常诊断装置和方法，通过回归分析来诊断电池的空闲时段中的电压的不稳定行为，可以对电池的空闲时段中的异常类型进行分类。
附图说明
[0028]
图1是一般电池架的框图。
[0029]
图2是示出根据本发明的实施例的电池异常诊断装置的结构的框图。
[0030]
图3a至图3c示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置分类的空闲长时间弛豫。
[0031]
图4a至图4c示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置分类的充电后空闲电压异常。
[0032]
图5是示出根据本发明的实施例的电池异常诊断方法的流程图。
[0033]
图6是示出根据本发明的实施例的电池异常诊断装置的硬件结构的框图。
具体实施方式
[0034]
在下文中，将参考附图详细地描述本发明的各种实施例。在本文档中，相同的附图标记将被用于附图中的相同组件，并且将不冗余地描述相同组件。
[0035]
对于本文档中公开的本发明的各种实施例，特定结构或功能描述是仅为了描述本发明的实施例而举例说明的，并且本发明的各种实施例可以以各种形式实现，而不应该被解释为限于本文档中描述的实施例。
[0036]
如各种实施例中使用的，术语“第1(1
st
)”、“第2(2
nd
)”、“第一(first)”、“第二(second)”等可以修饰各种组件而不管重要性如何，并且不限制组件。例如，在不脱离本公开的权利范围的情况下，可以将第一组件命名为第二组件，并且类似地，可以将第二组件命名为第一组件。
[0037]
本文档中使用的术语被用于仅描述本公开的特定示例性实施例，而可以没有限制本公开的其他示例性实施例的范围的意图。应当理解，除非上下文另外清楚地规定，否则单数形式包括复数参考。
[0038]
本文使用的所有术语，包括技术或科学术语，具有与相关领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。应进一步理解，除非在本文中明确地如此定义，否则诸如常用词典中定义的那些的术语应该被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而将不在理想化或过于正式意义上解释。在一些情况下，在本文中定义的术语可以被解释成排除本公开的实施例。
[0039]
图1是一般电池架的框图。
[0040]
参考图1，示意性地示出了根据本发明的实施例的包括电池架1和包括在上级系统中的上级控制器2的电池控制系统。
[0041]
如图1所示，电池架1可以包括：电池模块10，其包括一个或多个电池单体并且是可充电的/可放电的；开关单元14，其串联连接到电池模块10的正(+)端子侧或负(-)端子侧以控制电池模块10的充电/放电电流流动；以及电池管理系统(例如，rbms)20，用于通过监测电池架1的电压、电流、温度等来控制和管理以防止过充电和过放电。电池架1可以包括多个电池模块10、传感器12、开关单元14和电池管理系统20。
[0042]
在本文中，作为用于控制用于多个电池模块10的充电或放电的电流流动的元件的开关单元14，例如，可以根据电池架1的规格使用至少一个继电器、磁接触器等。
[0043]
作为用于接收上述各种参数的测量值的接口的电池管理系统20可以包括多个端
子和连接到其以处理输入值的电路等。电池管理系统20可以控制例如继电器、接触器等的开关单元14的接通/关断，并且可以连接到电池模块10以监测每个电池模块10的状态。
[0044]
同时，根据本发明的电池管理系统20可以如将在下面描述的那样通过单独程序来对电池单体的电压执行回归分析。可以使用计算的回归方程来对电池单体的异常类型进行分类。
[0045]
上级控制器2可以向电池管理系统20发送有关电池模块10的控制信号。因此，电池管理系统20还可以在其操作方面基于从上级控制器2施加的信号被控制。同时，可以将根据本发明的电池单体包括在用于能量存储系统(ess)的电池模块10中。在这种情况下，上级控制器2可以是包括多个架的电池库的控制器(bbms)或用于控制包括多个库的整个ess的ess控制器。然而，电池架1不限于这样的目的。
[0046]
电池架1和电池管理系统20的此类配置是公知配置，因此将不进行详细的描述。
[0047]
图2是示出根据本发明的实施例的电池异常诊断装置的结构的框图。
[0048]
图2的电池异常诊断装置200可以被包括在管理电池模块10的bms、管理电池架1的bms或管理整个ess的系统控制器中，并且可以通过从包括在多个库中的多个架bms收集每个电池模块的电压数据来诊断异常。例如，图2的电池异常诊断装置200可以被包括在上述图1的电池管理系统20或上级控制器2中。
[0049]
由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200执行的对电池单体的异常类型的分类可以是在通过电池单体的异常检测算法(例如，主成分分析等)确定了在电池单体中发生异常之后的过程。也就是说，将在已经通过一系列过程检测到在电池单体中发生异常行为的假定下做出根据本发明的电池异常诊断装置200的以下描述。然而，这仅仅是示例，并且本发明不限于此，并且根据本发明的电池异常诊断装置200可以通过实时地分析数据来对异常类型进行分类，而不管是否检测到异常行为的确定。
[0050]
参考图2，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以包括电压获得单元210、分析单元220、诊断单元230和通知单元240。
[0051]
电压获得单元210可以获得电池单体的电压。例如，电压获得单元210可以以特定时间间隔测量电池单体的电压。根据实施例，电压获得单元210可以从另一设备接收电池单体的测量电压。另外，电压获得单元210可以测量在电池单体中流动的电流。
[0052]
分析单元220可以通过分析所获得的电池单体的电压来计算与电池单体的电压相关的估计信息。根据实施例，估计信息可以包括与电池单体的电压相关的电压估计方程。根据实施例，分析单元220可以通过对所获得的电池单体的电压执行回归分析来计算电池单体的电压估计方程。在这种情况下，分析单元220可以在电池单体的充电或放电之后的空闲时段内计算电压估计方程。分析单元220可以相对于设置窗口大小(例如，30分钟)计算有关电池单体的电压的电压估计方程。例如，分析单元220可以如下计算电压估计方程。
[0053]
y＝ax
ts-te
+b-方程(1)，
[0054]
(其中ts指示空闲时段的起始时间，te指示空闲时段的结束时间，并且x指示电池单体的电压。)
[0055]
诊断单元230可以通过分析由分析单元220计算的电压估计方程来诊断电池单体的异常。例如，诊断单元230可以计算电压估计方程的斜率a和斜率差(a
t+1-a
t
)，并且使用它们来诊断电池单体的异常。有关斜率差的时间间隔可以是采样时间(例如，1秒)。
[0056]
更具体地，当电压估计方程的斜率差的标准偏差小于预设第一参考值时，诊断单元230可以将电池单体诊断为空闲长时间弛豫异常。在这种情况下，可以针对包括在电池架中的多个电池单体基于电压估计方程的斜率差的标准偏差σ的倍数来确定第一参考值。例如，第一参考值可以是6σ。
[0057]
在本文中，电池单体的空闲长时间弛豫可以是其中电池单体在空闲状态之后比其他电池单体花费更长时间来达到稳定状态的异常类型。当发生这种空闲长时间弛豫时，可能意味着电池单体中的阳极和阴极之间的操作不顺畅，从而在电池性能方面引起问题。
[0058]
另外，当电压估计方程的斜率差大于或等于第一参考值时，诊断单元230可以将电池单体诊断为充电后或放电后空闲电压异常。电池单体的充电后或放电后空闲电压异常指示其中在电池单体的充电后或放电后空闲时段中电压不稳定而不是平缓地增加或减小的异常类型。例如，在电池单体的充电后或放电后空闲电压异常的情况下，电池单体的电压的斜率可以在某个σ水平外改变。
[0059]
更具体地，在电压估计方程的斜率差大于或等于第一参考值的情况下，诊断单元230可以在电池单体的空闲时段的起始电压大于预设第二参考值时将电池单体诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的空闲时段的起始电压小于或等于第二参考值时将电池单体诊断为放电后空闲电压异常。例如，可以将第二参考值确定为与电池单体的soc为50％相对应的电压。
[0060]
在电压估计方程的斜率差大于或等于第一参考值的情况下，诊断单元230可以在电池单体的电流沿第一方向流动时将电池单体诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的电流沿与第一方向相反的第二方向流动时将电池单体诊断为放电后空闲电压异常。在这种情况下，可以通过(+)或(-)来指示电流的方向。
[0061]
通知单元240可以在由诊断单元230确定了在电池单体中发生异常时生成警告通知。在这种情况下，通知单元240可以针对三种电池异常类型——即，空闲长时间弛豫、充电后空闲电压异常、和放电后空闲电压异常——中的每一种生成不同警告通知，以允许用户标识每种异常类型。例如，通知单元240可以包括灯、扬声器等。
[0062]
同时，虽然在图2中未示出，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以包括存储单元。在这种情况下，存储单元可以存储诸如由电压获得单元210获得的电压和电流数据的各种数据、由分析单元220计算的电压估计方程和曲线图、电压估计方程的斜率差的标准偏差等。根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以通过经由通信单元(未示出)与外部服务器通信而发送和接收上述数据而不是包括存储单元来操作。
[0063]
此外，尽管在图2中图示了根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200将电池单体分类成空闲长时间弛豫、充电后空闲电压异常和放电后空闲电压异常的类型，但是本发明不限于此，并且通过统计方法分类成各种异常类型可以是可能的。
[0064]
用于将电池单体分类为异常类型的方法还可以在其他各种统计方法中做出诊断，而不限于上述方法。例如，可以使用电压估计方程的斜率代替电压估计方程的斜率差，并且可以使用诸如微分数据等的其他数据。
[0065]
因此，利用根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200，通过诊断电池的空闲时段中的电压的不稳定行为，可以对电池的空闲时段中的异常类型进行分类。
[0066]
图3a至图3c示出空闲长时间弛豫由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置分
类。
[0067]
参考图3a至图3c，示出了ess电池的库1/架6/模块13/单体8的示例。更具体地，图3a将电池单体的电压的电压估计方程作为曲线图示出，图3b示出图3a的曲线图的斜率，并且图3c示出图3b的斜率的斜率差。在图3的每个曲线图中，x轴指示时间m，图3a的y轴指示电压v，图3b的y轴指示电压估计方程的斜率a，并且图3c的y轴指示斜率差diff(a)。
[0068]
如图3c所示，当如图3a所示计算的电压估计方程的斜率差的标准偏差小于第一参考值(图3中的6σ)时，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以将电池单体诊断为空闲长时间弛豫异常。也就是说，参考图3c，包括在6σ的曲线图区域中的一部分(即，加粗曲线图部分)可以指示电池单体的空闲长时间弛豫异常。
[0069]
图4a至图4c示出充电后空闲电压异常由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置分类。
[0070]
参考图4a至图4c，示出了ess电池的库1/架6/模块13/单体8的示例。像图3一样，图4a将电池单体的电压的电压估计方程作为曲线图示出，图4b示出图4a的曲线图的斜率，并且图4c示出图4b的斜率的斜率差。在图4的每个曲线图中，x轴指示时间m，图4a的y轴指示电压v，图4b的y轴指示电压估计方程的斜率a，并且图4c的y轴指示斜率差diff(a)。
[0071]
如图4c所示，当如图4a所示计算的电压估计方程的斜率差大于或等于第一参考值(图4中的6σ)时，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以将电池单体诊断为充电后或放电后空闲电压异常。也就是说，参考图4c，在6σ的曲线图区域外的一部分(即，加粗曲线图部分)可以指示电池单体的充电后或放电后空闲电压异常。
[0072]
更具体地，在图4c的电压估计方程的斜率差大于或等于第一参考值的情况下，在电池单体的空闲时段的起始电压大于第二参考值(例如，3.8v)时电池单体可以被诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的空闲时段的起始电压小于或等于第二参考值时电池单体可以被诊断为放电后空闲电压异常。
[0073]
同时，在图4c的电压估计方程的斜率差大于或等于第一参考值的情况下，在电池单体的电流沿第一方向(例如，(+)方向)流动时电池单体可以被诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的电流沿第二方向(例如，(-)方向)流动时电池单体可以被诊断为放电后空闲电压异常。
[0074]
图5是示出根据本发明的实施例的电池异常诊断方法的流程图。
[0075]
参考图5，根据本发明的实施例的电池异常诊断方法在操作s510中测量电池单体的电压x。在这种情况下，在操作s510中，可以以特定时间间隔测量电池单体的电压。另外，还可以测量在电池单体中流动的电流。
[0076]
在操作s520中，可以分析电池单体的电压以计算与电池单体的空闲时段(ts-te)中的电压相关的估计信息。例如，估计信息可以包括与电池单体的电压相关的电压估计方程。可以相对于设置窗口大小(例如，30分钟)计算电池单体的电压的电压估计方程。例如，电池单体的电压估计方程可以是上述方程(1)。
[0077]
在操作s530中，可以计算斜率a的斜率差diff(a)。在这种情况下，可以将斜率a的斜率差表达为a
t+1-a
t
。斜率差的时间间隔可以是采样时间(例如，1秒)。
[0078]
接下来，在操作s540中确定电压估计方程的斜率差(例如，绝对值)是否大于或等于预设第一参考值(图5中的6σ)。当电压估计方程的斜率差小于第一参考值(否)时，在操作
s550中可以将电池单体确定为空闲长时间弛豫异常。
[0079]
同时，当电压估计方程的斜率差大于或等于第一参考值(是)时，过程行进至操作s560。在操作s560中，确定电池单体的空闲时段的起始电压x
ts
是否大于预设第二参考值(图5中的3.8v)。
[0080]
当电池单体的空闲时段的起始电压x
ts
小于或等于第二参考值(否)时，在操作s570中，电池单体可以被确定为放电后空闲电压异常。同时，当电池单体的空闲时段的起始电压x
ts
大于第二参考值(是)时，在操作s580中，电池单体可以被确定为充电后空闲电压异常。
[0081]
同时，代替操作s560至s580的方法，在电池单体的电流沿第一方向(例如，(+)方向)流动时电池单体可以被诊断为充电后空闲电压异常，并且在电池单体的电流沿与第一方向相反的第二方向(例如，(-)方向)流动时电池单体可以被诊断为放电后空闲电压异常。
[0082]
因此，利用根据本发明的实施例的电池异常诊断方法，通过分析电池的空闲时段中的电压的不稳定行为，可以对电池的空闲时段中的异常类型进行分类。
[0083]
图6是示出根据本发明的实施例的电池异常诊断装置的硬件结构的框图。
[0084]
参考图6，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置600可以包括微控制器单元(mcu)610、存储器620、输入/输出接口(i/f)630和通信i/f 640。
[0085]
mcu 610可以是运行存储在存储器620中的各种程序(例如，回归分析程序、电池异常类型分类程序等)、通过这些程序来处理各种数据以进行电池单体的回归分析、异常类型分类等、并且运行图2的上述功能的处理器。
[0086]
存储器620可以存储有关电池单体的回归分析、异常类型分类等的各种程序。此外，存储器620可以存储各种数据，诸如电池单体的测量电压和电流数据、与电压估计方程相对应的曲线图、斜率数据等。
[0087]
取决于需要，可以将存储器620设置为多个。存储器620可以是易失性存储器或非易失性存储器。对于作为易失性存储器的存储器620，可以使用随机存取存储器(ram)、动态ram(dram)、静态ram(sram)等。对于作为非易失性存储器的存储器620，可以使用只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可更改rom(earom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、闪速存储器等。存储器620的以上列举的示例仅仅是示例并且不限于此。
[0088]
输入/输出i/f 630可以提供用于通过将诸如键盘、鼠标、触摸面板等的输入设备(未示出)和诸如显示器(未示出)等的输出设备等与mcu 610连接来发送和接收数据的接口。
[0089]
作为能够向服务器发送各种数据并且从服务器接收各种数据的组件的通信i/f 640可以是能够支持有线通信或无线通信的各种类型的设备。例如，可以通过通信i/f 640向分开地设置的外部服务器发送用于电池单体的电压估计和异常类型诊断的程序或各种数据并且从分开地设置的外部服务器接收用于电池单体的电压估计和异常类型诊断的程序或各种数据。
[0090]
因此，根据本发明的实施例的计算机程序可以被记录在存储器620中并且由mcu 610处理，因此被实现为执行图2所示的功能块的模块。
[0091]
即使已在上面将构成本发明的实施例的所有组件描述为被组合成一个或相结合地操作，但是本发明不一定限于该实施例。也就是说，在本发明的目标范围内，所有组件可以通过被选择性地组合成一个或多个来操作。
[0092]
此外，诸如上述“包括”、“构成”或“具有”的术语可以意味着除非另外陈述否则所对应的组件可以是固有的，因此应该被解释为进一步包括其他组件而不是排除其他组件。除非另外定义，否则包括技术或科学术语的所有术语都具有与本领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。如词典中定义的术语的通常使用的术语应该被解释为具有与相关技术的上下文含义相同的含义，而不应该被解释为具有理想或过于正式含义，除非在本发明中清楚地定义它们。
[0093]
以上描述仅仅说明本发明的技术思想，并且本发明所属领域的普通技术人员将可在不脱离本发明的必要特性的情况下进行各种修改和变化。因此，本发明中公开的实施例意在供描述使用，而不限制本发明的技术精神，并且本发明的技术精神的范围不受这些实施例限制。本发明的保护范围应该通过以下权利要求来解释，并且在相同范围内的所有技术精神都应该被理解成被包括在本发明的范围内。