本發(fā)明涉及一種鋰電池退化鑒別方法及退化報(bào)警系統(tǒng)，屬于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展伴隨著環(huán)境的惡化和能源緊缺等問題的發(fā)生，環(huán)保和能源危機(jī)越來越制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各國(guó)紛紛尋求清潔能源的出口。鋰電池作為一種清潔能源，越來越多地應(yīng)用于人民的生產(chǎn)與生活中。安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行是鋰電池管理的原則。在電池管理系統(tǒng)(BMS)中，電池退化程度檢測(cè)即鑒別電池受損程度和老化程度是電池管理技術(shù)的瓶頸。及時(shí)了解和掌握電池組的退化程度和老化程度，可以及時(shí)更換的電池，避免不必要的安全事故。

目前電池的老化與壽命的鑒定，通常使用循環(huán)次數(shù)作為依據(jù)。而循環(huán)壽命通常達(dá)到上千次甚至萬次，如此的“循環(huán)次數(shù)”很難在短時(shí)間內(nèi)得到印證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中電池的老化與壽命的鑒定方法和系統(tǒng)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種鋰電池退化鑒別方法及退化報(bào)警系統(tǒng)，通過一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，快速得出電池衰減指數(shù)，從而鑒別電池退化程度，并且當(dāng)退化達(dá)到閾值，進(jìn)行報(bào)警。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種鋰電池退化鑒別方法，采用數(shù)組離散程度的分析方法，將若干參考物理量作為一個(gè)數(shù)組，對(duì)該數(shù)組進(jìn)行離散程度鑒別，所述物理量包括電池的開路電壓與電池的環(huán)境溫度、電池的放電倍率、可放出的容量。

進(jìn)一步，在應(yīng)用離散度分析時(shí)，考慮參與數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，將各參考物理量進(jìn)行如下變異：

時(shí)間變異系數(shù)＝實(shí)際放電時(shí)間/0.2C倍率下放電時(shí)間；

容量變異系數(shù)＝實(shí)際容量/標(biāo)稱容量；

開路電壓變異系數(shù)＝實(shí)際開路電壓/額定電壓；

溫度變異系數(shù)＝實(shí)際溫度/20℃；

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各物理量在退化中所起的作用，再乘以相應(yīng)系數(shù)。

進(jìn)一步，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行退化系數(shù)估算，包括如下步驟：

步驟1：建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的模糊推理系統(tǒng)采用Sugeno型模糊模型，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立FIS；根據(jù)鋰離子電池外部特性參數(shù)分析，篩選出放電時(shí)間t_放、放出容量Q_放、開路電壓U_k、環(huán)境溫度T作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，模型的輸出為鋰離子電池的退化程度描述參數(shù)，即退化系數(shù)β：

β＝f(t_放，Q_放，U_k，T)

式中，t_放表示放電時(shí)間；Q_放表示放出容量；U_k表示開路電壓；T表示環(huán)境溫度；β是在0～1之間的數(shù)值，當(dāng)β接近于0，則電池退化程度較輕；當(dāng)β接近于1，則電池退化程度嚴(yán)重。

步驟2：模型訓(xùn)練與仿真驗(yàn)證；

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為兩組，即訓(xùn)練組和檢驗(yàn)組，用訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練輸入，以訓(xùn)練系統(tǒng)模型，設(shè)置訓(xùn)練的步長(zhǎng)進(jìn)行訓(xùn)練，搭建仿真模型；將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別作為模型的輸入，分別得到相應(yīng)日期鋰離子電池的退化系數(shù)。

一種鋰電池退化報(bào)警系統(tǒng)，包括上位機(jī)、通信接口和下位機(jī)，系統(tǒng)由檢測(cè)裝置對(duì)工作的電池或電池組的電流、電壓、溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)放電平均電流與放電時(shí)間累積計(jì)算出放出容量、放電之前的開路電壓、環(huán)境溫度；送上位機(jī)進(jìn)行退化系數(shù)計(jì)算，將計(jì)算值送回下位機(jī)，如果退化系數(shù)超過閾值，發(fā)出報(bào)警。

進(jìn)一步，下位機(jī)的外圍電路包括電流檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、溫度檢測(cè)單元、時(shí)鐘采集單元、串口通信單元、電源單元、顯示單元、報(bào)警單元；所述電流檢測(cè)單元采集的電流信息以及電壓檢測(cè)單元檢測(cè)的電壓信息通過A/D轉(zhuǎn)換單元傳送至下位機(jī)，所述溫度檢測(cè)單元檢測(cè)的溫度信息和時(shí)鐘采集單元采集的時(shí)間信息傳送至下位機(jī)，所述串口通信單元和電源單元?jiǎng)e連接至下位機(jī)，下位機(jī)的信息分別傳送至顯示單元和報(bào)警單元。

進(jìn)一步，包括電流檢測(cè)與容量計(jì)算以及通訊與退化系數(shù)計(jì)算；

所述電流檢測(cè)與容量計(jì)算包括如下步驟：

第一步，電流檢測(cè)子程序開始；

第二步，當(dāng)電流超過上限時(shí)，返回上一級(jí)主程序；當(dāng)電流未超過上限時(shí)，進(jìn)行電量累計(jì)計(jì)算，計(jì)算完畢后返回上一級(jí)主程序；

所述通訊與退化系數(shù)計(jì)算包括如下步驟：

第一步，串口初始化；

第二步，向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令；

第三步，如果數(shù)據(jù)接收結(jié)束，則數(shù)據(jù)入庫，調(diào)用MATLAB的退化模型程序，判斷退化系數(shù)是否不小于閾值，如果是大于或等于閾值，則向下位機(jī)發(fā)送報(bào)警命令，如果不是大于或等于閾值，則返回至第二步；如果仍在接收數(shù)據(jù)，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)；

第四步，返回第二步，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)直至通訊與退化系數(shù)計(jì)算完畢。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明通過建立鋰電池的退化數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和離散理論，設(shè)立電池衰減系數(shù)。通過對(duì)電池相關(guān)參數(shù)的分析，計(jì)算出電池的退化系數(shù)，從而分析出電池退化與老化程度。為電池的快速充電電路、均衡電路以及管理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)提供快速的評(píng)價(jià)與鑒定，也為電池的梯級(jí)利用、壽命極限替換提供依據(jù)。本發(fā)明適合將該模型嵌入到目前已有的其他電池管理系統(tǒng)中，以評(píng)價(jià)電池狀態(tài)和預(yù)測(cè)老化，及時(shí)報(bào)警以避免用戶損失。

附圖說明

圖1是自適應(yīng)神經(jīng)模糊Sugeno模型。

圖2是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)。

圖3是訓(xùn)練結(jié)果。

圖4是退化仿真模型。

圖5是四組電池退化系數(shù)跟蹤情況。

圖6是退化報(bào)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖7是下位機(jī)與外圍電路。

圖8是電流檢測(cè)與容量計(jì)算子程序流程圖。

圖9是通訊與退化系數(shù)計(jì)算報(bào)警流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)的基本思路如下：

電池退化程度State of Degeneration(英文縮寫SOD)通常可以從電池的開路電壓與電池的環(huán)境溫度、電池的放電倍率、可放出的容量等參數(shù)綜合分析判斷。但是，以上幾種因素相互之間耦合性很強(qiáng)，而且難以剝離。因此考慮采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)建立他們與SOD之間的關(guān)系。

考慮到對(duì)應(yīng)于一個(gè)滿充的電池，一定的開路電壓、環(huán)境溫度以及放電倍率下會(huì)有相應(yīng)的放出容量，而這個(gè)放出容量會(huì)體現(xiàn)電池的退化程度，即：放出的容量越多，電池退化程度越輕；反之，電池退化越嚴(yán)重。

本發(fā)明采用數(shù)組離散程度的分析方法，將以上的各參數(shù)物理量作為一個(gè)數(shù)組，在一定條件下，對(duì)該數(shù)組進(jìn)行離散程度鑒別。例如:當(dāng)環(huán)境溫度升高，則對(duì)應(yīng)一個(gè)滿充電池其開路電壓越高，在一定的放電倍率下，將會(huì)使放電時(shí)間越長(zhǎng)，放出容量越多。也就是相關(guān)的物理量會(huì)同步升高。反之，相關(guān)物理量會(huì)同步減小。對(duì)于老化程度較嚴(yán)重的電池，上述情況下，各物理量的變化則會(huì)有所差異，因此，數(shù)組的離散程度會(huì)增加。因此，通過數(shù)組離散度分析即可以判斷電池退化程度。

在應(yīng)用離散度分析時(shí)，必須考慮參與數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，因此，本發(fā)明將各參考物理量都進(jìn)行了相應(yīng)的變異，以減少絕對(duì)數(shù)值對(duì)數(shù)組離散度的影響。

1、時(shí)間變異系數(shù)＝實(shí)際放電時(shí)間/0.2C倍率下放電時(shí)間；

2、容量變異系數(shù)＝實(shí)際容量/標(biāo)稱容量；

3、開路電壓變異系數(shù)＝實(shí)際開路電壓/額定電壓；

4、溫度變異系數(shù)＝實(shí)際溫度/20℃。

(2)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行退化系數(shù)估算

下面通過建立模型、模型訓(xùn)練、仿真驗(yàn)證三個(gè)方面進(jìn)行SOD鑒別方法的說明。

1)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

本模型中的模糊推理系統(tǒng)(Fuzzy Inference System,FIS)，采用Sugeno型模糊模型，依據(jù)大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立FIS，使得構(gòu)建的模型更加客觀，從而也回避了因各項(xiàng)參數(shù)高度耦合難以剝離的問題。

根據(jù)鋰離子電池外部特性參數(shù)分析，最終篩選出放電時(shí)間t_放、放出容量Q_放、開路電壓U_k、環(huán)境溫度T作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，模型的輸出為鋰離子電池的退化程度描述參數(shù)——退化系數(shù)β，見公式(1)。

β＝f(t_放，Q_放，U_k，T) (1)

式中t_放表示放電時(shí)間，單位為小時(shí)(h)；

Q_放表示放出容量，單位為安時(shí)(Ah)；

U_k表示開路電壓，單位為伏特(V)；

T表示環(huán)境溫度，單位為攝氏度(℃)。

應(yīng)用MATLAB中的自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)，自動(dòng)建立Sugeno型模糊模型如圖1所示，四個(gè)輸入量分別為放電時(shí)間、放電容量、開路電壓、環(huán)境溫度。輸出變量即退化系數(shù)β。β是在0～1之間的數(shù)值，當(dāng)β接近于0，則電池退化程度較輕；當(dāng)β接近于1，則電池退化程度嚴(yán)重。

2)鋰電池組實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用四組鋰離子電池組樣本(每組電池組用三片鋰離子電池串聯(lián)而成，單體電池型號(hào)為INCMP58145155N-I，額定電壓為3.7V，額定容量10Ah)同時(shí)實(shí)施四種不同的充放電制度，具體的充放電參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1電池組充放電參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用上位機(jī)和下位機(jī)相結(jié)合采集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，下位機(jī)是由石家莊新科大能源開發(fā)有限公司生產(chǎn)的蓄電池綜合參數(shù)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(型號(hào)為BTS-M 300A/12V)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過上傳到上位機(jī)電腦終端被記錄。

3)數(shù)據(jù)訓(xùn)練與仿真

本發(fā)明考慮采用輸入變量參數(shù)之間的相對(duì)離散程度來考量鋰離子電池的退化程度(State of Degeneration),退化程度越小，輸入量之間的離散程度將會(huì)越小，相反退化程度越大，其離散程度將會(huì)越大。

建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為兩組——訓(xùn)練組和檢驗(yàn)組。用訓(xùn)練數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練輸入，以訓(xùn)練系統(tǒng)模型。設(shè)置訓(xùn)練的步長(zhǎng)為30，訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示。

從圖3的左下角可以看到訓(xùn)練的誤差為0.00021859，初步判斷該系統(tǒng)性能良好。分別用測(cè)試數(shù)據(jù)組和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)組來測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)果顯示測(cè)試數(shù)據(jù)組平均誤差為0.00082952，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)組平均誤差為：0.0025974，這樣的誤差顯示出系統(tǒng)性能良好。

根據(jù)上述訓(xùn)練，搭建仿真模型如圖4所示，輸入數(shù)據(jù)集變量為e，輸出變量為h。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別作為模型的輸入，可以分別得到相應(yīng)日期鋰離子電池的退化系數(shù)。應(yīng)用該模型對(duì)某具體電池參數(shù)的退化系數(shù)計(jì)算結(jié)果。圖5為四組電池實(shí)驗(yàn)中退化系數(shù)的跟蹤情況，從圖中可以看到，其他三組的退化系數(shù)變化比較緩慢，而4#組電池退化系數(shù)變化比較快，說明其退化速度加快。而4#組電池采用的是0.5C充放電。可以得到結(jié)論：大電流充放電，會(huì)加快電池老化速度。

(3)退化報(bào)警系統(tǒng)

1)系統(tǒng)的構(gòu)成

退化報(bào)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

根據(jù)圖6所示，系統(tǒng)工作原理如下：系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)以及檢測(cè)顯示報(bào)警等部分構(gòu)成。由檢測(cè)裝置對(duì)工作的電池(組)的電流、電壓、溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)放電平均電流與放電時(shí)間累積計(jì)算出放出容量，放電之前的開路電壓，環(huán)境溫度。送上位機(jī)進(jìn)行退化系數(shù)計(jì)算，將計(jì)算值送回下位機(jī)，如果退化系數(shù)超過閾值，發(fā)出報(bào)警。

2)下位機(jī)與外圍電路

下位機(jī)選取STC89C52，其外圍電路由晶振電路、復(fù)位電路、電壓電流采集電路、溫度檢測(cè)電路、報(bào)警電路、時(shí)鐘采集等部分組成。下位機(jī)與外圍電路的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3)軟件設(shè)計(jì)

a.容量計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用安時(shí)法進(jìn)行實(shí)際容量檢測(cè)，如果鋰電池的容量用Q來表示，它的單位是Ah。可用公式(2)計(jì)算容量：

式中：i為電池放電電流；

t為電池放電時(shí)間。

累加求和的算法可以實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算。

Q_放＝∑I_a×Δt (3)

式中：I_a是負(fù)載電流；Δt是主控芯片的采樣周期(即1毫秒)。

電流檢測(cè)與容量計(jì)算流程圖如圖8所示。

b.通訊與退化系數(shù)計(jì)算報(bào)警

圖9是通訊與退化系數(shù)計(jì)算報(bào)警流程圖。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。