电池诊断设备和方法与流程

1.本技术要求于2020年11月19日在韩国提交的韩国专利申请no.10-2020-0156002的优先权，该韩国专利申请的公开内容以引用方式并入本文中。
2.本公开涉及电池诊断技术，并且更具体地，涉及能够通过阻抗测量值有效地诊断电池状态的电池诊断技术。


背景技术：

3.目前市售的二次电池包括镍-镉电池、镍-氢电池、镍-锌电池、锂二次电池等。其中，锂二次电池因为其与基于镍的二次电池相比基本上没有记忆效应且放电率低且能量密度高而备受关注。
4.此外，近年来，二次电池已被广泛用于诸如电动车辆或能量存储系统(ess)这样的中型和大型设备中的驱动或能量存储。另外，出于该原因，对二次电池的兴趣进一步增加，并且正在更加积极地进行相关的研究和开发。
5.锂二次电池主要分别使用基于锂的氧化物和碳材料作为正极活性材料和负极活性材料。另外，锂二次电池包括：电极组件，其中分别被涂覆正极活性材料和负极活性材料的正极板和负极板被布置且在它们之间插置有隔膜；以及外部即电池壳体，其用于将电极组件与电解质一起气密性地容纳。
6.电池通过电化学氧化和还原反应产生电能。然而，当重复充电/放电循环时，电池没有保持初始制造时的容量，即在bol(寿命开始)状态下的性能，并且可能随着时间的推移而劣化。如果没有正确地了解电池的劣化状态，则可能难以准确地预测电池的充电状态(soc)、可使用时间、寿命、更换时机等。另外，如果在这方面没有准确地进行预测，则这可能对电池的使用者或管理者造成意外的伤害。
7.此外，最近，电池被越来越多地回收。具体地，当安装到电动车辆的电池组的性能由于使用了一定时间段而劣化时，正在积极地进行研究和计划，以将使用过的电池组安装在诸如能量存储系统(ess)这样的其它应用中从而被重新使用。
8.如果已经使用过的电池(废电池)将要以这种方式在另一领域或同一领域中被回收，则需要更准确地诊断电池的状态。例如，为了在能量存储系统中采用用于车辆的电池组，则应该确定电池组是否是可回收的。迄今为止，已提出用于诊断电池电芯、电池模块、电池组等的各种技术，但很难说它们在诸如准确性和速度这样的各个方面表现出足够的性能。
9.具体地，作为用于诊断电池的常规代表性技术之一，存在使用电化学阻抗谱(eis)的方法。在这种情况下，使用用于eis测量数据的奈奎斯特图(nyquist diagram)(奈奎斯特图线)，并且在该过程中，有必要提取针对电池的等效电路模型的每个元件常数。
10.然而，在使用这种等效电路模型的现有技术中，存在的限制在于，不能实现完美的等效电路模型。具体地，在eis测量期间，难以将测量探针的电感分量和电阻分量以及测量点处的接触电阻与电池本身的电感分量和电阻分量区分开。此外，由于针对每次测量，测量
探针的电感分量都具有大的偏差，因此它可能极大地影响高频带，特别是由sei(固体电解液界面)指示的电阻分量。
11.因此，根据现有技术，存在的问题在于，难以确保使用奈奎斯特图诊断电池时的足够准确性。如果在重新使用电池之前没有准确地诊断电池的状态，则可能对重新使用电池的装置或系统以及重新使用电池的使用者产生不利影响。


技术实现要素：

12.技术问题
13.本公开被设计用于解决相关技术的问题，因此，本公开涉及提供可以使用奈奎斯特图以高准确性诊断电池的设备和方法。
14.本公开的这些和其它目的及优点可以从以下详细描述来理解，并且根据本公开的示例性实施方式将变得更充分地清楚。另外，将容易理解的是，本公开的目的和优点可以通过随附权利要求书中示出的装置及其组合来实现。
15.技术方案
16.在本公开的一方面，提供了一种电池诊断设备，该电池诊断设备包括：阻抗测量模块，所述阻抗测量模块被配置为在向目标电池施加ac电压的同时根据频率的变化来测量阻抗；存储器模块，所述存储器模块被配置为存储每个频率的阻抗参考值；以及处理器，所述处理器被配置为生成由所述阻抗测量模块测量的所述目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图，从所生成的奈奎斯特图中提取拐点，并且将以所提取的拐点为中心的预定频率范围内的值与存储在所述存储器模块中的每个频率的阻抗参考值进行比较，以诊断所述目标电池。
17.这里，所述处理器可以被配置为将所生成的奈奎斯特图移位，使得所提取的拐点成为原点，并且在移位状态下，与每个频率的阻抗参考值进行比较。
18.另外，所述处理器可以被配置为使用所述目标电池的阻抗测量值的大小和角度来诊断所述目标电池。
19.另外，所述存储器模块可以被配置为存储每个频率的阻抗参考值以分类为多个电池等级中的每一个电池等级，并且所述处理器被配置为通过将所述目标电池的阻抗测量值与存储在所述存储器模块中的电池等级匹配来对所述目标电池的等级进行分类。
20.另外，所述处理器可以被配置为提取抗电荷转移区域因抗扩散区域而弯曲的点作为所生成的奈奎斯特图中的拐点。
21.另外，所述处理器可以被配置为通过从低频区域到高频区域地搜索所生成的奈奎斯特图来提取所述拐点。
22.另外，所述存储器模块可以被配置为预先存储所述拐点的初步频率信息(preliminary frequency information)。
23.另外，在本公开的另一方面，提供一种电池组，该电池组包括根据本公开的电池诊断设备。
24.另外，在本公开的又一方面，提供一种能量存储系统，该能量存储系统包括根据本公开的电池诊断设备。
25.另外，在本公开的再一方面，提供了一种电池诊断方法，该电池诊断方法包括以下
步骤：存储每个频率的阻抗参考值；在向目标电池施加ac电压的同时根据频率的变化来测量阻抗；生成在所述测量步骤中测量的所述目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图；从所述生成步骤中生成的所述奈奎斯特图中提取拐点；将以在所述提取步骤中提取的所述拐点为中心的预定频率范围内的阻抗测量值与在所述存储步骤中存储的每个频率的所述阻抗参考值进行比较；以及基于所述比较步骤的比较结果来诊断所述目标电池。
26.有益效果
27.根据本公开，提供了一种有效的电池诊断设备。
28.具体地，根据本公开的实施方式，由于在不使用等效电路模型的情况下使用奈奎斯特图诊断电池，因此不需要提取与等效电路模型相关的各种元件常数值。
29.因此，根据本公开的该实施方式，可以提高电池诊断的准确性和/或速度。
30.此外，根据本公开的实施方式，在分析eis测量数据时，可以通过使用低频区域而非高频区域来使测量探针的电感分量和电阻分量的影响最小化。
31.因此，根据本公开的该实施方式，可以进一步提高电池诊断的准确性。
32.另外，在重新使用电池模块或电池组时，本公开可以容易地应用于对电池模块或电池组的等级进行分类。
附图说明
33.附图例示了本公开的优选实施方式，并与以上公开内容一起用于提供对本公开的技术特征的进一步理解，因此，本公开不被解释为限于附图。
34.图1是示意性示出了根据本公开的实施方式的电池诊断设备的配置的框图。
35.图2是示意性示出了根据本公开的实施方式的存储在存储器模块中的阻抗参考值的图。
36.图3是示意性示出了根据本公开的实施方式的由处理器生成的奈奎斯特图的示例的图。
37.图4是示意性示出了将图3的奈奎斯特图移位使得所提取的拐点成为原点的配置的图。
38.图5是示意性示出了根据本公开的实施方式的阻抗测量值的大小和角度的图。
39.图6是示出了根据本公开的实施方式的存储在存储器模块中的阻抗参考值数据的部分的图。
40.图7是示出了根据本公开的另一实施方式的存储在存储器模块中的阻抗参考值数据的部分的图。
41.图8是示出了根据本公开的实施方式生成的奈奎斯特图的图，其中，根据影响阻抗的因素的类型对每个区域进行分类。
42.图9是示意性示出了根据本公开的实施方式的由处理器提取拐点的配置的图。
43.图10是用于示意性例示根据本公开的实施方式的电池诊断方法的流程图。
具体实施方式
44.下文中，将参考附图来详细地描述本公开的优选实施方式。在进行描述之前，应该理解，在说明书和所附权利要求中使用的术语不应该被理解为限于通用的含义和字典含
义，而是以使得发明人能够定义适于最佳说明的术语的原理为基础基于与本公开的技术方面对应的含义和概念来解释。
45.因此，本文中提出的描述仅仅是只出于例示目的的优选示例，不旨在限制本公开的范围，所以应该理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以得到其它等同形式和修改形式。
46.图1是示意性示出了根据本公开的实施方式的电池诊断设备的配置的框图。
47.参照图1，根据本公开的电池诊断设备包括阻抗测量模块100、存储器模块200和处理器300。
48.阻抗测量模块100可以被配置为测量目标电池的阻抗。具体地，阻抗测量模块100可以通过使用电化学阻抗谱(eis)来测量目标电池的阻抗。这里，目标电池意指成为诊断目标的电池。例如，目标电池可以是包括多个电池电芯的电池模块或电池组。另选地，目标电池可以是指电池电芯，即，一个二次电池。
49.阻抗测量模块100可以被配置为向目标电池施加ac电压，以便测量目标电池的阻抗。例如，阻抗测量模块100可以被配置为在施加ac电压的同时对目标电池进行充电，并且在充电过程中测量目标电池的内部阻抗。具体地，阻抗测量模块100可以被配置为在改变频率的同时施加ac电压。
50.阻抗测量模块100可以采用在提交本技术时已知的各种阻抗测量配置和技术。例如，阻抗测量模块100可以被配置为使用4端子对方法来测量电池的内部阻抗。
51.另外，阻抗测量模块100可以包括用于测量电池内部阻抗的多个部件。例如，阻抗测量模块100可以包括用于接触电池端子的接触探针、用于产生和供应ac电力的电源、设置在电源和接触探针之间的电线和电压传感器等。由此，由于本公开的阻抗测量模块100可以采用已知的常规阻抗测量配置，并且将不进行详细描述。
52.存储器模块200存储阻抗参考值。这里，阻抗参考值是将要与由阻抗测量模块100测量的目标电池的阻抗测量值进行比较的值，并且可以被预先存储。具体地，阻抗参考值可以是预先通过多次预实验获得的针对参考电池的值，所述参考电池的规格、类型、特性等与目标电池的规格、类型、特性等相同或相近。
53.另外，可以以与阻抗测量模块100的阻抗测量方法相同或相近的方式测量和存储阻抗参考值。例如，可以通过施加具有与在阻抗测量模块100测量目标电池的阻抗时的电压大小和频率相同或相近的电压大小和频率的ac电压来获得存储在存储器模块200中的阻抗参考值。
54.图2是示意性示出了根据本公开的实施方式的存储在存储器模块200中的阻抗参考值的图。
55.参照图2，存储器模块200可以存储每个频率的阻抗参考值。即，存储器模块200可以被配置为将频率分类为预定频率范围内的多个频率(f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7、
…
)，使得阻抗参考值(zre1、zre2、zre3、zre4、zre5、zre6、zre7、...)在每个分类频率处预设为与其对应。例如，存储器模块200可以预先存储与0.1hz和10hz之间包括的多个频率中的每一个频率对应的阻抗参考值。
56.除了以上之外，存储器模块200还可以存储诸如阻抗测量模块100或处理器300这样的根据本公开的电池诊断设备的其它部件为了操作或执行它们的功能所需的数据或程
序。
57.存储器模块200可以被实现为闪存类型、硬盘类型、ssd(固态硬盘)类型、sdd(固态盘驱动器)类型、微型多媒体卡类型、ram(ram，随机存取存储器)类型、sram(静态ram)类型、rom(只读存储器)类型、eeprom(电可擦除可编程只读存储器)类型和prom(可编程只读存储器)类型中的至少一种，但本公开不一定限于存储器模块200的这种特定形式。
58.处理器300可以连接到阻抗测量模块100并且被配置为从阻抗测量模块100接收阻抗测量值。即，当阻抗测量模块100测量目标电池的阻抗时，测量结果可以被传输到处理器300。另外，处理器300可以被配置为基于以这种方式从阻抗测量模块100发送的阻抗测量结果来生成目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图(奈奎斯特图线)。具体地，阻抗测量模块100可以使用eis分析方法来测量阻抗。另外，eis分析数据可以被示出为奈奎斯特图线。
59.图3是示意性示出了根据本公开的实施方式的由处理器300生成的奈奎斯特图的示例的图。
60.参照图3，可以通过目标电池的eis测量结果来生成奈奎斯特图。在奈奎斯特图中，水平轴可以是阻抗的实部(zreal)，并且垂直轴可以是阻抗的虚部(zimag)。另外，水平轴和垂直轴的单位可以是mω或ω。另外，每个点可以被称为根据每个频率的阻抗测量值，即阻抗点。另外，可以认为，每个阻抗点的频率的大小在由箭头a1指示的方向上逐渐增加。在奈奎斯特图中，目标电池的阻抗的实数值和虚数值根据频率的变化而改变，因此它们的交叉点可以被显示为坐标上的点，即阻抗点。
61.处理器300可以基于从阻抗测量模块100发送的阻抗测量值来生成奈奎斯特图。在这种情况下，处理器300可以采用在提交本技术时已知的奈奎斯特图生成技术，因此这里将不详细描述。
62.如果如上地生成eis测量数据的奈奎斯特图，则处理器300可以被配置为从所生成的奈奎斯特图中提取拐点。这里，拐点可以是指在eis奈奎斯特图中曲率方向改变的点。从微积分学的观点来看，对于可微分两次的函数，拐点可以是指函数的曲线图从向上凸状态变为向下凸状态或者从向下凸状态变为向上凸状态的点。即，拐点可以是指在平面曲线中曲率的负(-)和正(+)变化的点。处理器300可以被配置为从eis奈奎斯特图中提取拐点。
63.如果如上地从eis奈奎斯特图中提取拐点，则处理器300可以选择属于以所提取的拐点为中心的预定频率范围的至少一个值。另外，处理器300可以被配置为将以这种方式在拐点附近选择的值与存储在存储器模块200中的每个频率的阻抗参考值进行比较。
64.例如，在图3的配置中，当提取拐点作为奈奎斯特图上的由f13指示的阻抗点时，处理器300可以选择属于由以拐点f13为中心在预定频率范围内的b指示的部分的阻抗点。此时，处理器300可以分别标识相对于由b指示的部分内的阻抗点的频率和每个频率的阻抗测量值。
65.另外，处理器300可以从存储器模块200中标识所选择阻抗点的阻抗测量值和与其对应的阻抗参考值。即，处理器300可以从存储器模块200中读取与所选择的阻抗点的频率相同或相近的频率对应的阻抗参考值。另外，处理器300可以将以这种方式读取的阻抗参考值与所选择的阻抗点的阻抗测量值彼此比较。
66.例如，当在图3的实施方式中围绕拐点f13设置的区域b内的阻抗点的频率对应于图2的实施方式中的f2至f6时，处理器300可以将区域b内的阻抗点的阻抗测量值与存储器
模块的对应于f2至f6的阻抗参考值(即，zre2至zre6)进行比较。
67.另外，处理器300可以被配置为基于阻抗测量值与阻抗参考值的比较结果来诊断目标电池。
68.例如，当阻抗测量值超出阻抗参考值超过误差范围时，处理器300可以诊断目标电池异常。在这种情况下，阻抗参考值可以被设置为用于确定目标电池是否异常的参考值。作为另一示例，处理器300可以被配置为搜索与阻抗测量值相同或者在其误差范围内的阻抗参考值。在这种情况下，存储器模块200可以存储用于诊断目标电池的状态的各种信息以相对于每个阻抗参考值进行匹配。例如，存储器模块200可以存储电池的soh(健康状态)信息以相对于每个阻抗参考值进行匹配。另外，处理器300可以通过与搜索到的阻抗参考值匹配的信息来诊断目标电池的状态。
69.根据本公开的该配置，可以简单且准确地对电池进行诊断。具体地，根据本公开的配置，当使用eis数据诊断电池时，电池的等效电路模型是不必要的。因此，不需要提取针对与电池有关的eis奈奎斯特图的等效电路模型的各种常数值。因此，根据本公开的该实施方式，不仅诊断过程简单，而且可以排除在恒定值提取过程中出现的误差等。因此，在这种情况下，可以使用eis奈奎斯特图高效地诊断电池。
70.此外，处理器300可以可选地包括本领域中已知的中央处理单元(cpu)、专用集成电路(asic)、芯片组、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器、数据处理装置等，以执行在本公开中执行的各种控制逻辑，或者可以使用这些术语来表示。另外，当用软件实现控制逻辑时，处理器300可以被实现为程序模块的集合。在这种情况下，程序模块可以被存储在内部存储器或外部存储器模块200等中并由处理器300执行。存储器模块200可以设置在处理器300的内部或外部，并且可以通过各种熟知装置连接到处理器300。
71.特别地，如果根据本公开的诊断设备以被包括在电池组中的形式实现，则电池组可以包括被称为微控制器单元(mcu)或电池管理系统(bms)的控制装置。此时，处理器300可以由诸如设置在一般电池组中的mcu或bms这样的部件来实现。
72.此外，在本说明书中，用于处理器300的操作或功能的诸如“用于”或“被配置为”这样的术语可以包括“被编程为”的含义。
73.另外，当通过根据eis测量生成奈奎斯特图来提取拐点时，处理器300可以将奈奎斯特图移位，使得所提取的拐点成为原点。另外，相对于处于移位状态的奈奎斯特图，处理器300可以被配置为比较和分析每个频率的阻抗参考值。将参考图4对此进行更详细的描述。
74.图4是示意性示出了将图3的奈奎斯特图移位使得所提取的拐点成为原点的配置的图。然而，在图4中，为了便于例示，排除了图3的奈奎斯特图中的部分高频区域。
75.参照图4，奈奎斯特图被移位，使得在图3的实施方式中提取的拐点f13成为原点。即，图4的奈奎斯特图可以被认为是通过在保持坐标轴的同时将图3的奈奎斯特图在向左的方向和向下的方向上移动而使拐点f13位于原点处的形式。
76.另外，处理器300可以被配置为将围绕奈奎斯特图的原点(即，拐点f13)的预定频率内的阻抗测量值与对应于对应频率的阻抗参考值进行比较。
77.根据本公开的该配置，通过将拐点定位在原点处，可以更清楚地比较阻抗测量值与阻抗参考值。此外，根据该实施方式，当存储在存储器模块200中的阻抗参考值以奈奎斯
特图的形式被存储时，可以围绕拐点更容易地比较阻抗测量值与阻抗参考值。另外，根据该实施方式，当与在不同时间从同一电池测量和生成的奈奎斯特图进行比较时，或者当与从其它电池测量和生成的奈奎斯特图进行比较时，可以更容易且清楚地执行比较。此外，根据该实施方式，相对于奈奎斯特图，可以更清楚地比较和分析围绕拐点的形式。
78.另外，处理器300可以被配置为将以所提取的拐点为中心的大至第一预定频率的频率与小至第二预定频率的频率之间的频率区域的阻抗测量值与阻抗参考值进行比较。具体地，在奈奎斯特图中，每个频率的阻抗测量值由阻抗点指示。因此，处理器300可以被配置为从拐点起在高频方向和/或低频方向上搜索预定数量的阻抗点，并且将找到的阻抗点的阻抗测量值与阻抗参考值进行比较。
79.这里，第一预定频率和第二预定频率可以被配置为彼此相同。即，处理器300可以被配置为以所提取的拐点为中心在高频方向和低频方向上搜索相同数量的阻抗点。
80.例如，在图4的实施方式中，处理器300可以被配置为分别在拐点周围f13的低频方向和高频方向上搜索两个阻抗点，并且将搜索到的阻抗点的阻抗测量值与阻抗参考值进行比较。即，处理器300可以将从拐点f13起的低频方向(右方向)上的两个点f14和f15以及从拐点f13起的高频方向(左方向)上的两个点f11和f12的阻抗测量值与对应于与每个阻抗点的频率相同的频率的阻抗参考值进行比较。
81.根据本公开的该配置，通过将远离原点的不同测量点的频率信息和阻抗测量值连同原点的频率信息一起分析，可以更清楚地弄清目标电池在拐点周围的阻抗特性。
82.另外，处理器300可以被配置为通过使用目标电池的阻抗测量值的大小和角度来诊断目标电池。将参考图5对此进行更详细的描述。
83.图5是示意性示出了根据本公开的实施方式的阻抗测量值的大小和角度的图。
84.更具体地，图5可以被视为图4的奈奎斯特图基于水平轴(z实部)垂直反转使得阻抗的正虚部(+zimag)位于上部部分处的图。即，在图4中，阻抗的负虚部(-zimag)被示出为位于第一象限和第二象限中，但在图5中，阻抗的负虚部(-zimag)被示出为位于第三象限和第四象限中。另外，图5是示出了原点周围的预定频率内的低频区域(即，仅第一象限的部分区域)的放大图。因此，在图5中，在多个阻抗点当中，仅示出了点f14和f15。
85.在图5的图中，参照从原点f13起的低频方向(右方向)上的第一点f14，其大小由r14表示并且其角度由θ14表示。在这种情况下，可以如下地计算大小r14和角度θ14。
86.r14＝(x142+y142)
1/2
87.θ14＝tan-1
(y14/x14)
88.这里，x14和y14可以分别被称为点f14处的x轴分量(阻抗的实部)和y轴分量(阻抗的虚部)。另外，以这种方式，处理器300可以计算作为从原点f13起在低频方向上的第二点的点f15的大小(r15)和角度(θ15)。
89.另外，虽然在图中未示出，但处理器300可以以类似的方式计算从原点f13起在高频方向(左方向)上的第一点和第二点的大小和角度。
90.在该实施方式中，存储器模块200可以存储阻抗的大小和角度作为对应于多个频率的阻抗参考值。即，还可以存储每个阻抗参考值的大小和角度，以便处理器300将其与阻抗测量值的大小和角度进行比较。
91.图6是示出了根据本公开的实施方式的存储在存储器模块200中的阻抗参考值数
据的部分的图。
92.参照图6，存储器模块200存储与多个频率(2.154hz、1.468hz、1hz、0.681hz、0.464hz)中的每一个频率对应的阻抗参考值。具体地，存储在存储器模块200中的阻抗参考值具有每个频率的阻抗的大小和角度。例如，在图6中，与1.468hz频率对应的阻抗参考值的大小和角度可以分别为0.39mω和-141.7
°
。另外，与0.681hz频率对应的阻抗参考值的大小和角度可以分别为0.29mω和-38.3
°
。
93.具体地，存储器模块200可以基于特定频率是原点的情况来存储其周围的预定频率的阻抗参考值的大小和角度。例如，如图6中所示，当1hz的频率点是原点时，存储器模块200可以存储周围频率(0.681hz、0.464hz、1.468hz、2.154hz)中的每一个频率的阻抗参考值的大小和角度。
94.在该实施方式中，处理器300可以针对相同频率，将目标电池的阻抗测量值的大小和角度与存储在存储器模块200中的阻抗参考值的大小和角度彼此比较。另外，处理器300可以根据大小和角度的比较结果来诊断电池。
95.具体地，相对于阻抗测量值，处理器300可以被配置为比较其原点具有相同频率的阻抗参考值。例如，图6中示出的阻抗参考值被设置为使得原点具有1hz频率。此时，在图4的实施方式中，当作为拐点的由f13指示的点是对应于1hz频率的点时，处理器300可以通过将图4的实施方式的阻抗测量值与图6的实施方式的阻抗参考值彼此比较来诊断目标电池。
96.更具体地，在图4的实施方式中，由f11、f12、f14和f15指示的点可以是分别对应于2.154hz、1.468hz、0.681hz和0.464hz频率的点。在这种情况下，处理器300可以获得f11、f12、f14、f15中的每个点的阻抗测量值的大小和角度，并且将所获得的每个点的大小和角度与阻抗参考值的大小和角度进行比较，如图6中所示。这里，可以如图5的实施方式中所描述地获得每个点处的阻抗测量值的大小和角度。
97.此外，在与由阻抗测量模块100施加的ac电压的各种频率对应的每个频率处，存储器模块200可以存储阻抗大小和阻抗角度作为对应于频率的阻抗参考值。具体地，对于当阻抗测量模块100测量目标电池的阻抗时可用的所有频率，存储器模块200可以预先存储对应于每个频率的阻抗参考值。例如，当阻抗测量模块100被设置为通过在改变像2.154hz、1.468hz、1hz、0.681hz、0.464hz、
…
的频率的同时施加ac电压来测量阻抗时，存储器模块200可以预先存储与所设置的阻抗测量模块100的频率相同的频率(2.154hz、1.468hz、1hz、0.681hz、0.464hz、
…
)中的每一个频率对应的阻抗参考值。
98.另选地，阻抗测量模块100可以被配置为根据当施加ac电压时预先存储在存储器模块200中的频率来改变频率。例如，如果阻抗参考值以图6中示出的形式预先存储在存储器模块200中，则阻抗测量模块100可以被配置为在改变像2.154hz、1.468hz、1hz、0.681hz和0.464hz的频率的同时施加ac电压，并且获得每个频率的阻抗测量值。
99.另外，在图6的实施方式中，例示了以原点是1hz的情况为中心的阻抗参考值的形式，但原点可以不是1hz。因此，存储器模块200不仅可以将阻抗参考值以图6中示出的形式存储，而且还可以包括除原点是1hz的情况以外的各种情况的数据。例如，对于原点是0.681hz或1.468hz的情况，存储器模块200可以存储与周围频率点的阻抗参考值的大小和角度有关的数据。在这种情况下，根据所提取的拐点的频率，处理器300可以从存储器模块200获得适合其的阻抗参考值数据，并且将所获得的阻抗参考值数据与阻抗测量值进行比
较。
100.存储器模块200可以存储针对多个电池等级中的每一个等级分类的每个频率的阻抗参考值。将参考图7对此进行更详细的描述。
101.图7是示出了根据本公开的另一实施方式的存储在存储器模块200中的阻抗参考值数据的一部分的图。关于图7，将详细描述与图6的实施方式不同的特征。
102.参照图7，存储器模块200可以将每个频率的阻抗参考值以表格的形式存储，例如，存储在多个表中。在这种情况下，每个表可以被称为与不同电池等级中的每一个等级对应的每个频率组的阻抗参考值。
103.更具体地，存储器模块200可以将电池的等级分类为等级1、等级2和等级3的三个等级，并且针对每个电池等级，存储每个频率组的阻抗参考值。这里，对于每个电池等级，频率可以被设置为相同，并且每个电池等级的阻抗参考值可以具有不同的大小和角度。
104.在该配置中，处理器300可以被配置为将目标电池的阻抗测量值与存储在存储器模块200中的电池等级匹配。另外，处理器300可以被配置为根据匹配结果对目标电池的等级进行分类。
105.具体地，处理器300可以在存储在存储器模块200中的多个电池等级的阻抗参考值组当中搜索与目标电池的阻抗测量值相同或最相近的阻抗参考值组，并且标识与其对应的电池等级。另外，可以通过使用以这种方式标识的电池等级对目标电池的等级进行分类。例如，当确定目标电池的阻抗测量值的大小和角度与被设置为图7的等级1的阻抗参考值组的大小和角度最相近时，处理器300可以将目标电池的等级分类为等级1。此外，当确定目标电池的阻抗测量值的大小和角度与被设置为图7的等级2或等级3的阻抗参考值组的大小和角度最相近时，处理器300可以将目标电池的等级分类为等级2或等级3。
106.根据本公开的该配置，可以有效地对目标电池的等级进行分类。具体地，根据本公开的该配置，当电池将要被重新使用时，电池可以以相对简单且清晰的方式根据等级来分类，从而可以在确定电池的可重新使用性、使用、销售价格等方面是有用的。例如，根据本公开的该实施方式，对于针对电动车辆而言其寿命结束的锂离子电池组，以上配置可以用于判断电池组的使用、剩余寿命、性能等。
107.在该实施方式中，对于用于确定阻抗测量值与阻抗参考值是否相同或相近的配置，可以采用在提交本技术时已知的各种数据匹配技术。另外，在本公开中，可以使用各种方法作为用于确定阻抗测量值与阻抗参考值是否匹配的配置，并且本公开不受任何具体确定方法的限制。
108.具体地，处理器300可以被配置为根据目标电池的等级来确定目标电池的健康状态(soh)。例如，在图7的实施方式中，对应于等级1的soh可以是80％，对应于等级2的soh可以是75％，并且对应于等级3的soh可以是70％。在这种情况下，处理器300可以通过确定与阻抗测量值最相近的阻抗参考值的等级来估计目标电池的soh。如果确定目标电池的阻抗测量值与等级2的阻抗参考值组最相近，则处理器300可以将目标电池的soh估计为对应于等级2的75％。根据该实施方式，处理器300可以容易地弄清目标电池的soh。
109.此外，在图7的实施方式中，仅例示了三个电池等级，但这仅仅是为了便于描述，并且存储器模块200可以针对四个或更多个电池等级中的每一个等级，存储每个频率的阻抗参考值。具体地，由于电池等级被细分为非常大的数量，因此可以更准确地诊断目标电池并
将其分类为各种等级。例如，存储器模块200可以将从100％至0％的soh以2.5％的间隔分类，并且针对每个分类的soh，分别存储每个频率组的阻抗参考值。
110.另外，在图6和图7的实施方式中，已经例示了基于针对1hz频率的阻抗点，分别在高频方向和低频方向上搜索和比较两个阻抗点。然而，基于原点比较阻抗点的次数仅仅是示例，并且本公开不限制该次数的具体示例。例如，基于原点，可以配置分别在高频方向和低频方向上比较三个或四个阻抗点。
111.如果生成目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图，则处理器300可以被配置为提取所生成的奈奎斯特图中的抗电荷转移区域因抗扩散区域而弯曲的点作为拐点。将参考图8对此进行更详细的描述。
112.图8是示出了根据本公开的实施方式生成的奈奎斯特图的图，其中，根据影响阻抗的因素的类型对每个区域进行分类。在图8中，基本特征与图3相同，因此将详细描述不同的特征。
113.参照图8，针对影响电池阻抗的每个因素，eis奈奎斯特图可以被划分为四个区域e1、e2、e3、e4。首先，e1区域是最高频率区域，并且可以主要由目标电池内部的电解液电阻来确定。接下来，e2区域是与e1区域相比频率更低但是与e3区域相比频率更高的区域，并且可以是主要受在目标电池的电极颗粒表面上形成的sei(固体电解液界面)等影响的区域。另外，e3区域是与e2区域相比频率更低的区域，并且可以是主要受目标电池的电荷转移影响的区域。具体地，可以通过在目标电池的电极材料界面处的li离子氧化和还原反应来确定e3区域。e3区域可以被视为抗电荷转移区域。最后，e4区域是最低频带，并且可以是主要受扩散影响的区域。具体地，可以通过层间插入到目标电池中的晶粒晶体结构中的化学扩散来确定e4区域。e4区域可以被视为抗扩散区域。存储器模块200可以预先存储关于这四个区域的信息，例如，频率信息范围。
114.处理器300可以被配置为搜索四个区域当中的抗电荷转移区域e3中的拐点。具体地，在eis奈奎斯特图中，抗电荷转移区域e3可能因抗扩散区域e4而弯曲。处理器300可以提取如上所述的抗电荷转移区域e3因抗扩散区域e4而弯曲的点作为拐点。此外，在奈奎斯特图中，可能存在两个或更多个拐点。在这种情况下，处理器300可以提取两个或更多个拐点当中的抗电荷转移区域e3因抗扩散区域e4而弯曲的点，并且通过使用以这种方式提取的拐点来诊断电池或进行电池等级分类。
115.例如，在图4的奈奎斯特图中，处理器300可以提取点f13作为抗电荷转移区域e3因抗扩散区域e4而弯曲的点。另外，处理器300可以通过使用f13点作为最终拐点来诊断目标电池。
116.根据本公开的该配置，当使用eis数据诊断目标电池时，可以通过使用低频区域而非高频区域来提高电池诊断的准确性。具体地，诸如图8的区域e1这样的高频区域可以是受测量探针的电感或电阻分量影响大的区域。因此，当使用受e1区域严重影响的部分或e1区域内的拐点时，偏差可能严重并且准确性可能降低。然而，根据以上实施方式，分析作为不被e1区域显著影响的低频区域的e3和e4区域的数据，并且可以通过该数据诊断电池。因此，在这种情况下，可以使测量探针的电感分量和电阻分量的影响最小化，因此可以进一步提高电池诊断的准确性。
117.另外，处理器300可以被配置为通过相对于所生成的奈奎斯特图在从低频区域到
高频区域的方向上搜索来提取拐点。例如，在图8的实施方式中，如由箭头a2指示的，处理器300可以被配置为在从奈奎斯特图的右侧部分上的预定点起在向左的方向上移动的同时搜索拐点。即，处理器300可以被配置为在eis奈奎斯特图中从低频区域移动到高频区域的同时提取拐点。
118.具体地，处理器300可以在从低频区域移动到高频区域的同时搜索拐点，并且提取在它们当中搜索到的第一个拐点。另外，处理器300可以通过使用以这种方式搜索到的第一个拐点来执行上述的电池诊断过程。在奈奎斯特图中，图8的由e3和e4指示的抗电荷转移区域和抗扩散区域可以存在于低频区域中。因此，在低频区域中搜索到的第一个拐点可以被视为抗电荷转移区域因抗扩散区域而弯曲的点。
119.因此，根据该实施方式，容易弄清抗电荷转移区域因抗扩散区域而弯曲的点。
120.将参考图9更详细地描述拐点提取配置。
121.图9是示意性示出了根据本公开的实施方式的由处理器300提取拐点的配置的图。具体地，图9可以被视为图8的区域e3的放大图线。
122.参照图9，处理器300可以通过比较和分析在频率逐渐增加的方向上的倾斜度来搜索拐点，如由eis奈奎斯特图中的箭头指示的。
123.更具体地，可以如下地计算在每个频率测量的阻抗点的倾斜度。
124.倾斜度＝(eisi[i+1]-eisi[i])/(eisr[i+1]-eisr[i])
[0125]
这里，可以看出，eisi[i]意指阻抗点i的虚部，并且eisr[i]意指阻抗点i的实部。
[0126]
例如，在图9的实施方式中，处理器300可以如下地计算阻抗点f24与阻抗点f25之间的倾斜度c。
[0127]
倾斜度c＝(eisi[f25]-eisi[f24])/(eisr[f25]-eisr[f24])
[0128]
另外，以这种方式，处理器300可以获得点之间(例如，f23与f24之间、f22与f23之间、f21与f22之间等)的倾斜度。另外，处理器300可以将每个阻抗点之间的倾斜度的大小(绝对值)在箭头方向(高频方向)上逐渐增大然后再减小的点提取为拐点。
[0129]
例如，在图9的实施方式中，当奈奎斯特图的倾斜度的大小(绝对值)从点f28逐渐增大至点f23并且从点f23减小时，处理器300可以提取点f23作为拐点。即，处理器300可以提取倾斜度的绝对值增大然后减小的点作为拐点。另选地，处理器300可以比较在沿着奈奎斯特图在高频方向上移动时的倾斜度变化，并且提取倾斜度从正(+)变为负(-)的第一个点作为拐点。具体地，拐点可以被视为奈奎斯特图中的抗电荷转移区域因抗扩散区域而弯曲的点。在这种情况下，可以容易地提取用于进行电池诊断或分类的拐点。
[0130]
在该实施方式中，处理器300可以预先获得与奈奎斯特图中的开始搜索拐点的点有关的信息。例如，存储器模块200可以预先存储与拐点搜索开始点对应的阻抗点信息，并且处理器300可以通过在提取拐点之前访问存储器模块200来标识阻抗点信息。另外，基于如上所述通过存储器模块200标识的阻抗点信息，处理器300可以被配置为从对应点搜索拐点。
[0131]
例如，在图9的实施方式中，存储器模块200可以预先存储点f27作为用于开始拐点搜索的阻抗点。然后，处理器300可以从存储器模块200标识该信息，并且搜索在从点f27至点f26、f25、f24、
…
的方向上的拐点。
[0132]
这里，拐点搜索开始点的阻抗点信息可以是频率信息。例如，存储器模块200可以
预先存储与图9的实施方式中的点f27对应的频率信息。在这种情况下，处理器300可以确定阻抗图从与点f27对应的频率逐渐到更高频率方向的倾斜度，并且提取拐点。
[0133]
另选地，拐点搜索开始点的阻抗点信息可以是与阻抗的实部对应的信息。例如，存储器模块200可以预先存储点f27的阻抗的实部信息。
[0134]
另选地，处理器300可以自行地确定而不是从存储器模块200获得与拐点搜索开始点有关的信息。具体地，处理器300可以在奈奎斯特图中在从低频部分移动到高频方向的同时标识最小点和最大点。另外，处理器300可以被配置为提取如上所述标识的最小点与最大点之间的拐点。
[0135]
例如，参见图8中例示的实施方式，处理器300可以标识奈奎斯特图中的作为最小点的部分d1和作为最大点的部分d2。另外，处理器300可以被配置为提取如上所述标识的最小点d1与最大点d2之间的区域中的拐点。
[0136]
在这种情况下，可以在奈奎斯特图中容易地标识抗电荷转移区域因抗扩散区域而弯曲的点。
[0137]
此外，在eis奈奎斯特图中，可以存在两个或更多个最大点和/或最小点。在这种情况下，通过使用多个最大点和/或多个最小点当中的具有最低频率的最大点和/或最小点，处理器300可以提取其间存在的拐点。即，在图8的实施方式中，处理器300在由箭头a2指示的方向上移动的同时，检查奈奎斯特图的最小点和最大点，但可以提取存在于首先标识的最小点与最大点之间的拐点，并且使用所提取的拐点来诊断电池。
[0138]
另外，存储器模块200可以预先存储与拐点有关的初步频率信息。这里，与拐点有关的初步频率信息可以是与估计存在拐点的频率有关的信息。具体地，存储器模块200可以预先存储与估计存在拐点的频率范围有关的信息作为初步频率信息。
[0139]
例如，存储器模块200可以预先存储0.4hz至2.2hz的初步频率范围作为估计存在拐点的频率信息。在这种情况下，处理器300可以被配置为首先搜索0.4hz至2.2hz的初步频率范围内的拐点。
[0140]
根据本公开的该配置，可以减小当处理器300提取拐点时的搜索范围。因此，在这种情况下，可以提高处理器300的拐点提取率，并且可以减少提取过程中的计算负荷。
[0141]
此外，存储器模块200可以将初步频率信息分多级存储。在这种情况下，处理器300可以顺序地使用分多级存储的初步频率信息。在这种情况下，在分多级存储的初步频率信息当中，排序可以是预定的。另外，处理器300可以首先从分多级存储的初步频率信息中搜索优先顺序的频率信息，然后，如果没有从搜索到的优先顺序的初步频率信息中提取拐点，则处理器300可以被配置为搜索接下来顺序的初步频率信息。
[0142]
例如，存储器模块200可以存储主要初步频率信息、第二初步频率信息和第三初步频率信息。在这种情况下，主要初步频率信息可以具有最高优先级，并且第三初步频率信息可以具有最低优先级。在这种情况下，处理器300可以参考主要初步频率信息首先提取对应范围内的拐点。另外，如果没有从主要初步频率信息中提取拐点，则可以参考第二初步频率信息在对应范围内提取拐点。另外，如果甚至在此时也没有提取拐点，则可以参考第三初步频率信息提取拐点。
[0143]
根据本公开的该配置，可以进一步提高拐点提取率和效率。
[0144]
存储器模块200可以存储与拐点有关的初步频率信息，以根据施加到电池的ac电
压的大小进行分类。即，当阻抗测量模块100在向目标电池施加ac电压的同时根据频率的变化测量阻抗时，初步频率信息可以被配置为根据所施加的ac电压的大小而变化。
[0145]
例如，当阻抗测量模块100在施加0.5v的ac电压的同时测量目标电池的阻抗时，存储器模块200可以将初步频率信息存储为fp1。另外，当阻抗测量模块100在施加0.7v的ac电压的同时测量目标电池的阻抗时，存储器模块200可以将初步频率信息存储为fp2。在这种情况下，fp1和fp2可以被设置为不同的频率值或不同的频率范围。
[0146]
根据本公开的该配置，当处理器300使用存储在存储器模块200中的初步频率信息提取拐点时，可以更有效地提取拐点。具体地，eis奈奎斯特图的形式可以根据所施加电压的大小而变化。因此，根据以上实施方式，可以通过在考虑到根据所施加电压的大小的形式变化的情况下提供合适的初步频率信息来高效地提取拐点。
[0147]
根据本公开的电池诊断设备可以应用于电池组。即，根据本公开的电池组可以包括上述的根据本公开的电池诊断设备。另外，除了根据本公开的电池诊断设备之外，根据本公开的电池组还可以包括诸如一个或更多个二次电池、bms(电池管理系统)、电流传感器、继电器、保险丝、电池组壳体等这样的电池组中通常所包括的部件。在这种情况下，电池组中所包括的二次电池可以是由根据本公开的电池诊断设备诊断的目标，即，目标电池。另外，根据本公开的电池诊断设备的至少一些部件可以被实现为电池组中所包括的常规部件。例如，根据本公开的电池诊断设备的处理器300的至少一些功能或操作可以由电池组中所包括的bms来实现。
[0148]
另外，根据本公开的电池诊断设备可以应用于能量存储系统(ess)。即，根据本公开的能量存储系统可以包括上述的根据本公开的电池诊断设备。具体地，由于能量存储系统不需要像电动车辆一样高的输出，因此它可以是用于回收已经在电动车辆中使用过的电池组(废电池)直到其使用寿命结束的代表性应用。能量存储系统可以通过在安装废电池之前使用根据本公开的电池诊断技术，在诊断电池或进行电池等级分类之后确定是否安装或利用电池。
[0149]
图10是示意性示出了根据本公开的实施方式的电池诊断方法的流程图。在图10中，每个步骤可以由上述电池诊断设备的各部件执行。
[0150]
参照图10，根据本公开的电池诊断方法可以包括阻抗参考值存储步骤(s110)、阻抗测量步骤(s120)、奈奎斯特图生成步骤(s130)、拐点提取步骤(s140)、比较步骤(s150)和诊断步骤(s160)。
[0151]
步骤s110是存储每个频率的阻抗参考值的步骤。例如，步骤s110可以通过预测试来存储如图6或图7中所示的阻抗参考值信息。
[0152]
步骤s120是在向目标电池施加ac电压的同时根据频率的变化来测量阻抗的步骤。步骤s130是生成用于在步骤s120中测量的目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图的步骤。例如，通过步骤s130，可以生成如图3中所示的奈奎斯特图。
[0153]
步骤s140是从在步骤s130中生成的奈奎斯特图中提取拐点的步骤。例如，在步骤s140中，如在图9的实施方式中描述的，可以提取奈奎斯特图的拐点。
[0154]
步骤s150是将以在步骤s140中提取的拐点为中心的预定频率范围内的值与在步骤s110中存储的每个频率的阻抗参考值进行比较的步骤。
[0155]
另外，步骤s160是基于在步骤s150中比较的结果来诊断目标电池的步骤。例如，通
过步骤s160，可以对目标电池的等级进行分类。
[0156]
对于根据本公开的电池诊断方法，相对于电池诊断设备描述的特征可以以相同或相近的方式应用，并且将不进行详细描述。
[0157]
已详细地描述了本公开。然而，应该理解，详细说明和具体示例尽管指示了本公开的优选实施方式但是仅以例示的方式给出，这是因为从该详细说明本领域技术人员将清楚在本公开的范围内的各种改变和修改。
[0158]
[附图标记]
[0159]
100：阻抗测量模块
[0160]
200：存储器模块
[0161]
300：处理器

技术特征：
1.一种电池诊断设备，该电池诊断设备包括：阻抗测量模块，所述阻抗测量模块被配置为在向目标电池施加ac电压的同时根据频率的变化来测量阻抗；存储器模块，所述存储器模块被配置为存储每个频率的阻抗参考值；以及处理器，所述处理器被配置为生成由所述阻抗测量模块测量的所述目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图，从所生成的奈奎斯特图中提取拐点，并且将以所提取的拐点为中心的预定频率范围内的值与存储在所述存储器模块中的每个频率的阻抗参考值进行比较，以诊断所述目标电池。2.根据权利要求1所述的电池诊断设备，其中，所述处理器被配置为将所生成的奈奎斯特图移位，使得所提取的拐点成为原点，并且在移位状态下与每个频率的所述阻抗参考值进行比较。3.根据权利要求1所述的电池诊断设备，其中，所述处理器被配置为使用所述目标电池的阻抗测量值的大小和角度来诊断所述目标电池。4.根据权利要求1所述的电池诊断设备，其中，所述存储器模块被配置为存储要被分类为多个电池等级中的每一个电池等级的每个频率的阻抗参考值，并且所述处理器被配置为通过将所述目标电池的阻抗测量值与存储在所述存储器模块中的电池等级匹配来对所述目标电池的等级进行分类。5.根据权利要求1所述的电池诊断设备，其中，所述处理器被配置为提取抗电荷转移区域因抗扩散区域而弯曲的点作为所生成的奈奎斯特图中的拐点。6.根据权利要求5所述的电池诊断设备，其中，所述处理器被配置为通过从低频区域到高频区域搜索所生成的奈奎斯特图来提取所述拐点。7.根据权利要求1所述的电池诊断设备，其中，所述存储器模块被配置为预先存储所述拐点的初步频率信息。8.一种电池组，该电池组包括根据权利要求1至7中任一项所述的电池诊断设备。9.一种能量存储系统，该能量存储系统包括根据权利要求1至7中任一项所述的电池诊断设备。10.一种电池诊断方法，该电池诊断方法包括以下步骤：存储每个频率的阻抗参考值；在向目标电池施加ac电压的同时根据频率的变化来测量阻抗；生成在所述测量步骤中测量的所述目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图；从所述生成步骤中生成的所述奈奎斯特图中提取拐点；将以在所述提取步骤中提取的拐点为中心的预定频率范围内的阻抗测量值与在所述存储步骤中存储的每个频率的阻抗参考值进行比较；以及基于所述比较步骤的比较结果来诊断所述目标电池。

技术总结
在本发明中公开了一种能够通过使用奈奎斯特图线以高准确性诊断电池的技术。根据本发明的一方面的一种电池诊断设备包括：阻抗测量模块，所述阻抗测量模块被配置为在向目标电池施加AC电压的同时根据频率变化来测量阻抗；存储器模块，所述存储器模块存储特定频率的阻抗参考值；以及处理器，所述处理器被配置为生成由所述阻抗测量模块测量的所述目标电池的阻抗测量值的奈奎斯特图线，从所生成的奈奎斯特图线中提取拐点，并且通过将基于所提取的拐点的预定频率范围内的值与存储在所述存储器模块中的特定频率的阻抗参考值进行比较来诊断所述目标电池。所述目标电池。所述目标电池。


技术研发人员：朴俊哲
受保护的技术使用者：株式会社LG新能源
技术研发日：2021.10.07
技术公布日：2023/7/22