CN111693876A - 电池组评价方法及*** - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种电池组评价方法及***。电池组评价方法包括获得待测试电池组的特性数据。确定待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标。结合待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值,计算待测试电池组一致性评价指标的未加权得分。确定待测试电池组一致性评价指标的权重。计算待测试电池组的一致性加权总得分。电池组评价方法随着电池使用过程中的演化情况,结合电池的耐久性、一致性和安全性,有效的定量评价电池组的一致性。在电池组评价的过程中,不需要对电池组进行拆解,涉及的特征参数较为全面。最终计算出待测试电池组的一致性加权总得分,其结论更加量化和客观,需要的计算量较小,评价的准确性较高。
Description
技术领域
本申请涉及电池检测技术领域,特别是涉及一种电池组评价方法及***。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长和自放电率低等优点。目前锂离子电池的应用领域不断扩展,特别是在电动汽车和混合动力汽车领域。然而,电动汽车的行驶里程和安全性仍然使消费者感到担忧。对于电动汽车来说,由于单个电池的电压和容量有限,因此需要构建由数百个单体电池并联或串联的电池组来满足电动汽车所需的功率和能量。然而,由于制造过程的不一致和使用环境的不一致,电池组单体间的不一致始终存在并不可消除。电池组单体间的不一致将加快电池组寿命的衰减速度,降低电池包的性能和安全性。
传统方案中,采用对称电极快速评价方法或者基于信息熵的电池组不一致性综合评价方法。在评价过程中,电池单体间的不一致性评价参数选取不准确,并且评价的准确性较低。
发明内容
基于此,有必要针对传统的技术方案在评价过程中,电池单体间的不一致性评价参数选取不准确,并且评价的准确性较低的问题,提供一种电池组评价方法及***。
一种电池组评价方法,包括:
获取待测试电池组的特性数据;
根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标;
根据所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标以及所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值,计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分;
确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重;
根据所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分以及所述待测试电池组一致性评价指标的权重,计算所述待测试电池组的一致性加权总得分,所述待测试电池组的一致性加权总得分的分数越高,所述待测试电池组的一致性越好。
一种电池组评价***,包括:
特性数据获取装置,用于获得所述待测试电池组的特性数据;
电池组一致性评价指标确定装置,与所述特性数据获取装置连接,用于根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标,以及确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值;以及
电池组一致性评价指标得分运算装置,与所述电池组一致性评价指标确定装置连接,用于计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分,确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重,以及计算所述待测试电池组的一致性加权总得分。
本申请中提供一种电池组评价方法及***。电池组评价方法中获得待测试电池组的特性数据。根据特性数据确定待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标。根据待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标及其阈值,计算待测试电池组一致性评价指标的未加权得分。确定待测试电池组一致性评价指标的权重。根据待测试电池组一致性评价指标的未加权得分以及待测试电池组一致性评价指标的权重,计算待测试电池组的一致性加权总得分。待测试电池组的一致性加权总得分的分数越高,待测试电池组的一致性越好。本申请中提供的电池组评价方法可以随着电池使用过程中的演化情况,结合电池的耐久性、一致性和安全性,有效的定量评价电池组的一致性。在对电池组进行评价的过程中,不需要对电池组进行拆解,并且涉及的特征参数较为全面。最终计算出待测试电池组的一致性加权总得分,其结论更加量化和客观,需要的计算量较小,评价的准确性较高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案,下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例中提供的电池组评价方法的步骤流程图;
图2为本申请一个实施例中提供的获得所述待测试电池组的外部特性数据的步骤流程图;
图3为本申请一个实施例中提供的获得所述待测试电池组的外部特性数据的实验示意图;
图4为本申请一个实施例中提供的电池组评价方法的设计思路附图;
图5为本申请一个实施例中提供的电池组评价方法的具体实施方案的附图;
图6为本申请一个实施例中提供的电池组评价方法中,电容和电量的计算原理图;
图7为本申请一个实施例中提供的图6中A区域的放大图;
图8为本申请一个实施例中提供的图6中B区域的放大图;
图9为本申请一个实施例中提供的采用层次分析法模型得出电池组一致性的结构模型。
附图标号说明:
待测试电池组 10
温箱 20
电池充放电设备 30
数据采集设置 40
控制器 50
具体实施方式
为了便于理解本申请,下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是,本申请可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本申请。
在电动汽车和混合动力汽车中存在用于提供功率和能量的多个电池组。不同的电池组可能包括数百个并联或串联的电池单体。发明人研究发现,电池组不一致性主要包括电池组中电池单体的电压的不一致、内阻的不一致、温度的不一致、容量的不一致和电池荷电状态的不一致。其中,荷电状态(State of Charge,缩写SOC)。电池单体不一致的成因主要包括两方面,并且这两方面是相互耦合作用的。第一方面,在电池单体成组前,即在生产制造过程中单体初始性能的差异。第二方面,在电池单体成组后,即在使用过程中由于使用条件不一致导致的电池内部性能变化不一致。
锂离子电池虽然是一种能量存储和转换的设备,但它并不是可以无限使用的。即锂离子电池的循环使用寿命是有限的。这是因为锂离子电池的性能会随着电池的使用而逐渐下降。电池组中每一个电池单体容量的衰减都有可能导致电池组容量的衰减。这一现象归根结底是由于电池单体的不一致引起的。然而,目前评价锂离子电池一致性方法的体系还不够完善。因此,本申请提供一种电池组评价方法及***。
本申请是针对电池组中不同的电池单体之间的不一致将加快电池组寿命的衰减速度,降低电池包的性能和安全性的问题,提出了一种基于一致性的电池组评价方法。请参阅图1,本申请提供一种电池组评价方法,包括:
S100,获取待测试电池组的特性数据。本步骤中,可以通过汽车上的电池管理***(BMS)、云端大数据或实验等方式获得电池组在多次充放电过程中的所述特性数据。所述特性数据可以包括外部特性数据和内部特性数据。
S200,根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标。本步骤中可以采用一致性评价方法,在所述特性数据中确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标。所述一致性评价方法包括标准差、极差、方差、均方根误差、香农熵、变异系数和基尼系数等方式实现。在一个实施例中,可以计算电压一致性、温度一致性、内阻一致性、容量一致性和电量一致性等指标的参数值。
S300,根据所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标以及所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值,计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分。
本步骤中,在计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分之前还可以包括分别确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值。具体包括确定所述待测试电池组关键外部特性参数的一致性评价指标的阈值和所述待测试电池组关键内部特性数据的一致性评价指标的阈值。
本步骤中可以采用最高分和最低分确定阈值的方法,来确定各项指标的阈值。进一步采用插值方法,根据阈值计算出各项指标的未加权得分。在一些实施例中,所述插值方法包括线性插值、函数插值、分段线性插值、分段函数插值等。
S400,确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重。本步骤中,可以采用权重分析的方法,确定各项指标的权重。在一些实施例中,所述权重分析的方法包括层次分析法、模糊层次分析法等。
S500,根据所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分以及所述待测试电池组一致性评价指标的权重,计算所述待测试电池组的一致性加权总得分。所述待测试电池组的一致性加权总得分的分数越高,所述待测试电池组的一致性越好。
具体的本步骤中,根据所述待测试电池组关键外部特性参数的一致性评价指标的未加权得分、所述待测试电池组关键内部特性数据的一致性评价指标的未加权得分、所述待测试电池组关键外部特性参数的一致性评价指标的权重和所述待测试电池组关键内部特性数据的一致性评价指标的权重,计算所述待测试电池组的一致性加权总得分。所述待测试电池组的一致性加权总得分的分数越高,所述待测试电池组的一致性越好。
本实施例中,所述电池组评价方法包括获得待测试电池组的特性数据。根据特性数据确定待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标。根据待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标及其阈值,计算待测试电池组一致性评价指标的未加权得分。确定待测试电池组一致性评价指标的权重。根据待测试电池组一致性评价指标的未加权得分以及待测试电池组一致性评价指标的权重,计算待测试电池组的一致性加权总得分。待测试电池组的一致性加权总得分的分数越高,待测试电池组的一致性越好。本实施例中提供的电池组评价方法可以随着电池使用过程中的演化情况,结合电池的耐久性、一致性和安全性,有效的定量评价电池组的一致性。在对电池组进行评价的过程中,不需要对电池组进行拆解,并且涉及的特征参数较为全面。最终计算出待测试电池组的一致性加权总得分,其结论更加量化和客观,需要的计算量较小,评价的准确性较高。
请参阅图4至图5,图4为本申请一个实施例中提供的电池组评价方法的设计思路附图。图4中S10至S70的步骤为上述S100至S500的步骤的进一步细化步骤。图5为本申请一个实施例中提供的电池组评价方法的具体实施方案的附图。图5中S11至S16的步骤为上述S100至S500的步骤的进一步细化步骤。其中,所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标包括所述电压一致性、所述温度一致性、所述内阻一致、所述容量一致性和所述电量一致性。
在一个实施例中,所述待测试电池组的特性数据包括:外部特性数据和内部特性数据。所述外部特性数据包括时间、电压、电流、温度、电池荷电状态(SOC)或者其他能够监控所述待测试电池组外部状态的参数。所述内部特性数据包括内阻、容量、电量、阻抗或者其他所述待测试电池组内部状态的参数。当然,所述外部特性数据和所述内部特性数据还可以包括上述列举的时间、电压、电流、温度、内阻、容量和电量之外的其他数据。
本实施例中,所述外部特性数据可以是在多次充放电过程中采集的数据,也可以是车载电池管理***直接获取的数据。根据所述外部特性数据计算在多次充放电过程中,所述待测试电池组的内部特性数据。
在一个实施例中,所述获取待测试电池组的特性数据的步骤包括:
S101,提供待测试电池组,所述待测试电池组包括多个电池单体。所述待测试电池组可能包括数百个并联或串联的电池单体。
S102,对所述待测试电池组实施充放电,并在多次充放电过程中获得所述待测试电池组的特性数据。
S103,根据所述外部特性数据计算所述内部特性数据。
本实施例中,提供一种通过实验的方式获取待测试电池组的特性数据的实施例。具体实施步骤可参阅图2和图3,获得所述待测试电池组的外部特性数据的步骤包括:
S110,提供所述待测试电池组10,并将所述待测试电池组10置于温箱20,所述温箱20内的温度设置为标准温度,具体的所述标准温度为25℃。静置第一时间。所述第一时间可以设置在2小时至12小时。在一个实施例中,所述第一时间可以为3小时。所述待测试电池组10中设置温度传感器。
S120,提供充放电设备30,以第一倍率恒流对所述待测试电池组10放电至放电截止电压,静置第二时间。所述第一倍率恒流可以为1/4C至1/2C的恒流,在一个实施例中,所述第一倍率恒流可以设置为1/3C的恒流。所述第二时间可以为30分钟至60分钟。在一个实施例中,所述第二时间可以为30分钟。
S130,以所述第一倍率恒流对所述待测试电池组充电第一充电时间。所述第一充电时间可以为2小时至3小时。在一个实施例中,所述第一充电时间可以为2小时。
S140,以第二倍率恒流充电至充电截止电压,静置第三时间。所述第二倍率恒流可以为1/10C至1/4C的恒流。在一个实施例中第二倍率恒流设置为1/4C。所述第三时间可以为30分钟至60分钟。在一个实施例中,所述第三时间可以为30分钟。其中,所述第一倍率大于所述第二倍率。所述待测试电池组经过所述第一充电时间充电后,使得所述待测试电池组的SOC在70%-80%。SOC为所述待测试电池组的荷电状态。
S150,上述恒流放电至放电截止电压、静置所述第二时间、恒流充电第一充电时间、恒流充电至充电截止电压以及静置第三时间为一个实验周期。上述S120-S140为一个实验周期。多次重复所述实验周期,以在多次充放电过程中获得所述待测试电池组的外部特性数据。
在一个实施例中,以某款三元体系锂离子动力电池组作为研究对象。所述待测试电池组的充放电截止电压分别设置为4.15V和3.1V。所述待测试电池组包括96个电池单体(串联)形成,并配有18个温度传感器。实验具体步骤如下:
图3中给出了测量所述待测试电池组10特性参数的实验装置,实验工况可以通过控制器50(所述控制器50可以为电脑)进行设置。控制信号通过网线传给电池充放电设备30(或称为电池测试***battery test system,缩写BTS)。具体实施例中,所述电池充放电设备30可以采用的是Arbin电池测试***。所述电池充放电设备30采集并监测整个实验进程。实验中电池单体的电流、电池单体电压,电池单体的温度等实验数据通过数据采集仪40获得并最终保存在所述控制器50中。电池单体电压采集精度约为1mV,电流采集精度约为0.1%,温度采集精度约为0.1℃。实验的采样频率设置为1Hz,在所述温箱20中进行,温度控制在25℃。
在一个实施例中,具体的实验步骤如下:(1)将电池组在25℃环境下静置3小时,使电池***达到热稳定。(2)1/3C恒流放电至放电截止电压。(3)搁置30分钟(4)1/3C恒流充电2小时。(5)电流切换至1/4C,继续恒流充电至充电截止电压;(6)搁置30分钟;(7)步骤(2)至步骤(6)循环5次。最终,通过所述控制器50获取时间、电压、电流和温度的所述外部特性数据。
在一个实施例中,获得所述待测试电池组的外部特性数据的步骤之后,包括:
根据以下公式(1)计算所述待测试电池组的内阻:
式中,表示第iC个电池单体的内阻,所述待测试电池组中共有nC个电池单体,单位是mΩ。表示充电过程中电流切换前的最后时刻第iC个电池单体的电压。表示充电过程中电流切换后的起始时刻第iC个电池单体的电压。IA表示充电过程中电流切换前的最后时刻的电流。IB表示充电过程中电流切换后的起始时刻的电流。
根据以下公式(2)至公式(8)计算所述待测试电池组的容量和所述待测试电池组的电量:
上式中,t1是所述待测试电池组充电的起始时间。t2是所述待测试电池组充电的结束时间。表示第iC个电池单体的剩余充电时间。是第iC个电池单体的t2时刻的电压经过A点平移到B点,在充电结束电压最高的单体的充电电压曲线上所对应的时间。表示第iC个电池单体的剩余放电时间。表示第iC个电池单体的t1时刻的电压经过C点平移到D点,在放电结束电压最低的单体的充电电压曲线上所对应的时间。I表示充电电流,在恒流充电工况下,I是个定值。在恒功率充电工况下,I是个变量。表示第iC个电池单体的剩余放电电量。表示第iC个电池单体的剩余充电电量。Qsys表示所述待测试电池组的***容量。表示第iC个电池单体的容量。表示第iC个电池单体的电量。
本实施例中,给出了根据所述外部特性数据计算所述内部特性数据的具体计算公式。当然可以理解,计算所述内部特性数据还可以采用其他的方法,在此并不限定为本实施例中的一种计算方法。
请参阅图6为本申请一个实施例中提供的电池组评价方法中,电容和电量的计算原理图。请参阅图7为本申请一个实施例中提供的图6中A区域的放大图。请参阅图8为本申请一个实施例中提供的图6中B区域的放大图。
在一个实施例中,所述根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的步骤包括:
根据所述外部特性数据和所述内部特性数据,分别计算所述待测试电池组关键外部特性参数的一致性评价指标和所述待测试电池组关键内部特性数据的一致性评价指标;
所述待测试电池组关键外部特性参数的一致性评价指标包括:电压一致性、温度一致性;
所述待测试电池组关键内部特性数据的一致性评价指标包括:内阻一致、容量一致性和电量一致性。
本实施例中,所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标可以依靠一致性评价方法得出。所述一致性评级方法可以包括标准差、极差、方差、均方根误差、香农熵、变异系数和基尼系数中的一种或多种方法。本实施例中计算的所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标包括电压一致性、温度一致性、内阻一致、容量一致性和电量一致性,这五项指标的对应参数。在一个实施例中采用的一致性评价方法包括标准差、极差、均方根误差和变异系数。
在一个实施例中,所述电压一致性的评价指标通过电压一致性参数δV来评价:δV越大,所述电压一致性越差。所述电压一致性参数δV通过以下公式(9)至公式(14)得出:
式中,nc表示所述待测试电池组共有nc个电池单体。表示第iC个单体在充电阶段第j时刻(共有k个时刻)的电压。Vm-j表示在充电阶段第j时刻的各电池单体电压平均值,其全部数值构成充电过程的平均电压曲线。表示平均电压曲线的平均值。Vmax-j表示各电池单体在充电阶段第j时刻的最大电压值,其全部数值构成充电过程的最高电压曲线。Vmin-j表示各电池单体在充电阶段第j时刻的最小电压值,其全部数值构成充电过程的最低电压曲线。σV表示在充电阶段的最高电压曲线数据与最低电压曲线数据的均方根误差。δV表示各单体充电电压的变异系数,即为所述电压一致性参数。
所述温度一致性的评价指标通过温度一致性参数σT来评价:σT越大,所述温度一致性越差。所述温度一致性参数σT通过以下公式(15)至公式(19)得出:
式中,nT表示所述待测试电池组共有nT个温度传感器。表示第iT个温度传感器,所述待测试电池组共有nT个温度传感器。在充电阶段第j时刻的温度,充电阶段共有k个时刻。Tm-j表示在充电阶段第j时刻的各温度传感器温度平均值,其全部数值构成充电过程的平均温度曲线。表示平均温度曲线的平均值。Tmax-j表示各温度传感器在充电阶段第j时刻的最大温度值,其全部数值构成充电过程的最高温度曲线。Tmin-j表示各温度传感器在充电阶段第j时刻的最小温度值,其全部数值构成充电过程的最低温度曲线。σT表示在充电阶段的最高温度曲线数据与最低温度曲线数据的均方根误差,即为所述温度一致性参数。
所述内阻一致性的评价指标通过内阻一致性参数δR来评价:δR越大,所述内阻一致性越差。所述内阻一致性参数δR通过以下公式(20)至公式(22)得出:
式中,nc表示所述待测试电池组共有nc个电池单体。表示各单体容量的平均值。σQ表示各单体容量的标准差。δQ表示各单体容量的标准差变异系数,是评价容量一致性的参数之一。Qmax表示各单体容量的最大值,Qmin表示各单体容量的最小值。表示各单体容量的极差变异系数,即为容量一致性评价参数。
式中,nc表示所述待测试电池组共有nc个电池单体。表示各单体电量的平均值。σE表示各单体容量的标准差。δE表示各单体电量的标准差变异系数,是评价电量一致性的参数之一。Emax表示各单体电量的最大值,Emin表示各单体电量的最小值。表示各单体电量的极差变异系数,即为所述电量一致性评价参数。
本实施例中,上述公式(9)-公式(30)中给出的计算各指标参数的计算方法仅仅是一种实施例,本申请中并不是仅此一种的计算方法来得出上述各指标参数。
在一个实施例中,所述计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分的步骤包括:
所述电压一致性参数δV的满分阈值设置为tV=2.5%,所述温度一致性参数σT的满分阈值设置为tT=10℃,所述内阻一致性参数δR的满分阈值设置为tR=50%,所述容量一致性参数δQ和的满分阈值都设置为tQ=5%,所述电量一致性参数δE和的满分阈值都设置为tE=5%;
采用分段线性插值的方法,得出所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分;所述电压一致性的未加权得分记为GV,所述温度一致性的未加权得分记为GT,所述内阻一致性的未加权得分记为GR,所述容量一致性的未加权得分记为GQ,所述电量一致性的未加权得分记为GE;
δV为所述电压一致性参数,σT为所述温度一致性参数,δR为所述内阻一致性参数,σQ和分别为所述容量一致性参数,δE和分别为所述电量一致性参数;表示容量的过程变量;kQ表示容量的系数;表示电量的过程变量;kE表示电量的系数。
本实施例中,上述的满分阈值的设置可以是根据实际或工程中的需要进行调节的。本实施例中仅仅以上述公式(31)至公式(39)为例,实施运算。上述公式(31)至公式(39)中并没有相互制约的条件,公式中的各个分段插值并不是固定,可以另行设置。另外上述得出所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分的公式也不一定是分段线性插值,也可以是抛物线插值等其他的插值方式。采用分段线性插值构建插值计算公式的原理可以参考以下的表1所示。
表1分段线性插值构建插值计算原理
在一个实施例中,采用层次分析法确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重。
层次分析法是一种定性和定量相结合、***化、层次化的分析方法。由于它在处理复杂的决策问题上的实用性和有效性,因此它的应用已遍及经济与管理、能源分配、军事指挥、农业、运输等领域。层次分析法(AHP)确定权重的步骤如下:
第一、构造判断(成对比较)矩阵。在确定各层次各因素之间的权重时,如果只是定性的结果,则常常不容易被别人接受。因而研究人员提出一致矩阵法,即不把所有因素放在一起比较,而是两两相互比较。对比时采用相对尺度,以尽可能减少性质不同的诸因素相互比较的困难,以提高准确度。ai、aj(i,j=1,2,3,···,n)表示决定目标的因素;aij表示ai对aj的相对重要性数值(表2列出了研究人员给出的9个重要性等级及其赋值);全部的aij组成判断矩阵P,如公式(40)所示:
判断矩阵具有如下性质:
表2比例标度表
第二、层次单排序。根据判断矩阵,求出其最大特征根λmax所对应的特征向量w,如公式(42)所示:
Pw=λmaxw (42)
特征向量w经归一化后得到向量v,即为同一层次因素对于上一层次因素中的某一因素相对重要性的排序权值,也就是权重分配。若***由目标层与第一层因素组成,那么向量v就第一层各因素对于目标层相对重要性的排序权重。
第三、一致性检验。由判断矩阵得到的权重分配是否具有合理性,还需对判断矩阵进行一致性检验,如公式(43)-公式(44)所示:
式中,XI表示判断矩阵的一般一致性指标;n表示判断矩阵P的阶数;XR表示判断矩阵的随机一致性比率;RI为判断矩阵P的平均随机一致性指标(1~10阶的判断矩阵P的RI标准值见表3)。
表3平均随机一致性指标RI标准值
当判断矩阵P满足条件CR<0.1时,则认为P通过一致性检验,否则就不通过,需要重新调整P中的元素。
请参阅图9,图9为本申请一个实施例中提供的采用层次分析法模型得出电池组一致性的结构模型。在一个实施例中,所述确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重的步骤包括:
确定目标层和评价因素层,所述目标层包括电池组一致性评价,所述评价因素层包括所述电压一致性因素a1、所述温度一致性因素a2、所述内阻一致性因素a3、所述容量一致性因素a4和所述电量一致性因素a5;
根据所述目标层和所述评价因素层,构造判断矩阵,所述判断矩阵中aij表示ai对aj的相对重要性数值;i和j分别取1、2、3、4或5;所述判断矩阵P如以下公式(45)所示:
计算得出所述判断矩阵P的最大特征根λmax为5.43,以及所述最大特征根λmax所对应的特征向量W=(0.2286,0.1242,0.1774,0.0999,0.3699);
对所述特征向量W进行一致性检验,把n=5,λmax=5.43,RI=1.12代入上述公式(43)-公式(44)。
根据公式(43)-公式(44),计算得出CR=0.0954<0.1,因此所述判断矩阵P具有满意的一致性。根据公式(43)-公式(44),计算得出CR≥0.1,则需要重新调整所述判断矩阵P中的元素,以使得所述判断矩阵P通过一致性检验。所述电压一致性的权重记为WV=22.86%,所述温度一致性的权重记为WT=12.42%,所述内阻一致性的权重记为WR=17.74%,所述容量一致性的权重记为WQ=9.99%,所述电量一致性的权重记为WE=36.99%。
本实施例中,给出了一种结合层次分析法确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重的计算方法。当然,所述待测试电池组一致性评价指标的权重还可以通过其他的方法获得。本实施例中,对于上述所述待测试电池组一致性评价指标的权重之间的关系满足:
WV+WT+WR+WQ+WE=100% (46)
即,所述待测试电池组一致性评价指标的权重之和为1(100%)。
在一个实施例中,所述待测试电池组的一致性加权总得分记为GS,所述待测试电池组的一致性加权总得分由以下公式(47)计算得出:
GS=WV×GV+WT×GT+WR×GR+WQ×GQ+WE×GE (47)
GV为所述电压一致性的未加权得分,GT为所述温度一致性的未加权得分,GR为所述内阻一致性的未加权得分,GQ为所述容量一致性的未加权得分,GE为所述电量一致性的未加权得分;
WV为所述电压一致性的权重,WT为所述温度一致性的权重,WR为所述内阻一致性的权重,WQ为所述容量一致性的权重,WE为所述电量一致性的权重。
本实施例中,所述待测试电池组的一致性加权总得分等于每一个所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分乘以对应的所述待测试电池组一致性评价指标的权重再求和。
在一个具体的实施例中,可以结合上述实施例中给出的计算方法,运算得出所述待测试电池组的一致性加权总得分。所述待测试电池组的一致性加权总得分的分数越高,所述待测试电池组的一致性越好。
首先通过汽车上的电池管理***(BMS)、云端大数据或实验等方式获得电池组在多次充放电过程中的外部特性数据,如时间、电压、电流和温度等的数据。
进一步的,计算电池的内部特性数据如内阻、容量和电量等。
进一步,分别计算电池关键内外部特性参数的一致性,如电压一致性、温度一致性、内阻一致、容量一致性和电量一致性等指标的参数值。
进一步,确定各项指标的阈值,进而根据阈值计算出各项指标的未加权得分。
进一步,确定各项指标的权重,进而基于权重计算出各项指标的加权得分并计算出电池组一致性的总分。
通过这种基于一致性的电池组评价方法,可以有效的定量评价随着使用电池的耐久性、一致性、安全性的演化情况,需要计算量小,不需要对电池组进行拆解。
下面的表4为采用本申请的电池组评价方法得出的评分体系。表5为采用本申请的电池组评价方法得出的评分结果。
表4评分体系
表5评分结果
上述表4至表5中给出的数据中分别对三款电池组进行了实验。电池组A是一款老化严重的电池组,电池组B是一款新电池组,电池组C是一款半新电池。将这三款电池组进行充放电实验,获取时间、电压、电流和温度的外部特性数据。并将所述外部特性数据代入上述表4和表5,可计算出如表5所示电池组A的电池组一致性的总分为60.72分,电池组B的电池组一致性的总分为92.06分,电池组一致性的总分为76.67分。通过本申请中基于一致性的电池组评价方法,可以有效的定量评价随着使用电池的耐久性、一致性、安全性的演化情况,需要计算量小,不需要对电池组进行拆解。
本申请提供一种电池组评价***,包括:特性数据获取装置、电池组一致性评价指标确定装置以及电池组一致性评价指标得分运算装置。
特性数据获取装置作用于待测试电池。特性数据获取装置用于在多次充放电过程中获得所述待测试电池组的特性数据。或者在所述待测试电池组运行过程中实施获取其特性数据。
电池组一致性评价指标确定装置与所述特性数据获取装置连接。电池组一致性评价指标确定装置用于根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标。电池组一致性评价指标确定装置还用于确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值。
电池组一致性评价指标得分运算装置与所述电池组一致性评价指标确定装置连接。电池组一致性评价指标得分运算装置用于计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分。电池组一致性评价指标得分运算装置确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重。电池组一致性评价指标得分运算装置计算所述待测试电池组的一致性加权总得分。
本实施例中的电池组评价***可以实现上述任一个实施例中涉及的电池组评价方法的步骤。电池组评价***可以随着电池使用过程中的演化情况,结合电池的耐久性、一致性和安全性,有效的定量评价电池组的一致性。在对电池组进行评价的过程中,不需要对电池组进行拆解,并且涉及的特征参数较为全面。最终计算出待测试电池组的一致性加权总得分,其结论更加量化和客观,需要的计算量较小,评价的准确性较高。
本申请还提供一种电池组评价***,包括特性数据获取装置和运算控制器。
特性数据获取装置作用于待测试电池。特性数据获取装置用于在多次充放电过程中获得所述待测试电池组的特性数据。或者在所述待测试电池组运行过程中实施获取其特性数据。
运算控制器与所述特性数据获取装置连接。运算控制器用于根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标。运算控制器确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值。运算控制器计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分。运算控制器确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重。运算控制器计算所述待测试电池组的一致性加权总得分。
本实施例中的电池组评价***可以实现上述任一个实施例中涉及的电池组评价方法的步骤。电池组评价***可以随着电池使用过程中的演化情况,结合电池的耐久性、一致性和安全性,有效的定量评价电池组的一致性。在对电池组进行评价的过程中,不需要对电池组进行拆解,并且涉及的特征参数较为全面。最终计算出待测试电池组的一致性加权总得分,其结论更加量化和客观,需要的计算量较小,评价的准确性较高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种电池组评价方法,其特征在于,包括:
获取待测试电池组的特性数据;
根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标;
根据所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标以及所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值,计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分;
确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重;
根据所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分以及所述待测试电池组一致性评价指标的权重,计算所述待测试电池组的一致性加权总得分,所述待测试电池组的一致性加权总得分的分数越高,所述待测试电池组的一致性越好。
2.根据权利要求1所述的电池组评价方法,其特征在于,所述待测试电池组的特性数据包括:外部特性数据和内部特性数据;
所述外部特性数据包括时间、电压、电流和温度;
所述内部特性数据包括内阻、容量和电量;
所述获取待测试电池组的特性数据的步骤包括:
提供待测试电池组,所述待测试电池组包括多个电池单体;
对所述待测试电池组实施充放电,并在多次充放电过程中获得所述待测试电池组的外部特性数据;
根据所述外部特性数据计算所述内部特性数据。
3.根据权利要求2所述的电池组评价方法,其特征在于,获得所述待测试电池组的外部特性数据的步骤包括:
提供所述待测试电池组,并将所述待测试电池组置于温箱,温箱内的温度设置为标准温度,静置第一时间;
以第一倍率恒流对所述待测试电池组放电至放电截止电压,静置第二时间;
以所述第一倍率恒流对所述待测试电池组充电第一充电时间;
以第二倍率恒流充电至充电截止电压,静置第三时间;
上述恒流放电至放电截止电压、静置所述第二时间、恒流充电第一充电时间、恒流充电至充电截止电压、以及静置所述第三时间为一个实验周期,多次重复所述实验周期,以在多次充放电过程中获得所述待测试电池组的外部特性数据。
4.根据权利要求3所述的电池组评价方法,其特征在于,获得所述待测试电池组的外部特性数据的步骤之后,包括:
根据以下公式(1)计算所述待测试电池组的内阻:
式中,表示第iC个电池单体的内阻,所述待测试电池组中共有nC个电池单体,单位是mΩ;表示充电过程中电流切换前的最后时刻第iC个电池单体的电压;表示充电过程中电流切换后的起始时刻第iC个电池单体的电压;IA表示充电过程中电流切换前的最后时刻的电流;IB表示充电过程中电流切换后的起始时刻的电流;
根据以下公式(2)至公式(8)计算所述待测试电池组的容量和所述待测试电池组的电量:
上式中,t1是所述待测试电池组充电的起始时间;t2是所述待测试电池组充电的结束时间;表示第iC个电池单体的剩余充电时间;是第iC个电池单体的t2时刻的电压经过A点平移到B点,在充电结束电压最高的单体的充电电压曲线上所对应的时间;表示第iC个电池单体的剩余放电时间;表示第iC个电池单体的t1时刻的电压经过C点平移到D点,在放电结束电压最低的单体的充电电压曲线上所对应的时间;I表示充电电流,在恒流充电工况下,I是个定值;在恒功率充电工况下,I是个变量;表示第iC个电池单体的剩余放电电量;表示第iC个电池单体的剩余充电电量;Qsys表示所述待测试电池组的***容量;表示第iC个电池单体的容量;表示第iC个电池单体的电量。
5.根据权利要求4所述的电池组评价方法,其特征在于,所述根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的步骤包括:
根据所述外部特性数据和所述内部特性数据,分别计算所述待测试电池组关键外部特性参数的一致性评价指标和所述待测试电池组关键内部特性数据的一致性评价指标;
所述待测试电池组关键外部特性参数的一致性评价指标包括:电压一致性、温度一致性;
所述待测试电池组关键内部特性数据的一致性评价指标包括:内阻一致、容量一致性和电量一致性。
6.根据权利要求5所述的电池组评价方法,其特征在于,所述电压一致性的评价指标通过电压一致性参数δV来评价:δV越大,所述电压一致性越差;所述电压一致性参数δV通过以下公式(9)至公式(14)得出:
式中,nc表示所述待测试电池组共有nc个电池单体;表示第iC个单体在充电阶段第j时刻(共有k个时刻)的电压;Vm-j表示在充电阶段第j时刻的各电池单体电压平均值,其全部数值构成充电过程的平均电压曲线;表示平均电压曲线的平均值;Vmax-j表示各电池单体在充电阶段第j时刻的最大电压值,其全部数值构成充电过程的最高电压曲线;Vmin-j表示各电池单体在充电阶段第j时刻的最小电压值,其全部数值构成充电过程的最低电压曲线;σV表示在充电阶段的最高电压曲线数据与最低电压曲线数据的均方根误差;δV表示各单体充电电压的变异系数,即为所述电压一致性参数;
所述温度一致性的评价指标通过温度一致性参数οT来评价:οT越大,所述温度一致性越差;所述温度一致性参数σT通过以下公式(15)至公式(19)得出:
式中,nT表示所述待测试电池组共有nT个温度传感器;表示第iT个温度传感器,所述待测试电池组共有nT个温度传感器;在充电阶段第j时刻的温度,充电阶段共有k个时刻;Tm-j表示在充电阶段第j时刻的各温度传感器温度平均值,其全部数值构成充电过程的平均温度曲线;表示平均温度曲线的平均值;Tmax-j表示各温度传感器在充电阶段第j时刻的最大温度值,其全部数值构成充电过程的最高温度曲线;Tmin-j表示各温度传感器在充电阶段第j时刻的最小温度值,其全部数值构成充电过程的最低温度曲线;σT表示在充电阶段的最高温度曲线数据与最低温度曲线数据的均方根误差,即为所述温度一致性参数;
所述内阻一致性的评价指标通过内阻一致性参数δR来评价:δR越大,所述内阻一致性越差;所述内阻一致性参数δR通过以下公式(20)至公式(22)得出:
式中,nc表示所述待测试电池组共有nc个电池单体;表示各单体容量的平均值;σQ表示各单体容量的标准差;δQ表示各单体容量的标准差变异系数,是评价容量一致性的参数之一;Qmax表示各单体容量的最大值,Qmin表示各单体容量的最小值;表示各单体容量的极差变异系数,即为容量一致性评价参数;
7.根据权利要求6所述的电池组评价方法,其特征在于,所述计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分的步骤包括:
所述电压一致性参数δV的满分阈值设置为TV=2.5%,所述温度一致性参数σT的满分阈值设置为TT=10℃,所述内阻一致性参数δR的满分阈值设置为TR=50%,所述容量一致性参数δQ和的满分阈值都设置为TQ=5%,所述电量一致性参数δE和的满分阈值都设置为TE=5%;
采用分段线性插值的方法,得出所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分;所述电压一致性的未加权得分记为gV,所述温度一致性的未加权得分记为gT,所述内阻一致性的未加权得分记为gR,所述容量一致性的未加权得分记为gQ,所述电量一致性的未加权得分记为gE;
8.根据权利要求7所述的电池组评价方法,其特征在于,所述确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重的步骤包括:
确定目标层和评价因素层,所述目标层包括电池组一致性评价,所述评价因素层包括所述电压一致性因素a1、所述温度一致性因素a2、所述内阻一致性因素a3、所述容量一致性因素a4和所述电量一致性因素a5;
根据所述目标层和所述评价因素层,构造判断矩阵,所述判断矩阵中aij表示ai对aj的相对重要性数值;i和j分别取1、2、3、4或5;a1为电压一致性评价参数,a2为温度一致性评价参数,a3为内阻一致性评价参数,a4为容量一致性评价参数,a5为电量一致性评价参数,所述判断矩阵P如以下公式(40)所示:
所述判断矩阵P具有如下性质:
计算得出所述判断矩阵P的最大特征根λmax,以及所述最大特征根λmax所对应的特征向量W=(WV,WT,WR,WQ,WE),WV为所述电压一致性的权重,WT为所述温度一致性的权重,WR为所述内阻一致性的权重,WQ为所述容量一致性的权重,WE为所述电量一致性的权重;
按照以下公式(43)-公式(44),对所述特征向量W进行一致性检验:
CI表示所述判断矩阵的一般一致性指标;n表示所述判断矩阵P的阶数;CR表示所述判断矩阵的随机一致性比率;RI表示所述判断矩阵P的平均随机一致性指标,RI具有标准值;
根据公式(43)-公式(44),计算得出CR的值,当所述判断矩阵P满足条件CR<0.1时,则所述判断矩阵P通过一致性检验,否则所述判断矩阵P不通过,需要重新调整所述判断矩阵P中的元素。
9.根据权利要求8所述的电池组评价方法,其特征在于,所述待测试电池组的一致性加权总得分记为GS,所述待测试电池组的一致性加权总得分由以下公式(47)计算得出:
GS=WV×GV+WT×GT+WR×GR+WQ×GQ+WE×GE (47)
GV为所述电压一致性的未加权得分,GT为所述温度一致性的未加权得分,GR为所述内阻一致性的未加权得分,GQ为所述容量一致性的未加权得分,GE为所述电量一致性的未加权得分;
WV为所述电压一致性的权重,WT为所述温度一致性的权重,WR为所述内阻一致性的权重,WQ为所述容量一致性的权重,WE为所述电量一致性的权重。
10.一种电池组评价***,其特征在于,包括:
特性数据获取装置,用于获得所述待测试电池组的特性数据;
电池组一致性评价指标确定装置,与所述特性数据获取装置连接,用于根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标,以及确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值;以及
电池组一致性评价指标得分运算装置,与所述电池组一致性评价指标确定装置连接,用于计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分,确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重,以及计算所述待测试电池组的一致性加权总得分。
11.一种电池组评价***,其特征在于,包括:
特性数据获取装置,用于获得所述待测试电池组的特性数据;以及
运算控制器,与所述特性数据获取装置连接,用于根据所述特性数据确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标;确定所述待测试电池组关键特征参数的一致性评价指标的阈值;计算所述待测试电池组一致性评价指标的未加权得分;确定所述待测试电池组一致性评价指标的权重;以及计算所述待测试电池组的一致性加权总得分。
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