CN107003361B - 用于诊断一组固定电池的缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测包括至少一个电池的电力储存系统的缺陷的方法。该方法包括用于应用对该电池进行充电或放电的指令的步骤。该方法还包括用于在应用该指令的过程中测量通过该电池的电流的步骤。该方法还包括用于分别在m×n个时间间隔([t_i ^j,t_i ^j+T_j])_{1≤j≤m,1≤i≤n}内计算该指令的该测量电流与理想电流之间的m×n个平均误差(e_Tj(t_i ^j))_{1≤j≤m,1≤i≤n}的步骤。该步骤还包括用于针对1与m之间的每个j计算e_j＝最大(_eTj(t_i ^j))的步骤，其中，i＝1,…,n。最后，该方法包括用于在e_j完全或部分地超过预定阈值时使计数器C_j递增的步骤。如果C_j超过预定阈值，则检测缺陷。

Description

用于诊断一组固定电池的缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种用于诊断一组固定电池的故障的方法。该方法具体适用于用于储存来自风或光伏类型的再生源的能量的装置。

背景技术

在当前围绕全球变暖的协议背景下，减少二氧化碳(CO2)排放是各行业面对的主要挑战，尤其是能源生产商和机动车辆制造商，在这些领域中标准一直更加严格。

在机动车辆制造业，除了常规热燃发动机的性能的不断改进(这伴随着CO2排放的减少)之外，电动车辆和热电混合电动车辆现今被视为是减少CO2排放的最有前景的解决方案。在本申请的其余部分中，表达“电动车辆”不加区别地指电动车辆和热电混合车辆，包括可再充电的混合车辆。

已经考虑了各种技术来设计用于电动车辆的牵引电池，各自具有优点和缺点。具体地，锂离子(Li离子)技术提供了对机动车辆应用较为理想的能量密度与功率密度之间的极好折衷。然而，实现这种技术也有许多困难，针对技术原因和经济原因两者。确切地，用于牵引电动车辆的Li离子电池随着时间并随着使用状况经历容量损失。从一定的容量阈值开始，这些电池的自主性不再足够用于机动车辆，并且有必要取代它们。遗憾的是，储存和回收Li离子电池的成本非常高，并且抵消了这些电池的经济收益。这就是为什么本申请人着眼于为建筑物供应电力而致力于通过提出将其用于其他应用(具体为用于储存风或光伏类型的再生电能的固定应用)来延长这些电池的寿命。确切地，通过延长电池成本的分期偿还的持续时间，这使得可以吸收其回收成本并因此提高其经济收益。申请人因此开发了一种用于为建筑物供应电力的能量储存系统，此系统使用在它们曾在电动车辆中第一次使用或“有第一次寿命”的意义上被“回收”的电池。因而提及这些电池的“第二次寿命”。然而，由于这些电池已经老化，必须特别小心以维护该系统，以便确保所需的安全和性能水平。这是本发明提出要解决的一个问题。

专利EP 2147323公开了一种用于向建筑物供应电力并包括用于检测电池故障的装置的固定电池系统。这种方案的一个主要缺点是它未给出关于故障来源的精确指示，而将精确诊断工作留给维护操作员。这是本发明提出要解决的另一个问题。

发明内容

本发明的目的是克服前述缺点并具体提供关于达到固定电池的充电或放电设定点的诊断。为此，本发明的一个主题是一种用于检测包括至少一个电池的电能储存系统中的故障的方法。该方法包括：对该电池应用充电或放电设定点的步骤。该方法还包括：在这个设定点应用过程中测量通过该电池的电流的步骤。该方法还包括：分别在m×n个时间间隔([t_i ^j,t_i ^j+T_j])_{1≤j≤m,1≤i≤n}内计算该测量电流与理论设定点电流之间的m×n个平均误差的步骤。该方法还包括：针对1与m之间的任意j值计算的步骤。最终，该方法包括：如果e_j就绝对值或就相对份额超过预定阈值则使计数器C_j递增的步骤。如果C_j超过预定阈值，则检测故障。

在一个有利的实施例中，针对1与m之间的任意j值以及针对1与n之间的任意i值，t_i+1 ^j＝t_i ^j+Δt^j，其中，Δt^j可以是预定采样间隔。

在一个甚至更有利的实施例中，在下述情况下可以使计数器C_j递增：如果T_j是比预定阈值更短的持续时间，并且e_j超过以安培为量值单位的预定阈值，或者如果T_j是比该预定阈值更长的持续时间，并且e_j与该持续时间T_j的预定平均误差之间的比例超过预定比例。

例如，可以通过下式来计算平均误差

在一个特别有利的实施例中，该方法可以包括发出故障警报的步骤，该警报能够包括指示：如果T_j≤阈值₁，则该故障的起源是连接器故障，其中，阈值₁是预定的时间阈值；如果阈值₁≤T_j≤阈值₂，则该故障的起源是传感器故障，其中，阈值₂是预定的时间阈值；并且，如果阈值₂≤T_j，则该故障的起源是该电池的老化。

本发明的另一主题是一种用于储存来自再生源的电能的系统，所述系统包括至少一个电池、以及用于实现这种用于检测故障的方法的硬件装置和软件装置。

本发明的最后一个主题是一种包括这种系统的建筑物。

本发明的主要优点是它使得不仅可以检测电池故障而且还可以隔离有缺陷的电池从而能够对其进行更换，由此提高性能；并关注于维护，由此改进提供给客户的服务。

附图说明

通过以下说明并参见附图，本发明的其他特征和优点将变得显而易见的，在附图中：

·图1使用架构图示出了可以在其中实现本发明的系统的一个示例；

·图2a、图2b、图2c和图2d使用图形示出了本发明的将充电设定点与达到这个设定点进行比较的一个原理；

·图3a、图3b和图3c使用图形示出了根据本发明的方法的一个示例性实施例。

具体实施方式

图1示出了系统1，该系统包括具有其电池管理系统(BMS)控制系统的电池11，电池11通过充电和放电系统与配电网络R连接，从而使得可以将三相或单相交流转换成直流，并且反之亦然。

为了满足建筑物在电流方面的需要，系统12的主控制器充当对系统的各模块的监督器。具体地，根据本发明的方法可以实现于其中。具体地，它将充电(或对应地，放电)功率P设定点发送至充电器13(或对应地，至逆变器14)。接口模块15使能计算机与系统的其他部件经由EtherCAT、以太网、CAN和Modbus网络的通信，其使用是众所周知的。控制器16专用于在硬件级诊断电气问题：如果检测到问题，例如短路，则计算机16打开位于网络R与充电器13和逆变器14之间的断路器(附图中未示出)。给定电池11的端子两端的电压U的测量结果，借助关系P＝U×I，功率P设定点可以被解释为充电(或对应地，放电)电流I设定点。图2a至图2d所示的本发明的一个原理是比较实际通过电池11的测量电流I^电池与电流设定点I^恒定随着时间τ的进展。具体而言，本发明提出了计算电流设定点I^恒定与测量电流I^电池之间的误差。图2a因而示出了没有故障的理想情况下的这个比较：测量电流I^电池用实线示出，而电流设定点I^恒定用虚线示出。当系统处于充电阶段或当其处于放电阶段时可以计算误差，这不加区别地被实施。

本发明的另一原理是在具有可变持续时间的滑动时间窗内计算这个误差。这使得可以推断出故障出现的频率，并关注于根据这个频率的适当治疗。图2b、图2c和图2d示出了三个频率范围以及因此可以被本发明区分的三种故障类型：图2b示出了高频故障(它们在频繁的基础上重复，例如在图2b中考虑的时间间隔内4次)，这表明连接器问题，图2c展示了中频故障(它们在较不频繁的基础上重复，例如在图2c中考虑的时间间隔内两次)，这表明传感器问题，并且图2d示出了低频故障(它们在图2d中考虑的时间间隔内是连续的)，这表明老化问题。

在时刻t与时刻t+T之间延伸的持续时间T的时间窗内设定点电流I^恒定与测量电流I^电池之间的平均误差可以例如由均方根给出：

其中，缩写RMS代表均方根。

在所考虑的持续时间T的所有时间窗上的最大误差然后由下式给出：

图3a、图3b和图3c根据本发明针对根据时间τ给出的电流I^电池的同一特征曲线示出了计算最大误差的步骤。

首先，如图3a所展示的，在时刻t₁ ⁰与时刻t₁ ⁰+T₀之间的持续时间T₀的第一时间窗内计算误差然后选择时间采样间隔Δt⁰来将时间窗从第一时刻t₁ ⁰滑动至第二时刻t₂ ⁰＝t₁ ⁰+Δt⁰。然后在时刻t₂ ⁰与时刻t₂ ⁰+T₀之间的持续时间T₀的第二时间窗内计算误差然后在时刻t₃ ⁰＝t₂ ⁰+Δt⁰与时刻t₃ ⁰+T₀之间的持续时间T₀的第三时间窗内计算误差继续这样，直到在时刻t_n ⁰＝t_n-1 ⁰+Δt⁰与时刻t_n ⁰+T₀之间的持续时间T₀的第n时间窗内计算误差然后计算最大误差

接下来，如图3b所展示的，在时刻t₁ ¹与时刻t₁ ¹+T₁之间的比T₀更长的持续时间T₁的第一时间窗内计算误差然后选择时间采样间隔Δt¹来将时间窗从第一时刻t₁ ¹滑动至第二时刻t₂ ¹＝t₁ ¹+Δt¹。然后在时刻t₂ ¹与时刻t₂ ¹+T₁之间的持续时间T₁的第二时间窗内计算误差然后在时刻t₃ ¹与时刻t₃ ¹+T₁之间的持续时间T₁的第三时间窗内计算误差继续这样，直到在时刻t_n ¹与时刻t_n ¹+T₁之间的持续时间T₁的第n时间窗内计算误差然后计算最大误差

接下来，如图3c所展示的，在时刻t₁ ²与时刻t₁ ²+T₂之间的比T₁更长的持续时间T₂的第一时间窗内计算误差在时刻t₂ ²与时刻t₂ ²+T₂之间的持续时间T₂的第二时间窗内计算误差在时刻t₃ ²与时刻t₃ ²+T₂之间的持续时间T₂的第三时间窗内计算误差继续这样，直到在时刻t_n ²与时刻t_n ²+T₂之间的持续时间T₂的第n时间窗内计算误差然后计算最大误差

计算过程这样继续m次，直到在比窗口T_m-1更长的持续时间T_m的滑动窗口内计算

针对1≤j≤m，持续时间T_j的选择取决于系统的响应时间，即取决于达到期望的设定点所必需的时间。在目前情况下，这是建立电流的时间。在以下示例性实施例中，选择了持续时间T₁＝1s，T₂＝10s，T₃＝100s，T₄＝1000s和T₅＝3600s。

每当最大误差(其中，1≤j≤m)超过预定义的阈值时，确认计数器C_j递增：如果计数器本身达到通过校准而预先定义的阈值，则认为已经检测到故障。相反，如果在同样预定义的某个时间段结束时，还未达到确认阈值，则将计数器C_j重置为零。

在本申请的其余部分中，术语缺陷和故障不加区分地使用。

第一系列滑动窗口：

·T₀：1秒(s)

·Δt⁰：20毫秒(ms)

·t₁ ⁰与t_n ⁰+T₀之间的总观察持续时间：10s

·持续时间T₀的2个连续滑动窗口之间的重叠：400ms

·在检测到缺陷之前向计数器C₀确认的次数：30次确认

·如果未检测到缺陷，则将计数器C₀重置为零之前的时间：30分钟(min)

这意味着每秒钟重现的缺陷可以最早在5分钟内并且最迟在15小时内被确认。

第二系列滑动窗口：

·T₁：10s

·Δt¹：200ms

·t₁ ¹与t_n ¹+T₁之间的总观察持续时间：100s

·持续时间T₁的2个连续滑动窗口之间的重叠：4s

·在检测到缺陷之前向计数器C₁确认的次数：15次缺陷

·如果未检测到缺陷，则将计数器C₁重置为零之前的时间：1小时(h)

这意味着每秒钟重现的缺陷可以最早在25分钟内并且最迟在15小时内被确认。

第三系列滑动窗口：

·T₂：100s

·Δt²：2s

·t₁ ²与t_n ²+T₂之间的总观察持续时间：1000s

·持续时间T₂的2个连续滑动窗口之间的重叠：40s

·在检测到缺陷之前向计数器C₂确认的次数：5次缺陷

·如果未检测到缺陷，则将计数器C₂重置为零之前的时间：5h

这意味着每秒钟重现的缺陷可以最早在80分钟内并且最迟在25小时内被确认。

第四系列滑动窗口：

·T₃：1000s

·Δt³：20s

·t₁ ³与t_n ³+T₃之间的总观察持续时间：5000s

·持续时间T₃的2个连续滑动窗口之间的重叠：400s

·在检测到缺陷之前向计数器C₃确认的次数：3次缺陷

·如果未检测到缺陷，则将计数器C₃重置为零之前的时间：8h

这意味着每秒钟重现的缺陷可以最早在4小时内并且最迟在24小时内被确认。

第五系列滑动窗口：

·T₄：3600s

·Δt⁴：20s

·t₁ ⁴与t_n ⁴+T₄之间的总观察持续时间：10800s

·持续时间T₄的2个连续滑动窗口之间的重叠：1440s

·在检测到缺陷之前向计数器C₄确认的次数：2次缺陷

·如果未检测到缺陷，则将计数器C₄重置为零之前的时间：12h

这意味着每秒钟重现的缺陷可以最早在6小时内并且最迟在24小时内被确认。

对于具有短持续时间(具体地，具有持续时间T₀、T₁和T₂)的窗口，误差的绝对值可以被视为显著的。在这些情况下，可以对比误差 和着眼于分别使计数器C₀、C₁和C₂进行以安培(A)为量值单位的绝对值阈值递增，比如分别为ST₀＝6A、ST₁＝4A和ST₂＝2A。同时，对于具有长持续时间(具体地，T₃和T₄)的窗口，误差的绝对值不能被视为显著的。确切地，当在短时间段(即高频时间段)内工作时，监测高电流峰值，并且因此就误差的绝对值进行考虑。同时，对于较低的频率，寻求监测系统的性能，并且因此就设定点已经被实现的百分比进行考虑，这基本上对应于性能。在这些情况下，这些是相对误差 和其中，平均值_电流_T₃和RMS_电流_T₄分别表示在时间段T₃和T₄内的平均电流，分别通过和计算，可以将其分别与比例比如0.8和0.75进行比较。有必要注意的是，阈值的值的减小较大以便能够将诊断进行彼此区分。确切地，必须特别小心以校准阈值，以便能够在各诊断之间单独地进行区分。例如，在1秒的时间段内超过20A与在10秒的范围内超过2A相对应。因而，如果必须在1秒的窗口内而非用10秒的窗口实施诊断，则10秒窗口的阈值一定大于2A。

以上示例性实施例使得可以帮助维护人员根据故障的类型采取适当的决策：

·如果在约1至10秒的持续时间T_j内检测到故障，则可以立即停止系统并且可以将维护人员朝连接器问题(连续性测试)或系统不稳定性问题(软件更新)引导；

·如果在约100秒的持续时间T_j内检测到故障，则可以将维护人员朝传感器漂移(预期更换传感器)引导；

·如果在约1000秒或更长的持续时间T_j内检测到故障，则可能是由于老化的影响并且因此有必要预期更换电池。

通过提供关于故障来源的精确诊断，本发明因此提供了显著减小维护成本的附加优点。

Claims (7)

1.一种用于检测包括至少一个电池的电能储存系统中的故障的方法，所述方法的特征在于，所述方法包括：

·对所述电池应用充电或放电设定点的步骤；

·在所述设定点的所述应用过程中测量通过所述电池的电流的步骤；

·分别在m×n个时间间隔([t_i ^j,t_i ^j+T_j])_{1≤j≤m,1≤i≤n}内计算经测量的电流与理论设定点电流之间的m×n个平均误差的步骤；

·针对1与m之间的任意j值计算的步骤；

·如果e_j就绝对值或就相对份额超过误差预定阈值则使计数器C_j递增的步骤；

如果C_j超过计数器预定阈值，则检测故障。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，针对1与m之间的任意j值以及针对1与n之间的任意i值，t_i+1 ^j＝t_i ^j+Δt^j，其中，Δt^j是预定采样间隔。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果满足以下两个条件之一则使所述计数器C_j递增：

·T_j是比持续时间预定阈值更短的持续时间，并且e_j超过以安培为量值单位的误差预定阈值，或者；

·T_j是比所述持续时间预定阈值更长的持续时间，并且e_j与所述持续时间T_j的预定平均误差之间的比例超过预定比例。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平均误差是通过下式计算的：

其中，I^电池表示电池的经测量的电流，I^恒定表示电流设定点，τ表示时间。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括发出故障警报的步骤，所述警报包括指示：

·如果T_j≤阈值₁，则所述故障的起源是连接器故障，其中，阈值₁是预定的时间阈值；

·如果阈值₁≤T_j≤阈值₂，则所述故障的起源是传感器故障，其中，阈值₂是预定的时间阈值；

·如果阈值₂≤T_j，则所述故障的起源是所述电池的老化。

6.一种用于储存来自再生源的电能的系统，包括至少一个电池，其特征在于，所述系统包括用于实现如前述权利要求中任一项所述的方法的硬件装置和软件装置。

7.一种建筑物，其特征在于，所述建筑物包括如前一权利要求所述的系统。