本發(fā)明屬于鋰電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于cccv恒流階段充電電壓曲線特征的鋰電池剩余壽命快速預(yù)測法。

背景技術(shù)：

鋰電池基于其重量輕、能量密度大和使用壽命長等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但在使用過程中鋰電池性能的逐漸衰退和失效可能帶來嚴(yán)重的后果，通過鋰電池剩余壽命的預(yù)測可以避免這些損失?，F(xiàn)有的鋰電池剩余循環(huán)壽命預(yù)測主要包括粒子濾波、dempster-shafer證據(jù)理論、bayes、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性自回歸、高斯過程回歸等方法。這些方法的主要思想是利用離線數(shù)據(jù)建立鋰離子電池退化特征量(容量、內(nèi)阻等)隨充電循環(huán)次數(shù)退化的過程模型，再根據(jù)在線測得的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，進(jìn)而預(yù)測剩余循環(huán)壽命。但是存在受外界影響大，算法復(fù)雜，實時性差等問題。本發(fā)明所提出的方法，是使用鋰電池cccv充電過程中的恒流充電階段數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過觀測模型中的系數(shù)隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，構(gòu)建特征參數(shù)和電池循環(huán)壽命對照表，通過極大似然估計給出一定置信度下電池的剩余壽命。此方法能夠較大程度的還原電池的充電過程，直觀地反映電池健康狀態(tài)的變化，確保了鋰電池剩余循環(huán)壽命在線快速預(yù)測的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種對鋰離子電池剩余循環(huán)壽命在線預(yù)測方法，它能夠?qū)φ诔潆娭械碾姵剡M(jìn)行剩余循環(huán)壽命快速預(yù)測，有效提高鋰離子電池剩余循環(huán)壽命預(yù)測精度，改善電池的使用和維護(hù)效率，延長電池的使用時間，減少鋰離子電池在使用中的突發(fā)失效風(fēng)險。

一種鋰電池剩余壽命預(yù)測方法，包括離線構(gòu)建特征參數(shù)對照表和在線預(yù)測剩余循環(huán)壽命兩個階段，其中：

所述離線構(gòu)建特征參數(shù)對照表具體包括如下步驟：

(1)將多個同型鋰離子電池樣本放電至預(yù)設(shè)的電壓下限(2)對鋰離子電池進(jìn)行全壽命充放電實驗，每個充電循環(huán)采用恒流恒壓充電至滿和恒流放電至電壓下限的方式進(jìn)行，獲取該型鋰離子電池在全壽命中各充電循環(huán)下的恒流充電階段電壓隨充電時間變化的數(shù)據(jù)；(3)對數(shù)據(jù)進(jìn)行截取和分組，獲得從不同初始電壓充電至截止電壓vt的數(shù)據(jù)，并對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，即第i種起始電壓下第j個樣品第h個充放電循環(huán)的充電電壓隨充電時間t變化的數(shù)學(xué)模型記為其中i＝1,2,…,i，表示i種不同的起始充電電壓；j＝1,2,…,m，表示共有m個鋰離子電池樣本；h＝1,2,…,h，表示充放電循環(huán)的序號，h為總循環(huán)數(shù)；(4)選取模型的特征參數(shù)，表征電池健康狀態(tài)隨充放電循環(huán)的變化規(guī)律，具體為：固定鋰離子電池樣本序號j，觀察模型的各參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律，選取隨循環(huán)數(shù)增加單調(diào)性較好的，且變化較為平緩的參數(shù)作為特征參數(shù)，記為：(5)根據(jù)指定的初始充電電壓和充放電循環(huán)次數(shù)h，由數(shù)據(jù)集估算均值和標(biāo)準(zhǔn)差由此構(gòu)建該型鋰離子電池在給定充電電流和初始電壓下的電池全壽命特征參數(shù)分布列表：其中，表格橫坐標(biāo)為給定的初始電壓表格縱坐標(biāo)為充電循環(huán)數(shù)h，表格中對應(yīng)的每個格子為在給定的初始電壓和充電循環(huán)數(shù)h時，對應(yīng)的特征參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

所述在線預(yù)測剩余循環(huán)壽命階段，具體步驟包括：

(1)提取待測鋰離子電池的恒流充電數(shù)據(jù)，確定初始充電電壓v0；(2)在對照表的初始電壓中選取與電壓v0匹配的初始電壓；(3)根據(jù)待測鋰離子電池的充電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行充電電壓函數(shù)擬合，獲得該組充電電壓數(shù)據(jù)對應(yīng)的特征參數(shù)β0；(4)遍歷對照表中匹配的初始電壓所對應(yīng)的各充放電循環(huán)數(shù)下的均值和標(biāo)準(zhǔn)差將特征參數(shù)β0、各組均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別代入到似然函數(shù)中，使似然函數(shù)取最大值的標(biāo)準(zhǔn)差和均值對應(yīng)的充放電循環(huán)次數(shù)即為該電池健康狀態(tài)目前等效的充電循環(huán)數(shù)n0，由此得到該鋰離子電池的剩余循環(huán)壽命預(yù)測結(jié)果。

較佳的，在線預(yù)測剩余循環(huán)壽命階段，從鋰離子電池的充電樁充電監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取鋰離子電池恒流充電階段電壓隨充電時間變化的序列數(shù)據(jù)。

較佳的，當(dāng)被測鋰離子電池的初始電壓v0與對照表中任意一個初始電壓均不相等時，選取對照表中與初始電壓v0最靠近的初始電壓作為匹配的初始電壓。

本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明提出的基于恒流充電階段曲線初始電壓劃分方法、構(gòu)建特征參數(shù)對照表的預(yù)測方法，通過對電池恒流充電階段電壓曲線的跟蹤構(gòu)建對照表庫，在線應(yīng)用時只需提取充電樁(恒流恒壓充電方式cccv)中恒流充電數(shù)據(jù)，無需經(jīng)過訓(xùn)練即可進(jìn)行剩余循環(huán)壽命預(yù)測，可在給定充電樁充電電流的恒流充電狀態(tài)下實現(xiàn)剩余循環(huán)壽命在線快速預(yù)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的剩余循環(huán)壽命在線快速預(yù)測流程圖。

圖2為本發(fā)明實施中恒流充電曲線電壓增長示意圖，vt為充電截止電壓，為第i個初始電壓；為從第i個初始電壓到充電截止電壓vt的充電區(qū)間(i＝1,2,…,i)。

圖3為數(shù)學(xué)模型中特征參數(shù)隨電池循環(huán)數(shù)的變化示意圖，l1是特征參數(shù)的變化曲線；l2是對l1進(jìn)行線性擬合得出的函數(shù)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

為了實現(xiàn)鋰離子電池剩余循環(huán)壽命在線預(yù)測，本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案：分為離線構(gòu)建電壓曲線函數(shù)特征參數(shù)對照表和在線預(yù)測剩余循環(huán)壽命兩個階段。

第一階段，離線構(gòu)建充電函數(shù)特征參數(shù)對照表。具體步驟包括：(1)在實驗室條件下首先將m個同型鋰離子電池放電至電壓下限；(2)對鋰離子電池利用恒流恒壓充電至滿-恒流放電至空的方式(cccv-cc)進(jìn)行全壽命充放電實驗，獲取該型鋰離子電池在全壽命中各充電循環(huán)下的恒流充電數(shù)據(jù)，恒流充電階段的電流大小為充電裝置設(shè)定的電流等級；(3)提取各個電池的恒流充電階段的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，獲得起始充電電壓不同時對應(yīng)的充電數(shù)據(jù)，擬合得到相應(yīng)的恒流充電電壓曲線的數(shù)學(xué)模型；(4)在起始充電電壓給定時，擬合不同充放電循環(huán)下的充電電壓曲線函數(shù)模型，并選取充電電壓曲線函數(shù)模型中隨循環(huán)數(shù)變化的參數(shù)為電池健康特征參數(shù)；(5)考慮樣本差異，確定同型不同電池從起始充電電壓v0到充電截止電壓vt所經(jīng)歷的恒流充電階段電壓曲線特征參數(shù)的分布規(guī)律，構(gòu)建特征參數(shù)關(guān)于電池循環(huán)數(shù)的對照表。

第二階段，在線預(yù)測剩余循環(huán)壽命。具體步驟包括：(1)根據(jù)鋰離子電池在實際充電過程中實時監(jiān)測得到的恒流充電階段電壓數(shù)據(jù)，提取從初始電壓v0充電至vt的充電數(shù)據(jù)；(2)擬合充電電壓數(shù)據(jù)，得到其對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，獲得該模型中特征參數(shù)的值β；(3)采用極大似然判別方法，根據(jù)離線對照表，確定在一定置信度下的電池剩余充電次數(shù)的區(qū)間估計。

所述的鋰離子電池為可充放電循環(huán)使用的鋰離子電池單體、可充放電循環(huán)使用的鋰離子電池單體按串并聯(lián)方式組合而成的鋰離子電池組，以及由鋰離子電池組按模塊搭組方式建構(gòu)而成的鋰離子電池系統(tǒng)。

下面結(jié)合圖1、圖2、圖3和表1對本發(fā)明的實施方式做詳細(xì)說明。本發(fā)明采用的方法是以電池充電過程中恒流充電片段擬合得到充電電壓模型的特征參數(shù)來估測電池已進(jìn)行充電循環(huán)的次數(shù)，進(jìn)而估算電池的剩余循環(huán)壽命。本發(fā)明具體實施方式采用以下技術(shù)方案。它的預(yù)測方法包括離線構(gòu)造對照表和在線預(yù)測剩余循環(huán)壽命兩個階段：

第一階段，離線構(gòu)建特征參數(shù)對照表。(1)在實驗室條件下將m個同型鋰離子電池放電至預(yù)設(shè)的電壓下限(2)對鋰離子電池進(jìn)行全壽命充放電實驗，每個充電循環(huán)采用恒流恒壓充電至滿和恒流放電至電壓下限的方式進(jìn)行，獲取該型鋰離子電池在全壽命中各充電循環(huán)下的恒流充電階段電壓隨充電時間變化數(shù)據(jù)；(3)對數(shù)據(jù)進(jìn)行截取和分組，獲得從不同初始電壓充電至截止電壓vt過程中電壓值隨時間變化的序列數(shù)據(jù)，并以時間為自變量對充電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，第i種起始電壓下第j個樣品第h個充放電循環(huán)的充電電壓隨充電時間t變化的數(shù)學(xué)模型記為其中i＝1,2,…,i，表示i種不同的起始充電電壓；j＝1,2,…,m，表示共有m個電池參試；h＝1,2,…,h，表示充放電循環(huán)的序號，h為總循環(huán)數(shù)；(4)選取模型的特征參數(shù)，表征電池健康狀態(tài)隨充放電循環(huán)的變化規(guī)律。選取的方法是，固定樣本序號j，觀察模型各參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律，選取隨循環(huán)數(shù)增加單調(diào)性較好的，且變化較為平緩的參數(shù)作為特征參數(shù)，記為

(i＝1,2,…,i，j＝1,2,…,m，h＝1,2,…,h)，參見圖3；(5)給定i和h，根據(jù)數(shù)據(jù)集估算均值和標(biāo)準(zhǔn)差由此構(gòu)建該型鋰離子電池在給定充電電流和初始電壓下的電池全壽命特征參數(shù)分布列表(參見表1)，表格橫坐標(biāo)為給定的初始電壓表格縱坐標(biāo)為充電循環(huán)數(shù)(1～h)，表格中對應(yīng)的每個格子(行列交叉處)為在給定的初始電壓和充電循環(huán)數(shù)h時，對應(yīng)的特征參數(shù)的隨機(jī)分布參數(shù)(均值和標(biāo)準(zhǔn)差)。

表1鋰離子電池全壽命特征參數(shù)分布列表

第二階段，在線預(yù)測剩余循環(huán)壽命。具體步驟包括：(1)從充電樁充電監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取恒流充電數(shù)據(jù)，確定起始充電電壓v0；(2)選取對照表中所對應(yīng)的列或利用插值構(gòu)造對照列。根據(jù)獲得的初始電壓v0從表中選擇一列作為對照列，選取的原則是初始電壓v0最靠近某(3)在選定對照列后，根據(jù)實測充電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行充電電壓函數(shù)擬合，獲得該組充電電壓數(shù)據(jù)對應(yīng)的特征參數(shù)β0；(4)根據(jù)測試得到的特征參數(shù)β0，采用極大似然判別方法，確定該電池健康狀態(tài)目前等效的充電循環(huán)數(shù)n0，即n0是使得似然函數(shù)取到最大值時所對應(yīng)的循環(huán)數(shù)h，其中，表示正態(tài)分布密度函數(shù)當(dāng)自變量取β0時的似然函數(shù)值，于是該鋰離子電池在線剩余循環(huán)壽命預(yù)測結(jié)果為全壽命標(biāo)稱值n減去該等效循環(huán)數(shù)n0。

本發(fā)明提出的數(shù)學(xué)模型的特征參數(shù)是表征鋰離子電池健康程度的特征指標(biāo)，電池老化程度越大，則特征參數(shù)也隨著單調(diào)性逐漸增大或減小。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。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、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。