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.10-2020-0100130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。
3.技术领域
4.本发明涉及一种用于通过使用电池的容量-电压的微分曲线来诊断电池的异常行为并且对异常类型进行分类的电池异常诊断装置和方法。


背景技术：

5.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。
6.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。
7.当持续地使用这样的二次电池时，可能发生电池的可用容量逐渐地减小的劣化现象。照惯例，对测量数据的不稳定行为的检测已被检测来检测电池的劣化，但是当电池正常地操作时没有办法检测劣化。此外，照惯例，仅仅检测电池的劣化，但是难以标识劣化的详细类型。


技术实现要素：

8.[技术问题]
[0009]
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，其中通过分析电池的容量和电压的微分数据，电池的异常行为被诊断并且异常类型被分类。
[0010]
[技术方案]
[0011]
一种根据本发明的实施例的电池异常诊断装置包括：感测单元，该感测单元测量电池单体的电压和电流；微分数据计算单元，该微分数据计算单元计算电池单体的容量和电压的微分数据；以及异常诊断单元，该异常诊断单元基于微分数据诊断电池单体的异常并且对异常的类型进行分类。
[0012]
一种根据本发明的实施例的电池异常诊断方法包括：测量电池单体的电压和电流；计算电池单体的容量和电压的微分数据；以及基于微分数据诊断电池单体的异常并且对异常的类型进行分类。
[0013]
[有益效果]
[0014]
根据本发明的电池异常诊断装置和方法，通过分析电池的容量和电压的微分数据，可以诊断电池的异常行为并且可以对异常类型进行分类。
附图说明
[0015]
图1是一般电池架的框图。
[0016]
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。
[0017]
图3是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置计算的微分数据的一般形状的曲线图。
[0018]
图4a是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置计算的最大峰电压和峰强度的视图。
[0019]
图4b是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置计算的、充电中特定点处的峰电压和峰强度的视图。
[0020]
图5是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置分类的异常类型的视图。
[0021]
图6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。
[0022]
图7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
[0023]
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。
[0024]
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。
[0025]
如各种实施例中使用的，术语“第1(1st)”、“第2(2nd)”、“第一(first)”、“第二(second)”等可以不管次序和/或重要性地修饰各种组件，而不限制组件。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。
[0026]
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，而可以不旨在限制本公开的其他示例性实施例的范围。应当理解，除非上下文另外清楚地规定，否则单数表述包括复数表述。
[0027]
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现有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。
[0028]
图1是一般电池架的框图。
[0029]
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。
[0030]
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，mbms)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。
[0031]
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半导体开关元件的开关单元14，例如，可以根据电池架1的规格使用至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、继电器、磁接触器等。
[0032]
电池管理系统20可以测量或计算半导体开关元件的栅极、源极、漏极等的电压和电流以监测电池架1的电压、电流、温度等。电池管理系统20可以通过使用与半导体开关元件邻近设置的传感器12来测量电池架1的电流、电压、温度等。在本文中，传感器12可以对应于下述图2的感测单元。
[0033]
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可以控制开关单元14——例如，mosfet——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。
[0034]
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通过单独程序来计算电池单体的容量和电压的微分数据。可以使用所计算的微分数据来诊断电池单体的异常。
[0035]
上级控制器2可以向电池管理系统20发送用于电池模块10的控制信号。因此，电池管理系统20还可以基于从上级控制器2施加的信号在其操作方面被控制。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ess控制器。然而，电池架1不限于这样的目的。
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
参考图2，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以包括感测单元210、微分数据计算单元220和异常诊断单元230。
[0039]
感测单元210可以测量电池单体的电压和电流。感测单元210可以以特定时间间隔测量电池单体的电压和电流。
[0040]
]微分数据计算单元220可以计算电池单体的容量和电压的微分数据。例如，微分数据计算单元220可以计算电池单体的容量和电压的微分曲线dq/dv。
[0041]
在这种情况下，当针对电池单体测量或计算的数据值满足预设条件时，微分数据计算单元220可以计算微分数据。例如，当特定时间的电池单体的充电电流变化或放电电流变化大于参考值时，微分数据计算单元220可以计算电池单体的容量和电压的微分数据。此外，当在电池单体的充电/放电结束之后的特定时间的充电状态(soc)变化小于参考值时，微分数据计算单元220可以计算电池单体的容量和电压的微分数据。此类条件可能是ess系统的稳定操作所需要的。
[0042]
微分数据计算单元220可以通过使用相对于通过感测单元210测量的电压数据的采样来计算微分数据。在本文中，相对于电压数据的采样可以意指将电池单体的电压以单调递增或单调递减形式转换成数据的预处理过程。例如，微分数据计算单元220可以通过对具有相等电压幅度v的电池单体的容量值q进行分类并且针对每个电压幅度计算电池单体的容量值的平均值来执行相对于电压的采样。
[0043]
另外，微分数据计算单元220可以通过对于通过感测单元210测量的电压数据使用
平滑样条来计算微分数据。以这种方式，通过转换以满足相邻数据之间的连续性，可以将电池单体的微分数据的曲线转换成平缓形式。
[0044]
异常诊断单元230可以基于微分数据诊断电池单体的异常并且对异常的类型进行分类。异常诊断单元230可以基于微分数据的峰值对电池单体的异常的类型进行分类。此外，异常诊断单元230可以基于微分数据的峰处的电压和微分数据的峰的强度来对电池单体的异常的类型进行分类。
[0045]
更具体地，异常诊断单元230可以通过将微分数据的峰处的电压之和与预设第一参考值进行比较来将电池单体的异常分类为针对电池单体的异常的第一类型。在这种情况下，可以将第一参考值表达为微分数据的平均值和标准偏差之和(例如，μ+3σ)。例如，针对电池单体的异常的第一类型可以包括可用锂损失。
[0046]
此外，异常诊断单元230可以通过将微分数据的峰的强度之和与预设第二参考值进行比较来将电池单体的异常分类为针对电池单体的异常的第二类型。在这种情况下，可以将第二参考值表达为平均值与标准偏差之间的差(例如，μ-3σ)。例如，针对电池单体的异常的第二类型可以包括阳极反应面积减少。
[0047]
异常诊断单元230可以通过将通过将微分数据的峰的强度除以微分数据的峰处的电压所获得的值与预设第三参考值进行比较来将电池单体的异常分类为针对电池单体的异常的第三类型。在这种情况下，可以将第三参考值表达为微分数据的平均值和标准偏差之和(例如，μ+3σ)。例如，针对电池单体的异常的第三类型可以包括阴极反应面积减少。
[0048]
同时，尽管在图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。存储单元可以存储电池单体的电压和电流测量数据、电池单体的容量和电压的微分数据、有关电池单体的异常类型的各种数据等。然而，存储单元不一定被包括在电池异常诊断装置200中，并且存储单元可以被包括在外部服务器中并且通过单独通信模块(未示出)发送和接收数据。
[0049]
根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以进一步包括显示单元(未示出)。因此，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置200可以通过显示单元以曲线图的形式向用户表达通过微分数据计算单元220计算的微分曲线一般形状等。另外，显示单元可以包括用于接收用户的输入的用户接口(例如，触摸板等)。
[0050]
因此，根据本发明的电池异常诊断装置和方法，通过分析电池的容量和电压的微分数据，可以诊断电池的异常行为并且可以对异常类型进行分类。
[0051]
图3是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置计算的微分数据的一般形状的曲线图。参考图3，x轴可以指示电池单体的电压v，而y轴可以指示有关电池单体的容量和电压的微分数据dq/dv(ah/v)。
[0052]
如图3所示，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置可以通过分析电池单体的容量和电压的微分数据的一般形状来确定电池单体的异常。例如，在图3的微分曲线的出现峰的部分——例如点ea(1)、ea(5)、ec(2)和ea(6)
pre
中，在电池单体中可能发生异常。
[0053]
此外，通过对图3的微分数据应用统计方法，可以诊断电池单体的异常。例如，可以将诸如电池单体的微分数据的平均值、标准偏差等的统计值与预设阈值进行比较，从而检测电池单体的异常。在这种情况下，通过使用诸如平均值滑动窗口、标准偏差等的分析方案，可以诊断异常。
[0054]
图4a是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置计算的最大峰电压和峰强度的视图。
[0055]
参考图4a，在上曲线图中，x轴指示时间而y轴指示电压v(例如，图3的x轴)，其中最大峰出现在图3的微分数据中。在图4a的下曲线图中，x轴指示时间而y轴指示图3的微分数据中的最大峰的强度(ah/v)。在这种情况下，针对电池单体的充电/放电时间获得的图4a的数据可以对应于图3的ea(5)和ec(2)。
[0056]
参考图4a的上曲线图和下曲线图，电池单体的最大峰电压和最大峰强度的一般形状具有落在特定范围内、然后在特定时段期间离开上端或下端的峰。例如，可以从图4a看到，在上曲线图和下曲线图中于2019年12月2日、12月10日和12月26日共同生成峰。因此，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置可以通过检测电池单体的最大峰电压和最大峰强度的曲线中的峰值来确定电池单体的异常。
[0057]
图4b是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置计算的充电中特定点处的峰电压和峰强度的视图。
[0058]
参考图4b，在上曲线图中，x轴指示时间而y轴指示电压v(例如，图3的x轴)，其中最大峰出现在图3的微分数据中。在图4a的下曲线图中，x轴指示时间而y轴指示图3的微分数据中的最大峰的强度(ah/v)。在这种情况下，针对电池单体的充电/放电时间获得的图4b的数据可以对应于图3的ea(6)
pre
。
[0059]
参考图4b的上曲线图和下曲线图，像在图4a的情况下一样，电池单体的最大峰电压和最大峰强度的一般形状具有落在特定范围内、然后在特定时段期间离开上端或下端的数据。例如，在图4b的上曲线图中于2019年12月5日生成异常数据，而在下曲线图中于12月5日、12月10日和12月13日生成异常数据。因此，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置可以通过从电池单体的最大峰电压和最大峰强度的曲线检测偏离预设范围的异常数据来确定电池单体的异常。
[0060]
图5是示出由根据本发明的实施例的电池异常诊断装置分类的异常类型的视图。
[0061]
参考图5，x轴指示包括在电池架中的电池单体的id，而y轴从左曲线图按顺序依次分别指示微分数据的峰出现的峰电压之和、峰的强度之和、以及通过将峰的强度除以电压所获得的值(例如，图3的ea(6)
pre
)。
[0062]
因此，如图5所示，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置可以基于从微分数据计算的值来诊断电池单体的异常并且对异常的类型进行分类。
[0063]
更具体地，参考图5的第一曲线图，当微分数据的峰处的电压之和大于第一参考值(例如，μ+3σ)时，可以将电池单体的异常分类为针对电池单体的异常的第一类型。在这种情况下，第一类型可以是可用锂损失。
[0064]
另外，参考图5的第二曲线图，当微分数据的峰强度之和小于预设第二参考值(例如，μ-3σ)时，可以将电池单体的异常分类为针对电池单体的异常的第二类型。在这种情况下，第二类型可以是阳极反应面积减少。
[0065]
此外，参考图5的第三曲线图，当通过将微分数据的峰强度除以微分数据的峰处的电压所获得的值大于预设第三参考值(例如，μ+3σ)时，可以将电池单体的异常分类为针对电池单体的异常的第三类型。在这种情况下，第三类型可以是阴极反应面积减少。
[0066]
同时，已经参考图5描述了电池单体的异常的第一至第三类型分别指示可用锂损
失、阳极反应面积减少、阴极反应面积减少，本发明不限于此，并且可以不同地包括可由根据本发明的电池异常诊断装置检测的异常类型。
[0067]
另外，已经参考图5描述了微分数据的峰处的电压之和、微分数据的峰强度之和、以及通过将微分数据的峰强度除以微分数据的峰处的电压所获得的值与参考值进行比较，本发明不限于此，使得可以使用除上述计算值外的从微分数据推导的其他计算值并且可以取决于需要而使用各种诊断方案。虽然已经基于电池单体的微分数据的平均值和标准偏差之和或其之间的差设置了参考值，但是可以取决于需要不同地设置第一至第三参考值。
[0068]
图6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。
[0069]
参考图6，可以在操作s610中测量电池单体的电压和电流。在这种情况下，在操作s610中，可以以预设特定时间间隔测量电池单体的电压和电流。
[0070]
还在操作s620中确定测量数据值是否满足预设条件。在本文中，预设条件可以包括特定时间内电池单体的充电电流变化或放电电流变化大于参考值并且在电池单体的充电/放电结束之后的特定时间内的soc变化小于参考值的情况。此条件可以是ess系统的稳定操作所需要的。
[0071]
当测量数据值不满足预设条件(否)时，可以在操作s680中执行不分类处理。另一方面，当测量数据值满足预设条件(是)时，可以执行操作s630。
[0072]
在操作s630中，可以计算电池单体的容量和电压的微分数据dq/dv。在这种情况下，通过使用相对于测量电压数据的采样，可以计算微分数据。例如，可以通过对具有电池单体的相等电压幅度的容量值进行分类并且对于每个电压幅度计算电池单体的容量值的平均值来执行相对于电压的采样，使得电池单体的电压可以以单调递增或单调递减形式转换成数据。在操作s630中，通过使用相对于测量电压数据的平滑样条来转换以满足相邻数据之间的连续性，可以将电池单体的微分数据的曲线转换成平缓形式。
[0073]
接下来，在操作s640中，可以计算微分数据的峰处的电压v
peak
和微分数据的峰的强度intensity。在操作s650中，可以将微分数据的峰处的电压之和∑v
peak
与预设第一参考值(μ+3σ)进行比较。当微分数据的峰处的电压之和超过第一参考值(是)时，在操作s655中确定在电池单体中发生可用锂损失。
[0074]
另一方面，当微分数据的峰处的电压之和小于或等于第二参考值(否)时，可以在操作s660中将微分数据的峰强度之和∑intensity与预设第二参考值(μ-3σ)进行比较。当微分数据的峰强度之和小于第二参考值(是)时，在操作s665中确定在电池单体中发生阳极反应面积减少。
[0075]
另一方面，当微分数据的峰强度之和大于或等于第二参考值(否)时，可以在操作s670中将通过将微分数据的峰强度除以微分数据的峰处的电压所获得的值intensity/v
peak
与预设第三参考值(μ+3σ)进行比较。当微分数据的峰强度之和大于第三参考值(是)时，在操作s675中确定在电池单体中发生阴极反应面积减少。
[0076]
同时，当微分数据的峰强度之和小于第三参考值(否)时，在操作s680中，过程可以结束而不对电池单体的异常的类型进行分类。
[0077]
因此，根据本发明的电池异常诊断方法，通过分析电池的容量和电压的微分数据，可以诊断电池的异常行为并且可以对异常类型进行分类。
[0078]
图7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。
[0079]
参考图7，根据本发明的实施例的电池异常诊断装置700可以包括微控制器单元(mcu)710、存储器720、输入/输出接口(i/f)730和通信i/f 740。
[0080]
mcu 710可以是运行存储在存储器720中的各种程序(例如，电池诊断程序、微分数据计算程序、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异常诊断、类型分类等、并且运行图2的上述功能的处理器。
[0081]
存储器720可以存储有关电池单体的微分数据计算、异常诊断和分类等的各种程序。此外，存储器720可以存储各种数据，诸如电池单体的测量电压和电流数据、电池单体的微分数据等。
[0082]
取决于需要，可以提供多个存储器720。存储器720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720，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720，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)、闪存等。存储器720的以上列举的示例仅仅是示例并且不限于此。
[0083]
输入/输出i/f 730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)等的输出设备与mcu710连接来发送和接收数据的接口。
[0084]
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 740可以是能够支持有线通信或无线通信的各类型的设备。例如，可以通过通信i/f 740向分开地设置的外部服务器发送用于电池单体的微分数据计算和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微分数据计算和诊断的程序或各种数据。
[0085]
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720中并且由mcu 710处理，因此被实现为执行图2所示的功能块的模块。
[0086]
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。
[0087]
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。像词典中定义的术语一样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。
[0088]
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。