CN1333262C - 基于小波变换的电动车电池放电终止状态的判定方法 - Google Patents

Abstract

基于小波变换的电动车电池放电终止状态的判定方法涉及电动汽车智能信息处理技术领域。其特征在于，它综合利用固定终止电压法和放电曲线斜率法进行放电终止判定。首先利用固定终止电压法进行预判断，当负载电压低于固定终止电压时启动小波分析模块，利用小波变换对电池的负载电压信号进行分析，用于提取经过平滑后电压信号的斜率突变点，当出现斜率突变点时便终止放电。本发明具有很强的自适应性，对于不同使用环境及不同种类的电池该方法可以自适应地判定出放电终止状态；同时能够有效地克服测量噪声的影响。

Description

基于小波变换的电动车电池放电终止状态的判定方法

技术领域

基于小波变换的电动车电池放电终止状态的判定方法涉及电动汽车智能信息处理技术领域。

背景技术

随着人类环保意识的日渐强烈，汽车领域中越来越多的人将目光投到了零排放的电动车辆上。电池作为电动汽车的主要或辅助动力源，是电动汽车的关键组成部分。如何合理使用电池，充分利用电池组中的能量，延长电池的使用寿命是电动汽车及混合动力汽车进一步发展中所必须解决的问题。为了充分利用电池的能量又要防止电池组中任一电池过放电，对电池放电终止状态的判断必须适时而准确。

目前电动汽车动力电池使用的判断放电终止状态的方法主要有3种：固定终止电压法、放电曲线斜率法和容量累积法。固定终止电压法虽然简单，但在不同放电电流下放电终止电压不同，没有一个统一的标准，而实际电动车动力电池的放电电流是随机变化的，没有一定规律。如果设定统一的放电终止电压，为防止电池在任何工况下过放电，这一电压必定趋于保守(偏高)，影响电池能量的充分利用。放电曲线斜率法是恒流放电试验时使用最多的一种方法。从电池放电曲线上可以看到在电池放电后期，明显存在一个放电曲线(V～t曲线)的斜率突变点(称为“拐点”)，在此点以后电池所能放出的容量很少，且这对于电池的放电及未来的使用也很不经济，可以把此拐点定为电池放电的终止点。现在一般将拐点定为其斜率等于电压-时间曲线平台期斜率10倍处的点。电池在小电流放电时，其电压下降的平台期的斜率很小，放电曲线中斜率为平台期10倍的地方显然与实际的放电终止点相距很远。而大电流放电时，其电压下降的平台期的斜率较大，放电曲线中斜率为平台期10倍的地方，电压下降得非常迅速，已经超过了实际放电的终止值。同时放电曲线斜率的计算受测量噪声的影响很大。容量累积法即记录电池充入及放出的电量，当在一个充放电循环中，两者相等，认为电池放电终止。这一方法除需不断记录电池的充放电历史数据外，还要对容量进行放电电流、电池老化、自放电等修正，过程复杂，一般很少使用。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出了基于小波变换的电动车电池放电终止状态的判定方法。该方法的优点在于具有很强的自适应性，即对于不同使用环境及不同种类的电池该方法可以自适应地判定出放电终止状态；同时该方法能够有效地克服测量噪声的影响。

本发明综合利用固定终止电压法和放电曲线斜率法进行放电终止判定。首先利用固定终止电压法进行预判断，当负载电压低于固定终止电压时启动小波分析模块，利用小波变换对电池的负载电压信号进行分析，用于提取经过平滑后电压信号的斜率突变点，当出现斜率突变点时便终止放电。

本方法的特征在于，它含有由电池管理系统中的中央处理器控制运行的以下步骤：

1)初始化：给定电池的固定终止电压阈值V₀；

          给定负载电压信号经小波变换后极值点的阈值WT_valve；

2)获取电池单体的负载电压信号V(t)；

3)判断V(t)是否低于阈值V₀，当V(t)＜V₀时则进行小波变换，否则继续步骤2)；

4)对V(t)按下式进行小波变换：

$\mathrm{WTx}(a,t)=\frac{1}{a}{\∫}_{R}x\left(t\right)\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{a}\right)\mathrm{d\τ}$

其中R是积分域，为开始进行小波分析的起始时刻至当前采样时刻之间的区域；上式简写为：WT_ax(t)＝x(t)*ψ_a(t)；

x(t)＝V(t)，a为尺度因子，a＝2^j，j为自然数，其范围为2～5；

其中： ${\mathrm{\ψ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\frac{{\mathrm{d\θ}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

${\mathrm{\θ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\mathrm{\θ}\left(\frac{t}{a}\right)$

θ(t)为高斯低通函数， $\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{t^2}{2})$

5)获取变换信号的极值点WT_max：

${\mathrm{WT}}_{\max }=\underset{a,t}{\max }\left\{{\mathrm{WT}}_{a}x\left(t\right)\right\}$

6)判断WT_max是否超过阈值WT_valve，WT_valve的范围为0.2～0.4，当WT_max＞WT_valve时则电池终止放电，否则继续步骤2)。

通过实验证明，本发明所提出的方法具有很强的自适应性，对于不同使用环境及不同种类的电池该方法可以自适应地判定出放电终止状态；同时能够有效地克服测量噪声的影响，达到了预期的目的。

附图说明

图1为基于小波变换的电动车电池放电终止状态的判定方法的流程框图。

图2为发明实施例中放电电流为80A时放电电压信号V(t)。

图3为发明实施例中放电电流为80A时放电电压信号V(t)的小波变换结果(尺度a＝8)。

图4为实现本发明的电池管理系统框图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

结合图1进行说明，其中电池单体的负载电压信号V(t)是从电池管理系统的数据采集模块获得。在利用固定终止电压法进行预判断时，阈值V₀的选取可利用固定终止电压法的实验(恒流放电实验)结论选一个终止电压保守值作为V₀。例如对于镍氢电池域值V₀＝1.1V，对于锂离子电池域值V₀＝2.9V。

当V(t)低于阈值V₀后，启动小波对负载电压V(t)进行分析。

信号x(t)的连续小波变换定义为：

$\mathrm{WTx}(a,t)=\frac{1}{a}{\∫}_{R}x\left(t\right)\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{a}\right)\mathrm{d\τ}---\left(1\right)$

本方法中x(t)对应为负载电压信号V(t)；上式简记为WT_ax(t)＝x(t)*ψ_a(t)，其中*为卷积，a为尺度因子，a＝2^j，j为自然数，j＝2～5； ${\mathrm{\ψ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\mathrm{\ψ}\left(\frac{t}{a}\right)$ 是基本小波Ψ(t)在尺度上的伸缩。

定义θ(t)为高斯低通函数，基本小波ψ(t)选为θ(t)的一阶导数，令 ${\mathrm{\θ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\mathrm{\θ}\left(\frac{t}{a}\right),$ 则

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{t^2}{2})---\left(2\right)$

${\mathrm{\ψ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\frac{{\mathrm{d\θ}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

${\mathrm{WT}}_{a}x\left(t\right)=x\left(t\right)*\frac{1}{a}\frac{d{\mathrm{\θ}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=a\frac{d}{\mathrm{dt}}[x\left(t\right)*{\mathrm{\θ}}_a\left(t\right)]---\left(4\right)$

由上述几式可见，x(t)的小波变换等价于先对x(t)进行低通滤波，然后求导，WT_ax(t)的极值点对应于平滑后信号的拐点，根据放电曲线斜率法，此拐点对应电池终止放电点。

${\mathrm{WT}}_{\max }=\underset{a,t}{\max }\left\{{\mathrm{WT}}_{a}x\left(t\right)\right\}---\left(5\right)$

判断WT_max是否超过阈值WT_valve，WT_valve的范围为0.2～0.4，当WT_max＞WT_valve时则电池管理系统发出报警信息，提示司机操作使得电池终止放电，否则继续下一次测得的负载电压的判断过程。

按照图1的流程对80Ah镍氢电池单体进行1C放电仿真试验，放点电流为80A.图2为从放电开始到放电终止所采集的负载电压V(t)，终止电压阈值取较保守的值V₀＝1.1V，负载电压信号经小波变换后极值点的阈值WT_valve＝0.3，小波变换尺度因子a＝8(j＝3)；具体过程为：从放电开始即实时采集电池的电压信号V(t)，每采集到一个电压即与终止电压阈值V₀＝1.1V进行比较，当V(t)≥V₀时继续下一时刻的采集，当V(t)＜V₀时则启动小波分析模块对V(t)进行小波分析，小波分析按照以下三式进行，尺度因子a＝8.

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{t^2}{2})---\left(6\right)$

${\mathrm{\ψ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\frac{{\mathrm{d\θ}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

${\mathrm{WT}}_{a}x\left(t\right)=x\left(t\right)*\frac{1}{a}\frac{d{\mathrm{\θ}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=a\frac{d}{\mathrm{dt}}[x\left(t\right)*{\mathrm{\θ}}_a\left(t\right)]---\left(8\right)$

式中x(t)对应为负载电压信号V(t)，然后按照下式求取在该尺度下小波变换的极值点，

${\mathrm{WT}}_{\max }=\underset{a,t}{\max }\left\{{\mathrm{WT}}_{a}x\left(t\right)\right\}---\left(9\right)$

判断WT_max是否超过阈值WT_valve＝0.3，当WT_max＞WT_valve时则电池管理系统发出报警信息，提示司机操作使得电池终止放电，否则继续下一时刻的采样和小波分析，直到满足条件WT_max＞WT_valve为止则放电结束。图3为小波变换结果，当V(t)＝1.0V时WT_max＞WT_valve，放电结束，本发明的仿真实验以Matlab软件来进行小波变换，实际应用时可用C语言编程实现。图4为实现本发明的电池管理系统框图。对于本发明，电池管理系统中的数据采集模块实施负载电压信号V(t)的采集，CPU实施小波算法，对电池放电终止状态进行计算和判断，计算和判断所需的参数存储在存储模块中，当达到放电终止状态时电池管理系统通过报警模块发出报警信息，提示司机操作使得电池终止放电。

本发明的优点在于综合了固定终止电压法和放电曲线斜率法进行放电终止判定。克服了固定终止电压法比较保守，不利于充分发挥电池性能的缺点，同时利用小波变换进行放电末期的分析，而在放电初、中期仅用固定终止电压法判断。这样既使得该方法具有很强的自适应性，即对于不同使用环境及不同种类的电池该方法可以自适应地判定出放电终止状态，也有效地克服测量噪声的影响，又部分地降低了小波变换运算量大的劣势。在电池管理系统中数据处理的周期为秒级即可，因此该发明可直接应用于现有的电池管理系统而不需要提高硬件指标，中央处理器一般采用16位单片机即可实现(例如C167CR)。

Claims (1)

1、基于小波变换的电动车电池放电终止状态的判定方法，其特征在于，它含有由电池管理系统中的中央处理器控制运行的以下步骤：

1)初始化：给定电池的固定终止电压阈值V₀；

给定负载电压信号经小波变换后极值点的阈值ET_valve；

2)获取电池单体的负载电压信号V(t)；

3)判断V(t)是否低于阈值V₀，当V(t)＜V₀时则进行小波变换，否则继续步骤2)；

4)对V(t)按下式进行小波变换：

$\mathrm{WTx}(a,t)=\frac{1}{a}{\∫}_R\left(t\right)\mathrm{\ψ}\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{a}\right)\mathrm{d\τ}$

其中R是积分域，为开始进行小波分析的起始时刻至当前采样时刻之间的区域；

上式简写为：WT_ax(t)＝x(t)*ψ_a(t)；

x(t)＝V(t)，a为尺度因子，a＝2^j，j为自然数，其范围为2～5；

其中：

${\mathrm{\ψ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\frac{{\mathrm{d\θ}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

${\mathrm{\θ}}_a\left(t\right)=\frac{1}{a}\mathrm{\θ}\left(\frac{t}{a}\right)$

θ(t)为高斯低通函数， $\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp (-\frac{t^2}{2})$

5)获取变换信号的极值点WT_max：

${\mathrm{WT}}_{\max }=\underset{a,t}{\max }\left\{{\mathrm{WT}}_{a}x\left(t\right)\right\}$

6)判断WT_max是否超过阈值WT_valve。，WT_valve。的范围为0.2～0.4，当WT_max＞WT_valve时则电池终止放电，否则继续步骤2)。

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