CN107015158A - 基于恒流放电片段的锂电池剩余寿命在线快速检测法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于恒流放电片段的锂电池剩余寿命在线快速检测法，分为离线构建等压降经历时间对照表和在线预测剩余循环寿命两个阶段。其中恒流放电曲线来自实验室中采集的多组电池放电数据，将等压降时间间隔作为电池健康状态指标，能够实时掌握电池的退化趋势。通过电压间隔的划分使得电池在使用过程中提取的恒流放电片段动态特征数据能够完全覆盖间隔，从而使查表的精确度得以保证。以等压降的时间间隔为对照变量不仅有效而且减少了无关变量，所需的在线数据量少，进而实现了锂电池剩余循环寿命在线快速预测。

Description

基于恒流放电片段的锂电池剩余寿命在线快速检测法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种基于恒流放电片段中等压降时间间隔数据的锂离子电池剩余循环寿命在线快速预测方法。

背景技术

锂离子电池基于其重量轻、能量密度大和使用寿命长等优点，目前已被广泛应用于移动通信装置、电动车辆、军用电子设备以及航空航天电子系统等领域。锂离子电池在使用过程中性能会逐渐衰退，它的突发失效不仅会带来由于故障停机、更换或维修而产生的巨大经济损失，还可能导致灾难性的事故；不同的使用环境和使用方式对锂离子循环寿命的影响具有显著差异。因此，锂电池剩余循环寿命在线预测的精确性，将直接影响此类产品使用性能的发挥。现有的锂电池剩余循环寿命预测主要包括粒子滤波、Dempster-Shafer证据理论、Bayes、递归神经网络、非线性自回归、高斯过程回归等方法。这些方法的主要思想是利用离线数据建立锂离子电池退化特征量(容量、内阻等)随充放电循环次数退化的过程模型，再根据在线测得的电池状态数据进行训练学习，进而预测剩余循环寿命。采用这些方法进行锂电池剩余循环寿命在线预测存在主要不足是：(1)锂离子电池性能退化过程受外部工作环境和负载条件影响较大，在线条件下锂离子电池负载和环境复杂，上述方法难以表现离线和在线的差异，建立通用预测流程；(2)算法复杂，难以满足用户对剩余循环寿命预测的实时性要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种锂离子电池剩余循环寿命在线预测方法，它能够对正在使用中的电池(如车载电池)进行剩余循环寿命快速预测，有效提高锂离子电池剩余循环寿命预测精度，改善电池的使用和维护效率，延长电池的使用时间，减少锂离子电池在使用中的突发失效风险。

一种锂离子电池剩余寿命在线预测方法，包括离线构建等压降经历时间对照表和在线预测剩余循环寿命两个阶段，其中：

所述离线构建等压降经历时间对照表阶段具体步骤包括：(1)利用恒流恒压充电至满-恒流放电至空的方式，对多个同型锂离子电池进行全寿命充放电实验，获取该型锂离子电池在全寿命中各充电循环下的恒流放电数据，其中放电电流分别设置为不同的等级；(2)在每一个等级的放电电流下，将锂离子电池在恒流放电过程中电压最大值到最小值所经历的电压区间，按照等间隔划分方法，得到设定数量的等压降区间；(3)给定等压降区间和放电电流，根据恒流放电过程记录的电压随放电时间变化数据，确定各电池在各充电循环中，在给定等压降区间和给定放电电流下，所经历的压降时间间隔数据；(4)为每一个等级的放电电流对应建立一张等压降经历时间对照表，表中记录给定放电电流、给定压降区间、给定循环数时，对应的压降时间间隔；

所述在线预测剩余循环寿命阶段具体步骤包括：(1)根据待测锂离子电池放电电流数据序列及其对应的放电电压数据序列，提取放电电流、其对应的压降区间D以及D对应的时间长度t₀；(2)根据待测锂电池的放电电流I，从各个等级的放电电流对应的等压降经历时间对照表中选择与电流I匹配的一张对照表；(3)在选定对照表后，在所述对照表中选择与压降区间D匹配的等压降区间；(4)根据测试得到的压降间隔时间长度t₀，在对照表中匹配的等压降区间下找到与时间长度t₀匹配的压降时间间隔，根据该压降时间间隔对应的等效充放电循环次数，确定锂电池的剩余寿命。

较佳的，建立完所述离线构建等压降经历时间对照表后，对于给定的等压降区间和放电电流，根据等压降时间间隔数据序列，估算其对应的等压降时间间隔变量的随机分布参数即均值和标准差；则所述对照表中，表格横坐标为等压降区间序号，表格纵坐标为放电循环数，表格中对应的每个格子为在给定放电电流、给定压降区间、给定循环数时，对应的等压降时间间隔的分布参数；

在所述在线预测剩余循环寿命阶段，确定等效充放电循环次数的方法为：在对照表中匹配的压降时间间隔所在列的各组均值和标准差中，找到其中一个循环次数对应的均值和标准差使得似然函数取最大值，则找到的这个循环次数即为该电池健康状态目前等效的充放电循环数N₀。

较佳的，所述在线预测剩余循环寿命阶段中，与实测电流I最接近的放电电流等级对应的对照表即为匹配的对照表。

较佳的，所述电流等级分为8个，分别为：0.1C、0.5C、1C、1.2C、1.5C、2C、2.5C、3C，其中C为放电倍率单位，用于表征放电电流的大小。1C放电指在1小时内将满容量电池完全放电至空,具体数值由电池的额定容量决定。

较佳的，所述设定数量为≥100个。

较佳的，所述的锂离子电池为可充放电循环使用的锂离子电池单体、可充放电循环使用的锂离子电池单体按串并联方式组合而成的锂离子电池组，或者由锂离子电池组按模块搭组方式建构而成的锂离子电池系统。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的基于恒流放电曲线等压降间隔划分方法、构建压降时间长度分布列表库的预测方法，通过对电池恒流放电曲线的跟踪构建对照表库，在线应用时只需提取恒流放电片段数据，无需经过训练即可进行剩余循环寿命预测，可以在实时变电流放电状态下实现剩余循环寿命在线快速预测。

附图说明

图1为本发明的剩余循环寿命在线快速预测流程图。

图2为本发明实施中恒流放电曲线电压降区间划分示意图，[V_k-1,V_k]为第k个压降区间；表示给定等压降区间[V_k-1,V_k]时用放电电流I⁽ⁱ⁾放电第h1个放电循环试验中经历的压降时间；表示给定等压降区间[V_k-1,V_k]时用放电电流I⁽ⁱ⁾放电第h2个放电循环试验中经历的压降时间。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明是采用以下技术方案：分为离线构建等压降经历时间对照表和在线预测剩余循环寿命两个阶段。

下面结合图1、图2和表1对本发明的实施方式做详细说明。本发明采用的方法是以电池放电过程中恒流放电片段在选取的电压下降区间所使用的时间来估测电池已进行充放电循环的次数，进而估算电池的剩余循环寿命。本发明具体实施方式采用以下技术方案。它的预测方法包括离线构造对照表和在线预测剩余循环寿命两个阶段：

第一阶段，离线构建等压降经历时间对照表。(1)在实验室条件下对N个同型锂离子电池进行全寿命充放电实验，每个充放电循环采用恒流恒压充电至满和恒流放电至空的方式进行，获取该型N个锂离子电池在全寿命中各充电循环下的恒流放电条件下的电压随放电时间变化数据，其中恒流放电电流分别设置为I⁽¹⁾＝0.1C，I⁽²⁾＝0.5C，I⁽³⁾＝1C，I⁽⁴⁾＝1.2C，I⁽⁵⁾＝1.5C、I⁽⁶⁾＝2C、I⁽⁷⁾＝2.5C、I⁽⁸⁾＝3C八个不同的等级；其中C为放电倍率单位，用于表征放电电流的大小。1C放电指在1小时内将满容量电池完全放电至空,具体数值由电池的额定容量决定。

(2)将锂离子电池在恒流放电过程中电压最大值4.2V到最小值2.5V所经历的电压范围，按照等间隔划分方法，得到M个等压降区间(M≥100)，划分的分点记为V₀,V₁,V₂,…,V_M，其中V₀＝4.2,V_k＝V₀+(4.2-2.5)/M(k＝1,2,…,M-1),V_M＝2.5；(3)给定等压降区间[V_k-1,V_k]和放电电流I⁽ⁱ⁾，根据恒流放电过程记录的电压随放电时间变化数据，确定各电池在各次充放电循环中，在该给定等压降区间和给定放电电流下，所经历的时间间隔数据，记为其中，上标(i)表示充电电流为I⁽ⁱ⁾(i＝1,2,…,8)；下标j表示参试的第j个样品(j＝1,2,…,N)；下标k表示对应的等压降区间为[V_k-1,V_k](k＝1,2,…,M)；下标h表示该测试数据对应第h次充放电循环(h＝1,2,…,H)，H为最大充放电循环次数；(4)对于给定的等压降区间[V_k-1,V_k]、放电电流I⁽ⁱ⁾和充放电循环数h，根据等压降时间间隔数据序列估算其对应的等压降时间间隔变量的随机分布参数(均值和标准差)；(5)参考表1，构建该型锂离子电池在给定放电电流下的电池全寿命等压降时间长度分布列表，表格横坐标为等压降区间序号(1～M)，表格纵坐标为充放电循环数(1～N)，表格中对应的每个格子(行列交叉处)为在给定的等压降区间[V_k-1,V_k]、放电电流I⁽ⁱ⁾和充放电循环数h时，对应的压降时间长度分布参数(均值和标准差)，根据放电电流的不同，可得到该型电池八张全寿命等压降时间长度分布列表，记为Table-i(i＝1,2,…,8)，由此构建列表库。

表1锂离子电池全寿命等压降时间长度分布列表(Table-i)

第二阶段，在线预测剩余循环寿命。具体步骤包括：(1)从时变放电监测数据中提取恒流放电片段数据。根据锂离子电池在实际工作环境下实时监测得到的放电电流数据序列及其对应的放电电压数据序列，提取恒流放电电流数据I₀及其对应的压降区间电压端点数值[V₀₁,V₀₂]、电池以I₀放电时在[V₀₁,V₀₂]区间经历的时间长度为t₀；(2)选取对照表。根据实时监测的放电电流I₀，从八张全寿命等压降时间长度分布列表Table-i(i＝1,2,…,8)中选择一张表作为对照表，选取的原则是放电电流I₀最靠近某I⁽ⁱ⁾，得到所需对照表，记为Table-i0；(3)在选定对照表格后，根据实测压降数据确定所对应等压降区间[V₀₁,V₀₂]，确定对照表Table-i0中对应的列，记为其中[V₀₁,V₀₂]与刚好相等，或者[V₀₁,V₀₂]包含若是后一种情况，则可从[V₀₁,V₀₂]找到更小的电压降区间与相等，此时需根据区间端点位置从实测恒流放电数据中重新获取电压从降到所经历的压降时间长度t₀；(4)根据测试得到的压降间隔时间长度t₀，采用极大似然判别方法，确定该电池健康状态目前等效的充放电循环数N₀，即N₀是使得似然函数取到最大值时所对应的循环数h，其中，为电压降时间间隔变量随机分布的似然函数值。于是该锂离子电池在线剩余循环寿命预测结果为全寿命标称值N减去该等效循环数N₀。

本发明提出的等压降时间间隔数据是表征锂离子电池健康程度的特征指标，电池老化程度越大，则经历相同的压降所需时间越短。

所述的锂离子电池为可充放电循环使用的锂离子电池单体、可充放电循环使用的锂离子电池单体按串并联方式组合而成的锂离子电池组，以及由锂离子电池组按模块搭组方式建构而成的锂离子电池系统。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锂离子电池剩余寿命在线预测方法，其特征在于，包括离线构建等压降经历时间对照表和在线预测剩余循环寿命两个阶段，其中：

所述离线构建等压降经历时间对照表阶段具体步骤包括：(1)利用恒流恒压充电至满-恒流放电至空的方式，对多个同型锂离子电池进行全寿命充放电实验，获取该型锂离子电池在全寿命中各充电循环下的恒流放电数据，其中放电电流分别设置为不同的等级；(2)在每一个等级的放电电流下，将锂离子电池在恒流放电过程中电压最大值到最小值所经历的电压区间，按照等间隔划分方法，得到设定数量的等压降区间；(3)给定等压降区间和放电电流，根据恒流放电过程记录的电压随放电时间变化数据，确定各电池在各充电循环中，在给定等压降区间和给定放电电流下，所经历的压降时间间隔数据；(4)为每一个等级的放电电流对应建立一张等压降经历时间对照表，表中记录给定放电电流、给定压降区间、给定循环数时，对应的压降时间间隔；

所述在线预测剩余循环寿命阶段具体步骤包括：(1)根据待测锂离子电池放电电流数据序列及其对应的放电电压数据序列，提取放电电流、其对应的压降区间D以及D对应的时间长度t₀；(2)根据待测锂电池的放电电流I，从各个等级的放电电流对应的等压降经历时间对照表中选择与电流I匹配的一张对照表；(3)在选定对照表后，在所述对照表中选择与压降区间D匹配的等压降区间；(4)根据测试得到的压降间隔时间长度t₀，在对照表中匹配的等压降区间下找到与时间长度t₀匹配的压降时间间隔，根据该压降时间间隔对应的等效充放电循环次数，确定锂电池的剩余寿命。

2.如权利要求1所述的一种锂离子电池剩余寿命在线预测方法，其特征在于，建立完所述离线构建等压降经历时间对照表后，对于给定的等压降区间和放电电流，根据等压降时间间隔数据序列，估算其对应的等压降时间间隔变量的随机分布参数即均值和标准差；则所述对照表中，表格横坐标为等压降区间序号，表格纵坐标为放电循环数，表格中对应的每个格子为在给定放电电流、给定压降区间、给定循环数时，对应的等压降时间间隔的分布参数；

在所述在线预测剩余循环寿命阶段，确定等效充放电循环次数的方法为：在对照表中匹配的压降时间间隔所在列的各组均值和标准差中，找到其中一个循环次数对应的均值和标准差使得似然函数取最大值，则找到的这个循环次数即为该电池健康状态目前等效的充放电循环数N₀。

3.如权利要求1或2所述的一种锂离子电池剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述在线预测剩余循环寿命阶段中，与实测电流I最接近的放电电流等级对应的对照表即为匹配的对照表。

4.如权利要求1所述的一种锂离子电池剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述电流等级分为8个，分别为：0.1C、0.5C、1C、1.2C、1.5C、2C、2.5C、3C，其中C为放电倍率单位，用于表征放电电流的大小。

5.如权利要求1所述的一种锂离子电池剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述设定数量为≥100个。

6.如权利要求1所述的一种锂离子电池剩余寿命在线预测方法，其特征在于，所述的锂离子电池为可充放电循环使用的锂离子电池单体、可充放电循环使用的锂离子电池单体按串并联方式组合而成的锂离子电池组，或者由锂离子电池组按模块搭组方式建构而成的锂离子电池系统。