本發(fā)明涉及一種用于診斷一組固定電池的故障的方法。該方法具體適用于用于儲(chǔ)存來自風(fēng)或光伏類型的再生源的能量的裝置。

背景技術(shù)：

在當(dāng)前圍繞全球變暖的協(xié)議背景下，減少二氧化碳(co2)排放是各行業(yè)面對(duì)的主要挑戰(zhàn)，尤其是能源生產(chǎn)商和機(jī)動(dòng)車輛制造商，在這些領(lǐng)域中標(biāo)準(zhǔn)一直更加嚴(yán)格。

在機(jī)動(dòng)車輛制造業(yè)，除了常規(guī)熱燃發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的不斷改進(jìn)(這伴隨著co2排放的減少)之外，電動(dòng)車輛和熱電混合電動(dòng)車輛現(xiàn)今被視為是減少co2排放的最有前景的解決方案。在本申請(qǐng)的其余部分中，表達(dá)“電動(dòng)車輛”不加區(qū)別地指電動(dòng)車輛和熱電混合車輛，包括可再充電的混合車輛。

已經(jīng)考慮了各種技術(shù)來設(shè)計(jì)用于電動(dòng)車輛的牽引電池，各自具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。具體地，鋰離子(li離子)技術(shù)提供了對(duì)機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)用較為理想的能量密度與功率密度之間的極好折衷。然而，實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)也有許多困難，針對(duì)技術(shù)原因和經(jīng)濟(jì)原因兩者。確切地，用于牽引電動(dòng)車輛的li離子電池隨著時(shí)間并隨著使用狀況經(jīng)歷容量損失。從一定的容量閾值開始，這些電池的自主性不再足夠用于機(jī)動(dòng)車輛，并且有必要取代它們。遺憾的是，儲(chǔ)存和回收li離子電池的成本非常高，并且抵消了這些電池的經(jīng)濟(jì)收益。這就是為什么本申請(qǐng)人著眼于為建筑物供應(yīng)電力而致力于通過提出將其用于其他應(yīng)用(具體為用于儲(chǔ)存風(fēng)或光伏類型的再生電能的固定應(yīng)用)來延長這些電池的壽命。確切地，通過延長電池成本的分期償還的持續(xù)時(shí)間，這使得可以吸收其回收成本并因此提高其經(jīng)濟(jì)收益。申請(qǐng)人因此開發(fā)了一種用于為建筑物供應(yīng)電力的能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用在它們?cè)陔妱?dòng)車輛中第一次使用或“有第一次壽命”的意義上被“回收”的電池。因而提及這些電池的“第二次壽命”。然而，由于這些電池已經(jīng)老化，必須特別小心以維護(hù)該系統(tǒng)，以便確保所需的安全和性能水平。這是本發(fā)明提出要解決的一個(gè)問題。

專利ep2147323公開了一種用于向建筑物供應(yīng)電力并包括用于檢測電池故障的裝置的固定電池系統(tǒng)。這種方案的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它未給出關(guān)于故障來源的精確指示，而將精確診斷工作留給維護(hù)操作員。這是本發(fā)明提出要解決的另一個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服前述缺點(diǎn)并具體提供關(guān)于達(dá)到固定電池的充電或放電設(shè)定點(diǎn)的診斷。為此，本發(fā)明的一個(gè)主題是一種用于檢測包括至少一個(gè)電池的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)中的故障的方法。該方法包括：對(duì)該電池應(yīng)用充電或放電設(shè)定點(diǎn)的步驟。該方法還包括：在這個(gè)設(shè)定點(diǎn)應(yīng)用應(yīng)用過程中測量通過該電池的電流的步驟。該方法還包括：分別在m×n個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算該測量電流與理論設(shè)定點(diǎn)電流之間的m×n個(gè)平均誤差的步驟。該方法還包括：針對(duì)1與m之間的任意j值計(jì)算的步驟。最終，該方法包括：如果ej就絕對(duì)值或就相對(duì)份額超過預(yù)定閾值則使計(jì)數(shù)器cj遞增的步驟。如果cj超過預(yù)定閾值，則檢測故障。

在一個(gè)有利的實(shí)施例中，針對(duì)1與m之間的任意j值以及針對(duì)1與n之間的任意i值，其中，δt^j可以是預(yù)定采樣間隔。

在一個(gè)甚至更有利的實(shí)施例中，在下述情況下可以使計(jì)數(shù)器cj遞增：如果tj是比預(yù)定閾值更短的持續(xù)時(shí)間，并且ej超過預(yù)定閾值幾安培，或者如果tj是比該預(yù)定閾值更長的持續(xù)時(shí)間，并且ej與該持續(xù)時(shí)間tj的預(yù)定平均誤差之間的比例超過預(yù)定比例。

例如，可以通過下式來計(jì)算平均誤差

在一個(gè)特別有利的實(shí)施例中，該方法可以包括發(fā)出故障警報(bào)的步驟，該警報(bào)能夠包括指示：如果tj≤閾值1，則該故障的起源是連接器故障，其中，閾值1是預(yù)定的時(shí)間閾值；如果閾值1≤tj≤閾值2，則該故障的起源是傳感器故障，其中，閾值2是預(yù)定的時(shí)間閾值；并且，如果閾值2≤tj，則該故障的起源是該電池的老化。

本發(fā)明的另一主題是一種用于儲(chǔ)存來自再生源的電能的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)電池、以及用于實(shí)現(xiàn)這種用于檢測故障的方法的硬件裝置和軟件裝置。

本發(fā)明的最后一個(gè)主題是一種包括這種系統(tǒng)的建筑物。

本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是它使得不僅可以檢測電池故障而且還可以隔離有缺陷的電池從而能夠?qū)ζ溥M(jìn)行更換，由此提高性能；并關(guān)注于維護(hù)，由此改進(jìn)提供給客戶的服務(wù)。

附圖說明

通過以下說明并參見附圖，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見的，在附圖中：

·圖1使用架構(gòu)圖示出了可以在其中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的一個(gè)示例；

·圖2a、圖2b、圖2c和圖2d使用圖形示出了本發(fā)明的將充電設(shè)定點(diǎn)與達(dá)到這個(gè)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較的一個(gè)原理；

·圖3a、圖3b和圖3c使用圖形示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)示例性實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

圖1示出了系統(tǒng)1，該系統(tǒng)包括具有其電池管理系統(tǒng)(bms)控制系統(tǒng)的電池11，電池11通過充電和放電系統(tǒng)與配電網(wǎng)絡(luò)r連接，從而使得可以將三相或單相交流轉(zhuǎn)換成直流，并且反之亦然。

為了滿足建筑物在電流方面的需要，系統(tǒng)12的主控制器充當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的各模塊的監(jiān)督器。具體地，根據(jù)本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)于其中。具體地，它將充電(或?qū)?yīng)地，放電)功率p設(shè)定點(diǎn)發(fā)送至充電器13(或?qū)?yīng)地，至逆變器14)。接口模塊15使能計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)的其他部件經(jīng)由ethercat、以太網(wǎng)、can和modbus網(wǎng)絡(luò)的通信，其使用是眾所周知的?？刂破?6專用于在硬件級(jí)診斷電氣問題：如果檢測到問題，例如短路，則計(jì)算機(jī)16打開位于網(wǎng)絡(luò)r與充電器13和逆變器14之間的斷路器(附圖中未示出)。給定電池11的端子兩端的電壓u的測量結(jié)果，借助關(guān)系p＝u×i，功率p設(shè)定點(diǎn)可以被解釋為充電(或?qū)?yīng)地，放電)電流i設(shè)定點(diǎn)。圖2a至圖2d所示的本發(fā)明的一個(gè)原理是比較實(shí)際通過電池11的測量電流i^電池與電流設(shè)定點(diǎn)i^恒定隨著時(shí)間τ的進(jìn)展。具體而言，本發(fā)明提出了計(jì)算電流設(shè)定點(diǎn)i^恒定與測量電流i^電池之間的誤差。圖2a因而示出了沒有故障的理想情況下的這個(gè)比較：測量電流i^電池用實(shí)線示出，而電流設(shè)定點(diǎn)i^恒定用虛線示出。當(dāng)系統(tǒng)處于充電階段或當(dāng)其處于放電階段時(shí)可以計(jì)算誤差，這不加區(qū)別地被實(shí)施。

本發(fā)明的另一原理是在具有可變持續(xù)時(shí)間的滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算這個(gè)誤差。這使得可以推斷出故障出現(xiàn)的頻率，并關(guān)注于根據(jù)這個(gè)頻率的適當(dāng)治療。圖2b、圖2c和圖2d示出了三個(gè)頻率范圍以及因此可以被本發(fā)明區(qū)分的三種故障類型：圖2b示出了高頻故障(它們?cè)陬l繁的基礎(chǔ)上重復(fù)，例如在圖2b中考慮的時(shí)間間隔內(nèi)4次)，這表明連接器問題，圖2c展示了中頻故障(它們?cè)谳^不頻繁的基礎(chǔ)上重復(fù)，例如在圖2c中考慮的時(shí)間間隔內(nèi)兩次)，這表明傳感器問題，并且圖2d示出了低頻故障(它們?cè)趫D2d中考慮的時(shí)間間隔內(nèi)是連續(xù)的)，這表明老化問題。

在時(shí)刻t與時(shí)刻t+t之間延伸的持續(xù)時(shí)間t的時(shí)間窗內(nèi)設(shè)定點(diǎn)電流i^恒定與測量電流i^電池之間的平均誤差可以例如由均方根給出：

其中，縮寫rms代表均方根。

在所考慮的持續(xù)時(shí)間t的所有時(shí)間窗上的最大誤差然后由下式給出：

圖3a、圖3b和圖3c根據(jù)本發(fā)明針對(duì)根據(jù)時(shí)間τ給出的電流i^電池的同一特征曲線示出了計(jì)算最大誤差的步驟。

首先，如圖3a所展示的，在時(shí)刻t1⁰與時(shí)刻t1⁰+t0之間的持續(xù)時(shí)間t0的第一時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差然后選擇時(shí)間采樣間隔δt⁰來將時(shí)間窗從第一時(shí)刻t1⁰滑動(dòng)至第二時(shí)刻t2⁰＝t1⁰+δt⁰。然后在時(shí)刻t2⁰與時(shí)刻t2⁰+t0之間的持續(xù)時(shí)間t0的第二時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差然后在時(shí)刻t3⁰＝t2⁰+δt⁰與時(shí)刻t3⁰+t0之間的持續(xù)時(shí)間t0的第三時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差繼續(xù)這樣，直到在時(shí)刻tn⁰＝tn-1⁰+δt⁰與時(shí)刻tn⁰+t0之間的持續(xù)時(shí)間t0的第n時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差然后計(jì)算最大誤差

接下來，如圖3b所展示的，在時(shí)刻t1¹與時(shí)刻t1¹+t1之間的比t0更長的持續(xù)時(shí)間t1的第一時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差然后選擇時(shí)間采樣間隔δt¹來將時(shí)間窗從第一時(shí)刻t1¹滑動(dòng)至第二時(shí)刻t2¹＝t1¹+δt¹。然后在時(shí)刻t2¹與時(shí)刻t2¹+t1之間的持續(xù)時(shí)間t1的第二時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差然后在時(shí)刻t3¹與時(shí)刻t3¹+t1之間的持續(xù)時(shí)間t1的第三時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差繼續(xù)這樣，直到在時(shí)刻tn¹與時(shí)刻tn¹+t1之間的持續(xù)時(shí)間t1的第n時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差然后計(jì)算最大誤差

接下來，如圖3c所展示的，在時(shí)刻t1²與時(shí)刻t1²+t2之間的比t1更長的持續(xù)時(shí)間t2的第一時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差在時(shí)刻t2²與時(shí)刻t2²+t2之間的持續(xù)時(shí)間t2的第二時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差在時(shí)刻t3²與時(shí)刻t3²+t2之間的持續(xù)時(shí)間t2的第三時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差繼續(xù)這樣，直到在時(shí)刻tn²與時(shí)刻tn²+t2之間的持續(xù)時(shí)間t2的第n時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算誤差然后計(jì)算最大誤差

計(jì)算過程這樣繼續(xù)m次，直到在比窗口tm-1更長的持續(xù)時(shí)間tm的滑動(dòng)窗口內(nèi)計(jì)算

針對(duì)1≤j≤m，持續(xù)時(shí)間tj的選擇取決于系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，即取決于達(dá)到期望的設(shè)定點(diǎn)所必需的時(shí)間。在目前情況下，這是建立電流的時(shí)間。在以下示例性實(shí)施例中，選擇了持續(xù)時(shí)間t1＝1s，t2＝10s，t3＝100s，t4＝1000s和t5＝3600s。

每當(dāng)最大誤差(其中，1≤j≤m)超過預(yù)定義的閾值時(shí)，確認(rèn)計(jì)數(shù)器cj遞增：如果計(jì)數(shù)器本身達(dá)到通過校準(zhǔn)而預(yù)先定義的閾值，則認(rèn)為已經(jīng)檢測到故障。相反，如果在同樣預(yù)定義的某個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)，還未達(dá)到確認(rèn)閾值，則將計(jì)數(shù)器cj重置為零。

在本申請(qǐng)的其余部分中，術(shù)語缺陷和故障不加區(qū)分地使用。

第一系列滑動(dòng)窗口：

·t0：1秒(s)

·δt⁰：20毫秒(ms)

·t1⁰與tn⁰+t0之間的總觀察持續(xù)時(shí)間：10s

·持續(xù)時(shí)間t0的2個(gè)連續(xù)滑動(dòng)窗口之間的重疊：400ms

·在檢測到缺陷之前向計(jì)數(shù)器c0確認(rèn)的次數(shù)：30次確認(rèn)

·如果未檢測到缺陷，則將計(jì)數(shù)器c0重置為零之前的時(shí)間：30分鐘(min)

這意味著每秒鐘重現(xiàn)的缺陷可以最早在5分鐘內(nèi)并且最遲在15小時(shí)內(nèi)被確認(rèn)。

第二系列滑動(dòng)窗口：

·t1：10s

·δt¹：200ms

·t1¹與tn¹+t1之間的總觀察持續(xù)時(shí)間：100s

·持續(xù)時(shí)間t1的2個(gè)連續(xù)滑動(dòng)窗口之間的重疊：4s

·在檢測到缺陷之前向計(jì)數(shù)器c1確認(rèn)的次數(shù)：15次缺陷

·如果未檢測到缺陷，則將計(jì)數(shù)器c1重置為零之前的時(shí)間：1小時(shí)(h)

這意味著每秒鐘重現(xiàn)的缺陷可以最早在25分鐘內(nèi)并且最遲在15小時(shí)內(nèi)被確認(rèn)。

第三系列滑動(dòng)窗口：

·t2：100s

·δt²：2s

·t1²與tn²+t2之間的總觀察持續(xù)時(shí)間：1000s

·持續(xù)時(shí)間t2的2個(gè)連續(xù)滑動(dòng)窗口之間的重疊：40s

·在檢測到缺陷之前向計(jì)數(shù)器c2確認(rèn)的次數(shù)：5次缺陷

·如果未檢測到缺陷，則將計(jì)數(shù)器c2重置為零之前的時(shí)間：5h

這意味著每秒鐘重現(xiàn)的缺陷可以最早在80分鐘內(nèi)并且最遲在25小時(shí)內(nèi)被確認(rèn)。

第四系列滑動(dòng)窗口：

·t3：1000s

·δt³：20s

·t1³與tn³+t3之間的總觀察持續(xù)時(shí)間：5000s

·持續(xù)時(shí)間t3的2個(gè)連續(xù)滑動(dòng)窗口之間的重疊：400s

·在檢測到缺陷之前向計(jì)數(shù)器c3確認(rèn)的次數(shù)：3次缺陷

·如果未檢測到缺陷，則將計(jì)數(shù)器c3重置為零之前的時(shí)間：8h

這意味著每秒鐘重現(xiàn)的缺陷可以最早在4小時(shí)內(nèi)并且最遲在24小時(shí)內(nèi)被確認(rèn)。

第五系列滑動(dòng)窗口：

·t4：3600s

·δt⁴：20s

·t1⁴與tn⁴+t4之間的總觀察持續(xù)時(shí)間：10800s

·持續(xù)時(shí)間t4的2個(gè)連續(xù)滑動(dòng)窗口之間的重疊：1440s

·在檢測到缺陷之前向計(jì)數(shù)器c4確認(rèn)的次數(shù)：2次缺陷

·如果未檢測到缺陷，則將計(jì)數(shù)器c4重置為零之前的時(shí)間：12h

這意味著每秒鐘重現(xiàn)的缺陷可以最早在6小時(shí)內(nèi)并且最遲在24小時(shí)內(nèi)被確認(rèn)。

對(duì)于具有短持續(xù)時(shí)間(具體地，具有持續(xù)時(shí)間t0、t1和t2)的窗口，誤差的絕對(duì)值可以被視為顯著的。在這些情況下，可以對(duì)比誤差和著眼于分別使計(jì)數(shù)器c0、c1和c2進(jìn)行安培(a)絕對(duì)值閾值遞增，比如分別為st0＝6a、st1＝4a和st2＝2a。同時(shí)，對(duì)于具有長持續(xù)時(shí)間(具體地，t3和t4)的窗口，誤差的絕對(duì)值不能被視為顯著的。確切地，當(dāng)在短時(shí)間段(即高頻時(shí)間段)內(nèi)工作時(shí)，監(jiān)測高電流峰值，并且因此就誤差的絕對(duì)值進(jìn)行考慮。同時(shí)，對(duì)于較低的頻率，尋求監(jiān)測系統(tǒng)的性能，并且因此就設(shè)定點(diǎn)已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)的百分比進(jìn)行考慮，這基本上對(duì)應(yīng)于性能。在這些情況下，這些是相對(duì)誤差/平均值_電流_t3和/rms_電流_t4，其中，平均值_電流_t3和rms_電流_t4分別表示在時(shí)間段t3和t4內(nèi)的平均電流，分別通過和計(jì)算，可以將其分別與比例比如0.8和0.75進(jìn)行比較。有必要注意的是，閾值的值的減小較大以便能夠?qū)⒃\斷進(jìn)行彼此區(qū)分。確切地，必須特別小心以校準(zhǔn)閾值，以便能夠在各診斷之間單獨(dú)地進(jìn)行區(qū)分。例如，在1秒的時(shí)間段內(nèi)超過20a與在10秒的范圍內(nèi)超過2a相對(duì)應(yīng)。因而，如果必須在1秒的窗口內(nèi)而非用10秒的窗口實(shí)施診斷，則10秒窗口的閾值一定大于2a。

以上示例性實(shí)施例使得可以幫助維護(hù)人員根據(jù)故障的類型采取適當(dāng)?shù)臎Q策：

·如果在約1至10秒的持續(xù)時(shí)間tj內(nèi)檢測到故障，則可以立即停止系統(tǒng)并且可以將維護(hù)人員朝連接器問題(連續(xù)性測試)或系統(tǒng)不穩(wěn)定性問題(軟件更新)引導(dǎo)；

·如果在約100秒的持續(xù)時(shí)間tj內(nèi)檢測到故障，則可以將維護(hù)人員朝傳感器漂移(預(yù)期更換傳感器)引導(dǎo)；

·如果在約1000秒或更長的持續(xù)時(shí)間tj內(nèi)檢測到故障，則可能是由于老化的影響并且因此有必要預(yù)期更換電池。

通過提供關(guān)于故障來源的精確診斷，本發(fā)明因此提供了顯著減小維護(hù)成本的附加優(yōu)點(diǎn)。