CN108681645A - 一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，该方法是，首先提出一种综合相似度模型求解锂离子电池模块品种的分类问题，其中综合相似度模型包括零件相似度、结构相似度和装配工艺相似度三部分，再采用Kuhn—Munkres算法对模块库中锂离子电池模块的综合相似度进行计算，最后通过选取分类阈值实现了锂离子电池模块品种的分类。该方法用于求解锂电池模块品种分类的问题，具有不仅在求解锂电池模块品种分类更优，而且在求解时间方面也更快的优点。

Description

一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法。

背景技术

近年来我国汽车业迅猛发展，据专家保守估计，到2020年汽车保有量达到1.3亿辆，汽车对石油能源的大量消耗以及由此引起的环境污染问题使得交通能源动力转型成为全球共识。解决交通能源消耗和环境污染的有效途径是研发和推广应用新型能源汽车，国际上主流的汽车公司，如福特、通用、日产、三菱、奔驰和雪佛兰等，陆续推出基于锂离子电池(简称锂电池)的电动汽车。很多专家认为，锂电池就如同今天的石油一样具有重要战略意义。锂电池是电动汽车的核心部件，电动汽车需要依靠大功率和大容量的锂电池作为其主要推进力来源。首先，原材料(正极材料、负极材料、电解液、外壳等)经过一系列制造工艺流程加工成锂离子电池单体；接着，若干锂离子电池单体和其它零部件按照一系列装配工艺操作装配成锂离子电池模块；然后，数个锂离子电池模块再装配成锂离子电池包；最后，锂离子电池包安放于电动汽车上(地板下、后备箱、车前箱等位置)，为其提供动力源。

近年来，许多关于锂电池单体制造、锂电池模块/电池组配置设计、热管理系统和电气联接的文献，但是涉及到锂电池模块品种分类的文献还未公开报道。

发明内容

本发明其目的就在于为解决上述问题而提供一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法。

为实现上述目的而采取的技术方案是，一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，该方法是，首先提出一种综合相似度模型求解锂离子电池模块品种的分类问题，其中综合相似度模型包括零件相似度、结构相似度和装配工艺相似度三部分，再采用Kuhn—Munkres算法对模块库中锂离子电池模块的综合相似度进行计算，最后通过选取分类阈值实现了锂离子电池模块品种的分类。

所述的零件相似度包括锂离子电池模块不同种类的零件，通过对不同品种的锂离子电池模块装配体进行爆炸图分解，经统计分析后得出锂离子电池模块包括以下8类零件：

(1)电池单体：棱柱罐状、棱柱袋状、圆柱形等；

(2)冷却件：冷却板、隔板、障壁等；

(3)绝缘件：绝缘板、绝缘帽、绝缘底座等；

(4)紧固类连接件：螺钉、螺栓、螺杆、螺母、铆钉等；

(5)板类连接件：连接带、端板、侧板、底板、压板等；

(6)外框架：半箱体、上/下壳体等；

(7)辅助件：垫片等；

(8)其它：导线、汇流排等。

为了计算锂离子电池模块A¹和A²的零件相似度，设A¹和A²中包含的零件总数目分别为n和m(为了便于后续部分计算，不妨设n≥m)，则锂离子电池模块A¹和A²的零件相似度矩阵为：

其中，和分别表示锂离子电池模块A¹中的第i个零件和A²中的第j个零件，1≤i≤n，1≤j≤m；

计算过程中发现，矩阵SP(A¹,A²)的阶数随着锂离子电池模块中的零件个数的增多而变得复杂，而锂离子电池模块中存在着诸如螺钉、螺栓、螺杆、螺母、铆钉等连接件，这类连接件主要用于保持锂离子电池模块的稳定性，而对锂离子电池模块的功能影响甚微；因此，为了降低矩阵SP(A¹,A²)的阶数，将这些连接件删除，但同时将这些连接件中的关联关系(即接触关系和连接关系)保存在锂离子电池模块的结构中，将连接件中的连接属性信息(即连接类型和连接数量)保存在锂离子模块的装配工艺中，即简化规则；

简化后，锂离子电池模块中零件分类如下：

(1)电池单体：棱柱罐状、棱柱袋状、圆柱形等；

(2)冷却件：冷却板、隔板、障壁等；

(3)绝缘件：绝缘板、绝缘帽、绝缘底座等；

(4)板类连接件：连接带、端板、侧板、底板、压板等；

(5)外框架：半箱体、上/下壳体等；

(6)其它：导线、汇流排等。

所述的结构相似度：

由图论知识可知，产品的结构可以用一个二元关系图G＝(P,E)表示，其中P＝{p₁,p₂,…,p_n}表示组成产品的零件集合，E＝{e_i,j|i,j＝1,2,…,n}表示零件p_i和p_j之间的关联关系(即接触/连接关系)，p_i表示产品中的第i个零件，因此，对于锂离子电池模块而言，其结构可以用零件之间的关联关系来描述；

根据锂离子电池模块中各零件之间的关联关系，建立如(2)所示的关联矩阵E；

其中，E中元素e_i,j表示锂离子电池模块中零件p_i与零件p_j之间的关联关系；

为了便于计算，对矩阵(2)进一步处理，如(3)和(4)所示；

则锂离子电池模块A¹和A²的结构相似度矩阵为：

其中，

所述的装配工艺相似度：

由于在计算零件相似度的过程中，对螺栓、螺母等连接件采用了简化，同时将这些连接件中的接触/连接关系保存在锂离子电池模块的结构中，并根据零件间的接触/连接交互系数设计了锂离子电池模块的结构相似度计算公式，但是结构相似度并不能完全反映出简化零件的数量；

装配工艺主要包括零件的装配顺序、装配时间、装配工具的种类和数量、装配人员或装配机器人的数量、装配路径、辅助装配操作等；对于锂离子电池模块装配而言，更关心的是零件之间的连接类型和连接类型的数量；因为不同的连接类型决定了装配工具的不同；例如，如果是螺钉连接，则需要螺丝刀；如果是螺杆—螺母连接，则需要扳手；如果是焊接，则需要焊枪；如果是铆接，则需要拉铆枪等；连接数量决定了锂离子电池模块在装配过程所需要的装配操作时间。因此，采用零件之间的连接属性(连接类型和连接数量)作为锂离子电池模块装配工艺相似度的度量；

锂离子电池模块装配体A¹和A²的工艺相似度计算公式为：

其中，

和分别表示锂离子电池模块A¹中第i个零件和A²中第j个零件的连接类型均为k；

和分别表示当锂离子电池模块A¹中第i个零件和A²中第j个零件的连接类型为k时，该类连接类型的总数目；

所述的综合相似度：

其中，w₁、w₂和w₃分别是结构相似度、零件相似度和装配工艺相似度的权重，w₁＝1/3，w₂＝1/6，w₃＝1/2。

所述的综合相似度求解锂电池模块品种分类的流程，包括以下步骤：

步骤1：根据简化规则，写出待比较的两个锂离子电池模块装配体A¹和A²简化后的爆炸图。其中，简化后A¹和A²中包含的零件总数目分别为n和m，n≥m；

步骤2：根据矩阵(1)计算A¹和A²中的零件相似度矩阵SP(A¹,A²)；

步骤3：根据矩阵(2)～矩阵(5)计算A¹和A²的结构相似度矩阵SS(A¹,A²)；

步骤4：根据矩阵(6)计算A¹和A²的装配工艺相似度矩阵ST(A¹,A²)；

步骤5：根据公式(7)计算A¹和A²的综合相似度矩阵S(A¹,A²)；

步骤6：算法求解为：

(1)由于S(A¹,A²)是一个n×m阶矩阵，为了便于运用Kuhn—Munkres算法求解，需将S(A¹,A²)转化为n阶方阵，转化后的n阶方阵为：

(2)用锂离子电池模块装配体A¹和A²中的零件构建赋权完全二分图；

其中，赋权完全二分图中的权值与矩阵(8)中的元素一一对应，则锂离子模块装配体A¹和A²的综合相似度问题等价于在赋权完全二分图中寻找一个最大权值的最佳匹配，即锂离子电池模块装配体A¹和A²的综合相似度计算公式为：

其中，L^*表示赋权完全二分图中的最佳匹配边集；

(3)利用图论中的Kuhn—Munkres算法并借助MATLAB软件，获取A¹和A²的综合相似度。

有益效果

与现有技术相比本发明具有以下优点。

本发明的优点是，该方法用于求解锂电池模块品种分类的问题，具有不仅在求解锂电池模块品种分类更优，而且在求解时间方面也更快的优点。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明专利中赋权完全二分图；

图2为本发明专利中锂离子电池模块库。

具体实施方式

一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，该方法是，首先提出一种综合相似度模型求解锂离子电池模块品种的分类问题，其中综合相似度模型包括零件相似度、结构相似度和装配工艺相似度三部分，再采用Kuhn—Munkres算法对模块库中锂离子电池模块的综合相似度进行计算，最后通过选取分类阈值实现了锂离子电池模块品种的分类。

所述的零件相似度包括锂离子电池模块不同种类的零件，通过对不同品种的锂离子电池模块装配体进行爆炸图分解，经统计分析后得出锂离子电池模块包括以下8类零件：

(1)电池单体：棱柱罐状、棱柱袋状、圆柱形等；

(2)冷却件：冷却板、隔板、障壁等；

(3)绝缘件：绝缘板、绝缘帽、绝缘底座等；

(4)紧固类连接件：螺钉、螺栓、螺杆、螺母、铆钉等；

(5)板类连接件：连接带、端板、侧板、底板、压板等；

(6)外框架：半箱体、上/下壳体等；

(7)辅助件：垫片等；

(8)其它：导线、汇流排等。

为了计算锂离子电池模块A¹和A²的零件相似度，设A¹和A²中包含的零件总数目分别为n和m(为了便于后续部分计算，不妨设n≥m)，则锂离子电池模块A¹和A²的零件相似度矩阵为：

其中，和分别表示锂离子电池模块A¹中的第i个零件和A²中的第j个零件，1≤i≤n，1≤j≤m；

计算过程中发现，矩阵SP(A¹,A²)的阶数随着锂离子电池模块中的零件个数的增多而变得复杂，而锂离子电池模块中存在着诸如螺钉、螺栓、螺杆、螺母、铆钉等连接件，这类连接件主要用于保持锂离子电池模块的稳定性，而对锂离子电池模块的功能影响甚微；因此，为了降低矩阵SP(A¹,A²)的阶数，将这些连接件删除，但同时将这些连接件中的关联关系(即接触关系和连接关系)保存在锂离子电池模块的结构中，将连接件中的连接属性信息(即连接类型和连接数量)保存在锂离子模块的装配工艺中，即简化规则；

简化后，锂离子电池模块中零件分类如下：

(1)电池单体：棱柱罐状、棱柱袋状、圆柱形等；

(2)冷却件：冷却板、隔板、障壁等；

(3)绝缘件：绝缘板、绝缘帽、绝缘底座等；

(4)板类连接件：连接带、端板、侧板、底板、压板等；

(5)外框架：半箱体、上/下壳体等；

(6)其它：导线、汇流排等；

所述的结构相似度：

由图论知识可知，产品的结构可以用一个二元关系图G＝(P,E)表示，其中P＝{p₁,p₂,…,p_n}表示组成产品的零件集合，E＝{e_i,j|i,j＝1,2,…,n}表示零件p_i和p_j之间的关联关系(即接触/连接关系)，p_i表示产品中的第i个零件，因此，对于锂离子电池模块而言，其结构可以用零件之间的关联关系来描述；

根据锂离子电池模块中各零件之间的关联关系，建立如(2)所示的关联矩阵E；

其中，E中元素e_i,j表示锂离子电池模块中零件p_i与零件p_j之间的关联关系；

为了便于计算，对矩阵(2)进一步处理，如(3)和(4)所示；

则锂离子电池模块A¹和A²的结构相似度矩阵为：

其中，

所述的装配工艺相似度：

由于在计算零件相似度的过程中，对螺栓、螺母等连接件采用了简化，同时将这些连接件中的接触/连接关系保存在锂离子电池模块的结构中，并根据零件间的接触/连接交互系数设计了锂离子电池模块的结构相似度计算公式，但是结构相似度并不能完全反映出简化零件的数量；

装配工艺主要包括零件的装配顺序、装配时间、装配工具的种类和数量、装配人员或装配机器人的数量、装配路径、辅助装配操作等；对于锂离子电池模块装配而言，更关心的是零件之间的连接类型和连接类型的数量；因为不同的连接类型决定了装配工具的不同；例如，如果是螺钉连接，则需要螺丝刀；如果是螺杆—螺母连接，则需要扳手；如果是焊接，则需要焊枪；如果是铆接，则需要拉铆枪等；连接数量决定了锂离子电池模块在装配过程所需要的装配操作时间。因此，采用零件之间的连接属性(连接类型和连接数量)作为锂离子电池模块装配工艺相似度的度量；

锂离子电池模块装配体A¹和A²的工艺相似度计算公式为：

其中，

和分别表示锂离子电池模块A¹中第i个零件和A²中第j个零件的连接类型均为k；

和分别表示当锂离子电池模块A¹中第i个零件和A²中第j个零件的连接类型为k时，该类连接类型的总数目；

所述的综合相似度：

其中，w₁、w₂和w₃分别是结构相似度、零件相似度和装配工艺相似度的权重，w₁＝1/3，w₂＝1/6，w₃＝1/2。

所述的综合相似度求解锂电池模块品种分类的流程，包括以下步骤：

步骤1：根据简化规则，写出待比较的两个锂离子电池模块装配体A¹和A²简化后的爆炸图。其中，简化后A¹和A²中包含的零件总数目分别为n和m，n≥m；

步骤2：根据矩阵(1)计算A¹和A²中的零件相似度矩阵SP(A¹,A²)；

步骤3：根据矩阵(2)～矩阵(5)计算A¹和A²的结构相似度矩阵SS(A¹,A²)；

步骤4：根据矩阵(6)计算A¹和A²的装配工艺相似度矩阵ST(A¹,A²)；

步骤5：根据公式(7)计算A¹和A²的综合相似度矩阵S(A¹,A²)；

步骤6：算法求解为：

(1)由于S(A¹,A²)是一个n×m阶矩阵，为了便于运用Kuhn—Munkres算法求解，需将S(A¹,A²)转化为n阶方阵，转化后的n阶方阵为：

(2)用锂离子电池模块装配体A¹和A²中的零件构建赋权完全二分图；

其中，赋权完全二分图中的权值与矩阵(8)中的元素一一对应，则锂离子模块装配体A¹和A²的综合相似度问题等价于在赋权完全二分图中寻找一个最大权值的最佳匹配，即锂离子电池模块装配体A¹和A²的综合相似度计算公式为：

其中，L^*表示赋权完全二分图中的最佳匹配边集；

(3)利用图论中的Kuhn—Munkres算法并借助MATLAB软件，获取A¹和A²的综合相似度。

现结合实例对该综合相似度模型做应用检验：

根据求解步骤，对其进行综合相似度计算，其结果如表1所示。

表1锂离子电池模块的综合相似度的求解结果

根据表1中的结果，当选取的分类阈值S≥0.6时，A¹～A⁹的分类结果如表2所示；

表2锂离子电池模块分类结果：

Claims (6)

1.一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，其特征在于，该方法是，首先提出一种综合相似度模型求解锂离子电池模块品种的分类问题，其中综合相似度模型包括零件相似度、结构相似度和装配工艺相似度三部分，再采用Kuhn—Munkres算法对模块库中锂离子电池模块的综合相似度进行计算，最后通过选取分类阈值实现了锂离子电池模块品种的分类。

2.根据权利要求1所述的一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，其特征在于，所述的零件相似度包括锂离子电池模块不同种类的零件，通过对不同品种的锂离子电池模块装配体进行爆炸图分解，经统计分析后得出锂离子电池模块包括以下8类零件：

(1)电池单体：棱柱罐状、棱柱袋状、圆柱形等；

(2)冷却件：冷却板、隔板、障壁等；

(3)绝缘件：绝缘板、绝缘帽、绝缘底座等；

(4)紧固类连接件：螺钉、螺栓、螺杆、螺母、铆钉等；

(5)板类连接件：连接带、端板、侧板、底板、压板等；

(6)外框架：半箱体、上/下壳体等；

(7)辅助件：垫片等；

(8)其它：导线、汇流排等；

为了计算锂离子电池模块A¹和A²的零件相似度，设A¹和A²中包含的零件总数目分别为n和m(为了便于后续部分计算，不妨设n≥m)，则锂离子电池模块A¹和A²的零件相似度矩阵为：

其中，和分别表示锂离子电池模块A¹中的第i个零件和A²中的第j个零件，1≤i≤n，1≤j≤m；

计算过程中发现，矩阵SP(A¹,A²)的阶数随着锂离子电池模块中的零件个数的增多而变得复杂，而锂离子电池模块中存在着诸如螺钉、螺栓、螺杆、螺母、铆钉等连接件，这类连接件主要用于保持锂离子电池模块的稳定性，而对锂离子电池模块的功能影响甚微；因此，为了降低矩阵SP(A¹,A²)的阶数，将这些连接件删除，但同时将这些连接件中的关联关系(即接触关系和连接关系)保存在锂离子电池模块的结构中，将连接件中的连接属性信息(即连接类型和连接数量)保存在锂离子模块的装配工艺中，即简化规则；

简化后，锂离子电池模块中零件分类如下：

(1)电池单体：棱柱罐状、棱柱袋状、圆柱形等；

(2)冷却件：冷却板、隔板、障壁等；

(3)绝缘件：绝缘板、绝缘帽、绝缘底座等；

(4)板类连接件：连接带、端板、侧板、底板、压板等；

(5)外框架：半箱体、上/下壳体等；

(6)其它：导线、汇流排等。

3.根据权利要求1所述的一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，其特征在于，所述的结构相似度：

由图论知识可知，产品的结构可以用一个二元关系图G＝(P,E)表示，其中P＝{p₁,p₂,…,p_n}表示组成产品的零件集合，E＝{e_i,j|i,j＝1,2,…,n}表示零件p_i和p_j之间的关联关系(即接触/连接关系)，p_i表示产品中的第i个零件，因此，对于锂离子电池模块而言，其结构可以用零件之间的关联关系来描述；

根据锂离子电池模块中各零件之间的关联关系，建立如(2)所示的关联矩阵E；

其中，E中元素e_i,j表示锂离子电池模块中零件p_i与零件p_j之间的关联关系；

为了便于计算，对矩阵(2)进一步处理，如(3)和(4)所示；

则锂离子电池模块A¹和A²的结构相似度矩阵为：

其中，

4.根据权利要求1所述的一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，其特征在于，所述的装配工艺相似度：

由于在计算零件相似度的过程中，对螺栓、螺母等连接件采用了简化，同时将这些连接件中的接触/连接关系保存在锂离子电池模块的结构中，并根据零件间的接触/连接交互系数设计了锂离子电池模块的结构相似度计算公式，但是结构相似度并不能完全反映出简化零件的数量；

装配工艺主要包括零件的装配顺序、装配时间、装配工具的种类和数量、装配人员或装配机器人的数量、装配路径、辅助装配操作等；对于锂离子电池模块装配而言，更关心的是零件之间的连接类型和连接类型的数量；因为不同的连接类型决定了装配工具的不同；例如，如果是螺钉连接，则需要螺丝刀；如果是螺杆—螺母连接，则需要扳手；如果是焊接，则需要焊枪；如果是铆接，则需要拉铆枪等；连接数量决定了锂离子电池模块在装配过程所需要的装配操作时间。因此，采用零件之间的连接属性(连接类型和连接数量)作为锂离子电池模块装配工艺相似度的度量；

锂离子电池模块装配体A¹和A²的工艺相似度计算公式为：

其中，

和分别表示锂离子电池模块A¹中第i个零件和A²中第j个零件的连接类型均为k；

和分别表示当锂离子电池模块A¹中第i个零件和A²中第j个零件的连接类型为k时，该类连接类型的总数目；

5.根据权利要求1所述的一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，其特征在于，所述的综合相似度：

其中，w₁、w₂和w₃分别是结构相似度、零件相似度和装配工艺相似度的权重，w₁＝1/3，w₂＝1/6，w₃＝1/2。

6.根据权利要求1所述的一种基于综合相似度的锂电池模块品种分类计算方法，其特征在于，所述的综合相似度求解锂电池模块品种分类的流程，包括以下步骤：

步骤1：根据简化规则，写出待比较的两个锂离子电池模块装配体A¹和A²简化后的爆炸图。其中，简化后A¹和A²中包含的零件总数目分别为n和m，n≥m；

步骤2：根据矩阵(1)计算A¹和A²中的零件相似度矩阵SP(A¹,A²)；

步骤3：根据矩阵(2)～矩阵(5)计算A¹和A²的结构相似度矩阵SS(A¹,A²)；

步骤4：根据矩阵(6)计算A¹和A²的装配工艺相似度矩阵ST(A¹,A²)；

步骤5：根据公式(7)计算A¹和A²的综合相似度矩阵S(A¹,A²)；

步骤6：算法求解为：

(1)由于S(A¹,A²)是一个n×m阶矩阵，为了便于运用Kuhn—Munkres算法求解，需将S(A¹,A²)转化为n阶方阵，转化后的n阶方阵为：

(2)用锂离子电池模块装配体A¹和A²中的零件构建赋权完全二分图；

其中，赋权完全二分图中的权值与矩阵(8)中的元素一一对应，则锂离子模块装配体A¹和A²的综合相似度问题等价于在赋权完全二分图中寻找一个最大权值的最佳匹配，即锂离子电池模块装配体A¹和A²的综合相似度计算公式为：

其中，L^*表示赋权完全二分图中的最佳匹配边集；

(3)利用图论中的Kuhn—Munkres算法并借助MATLAB软件，获取A¹和A²的综合相似度。