CN114441979A - 压降电池单元检测和电池单元健康状态监测 - Google Patents

压降电池单元检测和电池单元健康状态监测 Download PDF

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CN114441979A CN202110330035.1A CN202110330035A CN114441979A CN 114441979 A CN114441979 A CN 114441979A CN 202110330035 A CN202110330035 A CN 202110330035A CN 114441979 A CN114441979 A CN 114441979A
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Abstract

一种用于确定包括多个电池单元的电动电池的健康状态的方法。该方法包括测量所述多个电池单元的每个单独电池单元的电池电压的步骤，以及分析每个测得的电池单元电压以确定对应电池单元的健康状态的步骤。

Description

压降电池单元检测和电池单元健康状态监测
技术领域
本公开一般涉及可再充电能量存储系统(RESS)，例如车辆中的电池组。
背景技术
使用RESS(例如电池组)来存储大量能量以向车辆提供推进力的机动车辆是可用的。这些车辆可包括例如插电式混合动力电动车辆、使用内燃机作为电池充电发电机的电动车辆以及电池电动车辆。车辆电池组通常使用多个串联的电池单元来实现与用于车辆推进的牵引电动机的电压要求兼容的电池组电压。为了使车辆的行驶范围和电池组的寿命最大化，期望监测电池组中的电池单元的健康状态。
在电动车辆系统实现其预期目的的同时，需要一种新的和改进的系统和方法，用于监测电池组中的电池单元的健康状态并相应地管理电池系统。
发明内容
根据多个方面，公开了一种用于确定包括多个电池单元的电动电池组的健康状态的方法。该方法包括测量所述多个电池单元的每个单独电池单元的电池电压的步骤，以及分析每个测得的电池单元电压以确定对应电池单元的健康状态的步骤。
在本公开的附加方面中，分析每个测得的电池单元电压的步骤包括以下步骤：确定所述电池组中的单独测得的电池单元电压的平均值；确定所述单独电池单元中的每个电池单元的剩余电压值，其中，所述剩余电压值被计算为特定的单独电池单元的测得的电压与所确定的平均值之间的数值差；以及在每个测量时间计算所确定的剩余电压值的标准偏差。分析每个测得的电池单元电压的步骤还包括：将异常电池单元识别为剩余电压值在预定时间段内超过所述标准偏差的预定倍数的电池单元，以及在识别出至少一个异常电池单元时执行第一动作。
在本公开的另一方面，所述第一动作包括设置诊断指示符。
在本公开的另一方面中，在识别出至少一个异常电池单元时的所述第一动作包括降低电池输送的最大功率。
在本公开的附加方面中，所述第一动作包括基于对异常电池单元的可用能量的估计值来计算电池的可用剩余能量的减小值。
在本公开的另一方面，所述第一动作包括与不具有异常电池单元的电池所允许的充电速率相比，降低电池的可允许的充电速率。
根据本公开的各方面，所述第一动作包括：将第二平均值确定为排除与所有被识别为异常电池单元的电池单元相关联的电压后测得的电压的平均值；以及确定未被识别为异常电池单元的所述电池单元中的每个电池单元的第二剩余电压值，其中，所述第二剩余电压值被计算为特定的非异常单独电池单元的测得的电压与所确定的第二平均值之间的数值差。所述第一动作还包括：在每个测量时间计算第二标准偏差作为所述非异常电池单元的所确定的第二剩余电压值的标准偏差；将压降电池单元识别为其第二剩余电压值超过所述第二标准偏差的预定倍数的电池单元；以及在识别出至少一个压降电池单元时执行第二动作。
在本公开的另一方面，所述第二动作包括设置诊断指示符。
在本公开的附加方面，所述第二动作包括降低电池输送的最大功率。
在本公开的又一方面，所述第二动作包括基于对所述压降电池单元可用的能量的估计值来计算所述电池可用的剩余能量的减小值。
在本公开的另一方面，所述第二动作包括与不具有压降电池单元的电池所允许的充电速率相比，降低所述电池的可允许的充电速率。
根据本公开的多个方面，分析每个测得的电池单元电压包括：识别与所述多个电池单元中的最低测得的电池单元电压相对应的电池单元；确定与所述最低测得的电池单元电压相对应的所述电池单元是否在大于预定阈值持续时间的持续时间内具有保持在预定阈值电压以下的输出电压；以及如果与所述最低测得的电池单元电压相对应的所述电池单元在大于所述预定阈值持续时间的持续时间内具有保持在所述预定阈值电压以下的输出电压，则执行第三动作。
在本公开的另一方面，所述第三动作包括分析与和所述最低测得的电池单元电压相对应的所述电池单元相邻的电池单元的电池单元电压，以确定该相邻电池单元是否正在显示出电池单元压降的指示。
在本公开的附加方面，所述第三动作包括将电池组温度、电池组温度的上升速率、电池单元温度、电池单元温度的上升速率、电池组压力和/或电池组压力的上升速率与预定阈值进行比较。
在本公开的另一方面，所述第三动作包括激活警告信号。
根据本公开的多个方面，分析每个测得的电池单元电压包括：使用滚动平均算法、卡尔曼滤波器或递归最小二乘算法来估计恒定充电或放电条件期间的电池单元电阻值；以及如果估计的电池单元电阻值超过预定阈值，则执行第四动作。
根据本公开的另一方面，所述第四动作包括设置诊断指示符。
根据本公开的附加方面，所述第四动作包括使从电池输送的最大功率。
根据本公开的另一方面，所述第四动作包括计算所述电池可用的剩余能量的减小值。
根据本公开的另一方面，所述第四动作包括与不具有估计的电池单元电阻值超过预定阈值的电池单元的电池所允许就的充电速率相比，降低所述电池的可允许的充电速率。
从本文提供的描述中，可应用的其他领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文中所描述的附图仅用于说明目的而不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图1是根据示例性实施例的电化学电池的等效电路模型的示意图；
图2是根据示例性实施例的包括包含多个电池单元的电池组的电气架构的示意图；
图3是根据示例性实施例的用于检测电池组中的异常电池单元的算法的流程图；
图4是根据示例性实施例的用于检测电池组中压降电池单元的算法的流程图；
图5是根据示例性实施例的用于检测电池组中压降电池单元的替代算法的流程图；
图6是根据示例性实施例的用于检测电池组中短路电池单元的算法的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或使用。
使用RESS(例如电池组)来存储大量能量以向车辆提供推进力的机动车辆是可用的。这些车辆可包括例如插电式混合动力电动车辆(EV)、使用内燃机作为电池充电发电机的电动车辆以及电池电动车辆。车辆电池组通常使用多个串联的电池单元来实现与用于车辆推进的牵引电动机的电压要求兼容的电池组电压。车辆中使用的电池组通常配置有串联的电池单元，并且这些电池组中的几个可以并联连接以向车辆提供更多动力。在非限制性示例中，电池组可以使用标称电压为4.2伏的锂离子电池单元。电池组可以使用这些串联的4.2伏电池中的96个，以产生标称400伏的电池组电压。
电池单元由于制造缺陷、充放电循环和其日历寿命随时间的推移而容易退化。劣化可导致内阻增加和存储容量降低。虽然在某些正常速率下的劣化并不出乎意料，但材料、制造公差或使用中的环境压力的变化可能会导致多电池单元电池组中的特定电池单元经历的劣化水平超过所述电池组中其他电池单元所经历的劣化水平。单个电池单元中较高程度的劣化可导致电池组的能量存储容量减小，从而限制电动车辆的行驶范围。更严重的劣化可导致对所述电池单元的热损伤，可能延伸到所述电池组中的相邻电池单元。劣化程度可以表示为所述电池组的健康状态。如本文所使用的，术语“健康状态”是指与新电池相比，衡量电池存储和输送电能的能力。
参照图1，示出了电化学电池单元10的示意图，其中示出了电化学电池单元10的等效电路模型的元件。该模型包括具有开路电压Voc的理想电压源12。开路电压Voc是电池单元充电状态(SOC)和电池单元温度T的函数。如本文所使用的，术语“充电状态”应理解为表示电池单元相对于其容量的充电水平。继续参照图1，电化学电池单元10的模型包括滞后模型14以说明在电池充电和电池放电期间发生的化学过程的行为。该模型还包括第一电阻器16，其表示电化学电池单元中的欧姆电阻Rm。电化学电池单元10的模型还包括与限定第一RC时间常数的第一电容器22并联的第二电阻器18。第二电阻器18表示双层电阻Rdl，第一电容器22表示双层电容Cdl。电化学电池10的模型还包括与限定第二RC时间常数的第二电容器24并联的第三电阻器20。第三电阻器20表示扩散电阻Rdiff，第二电容器24表示扩散电容Cdiff。模型化电阻器16、18、20的电阻值和模型化电容器22、24的电容值被选择为与观察到的电化学电池单元10的稳态和瞬态行为紧密匹配。电化学电池单元10的输出电压相对于第二输出端子28出现在第一输出端子26上。
电化学电池单元的劣化可表现为电池单元压降，如本文所使用的，电池单元压降是指当供应电流时电池单元输出电压的降低和/或当向电池单元供应电流以进行充电时电池单元电压的增加。电池单元压降与内阻Rm、Rdl和/或Rdiff的增加相关。电池单元压降还可与电池单元递送电能的能力的降低相关。
参照图2，示出了具有多个n个电池单元的电池组40，包括第一电池单元42、第二电池单元44、第三电池单元46等到第n个电池单元48。多个电池单元中的每一个可以实现为如图1所示的电化学电池单元10。可选地，电池单元42、44、46...48中的每一个可以被实现为并联连接的多个电化学电池单元10。在非限制性示例中，电池单元42、44、46...48中的每一个可包含并联连接的三个电化学电池单元10。电池组40中的电池单元串联电连接，使得标称电池组电压是每个单独电池单元的单元电压的n倍。在非限制性示例中，电池组40可包含96个串联的电池单元，其中每个电池单元具有4.2伏的标称额定电压，以便从电池组40产生400伏标称电压。电流可以在充电期间提供给电池组40，或者从电池组40提供给负载(未示出)，如箭头50所示。应当理解，虽然电池组40被描述为包含所有电池单元42、44、46...48的单个实体，但是作为替代，电池单元42、44、46...48可以被划分为多个电池模块，其中每个模块具有一个或多个串联电连接的电池单元并且每个模块与其他模块串联电连接，而不脱离本公开的范围。
继续参照图2，控制器60通过第n个电池单元48从第一电池单元42、第二电池单元44、第三电池单元46等接收电压测量值。控制器60是一个非通用的电子控制装置，具有预编程的数字计算机或处理器62、用于存储诸如控制逻辑、软件应用程序、指令、计算机代码、数据、查找表等数据的存储器或非暂时性计算机可读介质64。控制器60还示出为具有输入端口66和输出端口68。计算机可读介质64包括能够由计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质64不包括传输暂时性电信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质64包括其中可永久存储数据的介质和其中可存储数据且随后重写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储器设备。计算机代码包括任何类型的程序代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。处理器62配置成执行代码或指令。代码或指令可以存储在存储器64内或存储在附加的或单独的存储器中。应理解，控制器60的框图中所描绘的元件可替代地物理上实施于可操作地连接到控制器60的一个或单独模块中，而不脱离本发明的方案。执行计算机代码的元件可以在车辆的远程实现，例如具有发送到云的所需数据集、由云中的服务器执行的算法以及从云传送回车辆的结果。如本文所使用的，术语“云”指的是提供远程数据存储和处理服务的联网计算设施。
如图2中概念性地示出的，输入端口66接收表示第一电池单元42的测得的电压的第一信号70、表示第二电池单元44的测得的电压的第二信号74、表示第三电池单元46的测得的电压的第三信号76和表示第n个电池单元48的测得的电压的第四信号80。图2还示出了输入端口66接收表示第四电池单元(未示出)通过第(n-1)个电池单元(未示出)的测量电压的一组信号78。
参照图3，示出了用于检测电池组40中的异常电池单元的算法100的流程图。在算法步骤102中，在时间t测量每个电池单元电压。在算法步骤104中，计算平均电池单元电压。如果第i个电池单元在时间t的测得的电压表示为Vcelli(t)，则平均电池单元电压Vc_m(t)计算为
Figure BDA0002996013840000051
然后，算法100进行到步骤106，在步骤106中计算残差阵列。对于n个电池单元中的每一个，残差ei(t)被计算为ei(t)＝Vcelli(t)-Vc_m(t)；i＝1,2....n。在步骤108中，在步骤106中计算的所有残差ei(t)的标准偏差σ(t)被计算为σ(t)＝std(ei(t)；i＝1,2....n)。
在算法步骤110中，将各个残差值ei(t)中的每一个与乘数k(I)乘以在步骤108中计算的残差的标准偏差进行比较，以识别异常电池单元。乘数k(I)的值是电池单元电流I的函数，并且作为非限制性示例可以在范围2<k(I)<4内。如果在步骤102中进行电池单元电压测量时电池组正在充电，则如果ei(t)>k(I)σ(t)，则第i电池单元被识别为异常电池单元。如果在步骤102中进行电池电压测量时电池正在放电，则如果ei(t)<-k(I)σ(t)，则将第i电池单元识别为异常电池单元。对于充电和放电情况，乘数值k(I)可以相同或可以不同。在步骤110中识别异常电池单元之后，可执行进一步分析，如将相对于图3和图4所解释。图3、图4和图5中的连接器块112指示图3中的算法100之间的链接以及图4和图5中描述的算法。
图4示出了用于使用由连接器块112链接的在图3所示的算法100中确定的结果来识别压降电池单元的示例性算法120的流程图。算法120执行步骤122，其中与步骤104一样重新计算平均电池单元电压Vc_m(t)，除了从计算中排除在步骤110中被识别为异常值的电池单元。算法120进行到步骤124，在该步骤中除了使用在步骤122中计算的排除了异常值的平均电池单元电压而不是在步骤104中计算的原始平均值之外，如在步骤108中一样计算残差。在步骤126中，仅使用在步骤110中未被识别为异常值的电池单元的残差值来计算在步骤124中计算残差的标准偏差。
在算法步骤128中，将在步骤124中计算的各个残差值ei(t)中的每一个与在步骤126中计算的残差的标准偏差的乘数k(I)进行比较，以识别较弱或压降电池单元。如果在步骤102中进行电池单元电压测量时电池正在充电，则如果ei(t)>k(I)σ(t)，则第i电池单元被识别为较弱或压降电池单元。如果当在步骤102中进行电池单元电压测量时电池正在放电，则如果ei(t)<-k(I)σ(t)，则将第i单元识别为较弱或压降电池单元。对于充电和放电情况，乘数值k可以相同或可以不同。另外，乘数值k可以与在算法步骤110中的计算中使用的乘数值k相同或不同。
图5示出了示例性算法140的步骤，该示例性算法140可以作为图4所示的算法120的替代而被执行，用于使用在如由连接器块112链接的图3中所示的算法100中确定的结果来识别压降电池单元。算法140包括多个计数器C[1]、C[2]、…、C[n]，其中每个计数器与电池组40中的n个电池单元之一相关联。在判定框142中，将在图3中的步骤106中针对第i电池单元计算的残差值ei(t)的绝对值与乘以在步骤108中计算的残差的标准偏差σ(t)的乘数k(I)进行比较。如果在步骤142中发现|ei(t)|>k(l)σ(t)，则在步骤144中，第i电池单元的对应计数器C[i]被递增，并且算法进行到步骤152。递增计数器C[i]可以包括在前一计数器值上加1。或者，递增计数器C[i]可以包括添加一个值，例如|ei(t)|/k(I)σ(t)，以便较大的残余值导致计数器值C[i]更快地前进。
如果在步骤142中发现|ei(t)|≤k(I)σ(t)，则在步骤146中，将第i个电池单元的对应计数器C[i]递减。在步骤148中，检查递减的计数器，看其是否具有负值，如果没有，则算法进行到步骤152。如果递减的计数器具有负值，则在步骤150中将递减的计数器重置为零。然后，算法进行到步骤152。
继续参照图5，在判定框152中，将计数器C[i]的值与预定诊断阈值进行比较。如果计数器值超过预定诊断阈值，则设置标志以将第i个电池单元识别为压降电池单元。该算法在步骤150退出。对电池组40中的n个电池单元中的每一个执行算法步骤142至150，并且在监视时间窗口上重复整个过程。
图6是可用于识别电池单元中的热失控条件的算法160的流程图。在算法步骤162中，针对电池组中的n个电池单元中的每一个测量电池单元电压。在算法步骤164中，识别具有最低测得的电池单元电压的电池单元。
在与算法160相关的论述中，具有最低测得的电池单元电压的电池单元将被称为第j个电池单元。在算法步骤166中，电池组中的排除了具有最低测得的电池电压(第j个电池单元)的电池单元的第(n-1)个电池单元的平均电池单元电压Vc_m(t)通常计算为：
Figure BDA0002996013840000071
如果电池组中的第一电池单元具有最低测得的电池单元电压，则平均电池单元电压计算为：
Figure BDA0002996013840000072
并且如果电池组中的最后一个(第n个)电池单元具有最低测得的电池单元电压，则平均电池单元电压计算为：
Figure BDA0002996013840000073
在算法步骤166中还计算电池组中的排除了具有最低测量电池单元电压的电池单元(第j个电池单元)的第(n-1)个电池单元的标准偏差σ(t)。
然后，算法160进行到步骤168，其计算最低测得的电池单元电压与除了最低测得的电池单元电压之外的测得的电池单元电压的平均值之间的数值差ej(t)＝Vcellj(t)-Vc_m(t)。另外，在步骤168中，进行测试以确定第j个电池单元的电池电压低于其余电池单元的平均电池单元电压的程度。如果确定ej(t)≥-k(I)σ(t)，其中预定乘数k(I)是电流的函数，则这是第j个电池单元的压降程度没有明显大于电池组整体的压降程度的指示，并且算法进行到步骤170，其中在进行到步骤172之前重置计时器。如果确定ej(t)<-k(I)σ(t)，其中预定乘数k(I)是电流的函数，则这是第j个电池单元的压降程度明显大于电池组整体的压降程度的指示，并且算法直接进行到步骤172。
继续参照图6，在步骤172中，计时器递增。在判定步骤174中，如果|Vcellj(t)-0|≥Vmin，则算法进行到步骤176，其中Vcellj(t)被重新采样，并且算法循环回到步骤172。如果|Vcellj(t)-0|<Vmin，则算法进行到步骤178。比较值Vmin是用于识别短路电池单元的校准值。作为非限制性实例，可将Vmin设定为0.2伏。
如果存在第j个电池单元可能被短路的指示，则算法160到达步骤178。在步骤178中，确定计时器值是否小于最小值tmin以及与第j个电池单元相邻的电池单元的测量电压是否高于最大阈值Vmax。如本文所使用的，相邻电池单元是指位于第j个电池单元附近的电池单元，包括但不限于具有与第j个电池单元的边界直接物理接触的边界的电池单元。作为非限制性示例，tmin可以是约0.1秒的值。作为非限制性示例，Vmax可为约5伏的值。如果计时器值小于最小值tmin并且与第j个电池单元相邻的电池单元的测量电压高于最大阈值Vmax，则算法进行到步骤180，其中标记感测故障。否则，算法进行到步骤182。
继续参照图6，在步骤182中，确定计时器值是否大于最大值tmax并且与第j个电池单元相邻的电池单元的测量电压是否小于平均电池电压Vc_m(t)加上值ε。在非限制性示例中，值ε可设置为k(I)σ(t)伏。在非限制性示例中，tmax的值可以被设置为大约5秒。如果计时器值大于最大值tmax并且与第j个电池单元相邻的电池单元的测量电压小于平均电池单元电压Vc_m(t)加上值ε，则怀疑电池单元短路，并且算法进行到步骤186。否则，算法进行到步骤184。在步骤184中，对第j个电池单元和相邻电池单元的电池单元电压进行重新采样，并且算法循环回到步骤172。
如果算法到达步骤186，则怀疑可能导致热失控的短路电池单元。在步骤186中，可以采取进一步的措施来增加热失控诊断的置信度。作为非限制性示例，可以针对可能由来自过热短路电池单元的热传播引起的电压降来检查附近的电池单元的电池单元电压。可替换地或附加地，电池组温度、电池单元温度、电池组温度的上升速率、电池单元温度的上升速率、电池组压力或电池组压力的上升速率可与预定阈值进行比较，并用作确认电池组中的电池单元中的热失控的诊断的指示。然后可以采取适当的行动，例如照亮显示器或激活声音警报，以警告车辆乘客可能的热失控状况并疏散车辆。
电池单元的劣化导致可用能量存储的减少，这可减小行驶范围或减小可用于车辆加速的峰值功率。电池单元的劣化也可表现为电池单元内部电阻的增加。再次参照图1，在稳态恒流或准稳态充电条件下，电池单元电压可表示为V(t)＝Voc+I*Rdl+I*Rdiff+I*Rm+I*Rsys，其中Rsys是与电池单元相关联的连接器和接线的电阻。这里使用的术语“准稳态”是指在所考虑的时间段期间小于10％的波动。总电池单元电阻Rcell可以表示为Rcell＝Rdl+Rdiff+Rm+Rsys＝(V(t)–Voc)/I。因此，电池单元电阻可以在滚动窗口中被估计为
Figure BDA0002996013840000081
其中，n表示滚动窗口中的时间采样的数目，并且V(ti)和Voc(ti)分别是采样的电池单元电压和采样的电池单元开路电压。
作为采用滚动窗口类型计算来估计恒流充电或放电时的电池单元电阻的替代方案，图1所示的等效电路模型简化为
R(ti+1)＝R(ti)+ε(ti)
V(ti+1)＝IR(ti)+Voc(ti)+ζ(ti)
其中，R(ti)表示在采样时间ti的总电池单元电阻，V(ti+1)表示采样的电池单元端电压，Voc(ti)表示采样的电池单元开路电压，ε(ti)和ζ(ti)表示过程和测量噪声。利用该模型，可以采用标准卡尔曼滤波器或递归最小二乘估计算法来估计单元电阻R。
关于电池单元或电池组中增加的电阻的信息可用于增强电动车辆的操作。根据电阻增加的严重程度，可能的响应包括但不限于抑制电池的快速充电以防止电池进一步劣化、降低车辆功率、重新计算显示给车辆操作者的剩余车辆范围值、以及指示需要维修车辆。
本公开的用于确定电池的健康状态的方法提供多个优点。使用所公开的方法识别电池单元水平处的劣化的能力可以允许更早地检测较弱电池单元。然后可以根据电池单元劣化的严重程度采取适当的措施，包括但不限于抑制或降低电池的快速充电以防止进一步的电池劣化、降低车辆功率、重新计算显示给车辆操作者的剩余车辆范围值、以及指示需要维修车辆。使用所公开的方法识别短路电池单元的能力可以允许更早地检测热失控状况，允许更多时间来警告车辆乘员离开车辆。另外，识别电池组中哪个特定电池单元是弱的可以使得能够替换模块化电池组中的单个模块，并且可以使得能够通过替换较弱电池单元来再制造电池组。
本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不背离本公开的要点的变型旨在落入本公开的范围内。这样的变型不应被视为偏离本公开的方案和范围。

Claims (10)

1.一种用于确定电动电池组的健康状态的方法，所述电池组包括多个电池单元，所述方法包括以下步骤：
测量所述多个电池单元的每个单独电池单元的电池单元电压；以及
分析每个测得的电池单元电压以确定对应的电池单元的健康状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，分析每个测得的电池单元电压包括：
确定所述电池组中的单独测得的电池单元电压的平均值；
确定所述单独电池单元中的每个电池单元的剩余电压值，其中，所述剩余电压值被计算为特定的单独电池单元的测得的电压与所确定的平均值之间的数值差；
在每个测量时间计算所确定的剩余电压值的标准偏差；
将异常电池单元识别为剩余电压值在预定时间段内超过所述标准偏差的预定倍数的电池单元；以及
在识别出至少一个异常电池单元时执行第一动作。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一动作包括设置诊断指示符。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一动作包括降低电池输送的最大功率。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一动作包括基于对所述异常电池单元的可用能量的估计值来计算所述电池可用的剩余能量的减小值。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一动作包括与不具有异常电池单元的电池所允许的充电速率相比，降低所述电池的可允许的充电速率。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一动作包括：
将第二平均值确定为排除与所有被识别为异常电池单元的电池单元相关联的电压后单独测得的电压的平均值；
确定未被识别为异常电池单元的所述电池单元中的每个电池单元的第二剩余电压值，其中，所述第二剩余电压值被计算为特定的非异常单独电池单元的测得的电压与所确定的第二平均值之间的数值差；
在每个测量时间计算第二标准偏差作为所述非异常电池单元的所确定的第二剩余电压值的标准偏差；
将压降电池单元识别为其第二剩余电压值超过所述第二标准偏差预定倍数的电池单元；以及
在识别出至少一个压降电池单元时执行第二动作。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二动作包括设置诊断指示符。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一动作包括降低电池输送的最大功率。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二动作包括基于对所述压降电池单元可用的能量的估计值来计算所述电池可用的剩余能量的减小值。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11621573B2 (en) * 2020-10-30 2023-04-04 GM Global Technology Operations LLC Drooping cell detection and state of cell health monitoring
EP4152021A4 (en) * 2020-11-27 2024-01-03 LG Energy Solution, Ltd. BATTERY DIAGNOSTIC DEVICE, BATTERY DIAGNOSTIC METHOD, BATTERY PACK AND VEHICLE
US20220352737A1 (en) * 2021-04-29 2022-11-03 GM Global Technology Operations LLC Thermal runaway prognosis by detecting abnormal cell voltage and soc degeneration
CN115042628A (zh) * 2022-07-27 2022-09-13 浙江极氪智能科技有限公司 车辆热失控预警方法、装置、电子设备及可读存储介质

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6033155B2 (ja) * 2013-03-29 2016-11-30 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池制御装置
JP2016126894A (ja) * 2014-12-26 2016-07-11 株式会社東芝 蓄電池、蓄電池評価装置および蓄電池評価方法
JP2018048893A (ja) * 2016-09-21 2018-03-29 Ntn株式会社 二次電池の劣化判定装置
US20190033385A1 (en) * 2017-07-28 2019-01-31 Northstar Battery Company, Llc Systems and methods for determining a state of charge of a disconnected battery
DE102019135313A1 (de) * 2019-12-19 2021-06-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb einer Batterie
KR20210093515A (ko) * 2020-01-20 2021-07-28 에스케이이노베이션 주식회사 셀 스크리닝 장치 및 셀 스크리닝 방법
JP7207343B2 (ja) * 2020-01-29 2023-01-18 トヨタ自動車株式会社 電池システムおよびリチウムイオン電池の劣化評価方法
US20210265674A1 (en) * 2020-02-25 2021-08-26 Samsung Sdi Co., Ltd. Method and detector for detecting inhomogeneous cell performance of a battery system
US11489343B2 (en) * 2020-06-02 2022-11-01 Inventus Power, Inc. Hardware short circuit protection in a large battery pack
JP7395436B2 (ja) * 2020-07-13 2023-12-11 株式会社東芝 管理方法、管理装置、管理システム及び管理プログラム
US11621573B2 (en) * 2020-10-30 2023-04-04 GM Global Technology Operations LLC Drooping cell detection and state of cell health monitoring

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