CN116338474B - 一种钠离子电池一致性的判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池状态诊断技术领域，具体是一种钠离子电池一致性的判断方法，包括以下步骤：首先获取各个电池在放电过程中的端电压数据，并将该端电压数据分成N段；再计算各个电池在各段端电压数据中产生的各个端电压变化量以及对应的中位数；然后根据端电压变化量和中位数计算各个电池在各段端电压数据中各个端电压变化量对应的偏离系数；再对计算得到的各个偏离系数的绝对值求和，以得到各个电池在各段端电压中的总偏离系数；最后将总偏离系数导入相关系数计算公式中计算，以得到对应的相关系数；将该相关系数与设定的阈值进行比较，若该相关系数小于设定的阈值，则电池出现不一致，反之则正常；本发明能够对电池的一致性做出准确的判断。
Description
技术领域
本发明涉及电池状态诊断技术领域，具体是一种钠离子电池一致性的判断方法。
背景技术
随着新能源汽车和储能行业的发展，锂离子电池得到了广泛的应用，大大改变了人类的生活方式。随着新能源汽车的产量逐渐增多，对锂离子电池需求也在快速的增长。由于锂资源的数量有限，持续不断增长的需求，导致了锂资源的供应情况变得越来越紧张。于是，为了解决这一问题，技术人员开始寻求一种能与锂离子电池媲美的电池来代替锂离子电池，以解决锂离子电池供应不足的问题。
相较于锂离子电池，钠离子电池在低温性能、倍率性能、热安全性上表现更佳，能量密度接近磷酸铁锂电池。这意味着，在某些使用场景下，钠离子电池可以替代锂离子电池，比如混动场景。混合动力汽车要求电池随时随地能够输出大倍率电流以驱动车辆的行驶，同时由于可以使用汽油增加续航里程，因此对电池的能量密度要求不高；并且钠离子电池不存在电压平台期。混动场景中对电池的充电比例（SOC）的估算也比锂电池更加精确，因此，混动场景中钠离子电池是目前主流的锂离子电池的备选方案。但是由于生产工艺等因素的影响，以及钠离子电池的内阻比锂离子电池大，因此导致钠离子电池的产品一致性较差，即电池出现异常。为了保证钠离子电池的正常使用，需要及时发现并更换异常电芯。混动场景中，钠离子电池一直处于充放电状态，很难有较长时间的静置，导致传统的通过电池充分静置后判断电压的方式不能奏效。即使采用该传统方法能够判断电池的一致性，但是由于没有完全达到充分静置的条件，导致判断的结果会产生较大误差，因而无法准确的判断电池的一致性。
发明内容
为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种钠离子电池一致性的判断方法。本发明能够对电池的一致性做出准确的判断。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钠离子电池一致性的判断方法，包括以下步骤：
S1、获取各个电池在放电过程中的端电压数据，并将该端电压数据分成N段；
S2、计算各个电池在各段端电压数据中产生的各个端电压变化量以及该端电压变化量对应的中位数；
S3、根据端电压变化量和中位数计算各个电池在各段端电压数据中各个端电压变化量对应的偏离系数；
S4、对计算得到的各个偏离系数的绝对值求和，以得到各个电池在各段端电压数据中的总偏离系数；
S5、将总偏离系数导入相关系数计算公式中计算，以得到对应的相关系数；将该相关系数与设定的相关系数阈值进行比较，若该相关系数小于设定的相关系数阈值，则电池出现不一致，反之则正常。
作为本发明的进一步技术方案：步骤S1的具体步骤如下：
S11、获取电池包中各个电池在放电过程中与端电压彼此对应的SOC；
S12、选择SOC中的任一片段作为放电片段，且各个电池的放电片段均相同；
S13、将该放电片段等分成N段放电子片段，各放电子片段均包含R个端电压。
作为本发明的进一步技术方案：步骤S2的具体步骤如下：
S21、计算各个电池在各个放电子片段中彼此相邻的两个端电压之间的变化量，计算公式如下：
其中，V m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压；r∈[1,R-1]，R为该放电子片段中端电压的总个数；n∈[1,N]，N为放电子片段的总段数；m∈[1,M]，M为电池包中电池的总个数；V m,n,r+1表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r+1个端电压；ΔV m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量，即V m,n,r 和V m,n,r+1之间的压差；
S22、收集各个电池在同一放电子片段中同一次序对应的端电压变化量，并构成压差集合；
S23、求取各个压差集合中端电压变化量对应的中位数。
作为本发明的进一步技术方案：所述压差集合的表达式如下：
其中，A n,r 表示各个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量组合构成的压差集合；ΔV 1,n,r 表示第1个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV 2,n,r 表示第2个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV M-1,n,r 表示第M-1个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV M,n,r 表示第M个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量。
作为本发明的进一步技术方案：所述中位数计算公式如下：
其中，B n,r 表示各个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量组合构成的压差集合的中位数；median表示统计学中的中位数计算函数。
作为本发明的进一步技术方案：步骤S3的具体步骤如下：
S31、将计算得到的中位数B n,r 与预先设定的中位数阈值B 0 进行比较，若
∣B n,r ∣≤B 0 ，则将该中位数B n,r 定义为无效中位数，且不参与步骤S32的计算过程；反之则定义为有效中位数，且代入步骤S32中进行计算；
S32、将各个电池中与有效中位数B n,r 相对应的ΔV m,n,r 代入偏离系数计算公式中计算，以得到对应的偏离系数，偏离系数的计算公式如下：
其中，f m,n,r 表示第m个电池在第n个放电子片段中的第r个偏离系数。
作为本发明的进一步技术方案：步骤S4的具体步骤如下：
S41、分别对各个电池在各个放电子片段中的所有偏离系数的绝对值进行求和处理，以得到各个电池的各个放电子片段对应的总偏离系数；
S42、将各个电池对应的各个总偏离系数汇总，以构成总偏离系数集合。
作为本发明的进一步技术方案：所述总偏离系数集合具体如下：
其中，C m 表示第m个电池的总偏离系数集合；F m,1表示第m个电池的第1个总偏离系数；F m,2表示第m个电池的第2个总偏离系数；F m,n 表示第m个电池的第n个总偏离系数；F m,N-1表示第m个电池的第N-1个总偏离系数；F m,N 表示第m个电池的第N个总偏离系数。
作为本发明的进一步技术方案：步骤S5的具体步骤如下：
S51、设定相关系数阈值为u 0 ；
S52、将各个电池总偏离系数集合中的各个总偏离系数代入相关系数计算公式中进行计算，以得到对应的相关系数u m ；
S53、将相关系数u m 与设定的相关系数阈值u 0 进行比较，若u m ＜u 0 ，则该电池出现不一致，若u m ≥u 0 ，则该电池正常。
作为本发明的进一步技术方案：所述相关系数的计算公式如下：
其中，u m 为第m个电池的相关系数；k 1表示电池在第1段放电片段中有效中位数的个数；k 2表示电池在第2段放电片段中有效中位数的个数；k N 表示电池在第N段放电片段中有效中位数的个数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、获取端电压数据，并对端电压数据进行分段，能够将原本大量的数据进行分散处理，进而降低数据处理的难度，提高数据处理的速度。端电压变化量以及对应的中位数，是统计学中常用的数据类型，并且其对应的分析和计算方式已经成熟，因此其计算的过程简便快捷。偏离系数能够衡量端电压变化量与中位数的差距，进而从侧面体现出该电池端电压变化的程度。相关系数的计算能够检测电池端电压变化的过程中是否存在异常，进而准确的判断电池是否存在一致性的问题。
2、本发明中，如果端电压变化量的中位数小于对应的中位数阈值，则意味着该电池前后相邻的两个端电压变化不大，不需要比较不同电池间电压变化的关系，同时计算偏离系数时分母小会导致计算结果不稳定，因此将该中位数定义为无效中位数，并且不参与后续的计算，以提高后续计算结果的稳定性。
3、本发明通过多条数据的统计学方法判断问题电池，避免了传统判断方式中单条数据采集异常等问题带来的误诊断问题，提高了结果的稳定性。
附图说明
图1为本发明的操作步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明判断方法包括以下步骤：
S1、获取各个电池在放电过程中的端电压数据，并将该端电压数据分成N段。在钠离子电池日常的充放电过程中，充放电数据终端能够准确的检测并记录各个钠离子电池的充放电数据，包括SOC、充电电流、充电时间和钠离子电池的端电压等等。因此获取这些数据，只需要从充放电数据终端中下载即可。
步骤S1的具体步骤如下：
S11、获取电池包中各个电池在放电过程中与端电压彼此对应的SOC，SOC的范围为100%-0%。采集的数据也可以是与端电压一一对应的电流、时间或者是其他的参数，这里只是设定SOC作为选取标准，通过控制变量的方式选取同一类型的数据。
S12、选择SOC中的任一片段作为放电片段，且各个电池的放电片段均相同。放电片段可以选择90%—80%、75%—70%或者20%—16%等。
若S11中选择的是电流，则对电流中的任一片段进行对应的放电片段处理，若是时间，则将时间中的任一片段作为对应的放电片段。
S13、将该放电片段等分成N段放电子片段，各放电子片段均包含R个端电压数据。对SOC来说，在等分的时候，等分间距可以为1%、2%、3%或者是其他数值。
各个等分的放电子片段中，可以均包含R个端电压数据，也可以是不同条数的数据，这主要是由电池的充放电特性来决定。比如电池的SOC从90%放电减少到50%，放电电流变化的速度不一样，在SOC为90%时会产生30条数据，而在SOC为89%时产生了50条数据，导致不同SOC阶段的数据条数不一样。
S2、计算各个电池在各段端电压数据中产生的各个端电压变化量以及该端电压变化量对应的中位数。
步骤S2的具体步骤如下：
S21、计算各个电池在各个放电子片段中彼此相邻的两个端电压之间的变化量，计算公式如下：
其中，V m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压；r∈[1,R-1]，R为该放电子片段中端电压的总个数；n∈[1,N]，N为放电子片段的总段数；m∈[1,M]，M为电池包中电池的总个数；V m,n,r+1表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r+1个端电压；ΔV m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量，即V m,n,r 和V m,n,r+1之间的压差值。比如一段放电子片段中有10个端电压，各个端电压是按照放电时间的序列依次排序，依次计算相邻的两个端电压之间的变化量，后者减去前者，一共会产生9个端电压变化量。
S22、收集各个电池在同一放电子片段中同一次序对应的端电压变化量，并构成压差集合。例如：假设有5个电池、有6段放电子片段，每段放电子片段中有9个端电压变化量。对于每一个电池都选取第2段中的第2个端电压变化量，则一个压差集合中包含5个元素，一共会产生54个压差集合。
压差集合的表达式如下：
其中，A n,r 表示各个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量组合构成的压差集合；ΔV 1,n,r 表示第1个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV 2,n,r 表示第2个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV M-1,n,r 表示第M-1个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV M,n,r 表示第M个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量。
S23、求取各个压差集合中端电压变化量对应的中位数。该步骤就是求取每个压差集合的中位数，54个压差集合会产生54个中位数。
中位数计算公式如下：
其中，B n,r 表示各个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量组合构成的压差集合的中位数；median表示统计学中的中位数计算函数，该函数就是统计学中常用的对一段数取中位数操作。
S3、根据端电压变化量和中位数计算各个电池在各段端电压数据中各个端电压变化量对应的偏离系数。
步骤S3的具体步骤如下：
S31、将计算得到的中位数B n,r 与预先设定的中位数阈值B 0 进行比较，若
∣B n,r ∣≤B 0 ，则将该中位数B n,r 定义为无效中位数，且不参与步骤S32的计算过程；反之定义为有效中位数，且代入步骤S32中计算。此时与无效中位数相对应的各个电池的端电压数据就不再参与后续的计算了，这样一方面降低数据的维度，减小大量数据带来的过多的误差；另一方面，也是因为这些端电压数据变化较为稳定，该端电压下的电池一般不存在一致性的问题，因此不代入后续的计算。
S32、将各个电池中与有效中位数B n,r 相对应的ΔV m,n,r 代入偏离系数计算公式中计算，以得到对应的偏离系数，偏离系数的计算公式如下：
其中，f m,n,r 表示第m个电池在第n个放电子片段中的第r个偏离系数。
S4、对步骤S3中计算得到的各个偏离系数的绝对值求和，以得到各个电池在各段端电压数据中的总偏离系数。
步骤S4的具体步骤如下：
S41、分别对各个电池在各个放电子片段中的所有偏离系数的绝对值进行求和处理，以得到各个电池的各个放电子片段对应的总偏离系数。
S42、将各个电池对应的各个总偏离系数汇总，以构成总偏离系数集合，总偏离系数集合具体如下：
其中，C m 表示第m个电池的总偏离系数集合；F m,1表示第m个电池的第1个总偏离系数；F m,2表示第m个电池的第2个总偏离系数；F m,n 表示第m个电池的第n个总偏离系数；F m,N-1表示第m个电池的第N-1个总偏离系数；F m,N 表示第m个电池的第N个总偏离系数。
S5、将总偏离系数导入相关系数计算公式中计算，以得到对应的相关系数；将该相关系数与设定的阈值进行比较，若该相关系数小于设定的阈值，则电池出现不一致，反之则正常。
步骤S5的具体步骤如下：
S51、设定相关系数的阈值为u 0 ；
S52、将各个电池总偏离系数集合中的各个总偏离系数代入相关系数计算公式中进行计算，以得到对应的相关系数，所述相关系数的计算公式如下：
其中，u m 为第m个电池的相关系数；u m 为第m个电池的相关系数；k 1表示电池在第1段放电片段中有效中位数的个数；k 2表示电池在第2段放电片段中有效中位数的个数；k N 表示电池在第N段放电片段中有效中位数的个数。
S53、将相关系数u m 与设定相关系数的阈值u 0 进行比较，若u m ＜u 0 ，则该电池出现不一致，若u m ≥u 0 ，则该电池正常。
实施例如下：
选取一个电池包，电池包中有5个电池。从SOC中选取的放电片段为30%到25%，等分成6份，每份均包含5个端电压值，共测得48条数据，其中部分数据如表1所示：
表1 电池端电压数据表
依次计算每段充电片段中相邻端电压数据之间变化量以及该变化量对应的中位数。中位数阈值B 0 设定为10mV，从而排除中位数小于等于10mV的数据，最终得到5个电池的总偏离系数集合分别为：
C 1= [16.3, 42.6, 2.0, 57.3, 6.3, 26.6]；
C 2= [4.6, 6, 2.7, 2.2, 3.8, 6.3]；
C 3= [3.4, 5.7, 1.8, 5.3, 3.8, 3.5]；
C 4= [3.8, 5.9, 1.9, 6.1, 4.2, 3.8]；
C 5= [4.1, 6.4, 2.2, 6.2, 4.4, 4.1]；
有效中位数组成的集合：[k 1,k 2,k 3,k 4,k 5,k 6]=[4,6,2,6,4,4]。
将上述总偏离系数集合分别代入相关系数计算公式中计算，得到5个电池的相关系数见表2所示：
表2 电池相关系数表
设定相关系数阈值定为0.95，则由表2可知，其中第1个电池和第2个电池的相关系数低于设定的阈值，因此第1个电池和第2个电池出现一致性问题，第3个电池、第4个电池和第5个电池正常。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取各个电池在放电过程中的端电压数据，并将该端电压数据分成N段放电子片段，各放电子片段均包含R个端电压；
S2、计算各个电池在各段端电压数据中产生的各个端电压变化量以及该端电压变化量对应的中位数；
S3、根据端电压变化量和中位数计算各个电池在各段端电压数据中各个端电压变化量对应的偏离系数，偏离系数的计算公式表示如下：
其中，f m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个偏离系数；ΔV m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；B n,r 表示各个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量组合构成的压差集合的中位数；
S4、对计算得到的各个偏离系数的绝对值求和，以得到各个电池在各段端电压数据中的总偏离系数；
S5、将总偏离系数导入相关系数计算公式中计算，以得到对应的相关系数；将该相关系数与设定的相关系数阈值进行比较，若该相关系数小于设定的相关系数阈值，则电池出现不一致，反之则正常；
相关系数计算公式表示如下：
其中，u m 为第m个电池的相关系数；k 1表示电池在第1段放电片段中有效中位数的个数；k 2表示电池在第2段放电片段中有效中位数的个数；k N 表示电池在第N段放电片段中有效中位数的个数；F m,1表示第m个电池的第1个总偏离系数；F m,2表示第m个电池的第2个总偏离系数；F m,N 表示第m个电池的第N个总偏离系数。
2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤如下：
S11、获取电池包中各个电池在放电过程中与端电压彼此对应的SOC；
S12、选择SOC中的任一片段作为放电片段，且各个电池的放电片段均相同；
S13、将该放电片段等分成N段放电子片段，各放电子片段均包含R个端电压。
3.根据权利要求2所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤如下：
S21、计算各个电池在各个放电子片段中彼此相邻的两个端电压之间的变化量，计算公式如下：
其中，V m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压；r∈[1,R-1]，R为该放电子片段中端电压的总个数；n∈[1,N]，N为放电子片段的总段数；m∈[1,M]，M为电池包中电池的总个数；V m,n,r+1表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r+1个端电压；ΔV m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量，即V m,n,r 和V m,n,r+1之间的压差；
S22、收集各个电池在同一放电子片段中同一次序对应的端电压变化量，并构成压差集合；
S23、求取各个压差集合中端电压变化量对应的中位数。
4.根据权利要求3所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，所述压差集合的表达式如下：
其中，A n,r 表示各个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量组合构成的压差集合；ΔV 1,n,r 表示第1个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV 2,n,r 表示第2个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV m,n,r 表示第m个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV M-1,n,r 表示第M-1个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量；ΔV M,n,r 表示第M个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量。
5.根据权利要求4所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，中位数计算公式如下：
其中，B n,r 表示各个电池在第n段放电子片段中的第r个端电压变化量组合构成的压差集合的中位数；median表示统计学中的中位数计算函数。
6.根据权利要求5所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤如下：
S31、将计算得到的中位数B n,r 与预先设定的中位数阈值B 0 进行比较，若
∣B n,r ∣≤B 0 ，则将该中位数B n,r 定义为无效中位数，且不参与步骤S32的计算过程；反之则定义为有效中位数，且代入步骤S32中进行计算；
S32、将各个电池中与有效中位数B n,r 相对应的ΔV m,n,r 代入偏离系数计算公式中计算，以得到对应的偏离系数。
7.根据权利要求6所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，步骤S4的具体步骤如下：
S41、分别对各个电池在各个放电子片段中的所有偏离系数的绝对值进行求和处理，以得到各个电池的各个放电子片段对应的总偏离系数；
S42、将各个电池对应的各个总偏离系数汇总，以构成总偏离系数集合。
8.根据权利要求7所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，所述总偏离系数集合具体如下：
其中，C m 表示第m个电池的总偏离系数集合；F m,1表示第m个电池的第1个总偏离系数；F m,2表示第m个电池的第2个总偏离系数；F m,n 表示第m个电池的第n个总偏离系数；F m,N-1表示第m个电池的第N-1个总偏离系数；F m,N 表示第m个电池的第N个总偏离系数。
9.根据权利要求8所述的一种钠离子电池一致性的判断方法，其特征在于，步骤S5的具体步骤如下：
S51、设定相关系数阈值为u 0 ；
S52、将各个电池总偏离系数集合中的各个总偏离系数代入相关系数计算公式中进行计算，以得到对应的相关系数u m ；
S53、将相关系数u m 与设定的相关系数阈值u 0 进行比较，若u m ＜u 0 ，则该电池出现不一致，若u m ≥u 0 ，则该电池正常。
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