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基于dst和bmc技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，該方法包括以下步驟：1.根據(jù)電池容量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，確定容量衰減模型；2.用證據(jù)理論(Dempster-Shafer?Theory，DST)對(duì)可使用的電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到模型參數(shù)的初始值；3.當(dāng)輸入被監(jiān)測(cè)電池的容量數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)貝葉斯蒙特卡洛(Bayesian?Monte?Carlo，BMC)技術(shù)對(duì)模型參數(shù)實(shí)時(shí)更新以跟蹤電池容量的衰退趨勢(shì)；4.外推模型到失效閾值得到電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)值。本發(fā)明提出的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.具有在電池壽命早期就能精確預(yù)測(cè)剩余壽命的能力；2.不需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)；3.實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的概率密度分布輸出。
【專利說(shuō)明】基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，涉及鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池是一種可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的儲(chǔ)能裝置。和鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池等其他二次電池相比，它有著能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、電池漏電率低、可大電流快速充電、工作電壓高、工作范圍廣、成本低、無(wú)污染等諸多優(yōu)勢(shì)。憑借這些優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池已經(jīng)在各種便攜式信息處理終端、電動(dòng)汽車(chē)、軍事、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池的退化趨勢(shì)可以從其重復(fù)放電循環(huán)的容量衰減趨勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)。容量是指電池在全充狀態(tài)下能夠保持的電荷量。對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用而言，電池失效是指電池的容量低于其額定容量的80%。這時(shí)候，我們認(rèn)為電池變得不可信賴，需要被更換。因?yàn)楫?dāng)電池容量到達(dá)失效閾值時(shí)，其容量往往會(huì)呈指數(shù)式衰減。電池失效有可能導(dǎo)致操作失效、設(shè)備停工，甚至災(zāi)難性的后果。一個(gè)典型的實(shí)例就是2006年11月，美國(guó)航空航天局發(fā)射的火星環(huán)球探測(cè)器在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出錯(cuò)誤指令，命令太陽(yáng)能電池板動(dòng)作使之朝向太陽(yáng)，該指令執(zhí)行時(shí)沒(méi)有考慮供電鋰離子電池的性能狀態(tài)，使其過(guò)放電、溫度過(guò)高失去了再充電能力，導(dǎo)致整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)喪失了電力供應(yīng)而失去聯(lián)系。
[0003]預(yù)測(cè)和健康管理(Prognosticsand health management,PHM)是一門(mén)融合了各種技術(shù)和方法的學(xué)科，它評(píng)價(jià)了某種產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中的可靠性，并提前預(yù)報(bào)系統(tǒng)故障和化解系統(tǒng)危險(xiǎn)。電池的PHM主要有兩種方法:物理模型以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?；谖锢砟Ｐ偷念A(yù)測(cè)方法利用電池使用過(guò)程中的負(fù)載條件、材料特性和失效機(jī)制的知識(shí)來(lái)估計(jì)電池的剩余使用壽命。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)是從例如電流、電壓、時(shí)間和阻抗等性能數(shù)據(jù)中提取出特征值，再利用統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)追蹤電池性能的退化趨勢(shì)并估計(jì)其剩余使用壽命。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法不需要具體的關(guān)于材料特性，組織結(jié)構(gòu)或失效機(jī)制方面的知識(shí)，并且避免了開(kāi)發(fā)高階的系統(tǒng)物理模型，因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法比起物理模型的方法來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單得多。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法能夠?qū)W習(xí)特性數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出來(lái)的電池性能退化趨勢(shì)，從而預(yù)測(cè)電池的剩余使用壽命。目前，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法已成為研究熱點(diǎn)。常見(jiàn)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法主要有:多種預(yù)測(cè)器組合預(yù)測(cè)、電池容量測(cè)量數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波組合預(yù)測(cè)、相關(guān)向量機(jī)和粒子濾波等。典型的多種預(yù)測(cè)器組合預(yù)測(cè)方法結(jié)合了三種預(yù)測(cè)器:自回歸移動(dòng)平均模型(auto regressive moving average,ARMA),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊邏輯。我們通過(guò)在不同負(fù)載條件下采集的具有相同尺寸相同化學(xué)組成的電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)來(lái)訓(xùn)練這些預(yù)測(cè)器。然而，收集良好的能夠覆蓋所有負(fù)載條件下的訓(xùn)練數(shù)據(jù)會(huì)是一個(gè)耗時(shí)且成本高昂的過(guò)程。電池容量測(cè)量數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波組合預(yù)測(cè)方法主要基于電池容量測(cè)量和卡爾曼濾波。容量退化趨勢(shì)主要分為兩個(gè)階段:一個(gè)是緩慢的衰減階段，另一個(gè)是接下來(lái)較快的衰減階段。當(dāng)電池容量降至第二階段時(shí)，在某種容量退化概率模型的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波給出剩余使用壽命的預(yù)測(cè)值。然而，處于第二階段的電池容量退化持續(xù)時(shí)間相較電池全部使用壽命時(shí)間而言是非常短的，因此，該方法無(wú)法在電池壽命早期給出預(yù)測(cè)值。相關(guān)向量機(jī)(relevance vector machine,RVM)和粒子濾波(particle filter,PF)也被用來(lái)預(yù)測(cè)電池的剩余使用壽命。人們利用RVM來(lái)學(xué)習(xí)特性數(shù)據(jù)之間的非線性關(guān)系，在基于阻抗譜數(shù)據(jù)構(gòu)建的狀態(tài)空間模型的基礎(chǔ)上，利用粒子濾波估計(jì)剩余使用壽命。雖然這種方法比較精確，但是，阻抗測(cè)量需要高昂的成本和大型設(shè)備，還非常耗時(shí)。除此之外，測(cè)量期間，電池應(yīng)該與充電器或負(fù)載斷開(kāi)連接。這些問(wèn)題都限制了上述方法的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問(wèn)題,本發(fā)明提山一種基于證據(jù)理論(Dempster-Shafer Theory,DST)和貝葉斯蒙特卡洛(Bayesian Monte Carlo,BMC)技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法。
[0005]本發(fā)明所述的基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法采用如下步驟:
[0006]步驟1，監(jiān)測(cè)鋰離子電池的各項(xiàng)物理參數(shù)，獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；
[0007]步驟2，對(duì)步驟I中獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的可用鋰離子電池容量數(shù)據(jù)進(jìn)行容量衰減趨勢(shì)的分析，確定鋰離子電池的容量衰減數(shù)學(xué)模型；
[0008]步驟3，用DST理論對(duì)從步驟I中獲取的可用的電池容量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定容量衰減模型中的未知參數(shù)a、b、C、d的初始值；
[0009]步驟4,當(dāng)有新的容量數(shù)據(jù)輸入時(shí),通過(guò)BMC技術(shù)對(duì)參數(shù)向量X=[a,b,c,d]進(jìn)行更新以跟蹤電池容量衰退趨勢(shì)；
[0010]步驟5，每過(guò)一個(gè)鋰離子電池循環(huán)周期，重復(fù)步驟4 ;
[0011]步驟6，利用步驟5得到的更新模型向前外推h步，直到模型的預(yù)測(cè)容量值到達(dá)失效閾值，繼而判定電池的剩余使用壽命。
[0012]在本發(fā)明所述的方法中，所述預(yù)測(cè)容量值是呈下降趨勢(shì)的，上述方法中所述的“到達(dá)”是指所述預(yù)測(cè)容量值在下降過(guò)程中從大于失效閾值剛好變成小于失效閾值的情況。
[0013]本發(fā)明所述的失效閾值是指鋰離子電池額定容量的80%。
[0014]本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法的流程如圖1所示。首先，該方法根據(jù)鋰離子電池容量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選擇合適的容量衰減模型；然后，用證據(jù)理論(Dempster-Shafer Theory, DST)對(duì)可使用的電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到模型參數(shù)的初始值；最后，當(dāng)輸入被監(jiān)測(cè)電池的容量數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)貝葉斯蒙特卡洛(Bayesian Monte Carlo,BMC)技術(shù)對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新以跟蹤被監(jiān)測(cè)電池的容量衰退趨勢(shì)，并外推模型到失效閾值得到鋰離子電池剩余使用壽命的預(yù)測(cè)值。
[0015]本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法針對(duì)容量衰退模型的參數(shù)初始化問(wèn)題，采用了 DST理論，有效地確定了容量衰退模型參數(shù)的初始值，與一般的算術(shù)平均法確定容量衰退模型參數(shù)初始值的方法比較，發(fā)現(xiàn)其有效提高了模型的預(yù)測(cè)精度。
[0016]本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，經(jīng)過(guò)利用NASA公開(kāi)發(fā)布的鋰離子電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，證明本發(fā)明所述的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法可以很好地滿足鋰離子電池剩余使用壽命的預(yù)測(cè)要求。且與一般的算術(shù)平均法確定容量衰退模型參數(shù)初始值的方法比較，發(fā)現(xiàn)其有效提高了模型的預(yù)測(cè)精度?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法的流程示意圖。
[0018]圖2為B0005號(hào)電池采用本發(fā)明所述的容量衰退模型擬合的電池容量擬合曲線。
[0019]圖3為B0018號(hào)電池在第30個(gè)周期時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果，初始模型參數(shù)由算術(shù)平均法確定。
[0020]圖4為B0018號(hào)電池在第50個(gè)周期時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果，初始模型參數(shù)山算術(shù)平均法確定。[0021]圖5為B0018號(hào)電池在第50個(gè)周期時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果，初始模型參數(shù)由DST法確定?！揪唧w實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式是結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法包括以下步驟:
[0024]步驟1，監(jiān)測(cè)鋰離子電池的各項(xiàng)物理參數(shù)，獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；
[0025]步驟I具體過(guò)程如下:
[0026]監(jiān)測(cè)過(guò)程為將新出廠的同一型號(hào)同一化學(xué)組成的幾個(gè)鋰離子電池先放空電，再充滿電，重復(fù)進(jìn)行充放電k次，記錄周期內(nèi)每一個(gè)鋰離子電池的容量，直至電池容量降至失效閾值以下。這一過(guò)程中記錄的鋰離子電池單周期放電容量數(shù)據(jù)和完整的容量退化數(shù)據(jù)即為獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
[0027]步驟2，對(duì)步驟I中獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的可用鋰離子電池容量數(shù)據(jù)進(jìn)行容量衰減趨勢(shì)的分析，確定鋰離子電池的容量衰減數(shù)學(xué)模型；
[0028]步驟2具體過(guò)程如下:
[0029]分析幾個(gè)電池完整的容量退化數(shù)據(jù)，確定鋰離子電池容量衰減數(shù)學(xué)模型，所確定的容量衰減模型為:
[0030]Q=a exp (bk) +c exp (dk) (I)
[0031]其中，Q為電池容量，k為循環(huán)周期數(shù)，參數(shù)a和c與電池內(nèi)阻相關(guān)，參數(shù)b和d代表電池老化速率。
[0032]步驟3，用DST理論對(duì)從步驟I中獲取的可用的電池容量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定容量衰減模型中的未知參數(shù)a、b、C、d的初始值；
[0033]步驟3具體過(guò)程如下:
[0034]首先，利用matlab曲線擬合工具對(duì)η個(gè)電池的完整容量退化數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，擬合模型采用所確定的容量衰減數(shù)學(xué)模型，擬合產(chǎn)生95%置信區(qū)間的參數(shù)估計(jì)；然后，從通過(guò)置信區(qū)間表示的各個(gè)參數(shù)組合依次進(jìn)行比較，計(jì)算每個(gè)參數(shù)的信任度。最后，假設(shè)所有的數(shù)據(jù)源信任度是相同的，賦予基本信任分配函數(shù)相同的值:
[0035]m(Ai) = -(2)

η
[0036]Hi(Ai)是集合Ai的基本信任分配函數(shù)，η是訓(xùn)練數(shù)據(jù)集個(gè)數(shù)。由此可以計(jì)算出每個(gè)參數(shù)的信任度。對(duì)于集合Ai的信任度函數(shù)Bel (Ai)等于所有相關(guān)子集基本信任分配函數(shù)的總和:[0037]
【權(quán)利要求】
1.基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，監(jiān)測(cè)鋰離子電池的各項(xiàng)物理參數(shù)，獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)； 步驟2，對(duì)步驟I中獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的可用鋰離子電池容量數(shù)據(jù)進(jìn)行容量衰減趨勢(shì)的分析，確定鋰離子電池的容量衰減數(shù)學(xué)模型； 步驟3，用DST理論對(duì)從步驟I中獲取的可用的電池容量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定容量衰減模型中的未知參數(shù)a、b、c、d的初始值； 步驟4，當(dāng)有新的容量數(shù)據(jù)輸入時(shí)，通過(guò)BMC技術(shù)對(duì)參數(shù)向量X=[a，b，c，d]進(jìn)行更新以跟蹤電池容量衰退趨勢(shì)； 步驟5，每過(guò)一個(gè)鋰離子電池循環(huán)周期，重復(fù)步驟4 ； 步驟6，利用步驟5得到的更新模型向前外推h步，直到模型的預(yù)測(cè)容量值到達(dá)失效閾值，繼而判定電池的剩余使用壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所謂的失效閾值是指電池額定容量的80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所謂的可用鋰離子電池容量數(shù)據(jù)是指在將新出廠的同一型號(hào)同一化學(xué)組成的幾個(gè)鋰離子電池先放空 電，再充滿電，重復(fù)進(jìn)行充放電k次，記錄周期內(nèi)每一個(gè)鋰離子電池的容量，直至電池容量降至失效閾值以下的過(guò)程中，記錄的鋰離子電池完整的容量退化數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所確定的鋰離子電池容量衰減數(shù)學(xué)模型為:
Q=a exp(bk)+c exp (dk) (I) 其中，Q為電池容量，k為循環(huán)周期數(shù)，參數(shù)a和c與電池內(nèi)阻相關(guān)，參數(shù)b和d代表電池老化速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述DST理論是指根據(jù)DST的混合合成規(guī)則得到BMC更新的“基礎(chǔ)模型”?；旌虾铣梢?guī)則根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)集的信任度組合證據(jù)。假設(shè)2個(gè)證據(jù)相符，他們應(yīng)該具有較高的信任度，因此和其它證據(jù)相比顯得更重要。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DST和BMC技術(shù)的鋰離子電池剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，BMC技術(shù)是指在貝葉斯解決方案的基礎(chǔ)上，使用蒙特卡洛采樣近似解決貝葉斯更新問(wèn)題。
【文檔編號(hào)】G01R31/36GK103926536SQ201410081096
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】陳則王, 李川江, 豆金昌, 王友仁, 崔江, 張驍陽(yáng) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)