CN113540589A - 一种电池温差自适应阈值确定方法及系统 - Google Patents

一种电池温差自适应阈值确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种电池温差自适应阈值确定方法及系统，电池温差自适应阈值确定方法包括：根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态；计算车辆第一次上传数据时间与当前时间之间的时间间隔，如果时间间隔小于等于三个月，则温差阈值为车辆出厂时企业规定的阈值；如果时间间隔大于三个月，根据不同的车辆状态，提取动力电池温度，构建充电、运行和静置状态下的动力电池温度数据库；提取温度差异值构建动力电池温差数据库，并基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度；根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值。本发明还提出一种电池温差自适应阈值确定系统。本发明基于车辆不同状态为动力电池温差确定阈值，提高行车安全性。

Description

一种电池温差自适应阈值确定方法及系统
技术领域
本发明属于动力电池安全领域，具体涉及一种电池温差自适应阈值确定方法及系统。
背景技术
随着新能源汽车的快速发展，车用锂离子动力电池的安全问题得到了广泛关注。目前，整车企业已经具备了提供动力电池单体电池电压和各温度探针温度的能力，并具有一定的动力电池故障监控和安全报警的功能。温度作为动力电池的一个重要表征参数，无论是在静置还是充放电循环的情况下，对电池寿命的影响非常大。根据电池电化学的阿伦尼乌斯定理，电池反应与其温度呈指数关系，在不同的温度下电池的电化学特性很不一样，因此不同温度下的电池单体会表现出明显的差异性，最终导致电池组容量的较快衰减。
当检测到温度差异过大并进行干预可有效降低动力电池故障发生率。目前动力电池温度差异阈值是由整车企业在车辆出厂时确定的，并在车辆的全生命周期中该阈值保持不变。对于运行中的电动汽车，运行工况是复杂多变的，电池参数也是时刻变化的。针对同一车型，考虑到车辆在不同季节、不同地域等运行工况的不同，动力电池的温度必然也会发生改变，根据车辆运行数据准确判断电池温差的变化是非常重要的。如何基于实车运行工况辨识动力电池温差并确定温差自适应阈值对电动汽车安全性能的提升和使用寿命的延长非常重要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中动力电池温度差异阈值没有根据车辆运行工况动态调整的问题，提供一种电池温差自适应阈值确定方法及系统，通过车辆实时数据，划分车辆所属状态并基于不同的状态为动力电池温差确定阈值，提高行车的安全性。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种电池温差自适应阈值确定方法，包括以下步骤：
根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态；
计算车辆第一次上传数据时间与当前时间之间的时间间隔，如果时间间隔小于等于三个月，则温差阈值为车辆出厂时企业规定的阈值；如果时间间隔大于三个月，根据不同的车辆状态，提取动力电池温度，构建充电、运行和静置状态下的动力电池温度数据库；
提取温度差异值构建动力电池温差数据库，并基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度；
根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值。
作为本发明的一种优选方案，所述根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态的步骤如下：
按照国标GB/T 32960《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》，根据电动汽车上传数据，当车辆状态为熄火且充电状态为停车充电时划分为充电状态，当车辆状态为启动且充电状态为行驶充电或未充电状态时划分为运行状态，其余车辆状态均定义为静置状态。
作为本发明的一种优选方案，所述提取温度差异值构建动力电池温差数据库时，首先对动力电池温度数据库中的数据进行清洗；
数据清洗的原则如下：1)如果单体电池温度值列表包含的探针温度数量不等于单体电池温度探针总数，则此帧数据无效；2)如果单体电池温度值列表有效性不为0，表示此帧并非所有温度值都有效，则此帧数据无效；3)如果最高温度值不在有效值-40～210℃范围内，则此帧数据无效；4)如果最低温度值不在有效值-40～210℃范围内，则此帧数据无效。
作为本发明的一种优选方案，所述提取温度差异值构建动力电池温差数据库时，求解动力电池温差数据的具体步骤如下：
假设动力电池有n个单体电池温度探针，第i帧的探针温度向量为Ti1,Ti2,Ti3,Ti4,…,Tin，第i帧的平均温度记为Tim，按照如下公式计算第i帧的平均温度Tim：
Figure BDA0003162777800000031
再计算每一帧最高温度和最低温度与平均温度的差值，如下：
DTih＝Timax-Tim
DTil＝Timin-Tim
式中，Timax和Timin分别代表第i帧的最高温度和最低温度，DTih代表第i帧最高温度与平均温度的差值，DTil代表第i帧最低温度与平均温度的差值。
作为本发明的一种优选方案，所述基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度的具体步骤如下：
首先假设窗口长度为k，即一个滑动窗中包含k帧数据，以当前窗口的起始时刻为第一帧，则这个滑动窗中的温度差异数据库如下：
DT＝[DT1h,DT1l,DT2h,DT2l,DT3h,DT3l,…,DTkh,DTkl]；
温差阈值的确定方法如下：
Figure BDA0003162777800000032
Figure BDA0003162777800000033
Thre＝DTmean+6×DTstd；
以温差阈值稳定性为目标确定滑动窗口的大小，对于连续的10个窗口，若满足：
Threa-Threb≤10％
式中，a＝1,2,3,…,10；b＝1,2,3,…,10；且a≠b；
即任意两个滑动窗口得到的温差阈值相对误差小于等于10％，则该窗口长度满足要求。
作为本发明的一种优选方案，如果任意两个滑动窗口得到的温差阈值相对误差大于10％，则增加窗口长度再次计算任意两个滑动窗口得到的温差阈值，直至满足任意两个滑动窗口得到的温差阈值相对误差小于等于10％。
作为本发明的一种优选方案，所述根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值具体包括：
计算固定滑动窗口动力电池温差数据库中的平均值和标准差，而平均值与6倍的标准差的和即为不同状态下动力电池自适应温差阈值。
本发明还提供一种电池温差自适应阈值确定系统，包括：
状态划分模块，用于根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态；
时间比较模块，用于计算车辆第一次上传数据时间与当前时间之间的时间间隔，如果时间间隔小于等于三个月，则温差阈值为车辆出厂时企业规定的阈值；如果时间间隔大于三个月，根据不同的车辆状态，提取动力电池温度，构建充电、运行和静置状态下的动力电池温度数据库；
动力电池温度数据库构建模块，用于提取温度差异值构建动力电池温差数据库，并基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度；
温差阈值确定模块，根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：该电池温差自适应阈值确定方法围绕电动汽车动力电池温差阈值的确定，在电动汽车上传的实车运行大数据基础之上，建立了车辆状态分类模式，并据此提取了对应状态的动力电池单体电池温度探针的温度值。结合车辆行驶时间，以温差阈值稳定性为目标选取合适的时间窗口长度，并根据时间窗口中每一帧的最高温度、最低温度与平均温度的差值构成温度差异数据库，最后基于拉依达准则确定动力电池温差在线自适应阈值，能够为动力电池的温度一致性提前预警，进而提高行车安全性。
附图说明
图1本发明电池温差自适应阈值确定方法的流程图；
图2本发明基于滑动窗口和拉依达准则确定温差自适应阈值的流程图；
图3本发明基于拉依达准则确定温差阈值示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明电池温差自适应阈值确定方法，包括以下步骤：
(1)首先根据电动汽车上传的数据划分车辆状态，如表1所示；
表1
车辆状态 划分原则
充电 车辆状态为熄火且充电状态为停车充电
运行 车辆状态为启动且充电状态为行驶充电或未充电
静置 除了充电和运行之外的车辆状态
(2)在国家电动汽车大数据平台上可以读取到电动汽车第一次上传数据的时间t0，根据当前时间t与t0之间的时间间隔，如果t-t0≤7879680s，即车辆运行时间小于等于三个月，考虑到数据量较少，无法基于数理统计的方法确定温差自适应阈值，则此时的温度阈值确定为车辆出厂时企业规定的阈值，且不划分车辆状态；如果t-t0＞7879680s，则基于滑动窗口和拉依达准则确定温差自适应阈值，且划分车辆状态。
(3)基于不同的车辆状态，提取动力电池温度相关数据，首先由于存在丢帧和通讯异常等问题，需要对原始温度数据进行预处理，预处理原则包括以下四条：1)如果单体电池温度值列表包含的探针温度数量不等于单体电池温度探针总数，则此帧数据无效；2)如果单体电池温度值列表有效性不为0，表示此帧并非所有温度值都有效，故此帧数据无效；3)如果最高温度值不在有效值-40～210℃范围内，则此帧数据无效；4)如果最低温度值不在有效值-40～210℃范围内，则此帧数据无效。完成数据清洗之后针对三种车辆状态构建对应的动力电池温度数据库，具体地，包括每一帧每个温度探针的温度、最高温度、最低温度等。
(4)参见图2，基于三种车辆状态对应的动力电池温度数据库，分别计算三种车辆状态下每一帧的平均温度，然后计算每一帧的最高温度、最低温度与平均温度的差值，构建不同车辆状态下的温差数据库。采用滑动窗口法基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值。首先设置滑动窗口初始长度为1000帧，得到每个滑动窗口的温差数据库，求出均值和标准差，依据拉依达准则确定温差阈值。计算连续十个滑动窗口的温度阈值，如果任意两个滑动窗口的温差阈值小于等于10％，则滑动窗口的长度确定为初始长度，反之长度为初始长度加100帧，重复上述操作，直到满足要求，求出滑动窗口的长度。
(5)求出滑动窗口的长度之后，基于拉依达准则计算电动汽车动力电池的温差自适应阈值，参见图3。拉依达准则适用于大样本数据集，特别是针对数据平台的大量电池运行数据，可以利用拉依达准则剔除含有粗大误差的原始数据。在正态分布中μ代表均值，σ代表标准差，x＝μ即为图像的对称轴。数值分布在置信区间(μ-σ，μ+σ)中的概率为68.27％；数值分布在置信区间(μ-2σ，μ+2σ)中的概率为95.45％；数值分布在置信区间(μ-3σ，μ+3σ)中的概率为99.73％，而超出这个范围的可能性仅占不到0.3％，概率很小，所以一旦数据超出该置信区间，即可认为该数据为异常数据。由于本发明采用的是每一帧的最高温度和最低温度分别减去平均温度得到的温差数据库，相比于传统的采用最高温度与最低温度的差值得到的数据库，本发明的数据更偏向正态分布，因而可以基于拉依达准则确定温差阈值，具体的方法为计算固定滑动窗口温度差异数据库中的平均值和标准差，而平均值与6倍的标准差的和即为所定义的动力电池温差自适应阈值。
一种电池温差自适应阈值确定系统，包括：
状态划分模块，用于根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态；
时间比较模块，用于计算车辆第一次上传数据时间与当前时间之间的时间间隔，如果时间间隔小于等于三个月，则温差阈值为车辆出厂时企业规定的阈值；如果时间间隔大于三个月，根据不同的车辆状态，提取动力电池温度，构建充电、运行和静置状态下的动力电池温度数据库；
动力电池温度数据库构建模块，用于提取温度差异值构建动力电池温差数据库，并基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度；
温差阈值确定模块，根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值。
对于运行中的电动汽车，运行工况是复杂多变的，电池参数也是时刻变化的，本发明不需要动力电池经纬度、海拔等地理信息也不需要季节等信息，仅从动力电池的温度数据就可以基于车辆的实时运行状态得到温差自适应阈值。考虑到车辆不同状态下的温度范围差异较大，故本发明立足于不同的车辆状态确定了相对应的温差阈值，与传统的车辆出厂时定义的不区分车辆状态的温差阈值相比更贴近实际情况，可为车辆电池管理系统的控制策略制定和故障诊断提供理论和数据支撑。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池温差自适应阈值确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态；
计算车辆第一次上传数据时间与当前时间之间的时间间隔，如果时间间隔小于等于三个月，则温差阈值为车辆出厂时企业规定的阈值；如果时间间隔大于三个月，根据不同的车辆状态，提取动力电池温度，构建充电、运行和静置状态下的动力电池温度数据库；
提取温度差异值构建动力电池温差数据库，并基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度；
根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值。
2.根据权利要求1所述的电池温差自适应阈值确定方法，其特征在于，所述根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态的步骤如下：
按照国标GB/T 32960《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》，根据电动汽车上传数据，当车辆状态为熄火且充电状态为停车充电时划分为充电状态，当车辆状态为启动且充电状态为行驶充电或未充电状态时划分为运行状态，其余车辆状态均定义为静置状态。
3.根据权利要求1所述的电池温差自适应阈值确定方法，其特征在于：所述提取温度差异值构建动力电池温差数据库时，首先对动力电池温度数据库中的数据进行清洗；
数据清洗的原则如下：1)如果单体电池温度值列表包含的探针温度数量不等于单体电池温度探针总数，则此帧数据无效；2)如果单体电池温度值列表有效性不为0，表示此帧并非所有温度值都有效，则此帧数据无效；3)如果最高温度值不在有效值-40～210℃范围内，则此帧数据无效；4)如果最低温度值不在有效值-40～210℃范围内，则此帧数据无效。
4.根据权利要求1所述的电池温差自适应阈值确定方法，其特征在于，所述提取温度差异值构建动力电池温差数据库时，求解动力电池温差数据的具体步骤如下：
假设动力电池有n个单体电池温度探针，第i帧的探针温度向量为Ti1,Ti2,Ti3,Ti4,…,Tin，第i帧的平均温度记为Tim，按照如下公式计算第i帧的平均温度Tim：
Figure FDA0003162777790000021
再计算第i帧最高温度和最低温度与平均温度的差值，如下：
DTih＝Timax-Tim
DTil＝Timin-Tim
式中，Timax和Timin分别代表第i帧的最高温度和最低温度，DTih代表第i帧最高温度与平均温度的差值，DTil代表第i帧最低温度与平均温度的差值。
5.根据权利要求1所述的电池温差自适应阈值确定方法，其特征在于，所述基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度的具体步骤如下：
首先假设窗口长度为k，即一个滑动窗中包含k帧数据，以当前窗口的起始时刻为第一帧，则这个滑动窗中的温度差异数据库如下：
DT＝[DT1h,DT1l,DT2h,DT2l,DT3h,DT3l,…,DTkh,DTkl]；
温差阈值的确定方法如下：
Figure FDA0003162777790000022
Figure FDA0003162777790000023
Thre＝DTmean+6×DTstd；
以温差阈值稳定性为目标确定滑动窗口的大小，对于连续的10个窗口，若满足：
Threa-Threb≤10％
式中，a＝1,2,3,…,10；b＝1,2,3,…,10；且a≠b；
即任意两个滑动窗口得到的温差阈值相对误差小于等于10％，则该窗口长度满足要求。
6.根据权利要求5所述的电池温差自适应阈值确定方法，其特征在于：如果任意两个滑动窗口得到的温差阈值相对误差大于10％，则增加窗口长度再次计算任意两个滑动窗口得到的温差阈值，直至满足任意两个滑动窗口得到的温差阈值相对误差小于等于10％。
7.根据权利要求1所述的电池温差自适应阈值确定方法，其特征在于，所述根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值具体包括：
计算固定滑动窗口动力电池温差数据库中的平均值和标准差，而平均值与6倍的标准差的和即为不同状态下动力电池自适应温差阈值。
8.一种电池温差自适应阈值确定系统，其特征在于，包括：
状态划分模块，用于根据电动汽车上传数据，将车辆状态划分为充电、运行和静置状态；
时间比较模块，用于计算车辆第一次上传数据时间与当前时间之间的时间间隔，如果时间间隔小于等于三个月，则温差阈值为车辆出厂时企业规定的阈值；如果时间间隔大于三个月，根据不同的车辆状态，提取动力电池温度，构建充电、运行和静置状态下的动力电池温度数据库；
动力电池温度数据库构建模块，用于提取温度差异值构建动力电池温差数据库，并基于温差阈值稳定性确定滑动窗窗口长度；
温差阈值确定模块，根据滑动窗窗口长度基于拉依达准则确定不同状态下的温差阈值。
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