分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,屬于電池【技術(shù)領(lǐng)域】。對于電池或電池組設(shè)定某一恒定電流進(jìn)行充電或放電,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等間隔采樣記錄實時的電池或電池組電壓數(shù)據(jù),對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計,并繪制電壓數(shù)值的概率密度直方圖和概率密度函數(shù)(PDF)圖,可以分析電池的電壓平臺位置信息。對于實際運行過程中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等間隔采樣記錄的實時電池組的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計,并繪制電流數(shù)值的概率密度直方圖,可以分析實際使用過程中電池的運行工況,有助于設(shè)計電池管理系統(tǒng)的控制算法。
【專利說明】分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在電池運行過程中,有效評估電池運行工況有助于研究人員發(fā)現(xiàn)電池運行中的問題,從而改進(jìn)電池系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,發(fā)揮電池潛力節(jié)約能源,延長電池壽命降低使用成本,保證電池安全提高系統(tǒng)可靠性。然而,面對大量的電池運行數(shù)據(jù),如何進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,提取電池的工況從而評估電池工作狀態(tài),就成為了電池測試人員需要解決的重要問題。
[0003]—般情況下,研究人員在測試中對電池給定一個電流工況,結(jié)合對應(yīng)時刻的電壓和電流的數(shù)值,可以分析電池的容量、內(nèi)阻等信息。使用容量增量法(IncrementalCapacity Analysis, I CA)或電壓微分法(Differential Voltage Analysis, DVA),在給定的電流工況條件下,獲取電池的實時容量-電壓曲線,對所述容量-電壓進(jìn)行微分,繪制微分曲線,分析所述微分曲線可獲得電池電壓平臺位置、電池健康狀態(tài)等工況信息。然而,電壓微分法(DVA)和容量增量法(ICA)有其無法克服的缺點,在對所述容量-電壓曲線進(jìn)行微分時,由于實際測量的容量-電壓曲線是離散的,直接對原始數(shù)據(jù)微分會出現(xiàn)“除零”導(dǎo)致無窮大的結(jié)果,而使微分得到的所述微分曲線噪聲大,甚至無法得到合理的微分曲線。所以,一般地,使用電壓微分法(DVA)和容量增量法(ICA)進(jìn)行電壓或容量微分前,都會使用曲線擬合的方法對于電池容量-電壓曲線進(jìn)行擬合,然后對于擬合得到的連續(xù)的結(jié)果進(jìn)行微分。這種擬合的預(yù)處理方法 存在兩個問題,其一是數(shù)據(jù)擬合有不同的方法,所以不同的擬合方法會得到不同的結(jié)果,即擬合導(dǎo)致了原始數(shù)據(jù)的部分“失真”;其二是數(shù)據(jù)擬合的算法較為復(fù)雜,無法植入實時的電池管理系統(tǒng),只能用于離線的數(shù)據(jù)分析,難以用于在線的數(shù)據(jù)分析,也就難以應(yīng)用于實際的汽車、儲能電站的實時監(jiān)控。另外,在電池實際使用的情況下,電池充放電工況的變化情況是復(fù)雜的,面對快速變化的電池工況數(shù)據(jù),傳統(tǒng)辦法更是束手無策。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。
[0005]為此,本發(fā)明提出一種分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,具體包括:
等間隔采樣記錄實時的電池或電池組充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù);
對所述充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度直方圖的繪制;以及 分析所述概率密度直方圖,獲得所述電池運行工況信息。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明提供的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法不會受到數(shù)據(jù)擬合的限制,可植入實時的電池管理系統(tǒng)中對電池運行工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的分析,在復(fù)雜變載條件下,本發(fā)明提供的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法可以較為容易地獲得電池充放電工況信息?!緦@綀D】
【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明提供的分析電池運行工況數(shù)據(jù)處理方法的流程圖。
[0008]圖2為本發(fā)明實施例錳酸鋰電池的電壓散點曲線圖。
[0009]圖3為本發(fā)明實施例錳酸鋰電池的概率密度直方圖。
[0010]圖4為本發(fā)明實施例錳酸鋰電池的概率密度函數(shù)圖。
[0011]圖5為本發(fā)明實施例磷酸鐵鋰電池的電壓散點曲線圖。
[0012]圖6為本發(fā)明實施例磷酸鐵鋰電池的概率密度直方圖。
[0013]圖7為本發(fā)明實施例磷酸鐵鋰電池的概率密度函數(shù)圖。
[0014]圖8為本發(fā)明實施例混合動力汽車用錳酸鋰電池組的電流散點曲線圖。
[0015]圖9為本發(fā)明實施例混合動力汽車用錳酸鋰電池組的概率密度直方圖。
[0016]圖10為本發(fā)明實施例混合動力汽車用錳酸鋰電池組的概率密度函數(shù)圖。
[0017]圖11為本發(fā)明實施例純動力汽車用磷酸鐵鋰電池組的電流散點曲線圖。
[0018]圖12為本發(fā)明實施例純動力汽車用磷酸鐵鋰電池組的概率密度直方圖。
[0019]圖13為本發(fā)明實施例純動力汽車用磷酸鐵鋰電池組的概率密度函數(shù)圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將結(jié)合具體實施例,對本發(fā)明提供的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0021]本發(fā)明提出一種使用概率密度直方圖分析電池運行工況的方法,該方法的流程圖請參見圖1,該方法既可以分析理想的恒電流條件下的電池充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù),也可以分析復(fù)雜工況下的電池充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù)。該充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù)指的是電壓數(shù)據(jù)或電流數(shù)據(jù)。
[0022]本發(fā)明第一實施方式提供一種恒定電流條件下分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,具體包括:
Sl-1,對于電池或電池組以恒定電流進(jìn)行充電或放電,等間隔采樣記錄實時的電池或電池組充電電壓數(shù)據(jù)或放電電壓數(shù)據(jù);
S1-2,對所述充電電壓數(shù)據(jù)或放電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度直方圖的繪制;以及 S1-3,分析所述概率密度直方圖,獲得所述電池或電池組的運行工況信息。
[0023]在上述步驟Sl-1中,所述電池或電池組可以是現(xiàn)有技術(shù)中的任何電池或電池組,例如可以是鋰離子電池、燃料電池、鎳氫電池、鉛酸電池等。在本實施例中,采用以錳酸鋰為正極、以石墨為負(fù)極的錳酸鋰電池。
[0024]所述等間隔采樣指的是采樣的時間間隔相等。所述等間隔采樣采集的數(shù)據(jù)量要足夠大,“數(shù)據(jù)量大”指的是在一次充電或放電過程中采集到的數(shù)據(jù)量至少為IO3數(shù)量級,少于IO3數(shù)量級的概率統(tǒng)計結(jié)果無法有效反應(yīng)電池的運行工況。為保證數(shù)據(jù)分析不失真,所述采樣間隔要保證在一次充電或放電過程中采樣的數(shù)據(jù)量至少為1X103。一般地,所述采樣間隔為時間間隔0.2秒?2秒。在本實施例中,所述采樣間隔為時間間隔I秒。圖2是本實施例對所述錳酸鋰電池放電過程中的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行等間隔采樣得到的放電曲線圖,從圖2箭頭所指放大的圖中可以看出,該放電曲線圖中電壓數(shù)據(jù)的采樣是等間隔且離散的。[0025]在上述步驟S1-2中,可根據(jù)所述步驟Sl-1的離散采樣結(jié)果確定概率密度直方圖的區(qū)間間距,然后進(jìn)行概率密度的采樣,繪制概率密度直方圖。所述區(qū)間間距選取過小會導(dǎo)致運算量增大,所述區(qū)間間距選取過大會導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的失真。一般地,所述區(qū)間間距為對所述充電電壓數(shù)據(jù)或放電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行等間隔采樣時采樣精度的rioo倍。對于電壓數(shù)據(jù),一般地,所述區(qū)間間距為0.1mV飛OmV。在本實施例中,所述等間隔采樣的電壓數(shù)據(jù)的起始電壓為3V,截止電壓為4.2 V,可按照IOmV的電壓區(qū)間間距將所述電壓數(shù)據(jù)分為[3V,
3V+1OmV), [3V+1OmV,3V+2 X IOmV)、[3V+2 X IOmV ,3V+3X10mV)......[3V+119X10mV
,4.2V]共120個電壓區(qū)間,對所述等間隔采樣的電壓數(shù)據(jù)在每一電壓區(qū)間出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計,將以所述頻率為縱坐標(biāo)、以所述區(qū)間間距為橫坐標(biāo)在直角坐標(biāo)系上進(jìn)行表示,即得到如圖3所示的概率密度直方圖。
[0026]在上述步驟S1-3中,可分析所述概率密度直方圖,獲得所述電池或電池組的運行工況信息。例如可根據(jù)所述概率密度直方圖獲得所述電池或電池組充電或放電的電壓平臺位置的信息。在本實施例中,從圖3可以獲知,所述錳酸鋰電池概率密度直方圖的統(tǒng)計值集中在3.8V和4.1V附近,對應(yīng)著錳酸鋰正極鋰離子的嵌入過程,即該錳酸鋰電池的主要放電電壓平臺為3.8V和4.1V,還有一部分統(tǒng)計值集中3.6V附近,對應(yīng)著石墨負(fù)極鋰離子的脫出過程,即該錳酸鋰電池還具有電壓為3.6V的次要的放電電壓平臺。
[0027]第一實施方式提供的所述電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法還可進(jìn)一步包括一步驟S1-4,繪制概率密度函數(shù)圖。對所述概率密度直方圖進(jìn)行平滑處理,即可得到所述概率密度函數(shù)圖。從所述概率密度函數(shù)圖上可更直觀地獲得所述電池或電池組的運行工況信息,所述概率密度函數(shù)圖也更為美觀。例如在本實施例中,對圖3所示的所述錳酸鋰電池的概率密度直方圖進(jìn)行平滑處理,可以得到如圖4所示的錳酸鋰電池的概率密度函數(shù)圖,從圖4可直觀地看出,所述錳酸鋰電池概率密度函數(shù)圖在3.8V和4.1V附近有兩個明顯的峰值,對應(yīng)著錳酸鋰正極鋰離子的嵌入過程,即該錳酸鋰電池的主要放電電壓平臺為3.8V和4.1V,而在3.6V附近不明顯的峰值對應(yīng)著石墨負(fù)極鋰離子的脫出過程,即該錳酸鋰電池還具有電壓為3.6V的次要的放電電壓平臺。
[0028]在本發(fā)明第一實施方式的另一個實施例中,對以磷酸鐵鋰為正極、以石墨為負(fù)極的磷酸鐵鋰電池在恒定電流放電條件下的實時電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了等間隔采樣,圖5為所述磷酸鐵鋰電池的放電曲線圖,圖6為所述磷酸鐵鋰電池的概率密度直方圖,圖7為所述磷酸鐵鋰電池的概率密度函數(shù)圖。從圖5箭頭所指放大的圖中可以看出,該放電曲線圖中電壓數(shù)據(jù)的采樣是等間隔且離散的。圖6和圖7的繪制方法與本發(fā)明實施例圖3和圖4的繪制方法相同,在此不再贅述。從圖6或圖7可以獲知,所述磷酸鐵鋰電池概率密度函數(shù)圖的統(tǒng)計值集中在3.2V附近,對應(yīng)著磷酸鐵鋰正極的鋰離子的嵌入過程,即該磷酸鐵鋰電池的主要放電電壓平臺為3.2V,兩個小的峰值對應(yīng)著石墨負(fù)極鋰離子的脫出過程,即該磷酸鐵鋰電池還具有兩個次要的放電電壓平臺。
[0029]本發(fā)明第一實施方式的實施例對恒定電流條件下電池放電過程中的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析。但本發(fā)明第一實施方式的實施例是示例性的,第一實施方式的所述數(shù)據(jù)處理方法不限于處理和分析電壓數(shù)據(jù),可以應(yīng)用于處理和分析所有具有“采樣等間隔,數(shù)據(jù)量足夠大”特征的電池運行工況數(shù)據(jù)?!皵?shù)據(jù)量足夠大”指的是采集到的數(shù)據(jù)量至少為
IXlO3O[0030]本發(fā)明第二實施方式提供一種在復(fù)雜工況或在變載條件下,即在實際使用過程中,分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,具體包括:
S2-1,直接在電池或電池組的實際運行過程中,等間隔采樣記錄實時的電池或電池組充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù);
S2-2,對所述充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度直方圖的繪制;以及 S2-3,分析所述概率密度直方圖,獲得所述電池或電池組的運行工況信息。
[0031]在上述步驟S2-1中,所述電池或電池組可以是現(xiàn)有技術(shù)中的任何電池或電池組,例如可以是鋰離子電池、燃料電池、鎳氫電池、鉛酸電池等。所述實際運行過程可以是在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)過程等任何情況下使用電池或電池組時該電池或電池組的充放電過程。在本實施例中,對混合動力汽車用錳酸鋰電池組在實際運行過程中的充放電數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。
[0032]所述等間隔采樣指的是采樣的時間間隔相等。所述等間隔采樣采集的數(shù)據(jù)量要足夠大,“數(shù)據(jù)量大”指的是在一次充電或放電過程中采集到的數(shù)據(jù)量至少為IO3數(shù)量級,少于IO3數(shù)量級的概率統(tǒng)計結(jié)果無法有效反應(yīng)電池的運行工況。為使數(shù)據(jù)分析不失真,所述采樣間隔要保證在一次充電或放電過程中采樣的數(shù)據(jù)量至少為1X103。一般地,所述采樣間隔為時間間隔0.2秒到2秒。在本發(fā)明實施例中,所述采樣間隔為時間間隔I秒。圖8為本實施例對所述混合動力汽車用錳酸鋰電池組實際運行過程中的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣得到的充放電曲線圖。
[0033]在上述步驟S2-2中,所述概率密度直方圖的繪制方法與本發(fā)明第一實施方式提供的概率密度直方圖的繪制方法相同。對于電流數(shù)據(jù),一般地,所述區(qū)間間距為0.1A10A。在本實施例中,以2A為電流區(qū)間間距可獲得如圖9所示的所述混合動力汽車用錳酸鋰電池組的概率密度直方圖。
[0034]在上述步驟S2-3中,可分析所述概率密度直方圖,獲得所述電池或電池組的運行工況信息。例如可以分析所述概率密度直方圖,獲得所述電池或電池組在實際運行過程中充電或放電的電流信息。例如在本實施例中,從圖9可以獲知,所述混合動力汽車用的錳酸鋰電池組的一個典型工況為,所述混合動力汽車用錳酸鋰電池組的充電電流集中在一 150A附近,所述混合動力汽車用錳酸鋰電池組放電電流集中在125 A附近。
[0035]本發(fā)明第二實施方式提供的所述電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法還可進(jìn)一步包括一步驟S2-4,繪制概率密度函數(shù)圖。對所述概率密度直方圖進(jìn)行平滑處理,即可得到所述概率密度函數(shù)圖。從所述概率密度函數(shù)圖上可更直觀地獲得所述電池或電池組的運行工況信息,所述概率密度函數(shù)圖也更為美觀。例如在本實施例中,對圖9所示的所述混合動力汽車用錳酸鋰電池組的概率密度直方圖進(jìn)行平滑處理,可以得到如圖10所示的概率密度函數(shù)圖,從圖10可直觀地看出,所述混合動力汽車用錳酸鋰電池組的充電電流集中在一 150 A附近,所述混合動力汽車用錳酸鋰電池組放電電流集中在125 A附近。
[0036]在本發(fā)明第二實施方式的另一個實施例中,對純電動汽車用磷酸鐵鋰組在車輛運行過程中的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了等間隔采樣,圖11為所述純電動汽車用磷酸鐵鋰組的放電曲線圖,圖12為所述純電動汽車用磷酸鐵鋰組的概率密度直方圖,圖13為所述純電動汽車用磷酸鐵鋰組的概率密度函數(shù)圖。從圖12或圖13可以獲知,所述純電動汽車用磷酸鐵鋰組的一個典型工況為,所述純電動汽車用磷酸鐵鋰組的放電電流集中在4A附近。[0037]本發(fā)明第二實施方式的實施例對實際運行過程中電池充放電的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析。但本發(fā)明第二實施方式的實施例是示例性的,第二實施方式的所述數(shù)據(jù)處理方法不限于處理和分析電流數(shù)據(jù),可以應(yīng)用于處理和分析所有具有“采樣等間隔,數(shù)據(jù)量足夠大”特征的電池運行工況數(shù)據(jù)?!皵?shù)據(jù)量足夠大”指的是采集到的數(shù)據(jù)量至少為ιχιο3。
[0038]對于所述電池或電池組的實際運行工況進(jìn)行概率密度函數(shù)分析,即可統(tǒng)計出所述電池或電池組在實際運行過程中的典型工況,有助于后續(xù)對于電池組的設(shè)計,也有助于設(shè)計電池管理系統(tǒng)的控制算法。
[0039]本發(fā)明指出,本發(fā)明提供的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法不會受到數(shù)據(jù)擬合的限制,解決了電壓微分法和容量增量法的共性問題,可植入實時的電池管理系統(tǒng)中對電池運行工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的分析;在復(fù)雜變載條件下,本發(fā)明提供的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法可以較為容易地獲得電池充放電工況信息。
[0040]另外,本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化,這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化,都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,包括: 等間隔采樣記錄實時的電池或電池組充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù); 對所述充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度直方圖的繪制;以及 分析所述概率密度直方圖,獲得所述電池運行工況信息。
2.如權(quán)利要求1所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,所述等間隔采樣的數(shù)據(jù)量至少為I X 103。
3.如權(quán)利要求1所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,所述等間隔采樣的采樣間隔為時間間隔0.2s到2 S。
4.如權(quán)利要求1所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,進(jìn)一步對所述概率密度直方圖進(jìn)行平滑處理,獲得概率密度函數(shù)圖。
5.如權(quán)利要求1所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,所述概率密度直方圖的區(qū)間間距為等間隔采樣所述充電數(shù)據(jù)或放電數(shù)據(jù)時采樣精度的I到100倍。
6.如權(quán)利要求1所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,對所述電池或電池組在恒定電流下進(jìn)行充放電,等間隔采樣記錄實時的電池或電池組充電電壓數(shù)據(jù)或放電電壓數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求6所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,所述分析所述概率密度直方圖的步驟包括:分析所述概率密度直方圖獲得所述電池或電池組電壓平臺位置的信息。
8.如權(quán)利要求1所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,在所述電池或電池組實際運行過程中,等間隔采樣記錄實時的電池或電池組充電電流數(shù)據(jù)或放電電流數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求8所述的分析電池運行工況的數(shù)據(jù)處理方法,其特征在于,所述分析所述概率密度直方圖的步驟包括:分析所述概率密度直方圖獲得所述電池或電池組在實際運行過程中充電或放電的電流工況信息。
【文檔編號】G01R31/36GK103616643SQ201310571077
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】馮旭寧, 盧蘭光, 歐陽明高, 李建秋, 何向明, 華劍鋒, 徐梁飛 申請人:清華大學(xué)