用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備和方法及能量存儲系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備和方法及能量存儲系統(tǒng)，所述設(shè)備包括：電壓檢測器，被構(gòu)造為從電池系統(tǒng)接收電壓信號并對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)；離散小波變換器，被構(gòu)造為接收電壓數(shù)據(jù)并對電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生變換數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)處理器，被構(gòu)造為接收變換數(shù)據(jù)并處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括變換數(shù)據(jù)的平均值；以及故障診斷單元，被構(gòu)造為基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)檢測電池系統(tǒng)中的故障，并且當(dāng)檢測到故障時發(fā)送故障信號。
【專利說明】用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備和方法及能量存儲系統(tǒng)
[0001]本申請要求在2013年2月21日提交到美國專利和商標(biāo)局的第61/767，744號美國臨時申請和在2013年11月5日提交到美國專利和商標(biāo)局的第14/082,036號美國專利申請的優(yōu)先權(quán)和利益，所述申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明的多個方面涉及一種用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著諸如環(huán)境破壞、資源耗盡等問題變得愈發(fā)嚴(yán)重，對用于存儲能量并有效使用存儲的能量的系統(tǒng)的興趣增加。此外，對新生代能源的興趣增加，所述新生代能源是在不造成污染或者具有最小量污染的情況下產(chǎn)生的能源。能量存儲系統(tǒng)指的是將存儲能量(例如，新生代能源和電能)的電池系統(tǒng)和現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)彼此連接的系統(tǒng)。
[0004]當(dāng)能量存儲系統(tǒng)操作時，由于意外錯誤可能在電池系統(tǒng)中發(fā)生故障。這些故障使能量存儲系統(tǒng)不能進(jìn)行正常操作并且影響連接到能量存儲系統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)。雖然可能不能完全防止意外錯誤，但是需要一種用于實(shí)時地檢測并診斷能量存儲系統(tǒng)中的故障以將能量存儲系統(tǒng)快速地恢復(fù)到正常狀態(tài)的設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)一個實(shí)施例，提供一種用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備，所述設(shè)備包括:電壓檢測器，被構(gòu)造為從電池系統(tǒng)接收電壓信號并對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)；離散小波變換器，被構(gòu)造為接收電壓數(shù)據(jù)并對電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生變換數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)處理器，被構(gòu)造為接收變換數(shù)據(jù)并處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括變換數(shù)據(jù)的平均值；以及故障診斷單元，被構(gòu)造為基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)檢測電池系統(tǒng)中的故障，并且當(dāng)檢測到故障時，發(fā)送故障信號。
[0006]變換數(shù)據(jù)可包括j層的頻率分量數(shù)據(jù)，j是正實(shí)數(shù)，并且統(tǒng)計(jì)處理器可被構(gòu)造為接收j層的頻率分量數(shù)據(jù)作為變換數(shù)據(jù)，并計(jì)算j層的頻率分量數(shù)據(jù)的絕對值以產(chǎn)生j層的頻率分量數(shù)據(jù)中的每個頻率分量數(shù)據(jù)的幅值。
[0007]故障診斷單元可被構(gòu)造為將所述幅值與參考值進(jìn)行比較以檢測故障，并且如果所述幅值中的至少一個大于參考值，則檢測到故障。
[0008]參考值可被設(shè)置為初始參考值。這里，統(tǒng)計(jì)處理器可被構(gòu)造為:計(jì)算所述幅值的平均以產(chǎn)生平均值，并將平均值乘以換算量以產(chǎn)生換算值。所述設(shè)備還可包括參考值存儲單元，參考值存儲單元可被構(gòu)造為:將換算值與參考值進(jìn)行比較；以及當(dāng)換算值大于參考值時，將參考值設(shè)置為換算值。
[0009]換算量可以是大約2到大約5。
[0010]所述設(shè)備還可包括最大值提取器。這里，統(tǒng)計(jì)處理器可被構(gòu)造為計(jì)算所述幅值的平均以產(chǎn)生平均值，最大值提取器可被構(gòu)造為:接收所述幅值和平均值；計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的j層的頻率分量數(shù)據(jù)中的每個頻率分量數(shù)據(jù)的幅值的最大值，以產(chǎn)生最大幅值；以及計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的平均值的最大值以產(chǎn)生最大平均值，并且故障診斷單元可被構(gòu)造為:接收最大幅值和最大平均值；分別將最大幅值中的每個最大幅值與最大平均值的比率和閾值進(jìn)行比較；以及如果所述比率中的至少一個大于閾值，則檢測到故障。
[0011]閾值可以是大約2和大約5之間的值。
[0012]故障信號可包括與j層的頻率分量數(shù)據(jù)中的檢測到故障的頻率分量數(shù)據(jù)相應(yīng)的信息或與故障的嚴(yán)重程度相應(yīng)的信息。
[0013]電壓檢測器可被構(gòu)造為以每秒大約I個樣本到每秒大約10個樣本的采樣率對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)。
[0014]離散小波變換可基于Daubechies3小波。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的方法，所述方法包括下述步驟:從電池系統(tǒng)接收電壓信號；對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)；對電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生變換數(shù)據(jù)；處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括變換數(shù)據(jù)的平均值；分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢測故障；以及當(dāng)檢測到故障時發(fā)送故障信號。
[0016]變換數(shù)據(jù)可包括一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)，處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的步驟可包括計(jì)算所述一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)的絕對值，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還可包括所述絕對值，并且分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢測故障的步驟可包括:將所述絕對值與參考值進(jìn)行比較；以及當(dāng)所述絕對值中的至少一個大于參考值時檢測到故障。
[0017]所述方法還可包括:將參考值初始化為預(yù)定值。
[0018]所述方法還可包括:基于所述絕對值計(jì)算平均值；通過換算量換算所述平均值以產(chǎn)生換算后的平均值；將換算后的平均值與參考值進(jìn)行比較；以及當(dāng)換算后的平均值大于參考值時，將換算后的平均值設(shè)置為參考值。
[0019]變換數(shù)據(jù)可包括一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)，處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的步驟可包括:計(jì)算所述一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)的絕對值，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還可包括所述絕對值；以及基于所述絕對值計(jì)算平均值，分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢測故障的步驟可包括:計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的絕對值的最大絕對值；計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的平均值的最大平均值；計(jì)算最大絕對值與最大平均值的比率；以及當(dāng)所述比率中的至少一個超過參考值時，檢測到故障。
[0020]根據(jù)實(shí)施例，提供一種能量存儲系統(tǒng)，包括:電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，被構(gòu)造為將第一電力轉(zhuǎn)換為第二電力；電池系統(tǒng)，被構(gòu)造為存儲并供應(yīng)第二電力，電池系統(tǒng)包括:連接在一起的多個電池單元；連接到電池單元中的第一電池單元的端子；連接到所述端子和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開關(guān)；以及電池管理系統(tǒng)，包括:電壓檢測器，被構(gòu)造為從電池單元接收電壓信號并對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)；離散小波變換器，被構(gòu)造為接收電壓數(shù)據(jù)并對電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生變換數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)處理器，被構(gòu)造為接收變換數(shù)據(jù)并處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括變換數(shù)據(jù)的平均值；以及故障診斷單元，被構(gòu)造為基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)檢測電池系統(tǒng)中的故障，并且當(dāng)檢測到故障時發(fā)送故障信號。這里，所述開關(guān)被構(gòu)造為根據(jù)故障信號將電池單元與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)連接。
[0021]電壓信號可對應(yīng)于所述端子處的電壓或電池單元中的一個電池單元的單元電壓?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0022]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備的框圖。
[0023]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備的框圖。
[0024]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的尺度函數(shù)和小波函數(shù)的曲線圖。
[0025]圖4是從濾波的角度示出離散小波變換的框圖。
[0026]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的低通濾波器(LPF)和高通濾波器(HPF)的系數(shù)的示圖。
[0027]圖6是示出通過離散小波變換的多分辨率分析分解電壓數(shù)據(jù)的處理的示圖。
[0028]圖7是示出下采樣的示圖。
[0029]圖8是示出具有第η層的近似電壓數(shù)據(jù)和具有第一層至第η層的細(xì)節(jié)電壓數(shù)據(jù)的頻帶的示圖。
[0030]圖9Α是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的提供的用于解釋檢測故障的方法的電壓數(shù)據(jù)的曲線圖。
[0031]圖9Β至圖9G是示出通過離散小波變換的多分辨率分析，從圖9Α的電壓數(shù)據(jù)提取的第五層的低頻分量數(shù)據(jù)和第一層的高頻分量數(shù)據(jù)Dl至第五層的高頻分量數(shù)據(jù)D5的曲線圖。
[0032]圖1OA至圖1OC是示出統(tǒng) 計(jì)處理器的操作的曲線圖。
[0033]圖11是示出最大值提取器和故障診斷單元的操作的表格。
【具體實(shí)施方式】
[0034]參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例的特定方面和特征，在附圖中示出示例性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同形式實(shí)現(xiàn)并且不應(yīng)被解釋為限于在此闡述的實(shí)施例。
[0035]在本申請中使用的術(shù)語僅用于描述討論的實(shí)施例，并且不具有限制本發(fā)明的任何意圖。單數(shù)形式的表達(dá)包括復(fù)數(shù)形式的表達(dá)，除非它們在上下文中明顯地彼此不同。在本申請中，應(yīng)理解的是，諸如“包括”和“具有”的術(shù)語用于指示特定特征、數(shù)量、步驟、操作、元件、部件或它們的組合的存在，而不預(yù)先排除存在或添加一個或更多個其他特征、數(shù)量、步驟、操作、元件、部件或它們的組合的可能性。盡管諸如“第一”和“第二”的術(shù)語可用于描述各種元件，但是元件不被這些術(shù)語限制。這些術(shù)語可用于將特定元件與另一元件分開。
[0036]參照附圖更加充分地描述特定發(fā)明方面，在附圖中示出示例性實(shí)施例。附圖中的相似的標(biāo)號通常表示相似的元件，因此，在一些情況下，省略它們的重復(fù)描述。
[0037]如在此使用的，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)中的一個或更多個的任意和全部組合。諸如“…中的至少一個”的表達(dá)在位于一列元素之后時修飾整列元素而非修飾列中的單個元素。
[0038]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于檢測電池系統(tǒng)100中的故障的設(shè)備10的框圖。
[0039]參照圖1，設(shè)備10連接到電池系統(tǒng)100，并包括電壓檢測器110、離散小波變換器(DffT) 120、統(tǒng)計(jì)處理器130、最大值提取器140和故障診斷單元150。
[0040]電池系統(tǒng)100包括從外部源被供應(yīng)電能以存儲電能并將存儲的電能供應(yīng)到外部連接的電負(fù)載的電池。
[0041]電池系統(tǒng)100包括電池、保護(hù)電池的保護(hù)電路和控制保護(hù)電路保護(hù)電池的電池管理系統(tǒng)。例如，如果發(fā)生過電流或過放電情況，則電池管理系統(tǒng)可斷開保護(hù)電路的開關(guān)以將電池與輸入/輸出(I/o)端子分離。電池管理系統(tǒng)監(jiān)視電池的狀態(tài)(例如，電池的溫度、電壓、電流等)以收集各種類型的數(shù)據(jù)，諸如電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。電池管理系統(tǒng)可根據(jù)收集的數(shù)據(jù)和內(nèi)部算法執(zhí)行電池單元的單元平衡操作。用于檢測電池系統(tǒng)100中的故障的設(shè)備10可被包括在電池管理系統(tǒng)中。
[0042]電池系統(tǒng)100可以是連接到發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)以對負(fù)載穩(wěn)定供電的能量存儲系統(tǒng)的一部分。能量存儲系統(tǒng)可將發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能存儲在電池中，或者可將該電能供應(yīng)到電網(wǎng)系統(tǒng),并且可將存儲在電池中的電能供應(yīng)到電網(wǎng)系統(tǒng),或者將從電網(wǎng)系統(tǒng)供應(yīng)的電能存儲在電池中。能量存儲系統(tǒng)將發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能或存儲在電池中的電能供應(yīng)到負(fù)載。為此目的，能量存儲系統(tǒng)包括電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)、電池系統(tǒng)100、第一開關(guān)和第二開關(guān)。
[0043]PCS包括電力轉(zhuǎn)換設(shè)備(諸如逆變器、轉(zhuǎn)換器、整流器等)和集成控制器，以將從發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)和/或電池系統(tǒng)100提供的電能轉(zhuǎn)換為合適的電能并將其供應(yīng)到需要電能的地方。集成控制器可監(jiān)視發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)、電池和負(fù)載的狀態(tài)，并可根據(jù)算法或操作者的命令控制第一開關(guān)、第二開關(guān)、電池系統(tǒng)100和電力轉(zhuǎn)換設(shè)備。設(shè)備10可被包括在能量存儲系統(tǒng)的集成控制器中。
[0044]根據(jù)本實(shí)施例，電壓檢測器110從電池系統(tǒng)100接收電壓V (t)，并對電壓V (t)進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生并存儲電壓數(shù)據(jù)V [X]。電壓檢測器110的采樣率可以是例如每秒大約I次到每秒大約10次。然而，本發(fā)明不限于此，采樣率可以小于每秒I次或大于每秒10次。
[0045]電壓v(t)可以是電池系統(tǒng)100的輸出端子的端子電壓。根據(jù)另一示例，電壓v(t)可以是電池系統(tǒng)100的特定電池單元的單元電壓。電壓v(t)具有根據(jù)輸入到電池系統(tǒng)100或從電池系統(tǒng)100輸出的電流分布而變化的模擬值。
[0046]電壓數(shù)據(jù)V[x]具有通過對根據(jù)時間t變化的電壓V (t)進(jìn)行數(shù)字化而產(chǎn)生的數(shù)字值。電壓數(shù)據(jù)V[x]包括根據(jù)時間X定義的一組數(shù)字值。電壓檢測器110在確定是否發(fā)生故障的時間段期間存儲電壓數(shù)據(jù)V[x]。因此，電壓檢測器110可包括將模擬電壓V (t)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓數(shù)據(jù)V[x]的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。電壓檢測器110還可包括存儲產(chǎn)生的數(shù)字電壓數(shù)據(jù)V[x]的存儲器。
[0047]DffT120對從電壓檢測器110提供的電壓數(shù)據(jù)V[x]執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生頻率分量數(shù)據(jù)01[1]、02[1]、隊(duì)[1]、…、Djx](例如，高頻分量數(shù)據(jù))。在本示例性實(shí)施例中，產(chǎn)生了第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)DjxhDjxhDjx]、…、Dj[X]。這里，j是大于2的自然數(shù)。
[0048]第一層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 [X]可以是具有最高頻帶的數(shù)據(jù)。第二層的頻率分量數(shù)據(jù)02[1]可以是具有比第一層的頻率分量數(shù)據(jù)隊(duì)匕]的頻帶低的頻帶的數(shù)據(jù)。第j層的頻率分量數(shù)據(jù)Djx]可以是具有最低頻帶的數(shù)據(jù)。
[0049]例如，如果第一層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 [x]是具有高于特定頻率&的頻帶的數(shù)據(jù)，則第二層的頻率分量數(shù)據(jù)D2 [X]可以是具有高于頻率un且低于頻率&的頻帶的數(shù)據(jù)，第三層的頻率分量數(shù)據(jù)D3[x]可以是具有低于頻率fc/2且高于頻率&/4的頻帶的數(shù)據(jù)，并且第j層的頻率分量數(shù)據(jù)Djx]可以是具有低于頻率且高于頻率4/2^1的頻帶的數(shù)據(jù)。
[0050]稍后將參照圖3至圖8詳細(xì)描述示例性的離散小波變換。
[0051]統(tǒng)計(jì)處理器130接收由DWT120產(chǎn)生的第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 [x]、D2 [x]、D3 [x]、…、Dj [x]，以產(chǎn)生第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 [X]、D2 [X]、D3 [x]、…、Dj [X]的大小 Id1W 1、|d2[x] 1、D3 [χ] I > …、Dj [χ] I 和所述大小 Id1W 1、|d2[x] 1、Id3WU …、IdjW 的平均avr(|d[x]|)。
[0052]統(tǒng)計(jì)處理器130消除第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)Djx]、D2[x]、D3[x]、…、Dj[χ]的負(fù)號和正號，以產(chǎn)生第一層至第」層的頻率分量數(shù)據(jù)01匕]、02[1]、03[1]、…、Dj[χ]的大小根據(jù)一個實(shí)施例，所述大小ID1Ex] 1、|D2[X]|、|D3[X]|、…、|Dj[x]|是第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)DjxhDjxhDjx]、…、Dj [χ]的絕對值。
[0053]統(tǒng)計(jì)處理器130產(chǎn)生第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)Djx]、D2[x]、D3[x]、…、Dj [χ]的大小 ID1 [χ] 1、ID2 [χ] 1、ID3 [χ] 1、…、I Dj [χ] | 的平均 AVR (| D [χ] |)。平均 AVR (| D [χ] |)表示在時間1第一層至第」層的頻率分量數(shù)據(jù)01[1]、02[1]、03[1]、…、Djx]的大小的平均。
[0054]最大值提取器140接收由統(tǒng)計(jì)處理器130產(chǎn)生的第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù) Djx]、D2 [χ]、D3 [χ]、…、Dj [χ]的大小 iDjx] |、D2 [χ] | > D3 [χ] I > …、Dj [χ] | 和平均AVR (ID [χ] I)，并提取所述大小 ID1 [χ] 1、ID2 [χ] |、| D3 [χ] 1、…、I Dj [χ] | 和平均 AVR (| D [χ] |) 中的最大值，以產(chǎn)生第一最大值Id1 Imax、第二最大值|d2 Imax、第三最大值|D3|max、…、第j最大值IAI max和最大平均值A(chǔ)VR (IDI) max。
[0055]第一最大值ID1Imax是第一層的頻率分量數(shù)據(jù)的大小IdJx] I的最大值。例如，如果第一層的頻率分量數(shù)據(jù)的大小Idjx] I在X=X1時最大，則第一最大值ID1Imax可以等于
Ditx1] I。
[0056]第j最大值|D」max是第j層的頻率分量數(shù)據(jù)的大小|Djx]|的最大值。例如，如果第j層的頻率分量數(shù)據(jù)的大小|DjX]|在X=\時最大，則第j最大值|D」max可以等于I Dj[Xj] I。這里，X1和Xj可以是相同的時間或不同的時間。
[0057]最大平均值A(chǔ)VR(|D|)max是平均AVR( |D [χ] I)的最大值。平均AVR( | D [χ] |)具有最大值的時間X可以等于產(chǎn)生第一至第j最大值|Djmax、|D2|max、|D3|max、…、IDjImax的時間(例如，X1^ x2> X3>…、Xj)之一，或者可以與這些時間不同。
[0058]根據(jù)本實(shí)施例，故障診斷單元150接收由最大值提取器140產(chǎn)生的第一至第j最大值ID1Imaj^ ID2Ifflax, ID3Imax^…、IDj Imax和最大平均值A(chǔ)VR(IDl)max，并將第一至第j最大值
D1Lw D2Ifflax, |D3|max、…、IDjImax與最大平均值A(chǔ)VR(|D|)max進(jìn)行比較，以在比率超過預(yù)定(或合適的)閾值的情況下診斷出發(fā)生了故障。
[0059]例如，故障診斷單元150可將第一最大值ID1 Imax與最大平均值A(chǔ)VR(IDl)max的比率和預(yù)定閾值進(jìn)行比較，以在所述比率大于預(yù)定閾值的情況下診斷出發(fā)生了故障。這里，設(shè)備10從第一層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 [χ]檢測故障。換言之，設(shè)備10檢測與第一層的頻率分量數(shù)據(jù)01[1]相應(yīng)的頻帶分量作為故障。
[0060]故障診斷單元150可將第二最大值|D2|max與最大平均值A(chǔ)VR(|D|)max的比率和預(yù)定閾值進(jìn)行比較以診斷是否發(fā)生了故障。此外，故障診斷單元150可將第j最大值IDjImax與最大平均值A(chǔ)VR(|D|)max的比率和預(yù)定閾值進(jìn)行比較以診斷是否發(fā)生了故障。故障診斷單元150將故障檢測診斷結(jié)果作為信號RESULT輸出。
[0061]預(yù)定閾值可根據(jù)電池系統(tǒng)100和電池之間的連接關(guān)系而變化。例如，預(yù)定閾值可以是大約2和大約5之間的一個值。例如，預(yù)定閾值可以是2.5。
[0062]根據(jù)一個實(shí)施例,如果第一至第j最大值|Djmax、|D2|max、ID3|max、…、IDjImax與最大平均值A(chǔ)VR(ID I)_的比率低于預(yù)定閾值，則故障診斷單元150輸出指示未發(fā)生故障的信號RESULT。如果第一至第 j 最大值 D1 Ifflax, ID2 Ifflax, I D3|max> …、I Dj |_ 與最大平均值 AVR( | D |)max的比率中的任何一個高于預(yù)定閾值，則故障診斷單元150輸出指示發(fā)生了故障的信號RESULT。
[0063]根據(jù)本實(shí)施例的設(shè)備10根據(jù)從電池系統(tǒng)100輸出的電壓V⑴診斷是否發(fā)生了故障。例如,如果高電流流入電池系統(tǒng)100中，則從電池系統(tǒng)100輸出的電壓v(t)快速增大。設(shè)備10通過離散小波變換的多分辨率分析將電壓v(t)分解為若干頻帶分量，以準(zhǔn)確地診斷是否發(fā)生了故障。
[0064]設(shè)備10可獲得關(guān)于檢測到故障的頻率分量數(shù)據(jù)的信息，從而檢查故障的原因。設(shè)備10可檢測第一至第j最大值D1Imax' D2Imax' D3Imax'…、IDjImax與最大平均值A(chǔ)VR(IdI)_的比率，從而確定故障的嚴(yán)重程度。
[0065]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明 的示例性實(shí)施例的用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備20的框圖。
[0066]參照圖2，設(shè)備20連接到電池系統(tǒng)100，并包括電壓檢測器210、DWT220、統(tǒng)計(jì)處理器230、參考值存儲單元240和故障診斷單元250。
[0067]圖2的電池系統(tǒng)100是圖1的電池系統(tǒng)100的等同物。電池系統(tǒng)100包括如下電池，所述電池從外部源被供應(yīng)電能，存儲電能，并將存儲的電能供應(yīng)到外部連接的電負(fù)載。
[0068]電壓檢測器210從電池系統(tǒng)100實(shí)時地接收電壓V⑴，并對電壓v⑴進(jìn)行數(shù)字化，以輸出根據(jù)時間X的電壓數(shù)據(jù)V(X)。電壓檢測器210的采樣率可以是每秒大約I次到每秒大約10次。然而，本發(fā)明不限于此，因此，采樣率可以小于每秒I次或大于每秒10次。
[0069]電壓v(t)可以是電池系統(tǒng)100的端子電壓或電池系統(tǒng)100的特定電池單元的單元電壓。電壓數(shù)據(jù)V(X)是通過對根據(jù)時間t的電壓v(t)進(jìn)行數(shù)字化所產(chǎn)生的數(shù)字值，并且X表示時間。
[0070]電壓檢測器210包括將模擬電壓v(t)實(shí)時地轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓數(shù)據(jù)V(X)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
[0071]離散小波變換器(DWO220對由電壓檢測器210產(chǎn)生的電壓數(shù)據(jù)V(X)執(zhí)行離散小波變換，以產(chǎn)生具有多個層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 (x)、D2 (x)、D3 (χ)、…、Dj (χ)。
[0072]第一層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)可以是具有最高頻帶的數(shù)據(jù)。第二層的頻率分量數(shù)據(jù)D2(X)可以是具有低于第一層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)的頻帶的頻帶的數(shù)據(jù)。第j層的頻率分量數(shù)據(jù)h(x)可以是具有最低頻帶的數(shù)據(jù)。
[0073]根據(jù)本實(shí)施例，統(tǒng)計(jì)處理器230接收由DWT220產(chǎn)生的第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 (x)、D2 (x)、D3 (χ)、…、Dj (χ)，以產(chǎn)生第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 (x)、D2 (χ)、d3(x)、…、Dj(X)的大小 Id1(X) |、|d2(x) |、|d3(x) 1、.'Idj(X)U 這里，統(tǒng)計(jì)處理器 230 產(chǎn)生第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)、D2(x)、D3(x)、…、Dj(X)的大小ID1(X) UlD2(X) 1、D3 (χ) 1、…、I Dj (χ) I的平均AVR (ID (χ) I)，并將平均AVR (| D (χ) |)提供給參考值存儲單元240。
[0074]參考值存儲單元240可存儲參考值REF，并可將參考值提供給故障診斷單元250。
[0075]實(shí)時地，故障診斷單元250從統(tǒng)計(jì)處理器230接收第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù) D1(X)、D2(X)、D3(X)、…、Dj(X)的大小 ID1(X) 1、Id2(X) 1、I D3(X) 1、…、IDj(X) I ,并將第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)、D2(X)、D3(X)、…、Dj(X)的大小Id1(X)U Id2(X)U
D3(X) 1、…、IDj(X) I與從參考值存儲單元240接收的參考值REF進(jìn)行比較，以檢測是否發(fā)生了故障。
[0076]根據(jù)本實(shí)施例，故障診斷單元250將第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1 (x)、D2 (χ)、D3(X)、…、Dj(X)的大小 Id1(X) 1、Id2(X) 1、D3(χ) 1、…、Dj(χ) I 與參考值ref進(jìn)行比較，并且如果第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)、D2(X)、D3(X)、.'Dj(X)的大小ID1(X)U|d2(x)|、|d3(x)|、…、Idj(X)中的任何一個大于參考值ref，則檢測出發(fā)生了故障。故障診斷單元250輸出指示發(fā)生了故障的信號RESULT。
[0077]如果第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)DiOOUxhDjx)、…、Dj(X)的大小D1OO 1、|d2(x) 1、|d3(x) 1、…、IDjOO I全部小于參考值ref，則故障診斷單元250輸出指 不未發(fā)生故障的信號RESULT。
[0078]第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)、D2(X)、D3(X)、.'Dj(X)的大小！D1(X)UD2(X)U Id3(X)U…、IDj(X)I是通過DWT220和統(tǒng)計(jì)處理器230從電池系統(tǒng)100的電壓
v(t)實(shí)時產(chǎn)生的值。故障診斷單元250實(shí)時接收第一層至第j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)、D2(χ)、D3(χ)、…、Dj(χ)的大小 Id1(X)UId2(X)UId3(X)U …、IDj(X) I,并將第一層至第 j層的頻率分量數(shù)據(jù)D1(X)、D2(X)、D3(X)、…、Dj(X)的大小 Id1(X)U Id2(X)U |d3(x)|、…、IDj(X) I與參考值REF進(jìn)行比較，以感測(例如，立即感測)是否發(fā)生了故障。
[0079]根據(jù)一個實(shí)施例，參考值存儲單元240存儲初始參考值REFini。這里，當(dāng)設(shè)備20初始操作時，參考值存儲單元240將初始參考值REFini作為參考值REF輸出。初始參考值REFini可根據(jù)電池系統(tǒng)100而變化。例如，初始參考值REFini可以是大約2和大約5之間的值。例如，初始參考值REFini可以是大約2.5。
[0080]根據(jù)一個實(shí)施例，參考值存儲單元240從統(tǒng)計(jì)處理器230接收平均AVR (| D (χ) |)。參考值存儲單元240可將平均AVR(|D(x) I)乘以預(yù)定(或設(shè)置的)系數(shù)k以計(jì)算值kAVR(|D(x) |)。根據(jù)另一示例，統(tǒng)計(jì)處理器230可將通過將平均AVR(|D(x))乘以預(yù)定系數(shù)k所計(jì)算出的值kAVR(|D(x) I)提供給參考值存儲單元240。
[0081]預(yù)定系數(shù)k可根據(jù)電池系統(tǒng)100而變化。例如，系數(shù)k可以是大約2和大約5之間的值。例如，系數(shù)k可以是大約2.5。
[0082]參考值存儲單元240可將值kAVR(|D(x) I)與參考值REF進(jìn)行比較，并且如果值kAVR(|D(x) I)大于參考值REF，則參考值存儲單元240可將參考值REF更新為值kAVR (ID (χ) I)。這里，因?yàn)閰⒖贾礡EF具有設(shè)備20初始操作時的初始參考值REFini，所以參考值存儲單元240將值kAVR(|D(x) I)與初始參考值REFini進(jìn)行比較，并且如果值kAVR(|D(x) I)變得大于初始參考值REFini，則將參考值REF更新為值kAVR( I D(X) |)。該更新處理被實(shí)時執(zhí)行，并且參考值存儲單元240將初始參考值REFini和通過將平均AVR (ID (χ) |)的最大值乘以系數(shù)k所計(jì)算出的值kAVR(ID I )max中的較大的一個值存儲為參考值REF。[0083]例如，如果初始參考值REFini和系數(shù)k均為2.5，并且平均AVR( | D (χ) |)小于1，則參考值REF是2.5。如果當(dāng)X=X1時值kAVR (ID )max大于2.5，例如，為2.7，則參考值REF被更新為2.7。如果當(dāng)X=X2時值kAVR (ID I )max大于2.7，例如，為3.1，則參考值REF被更新為
3.1。
[0084]設(shè)備20實(shí)時地收集從電池系統(tǒng)100輸出的電壓v(t)以檢測是否發(fā)生了故障。例如,如果高電流流入電池系統(tǒng)100中，則從電池系統(tǒng)100輸出的電壓v(t)快速增大。此外，在一個或更多個實(shí)施例中，實(shí)時地，設(shè)備20通過離散小波變換的多分辨率分析將電壓V (t)分解為若干頻帶的分量，以檢測在特定頻帶的分量中出現(xiàn)了大于參考值REF的峰值，從而感測出發(fā)生了故障。
[0085]設(shè)備20可獲得關(guān)于檢測到故障的頻率分量數(shù)據(jù)的信息，從而可檢查故障的原因。此外，設(shè)備20可通過特定頻帶的分量的峰值獲得關(guān)于故障的嚴(yán)重程度的信息。
[0086]現(xiàn)在將描述離散小波變換的示例性實(shí)施例。小波變換用于轉(zhuǎn)換循環(huán)小波函數(shù)的大小和水平位置以分解源信號x(t)。連續(xù)小波變換(CWT)被定義為下面的等式1:
[0087]
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 電壓檢測器，被構(gòu)造為從電池系統(tǒng)接收電壓信號并對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)； 離散小波變換器，被構(gòu)造為接收電壓數(shù)據(jù)并對電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生變換數(shù)據(jù)； 統(tǒng)計(jì)處理器，被構(gòu)造為接收變換數(shù)據(jù)并處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括變換數(shù)據(jù)的平均值；以及 故障診斷單元，被構(gòu)造為基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)檢測電池系統(tǒng)中的故障，并且當(dāng)檢測到故障時，發(fā)送故障信號。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，變換數(shù)據(jù)包括j層的頻率分量數(shù)據(jù)，j是正實(shí)數(shù)， 其中，統(tǒng)計(jì)處理器被構(gòu)造為接收j層的頻率分量數(shù)據(jù)作為變換數(shù)據(jù)，并計(jì)算j層的頻率分量數(shù)據(jù)的絕對值以產(chǎn)生j層的頻率分量數(shù)據(jù)中的每個頻率分量數(shù)據(jù)的幅值。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，故障診斷單元被構(gòu)造為將所述幅值與參考值進(jìn)行比較以檢測故障，并且如果所述幅值中的至少一個大于參考值，則檢測到故障。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，參考值被設(shè)置為初始參考值。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，統(tǒng)計(jì)處理器被構(gòu)造為:計(jì)算所述幅值的平均以產(chǎn)生平均值，并將平均值乘以換算量以產(chǎn)生換算值， 所述設(shè)備還包括參考值存儲單元，參考值存儲單元被構(gòu)造為: 將換算值與參考值進(jìn)行比較；以及 當(dāng)換算值大于參考值時，將參考值設(shè)置為換算值。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，換算量是2到5。
7.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括最大值提取器， 其中，統(tǒng)計(jì)處理器被構(gòu)造為計(jì)算所述幅值的平均以產(chǎn)生平均值， 其中，最大值提取器被構(gòu)造為: 接收所述幅值和平均值； 計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的j層的頻率分量數(shù)據(jù)中的每個頻率分量數(shù)據(jù)的幅值的最大值，以產(chǎn)生最大幅值；以及 計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的平均值的最大值以產(chǎn)生最大平均值，其中，故障診斷單元被構(gòu)造為: 接收最大幅值和最大平均值； 分別將最大幅值中的每個最大幅值與最大平均值的比率和閾值進(jìn)行比較；以及 如果所述比率中的至少一個大于閾值，則檢測到故障。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，閾值是2和5之間的值。
9.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，故障信號包括與故障是在j層的頻率分量數(shù)據(jù)中的哪層頻率分量數(shù)據(jù)中檢測到的相應(yīng)的信息或與故障的嚴(yán)重程度相應(yīng)的信息。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，電壓檢測器被構(gòu)造為以每秒I個樣本到每秒10個樣本的采樣率對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，離散小波變換基于Daubechies3小波。
12.一種用于檢測電池系統(tǒng)中的故障的方法，所述方法包括下述步驟:從電池系統(tǒng)接收電壓信號； 對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)； 對電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生變換數(shù)據(jù)； 處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括變換數(shù)據(jù)的平均值； 分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢測故障；以及 當(dāng)檢測到故障時發(fā)送故障信號。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，變換數(shù)據(jù)包括一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)， 其中，處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的步驟包括計(jì)算所述一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)的絕對值，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還包括所述絕對值， 其中，分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢測故障的步驟包括: 將所述絕對值與參考值進(jìn)行比較；以及 當(dāng)所述絕對值中的至少一個大于參考值時檢測到故障。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括:將參考值初始化為預(yù)定值。
15.如權(quán)利要求 14所述的方法，還包括: 基于所述絕對值計(jì)算平均值； 通過換算量換算所述平均值以產(chǎn)生換算后的平均值； 將換算后的平均值與參考值進(jìn)行比較；以及 當(dāng)換算后的平均值大于參考值時，將換算后的平均值設(shè)置為參考值。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，變換數(shù)據(jù)包括一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)， 其中，處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的步驟包括: 計(jì)算所述一個或更多個頻率分量數(shù)據(jù)的絕對值，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還包括所述絕對值；以及 基于所述絕對值計(jì)算平均值， 其中，分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以檢測故障的步驟包括: 計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的絕對值的最大絕對值； 計(jì)算與第一時間段相應(yīng)的平均值的最大平均值； 計(jì)算最大絕對值與最大平均值的比率；以及 當(dāng)所述比率中的至少一個超過參考值時，檢測到故障。
17.一種能量存儲系統(tǒng)，包括: 電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，被構(gòu)造為將第一電力轉(zhuǎn)換為第二電力； 電池系統(tǒng)，被構(gòu)造為存儲并供應(yīng)第二電力，電池系統(tǒng)包括: 連接在一起的多個電池單元； 連接到電池單元中的第一電池單元的端子； 連接到所述端子和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的開關(guān)；以及 電池管理系統(tǒng)，包括: 電壓檢測器，被構(gòu)造為從電池單元接收電壓信號并對電壓信號進(jìn)行數(shù)字化以產(chǎn)生電壓數(shù)據(jù)； 離散小波變換器，被構(gòu)造為接收電壓數(shù)據(jù)并對電壓數(shù)據(jù)執(zhí)行離散小波變換以產(chǎn)生變換數(shù)據(jù)； 統(tǒng)計(jì)處理器，被構(gòu)造為接收變換數(shù)據(jù)并處理變換數(shù)據(jù)以產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括變換數(shù)據(jù)的平均值；以及 故障診斷單元，被構(gòu)造為基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)檢測電池系統(tǒng)中的故障，并且當(dāng)檢測到故障時發(fā)送故障信號， 其中，所述開關(guān)被構(gòu)造為根據(jù)故障信號將電池單元與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)連接。
18.如權(quán)利要求17所述的 能量存儲系統(tǒng)，其中，電壓信號對應(yīng)于所述端子處的電壓或電池單元中的一個電池單元的單元電壓。
【文檔編號】H02J7/00GK104007388SQ201410053715
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月21日
【發(fā)明者】金鐘勛 申請人:三星Sdi株式會社