CN115972978A - 基于电池容量一致性分析的电池均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，属于电池领域，所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法包括数据采集、数据预处理；对电池容量与温度和老化时间的关联性进行分析；对电池充放电过程进行均衡。本发明在对电池容量进行一致性分析时，考虑到了电池的使用寿命对电池的容量的影响，并且将电池的实际使用温度对电池容量的影响也考虑在内，从而得到了更为精确的电池容量，并进行电池容量一致性分析后，在对电池充放电过程进行均衡。提高了电池的容量判断准确率和均衡效率。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，更具体的说涉及基于电池容量一致性分析的电池均衡方法。
背景技术
纯电动汽车的功能系统中，由于局限于单体锂电池的电压和容量，必须将成百节的电池单体串并联形成电池组，给纯电动汽车提供足够的功率和能量以满足其加速爬坡和续航里程的要求。如果电池单体间不存在差异，那么纯电动汽车的电池组和电池单体在使用寿命和安全性上是一致的。然而，由于制造工艺的不一致和使用过程环境的不一致，电池单体间总是存在不一致性。电池单体在电池成组后，其能量密度，耐久性和安全性等性能都会因为电池单体间的不一致性而下降。成组的电池单体间不一致性在使用过程中扩大会造成电池组容量和功率的下降，可能进一步导致安全问题。为了避免这一问题，除了在成组前对电池进行筛选以保证成组电池单体间有较好的一致性外，采用在线电池单体均衡技术是防止不一致性在使用过程中扩大的有效手段。
在对电池进行均衡时，由于电池的老化时间以及电池使用环境的温度影响，会对电池的容量造成衰减，现有的电池均衡方法，虽然有一部分考虑到了温度对电池容量造成的影响，但是都是凭借经验给出的一个衰减固定值，没有对电池的容量衰减与电池温度-老化时间给出一个定量的关系。就会造成电池的均衡过程中始终会存在一定的误差。
发明内容
本发明通过对电池容量与温度以及老化时间给出了一个定量的分析，从而能够精确的计算出电池实际容量的大小，在根据电池实际容量的大小进行电池均衡。从而使得电池的均衡过程能够更加准确，避免了以往均衡方法中对电池实际容量的估算误差，带来的均衡过程中的误差影响。
为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法包括：
步骤1、数据采集、数据预处理；
步骤2、对电池容量与温度和老化时间的关联性进行分析；
步骤3、对电池充放电过程进行均衡。
进一步地，在所述步骤1中所述数据采集包括进行均衡动作前各单体电池的开路电压、均衡过程中各电池的工作电压、均衡过程中电池中流过的电流以及单体电池的型号及其对应的OCV-SOC曲线。
所述的数据预处理包括1）数据字段标准化处理；2）缺失值处理；3）坏点处理；4）数据片段切割。
进一步地，所述步骤2包括1）对电池IC曲线求解以及对电池总电压-总容量数据进行处理；2）计算温度以及老化时间对电池容量的影响，通过对1）和2）的计算，完成电池容量与温度和老化时间的关联性分析。
进一步地，所述的对电池IC曲线求解以及对电池总电压-总容量数据进行处理：
首先是采用基于多项式滤波电池IC曲线求解；然后对电池总电压-总容量数据进行处理；
在平面直角坐标系中，通过使用k阶多项式曲线拟合一组实验数据，再基于最小二乘法求解拟合残差，计算得到第i阶拟合系数，实测数据n=2m+1个，为；
即：
（1）
其中，为实际数据，为拟合系数矩阵，为拟合残差矩阵，m为被测电池数量，求取最小二乘残差为：
（2）
最后求解系数矩阵：
（3）。
进一步地，所述的计算温度以及老化时间对电池容量的影响：
引入温度-老化时间补偿，具体判断方法如下公式（4）：
（4）
其中，是电池的实际容量,i表示单体电池的序号，为设定好的短时充电时间，为已知量，是充电过程SOC的变化量，根据充电起止时的开路电压来计算获得；为常数，为电池绝对温度，R为气体常数，为活化能，t为电池使用的天数，即电池老化时间，为寿命尺度；
在工作过程中电池的当前电荷状态SOC值计算方法如下：
（5）
式中，表示电池在t时刻的SOC值，i表示单体电池的序号，表示t0时刻的电池SOC值，为初始SOC值，由开路电压法获取；表示电池的充放电的库伦效率，为电池工作过程中的电流。
进一步地，所述的步骤3、对电池充放电过程进行均衡，包括充电过程中的均衡方法以及放电过程中的均衡方法。
进一步地，所述的充电过程中的均衡方法，具体采用以下方法实现的：
各电池当前电量的平均值：
（6）
各电池平均剩余可充容量：
（7）
各电池均衡过程中各自转移的电量：
（8）
对于给定的充电时间t，电池i的充电均衡电流：
（9）
对各转移量的数值进行相加对总的转移电量的值进行衡量，因此均衡过程中总转移电量为：
（10）
最大理论充电均衡电流：
（11）
得到最终均衡电流计算极值：
工作电压，电池在t时刻的荷电状态，实际容量，i表示单体电池的序号，用于区分各量，N表示电池组数量；充电过程均衡截止系数为K1，放电过程均衡截止系数为K2，安全裕度系数K3。
进一步地，所述的放电过程中的均衡方法，具体采用以下方法实现的：
各电池至放电截止可放出电量平均值：
（12）
电池i的放电转移电量：
（13）
电池i的放电均衡电流：
（14）
总转移电量：
（15）
放电均衡计算电流：
（16）
最终放电均衡过程均衡电流极值：
；
工作电压，电池在t时刻的荷电状态，实际容量，i表示单体电池的序号，用于区分各量，N表示电池组数量；充电过程均衡截止系数为K1，放电过程均衡截止系数为K2，安全裕度系数K3。
本发明有益效果：
本发明通过对电池容量与温度以及老化时间给出了一个定量的分析，从而能够精确的计算出电池实际容量的大小，在根据电池实际容量的大小进行电池均衡。从而使得电池的均衡过程能够更加准确，避免了以往均衡方法中对电池实际容量的估算误差，带来的均衡过程中的误差影响。
附图说明
图1为本发明一个实施例的总的算法流程图；
图2为本发明一个实施例的步骤3中的电池均衡算法流程图；
图3为本发明一个实施例的电池老化机理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本发明所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例一：
如图1-图3所示，构建基于电池容量一致性分析的电池均衡方法包括：
步骤1、数据采集、数据预处理；
所述的步骤1、数据采集、数据预处理；
所述的数据采集包括进行均衡动作前各单体电池的开路电压、均衡过程中各电池的工作电压、均衡过程中电池中流过的电流以及单体电池的型号及其对应的OCV-SOC曲线。
1）数据字段标准化处理；根据实际数据分析需求，需要对初始数据字段进行初步筛选，舍弃“电池包编号”、“动力电池包个数”、“动力电池包编号长度”、“动力电池系统序号”和“动力电池单体总数”等电池编号和数量信息，只保留时间、电压、电流和温度相关字段。
2）缺失值处理；所使用的数据属于时序性数据，缺失机制为随机缺失和非随机缺失，由于数据缺失方式较多（单个缺失、单行缺失、多行缺失等），需要采取多种方法对应填充，具体的填充策略为：当第i行数据第j个字段出现缺失值，首先判断缺失数据行时间是否连续，然后分析缺失时间段（多行缺失）。如果时间数据保持连续性，并且缺失数据时间跨度小于30s（三行数据），不管出现多少个缺失值（包括整行缺失），都采用插值法填补。具体步骤为：选择缺失值附近10个点（默认使用第i-5行至第i+5行数据，如果缺失值在数据开始或结束附近）采用牛顿插值法填充。但如果时间不连续，或者缺失时间大于30s，则采用删除法直接将整行数据删除。
3）坏点处理；电池电压、电流和温度等数据都是通过传感器测量得到，在数据处理中发现，这些电池电压和温度会出现一些明显的异常数值。这可能是传感器发生故障导致个别测量数值异常，这些明显不符合常理的数据称为坏点，可以通过经验将其剔除。
4）数据片段切割：
由于坏点数一般较少，而且坏点与前后数据相差较大，可以直接作图，根据图片上突变较大处识别坏点，并将其剔除。由于电动汽车行驶时间跨度长，数据总量庞大，直接对全部数据进行所有操作是不合理也不现实的，而且后续需要对电池充放电状态单独分析，因此，需要将总数据划分为片段数据。根据电池充放电状态，通过数据切割提取电池每一次充放电片段，方便后续分析。本文所使用的数据中包含有“电池充放电状态”字段，其中1代表充电，2代表放电，搁置状态不记录数据。
步骤2、对电池容量与温度和老化时间的关联性进行分析；
1）首先采用基于多项式滤波电池IC曲线求解；然后对电池总电压-总容量数据进行处理；在实际数据处理中，为了减少数据噪声影响，平滑IC曲线，采用对原始数据采用多项式滤波公式求解微分曲线。可以直接处理时域上数据的滤波问题，降低时间成本，而且求解精度较高。
在平面直角坐标系中，通过使用k阶多项式曲线拟合一组实验数据，再基于最小二乘法求解拟合残差，计算得到第i阶拟合系数，有实测数据n=2m+1个，为，则拟合矩阵可表示为：
即：
（1）
其中，为实际数据，为拟合系数矩阵，为拟合残差矩阵，m为被测电池数量，求取最小二乘残差为：
（2）
最后求解系数矩阵：
（3）
基于多项式滤波法能有效抑制噪声，获得相对较为平滑的IC曲线，曲线特征峰位置相对容易辨别，有助于进一步分析。
2）计算温度以及老化时间对电池容量的影响：
由于电池容量会受到温度和老化时间的影响，因此电池容量在不同温度和老化时间下是不一样的，为在后续的电池均衡中达到好的均衡效果，引入温度-老化时间补偿，对电池的实际容量做出更准确的判断，具体判断方法如下公式（4）：
（4）
其中，是电池的实际容量，i表示单体电池的序号，为设定好的短时充电时间，为已知量，是充电过程SOC的变化量，根据充电起止时的开路电压来计算获得；为常数，为电池绝对温度，R为气体常数，为活化能，t为电池使用的天数，即电池老化时间，为寿命尺度。
在工作过程中电池的当前电荷状态SOC值计算方法如下：
（5）
式中，表示电池在t时刻的SOC值，i表示单体电池的序号，表示t0时刻的电池SOC值，为初始SOC值，由开路电压法获取；表示电池的充放电的库伦效率，为电池工作过程中的电流。在小于3C的充放电倍率下，充电过程中通常取0.98~1，放电过程一般取1。
步骤3、对电池充放电过程进行均衡。
采用以下具体方法：算法计算中默认在相同电流激励下，各电池的SOC变化率相同，但由于实际容量有所差别，故各电池同时间段内实际变化的能量有所差别。因此采取实际可用容量作为均衡截止的判断条件，同时为了防止均衡过程中电池出现过充、过放的现象，故在充放电末期留出一定空余容量作为充放电缓冲区，在电池容量达到这一区域内时，停止均衡动作，只进行充放电直至电量充满或完全释放。工作电压，电池在t时刻的荷电状态，实际容量论上应该相互之间有所差异，i表示单体电池的序号，用于区分各量；充电过程均衡截止系数为K1，放电过程均衡截止系数为K2，安全裕度系数K3；对于流经电路中的均衡电流规模一般规定不大于0.2C的充放电倍率。
（1）充电过程中的均衡方法：
充电均衡过程中电池电量变化主要来源是外部电源对与电池容量的补充，所以其变化量主要取决于电池的剩余可充容量，且由于均衡过程只转移能量，并不消耗或者提供能量，故整个充电均衡过程中外部电源对每个单体电池提供的电量平均值等于平均剩余可充入容量，均衡动作主要是针对各单体剩余可充入容量与平均值的差进行比较判断，对于剩余容量较多的单体进行能量输送，对于剩余容量较少的单体进行能量转移。
各电池当前电量的平均值：
（6）
各电池平均剩余可充容量：
（7）
各电池均衡过程中各自转移的电量，该值为正表明单体电池剩余可充容量大于平均值，在充电均衡过程中需要从电池组吸收能量；该值为负表明单体电池剩余可充容量小于平均值，在充电均衡过程中需要向电池组释放能量。
（8）
对于给定的充电时间t，电池i的充电均衡电流：
（9）
转移过程中各电池转移电量的数学累加和为0，表明均衡过程只对能量进行转移，并不消耗或者提供额外能量。对各转移量的数值进行相加可以对总的转移电量的值进行衡量，因此均衡过程中总转移电量为：
（10）
对于均衡电流最值的计算采取极端情况进行计算，即所有转移电量均向一个单体电池转移。最大理论充电均衡电流：
（11）
得到最大理论均衡电流后与规定的0.2C电流约束进行比较，若大于0.2C，则需要调整K1，重新计算各个参数的值并再次比较判断，直至符合约束要求。此时求出各单体电池均衡电流的最大值，为了实际应用安全需求，N表示电池组数量，需要加入一个裕度系数K3。一般取1.1或1.2倍作为裕量，在此基础上计算得到最终均衡电流计算极值：
（2）放电过程的均衡：
各电池至放电截止可放出电量平均值：
（12）
电池i的放电转移电量：
（13）
电池i的放电均衡电流：
（14）
总转移电量：
（15）
放电均衡计算电流：
（16）。
同充电过程一样，对最大理论放电均衡电流计算值进行约束判断，若不满足0.2C放电倍率要求，则调整K2后重新计算各个参数再次进行约束检验，直至符合要求，之后分别计算各个单体电池的均衡电流，并求出最大值。加上安全裕度系数K3后，得到最终放电均衡过程均衡电流极值。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read Only Memory，ROM) 或随机存储记忆体(RandomABBessMemory，RAM) 等。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法包括：
步骤1、数据采集、数据预处理；
步骤2、对电池容量与温度和老化时间的关联性进行分析；
步骤3、对电池充放电过程进行均衡。
2.根据权利要求1所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：在所述步骤1中所述数据采集包括进行均衡动作前各单体电池的开路电压、均衡过程中各电池的工作电压、均衡过程中电池中流过的电流以及单体电池的型号及其对应的OCV-SOC曲线；所述的数据预处理包括1）数据字段标准化处理；2）缺失值处理；3）坏点处理；4）数据片段切割。
3.根据权利要求1所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：所述步骤2包括1）对电池IC曲线求解以及对电池总电压-总容量数据进行处理；2）计算温度以及老化时间对电池容量的影响，通过对1）和2）的计算，完成电池容量与温度和老化时间的关联性分析。
4.根据权利要求3所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：所述1）对电池IC曲线求解以及对电池总电压-总容量数据进行处理：
首先是采用基于多项式滤波电池IC曲线求解；然后对电池总电压-总容量数据进行处理；
在平面直角坐标系中，通过使用k阶多项式曲线拟合一组实验数据，再基于最小二乘法求解拟合残差，计算得到第i阶拟合系数，实测数据n=2m+1个，为；
即：
（1）
其中，为实际数据，为拟合系数矩阵，为拟合残差矩阵，m为被测电池数量，求取最小二乘残差为：
（2）
最后求解系数矩阵：
（3）。
5.根据权利要求3所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：所述2）计算温度以及老化时间对电池容量的影响：
引入温度-老化时间补偿，具体判断方法如下公式（4）：
（4）
其中，是电池的实际容量,i表示单体电池的序号，为设定好的短时充电时间，为已知量，是充电过程SOC的变化量，根据充电起止时的开路电压来计算获得；为常数，为电池绝对温度，R为气体常数，为活化能，t为电池使用的天数，即电池老化时间，为寿命尺度；
在工作过程中电池的当前电荷状态SOC值计算方法如下：
（5）
式中，表示电池在t时刻的SOC值，i表示单体电池的序号，表示t0时刻的电池SOC值，为初始SOC值，由开路电压法获取；表示电池的充放电的库伦效率，为电池工作过程中的电流。
6.根据权利要求1所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：所述的步骤3包括充电过程中的均衡方法以及放电过程中的均衡方法。
7.根据权利要求6所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：所述的充电过程中的均衡方法，具体采用以下方法实现的：
各电池当前电量的平均值：
（6）
各电池平均剩余可充容量：
（7）
各电池均衡过程中各自转移的电量：
（8）
对于给定的充电时间t，电池i的充电均衡电流：
（9）
对各转移量的数值进行相加对总的转移电量的值进行衡量，因此均衡过程中总转移电量为：
（10）
最大理论充电均衡电流：
（11）
得到最终均衡电流计算极值：
；
工作电压，电池在t时刻的荷电状态，实际容量，i表示单体电池的序号，用于区分各量，N表示电池组数量；充电过程均衡截止系数为K1，放电过程均衡截止系数为K2，安全裕度系数K3。
8.根据权利要求6所述的基于电池容量一致性分析的电池均衡方法，其特征在于：所述的放电过程中的均衡方法，具体采用以下方法实现的：
各电池至放电截止可放出电量平均值：
（12）
电池i的放电转移电量：
（13）
电池i的放电均衡电流：
（14）
总转移电量：
（15）
放电均衡计算电流：
（16）
最终放电均衡过程均衡电流极值：
；
工作电压，电池在t时刻的荷电状态，实际容量，i表示单体电池的序号，用于区分各量，N表示电池组数量；充电过程均衡截止系数为K1，放电过程均衡截止系数为K2，安全裕度系数K3。
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