阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法技术

本发明专利技术公开了阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法，根据蓄电池端电压(V)与已放电容量(DOD)变化曲线拟合的数学模型，辨识模型中的参数后才可以通过二分法求解电池在全容量放电情况下已放电容量(DOD*)，然后使用温度变量将已放电容量(DOD*)换算为标准温度25℃时的已放电容量最后根据蓄电池的健康状态(SOH)的定义即可计算电池的SOH值。本发明专利技术的有益效果是铅酸蓄电池健康状态监测准确度高，且可以进行在线预测。

【技术实现步骤摘要】
阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法
本专利技术属于电池
，涉及阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法。
技术介绍
健康状态——蓄电池在完全充电状态下，电池实际容量和额定容量的比值，用SOH表示，表征了电池性能的衰减程度；蓄电池在线监测技术——在蓄电池组不退出电源系统的正常运行条件下，使用在线监测装置对蓄电池性能参数进行测试，并采用一定的计算方法或者数学模型，对数据进行分析，得出蓄电池健康状态的一种方法。短时放电——利用蓄电池在线监测装置，不断开充电电源使蓄电池处于放电状态，时间为0.5小时，采样收集放电过程中的蓄电池电流、蓄电池已放电容量和各蓄电池电压等数据，用于监测蓄电池的健康状态。本专利技术主要针对应用于变电站直流系统中的阀控密封式铅酸蓄电池在维护过程中，由于蓄电池特殊的阀控密封结构，使得维护人员在短时放电过程中难以准确获取蓄电池的健康状态的问题，采用阀控密封式铅酸蓄电池健康状态在线监测方法使用蓄电池的短时放电数据在线预测电池的健康状态。现有使用放电过程数据预测蓄电池的健康状态方法主要使用核对性放电或者半容量核对性放电评估蓄电池的性能，该方法具有操作复杂、需要离线操作、时间过长、耗费大量的人力物力并且影响蓄电池的使用寿命的缺点；使用放电初期的CDF现象探索蓄电池的健康状态，由于影响CDF现象有许多因素，因此单一使用CDF现象预测蓄电池的健康状态的准确度不高。本方法的目的是公开阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法，该方法使用蓄电池的短时放电数据预测电池的健康状态，且具有小于等于6％相对误差的准确度、可以进行在线预测，从而避免了对蓄电池进行长时间放电，因此不会影响蓄电池的循环寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法，解决了目前铅酸蓄电池健康状态监测准确度差，且难于进行在线预测的问题。本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行：步骤1：建立蓄电池端电压V与已放电容量DOD的函数模型如下：V(DOD)＝α×exp[β*DOD]+θ0+θ1×DOD+θ2×DOD2+θ3×DOD3；式中，V为蓄电池的放电端电压，DOD为蓄电池的已放电容量，α,β,θ0,θ1,θ2,θ3为函数的待定参数；步骤2：对待估计电池的放电电压的数据预处理，处理过程如下：设要处理的数据使用u1,u2,…,uN表示，预处理后的数据用u′1,u′2,…,u′N表示，其中，N表示处理的放电电压样本数，数据点表示待估计电池的放电电压；⑴数据的前2个数据点使用下面公式处理：u′1＝(3×u1+2×u2+1×u3+0×u4+(-1)×u5)/5u′2＝(4×u1+3×u2+2×u3+1×u4+0×u5)/10⑵数据的第3个点至第N-2个点，即i＝3,…,N-2时使用以下步骤进行处理，考虑运用点ui-2,ui-1,ui,ui+1,ui+2来估计点ui'的值(i表示待处理电池的第i个放电电压)：①求5点的平均值t表示子序列下标，取值为-2、-1、0、1、2，取0值时表示当前的第i个放电电压值；取1值时表示当前的第i个放电电压值的下一条放电电压值；取-1值时表示当前的第i个放电电压值的前一条放电电压值；②求5点的绝对误差③求5点的平均绝对误差④求ui+t的权值wi+t，ui+t表示待估计电池的第i+t个放电电压值,表示5点的平均绝对误差，如果条件成立(kx表示系数，本专利技术中取值为3)，则wi+t＝0；否则⑤求ui的值，ui表示待估计电池的第i个放电电压值，如果(w0表示阈值，本专利技术中取值为1000)，则u′i＝med{ui-2,…,ui+2}；如果则⑶数据的最后2个数据点使用下面公式进行处理：u'N-1＝(0×uN-4+1×uN-3+2×uN-2+3×uN-1+4×uN)/10u'N-2＝(-1×uN-4+0×uN-3+1×uN-2+2×uN-1+3×uN)/5；步骤3：对年检10h的放电电压数据先按照步骤2进行数据预处理后再对待测电池进行聚类；首先提取年检时10h放电前3h放电数据的聚类特征：电池放电前期CDF区域的谷底电压ud、放电初始电压us、短时放电截止电压uc、短时放电电压差uvd、短时放电过程放电电压的平均值uva以及短时放电过程放电电压的中位值uvm，组成的数据Fi(ud,us,uc,uvd,uva,uvm)表示电池组中第i个单体电池的数据点，使用K-means聚类算法对聚类特征进行计算；步骤4：使用各聚类类别中的电池数据进行模型参数辨识；设电池数学模型中的指数部分为e(DOD)＝α×exp[β×DOD]，多项式部分为p(DOD)＝θ0+θ1×DOD+θ2×DOD2+θ3×DOD3，则电池数学模型可以写为u(DOD)＝e(DOD)+p(DOD)，设指数函数e(DOD)中的参数为Α＝[αβ]T，多项式函数p(DOD)中的参数为Θ＝[θ0θ1θ2θ3]T，采用基于递推最小二乘算法辨识模型参数；步骤5：经过参数辨识得到模型参数，对模型f(DOD)＝e(DOD)-p(DOD)-ue＝0通过二分法求解待测电池放电到规定的终止电压ue＝1.8V时电池的已放电容量DOD*；式中，ue＝1.8为规定的蓄电池的放电终止电压，模型的解DOD*即为蓄电池放电至规定放电终止电压ue时放出的容量；进一步，在年检时，即处理的是蓄电池组进行10h全容量核对性放电或者5h半容量核对性放电数据时，放电电压数据经过步骤2(数据预处理)后进入步骤3(聚类算法)再进行步骤4(参数辨识)；在月检或者季检时，即处理的0.5h的恒流短时放电数据时，放电电压数据经过步骤2(数据预处理)直接进行步骤4(参数辨识)。进一步，所述步骤4中基于递推最小二乘算法辨识模型参数方法为：Step1:设多项式参数Θ0＝0，即p(DOD)＝0，指数参数A0＝0；Step2:重复(1)和(2)，(1)电池数学模型变形为ek(DOD)＝u-pk-1(DOD)，根据指数部分参数辨识方法从上一次指数参数值Ak-1得到更新值Ak；(2)电池数学模型变形为pk+1(DOD)＝u-ek(DOD)，根据多项式参数辨识方法从上一次多项式参数值Θk得到更新值Θk+1；直到指数参数与多项式参数满足以下收敛条件：其中，εe＝1×10-6，εp＝1×10-6，n表示迭代的是第n次；进一步，所述指数部分参数估计方法：假设已知多项式函数为pn(DOD)，则电池数学模型可以改写为e(DOD)≡α×exp[β×DOD]＝u(DOD)-pn(DOD)pn(DOD)是将电池模型函数迭代第n次后的多项式部分函数。上式两边取自然对数，得到ln(u(DOD)-pn(DOD))＝lnα+β×DOD设u'(DOD)＝ln［u(DOD)-pn(DOD)]，α'＝ln(α),γ＝[α'β]T,φ＝[1DOD]T，上式变形为u'(DOD)＝γT*φ参数α',β可以由下面的递推更新算法得到：公式符号说明：①φN+1-单体电池在放电过程中的第N+1个观测值，数值为其中tN+1是放电过程中的放电时间。②QN-为2阶矩阵；③-单体电池在放电过程中的第N个估计参数；④I-为2阶单位矩阵，即⑤ΦN+1-为2×1向量。最后计算出参数α,β的估计值为进一步，多项式部分参数估计方法：将已辨识出的指数函数记为en(DOD)，根据电池数学本文档来自技高网...

【技术保护点】
阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：建立蓄电池端电压V与已放电容量DOD的函数模型：V(DOD)＝α×exp[β*DOD]+θ0+θ1×DOD+θ2×DOD2+θ3×DOD3，式中，V为蓄电池的放电端电压，DOD为蓄电池的已放电容量，α,β,θ0,θ1,θ2,θ3为函数的待定参数；步骤2：对待估计电池的放电电压的数据预处理，处理过程如下：设要处理的数据使用u1,u2,…,uN表示，预处理后的数据用u′1,u′2,…,u′N表示，其中，N表示处理的放电电压样本数，数据点表示待估计电池的放电电压，(1)数据的前2个数据点使用下面公式处理：u′1＝(3×u1+2×u2+1×u3+0×u4+(‑1)×u5)/5u′2＝(4×u1+3×u2+2×u3+1×u4+0×u5)/10；(2)数据的第3个点至第N‑2个点，即i＝3,…,N‑2时使用以下步骤进行处理，考虑运用点ui‑2,ui‑1,ui,ui+1,ui+2来估计点u′i的值：求5点的平均值t表示子序列下标，取值为‑2、‑1、0、1、2，取0值时表示当前的第i个放电电压值；取1值时表示当前的第i个放电电压值的下一条放电电压值；取‑1值时表示当前的第i个放电电压值的前一条放电电压值；求5点的绝对误差Δi+t=ui+t-u‾(t=-2~2),]]>求5点的平均绝对误差Δ‾=15Σt=-2t=2|Δi+t|,]]>求ui+t的权值wi+t，ui+t表示待估计电池的第i+t个放电电压值,表示5点的平均绝对误差，如果条件成立，则wi+t＝0，否则kx表示系数，本专利技术中取值为3，求ui的值，ui表示待估计电池的第i个放电电压值，如果(w0表示阈值，本专利技术中取值为1000)，则u′i＝med{ui‑2,…,ui+2}如果0<Σt=-2t=2wi+t<w0,]]>则ui′=Σt=-2t=2wi+t×ui+tΣt=-2t=2wi+t;]]>(3)数据的最后2个数据点使用下面公式进行处理：u′N‑1＝(0×uN‑4+1×uN‑3+2×uN‑2+3×uN‑1+4×uN)/10u′N‑2＝(‑1×uN‑4+0×uN‑3+1×uN‑2+2×uN‑1+3×uN)/5；步骤3：对年检10h的放电电压数据按照步骤2进行数据预处理并进行聚类；首先提取年检时10h放电前3h放电数据的聚类特征：电池放电前期CDF区域的谷底电压ud、放电初始电压us、短时放电截止电压uc、短时放电电压差uvd、短时放电过程放电电压的平均值uva以及短时放电过程放电电压的中位值uvm，组成的数据Fi(ud,us,uc,uvd,uva,uvm)表示电池组中第i个单体电池的数据点，使用K‑means聚类算法对聚类特征进行计算；步骤4：对进行聚类的数据进行参数辨识；设电池数学模型中的指数部分为e(DOD)＝α×exp[β×DOD]，多项式部分为p(DOD)＝θ0+θ1×DOD+θ2×DOD2+θ3×DOD3，则电池数学模型写为u(DOD)＝e(DOD)+p(DOD)，设指数函数e(DOD)中的参数为Α＝[α β]T，多项式函数p(DOD)中的参数为Θ＝[θ0 θ1 θ2 θ3]T，采用基于递推最小二乘算法辨识模型参数；步骤5：经过参数辨识得到的参数，对模型f(DOD)＝e(DOD)‑p(DOD)‑ue＝0通过二分法求解待测电池预计放电到规定的终止电压ue＝1.8V时电池的已放电容量DOD*；式中，ue＝1.8为蓄电池全容量核对性放电时规定的放电终止电压，运用二分法求解函数f(DOD)的根，解DOD*即为蓄电池在放电过程中放电至规定放电终止电压ue时放出的容量。...

【技术特征摘要】
1.阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：建立蓄电池端电压V与已放电容量DOD的函数模型：V(DOD)＝α×exp[β*DOD]+θ0+θ1×DOD+θ2×DOD2+θ3×DOD3，式中，V为蓄电池的放电端电压，DOD为蓄电池的已放电容量，α,β,θ0,θ1,θ2,θ3为函数的待定参数；步骤2：对待估计电池的放电电压的数据预处理，处理过程如下：设要处理的数据使用u1,u2,…,uN表示，预处理后的数据用u’1,u’2,…,u’N表示，其中，N表示处理的放电电压样本数，数据点表示待估计电池的放电电压，(1)数据的前2个数据点使用下面公式处理：u’1＝(3×u1+2×u2+1×u3+0×u4+(-1)×u5)/5u’2＝(4×u1+3×u2+2×u3+1×u4+0×u5)/10；(2)数据的第3个点至第N-2个点，即i＝3,…,N-2时使用以下步骤进行处理，考虑运用点ui-2,ui-1,ui,ui+1,ui+2来估计点u’i的值：①求5点的平均值t表示子序列下标，取值为-2、-1、0、1、2，取0值时表示当前的第i个放电电压值；取1值时表示当前的第i个放电电压值的下一条放电电压值；取-1值时表示当前的第i个放电电压值的前一条放电电压值；②求5点的绝对误差t＝-2～2；③求5点的平均绝对误差④求ui+t的权值wi+t，ui+t表示待估计电池的第i+t个放电电压值,表示5点的平均绝对误差，如果条件成立，则wi+t＝0，否则kx表示系数，取值为3；⑤求ui的值，ui表示待估计电池的第i个放电电压值，如果w0表示阈值，取值为1000，则u’i＝med{ui-2,…,ui+2}如果则(3)数据的最后2个数据点使用下面公式进行处理：u’N-1＝(0×uN-4+1×uN-3+2×uN-2+3×uN-1+4×uN)/10u’N-2＝(-1×uN-4+0×uN-3+1×uN-2+2×uN-1+3×uN)/5；步骤3：对年检10h的放电电压数据按照步骤2进行数据预处理并进行聚类；首先提取年检时10h放电前3h放电数据的聚类特征：电池放电前期CDF区域的谷底电压ud、放电初始电压us、短时放电截止电压uc、短时放电电压差uvd、短时放电过程放电电压的平均值uva以及短时放电过程放电电压的中位值uvm，组成的数据Fi(ud,us,uc,uvd,uva,uvm)表示电池组中第i个单体电池的数据点，使用K-means聚类算法对聚类特征进行计算；步骤4：对进行聚类的数据进行参数辨识；设电池数学模型中的指数部分为e(DOD)＝α×exp[β×DOD]，多项式部分为p(DOD)＝θ0+θ1×DOD+θ2×DOD2+θ3×DOD3，则电池数学模型写为u(DOD)＝e(DOD)+p(DOD)，设指数函数e(DOD)中的参数为Α＝[αβ]T，多项式函数p(DOD)中的参数为Θ＝[θ0θ1θ2θ3]T，采用基于递推最小二乘算法辨识模型参数；步骤5：经过参数辨识得到的参数，对模型f(DOD)＝e(DOD)-p(DOD)-ue＝0通过二分法求解待测电池预计放电到规定的终止电压ue＝1.8V时电池的已放电容量DOD*；式中，ue＝1.8为蓄电池全容量核对性放电时规定的放电终止电压，运用二分法求解函数f(DOD)的根，解DOD*即为蓄电池在放电过程中放电至规定放电终止电压ue时放出的容量。2.按照权利要求1所述阀控密封式铅酸蓄电池健康状态监测方法，其特征在于：所述蓄电池组在年检时进行10h全容量核对性放电或者5h半容量核对性放电数据时，放电电压数据经过步骤2后进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仰光，马江敏，
申请(专利权)人：浙江大学宁波理工学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33