用于电池寿命诊断的系统和方法与流程

1.本发明涉及一种用于电池寿命诊断的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于计算车辆的弛豫电压以诊断电池寿命和状态并预测电池寿命的系统和方法。


背景技术：

2.在车辆中可以设置通过消耗电力来操作的各种装置，并提供电池来存储电力，用于向各种装置供电。最近，使用电池驱动的电动车辆正在兴起。
3.电动车辆的电池是电动车辆中的重要部件，并且电池容量或电压决定了续航里程和最大马达输出。电动车辆的电池一旦安装到车辆上，只要不会严重影响车辆运行，就不会与车辆分离，这使得无法检查电池的劣化状态。因此，用于诊断电动车辆电池的寿命和状态的技术非常重要，它直接关系到电动车辆的性能、可靠性和安全性。
4.在用于诊断电池寿命和状态的传统方法中，多数方法应用来自锂电池劣化模型的部分数据来执行估计。
5.以上对现有技术的描述仅仅是为了进一步理解本发明的背景，并且不应理解为承认本发明对应于本领域普通技术人员已知的现有技术。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是提供一种用于通过电池充电水平的变化、温度数据和电池弛豫电压(relaxation voltage)来诊断和预测车辆电池的寿命和状态的系统。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于车辆电池寿命诊断的系统，该系统包括：测量单元，其安装在车辆内并测量车辆电池的荷电状态变化和温度；计算单元，其在电池电源线被切断时计算电池弛豫电压；以及诊断单元，其使用测量单元测量的荷电状态变化和温度以及计算单元计算的电池弛豫电压来诊断电池寿命和状态。
8.在本发明的一种实施方式中，可以在电池使用开始时间点和电池使用结束时间点之间测量车辆电池的荷电状态的变化。
9.在本发明的一种实施方式中，电池使用开始的时间点和电池使用结束的时间点可以基于车辆的变速杆被换挡时的时间点来测量。
10.在本发明的一种实施方式中，计算单元可以在电池电源线被切断时测量电池输出端的初始电压，并在一定时间延迟后测量电池输出端的升高后的电压，然后根据初始电压和升高后的电压之间的差来计算电池弛豫电压。
11.在本发明的一种实施方式中，诊断单元可以使用当前测量的电池的弛豫电压在与电池初始状态下的电池弛豫电压对应的最小值和与电池寿命结束时的电池的弛豫电压对应的最大值之间的位置来诊断电池的寿命和状态。
12.在本发明的一种实施方式中，诊断单元可以配备有电池soh(健康状态)映射图，其输入是电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，并且其输出是电池寿命和状态，并且可使用该电池soh(健康状态)映射图来诊断电池寿命和状态。
13.在本发明的一种实施方式中，在计算单元计算的电池弛豫电压大于电池寿命结束时的电池弛豫电压的情况下，诊断单元可以将电池诊断为故障。
14.作为解决上述技术问题的另一种手段，本发明提供一种车辆电池寿命诊断方法，包括：由测量单元测量车辆电池的荷电状态的变化和温度，切断电池电源线并由计算单元计算电池弛豫电压，并由诊断单元使用车辆电池的荷电状态的变化和温度以及计算的电池弛豫电压来诊断电池寿命和状态。
15.在本发明的一种实施方式中，可以在电池使用开始的时间点和电池使用结束的时间点之间测量车辆电池的荷电状态的变化。
16.在本发明的一种实施方式中，电池使用开始的时间点和电池使用结束的时间点可以基于车辆的变速杆被换挡时的时间点来测量。
17.在本发明的一种实施方式中，计算单元可以在电池电源线被切断时测量电池输出端的初始电压，并在一定时间延迟后测量电池输出端的升高后的电压，然后根据初始电压和升高后的电压之间的差来计算电池弛豫电压。
18.在本发明的一种实施方式中，诊断单元可以使用当前测量的电池的弛豫电压在与初始状态电池的弛豫电压对应的最小值和与电池寿命结束时的电池弛豫电压对应的最大值之间的位置来诊断电池的寿命和状态。
19.在本发明的一种实施方式中，诊断单元可以配备有电池soh(健康状态)映射图，其输入是电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，其输出是电池寿命和状态，并且可使用该电池soh(健康状态)映射图来诊断电池寿命和状态。
20.在本发明的一种实施方式中，当计算单元计算的电池弛豫电压大于电池寿命结束时的电池弛豫电压时，诊断单元可以将电池诊断为故障。
21.根据上文所述的电池寿命诊断系统和方法，通过使用电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压来诊断电池寿命和状态，可以在不使用单独的复杂传感器等的情况下测量相对准确的电池寿命。
22.此外，上述的电池寿命诊断系统和方法可以通过soh(健康状态)映射图来预测电池寿命，soh(健康状态)映射图的输入是电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，输出是电池寿命和状态。
23.此外，通过在计算的电池弛豫电压大于已达到其寿命终点的电池的弛豫电压的情况下将电池状态诊断为故障，可以防止事故，并且，可以向客户和制造商传达有关电池售后服务时间和发生严重安全问题的可能性的准确信息。
24.本发明能够产生的益处不限于以上提及的益处，并且所提及的其它益处应当为本领域普通技术人员从下文中清楚地理解。
附图说明
25.图1是根据本发明的一种实施方式的电池寿命诊断系统的简化图。
26.图2是示出根据本发明的一种实施方式的用于诊断电池寿命的方法中的弛豫电压的曲线图。
27.图3是示出根据本发明的一种实施方式的用于诊断电池寿命的系统的流程图。
28.图4是示出用于诊断电池寿命的系统的soh(健康状态)映射图的表格，其输入是电
池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，其输出是电池寿命和状态。
具体实施方式
29.本说明书或申请中所公开的关于本发明实施方式的具体结构或功能描述仅仅是为了描述本发明的实施方式而举例说明的，并且本发明的实施方式可以以各种形式实施，并且不应解释为限于本说明书或申请中描述的实施方式。下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
30.图1是根据本发明的一种实施方式的用于诊断电池寿命的系统的简化图，图2是示出根据本发明的一种实施方式的用于诊断电池寿命的方法中的弛豫电压的曲线图，图3是示出根据本发明的一种实施方式的用于诊断电池寿命的系统的流程图，并且图4是示出用于诊断电池寿命的系统的soh(健康状态)图的表格，其输入是电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，其输出是电池寿命和状态。
31.图1是根据本发明的一种实施方式的电池寿命诊断系统的简化图。参考图1，提供了用于车辆电池寿命诊断的系统40，该系统包括：测量单元10，其安装在车辆内部并测量车辆电池的荷电状态变化和温度；计算单元20，其在电池电源线被切断时计算电池弛豫电压；以及诊断单元30，其使用在测量单元10处测量的荷电状态变化和温度以及在计算单元20处计算的电池弛豫电压来诊断电池50的寿命和状态。
32.电池是决定电动车辆的速度和行驶里程并提供电力的核心部件之一，这在电动车辆中很重要，锂离子电池等二次电池通常用作此类电池。本发明的目的在于预先诊断高电压、大容量车辆电池的使用时间，并防止发生严重的安全问题。为此，必须准确地执行车辆电池寿命诊断和寿命预测。
33.在车辆报废之前，安装在车辆上的传统电池不会与车辆分离，只要它不会严重影响车辆运行，因此无法检查电池劣化状态。因此，用于诊断电动车辆电池寿命和状态的技术非常重要，其直接关系到电动车辆的性能、可靠性和安全性。用于诊断电池寿命和状态的传统方法，应用来自基于锂电池劣化模型的电池管理系统的部分数据来执行估计。然而，使用基于电池劣化模型的部分电池管理系统数据的电池寿命诊断存在准确性低的问题。
34.因此，在本发明中，为了诊断和预测车辆电池寿命，在测量单元10中测量的车辆电池荷电状态的变化和温度数据以及在计算单元20中计算的电池弛豫电压用于在诊断单元30中诊断电池的寿命和状态。
35.具体地，电池测量单元10连接到车辆的电池50，并且可以设置在车辆内部的各个点处。本发明的计算单元20计算当对供应电池电力的电力线的电力供应被切断时的弛豫电压。由于高压电池会流出大电流，所以在不使用时会切断电气连接。弛豫电压是指当与电池的电气连接被切断时，电池任一端的残余电压的变化。
36.在本发明的情况下，为了测量这种弛豫电压，可以测量电池电源线被切断时电池输出端的初始电压，并可以在一定时间后测量电池输出端升高后的电压，并且弛豫电压可以根据初始电压和升高后的电压之间的差来计算。最后，使用在此计算的电池弛豫电压以及在测量单元10处测量的荷电状态变化和温度，诊断单元30诊断电池的寿命和状态。与基于电池劣化模型的使用部分电池管理系统数据的传统的诊断方法，使用内阻随电池劣化而增加的事实，利用初始电压和升高后的电压之间的差计算弛豫电压能够提高电池寿命诊断
的准确性。
37.只有在测量单元10测量了水平(level)或荷电(charge)的变化和电池温度数据，并且已经完成电池弛豫电压的计算之后，才诊断电池的寿命。也就是说，电池寿命诊断和寿命预测仅在测量单元10处的测量和计算单元20处的弛豫电压的计算已经发生之后进行。注意，电池的荷电状态(state of charge)可以缩写为soc，并且电池的寿命(state of health，健康状态)可以缩写为soh。
38.准确的电池soh诊断的目的是准确诊断电池何时需要维修，并将任何严重的安全问题提前通知客户和制造商，以防止给客户带来不便和事故。
39.测量单元10可以测量在电池使用开始时间点和电池使用结束时间点之间电池荷电状态的变化。
40.测量单元10测量电池的荷电状态的变化，并且电池的荷电状态的变化是在电池使用开始时间点和电池使用结束时间点之间测量。测量车辆电池的当前荷电状态，其中完全充电时的荷电状态为100％，并且当电池完全放电时，荷电状态为0％。车辆电池的使用在车辆运行开始获得驱动功率的时间点开始，并且车辆电池的使用在车辆运行完成且车辆停止的时间点结束。因此，通过使用在电池使用开始时间点和电池使用结束时间点测量的荷电状态以及稍后描述的soh图，可以预测车辆电池的寿命(健康状态)并诊断电池的寿命和状态。
41.电池使用开始时间点和电池使用结束时间点可以基于车辆变速杆被换挡的时间点来测量。
42.在基于电池使用开始时间点和电池使用结束时间点测量车辆电池的荷电状态变化时，电池使用开始时间点和电池使用结束时间点可以基于关于车辆的变速杆是否换挡。这是因为车辆的变速杆换挡的时间点通常与电池使用开始时间点和结束时间点一致。因此，当车辆的变速杆位于“d”档时，这被识别为驱动模式，以及电池使用开始的时间点，并且测量此时电池的荷电状态(soc)。当车辆的变速杆位于“p”档时，这被识别为电池使用结束的时间点，并且测量此时电池的荷电状态(soc)。使用测量值和soh图，可以预测车辆电池的健康状态，并且可以诊断电池的寿命和状态。
43.图2是示出根据本发明的一种实施方式的用于诊断电池寿命的方法中的弛豫电压的曲线图。
44.计算单元20可以使用电池电源线被切断时电池输出端的初始电压与一定时间延迟后电池输出端升高后的电压之间的差来计算电池弛豫电压。
45.参考图2，关于电池弛豫电压，当车辆电池的电源线被切断时，电池电压自动升高并收敛到某个值。这里，将从车辆电池的电源线通过车辆的bms(电池管理系统)切断的时间点到电池电压升高的时间点的电压变化称为弛豫电压。车辆开始运行的时间点可以看作是电池使用开始时间点，并且在电池正负极有负载的情况下，在车辆运行期间测量的电压称为闭路电压，而在车辆不运行时且电池正负极无负载的情况下测量的电压称为开路电压。由于车辆电池的电源线被切断的时间点是车辆运行后停止时的时间点，因此，监视在车辆停止的时间点，从闭路电压(ccv)到开路电压(ocv)的变化。因此，电池使用结束时间点的最后开路电压(ocv)与车辆停止时间点的闭路电压(ccv)之间的差是电池弛豫电压。最终，由于车辆停止时的闭路电压(ccv)是电池电源线被切断时电池输出端的初始电压，并且电池
使用结束时间点的最终开路电压(ocv)是经过一定时间后电池输出端的升高后的电压，因此，初始电压与升高后的电压之间的差可用于计算电池的弛豫电压。
46.诊断单元30能够使用当前测量的电池的弛豫电压在与最小值(对应于电池初始状态下的弛豫电压)与最大值(对应于电池寿命结束时的弛豫电压)之间的位置，来诊断电池的当前寿命和状态。
47.由于车辆的锂离子电池无法与车辆分离，因此电池在使用期间保持附接至车辆。这里，随着电池的使用，电池的内阻逐渐增大，随着电池剩余寿命的减少，电池的弛豫电压的电压变化率增大。由于待诊断电池的弛豫电压介于初始状态电池的弛豫电压和电池寿命结束时的弛豫电压之间，因此，初始状态电池的剩余寿命与电池寿命结束时的剩余寿命之间的比率可用于诊断待诊断电池的寿命和状态。通过确定待诊断电池的剩余寿命越短，其弛豫电压越接近电池寿命结束时的弛豫电压，并且，待诊断电池的剩余寿命越长，其弛豫电压越接近初始状态电池的弛豫电压，可以对待诊断电池的寿命和状态进行诊断。
48.图4是示出用于诊断电池寿命的系统的soh(健康状态)映射图的表格，其输入是电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，其输出是电池寿命和状态。
49.诊断单元30可以配备电池soh(健康状态)映射图，其输入是电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，其输出是电池寿命和状态，并且可以使用该电池soh(健康状态)映射图诊断电池寿命和状态。
50.参考图4，电池soh映射图包括多个表格，例如图4的表格，其中，初始状态电池的电池弛豫电压和实验确定的不同电池劣化程度时的电池弛豫电压。随着电池劣化，电池的内阻增加，并且利用这种特性，如果在恒流充电或放电过程中，充电或放电中断一定时间，电池电压会朝着ocv下降或升高。弛豫电压定义为这种电压变化的大小。为了找出待诊断电池的寿命和状态，在soh映射图上查找由测量单元10在电池使用开始时间点和电池使用结束时间点测量的车辆电池荷电状态的变化，以及初始电池温度。本发明中测量电池荷电变化和温度的原因是，通过在运行前测量车辆电池的温度，在相同条件下执行电池寿命诊断和预测，以及确定车辆电池在使用前和使用结束时的荷电状态，以计算其弛豫电压，从而准确诊断和测量电池的剩余寿命。
51.然后，通过查找电池电源线被切断时电池输出端的初始电压与在一定时间后电池输出端的升高后的电压之间的差，然后在电池soh映射图中查找对应的电池弛豫电压，找到待诊断电池的弛豫电压。这里，使用在电池soh映射图中找到的对应的弛豫电压，可以在表格的左上角找到对应的电池劣化程度。使用该电池劣化程度，可以确定待诊断的电池的寿命和状态。
52.如果计算单元20计算的电池的弛豫电压大于其寿命结束时的弛豫电压，诊断单元30可以将电池的状态诊断为故障。
53.对于将电池的状态诊断为故障的方法，随着电池的使用，电池的内阻逐渐增大，因此弛豫电压的电压变化大小随着电池寿命的减少而逐渐增大。待诊断电池的弛豫电压位于初始状态电池的弛豫电压和电池寿命结束时的弛豫电压之间，并且在为待诊断电池计算的电池弛豫电压大于电池寿命结束时的弛豫电压的情况下，可以确定待诊断电池的劣化程度大于电池寿命结束时的劣化程度，并且待诊断电池的状态可被诊断为故障。
54.图3是根据本发明的一种实施方式的用于诊断电池寿命的系统的流程图。
55.参考图3，根据本发明的一种实施方式的用于诊断车辆电池的电池寿命的方法包括：在s30和s80，测量单元10测量车辆电池的荷电状态的变化和温度；在s110，切断电池电源线并在计算单元20中计算电池弛豫电压；以及在s120，在诊断单元30中使用车辆电池的荷电状态的变化和温度以及计算出的电池弛豫电压来诊断电池寿命和状态。
56.在s30测量单元10测量车辆电池的荷电状态的变化和温度之前，该方法还可以包括在s20确定驾驶员的制动踏板信号是否开启，或者点火信号是否开启。
57.在s20，确定驾驶员的制动踏板信号是否开启或者点火信号是否开启时，如果驾驶员的制动踏板信号关闭并且点火信号关闭，该方法可以进一步包括在s10不测量车辆电池的荷电状态的变化和温度或者重置测量值。
58.测量车辆电池的荷电状态的变化和温度(s30、s80)可以包括测量电池使用开始时间点和电池使用结束时间点之间车辆电池荷电状态的变化。
59.在s40，电池使用开始时间点和电池使用结束时间点可以基于车辆变速杆换挡时间点来测量。
60.在s40基于车辆变速杆换挡时间点的测量之后，该方法可以进一步包括s50的车辆运行。
61.在s50车辆运行之后且在s80测量车辆电池荷电状态的变化和温度之前，该方法可以进一步包括s60，确定驾驶员的制动踏板信号是否开启(turn on)，变速器是否切换到停车模式，或者点火按钮是否关闭(turn off)。
62.在s60确定驾驶员的制动踏板信号是否开启、变速器是否切换到停车模式或者点火按钮是否关闭时，如果确定驾驶员的制动踏板关闭(turn off)、变速器没有切换到停车模式，或者点火按钮被开启(turn on)的情况下，该方法可以进一步包括s70，不测量车辆电池荷电状态的变化和温度。
63.在s60确定驾驶员的制动踏板信号是否开启、变速器是否切换到停车模式，或者点火按钮是否关闭之后，并且在s110计算电池弛豫电压之前，该方法可以进一步包括s90，确定充电电缆是否已在5分钟内连接到车辆。
64.在s90确定充电电缆是否已在5分钟内连接到车辆的步骤中确定充电电缆已在5分钟内连接到车辆的情况下，该方法可以进一步包括s100，转换到车辆电池充电诊断模式。
65.在s110计算电池弛豫电压可以包括：在电池电源线被切断时测量电池输出端的初始电压，在一定时间之后测量电池输出端子处的升高后的电压，然后使用初始电压和升高后的电压之间的差来计算电池弛豫电压。
66.在s120诊断电池寿命和状态可以包括：使用当前测量的电池的弛豫电压在与初始状态电池的弛豫电压对应的最小值和与电池寿命结束时的弛豫电压对应的最大值之间的位置，来诊断当前电池的寿命和状态。
67.在s120诊断电池寿命和状态可以进一步包括：使用电池soh(健康状态)映射图诊断电池寿命和状态，其输入是电池荷电状态的变化、温度数据和弛豫电压，其输出是电池寿命和状态。
68.在s120诊断电池寿命和状态可以进一步包括：当计算单元计算的电池弛豫电压大于电池寿命结束时的弛豫电压时，将电池诊断为故障。
69.尽管上文已经说明和描述了本发明的具体实施方式，但是对于本领域的普通技术
人员来说不言而喻的是，在不脱离所附权利要求中提供的本发明的技术思想的情况下，可以以各种方式修改和改变本发明。