CN108629079A - 一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，属于航天器锂离子蓄电池技术领域。单体和整组的性能参数能够覆盖航天器锂离子蓄电池组整个寿命周期，通过对新数据库数据和健康态数据库数据两种分布的比较，确认分布距离和差异的显著性。该方法敏感度更高，解决了数据趋势无法确定或确定周期长的问题。

Description

一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法
技术领域
本发明涉及一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，属于航天器锂离子蓄电池技术领域。
背景技术
随着蓄电池技术的革新，锂离子蓄电池组全面代替镉镍和氢镍蓄电池组成为航天器主流储能部件。航天器各设备中，结构机构以及大部分电子单机寿命较长，蓄电池组的寿命是航天器寿命的短板。如何评价锂离子蓄电池组在整个寿命周期的健康状态，采取合适的管理策略，是延长锂离子蓄电池组寿命乃至航天器寿命的关键。
如果能够提前知晓锂离子蓄电池组的健康状态，可以对其生产方法和管理策略进行调整，有利于产品的寿命增长。
航天器锂离子蓄电池组从生产到在轨寿命末期，经历了多个阶段。每个阶段可测量的关键指标存在较大差异。如单体阶段可测量的内阻、单体容量、单体荷电保持能力，在成组后就无法进行测量。在轨和地面的充放电特性也无法进行类比。因此，需要对锂离子蓄电池组全寿命周期进行分段，确立每段关键特性参数。
目前，锂离子蓄电池组的健康评价仅仅关注于指标要求，数据利用率较低，忽视了批次特性和趋势分析，往往会遗漏有关健康状态的重要信息。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有航天器锂离子蓄电池组健康评价方法单一、滞后、无法预估趋势的缺点，提出一种基于关键特性参数的数据分布健康态评价方法，实现航天器锂离子蓄电池组全寿命周期的健康评估和数据趋势分析，为锂离子蓄电池组地面和在轨管理提供依据，该方法首先建立健康态数据库，利用概率分布对健康状态进行评价，对趋势进行分析，将所有产品数据均用于健康评价中，其结果更加准确全面。该分析可以为航天器锂离子蓄电池组各阶段健康状态评价提供依据，发现存在不健康隐患时可以及时采取措施，有效提高锂离子蓄电池组寿命以及航天器寿命。
本发明的技术解决方案是：
一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，步骤包括：
(1)将航天器锂离子蓄电池组寿命周期分为四个阶段，四个阶段分别为单体生产到组装、组装后到交付、装星后到发射前和在轨使用阶段；
(2)确定表征每个阶段健康状态的特性参数；
(3)将已有的同容量航天器锂离子蓄电池组研制和使用过程中步骤(2)中所涉及到的特性参数，形成单体健康状态数据库和整组健康状态数据库；
(4)对步骤(3)得到的单体健康状态数据库和整组健康状态数据库中的各特性参数进行分布检验，判断其是否满足近似正态分布，如果不满足近似正态分布，则将各特性参数数据频数转化为相对积累频数作为数据概率，将各特性参数正态化；
(5)计算步骤(4)中各特性参数近似正态分布或正态化后分布的中心值μ和方差σ，并将单体健康状态数据库中的各特性参数的健康态指标范围设定为[μ-σ,μ+σ]，将整组健康状态数据库中的各特性参数的健康态指标范围设定为[μ-2σ，μ+2σ]；
(6)获得待检验的航天器锂离子蓄电池组不同阶段中的各特性参数，并与步骤(5)中所设定的范围进行比较，如果位于相应的范围内，则认为待检验的航天器锂离子蓄电池组为健康状态，否则为非健康状态。
所述的步骤(2)中，表征单体生产到组装阶段健康状态的特性参数包括：单体内阻、单体容量和单体荷电保持率。
所述的步骤(2)中，表征组装后到交付阶段健康状态的特性参数包括：整组容量、组合体荷电保持率和恒功率放电终压。
所述的步骤(2)中，表征装星后到发射阶段健康状态的特性参数包括：组合体荷电保持率、恒功率放电终压和充电时间。
所述的步骤(2)中，表征在轨使用阶段健康状态的特性参数包括：组合体荷电保持率、最大地影放电终压、在轨充电时间和充放电温度。
所述的步骤(3)中，单体健康状态数据库中特性参数包括：单体内阻、单体容量和单体荷电保持率；
所述的步骤(3)中，整组健康状态数据库中特性参数包括：整组容量、组合体荷电保持率、恒功率放电终压、充电时间、最大地影放电终压、在轨充电时间和充放电温度。
所述的步骤(4)中，判断各特性参数是否满足近似正态分布的方法为：检验各特性参数数据的峰度系数和偏度系数，如果各特性参数数据的峰度系数和偏度系数均小于等于1，则认为该各特性参数数据分布近似于正态分布；如果各特性参数数据峰度系数或偏度系数大于1，则认为该各特性参数数据分布不近似于正态分布。
所述的步骤(6)中，待检验的航天器锂离子蓄电池组为健康状态时，进一步对该航天器锂离子蓄电池组的各特性参数变化趋势进行分析。
对航天器锂离子蓄电池组特性参数变化趋势进行分析的方法为：将该航天器锂离子蓄电池组的特性参数生成新的数据库，新的数据库中包括单体健康状态数据库和整组健康状态数据库，将该新的数据库与步骤(3)中得到的数据库进行比较，采用K-S检验对两种数据库中的数据分布进行距离分析，确认两种数据库中的数据是否存在显著性差异，如果存在，则该航天器锂离子蓄电池组的该参数指标已有退化趋势，利用该趋势进一步分析产品性能和寿命等指标。
确认两种数据库中的数据是否存在显著性差异的方法为：设F(x)为数据库中特性参数分布函数，G(x)为新的数据库的数据分布函数，需要检验的问题为：
H0：F(x)＝G(x)；H1：F(x)≠G(x) (1)
其中“＝”表示数据距离接近。Smirnov统计量为：
D＝max{|Fm(X(i))-Gn(Y(j))|} (2)
其中X(i)和Y(j)分别表示该航天器锂离子蓄电池组的特性参数的顺序概率密度，m/n表示该航天器锂离子蓄电池组的特性参数位置，统计量D所对应显著水平可表示为：
其中
D作为F(x)和G(x)概率密度之间的距离，其显著水平越趋近于0，两个分布之间相近度越高，反之相似度较低，取显著值区分值为0.05，小于0.05时证明H0成立，反之H1成立。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)单体和整组的性能参数能够覆盖航天器锂离子蓄电池组整个寿命周期，且产品整个生命周期的数据采集进入了数据库，解决了以往锂离子蓄电池组健康评价单一的缺点；
2)通过概率密度分析的方法，有效控制了参数的健康态范围，解决了以往仅关注技术指标而忽略产品数据的问题，使问题的发现更及时、准确；
3)通过对新数据库数据和健康态数据库数据两种分布的比较，确认分布距离和差异的显著性。该方法敏感度更高，解决了数据趋势无法确定或确定周期长的问题。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，航天器锂离子蓄电池组一般是由多个组合体串联而成，一个组合体是由多个单体并联而成，该航天器锂离子蓄电池组也称为整组；步骤如下：
(1)将航天器锂离子蓄电池组寿命周期分为4个阶段：单体生产到组装、组装后到交付、装星后到发射前、在轨使用阶段，然后进入步骤(2)；
(2)确定各阶段能够表征健康状态且可测量的性能特性参数。一般单体生产到组装阶段特性参数包括：单体内阻、单体容量、单体荷电保持率；组装后到交付特性参数包括：整组容量、组合体荷电保持率、恒功率放电终压；装星后到发射特性参数包括：组合体荷电保持率、恒功率放电终压、充电时间；在轨使用阶段特性参数包括：组合体荷电保持率、最大地影放电终压、在轨充电时间、充放电温度。然后进入步骤(3)；
(3)积累同容量航天器锂离子蓄电池组研制和使用过程中步骤(2)中所涉及到的特性参数，形成单体和组合体健康状态数据库。数据库分为单体数据库和整组数据库。单体数据库中特性参数包括：单体内阻、单体容量、单体荷电保持率；整组数据库中特性参数包括：整组容量、组合体荷电保持率、恒功率放电终压、充电时间、最大地影放电终压、在轨充电时间、充放电温度。数据库随着新产品的研制而逐渐升级。然后进入步骤(4)；
(4)对步骤(3)得到的单体数据库和整组数据库中的各特性参数进行分布检验，分析其是否满足近似正态分布。检验数据的峰度系数和偏度系数，如果待检验数据的峰度系数和偏度系数均小于等于1，则认为该待检验数据分布近似于正态分布。如果待检验数据峰度系数或偏度系数大于1，则将待检验数据频数转化为相对积累频数作为数据概率，将待检验数据正态化。
计算待检验数据近似于正态分布或正态化后分布的中心值μ和方差σ，设定整组数据库中特性参数的健康态指标范围为[μ-2σ，μ+2σ]，考虑到单体生产在研制周期的前端，设定单体数据库中的特性参数的健康态指标范围为[μ-σ,μ+σ]。
按照上述的健康态指标范围对待检验的航天器锂离子蓄电池组的健康状态进行评价，如果位于该范围内，则认为该航天器锂离子蓄电池组为健康状态，否则为非健康状态；如果评价结果为不健康，则查找相应问题并对单体或整组电池进行更换。然后进入步骤(5)；
(5)对航天器锂离子蓄电池组特性参数变化趋势进行分析。利用待检验的航天器锂离子蓄电池组的特性参数生成步骤(2)所涉及的数据集合，与步骤(4)中的数据库中的数据集合进行比较，采用K-S检验(Kolmogorov-Smirnov Test)对两种分布进行距离分析，确认两种数据集合是否存在显著性差异。如果分析结果认为待检验的航天器锂离子蓄电池组的特性参数生成的数据集合，相对于健康态数据库存在显著性差异，则待检验的航天器锂离子蓄电池组的该参数指标已有一定退化趋势，可以利用该趋势进一步分析产品性能和寿命等指标。
所述的航天器锂离子蓄电池单体是锂离子蓄电池组单机产品的最小单元，目前较常用的包括钴酸锂体制和NCA体制。一般蓄电池组的一个组合体是由2-5个单体并联而成，蓄电池组是由多个该组合体串联而成。除少部分微小卫星锂离子蓄电池组是由单体直接串联而成外，其余航天器均采用这种设计。无论哪种锂离子蓄电池组，均可采用本文所述健康状态评价方法。
所述的航天器锂离子蓄电池单体和整组数据库，需要根据单体体制、容量、串并联数进行区分。分别建立不同体制、不同容量的单体数据库。在单体数据库基础上根据串并联节数建立整组数据库。
所述步骤(4)中，通过计算数据峰度系数和偏度系数的方法判断参数分布是否为正态分布，如果分布不为正态分布，则将原始数据频数转化为相对累积频数作为数据概率，转化为正态分布。设正态分布概率密度为其中平均值为μ，方差为σ。根据实际参数指标，确定健康态范围。一般整组相关数据指标健康态范围为[μ-2σ，μ+2σ]，单体相关数据指标要求较为严格，健康态范围为[μ-σ,μ+σ]。相对健康范围可以根据具体产品的批次和型号的需求而调整。如果评价结果为健康，则将新数据加入到数据库中。以正态分布概率密度确定数据正常值范围，代替现有的简单正常值范围判断方式。并根据实际情况，分别确定单体和整组健康范围，其中单体指标更严格，更利于在早期发现问题。
所述步骤(5)中，采用一种非线性K-S距离检验(Kolmogorov-SmirnovTest)方法，确定新数据分布形式与数据库中分布形式的差异。其基本思路为：设F(x)为数据库中特性参数分布函数，G(x)为待检验的航天器锂离子蓄电池组的特性参数生成步骤(2)所涉及的数据分布函数，需要检验的问题为：
H0：F(x)＝G(x)；H1：F(x)≠G(x) (1)
其中“＝”表示数据距离接近。Smirnov统计量为：
D＝max{|Fm(X(i))-Gn(Y(j))|} (2)
其中X(i)和Y(j)分别表示待检验的航天器锂离子蓄电池组的特性参数的顺序概率密度，m/n表示待检验的航天器锂离子蓄电池组的特性参数位置。统计量D所对应显著水平可表示为：
其中
D作为F(x)和G(x)概率密度之间的距离，其显著水平越趋近于0，两个分布之间相近度越高，反之相似度较低。取显著值区分值为0.05，小于0.05时证明H0成立，反之H1成立。
以K-S检验法确认待检验的航天器锂离子蓄电池组的特性参数数据集合形成的分布与数据库数据分布之间的距离关系，确认参数是否存在趋势性变化。这种方法有利于早期发现潜在变化规律，对航天器锂离子蓄电池组地面和在轨管理上有重要的价值。
如图1所示，一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康态评价方法，步骤如下：
(1)将航天器锂离子蓄电池组寿命周期划分为4个阶段，然后进入步骤(2)；
(2)确定步骤(1)中4个阶段能够表征蓄电池组健康状态且可测量的性能参数，一般每个阶段包含3-4个特性参数。然后进入步骤(3)；
(3)收集各阶段特性参数，形成单体和组合体对应健康态数据库，一般单体相关3个特性参数，整组相关7个特性参数；然后进入步骤(4)；
(4)对数据库中的特性参数进行分布验证和转换，以正态分布的形式对数据进行比较。确定单体和整组的健康态数据范围。然后进入步骤(5)；
(5)对同一特性参数最新数据分布情况和数据库中的数据分布情况进行K-S距离分析，确定其是否存在显著性差异。利用分析结果，进一步分析产品的性能和寿命等指标。
实施例1
一台航天器锂离子蓄电池组产品，采用本方法进行健康状态评价。该锂离子蓄电池组由9个组合体串联而成，每个组合体由3个单体并联而成，单体采用的是钴酸锂体制。下面对其进行健康状态评价：
所述的单体生产到组装阶段，待检验单体内阻范围为[1.63，2.61](单位：mΩ)；
所述的单体数据库经过正态化后的中心值μ＝2.07方差σ＝0.83，因此健康态范围为[μ-σ,μ+σ]，即[1.24，2.90]。待检验单体内阻范围在健康态范围内。采用K-S检验确认待检验单体内阻数据与数据库中单体内阻数据是否存在显著性差异。经检验，显著水平P(D)＝0.023，可证明待检验单体内阻数据与数据库中单体内阻数据差异显著性较小。采用同样方法，对单体容量、荷电保持率进行检验。待检验单体容量范围为[33.13，33.27](单位：Ah)，数据库健康态范围为[32.88,33.96]。待检验单体荷电保持率范围为[95.92％，96.34％]，数据库健康态范围为[95.28％，96.88％]，待检验单体特性参数在健康态范围内。单体容量、荷电保持率显著水平检验结果P(D)分别为0.018和0.027，差异显著性较小。可判断，待检验航天器锂离子蓄电池组在单机生产到组装阶段是健康的，数据无退化趋势。
组装后到交付、装星后到发射前、在轨使用阶段也采用该方法进行检验，特性参数均在正态化数据范围内，显著水平检验结果均小于0.05，因此可判断，待检验的航天器锂离子蓄电池组寿命周期内健康状态良好。
实施例2
一台航天器锂离子蓄电池组产品，采用本方法进行健康状态评价。该锂离子蓄电池组由20个组合体串联而成，每个组合体由5个单体并联而成，单体采用的是NCA体制。下面对其进行健康状态评价：
所述的在轨使用阶段待检验蓄电池组充放电温度范围为[16.3，18.6](单位：℃)；
所述的整组数据库经过正态化后的中心值μ＝15.5方差σ＝1.6，因此健康态范围为[μ-2σ，μ+2σ]，即[12.3，18.7]。待检验充放电温度范围在健康态范围内。采用K-S检验确认待检验充放电温度与数据库中充放电温度数据是否存在显著性差异。经检验，显著水平P(D)＝0.058，可证明差异显著性较大，待检验航天器锂离子蓄电池组在轨使用阶段充放电温度存在一定变化趋势，需要重点关注。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于步骤包括：
(1)将航天器锂离子蓄电池组寿命周期分为四个阶段，四个阶段分别为单体生产到组装、组装后到交付、装星后到发射前和在轨使用阶段；
(2)确定表征每个阶段健康状态的特性参数；
(3)将已有的同容量航天器锂离子蓄电池组研制和使用过程中步骤(2)中所涉及到的特性参数，形成单体健康状态数据库和整组健康状态数据库；
(4)对步骤(3)得到的单体健康状态数据库和整组健康状态数据库中的各特性参数进行分布检验，判断其是否满足近似正态分布，如果不满足近似正态分布，则将各特性参数数据频数转化为相对积累频数作为数据概率，将各特性参数正态化；
(5)计算步骤(4)中各特性参数近似正态分布或正态化后分布的中心值μ和方差σ，并将单体健康状态数据库中的各特性参数的健康态指标范围设定为[μ-σ,μ+σ]，将整组健康状态数据库中的各特性参数的健康态指标范围设定为[μ-2σ，μ+2σ]；
(6)获得待检验的航天器锂离子蓄电池组不同阶段中的各特性参数，并与步骤(5)中所设定的范围进行比较，如果位于相应的范围内，则认为待检验的航天器锂离子蓄电池组为健康状态，否则为非健康状态。
2.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，表征单体生产到组装阶段健康状态的特性参数包括：单体内阻、单体容量和单体荷电保持率。
3.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，表征组装后到交付阶段健康状态的特性参数包括：整组容量、组合体荷电保持率和恒功率放电终压。
4.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，表征装星后到发射阶段健康状态的特性参数包括：组合体荷电保持率、恒功率放电终压和充电时间。
5.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，表征在轨使用阶段健康状态的特性参数包括：组合体荷电保持率、最大地影放电终压、在轨充电时间和充放电温度。
6.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，单体健康状态数据库中特性参数包括：单体内阻、单体容量和单体荷电保持率；
所述的步骤(3)中，整组健康状态数据库中特性参数包括：整组容量、组合体荷电保持率、恒功率放电终压、充电时间、最大地影放电终压、在轨充电时间和充放电温度。
7.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，判断各特性参数是否满足近似正态分布的方法为：检验各特性参数数据的峰度系数和偏度系数，如果各特性参数数据的峰度系数和偏度系数均小于等于1，则认为该各特性参数数据分布近似于正态分布；如果各特性参数数据峰度系数或偏度系数大于1，则认为该各特性参数数据分布不近似于正态分布。
8.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，待检验的航天器锂离子蓄电池组为健康状态时，进一步对该航天器锂离子蓄电池组的各特性参数变化趋势进行分析。
9.根据权利要求8所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：对航天器锂离子蓄电池组特性参数变化趋势进行分析的方法为：将该航天器锂离子蓄电池组的特性参数生成新的数据库，新的数据库中包括单体健康状态数据库和整组健康状态数据库，将该新的数据库与步骤(3)中得到的数据库进行比较，采用K-S检验对两种数据库中的数据分布进行距离分析，确认两种数据库中的数据是否存在显著性差异，如果存在，则该航天器锂离子蓄电池组的该参数指标已有退化趋势，利用该趋势进一步分析产品性能和寿命等指标。
10.根据权利要求8所述的一种航天器锂离子蓄电池组全寿命周期健康状态评价方法，其特征在于：确认两种数据库中的数据是否存在显著性差异的方法为：设F(x)为数据库中特性参数分布函数，G(x)为新的数据库的数据分布函数，需要检验的问题为：
H0：F(x)＝G(x)；H1：F(x)≠G(x) (1)
其中“＝”表示数据距离接近。Smirnov统计量为：
D＝max{|Fm(X(i))-Gn(Y(j))|} (2)
其中X(i)和Y(j)分别表示该航天器锂离子蓄电池组的特性参数的顺序概率密度，m/n表示该航天器锂离子蓄电池组的特性参数位置，统计量D所对应显著水平可表示为：
其中
D作为F(x)和G(x)概率密度之间的距离，其显著水平越趋近于0，两个分布之间相近度越高，反之相似度较低，取显著值区分值为0.05，小于0.05时证明H0成立，反之H1成立。
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