CN114563724A - 基于谐波信号的电池老化状态检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测装置及方法，通过基于检测信号穿过电池出来的穿过信号的谐波信号来检测电池的老化状态，从而，在充电和放电循环途中无需与系统分离而可以在短时间内检测电池的老化状态。

Description

基于谐波信号的电池老化状态检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于谐波信号的电池老化状态检测装置及方法，更详细而言，涉及一种检测电池的老化状态的装置及方法。
尤其，本发明涉及一种适用于使用电池作为动力源的电动汽车、混合动力汽车、自动驾驶汽车等，通过实时监视电池的老化状态，可以事先防止在行驶途中可能由于电池放电而发生的事故等的装置及方法。
这项研究与以下课题有关；由延世大学在韩国科学技术信息通信部的的资助以及韩国研究基金会的支持下于2020年至2023年主办执行的“用于实现超级电网的下一代电网诊断及监控技术开发(No.2020R1A2B5B03001692)”课题和由高丽大学在韩国科学技术信息通信部的的资助以及韩国研究基金会的支持下于2017年至2022年主办执行的“韩美研究基金会新电力技术国际产业和学校合作研究中心(No.2017K1A4A3013579)”课题。
背景技术
预测电动汽车和电网中使用的高容量电池的寿命并诊断老化对于维持系统的性能和确保安全至关重要。包括电动汽车在内的EV及电网的储能系统(Energy StorageSystem，ESS)使用结合许多电池单元的高容量电池。为了诊断储能系统(ESS)，许多传感器需要不断地观察电池单元来积累充电/放电数据。所积累的数据可以通过人工智能模型和状态估计算法来诊断电池的老化状态。
以往的电池老化诊断技术是可以通过电池的放电用剩余容量来诊断电池的老化状态。作为精确诊断方法的一例，可以利用电化学阻抗谱(Electrochemical ImpedanceSpectroscopy，EIS)观察电池的阻抗变化来估计电池的状态。但是，在以往的电池老化诊断技术中，必须将电池的SOC放电至0％，这不仅会缩短电池的寿命，而且要花费很长时间来累积诊断数据。另外，EIS虽然可以进行精确的诊断，但是，利用昂贵的设备实时地诊断包括许多电池单元的设备存在技术性的问题。近年来，要求高容量电池的可用性扩展和实时诊断技术。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于检测信号穿过电池而出来的穿过信号的谐波信号检测电池的老化状态的基于谐波信号的电池老化状态检测装置及方法。
对于本发明中未明示的其他目的，在可以从以下的详细说明和其效果中推测的范围内进行进一步考虑。
为了实现上述目的，本发明的提供一种基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其为用于检测电池的老化状态的电池老化状态检测装置，其中：包括：检测信号提供部，用于向所述电池施加检测信号；穿过信号获取部，用于获取通过所述检测信号提供部施加到所述电池的所述检测信号穿过所述电池而出来的穿过信号；以及老化状态检测部，用于基于通过所述穿过信号获取部获得的所述穿过信号的谐波信号来检测所述电池的老化状态。
其中，所述电池，位于车辆的内部，用作所述车辆的动力源，所述电池老化状态检测装置，安装在所述车辆的内部，以预设时间单位检测所述电池的老化状态。
其中，所述电池老化状态检测装置，在所述电池的充电和放电循环中的休止期检测所述电池的老化状态。
其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的谐波信号图样检测所述电池的老化状态
其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的奇数阶谐波信号图样和所述穿过信号的偶数阶谐波信号图样中的至少一个来检测所述电池的老化状态，
其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的谐波信号比率检测所述电池的老化状态。
其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的奇数阶谐波信号比率和所述穿过信号的偶数阶谐波信号比率中的至少一个来检测所述电池的老化状态。
其中，所述检测信号提供部向所述电池施加由正弦信号而成的所述检测信号。
本发明还提供一种基于谐波信号的电池老化状态检测方法，其为在检测电池的老化状态的电池老化状态检测装置中执行的电池老化状态检测方法，其中，包括：向所述电池施加检测信号的步骤；获取施加到所述电池的所述检测信号穿过所述电池而出来的穿过信号的步骤；以及基于所述穿过信号的谐波信号来检测所述电池的老化状态的步骤。
其中，所述电池位于车辆的内部，用作所述车辆的动力源，所述电池老化状态检测装置安装在所述车辆的内部，以预设时间单位执行所述电池老化状态检测方法来检测所述电池的老化状态。
其中，所述电池老化状态检测步骤，基于所述穿过信号的谐波信号图样或所述穿过信号的谐波信号比率检测所述电池的老化状态。
另外，本发明提供一种计算机程序，其中，所述计算机程序存储在计算机可读记录介质中，使得在计算机执行上述的基于谐波信号的电池老化状态检测方法。
发明效果
根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测装置及方法，通过基于检测信号穿过电池而出来的穿过信号的谐波信号检测电池的老化状态，从而，在充电和放电循环途中，无需与系统分离而可以在短时间内检测电池的老化状态。
本发明的效果不限于所提及的效果，对于未提及的其他的效果，本领域的技术人员可根据以下描述将清楚地理解。
附图说明
图1是用于说明根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测装置的框图。
图2是用于说明图1所示的电池老化状态检测装置的详细结构的框图。
图3是用于说明根据本发明的优选实施例的电池削波电路模型的一例的图。
图4是用于说明根据本发明的优选实施例的根据线性/非线性系统在检测信号上发生失真的图。
图5是用于说明根据本发明的优选实施例的电池老化状态检测装置的设计例的图。
图6是用于说明根据本发明的优选实施例的根据电池老化状态的谐波变化的图。
图7是用于说明根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测方法的流程图。
符号说明
100：电池老化状态检测装置，110：检测信号提供部，130：穿过信号获取部，150：老化状态检测部。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的实施例。参照与附图一起详细后述的实施例，本发明的优点及特征，以及达成其的方法将会明确。但是，本发明并非限定于以下公开的实施例，可以体现为互不相同的多种形态，本实施例的提供用来使本发明的公开更完整，让本发明所属技术领域的技术人员完全了解发明的范畴。本发明只由权利要求范围的范畴所定义。在通篇说明书中，相同的参照符号指称相同的构成要素。
在没有不同定义的情况下，本说明书中使用的所有术语(包括技术及科学性术语)可以用作本发明所属技术领域的技术人员能够共同理解的意义。另外，一般使用的词典中已定义的术语，只要未明确地特别定义，不得超出地或过度地解释。
本说明书中，“第一”、“第二”等术语用来区别一个构成要素和其他的构成要素，权利范围不会被这些术语而受限制。例如，第一构成要素可以命名为第二构成要素，同样地，第二构成要素可以命名为第一构成要素。
在说明书的各个步骤中的识别字母(例如，a、b、c等)是为了方便说明而使用的，这些识别字母并不是说明各个步骤的次序。各个步骤可不同于被提到的次序，除非在上下文中具体提到。即，各个步骤可按与所描述的次序相同的次序执行，可基本上同时地执行，或者可以反向次序执行。
本说明书中，“具有”、“可具有”、“包括”或“可包含”等的表述是指相应特征(如，数值、功能、动作或零件等的构成要素)的存在，并不排除附加特征的存在。
另外，在本说明书中记载“～部”是指软件元件或硬件元件诸如FPGA(field-programmable gate array)或ASIC等，并且执行相应的功能。然而，应当理解，“～部”不限于软件或硬件元件。组件“～部”可以在可由地址指定的存储介质中实现。“～部”也可以被配置为重新生成一个或多个处理器。例如，“～部”可以包括各种类型的元件(例如，软件元件、面向对象的软件元件、类元件、任务元件等)、段(例如，过程、函数、属性、程序、子例程、程序代码等)、驱动程序、固件、微代码、电路、数据结构、变量等。由元件和“～部”提供的功能可以通过组合少量元件和“～部”形成，或者可以分成附加元件和“～部”。
下面，参照附图详细说明根据本发明的基于谐波信号的电池老化状态检测装置及方法的优选实施例。
首先，将参照图1至图6说明根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测装置。
图1是用于说明根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测装置的框图，图2是用于说明图1所示的电池老化状态检测装置的详细结构的框图，图3是用于说明根据本发明的优选实施例的电池削波电路模型的一例的图，图4是用于说明根据本发明的优选实施例的根据线性/非线性系统在检测信号上发生失真的图，图5是用于说明根据本发明的优选实施例的电池老化状态检测装置的设计例的图，图6是用于说明根据本发明的优选实施例的根据电池老化状态的谐波变化的图。
参照图1，根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测装置(以下，称为“电池老化状态检测装置”)100基于检测信号穿过电池出来的穿过信号的谐波信号检测电池的老化状态。
在此，电池位于车辆(省略图示)内部，可以用作车辆的动力源。
另外，电池老化状态检测装置100可以安装在车辆的内部以预设时间单位检测电池的老化状态。
此时，电池老化状态检测装置100可以在电池的充电和放电循环期间的休止期检测电池的老化状态。
为此，参考图2，电池老化状态检测装置100，可以包括检测信号提供部110、穿过信号获取部130以及老化状态检测部150。
检测信号提供部110可以将检测信号施加到电池。
即，检测信号提供部110可以将由正弦信号而成的检测信号施加到电池。
穿过信号获取部130可以获取通过检测信号提供部110施加到电池的检测信号穿过电池而出来的穿过信号。
老化状态检测部150可以基于通过穿过信号获取部130获取的穿过信号的谐波信号来检测电池的老化状态。
即，老化状态检测部150可以基于穿过信号的谐波信号图样来检测电池的老化状态。例如，老化状态检测部150可以基于穿过信号的奇数阶谐波信号图样和穿过信号的偶数阶谐波信号图样中的至少一个来检测电池的老化状态。
另外，老化状态检测部150可以基于穿过信号的谐波信号比率来检测电池的老化状态。例如，老化状态检测部150可以基于穿过信号的奇数阶谐波信号比率和穿过信号的偶数阶谐波信号比率中的至少一个来检测电池的老化状态。
更详细地，根据本发明的基于谐波信号的电池老化状态检测操作是在充电和放电循环途中向电池施加预设信号之后，分析穿过信号的失真来诊断相应电池的老化状态的技术。在本发明中，电池在系统中进行充电和放电循环的过程中进入休止期，此时，在电压保持恒定的状态下，将检测信号施加到电池。检测信号取决于每个电池的电压和状态。在正常的新电池中穿过的信号会失真并显示较高的偶数谐波比率，而老化的电池显示较低的偶数谐波比率。由此，无需从系统分离电池，可以通过谐波指标周期性地诊断老化状态。
电池是具有正极和负极的方向性的储能装置，如图3所示，其具有双向性。将电压或电流信号施加到电池时，由于电池的双向性和非线性特征，可能会发生穿过信号的失真。
电池处于正常状态越健康，穿过信号的失真就越严重，尤其，当施加正弦信号时，显示两个峰值都被截断的削波现象。如图4所示，当系统为线性时，不会发生谐波，但是，当系统为非线性时，会发生谐波。在信号通过非线性系统的情况下，信号的失真也分为对称(Symmetrical)的情况和不对称(Asymmetrical)的情况。两种失真信号都显示信号的峰值点被截断的形态，在对称信号的情况下，主要出现奇数阶谐波图样，在非对称信号的情况下，出现包括偶数谐波的图样。
例如，如图5所示，将正弦电压/电流信号作为检测信号，对电池使用DAQ装置施加检测信号，并在Labview中分析穿过信号来监视谐波图样。
若使用根据本发明的基于谐波信号的电池的老化状态检测操作，则在充电和放电的循环途中无需与系统分离可以在0.02秒至1秒内测量电池的老化指标。如图6所示，穿过正常电池的信号为非对称，并且均包括奇数谐波和偶数谐波分量，但是，穿过老化的电池的信号的失真为对称，并且主要显示奇数谐波分量。与现有技术相比，不需要完全放电，并且设计施加信号的系统所需的成本比EIS更经济，而且诊断时间也更短，因此，易于将其应用于诊断多个电池单元的算法以及诊断技术。
下面，将参照图7说明根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测方法。
图7是示出根据本发明的优选实施例的基于谐波信号的电池老化状态检测方法的流程图。
参照图7，电池老化状态检测装置100将检测信号施加到电池(S110)。
即，电池老化状态检测装置100可以将由正弦信号而成的检测信号施加到电池。
然后，电池老化状态检测装置100获取施加到电池的检测信号穿过电池而出来的穿过信号(S120)。
然后，电池老化状态检测装置100基于穿过信号的谐波信号来检测电池的老化状态(S130)。
即，电池老化状态检测装置100可以基于穿过信号的谐波信号图样来检测电池的老化状态。例如，电池老化状态检测装置100可以基于穿过信号的奇数阶谐波信号图样和穿过信号的偶数阶谐波信号图样中的至少一个来检测电池的老化状态。
另外，电池老化状态检测装置100可以基于穿过信号的谐波信号比率来检测电池的老化状态。例如，电池老化状态检测装置100可以基于穿过信号的奇数阶谐波信号比率和穿过信号的偶数阶谐波信号比率中的至少一个来检测电池的老化状态。
以上，虽然说明了形成本发明的实施例的所有构成要素结合为一体或者相互结合来进行工作，但本发明并不局限于这些实施例。即，只要是在本发明的目的范围内，其所有构成要素也能够以至少一个选择性地结合来进行工作。另外，尽管所有构成要素可以由一个独立的硬件实现，但是也可以选择性地组合各构成要素的一部分或全部通过具有在一个或多个硬件执行经组合的一部分或全部的功能的程序模块的计算机程序实现。另外，如上所述的计算机程序被存储在诸如USB存储器、CD盘、闪存等的计算机可读介质(ComputerReadableMedia)中，并由计算机读取并执行，从而，可以实现本发明的实施例。计算机程序的记录介质可以包括磁记录介质、光记录介质等。
以上的说明仅仅是对本发明的技术思想进行例示性地说明，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的本质性的特性的范围内可以进行多种修正、变形及取代。因此，本发明所公开的实施例及附图并非用于限定本发明的技术思想，而是用于说明本发明，本发明的技术思想的范围并非局限于这样的实施例。本发明的保护范围应根据权利要求书来解释，并且应解释为在与其相同的范围内的所有技术思想都包含在本发明的权利范围中。

Claims (12)

1.一种基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其为用于检测电池的老化状态的电池老化状态检测装置，其中：包括：
检测信号提供部，用于向所述电池施加检测信号；
穿过信号获取部，用于获取通过所述检测信号提供部施加到所述电池的所述检测信号穿过所述电池而出来的穿过信号；以及
老化状态检测部，用于基于通过所述穿过信号获取部获得的所述穿过信号的谐波信号来检测所述电池的老化状态。
2.根据权利要求1所述的基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其中，所述电池，位于车辆的内部，用作所述车辆的动力源，
所述电池老化状态检测装置，安装在所述车辆的内部，以预设时间单位检测所述电池的老化状态。
3.根据权利要求2所述的基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其中，所述电池老化状态检测装置，在所述电池的充电和放电循环中的休止期检测所述电池的老化状态。
4.根据权利要求2所述的基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的谐波信号图样检测所述电池的老化状态。
5.根据权利要求4所述的基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的奇数阶谐波信号图样和所述穿过信号的偶数阶谐波信号图样中的至少一个来检测所述电池的老化状态。
6.根据权利要求2所述的基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的谐波信号比率检测所述电池的老化状态。
7.根据权利要求6所述的基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其中，所述老化状态检测部基于所述穿过信号的奇数阶谐波信号比率和所述穿过信号的偶数阶谐波信号比率中的至少一个来检测所述电池的老化状态。
8.根据权利要求2所述的基于谐波信号的电池老化状态检测装置，其中，所述检测信号提供部向所述电池施加由正弦信号而成的所述检测信号。
9.一种基于谐波信号的电池老化状态检测方法，其为在检测电池的老化状态的电池老化状态检测装置中执行的电池老化状态检测方法，其中，包括：
向所述电池施加检测信号的步骤；
获取施加到所述电池的所述检测信号穿过所述电池而出来的穿过信号的步骤；以及
基于所述穿过信号的谐波信号来检测所述电池的老化状态的步骤。
10.根据权利要求9所述的基于谐波信号的电池老化状态检测方法，其中，所述电池位于车辆的内部，用作所述车辆的动力源，
所述电池老化状态检测装置安装在所述车辆的内部，以预设时间单位执行所述电池老化状态检测方法来检测所述电池的老化状态。
11.根据权利要求10所述的基于谐波信号的电池老化状态检测方法，其中，所述电池老化状态检测步骤，基于所述穿过信号的谐波信号图样或所述穿过信号的谐波信号比率检测所述电池的老化状态。
12.一种计算机程序，其中，所述计算机程序存储在计算机可读记录介质中，使得在计算机执行权利要求9至11中任一项所述的基于谐波信号的电池老化状态检测方法。
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