CN110389302A - 一种锂离子电池组单体间一致性评价方法 - Google Patents

一种锂离子电池组单体间一致性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池组单体间一致性评价方法，属于新能源测控领域。该方法针对锂离子电池组单体间一致性评价目标，提出并构建了一种平衡状态（State of Balance，SOB）评价模型，通过单体电压间均值、方差和变异系数的计算，实现了锂离子电池成组工作过程中平衡状态的有效评价；该方法在各单体电压期望值求取基础上，进行标准差求取以表征其波动性；该方法在标准差求取基础上，通过平方运算进行方差值求取以降低计算过程复杂度；该方法在均值和方差值求取基础上，通过变异系数的计算进行不一致程度的归一化表征；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合平衡状态SOB评价模型构建，实现对锂离子电池组单体电压间的不一致程度描述。

Description

一种锂离子电池组单体间一致性评价方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池组单体间一致性评价方法，该方法针对锂离子电池组单体间一致性评价目标，综合考虑数学表征的准确度和计算复杂度，通过单体电压间均值、方差和变异系数的计算，提出并构建了一种平衡状态（State of Balance，SOB）评价模型，实现了锂离子电池成组工作过程中平衡状态的有效评价；平衡状态SOB评价模型在各单体电压期望值求取基础上，进行标准差求取以表征其波动性；平衡状态SOB评价模型在标准差求取基础上，通过平方运算进行方差值求取以降低计算过程复杂度；平衡状态SOB评价模型在均值和方差值求取基础上，通过变异系数的计算进行不一致程度的归一化表征；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作特性基础上，结合平衡状态SOB评价模型构建，实现对组内单体电压间的不一致程度描述；该方法是一种基于现代控制理论的锂离子电池组单体间一致性评价方法，属于新能源测控领域。
背景技术
锂离子电池组应用过程中，电池单体工作状态间一致性差异的实时监测与评价，对其安全使用至关重要；锂离子电池组利用复杂级联组合结构突破电池单体的电压低和容量小等限制，由于生产制造和使用过程中存在不可避免的单体差异，即出现电池组内部单体间的不平衡现象，使得实际应用中存在安全隐患；因此，需要研究平衡状态的评价方法，并应用于锂离子电池组工作状态实时监测过程中；在锂离子电池组的应用过程中，该不平衡现象会随着时间的积累而增大。
结合环境条件的影响分析，描述单体间不一致状态，解决单体间平衡状态评价模型构建问题，展开各输入参数的影响程度分析，实现各参数对评价过程的权重预设；通过模型参数和权重因子修正，对单体间平衡状态做出可靠数值化评价；开展实验研究获得单体间平衡状态评价过程中的工况环境条件影响因素，深入分析复杂环境条件对单体间平衡状态评价效果的影响；锂离子电池组的电解液浓度、正负极材料和隔膜微孔变化等内部参数无法在线检测；等效电路模型中的欧姆内阻、极化内阻和极化电容等参数也需要通过实验间接测量获得；电压、电流和温度等外部可测参数可实现实时测量，单体间平衡状态SOB的评价可以利用这些参数实现。
针对锂离子电池组单体间一致性评价目标，通过对计算方法进行研究，结合均值、方差和变异系数的计算分析，探索并提出了准确表征锂离子电池组一致性差异的SOB评价模型。
发明内容
本发明的目的是克服现有锂离子电池组单体间一致性评价方法的不足，提供一种锂离子电池组单体间平衡状态评价方法，解决锂离子电池成组应用中单体间差异性的数学描述问题。
本发明主要用于构建锂离子电池组SOB评价模型，通过单体电压间均值、方差和变异系数的计算，实现了锂离子电池成组工作过程中平衡状态的有效评价；该方法在各单体电压期望值求取基础上，进行标准差求取以表征其波动性；该方法在标准差求取基础上，通过平方运算进行方差值求取以降低计算过程复杂度；该方法在均值和方差值求取基础上，通过变异系数的计算进行不一致程度的归一化表征；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作特性基础上，结合平衡状态SOB评价模型构建，实现对锂离子电池组单体电压间的不一致程度描述。
本发明是基于锂离子电池组工作特性分析和现代控制理论研究相结合方式，实现的锂离子电池组单体间一致性评价方法，具有较强的适用性；针对锂离子电池组单体间一致性工作特征描述目标，本发明进行单体间平衡状态评价，实现组内各电池工作状态差异的数学描述；本发明平衡状态SOB评价模型通过基于概率分布的统计学度量计算，结合均值、方差和变异系数的计算过程研究，实现了单体间平衡状态SOB的可靠计算；在组内各电池单体电压期望值求取基础上，进行标准差求取以表征其波动性；在标准差求取基础上，通过平方运算进行方差值求取以降低计算过程复杂度；在均值和方差值求取基础上，通过变异系数的计算进行不一致程度的归一化表征；本发明可对锂离子电池组单体间一致性进行准确描述，具有计算简洁、适应性好和精度高的优点。
附图说明
图1 是本发明锂离子电池组SOB变化示意图。
图2 是本发明的锂离子电池级联成组结构示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的锂离子电池组S-ECM单体间一致性评价方法结合附图作进一步的详细描述；本发明针对锂离子电池成组应用时单体间一致性评价问题，构建锂离子电池组SOB评价模型，通过单体电压间均值、方差和变异系数的计算，实现了锂离子电池成组工作过程中平衡状态的有效评价；平衡状态SOB评价模型在各单体电压期望值求取基础上，进行标准差求取以表征其波动性；平衡状态SOB评价模型在标准差求取基础上，通过平方运算进行方差值求取以降低计算过程复杂度；平衡状态SOB评价模型在均值和方差值求取基础上，通过变异系数的计算进行不一致程度的归一化表征；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合平衡状态SOB评价模型构建，实现对锂离子电池组单体电压间的不一致程度描述，构造单体间一致性评价系统方案；为了更好的体现本发明，在本实施例中仅以航空锂离子电池组为例进行说明，但本领域技术人员应该熟知，根据本发明的技术思想可以实现多种锂离子电池组的单体间一致性评价；以下对锂离子电池组单体间一致性评价方法的实现步骤进行详细说明。
参见图1，本发明的锂离子电池组中各电池单体等效为电动势E 1、E 2、…、E n 和内阻r 1、r 2、…、r n 的串联结构，流经各单体的电流均为I；图中，B1、B2、B3和B4分别表示锂离子电池组内的各电池单体，S1、S2和S3分别描述了新出厂、使用一个月后以及使用三个月后在未进行均衡调节维护状况下的单体可用电量间一致性差异状态；在锂离子电池组的充放电过程中，电池组损失的能量计算过程如下式所示。
(1)
式中，W'表示损失的能量，I表示电池上通过的电流，r i 表示第i只单体电池的内阻，N表示串联单体的总数；结合环境条件的影响修正策略研究，描述单体间不一致状态，解决单体间平衡状态评价模型构建问题，展开各输入参数的影响程度分析，实现各参数对评价过程的权重预设；通过模型参数和权重因子修正，进而对单体间平衡状态做出可靠数值化评价；开展实验研究获得单体间平衡状态评价过程中的环境条件影响因素，深入分析复杂环境条件对单体间平衡状态的影响；锂离子电池组的电解液浓度、正负极材料和隔膜微孔变化等内部参数无法在线检测；等效电路模型中的欧姆内阻、极化内阻和极化电容等参数也需要通过实验间接测量获得；电压、电流和温度等外部可测参数可实现实时测量，单体间平衡状态SOB的评价利用这些参数实现。
参见图2，本发明的锂离子电池组中的内部电池单体互联，采用先并后串组合结构；图中，C1、C2，...，C7表示各电池单体，LIBB表示锂离子电池包，TS表示温度传感器，LIBP表示锂离子电池组；针对单体间平衡状态评价问题，提出数值化描述思路，通过检测电池组内部的各个单体的电压参数，利用各单体电压U c 评价电池组的平衡状态；求取所有单体电压的期望值如下式所示。
(2)
在上述表达式中，U ci 表示第i只电池单体的电压，n表示电池组内部互联的电池单体数目；求取结果E(U c )表示所有内部互联电池单体的电压期望值，亦即平均值；标准差参数δ是差异性评价的重要技术指标，因此，所提出SOB评价过程，采用基于标准差概率分布的度量方法；进而对航空锂离子电池组展开平衡状态评价的实现方法研究，获得量化后的平衡状态评价指标；针对量化后的平衡状态评价获取目标，设定不一致的平衡程度参数SOB，并应用概率统计理论，对其离散程度进行定义；为了简化计算过程，使用标准差参数δ的平方值参与计算，亦即方差参数δ2，其数学描述如下式所示。
(3)
方差δ2用于表征航空锂离子电池组内各单体闭路电压（U c1，U c2，…，U cn ）的波动情况，进而描述电池组单体间电压的不一致性情况；同时，针对参数差异程度分析的评价目标，变异系数θ能够更加准确地描述电压波动的影响程度；其计算过程通过标准差与平均值的比值进行求取，进而获得其数学表达式如下式所示。
(4)
在上述表达式中，δ2用于表示电池组单体间电压差异的方差值，θ用来描述电池组单体电压间的变异系数；U ci 表示测量获得的第i只电池单体的电压值； n表示航空锂离子电池组中内部互联的电池单体的数目，计算各单体间电压的平均值E(U c )；在上述计算过程中，利用统计学里面的方差和变异系数计算，对航空锂离子电池组单体间平衡状态进行表征；方差的变化情况描述了电池单体工作电压的分布状态；使用变异系数来衡量航空锂离子电池组中单体电压观测值的变异程度，通过该参数的引入求取，使得不同电压差异状态下的平衡状态得到描述；在计算过程中，参数θ的求取需进行开方计算将会增加计算过程的复杂度；通过方差和变异系数等评价方法的优缺点对比分析，最终确定变异系数θ平方参数ε来评价其平衡状态的实现思路；其计算过程如下式所示。
(5)
式中，ε用来描述航空锂离子电池组单体电压间的不一致程度，U ci 表示测量获得的第i只单体的电压值，n表示航空锂离子电池组中单体电池的数目；针对航空锂离子电池组充放电过程中的平衡状态值的获取，通过对充放电过程中各个单体电压的实时采样，实现对电池组单体间平衡状态的评价；通过该计算过程实现对单体间差异的数学描述，为其平衡状态的数学表达提供了可量化的参数指标；在计算过程中，单体间差异得到描述，用于表征内部互联的各个电池单体和整个电池组之间的相关关系。
综上所述，本发明针对锂离子电池组单体间一致性评价目标，综合考虑计算复杂性和单体间工作状态差异表征可靠性等问题，提出单体间一致性评价方法，在锂离子电池组的充电、放电以及循环充放电及其他维护过程检测基础上，利用平衡状态SOB评价模型构建，实现对组内单体间一致性的评价，为锂离子电池组储能和供能过程的工作状态监测提供基础。
本发明的以上实施例仅以航空锂离子电池组为例进行了锂离子电池组单体间一致性评价的说明，但可以理解的是，在不脱离本发明精神和范围下本领域技术人员可以对其进行任意的改变和变化。

Claims (5)

1.一种锂离子电池组单体间一致性评价方法，其特征在于，构建了平衡状态（State ofBalance，SOB）评价模型，通过组内电池单体电压间均值、方差和变异系数的计算，实现了锂离子电池成组工作过程中平衡状态的有效评价。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体间一致性评价方法，其特征在于，平衡状态SOB评价模型在各单体电压期望值求取基础上，进行标准差求取以表征其波动性。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体间一致性评价方法，其特征在于，平衡状态SOB评价模型在标准差求取基础上，通过平方运算进行方差值求取以降低计算过程复杂度。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体间一致性评价方法，其特征在于，平衡状态SOB评价模型在均值和方差值求取基础上，通过变异系数的计算进行不一致程度的归一化表征。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组单体间一致性评价方法，其特征在于，该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合平衡状态SOB评价模型构建，实现对锂离子电池组单体电压间不一致程度的数学描述。
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