锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法技术

本发明专利技术涉及一种锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法。该方法包括如下步骤：建立锂离子电池容量衰退模型；选取合适的锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布；选取合适的锂离子电池衰退模型参数的似然函数；基于贝叶斯理论计算锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布；推算锂离子电池容量的预测分布；最后计算得到待预测锂离子电池的剩余使用寿命及其置信度。该方法优点在于对锂离子电池的剩余使用寿命预测不存在路径依赖，可以用于估计任意衰退路径下锂离子电池的剩余使用寿命以及预测置信度。该方法预测精度高，运算速度快，可以实现对锂离子电池剩余使用寿命的快速估计，保障车辆的安全可靠运行。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法
本专利技术涉及锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法。
技术介绍
电动汽车的使用和推广，推进了汽车行业的节能减排，大大缓解了能源和环境的双重压力。锂离子电池因其体积小、能量密度高、无环境污染、自放电率低、无记忆效应、绿色环保等特点成为应用最广的电动汽车动力源。但同时，由于锂离子电池自身的性能衰退以及锂离子电池充放电管理等问题致使锂离子电池的寿命终结，往往造成整车系统整体的功能失效，因此，锂离子电池的寿命可靠性直接影响整车的有效使用年限。准确的锂离子电池寿命预测可以给整车锂离子电池提供预防性维修和维护的决策参考，降低维护成本，同时减小整车系统发生故障的概率，保证整车的安全高效运行，同时也可以提高锂离子电池应用的经济效益。因此，锂离子电池剩余使用寿命(remainingusefullife,RUL)的实时预测是电池管理系统(batterymanagementsystem,BMS)的重要功能。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法，该方法是利用贝叶斯理论实现对锂离子电池剩余使用寿命的实时预测，考虑实时获取的锂离子电池寿命模型参数分布及随机噪声，对锂离子电池的寿命终止时间进行预测，得到锂离子电池使用寿命的预测结果和置信度。该方法可实现及时的电池故障检测和健康管理，保证车辆行驶过程中的可靠性和安全性。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法，包括如下步骤：S1、选取锂离子电池容量作为锂离子电池寿命变化的指标，定义锂离子电池寿命终止的标准，分析锂离子电池容量随循环次数衰退的趋势，通过数据拟合结果建立锂离子电池容量衰退模型；S2、根据锂离子电池的历史数据(可以通过待预测锂离子电池的管理系统获知，也可以通过与待预测锂离子电池同类型的锂离子电池的历史数据获知)获得锂离子电池容量衰退模型参数，选取合适的锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布；根据待预测锂离子电池的实时测试数据和锂离子电池容量衰退模型，计算实际的待预测锂离子电池衰退模型参数，选取合适的锂离子电池衰退模型参数的似然函数；锂离子电池的历史数据和待预测锂离子电池的实时测试数据为锂离子电池容量及其相应的循环次数；S3、根据锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布和实际的待预测锂离子电池衰退模型参数的似然函数，基于贝叶斯理论计算锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布；S4、推算待预测锂离子电池容量的预测分布；S5、根据锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布与待预测锂离子电池容量的预测分布之间的等效关系，结合锂离子电池寿命终止的标准，推算待预测锂离子电池寿命终止时间的分布，计算得到待预测锂离子电池的剩余使用寿命及其置信度。在上述技术方案基础上，步骤S1中，当所述锂离子电池为三元锂离子电池时，所述锂离子电池容量衰退模型如式(1)所示：y＝ωnxn+ωn-1xn-1+…+ω0,w＝(ωn，ωn-1，…ω0)(1)；式(1)中：y为锂离子电池容量，x为循环次数，w为锂离子电池容量衰退模型参数，n为锂离子电池容量衰退模型参数的序号。在上述技术方案基础上，步骤S2中，选取高斯分布作为锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布；选取高斯分布作为锂离子电池容量衰退模型参数的似然函数。在上述技术方案基础上，步骤S2中，锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布为：p(w)＝p(W,Σ)(2)；式(2)中，w为锂离子电池容量衰退模型参数，W为先验分布的均值，Σ为先验分布的协方差；锂离子电池容量衰退模型参数的似然函数为：p(y|w)＝N(Φ(x)·w,σ2)＝Φ(x)·w+ε(3)；式(3)中，y为锂离子电池容量，x为循环次数，w为锂离子电池容量衰退模型参数，Φ是锂离子电池容量衰退模型函数的多项式基，ε是独立于锂离子电池容量衰退模型的高斯白噪声N(0,σ2)即随机噪声，用来反映锂离子电池容量衰退模型的误差，σ2为随机噪声的均值。在上述技术方案基础上，步骤S3中，锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布用来计算待预测锂离子电池容量的预测分布，同时作为锂离子电池的历史数据返回，更新步骤S2中的先验分布信息，用作下一次锂离子电池剩余使用寿命的实时预测的先验分布。在上述技术方案基础上，步骤S3中，锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布为高斯分布：p(w*|y)＝N(w*,Σ*)(4)；式(4)中：y为锂离子电池容量，w*为后验分布的均值，Σ*为后验分布的协方差，其计算式如式(5)和(6)所示：w*＝Σ*(Σ-1w+βΦy)(5)；Σ*＝(Σ-1+βΦΦT)-1(6)；式(5)和(6)中，w为锂离子电池容量衰退模型参数，Σ为先验分布的协方差；y为锂离子电池容量，β是电池容量衰退模型参数w先验分布的正态随机变量，Φ是锂离子电池容量衰退模型函数的多项式基，T为求矩阵的转置。在上述技术方案基础上，步骤S4中，待预测锂离子电池容量的预测分布为高斯分布：p(y*|y)＝N(Φ(x*)·w*,β-1+Φ(x*)Σ*Φ(x*)T)(7)；式(7)中：y为锂离子电池容量，y*为待预测锂离子电池容量，w*为后验分布的均值，Σ*为后验分布的协方差，Φ是锂离子电池容量衰退模型函数的多项式基，T为求矩阵的转置，x*为新的输入数据，即当前时刻往后的循环次数。在上述技术方案基础上，步骤S5的具体计算过程如下：电池寿命终止时间预测值T的分布与电池容量预测值的分布存在如下等效关系：式(8)中：yfail为锂离子电池寿命终止的标准；电池寿命终止时间预测值T的概率密度函数f(t)可以由其分布F(t)对时间t求导算得；概率密度值f(t)最大时对应的时间t即电池最可能达到寿命终止的时刻，因此电池的剩余使用寿命RUL可以由式(9)计算得到：RUL＝t-tcurrent(9)；式(9)中：tcurrent为当前时刻；t和tcurrent均用循环次数表示。在上述技术方案基础上，所述循环次数具体可为等效循环次数。所述等效循环次数是指工作在某SOC区间循环的锂离子电池以工作在0％-100％SOC区间循环的锂离子电池为基准，累积安时吞吐量一致时的循环次数，如当工作在0％-100％SOC区间循环的电池完成100次循环，工作在0％-20％SOC区间的电池完成500次循环，工作在20％-60％SOC区间的电池完成250次循环，工作在60％-100％区间的电池完成250次循环。在上述技术方案基础上，所述锂离子电池寿命终止的标准为当锂离子电池容量低于其额定容量的一定百分比(通常为80％)时达到锂离子电池寿命终止状态。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法不仅给出锂离子电池剩余使用寿命的预测值，而且给出了该预测值对应的置信度。该方法优点在于对锂离子电池的剩余使用寿命预测不存在路径依赖，可以用于估计任意衰退路径下锂离子电池的剩余使用寿命以及预测置信度。同时，该方法给出的锂离子电池剩余寿命预测结果是解析解而非数值解，减少运算时间，在保障计算有效性的同时提高了运算效率。该方法预测精度高，运算速度快，可以实现对锂离子电池剩余使用寿命的快速估计，保障车辆的安全可靠运行。附图说明本专利技术有如下附图：图1为锂离子电池剩余使用寿命本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、选取锂离子电池容量作为锂离子电池寿命变化的指标，定义锂离子电池寿命终止的标准，分析锂离子电池容量随循环次数衰退的趋势，通过数据拟合结果建立锂离子电池容量衰退模型；S2、根据锂离子电池的历史数据获得锂离子电池容量衰退模型参数，选取合适的锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布；根据待预测锂离子电池的实时测试数据和锂离子电池容量衰退模型，计算实际的待预测锂离子电池衰退模型参数，选取合适的锂离子电池衰退模型参数的似然函数；锂离子电池的历史数据和待预测锂离子电池的实时测试数据为锂离子电池容量及其相应的循环次数；S3、根据锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布和实际的待预测锂离子电池衰退模型参数的似然函数，基于贝叶斯理论计算锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布；S4、推算待预测锂离子电池容量的预测分布；S5、根据锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布与待预测锂离子电池容量的预测分布之间的等效关系，结合锂离子电池寿命终止的标准，推算待预测锂离子电池寿命终止时间的分布，计算得到待预测锂离子电池的剩余使用寿命。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、选取锂离子电池容量作为锂离子电池寿命变化的指标，定义锂离子电池寿命终止的标准，分析锂离子电池容量随循环次数衰退的趋势，通过数据拟合结果建立锂离子电池容量衰退模型；S2、根据锂离子电池的历史数据获得锂离子电池容量衰退模型参数，选取合适的锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布；根据待预测锂离子电池的实时测试数据和锂离子电池容量衰退模型，计算实际的待预测锂离子电池衰退模型参数，选取合适的锂离子电池衰退模型参数的似然函数；锂离子电池的历史数据和待预测锂离子电池的实时测试数据为锂离子电池容量及其相应的循环次数；S3、根据锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布和实际的待预测锂离子电池衰退模型参数的似然函数，基于贝叶斯理论计算锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布；S4、推算待预测锂离子电池容量的预测分布；S5、根据锂离子电池容量衰退模型参数的后验分布与待预测锂离子电池容量的预测分布之间的等效关系，结合锂离子电池寿命终止的标准，推算待预测锂离子电池寿命终止时间的分布，计算得到待预测锂离子电池的剩余使用寿命。2.如权利要求1所述的锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法，其特征在于，步骤S1中，当所述锂离子电池为三元锂离子电池时，所述锂离子电池容量衰退模型如式(1)所示：y＝ωnxn+ωn-1xn-1+…+ω0，w＝(ωn，ωn-1，...ω0)(1)；式(1)中：y为锂离子电池容量，x为循环次数，w为锂离子电池容量衰退模型参数，n为锂离子电池容量衰退模型参数的序号。3.如权利要求1所述的锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法，其特征在于，步骤S2中，选取高斯分布作为锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布；选取高斯分布作为锂离子电池容量衰退模型参数的似然函数。4.如权利要求3所述的锂离子电池剩余使用寿命的实时预测方法，其特征在于，步骤S2中，锂离子电池容量衰退模型参数的先验分布为：p(w)＝p(W,Σ)(2)；式(2)中，w为锂离子电池容量衰退模型参数，W为先验分布的均值，Σ为先验分布的协方差；锂离子电池容量衰退模型参数的似然函数为：p(y|w)＝N(Φ(x)·w,σ2)＝Φ(x)·w+ε(3)；式(3)中，y为锂离子电池容量，x为循环次数，w为锂离子电池容量衰退模型参数，Φ是锂离子电池容量衰退模型函数的多项式基，ε是独立于锂离子电池容量衰退模型的高斯白噪声N(0,σ2)即随机噪声，用来反映锂离子电池容量衰退模型的误差，σ2为随机噪声的均值。5.如权利要求1所述的锂离子电池剩余使用寿命的实时预...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪飞，郑方丹，姜久春，王成涛，张婧妍，王占国，张言茹，龚敏明，
申请(专利权)人：北京交通大学，中车长春轨道客车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11