考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法技术

本发明专利技术公开一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，包括：建立以参数、表征的可用容量退化模型；基于现有电池可用容量退化数据，得到参数的先验分布与参数；基于待预测电池单体的观测值得到参数的后验分布；对待预测电池单体进行剩余寿命预测，得到其剩余寿命的期望、中位值及区间估计。本发明专利技术应用于剩余寿命预测领域，考虑了温度变化对锂离子电池可用容量的补偿效应，准确描述锂离子电池可用容量在时变温度下的退化过程，并以此为基础进行更为精准的剩余寿命预测，能够轻松得到剩余寿命的期望、中位值以及区间估计，进而有助于开展电池产品健康管理。健康管理。健康管理。

【技术实现步骤摘要】
考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及电池剩余寿命预测
，具体是一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法。

技术介绍

[0002]在工程中，产品失效分为硬失效和软失效。研究表明，70~80%的产品失效可归因于后者。软失效的概念是基于性能退化理论提出的，它利用产品性能参数表征健康状态，借助首达时定义失效时刻。首达时即为产品性能参数首次到达或超过失效阈值的时间。对于工作中的产品，剩余寿命（Residual useful life，RUL）则可定义为从当前时刻到失效时刻的时间长度。准确的RUL预测有助于降低维护成本、提高可用性，甚至帮助避免一些灾难性故障。由于现场条件下的退化过程具有不确定性，RUL预测的主要内容是获取RUL的概率密度函数。
[0003]剩余寿命预测是近年来的研究热点之一。作为预测与健康管理（prognostic and health management，PHM）的一个关键分支，它关系到某个产品当前的健康状况和未来的持续工作时间。过去，由于缺乏数据采集和传输技术，大多数RUL预测模型都是利用实验室测试数据建立的，然后直接应用于工作中的产品。与稳定可控的实验室环境相比，现场条件下的环境因素是不断变化的，可能会影响产品的性能参数测量值，进而影响到剩余寿命预测结果。
[0004]锂离子电池是一类对温度敏感的软失效产品，一般将电池可用容量作为其性能参数（Performance Characteristic，PC），失效阈值取初始容量的70%~80%。电池可用容量为充满电的电池在标准电流（通常1C）下完全放完（即电池端电压降低至放电终止电压）对应的放出电量，一般需要在标准温度（如25℃）下进行。但电池在实际工作过程中，环境温度一般只能测量，无法精确控制。对于同样健康状态的电池，不同温度下，电池内部锂离子活性不同，放电反应充分程度不同，导致放出的电量存在显著差异。通常，温度越高，电池放出的电量越多，可用容量测量值越大，温度越低，电池放出的电量越少，可用容量测量值越小。
[0005]下面结合锂离子电池在正常工作条件下的退化过程进行问题说明：利用额定容量1.9Ah的商用18650 LiFePO4电池进行充电
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静置
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放电
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静置的循环测试模拟锂离子电池在正常工作条件下的退化过程。充电过程均以1C恒流充电直至电池端电压达到4.2V，然后继续恒压充电直至电流降至1/50C。所有放电过程均以1C恒流进行直到电池端电压降至2.75V。对于额定容量1.9Ah的电池，1C对应电流大小为1.9A。充电和放电之间的静置时间为30分钟。每个循环期间的放电容量被视为电池可用容量，并利用一些温度传感器记录环境温度。由于昼夜交替和空调的使用，环境温度不规律地变化。图1给出锂离子电池可用容量的退化路径及其相应的温度变化曲线。其中，x轴代表循环次数，左侧y轴是可用容量，右侧y轴是各循环内平均环境温度。如果实验中环境温度保持恒定值，锂离子电池可用容量退化曲线应该是平滑下降的。但由于实验中环境温度不断变化，而温度会影响电池可用容量，因此真实的可用容量退化曲线是波动下降的，且可用容量与温度之间具有明显的相关性。
[0006]一般来说，在一定范围内，温度越高，电池内部锂离子活性越高，从而使电池在单次循环中可以释放出更多的电量，即电池可用容量测量值更高。我们将这种现象称为温度对电池可用容量的补偿作用。该作用是导致可用容量和温度曲线之间存在很强相关性的主要原因。如图1所示，虽然电池可用容量在第45个循环中下降到较低水平，但在下一个循环中由于温度升高而显着恢复。直接利用数据手段去除上述波动现象显然会导致有效信息丢失。但是，波动的存在使得可用容量的退化曲线更加非线性，增加了电池剩余寿命预测的难度。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，能够消除环境温度变化给锂离子电池可用容量测量值带来的影响，进而消除温度变化对电池剩余寿命预测结果的影响，实现时变温度环境下的电池剩余寿命精准预测。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，包括如下步骤：步骤1，基于维纳过程建立锂离子电池的可用容量退化模型，为：式中，表示锂离子电池在温度、充放电循环次数次后的可用容量，表示决定锂离子电池初始可用容量的待估参数，表示决定退化速率的漂移系数，表示充放电循环次数，表示扩散系数，表示标准布朗运动，表示温度，为温度补偿函数系数1，为温度补偿函数系数2；在所述可用容量退化模型，、、为固定参数，、为随机参数，分别用正态分布、表示的先验分布，其中称为超参数，即所述可用容量退化模型由向量中的参数表征；步骤2，基于现有时变温度下个电池可用容量退化数据，对所述可用容量退化模型中的参数进行估计，得到参数的先验分布与参数、；步骤3，基于待预测电池单体的可用容量观测值对所述可用容量退化模型进行更新，得到参数的后验分布；步骤4，基于更新后的所述可用容量退化模型对待预测电池单体进行剩余寿命预测，得到待预测电池单体剩余寿命的期望、中位值以及区间估计。
[0009]本专利技术提供的一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，以传统的维纳过程作为技术基础，考虑了温度变化对锂离子电池性能参数（可用容量）的补偿效应，以准确描述锂离子电池可用容量在时变温度下的退化过程，并以此为基础进行更为精准的剩余寿命预测，能够轻松得到剩余寿命的期望、中位值以及区间估计，进而有助于开展电池产品健康管理。
附图说明
[0010]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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专利技术的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0011]图1为本专利技术实施例中锂离子电池变温度应力下可用容量退化曲线示意图；图2为本专利技术实施例中考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法的流程图；图3为本专利技术实施例中LiFePO4电池可用容量随温度变化曲线示意图。
[0012]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0013]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0014]需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0015]在本专利技术的描述中，“多个”的含义是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于维纳过程建立锂离子电池的可用容量退化模型，为：式中，表示锂离子电池在温度、充放电循环次数次后的可用容量，表示决定锂离子电池初始可用容量的待估参数，表示决定退化速率的漂移系数，表示充放电循环次数，表示扩散系数，表示标准布朗运动，表示温度，为温度补偿函数系数1，为温度补偿函数系数2；在所述可用容量退化模型，、、为固定参数，、为随机参数，分别用正态分布、表示的先验分布，其中为超参数，即所述可用容量退化模型由向量中的参数表征；步骤2，基于现有时变温度下个电池可用容量退化数据，对所述可用容量退化模型中的参数进行估计，得到参数的先验分布与参数、；步骤3，基于待预测电池单体的可用容量观测值对所述可用容量退化模型进行更新，得到参数的后验分布；步骤4，基于更新后的所述可用容量退化模型对待预测电池单体进行剩余寿命预测，得到待预测电池单体剩余寿命的期望、中位值以及区间估计。2.根据权利要求1所述的考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，其特征在于，步骤2具体包括：步骤2.1，获取现有时变温度下个电池可用容量退化数据，令为第个电池在第个充放电循环的可用容量，对应温度为；步骤2.2，利用最小二乘方法估计得到参数对应每个电池样本的参数估计值，其中，表示参数对应第个电池样本的估计值，表示参数对应第个电池样本的估计值，表示参数对应第个电池样本的估计值，表示参数对应第个电池样本的估计值；步骤2.3，基于参数对应每个电池样本的参数估计值，得到参数、以及超参数的估计值；步骤2.4，根据维纳过程独立增量性质得到参数的估计值。3.根据权利要求2所述的考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，其特征在于，步骤2.2具体包括：令为第个电池在第和第次充放电循环中可用容量退化增量，即：
根据累积损失理论，第个电池在第次循环的可用容量测量值为：式中，表示决定第个电池初始可用容量的待估参数，表示第个电池在第和第次充放电循环中可用容量退化增量，表示第个电池的温度补偿函数系数1，表示第个电池的温度补偿函数系数2；计算第个电池的累积残差平方和，为：根据电池的可用容量和温度数据、、，通过最小化，即能得到参数估计值。4.根据权利要求2所述的考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，其特征在于，步骤2.3具体包括：令、分别作为参数的估计值；对于超参数，根据电池样本的参数估计值，通过极大似然估计得到超参数、、、的估计值。5.根据权利要求2所述的考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，其特征在于，步骤2.4具体包括：对于第个电池的第个充放电循环，可用容量测量值与估计值残差可以表示为：令，根据维纳过程独...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天宇，张然，潘正强，金光，范俊，周星，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：