一种基于聚类算法的锂离子电池串联成组方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种基于聚类算法的锂离子电池串联成组方法。其特征是：使用电池测试设备测量并计算锂离子电池的基本参数；摒弃了按容量大小直接成组的方式，提出了由电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压作为一致性指标进行综合考虑的成组方法；确定了上述成组参数指标后，使用层次分析法计算得到各指标之间的权重；将测量得到的电池数据归一化并加权处理，使用聚类算法将多块单体电池划分为不同的组别然后串联成组。本发明专利技术结合锂离子电池本身电化学反应机理和外部电气特性，基于锂离子电池各参数的测量和分布，提高了锂离子电池的一致性，进而延长了电池模组寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚类算法的锂离子电池串联成组方法
本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种基于聚类算法的锂离子电池串联成组方法。
技术介绍
电动汽车的发展和推广对于减少废气排放和节省汽油开销有非常重要的意义，目前尽管国家和政府对电动汽车出台了不限行、易摇号、享受补贴等非常实用的鼓励政策，但电动汽车高昂的成本和售价依然成为限制发展的重要因素。其中重要原因是动力锂离子电池成本较高且技术革新带来的成本下降速度较慢；此外，电动汽车在安全稳定性、电池寿命等方面的不成熟也成为阻碍发展的重要因素。电池寿命是消费者对于电动汽车购买决策中的重要因素，其中电池成组技术的研究发展是延长电池寿命的重要因素。在当前的动力电池技术水平下，电动汽车电池包必须由多块动力电池通过一定的串并联构成，由于电池单体在容量、内阻、电压等参数上存在差异，使电池包的性能达不到单体电池的性能，在长期使用中性能将会越来越差，电池包寿命相较于单体寿命明显缩短，而现有锂离子电池成组方法存在无法兼顾多个参数一致性的问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于聚类算法的锂离子电池的串联成组方法，其技术方案如下：步骤1：使用单体电池测试设备测试和计算各电池的基本参数电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压；所述电池容量采用恒流恒压充电，恒流放电的测试方法；所述欧姆内阻和10s内阻的获取采用复合脉冲电流法，具体过程如下步骤101：电池测试设备连接电池后静置10s，5A恒流充电至50％SOC，静置1h，6A恒流放电10s，静置60s，4A恒流充电10s，静置60s；步骤102：选取持续10s的6A恒流放电部分的数据，分别找出10ms时的电压变化值ΔU1和10s时的电压变化值ΔU2，使用欧姆定律求得相应直流内阻，分别为欧姆内阻和10s内阻；所述平台电压指恒流充放电过程中平台期的电池电压，平台电压数据由上述电池容量测试过程中的恒流放电部分通过测试设备的控制软件直接读取；步骤2：将电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压作为一致性指标来对电池串联成组进行综合考虑；步骤3：确定了上述成组参数指标后，使用层次分析法分析计算得到电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压之间的权重比；步骤4:将测量得到的电池数据使用中间值法归一化并按此权重加权处理，使用聚类算法将多块单体电池划分为不同的组别，然后将同组别的单体电池串联成组。所述步骤1中电池容量的测试方法为电池测试设备连接电池后静置10s，5A恒流充电直到电压上升至3.65V，3.65V恒压充电直到电流下降至0.5A，静置1h，5A恒流放电至电压下降至2.5V，静置1h；此过程循环3次，取第三次循环的放电容量作为电池容量数据。所述步骤3中使用层次分析法分析计算得到电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压之间的权重比的具体步骤依次为：确定指标构成、确定两两之间比重、构造判断矩阵、一致性判断、计算特征向量，最终得到指标权重。所述步骤4中的聚类算法为k-means法。有益效果本专利技术结合锂离子电池本身电化学反应机理和外部电气特性，基于锂离子电池各参数的测量和分布，提出了一种基于聚类算法的锂离子电池的串联成组方法，提高了锂离子电池多个参数的一致性，进而延长了电池模组寿命。附图说明图1-按本专利技术方法将16只电池聚为4类A、B、C、D的聚类结果，其中横纵坐标分别表示权重较高的容量系数和平台电压系数；图2-聚类组A的串联模组的单体放电曲线；图3-聚类组B的串联模组的单体放电曲线；图4-聚类组C的串联模组的单体放电曲线；图5-聚类组D的串联模组的单体放电曲线；图6-基于聚类算法的锂离子电池串联成组方法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：图6是基于聚类算法的锂离子电池串联成组方法的流程图。首先，观察锂离子单体电池外观，剔除外观有缺陷的电池，包括鼓包、变形和极耳损坏等情况。再按照下述步骤进行：步骤1、使用单体电池测试设备测试和计算各电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压等基本参数。电池容量测试方案为将电池测试设备连接电池后静置10秒，5A恒流充电直到电压上升至3.65V，3.65V恒压充电直到电流下降至0.5A，静置1小时，5A恒流放电至电压下降至2.5V，静置1小时；此过程循环3次，取第三次循环的放电容量作为电池容量数据。欧姆内阻和10s内阻的获取采用复合脉冲电流法，过程如下步骤(1)：电池测试设备连接电池后静置10秒，5A恒流充电至50％SOC，静置1小时，6A恒流放电10秒，静置60秒，4A恒流充电10秒，静置60秒；步骤(2)：选取持续10s的6A恒流放电部分的数据，分别找出10ms时的电压变化值ΔU1和10s时的电压变化值ΔU2，使用欧姆定律求得相应直流内阻，分别为欧姆内阻和10s内阻；平台电压数据由上述容量测试过程中的恒流放电部分，通过测试设备的控制软件直接读取。步骤2、通过单体电池等效一阶模型得到，电池之间的差异性表现在欧姆内阻、极化内阻、最大可用容量和SOC4个方面，其中前3个参数属于电池本身固有特性，因此将此三个参数作为成组的三个指标。同时，由于磷酸铁锂电池平台电压非常明显的特点，将平台电压也作为一个成组指标，因此确定容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压为串联成组的指标。步骤3、使用层次分析法分析计算得到电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压之间的权重比的具体步骤为确定指标构成、确定两两参数之间比重、构造判断矩阵、一致性判断、计算特征向量，最终得到指标权重。具体到此实施例，确定两两参数之间的权重比例为ηq:ηΩ＝4ηq:η10＝2ηq:ηu＝1.5ηu:ηΩ＝3ηu:η10＝1.5η10:ηΩ＝2式中ηq——容量在成组中的权重；ηΩ——欧姆内阻在成组中的权重；η10——10s内阻在成组中的权重；ηu——平台电压在成组中的权重。构造判断矩阵A为判断矩阵一致性，求得一致性比率CR＝0.00063<0.1，一致性满足要求；求得矩阵最大特征根和对应于最大特征根的特征向量为λ＝4.0017,ω＝(0.41,0.099,0.199,0.29)T取近似得容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压的指标权重如公式ηq:ηΩ:η10:ηu＝4:1:2:3。步骤4、将单体电池各参数数据采用中间值法归一化后按权重比例进行加权处理。中间值法归一化具体操作方法如下：x(n)为样本数据，xmid为样本数据x(n)的中间值。x(k)样本数据中每个数据点的值，y(k)为数据x(k)的归一化结果。通过式(1)式(2)将数据归一化到[-1,1]范围内，再将数据归一化后的结果分别与上一步的权重比例相乘即得到各电池各参数的加权数据。在仿真软件matlab中运行k-means聚类程序，将加权处理后的数据导入程序，得到聚类结果如图1所示，然后将单体电池按图1的结果串联成组测试。图2-图5分别为聚类组A、聚类组B、聚类组C、聚类组D的串联模组的单体放电曲线。实物实验容量利用率测试结果如表1所示模组号ABCD放电容量(Ah)9.96410.01210.07310.362单体最小容量(Ah)10.68410.74310.98611.004容量利用率93.30％93.20％91.70％94.20％表1实验结果表明，四组串联电池组的容量利用率均本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于聚类算法的锂离子动力电池串联成组方法，其特征在于：步骤1：使用单体电池测试设备测试和计算各电池的基本参数电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压；所述电池容量采用恒流恒压充电，恒流放电的测试方法；所述欧姆内阻和10s内阻的获取采用复合脉冲电流法，具体过程如下步骤101：电池测试设备连接电池后静置10s，5A恒流充电至50％SOC，静置h，6A恒流放电10s，静置60s，4A恒流充电10s，静置60s；步骤102：选取持续10s的6A恒流放电部分的数据，分别找出10ms时的电压变化值ΔU1和10s时的电压变化值ΔU2，使用欧姆定律求得相应直流内阻，分别为欧姆内阻和10s内阻；所述平台电压指恒流充放电过程中平台期的电池电压，平台电压数据由上述电池容量测试过程中的恒流放电部分通过测试设备的控制软件直接读取；步骤2：将电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压作为一致性指标来对电池串联成组进行综合考虑；步骤3：确定了上述成组参数指标后，使用层次分析法分析计算得到电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压之间的权重比；步骤4:将测量得到的电池数据使用中间值法归一化并按此权重加权处理，使用聚类算法将多块单体电池划分为不同的组别，然后将同组别的单体电池串联成组。...

【技术特征摘要】
1.一种基于聚类算法的锂离子动力电池串联成组方法，其特征在于：步骤1：使用单体电池测试设备测试和计算各电池的基本参数电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压；所述电池容量采用恒流恒压充电，恒流放电的测试方法；所述欧姆内阻和10s内阻的获取采用复合脉冲电流法，具体过程如下步骤101：电池测试设备连接电池后静置10s，5A恒流充电至50％SOC，静置1h，6A恒流放电10s，静置60s，4A恒流充电10s，静置60s；步骤102：选取持续10s的6A恒流放电部分的数据，分别找出10ms时的电压变化值ΔU1和10s时的电压变化值ΔU2，使用欧姆定律求得相应直流内阻，分别为欧姆内阻和10s内阻；所述平台电压指恒流充放电过程中平台期的电池电压，平台电压数据由上述电池容量测试过程中的恒流放电部分通过测试设备的控制软件直接读取；步骤2：将电池容量、欧姆内阻、10s内阻和平台电压作为一致性指标来对电池串联成组进行综合考虑；步骤3：确定了上述成组参数指标后，使用层次分析法分析计算得到电池容量、欧姆内阻、10s内阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彩萍，姜久春，张维戈，郭琦沛，王占国，庞松龄，姜研，王文静，谢剑，
申请(专利权)人：北京交通大学，海南电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11