CN104866872B - 多特征参数的电池等量分组方法 - Google Patents

Abstract

多特征参数的电池等量分组方法，属于动力电池成组应用领域。解决了现有电池分组方法不适合多个特征参数对电池进行分组的问题。本发明先进行特征参数的提取，采用粗大误差处理理论中的莱以特准则对特征参数存在粗值的电池从n个待分组电池中剔除，统计剔除特征参数存在粗值的电池后剩余的电池的数量；对N₀个待测电池进行第一次分组；对K个电池组中的电池数量进行均等化；电池组电池个数均等化，电池组间电池交换，重新计算聚类中心，当邻两次组间交换获得的每个电池组的聚类中心的值均近似相等时，完成多特征参数的电池等量分组。本发明适用于多特征参数的电池的分组。

Description

多特征参数的电池等量分组方法

技术领域

本发明属于动力电池成组应用领域。

背景技术

当电池厂商在进行动力电池配组时，往往描述电池特性的参数不止一个，比如：电池容量、欧姆内阻、极化内阻等，这些参数从不同的方面反映了电池特性的优略，在电池分组时，这些参数都不能被忽视。这样就面临了一个问题：如何根据电池的多个特征参数对电池进行分组，保证分组后同组内电池特性尽可能相似。电池分组的目的是为了把特征相似的电池组成电池包。通常，一个厂家一种型号的电池包内电池数量是固定的。因此，在电池分组时，需要保证分组后每个电池组的电池数量均相等，并且都要等同于电池包的中电池的设计数量。若电池参数只有一个，这个问题很容易解决，可以对这个参数排序，按照设计数量将电池分开即可。然而，当有每个电池都有多个特征参数时，无法使用这种方法。

发明内容

本发明是为了解决现有电池分组方法不适合对多个特征参数电池进行分组的问题，提出了一种多特征参数的电池等量分组方法。

本发明所述的多特征参数的电池等量分组方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、n个待分组电池进行特征参数提取；n为正整数；

n个待分组电池每个电池进行电池试验，获取每个电池表征电池特性的特征参数，所述电池特性的特征参数包括电池容量、电池的欧姆内阻和电池的极化内阻参数；其中，待分组电池数量n大于N₀，N₀＝分组数K×组内电池单体数M；K和M均为正整数；

步骤二、采用粗大误差处理理论中的莱以特准则对n个待分组电池中每个电池的特征参数进行粗值判断，并将特征参数存在粗值的电池从n个待分组电池中剔除；

步骤三、统计剔除特征参数存在粗值的电池后剩余的电池的数量；

当剩余的待分组的电池的数量n＞N₀时，对剩余的电池中，对特征参数偏离特征参数均值最大的n-N₀个电池进行剔除；执行步骤四；

当剩余电池的数量n＜N₀时,向待分组电池中补充电池，使补充后的电池数量n＞N₀，返回执行步骤一；

当剩余电池的数量n＝N₀时，执行步骤四；

步骤四、对N₀个待测电池的特征参数进行归一化处理，并设定特征参数的权重，获得每个剩余的待分组电池的多维度特征点；

所述待测电池的多维度特征点的坐标为特征参数归一化并加权处理后的参数组成；

步骤五、对N₀个待测电池进行初分组；

采用聚类中心随机初始化算法对K个电池组的聚类中心进行初始化，计算每个电池的多维度特征点到K个电池组的聚类中心的距离，并根据每个电池的特征点到K个电池组的聚类中心的距离，将N₀个待测电池分到距离聚类中心最近的那个电池组中，完成电池的初分组；

步骤六、对K个电池组中的电池数量进行均等化；

根据每个电池的多维度征点到所在电池组的聚类中心的距离，对K个电池组中电池的数量进行均等化，使每个电池组中电池的个数均为M；

电池组间电池元素交换；

步骤七、随机选择K个电池组中的一组作为主电池组，其余K-1个电池组均作为从电池组；

步骤八、计算主电池组和每个从电池组的主中心向量和主近心元素，计算每个从电池组的从中心向量和从近心元素；

其中，主组C_m：

C_m是发起电池元素交换的电池组，主组的聚类中心点和电池元素i所在点分别为μ_m和x_m,i；

从组C_s：

C_s是被动接受与主组C_m进行交换的电池组，从组的聚类中心点和电池元素j所在点分别为μ_s和x_s,j；

主中心向量起点为μ_m，终点为μ_s的向量；

从中心向量起点为μ_s，终点为μ_m的向量；

主近心元素：主组中距离从组中心较近的电池；若主组内电池i与主组中心形成的向量与主中心向量满足则该主组电池i是一个主近心元素；

从近心元素：从组中距离主组中心较近的电池；若从组内电池j与从组中心形成的向量与从中心向量满足则该从组电池j是一个从组近心元素；

步骤九、当主近心电池i与从近心电池j满足公式：

||x_m,i-μ_m||²+||x_s,j-μ_s||²>||x_s,j-μ_m||²+||x_m,i-μ_s||²

时，将主近心电池i与从近心电池j进行交换，完成一次主电池组与从电池组间电池的交换；

步骤十、选择K个电池组中的一组没有作为过主电池组的电池组作为一个新的主电池组，返回执行步骤八，直至K个电池组均有一次作为主电池组，完成电池组的组间交换，执行步骤十一；

步骤十一、计算完成组间电池交换的K个电池组的聚类中心，返回执行步骤七，直至相邻两次经步骤七到十后获得的每个电池组的聚类中心的值均近似相等时，完成多特征参数的电池等量分组。

本发明采用聚类中心随机初始化算法对电池进行初分组，再利用电池的二维度征点到所在电池组的聚类中心的距离，进行电池组内电池数量的均等化，再对组间满足近心元素的电池进行交换；最终通过多次组间电池交换完成多个特征参数对电池进行分组，这样实现在分组时参考了所有电池的特证参数，实现了快速的对多特征参数的分组。

附图说明

图1为本发明所述的多特征参数的电池等量分组方法的流程图；

图2为具体实施方式四所述的95节电池容量图；

图3为具体实施方式四所述的95节电池内阻图；

图4为具体实施方式四所述的80节电池容量图；

图5为具体实施方式四所述的80节电池内阻图；

图6为具体实施方式四所述的80节电池参数归一化和加权处理后，生成的电池二维特征点图；

图7为具体实施方式四所述的80节第一次电池分组后参数效果图；

图8为具体实施方式四所述的80节电池数量均等化后参数效果图；

图9为具体实施方式四所述的80节完成一次主电池组与从电池组间电池的交换后的电池分组参数效果图；

图10为具体实施方式四所述的80节电池完成十次主电池组与从电池组间电池的交换后的电池分组参数效果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的多特征参数的电池等量分组方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、n个待分组电池进行特征参数提取；n为正整数；

n个待分组电池每个电池进行电池试验，获取每个电池表征电池特性的特征参数，所述电池特性的特征参数包括电池容量、电池的欧姆内阻和电池的极化内阻参数；其中，待分组电池数量n大于N₀，N₀＝分组数K×组内电池单体数M；K和M均为正整数；

步骤二、采用粗大误差处理理论中的莱以特准则对n个待分组电池中每个电池的特征参数进行粗值判断，并将特征参数存在粗值的电池从n个待分组电池中剔除；粗值是电池特征参数严重偏离特征参数均值的值；

步骤三、统计剔除特征参数存在粗值的电池后剩余的电池的数量；

当剩余的待分组的电池的数量n＞N₀时，对剩余的电池中，对特征参数偏离特征参数均值最大的n-N₀个电池进行剔除；执行步骤四；

当剩余电池的数量n＜N₀时,向待分组电池中补充电池，使补充后的电池数量n＞N₀，返回执行步骤一；

当剩余电池的数量n＝N₀时，执行步骤四；

步骤四、对N₀个待测电池的特征参数进行归一化处理，并设定特征参数的权重，获得每个剩余的待分组电池的多维度特征点；

所述待测电池的多维度特征点的坐标为特征参数归一化并加权处理后的参数组成；

步骤五、对N₀个待测电池进行初分组；

采用聚类中心随机初始化算法对K个电池组的聚类中心进行初始化，计算每个电池的多维度特征点到K个电池组的聚类中心的距离，并根据每个电池的特征点到K个电池组的聚类中心的距离，将N₀个待测电池分到距离聚类中心最近的那个电池组中，完成电池的初分组；

步骤六、对K个电池组中的电池数量进行均等化；

根据每个电池的多维度征点到所在电池组的聚类中心的距离，对K个电池组中电池的数量进行均等化，使每个电池组中电池的个数均为M；

电池组间电池元素交换；

步骤七、随机选择K个电池组中的一组作为主电池组，其余K-1个电池组均作为从电池组；

步骤八、计算主电池组和每个从电池组的主中心向量和主近心元素，计算每个从电池组的从中心向量和从近心元素；

其中，主组C_m：

C_m是发起电池元素交换的电池组，主组的聚类中心点和电池元素i所在点分别为μ_m和x_m,i；

从组C_s：

C_s是被动接受与主组C_m进行交换的电池组，从组的聚类中心点和电池元素j所在点分别为μ_s和x_s,j；

主中心向量起点为μ_m，终点为μ_s的向量；

从中心向量起点为μ_s，终点为μ_m的向量；

主近心元素：主组中距离从组中心较近的电池；若主组内电池i与主组中心形成的向量与主中心向量满足则该主组电池i是一个主近心元素；

从近心元素：从组中距离主组中心较近的电池；若从组内电池j与从组中心形成的向量与从中心向量满足则该从组电池j是一个从组近心元素；

步骤九、当主近心电池i与从近心电池j满足公式：

||x_m,i-μ_m||²+||x_s,j-μ_s||²>||x_s,j-μ_m||²+||x_m,i-μ_s||²

时，将主近心电池i与从近心电池j进行交换，完成一次主电池组与从电池组间电池的交换；

步骤十、选择K个电池组中的一组没有作为过主电池组的电池组作为一个新的主电池组，返回执行步骤八，直至K个电池组均有一次作为主电池组，完成电池组的组间交换，执行步骤十一；

步骤十一、计算完成组间电池交换的K个电池组的聚类中心，返回执行步骤七，直至相邻两次经步骤七到十后获得的每个电池组的聚类中心的值均近似相等时，完成多特征参数的电池等量分组。

本实施方式所述的额电池分组方法有两个特点：一是组内电池单体特性相似，二是组内电池数量均等于设计数量。本实施方式充分考虑了电池分组的这两个特点，分组结果准确可靠。其中，步骤二粗值剔除过程可以将生产过程中产生的异常电池和测试异常的电池从待分组电池中剔除，避免粗值对后续电池分组过程的影响，保证电池分组结果的准确性。步骤六可以简单的实现组内元素数量的等量化，为后续组间元素交换做准备。步骤七为电池组间电池元素交换方法。其中，设定组间元素交换只允许在近心元素之间进行，目的是减少计算量，提高分组算法的收敛速度。且现有的电池分组方法，没有同时满足多特征参数相似、分组结果中每组电池元素数量均相等的方法。本发明所述的方法可以实现多特征参数、等量化电池分组，该方法将显著提高电池组内电池特性的一致性，并且提高电池分组的执行效率。

用户可以根据实际需要选择描述电池特性的特征参数和权重作为分组的依据，特征参数的数量可以大于或等于2。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的多特征参数的电池等量分组方法的进一步说明，本实施方式中，根据每个电池的多维度征点到所在电池组的聚类中心的距离，对K个电池组中电池的数量进行均等化，使每个电池组中电池的个数均为M的具体方法为：

首先从K个电池组中找出拥有电池数量最多的电池组，组内电池的多维度征点到所在电池组聚类中心的距离由近到远的顺序进行的排序，然后根据序列中第M后面的电池的多维度征点到电池数未满M个的电池组的聚类中心的距离，将序列中第M后面的电池进行分配。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的多特征参数的电池等量分组方法的进一步说明，本实施方式中，计算完成组间交换的k个电池组的聚类中心通过公式：

实现，k为第k个电池组别，μ_k是电池组k的聚类中心坐标值；其中，c^(p)代表电池p应归属的组别，p为电池组内元素。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的多特征参数的电池等量分组方法的进一步说明，本实施方式中，步骤十一所述相邻两次经步骤七到十后获得的每个电池组的聚类中心的值均近似相等时的判断方法为：通过公式：

∑||dμ_k||<ε

其中，ε为分组过程的终止阈值，dμ_k表示经步骤七到十后获得的每个电池组的聚类中心的值的变化。

具体实施方式五、本实施方式采用多特征参数的电池等量分组方法对电池分组的具体实施例：本实施例应用的对象为40Ah磷酸铁锂动力电池，以电池容量、欧姆内阻作为分组依据。电池总数量为95节，电池分组的目标是将电池分为4组，每组电池数量为20节。

步骤1：特征参数提取；通过厂家规定的充放电规则测量电池的容量值，通过脉冲放电测量电池。特征参数的结果如图3所示，图2为电池容量大小。

步骤2：粗值剔除；分别针对电池的容量数据和欧姆内阻数据按照莱以特准则执行粗大误差剔除操作。结束后，电池剩余87节，多余80节(4×20)；根据参数的离散程度高低，将两个参数中离散度高的电池采用随机选取的方法予以剔除，最终剩余80节电池。对上述参数归一化处理，生成表征电池特性的二维度特征点；粗值剔除后，剩余的80节电池容量大小如图4所示，粗值剔除后，剩余的80节电池欧姆大小如图5所示，参数归一化后，生成的二维特征点如图6所示。

上述步骤用于分组数据的预处理，下述步骤用于电池等量化分组，分组结果的评价函数与K-means聚类算法的评价函数相同。

在分组过程中，应使函数值E逐渐减小。

步骤3：电池特征参数初分组；

随机初始化聚类中心，得到电池分组用的4个特征点中心位置，计算所有剔除后电池的特征值到每个聚类中心的空间距离，并记录下来。以特征参数之间的空间距离作为电池特性相似性的评价依据，对电池进行初分组。本步骤是根据电池特性的相似性执行的电池分组过程，不能保证各个电池组电池数量相同。电池i所属类别的判断依据为：

c^(p)＝arg min||x^(p)-μ_k||²

其中，x^(p)是电池的特征参数坐标值。μ_k是电池组内电池p的特征中心坐标值。c代表电池p应归属的组别。初始分组结果如图7所示。

步骤4：电池组电池数量均等化；

规则41：首先从电池组数量中找出拥有电池数量最大的电池组，根据组内电池到所在组的聚类中心的距离由近到远的顺序进行排序，然后按照距离的远近将多余电池组内数量M的电池分配到其它组内，分配时以电池特征值到其它聚类中心的距离远近和电池组内数量是否达到M为依据。将电池分配到距离近且数量未达标的组内。

此过程实现了每组内电池数量均达到设计要求，但是无法保证分组的准确性。执行结果如图8所示。

步骤5：电池组间电池交换。执行各个子步骤。组间元素第1轮交换后结果如图9所示。

步骤6：按照特征参数的分布情况，重新计算各组的聚类中心。如下式：

步骤7：重复步骤5～步骤6，直到聚类中心变化满足下式，其中，取ε＝0.01。

∑||dμ_k||<ε

最终：∑||dμ_k||＝0.0077。组间元素第10轮(最终的)交换后结果如图10所示。

在本实例中，整个算法的计算时间为0.269s(计算机配置如下：CPU：i3-3220，内存：4G，操作系统：win7，程序执行环境：matlab2013a)。

由此，分组结果可以保证每个电池组内电池容量和欧姆内阻均相似，并且每个电池组中元素的数目都相等，且等于电池组内电池单体数量的设计值20节。本实施例验证了本发明所述方法的有效性。

Claims (4)

1.多特征参数的电池等量分组方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、n₁个待分组电池进行特征参数提取；n₁为正整数；

n₁个待分组电池每个电池进行电池试验，获取每个电池表征电池特性的特征参数，所述电池特性的特征参数包括电池容量、电池的欧姆内阻和电池的极化内阻参数；其中，待分组电池数量n₁大于N₀，N₀＝分组数K×组内电池单体数M；K和M均为正整数；

步骤二、采用粗大误差处理理论中的莱以特准则对n₁个待分组电池中每个电池的特征参数进行粗值判断，并将特征参数存在粗值的电池从n₁个待分组电池中剔除；

步骤三、统计剔除特征参数存在粗值的电池后剩余的电池的数量；

当剩余的待分组的电池的数量n₂＞N₀时，对剩余的电池中，对特征参数偏离特征参数均值最大的n₂-N₀个电池进行剔除；执行步骤四；

当剩余电池的数量n₂＜N₀时,向待分组电池中补充电池，使补充后的电池数量n₃＞N_0，返回执行步骤一；

当剩余电池的数量n₂＝N₀时，执行步骤四；

步骤四、对N₀个待测电池的特征参数进行归一化处理，并设定特征参数的权重，获得每个剩余的待分组电池的多维度特征点；

所述待测电池的多维度特征点的坐标为特征参数归一化并加权处理后的参数组成；

步骤五、对N₀个待测电池进行初分组；

采用聚类中心随机初始化算法对K个电池组的聚类中心进行初始化，计算每个电池的多维度特征点到K个电池组的聚类中心的距离，并根据每个电池的特征点到K个电池组的聚类中心的距离，将N₀个待测电池分到距离聚类中心最近的那个电池组中，完成电池的初分组；

步骤六、对K个电池组中的电池数量进行均等化；

根据每个电池的多维度征点到所在电池组的聚类中心的距离，对K个电池组中电池的数量进行均等化，使每个电池组中电池的个数均为M；

电池组间电池元素交换；

步骤七、随机选择K个电池组中的一组作为主电池组，其余K-1个电池组均作为从电池组；

步骤八、计算主电池组和每个从电池组的主中心向量和主近心元素，计算每个从电池组的从中心向量和从近心元素；

其中，主组C_m：

C_m是发起电池元素交换的电池组，主组的聚类中心点和电池元素i所在点分别为μ_m和x_m,i；

从组C_s：

C_s是被动接受与主组C_m进行交换的电池组，从组的聚类中心点和电池元素j所在点分别为μ_s和x_s,_j；

主中心向量 起点为μ_m，终点为μ_s的向量；

从中心向量 起点为μ_s，终点为μ_m的向量；

主近心元素：若主组内电池i与主组中心形成的向量 与主中心向量 满足 则该主组电池i是一个主近心元素；

从近心元素：若从组内电池j与从组中心形成的向量 与从中心向量 满足 则该从组电池j是一个从组近心元素；

步骤九、当主近心电池i与从近心电池j满足公式：

||x_m,i-μ_m||²+||x_s,j-μ_s||²>||x_s,j-μ_m||²+||x_m,i-μ_s||²

时，将主近心电池i与从近心电池j进行交换，完成一次主电池组与从电池组间电池的交换；

步骤十、选择K个电池组中的一组没有作为过主电池组的电池组作为一个新的主电池组，返回执行步骤八，直至K个电池组均有一次作为主电池组，完成电池组的组间交换，执行步骤十一；

步骤十一、计算完成组间电池交换的K个电池组的聚类中心，返回执行步骤七，直至相邻两次经步骤七到十后获得的每个电池组的聚类中心的差值不超过终止阈值ε时，完成多特征参数的电池等量分组。

2.根据权利要求1所述的多特征参数的电池等量分组方法，其特征在于，根据每个电池的多维度征点到所在电池组的聚类中心的距离，对K个电池组中电池的数量进行均等化，使每个电池组中电池的个数均为M的具体方法为：

首先从K个电池组中找出拥有电池数量最多的电池组，组内电池的多维度征点到所在电池组聚类中心的距离由近到远的顺序进行的排序，然后根据序列中第M后面的电池的多维度征点到电池数未满M个的电池组的聚类中心的距离，将序列中第M后面的电池进行分配。

3.根据权利要求1或2所述的多特征参数的电池等量分组方法，其特征在于，计算完成组间交换的k个电池组的聚类中心通过公式：

实现，k为第k个电池组别，μ_k是电池组k的聚类中心坐标值；其中，c^(p)代表电池p应归属的组别，p为电池组内元素，x(p)是电池的特征参数坐标值。

4.根据权利要求1或2所述的多特征参数的电池等量分组方法，其特征在于，步骤十一所述相邻两次经步骤七到十后获得的每个电池组的聚类中心的值均近似相等时的判断方法为：通过公式：

∑||dμ_k||<ε

其中，ε为分组过程的终止阈值，dμ_k表示经步骤七到十后获得的每个电池组的聚类中心的值的变化。