CN108959185A - 基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法，该方法以车辆运行中锂电池系统工作电压、电流为输入，计算工况运行功率一时间(P‑t)曲线和功率变化率一时间(△P‑t)曲线，以工况运行功率幅值和变化率分布及工况运行功率最大值、最小值作为特征值，对P‑t曲线和△P‑t曲线进行分段，随机选取N个片段得到组合片段，计算组合片段的功率幅值和变化率分布及工况运行功率最大值、最小值，采用均方根误差分析，得到锂电池系统测试工况P_z‑t曲线。

Description

基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法

技术领域

本发明涉及锂电池系统测试工况技术领域，尤其是一种基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法。

背景技术

国内外常用的行驶工况主要来自于欧洲、美国和日本等发达国家，近年来我国很多学者开展了相关研究，有学者对我国主要城市车辆的行驶工况的建立方法进行了阐述，有学者利用行驶段的特征值、动态聚类和主成分分析等数据分析方法得到了较为科学的车辆行驶工况，也有学者对几种有代表性的行驶工况进行研究，得出我国的城市结构和道路交通状况与欧洲的明显差异。

目前，锂电池系统及其成组应用技术是电动车辆发展的技术瓶颈。国外用于锂电池系统检测的动态工况主要包括能量型和功率型两种，分别为美国先进电池联盟USABC提出的FUDS和美国能源部的Freedom CAR计划提出的HPPC。我国的测试标准GB/T 18386--2005(电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》是基于ECE—EUDC工况制定的。另外QC/T743--2006《电动汽车用锂离子蓄电池》中规定了锂电池系统的简单模拟工况和循环寿命测试标准，但它只是一个通过性的测试标准，对于具体车型和运行工况并不完全适合。

在实际应用中，电动汽车对电机提出的功率需求是动态变化的，瞬间的大电流冲击以及充放电之间的瞬间切换，对锂电池系统动态性能提出了要求。而锂电池系统的使用寿命与电动车辆的动态功率需求紧密相关，因此为兼顾锂电池系统的寿命和电动车辆的性能需求，亟须开展针对锂电池系统测试使用的动态行驶工况的研究。制定适合我国国情的锂电池系统动态测试工况对于锂电池系统动态性能的测试工况与评价方法具有重要意义，也是在实验室内测试锂电池系统动态工况寿命的基础。本发明以电动车辆运行数据为基础，分析电动车辆运行工况特征，提出一种基于工况运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，现提供一种基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法，对于锂电池系统动态性能的测试工况与评价方法具有重要意义，也为实验室内测试锂电池系统动态工况寿命提供一种测试工况设计方法，该方法该方法以车辆运行中锂电池系统工作电压、电流为输入，计算工况运行功率一时间(P-t)曲线和功率变化率一时间(△P-t)曲线，以工况运行功率幅值和变化率分布及工况运行功率最大值、最小值作为特征值，对P-t曲线和△P-t曲线进行分段，随机选取N个片段得到组合片段，计算组合片段的功率幅值和变化率分布及工况运行功率最大值、最小值，采用均方根误差分析，得到锂电池系统测试工况P_z-t曲线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法：包括以下步骤：

S1：获取原始工况运行数据；

S2：计算原始工况运行数据特征值分布，通过原始工况运行电压、电流数据计算运行曲线每一点的功率幅值得到P-t曲线、△P-t曲线、原始工况运行功率幅值的最大值Pmax及原始工况运行功率幅值的最小值Pmin，其中，P-t曲线为原始工况的功率-时间曲线，△P-t曲线为原始工况的功率变化率-时间曲线；

S3：设置原始工况功率幅值、功率变化率分段区间，统计功率落在每一分段区间内的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A，功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B；

S4：设定所需设计工况长度T_c，并确定小片段长度T_CN，设计工况长度T_c与小片段长度T_CN成整数倍关系，设计工况长度T_c与小片段长度T_CN的比值为设计工况内小片段个数N；

S5：分别将原始工况的P-t曲线及△P-t曲线以小片段长度T_CN分成M份；

S6：从步骤S5中得到的小片段中随机选取N个小片段组合为长度为T_c的设计工况的P′-t曲线和△P′-t曲线；计算P′-t曲线和△P′-t曲线的特征量概率分布：

具体为：按照步骤S3中设置的分段区间，统计功率落在每一分段区间内的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A′，功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B′，设计工况运行内功率幅值的最大值记为Pn1，设计工况运行内功率幅值的最小值记为Pn2；

S7：误差计算，计算原始工况P-t曲线和△P-t曲线分别与设计工况P′-t曲线和△P′-t曲线每一个特征值在每一分段区间概率分布中的误差，计算公式分别为：

然后计算功率幅值均方根误差e_A及功率变化率均方根误差e_B，其中，功率幅值均方根误差e_A及功率变化率均方根误差e_B的计算公式分别如下：

随后以计算公式计算出总误差e；

S8：输出满足总误差要求的设计工况，计算设计工况功率幅值的最大值Pn1与原始工况功率幅值的最大值Pmax的误差，并计算设计工况功率幅值的最小值为Pn2与原始工况运行功率幅值的最小值Pmin的误差，计算公式如下：

w₁＝P_max-P_n1

w₂＝P_min-P_n2

然后以计算公式计算出设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E。

S9：对所有满足总误差e要求的设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E进行排序，取均方根误差E最小值对应的设计工况，作为输出测试工况P_z-t曲线。

进一步地，步骤S2中功率变化率△P_t的计算公式为：

其中，P_t为功率幅值，放电功率为正，制动回馈功率为负；T为原始工况运行数据中电压、电流的采集周期。

本发明以工况运行功率幅值和变化率分布及工况运行功率最大值、最小值作为特征值，以设计工况与原始工况运行的功率幅值和变化率分布的均方根误差为判断标准，以设计工况与原始工况运行的功率最大值、最小值的均方根误差的最小值为最终输出测试工况P_z-t曲线。

本发明的有益效果是：本发明采用设计工况与原始工况运行功率幅值和功率变化率的均方根误差及取设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差最小值的方法，在提高算法效率的同时使输出测试工况P_z-t曲线对于具体车型和运行工况更加适合。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的流程图；

图2是原始工况运行功率P-t曲线图；

图3是原始工况运行功率概率分布图；

图4是原始工况运行功率变化率概率分布图；

图5是设计工况功率幅值均方根误差e_A与功率变化率均方根误差e_B的总误差e柱状图；

图6是设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差的柱状图；

图7是测试工况P_z-t曲线。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法：包括以下步骤：

S1：获取原始工况运行数据，车辆运行中锂电池系统工作电压、电流都随车速变化，而车辆对电池组提出的是功率需求，因而以电池组输出功率作为统计对象是合适的；

S2：计算原始工况运行数据特征值分布，通过原始工况运行电压、电流数据计算运行曲线每一点的功率幅值得到P-t曲线、△P-t曲线、原始工况运行功率幅值的最大值Pmax及原始工况运行功率幅值的最小值Pmin，其中，P-t曲线为原始工况的功率-时间曲线，△P-t曲线为原始工况的功率变化率-时间曲线；

功率变化率△P_t的计算公式为：

其中，P_t为功率幅值，放电功率为正，制动回馈功率为负；T为原始工况运行数据中电压、电流的采集周期，为S(秒)级。

S3：设置原始工况功率幅值、功率变化率分段区间(分段越密集，典型工况曲线越精确，但计算量越大)，统计功率落在每一分段区间内的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A，功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B；

S4：设定所需设计工况长度T_c，并确定小片段长度T_CN，设计工况长度T_c与小片段长度T_CN成整数倍关系，设计工况长度T_c与小片段长度T_CN的比值为设计工况内小片段个数N；

S5：分别将原始工况的P-t曲线及△P-t曲线以小片段长度T_CN分成M份；

S6：从步骤S5中得到的小片段中随机选取N个小片段组合为长度为T_c的设计工况的P′-t曲线和△P′-t曲线，设计工况P′-t曲线为设计工况的功率-时间曲线，△P′-t曲线为设计工况的功率变化率-时间曲线；计算P′-t曲线和△P′-t曲线的特征量概率分布：

具体为：按照步骤S3中设置的分段区间，统计功率落在每一分段区间内的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A′，功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B′，设计工况运行内功率幅值的最大值记为Pn1，设计工况运行内功率幅值的最小值记为Pn2；

S7：误差计算，计算原始工况P-t曲线和△P-t曲线分别与设计工况P′-t曲线和△P′-t曲线每一个特征值在每一分段区间概率分布中的误差，计算公式分别为：

然后计算功率幅值均方根误差e_A及功率变化率均方根误差e_B，其中，功率幅值均方根误差e_A及功率变化率均方根误差e_B的计算公式分别如下：

随后以计算公式计算出总误差e；

S8：输出满足总误差要求的设计工况，为了更准确的反应车辆实际工况运行中的功率需求，对通过功率幅值和功率变化率均方根误差计算得到的设计工况，计算设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E，具体如下：

计算设计工况功率幅值的最大值Pn1与原始工况功率幅值的最大值Pmax的误差，并计算设计工况功率幅值的最小值为Pn2与原始工况运行功率幅值的最小值Pmin的误差，计算公式如下：

w₁＝P_max-P_n1

w₂＝P_min-P_n2

然后以计算公式计算出设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E。

S9：对所有满足总误差e要求的设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E进行排序，取均方根误差E最小值对应的设计工况，作为输出测试工况P_z-t曲线。

本发明实施时详细说明如下：

原始工况运行数据来源于实际运行车辆的工况数据，锂电池系统类型为磷酸铁锂，标称容量为120Ah,3并162串成组；车辆运行中，电池管理系统实时采集的数据包括SOC、总电压及总电流；基于工况运行概率特征的锂电池系统测试工况设计基于MATLAB实现，根据原始工况运行电压、电流值计算得到P-t曲线及原始工况运行功率幅值的最大值Pmax、最小值Pmin，并由功率变化率△P_t的计算公式计算算得到△P-t曲线，附图2为一辆车一天工况运行过程中的数据计算得到的P-t曲线；

设置原始功率幅值、功率变化率分段区间，功率幅值、功率变化率分段区间分别为10Kw和50Kw/s，统计功率和功率变化率落在每一分段区间内的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A、功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B，计算结果如附图3和4所示；

设定所需设计工况长度T_c，小片段长度T_CN，T_CN的确定需综合考虑精度和计算量，并与T_c成整数倍关系；T_c与T_CN的比值为设计工况内小片段个数N，该实施例中T_c的值设为300s，T_CN的值设为15s，因此，小片段个数N的值为20；

分别将原始工况的P-t曲线及△P-t曲线以小片段长度T_CN分成M份，由于该实施例中原始工况运行数据时间长度为6390s，所以M的值为floor(6390/15)＝426份；

在得到的426份小片段中随机选取20个小片段组合成长度为300s的新的功率幅值P′-t曲线和功率变化率△P′-t曲线；随机选取20个小片段组合的方法为：首先采用基于MATLAB的randperm函数对426份小片段随机排序重新组合，然后，对重新组合后的426份小片段顺序提取20个小片段组合成长度为300s的新的功率幅值P′-t曲线和功率变化率△P′-t曲线。

计算P′-t曲线和△P′-t曲线的特征量概率分布，按照上述设置的分段区间，统计落在每一段中的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A′、功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B′、工况运行内功率幅值的最大、最小值分别记为Pn1、Pn2。

误差计算：计算原始工况P-t曲线和△P-t曲线分别与设计工况P′-t曲线和△P′-t曲线每一个特征值在每一分段区间概率分布中的误差，然后计算功率幅值均方根误差e_A及功率变化率均方根误差e_B，随后以计算公式计算出总误差e，结果如附图5所示。

设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E：判断总误差e满足e<2作为满足总误差要求的设计工况，为了更准确的反应车辆实际工况运行中的功率需求，对通过功率幅值和功率变化率均方根误差计算得到的设计工况，计算设计工况功率与原始工况运行功率最大值、最小值的均方根误差，计算结果如附图6所示。

对所有满足总误差e要求的设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E进行排序(升序或降序)，取最小值对应的设计工况，从附图6中可以看出第3个设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E最小，为1.1633，所以第3个设计工况为最终的测试工况P_z-t曲线，最终的测试工况P_z-t曲线如图7所示。

上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：获取原始工况运行数据；

S2：计算原始工况运行数据特征值分布，通过原始工况运行电压、电流数据计算运行曲线每一点的功率幅值得到P-t曲线、△P-t曲线、原始工况运行功率幅值的最大值Pmax及原始工况运行功率幅值的最小值Pmin，其中，P-t曲线为原始工况的功率-时间曲线，△P-t曲线为原始工况的功率变化率-时间曲线；

S3：设置原始工况功率幅值、功率变化率分段区间，统计功率落在每一分段区间内的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A，功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B；

S4：设定所需设计工况长度T_c，并确定小片段长度T_CN，设计工况长度T_c与小片段长度T_CN成整数倍关系，设计工况长度T_c与小片段长度T_CN的比值为设计工况内小片段个数N；

S5：分别将原始工况的P-t曲线及△P-t曲线以小片段长度T_CN分成M份；

S6：从步骤S5中得到的小片段中随机选取N个小片段组合为长度为T_c的设计工况的P′-t曲线和△P′-t曲线；计算P′-t曲线和△P′-t曲线的特征量概率分布：

具体为：按照步骤S3中设置的分段区间，统计功率落在每一分段区间内的时间点个数占总点数的百分比，功率幅值概率分布统计结果记为矩阵A′，功率变化率概率分布统计结果记为矩阵B′，设计工况运行内功率幅值的最大值记为Pn1，设计工况运行内功率幅值的最小值记为Pn2；

S7：误差计算，计算原始工况P-t曲线和△P-t曲线分别与设计工况P′-t曲线和△P′-t曲线每一个特征值在每一分段区间概率分布中的误差，计算公式分别为：

然后计算功率幅值均方根误差e_A及功率变化率均方根误差e_B，其中，功率幅值均方根误差e_A及功率变化率均方根误差e_B的计算公式分别如下：

随后以计算公式计算出总误差e；

S8：输出满足总误差要求的设计工况，计算设计工况功率幅值的最大值Pn1与原始工况功率幅值的最大值Pmax的误差，并计算设计工况功率幅值的最小值为Pn2与原始工况运行功率幅值的最小值Pmin的误差，计算公式如下：

w₁＝P_max-P_n1

w₂＝P_min-P_n2

然后以计算公式计算出设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E。

S9：对所有满足总误差e要求的设计工况与原始工况功率最大值、最小值均方根误差E进行排序，取均方根误差E最小值对应的设计工况，作为输出测试工况P_z-t曲线。

2.根据权利要求1所述的基于运行概率特征的锂电池系统测试工况设计方法，其特征在于：步骤S2中功率变化率△P_t的计算公式为：

其中，P_t为功率幅值，放电功率为正，制动回馈功率为负；T为原始工况运行数据中电压、电流的采集周期。