CN103412264A - 蓄电池组内单体电池一致性的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，包括以下步骤，A）记录蓄电池组一个完整的充放电过程的测试数据；B）通过统计方法，得到蓄电池组性能差异的定量表达；C）通过蓄电池组性能差异的定量表达，评价单体电池之间的一致性。本发明的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，能够快速有效的评估蓄电池组内单体电池一致性，广泛应用于蓄电池管理系统及维护系统，作为蓄电池的配组策略或依据，为专业检测机构或蓄电池生产制造商提供有效检测、评估各类蓄电池电气性能一致性的方法和手段，具有良好的应用前景。

Description

蓄电池组内单体电池一致性的评价方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，属于测试计量技术领域。

背景技术

随着新能源并网消纳规模的不断扩大和所占能源比重的持续提升，新能源、智能电网和储能技术的深度融合将助推能源供应模式的升级和变革。然而，新能源并网、智能电网和电动汽车三大新兴产业发展瓶颈都指向了同一项技术就是储能技术，也即通过蓄电池进行电化学储能的技术，蓄电池测试技术是制约蓄电池技术发展的一个重要因素，如何评价蓄电池内单体电池一致性并进行配组是蓄电池测试技术的重要内容，是当前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的克服现有技术中还没有一种评价蓄电池内单体电池一致性的方法，以用于蓄电池测试，制约蓄电池技术发展，本发明的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，能够快速有效的评估蓄电池组内单体电池一致性，广泛应用于蓄电池管理系统及维护系统，作为蓄电池的配组策略或依据，为专业检测机构或蓄电池生产制造商提供有效检测、评估各类蓄电池电气性能一致性的方法和手段，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：以蓄电池组一个完整的充放电过程的测试数据作为分析依据，包括以下步骤，

步骤（A），测试蓄电池组一个完整的充放电过程的蓄电池组的容量、各单体电池的电压曲线U_i(t)和蓄电池组的充电电流曲线I(t)，其中i＝1,...,n为蓄电池组内单体电池的数量；

步骤（B），对各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)进行分析，计算得到蓄电池组性能差异的定量表达；

步骤（C），通过统计蓄电池组性能差异的定量表达，评价给定指标的单体电池之间的一致性。

前述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（A）测试蓄电池组一个完整的充放电过程的蓄电池组的容量、各单体电池的电压曲线U_i(t)和蓄电池组的充电电流曲线I(t)的三组数据为稳态至充电或放电截止条件的全过程数据。

前述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（A）测试蓄电池组一个完整的充放电过程的蓄电池组的容量，根据公式（1）得到，

$C_{\mathrm{Batteries}}=\underset{t_0}{\overset{t_s}{\∫}}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，C_Batteries为蓄电池组的容量，i(t)为t时刻成组电池的充电或放电电流，t₀为充电或放电的起始时刻，t_s为充电或放电的截止时刻。

前述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（A）测试蓄电池组一个完整的充放电过程的各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)为同步数据，蓄电池组的总电压曲线U(t)与各单体电池的电压曲线U_i(t)满足公式（2），

$U\left(t\right)={\∑}_{i=1}^n{U}_i\left(t\right)---\left(2\right)$

蓄电池组的充电电流曲线I(t)与各单体电池的电压曲线U_i(t)的测试数据为时间序列I(m)和时间序列U_i(m)，m为在实际充电或放电过程中对单体电池电压、电流进行等时间间隔采样的采样点数，对于由n支单体电池组成的子样本空间，蓄电池组的总电压U采用矩阵形式表示为公式（3），

前述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（B）对各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)进行分析，计算得到蓄电池组性能差异的定量表达的方法为，

（B1），任意选择两支单体电池k#、l#，根据公式（4），计算两支单体电池k#、l#的充电或放电电压曲线间的Pearson相关性系数γ_kl，

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{kl}}=\frac{\mathrm{COV}(U_k,U_l)}{\sqrt{{\mathrm{DU}}_k}\·\sqrt{{\mathrm{DU}}_l}}---\left(4\right)$

其中，U_k、U_l分别为k#单体电池和l#单体电池的充电或放电电压曲线，D为求解对应参数的标准差；

（B2），根据公式（4），得到蓄电池组各单体电池之间的Pearson相关系数矩阵γ，

其中，在数值上，γ_jn＝γ_nj，γ_jj＝1，蓄电池组各单体电池之间的Pearson相关系数矩阵γ为蓄电池组性能差异的定量表达。

前述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（C），通过统计蓄电池组性能差异的定量表达，评价给定指标的单体电池之间的一致性的方法为，

（C1），在蓄电池组性能差异的定量表达的基础上引入无量纲参数α_i、β_i，使α_i、β_i分别为公式（5）、（6），

α_i＝E(γ_ij)   （5）

${\mathrm{\β}}_i=\sqrt{D{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}}---\left(6\right)$

其中，D为求解对应参数的标准差，无量纲参数α_i为第i#单体电池与其他电池相关性差异的平均水准，无量纲参数β_i为第i#单体电池与其他电池相关性差异的偏离程度；

（C2）根据无量纲参数α_i的值，评价单体电池之间一致性，并根据无量纲参数β_i的值，辅助评价单体电池之间一致性。

前述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：（C2）根据无量纲参数α_i、β_i的值，评价单体电池之间一致性的方法为，

（1）当α_i≥0.8时，两支单体电池之间电气特性高度相关，一致性较好，同时β_i数值较小者，优先配组，推荐配组，β_i数值越小，表明第i#单体电池与其他单体电池的相关性系数聚拢性越好；

（2）当0.5≤α_i＜0.8时，两支单体电池之间电气特性中度相关，一致性较差，不推荐配组；

（3）当0.3≤α_i＜0.5时，两支单体电池之间电气特性低度相关，不具备配组的基本条件，需要更换两支单体电池；

（4）当α_i＜0.3时，两支单体电池之间电气特性相关程度极弱，为不相关，必须更换两支单体电池。

前述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：无量纲参数α_i评价的相应边界值，根据实际需求提高或降低。

本发明的有益效果是：本发明的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，能够快速有效的评估蓄电池组内单体电池一致性，广泛应用于蓄电池管理系统及维护系统，作为蓄电池的配组策略或依据，为专业检测机构或蓄电池生产制造商提供有效检测、评估各类蓄电池电气性能一致性的方法和手段，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的蓄电池组的测试数据的系统框图。

图2是本发明的实施例的各单体电池对应的电压-容量曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，以蓄电池组一个完整的充放电过程的测试数据作为分析依据，包括以下步骤，

步骤（A），如图1所示的蓄电池组的测试数据的系统框图，测试蓄电池组一个完整的充放电过程的蓄电池组的容量、各单体电池的电压曲线U_i(t)和蓄电池组的充电电流曲线I(t)，其中i＝1,...,n为蓄电池组内单体电池的数量，其中蓄电池组的容量，根据公式（1）得到，

$C_{\mathrm{Batteries}}=\underset{t_0}{\overset{t_s}{\∫}}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，C_Batteries为蓄电池组的容量，i(t)为t时刻成组电池的充电或放电电流，t₀为充电或放电的起始时刻，t_s为充电或放电的截止时刻；

各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)为同步数据，评价结果的准确性依赖于测试数据的同步和精确性，因此，应尽量保障测试数据的精度和同步，蓄电池组的总电压曲线U(t)与各单体电池的电压曲线U_i(t)满足公式（2），

$U\left(t\right)={\∑}_{i=1}^n{U}_i\left(t\right)---\left(2\right)$

蓄电池组的充电电流曲线I(t)与各单体电池的电压曲线U_i(t)的测试数据为时间序列I(m)和时间序列U_i(m)，m为在实际充电或放电过程中对单体电池电压、电流进行等时间间隔采样的采样点数，对于由n支单体电池组成的子样本空间，蓄电池组的总电压U采用矩阵形式表示为公式（3），

上述的三种测试数据是蓄电池组在充电过程中的测试数据，也可以是放电过程中的测试数据，无论何种测试数据，均要满足如下条件：

充电时的测试数据，先对蓄电池组以制造商规定的额定放电倍率进行放电，直至任一单体电池达到制造商规定的放电截止条件时停止放，静置并使其达稳态，随后对蓄电池组开始充电，直至任一单体电池达到充电的截止条件，那么，蓄电池组的测试数据包括从稳态至充电结束全过程的数据；

放电时的测试数据：先对蓄电池组以制造商规定的额定放电倍率进行充电，直至任一单体电池达到制造商规定的截止条件时停止充电，静置并使其达稳态，随后对蓄电池组开始放电，直至任一单体电池达到放电的截止条件，那么，蓄电池组的测试数据包括从稳态至放电结束全过程的数据；

测试数据为各单体电池电压及充电电流的实时值，为实时数据；

步骤（B），对各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)进行分析，计算得到蓄电池组性能差异的定量表达，具体方法为，

（B1），任意选择两支单体电池k#、l#，根据公式（4），计算两支单体电池k#、l#的充电或放电电压曲线间的Pearson相关性系数γ_kl，

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{kl}}=\frac{\mathrm{COV}(U_k,U_l)}{\sqrt{{\mathrm{DU}}_k}\·\sqrt{{\mathrm{DU}}_l}}---\left(4\right)$

其中，U_k、U_l分别为k#单体电池和l#单体电池的充电或放电电压曲线，D为求解对应参数的标准差；

（B2），根据公式（4），得到蓄电池组各单体电池之间的Pearson相关系数矩阵γ，

其中，在数值上，γ_jn＝γ_nj，γ_jj＝1，蓄电池组各单体电池之间的Pearson相关系数矩阵γ为蓄电池组性能差异的定量表达；

步骤（C），通过统计蓄电池组性能差异的定量表达，评价给定指标的单体电池之间的一致性，具体方法为，

（C1），在蓄电池组性能差异的定量表达的基础上引入无量纲参数α_i、β_i，使α_i、β_i分别为公式（5）、（6），

α_i＝E(γ_ij)   （5）

${\mathrm{\β}}_i=\sqrt{D{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}}---\left(6\right)$

其中，D为求解对应参数的标准差，无量纲参数α_i为第i#单体电池与其他电池相关性差异的平均水准，无量纲参数β_i为第i#单体电池与其他电池相关性差异的偏离程度；

（C2）根据无量纲参数α_i的值，评价单体电池之间一致性，并根据无量纲参数β_i的值，辅助评价单体电池之间一致性，

（1）当α_i≥0.8时，两支单体电池之间电气特性高度相关，一致性较好，同时β_i数值较小者，优先配组，推荐配组，β_i数值越小，表明第i#单体电池与其他单体电池的相关性系数聚拢性越好，β_i其仅作为单体电池之间的一致性判别的辅助参数，实际应用时应与α_i配合使用；

（2）当0.5≤α_i＜0.8时，两支单体电池之间电气特性中度相关，一致性较差，不推荐配组；

（3）当0.3≤α_i＜0.5时，两支单体电池之间电气特性低度相关，不具备配组的基本条件，需要更换两支单体电池；

（4）当α_i＜0.3时，两支单体电池之间电气特性相关程度极弱，为不相关，必须更换两支单体电池。

这里的无量纲参数α_i评价的相应边界值，根据实际需求提高或降低，推荐范围如上，如若需更为严格的评价，则提高响应阈值，因情况而异。

下面介绍一下根据本发明的评价方法的一实施例，假设在附图1所示的测试系统中，由Cell1、Cell2和Cell3三支单体电池组成的蓄电池组，经过放电达到截止条件，并已处于稳态（电化学平衡态），启动蓄电池组的充电过程，按照额定充电倍率对其进行充电，直至达到充电截止条件，记录各单体电池电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)，并计算出蓄电池组的容量C_Batteries，测试数据为时间序列I(m)和时间序列U_i(m)，其中i＝1,...,3,m为充电过程中，实际电压的记录数目，即，

即，第i支的单体电池对应的单体电池电压测试数据为U_i(m)={u_i1,u_i2,…u_im}，蓄电池组的充电容量 $C_{\mathrm{Batteries}}\left(I\right)=$ ${\mathrm{\Σ}}_{k=0}^m{A}_{k}I\left(k\right),$ 其中， $A_k={\∫}_{t_0}^{t_s}{l}_k\left(t\right)\mathrm{dt},$ $l_k\left(t\right)={\mathrm{\Π}}_{\underset{j\≠k}{j=0}}^m\frac{{t-t}_j}{t_k-t_j},$

由此，可以得到对应的电压-容量曲线，如图2所示，由测试数据，计算Pearson相关系数，得到如下表1，

表1单体电池间的Pearson相关系数

即，蓄电池组各单体电池之间的Pearson相关系数矩阵γ为

这里，引入无量纲参数α_i、β_i，根据公式（5）、（6）α_i＝E(γ_ij)、计算得到各单体电池的α_i、β_i，如下表2所示，

表2单体电池α_i和β_i的值

根据无量纲参数α_i的值，评价单体电池之间一致性，并根据无量纲参数β_i的值，辅助评价单体电池之间一致性，评价如下，

由于，当α_i＞0.8时，两支电池之间电气特性高度相关，一致性较好，由上表可知，单体电池Cell3与其余2支Cell1和Cell2单体电池性能存在较大差异，因此应优选Cell1和Cell2进行配组。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (8)

1.一种蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：以蓄电池组一个完整的充放电过程的测试数据作为分析依据，包括以下步骤，

步骤（A），测试蓄电池组一个完整的充放电过程的蓄电池组的容量、各单体电池的电压曲线U_i(t)和蓄电池组的充电电流曲线I(t)，其中i＝1,...,n,n为蓄电池组内单体电池的数量；

步骤（B），对各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)进行分析，计算得到蓄电池组性能差异的定量表达；

步骤（C），通过统计蓄电池组性能差异的定量表达，评价给定指标的单体电池之间的一致性。

2.根据权利要求1所述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（A）测试蓄电池组一个完整的充放电过程的蓄电池组的容量、各单体电池的电压曲线U_i(t)和蓄电池组的充电电流曲线I(t)的三组数据为稳态至充电或放电截止条件的全过程数据。

3.根据权利要求1所述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（A）测试蓄电池组一个完整的充放电过程的蓄电池组的容量，根据公式（1）得到，

$C_{\mathrm{Batteries}}=\underset{t_0}{\overset{t_s}{\∫}}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，C_Batteries为蓄电池组的容量，i(t)为t时刻成组电池的充电或放电电流，t₀为充电或放电的起始时刻，t_s为充电或放电的截止时刻。

4.根据权利要求1所述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（A）测试蓄电池组一个完整的充放电过程的各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)为同步数据，蓄电池组的总电压曲线U(t)与各单体电池的电压曲线U_i(t)满足公式（2），

$U\left(t\right)={\∑}_{i=1}^n{U}_i\left(t\right)---\left(2\right)$

蓄电池组的充电电流曲线I(t)与各单体电池的电压曲线U_i(t)的测试数据为时间序列I(m)和时间序列U_i(m)，m为在实际充电或放电过程中对单体电池电压、电流进行等时间间隔采样的采样点数，对于由n支单体电池组成的子样本空间，蓄电池组中单体电池电压采用矩阵U表示，如公式（3）所示，

5.根据权利要求1所述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（B）对各单体电池的电压曲线U_i(t)和充电电流曲线I(t)进行分析，计算得到蓄电池组性能差异的定量表达的方法为，

（B1），任意选择两支单体电池k#、l#，根据公式（4），计算两支单体电池k#、l#的充电或放电电压曲线间的Pearson相关性系数γ_kl，

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{kl}}=\frac{\mathrm{COV}(U_k,U_l)}{\sqrt{{\mathrm{DU}}_k}\·\sqrt{{\mathrm{DU}}_l}}---\left(4\right)$

其中，U_k、U_l分别为k#单体电池和l#单体电池的充电或放电电压曲线，D为求解对应参数的标准差；

（B2），根据公式（4），得到蓄电池组各单体电池之间的Pearson相关系数矩阵γ，

其中，在数值上，γ_jn＝γ_nj，γ_jj＝1，蓄电池组各单体电池之间的Pearson相关系数矩阵γ为蓄电池组性能差异的定量表达。

6.根据权利要求1所述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：步骤（C），通过蓄电池组性能差异的定量表达，评价给定指标的单体电池之间的一致性的方法为，

（C1），在蓄电池组性能差异的定量表达的基础上引入无量纲参数α_i、β_i，使α_i、β_i分别为公式（5）、（6），

α_i＝E(γ_ij)   （5）

${\mathrm{\β}}_i=\sqrt{D{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}}---\left(6\right)$

其中，D为求解对应参数的标准差，无量纲参数α_i为第i#单体电池与其他电池相关性差异的平均水准，无量纲参数β_i为第i#单体电池与其他电池相关性差异的偏离程度；

（C2）根据无量纲参数α_i的值，评价单体电池之间一致性，并根据无量纲参数β_i的值，辅助评价单体电池之间一致性。

7.根据权利要求6所述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：（C2）根据无量纲参数α_i、β_i的值，评价单体电池之间一致性的方法为，

（1）当α_i≥0.8时，两支单体电池之间电气特性高度相关，一致性较好，同时β_i数值较小者，优先配组，推荐配组，β_i数值越小，表明第i#单体电池与其他单体电池的相关性系数聚拢性越好；

（2）当0.5≤α_i＜0.8时，两支单体电池之间电气特性中度相关，一致性较差，不推荐配组；

（3）当0.3≤α_i＜0.5时，两支单体电池之间电气特性低度相关，不具备配组的基本条件，需要更换两支单体电池；

（4）当α_i＜0.3时，两支单体电池之间电气特性相关程度极弱，为不相关，必须更换两支单体电池。

8.根据权利要求7所述的蓄电池组内单体电池一致性的评价方法，其特征在于：无量纲参数α_i评价的相应边界值，根据实际需求提高或降低。

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