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CN111103549A - 一种混合动力机车电池系统检修需求判断方法 - Google Patents

一种混合动力机车电池系统检修需求判断方法 Download PDF

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CN111103549A CN201911294812.0A CN201911294812A CN111103549A CN 111103549 A CN111103549 A CN 111103549A CN 201911294812 A CN201911294812 A CN 201911294812A CN 111103549 A CN111103549 A CN 111103549A
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Abstract

本发明公开了一种电池系统检修需求判断方法，包括：电池系统当前可用能量小于机车正常运行的能量需求时，需要进行检修维护；电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值大于预定值时，需要进行检修维护。本发明将电池系统当前可用能量和电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值作为判断电池是否需要检修维护的标准，这些数据均基于电池的充放电数据，具有较高的可操作性和便捷性。同时，将电池系统的当前最大可用能量作为判断电池系统是否需要更换维护的标准，使得可以准确判断均衡检修后也无法满足机车正常使用需求的情况。

Description

一种混合动力机车电池系统检修需求判断方法
技术领域
本发明涉及混合动力机车技术领域，尤其涉及一种电池系统检修需求判断方法。
背景技术
随着新能源技术的不断进步，动力电池作为机车动力系统已经应用于混合动力机车。随着国家对新能源绿色发展的倡导和节能环保政策的不断推进，混合动力机车将成为未来机车的发展趋势。动力电池系统作为混合动力机车的重要能源供给系统，必须保证电池系统能量状态满足整车使用需求。
目前轨道交通用动力电池检修周期有两种方式：
1)定期修：根据以往内燃机车检修经验，在机车的某个检修修程，更换电池。
2)固定修：根据电池厂商给出的电池容量与寿命曲线，在满足机车使用要求的容量衰减范围内更换电池。
然而，动力电池作为一种化学电源，其容量与寿命的衰减不仅与电池本身的性能有关，还与机车的运用环境及作业工况关联度较大。其衰退过程存在明显的非线性特点，其检修需求无法通过使用周期进行固定核算。若检修周期过长，可能造成动力电池系统性能衰退严重，无法满足整车使用需求；若检修周期过短，则会造成检修次数增加和检修成本的大幅提升，影响混合动力机车全寿命周期下的经济效益。
因此，需要提出一种针对混合动力机车动力电池系统的检修需求判断方法，将混合动力机车动力电池系统的检修维护周期控制在合理范围之内。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种电池系统检修需求判断方法，基于电池系统的可用能量及内部电池间的一致性差异作为判断检修维护的基准。
本发明实施例所公开的一种电池系统检修需求判断方法，包括：
电池系统当前可用能量小于机车正常运行的能量需求时，需要进行检修维护；
电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值大于预定值时，需要进行检修维护。
进一步地，还包括：
电池系统的当前最大可用能量小于机车正常运行的能量需求时，需要进行更换维护。
进一步地，所述电池系统当前可用能量通过对机车电池系统进行完整充电后完整放电，将放电过程能量记为机车电池系统当前可用能量。
进一步地，所述电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值的计算包括：
根据单体电池的充电电压曲线和放电电压曲线，得到单体电池的近似OCV；
结合标准OVC-SOC曲线，得到电池系统内每个单体电池完整充放电过程所对应的SOC区间；
根据电池系统中所有单体电池高端SOC值，得到电池系统中所有单体电池间SOC一致性差异值。
进一步地，所有单体电池间SOC一致性差异值为电池系统中所有单体电池高端SOC值的最大值与最小值之差。
进一步地，电池系统的当前最大可用能量的计算包括：
计算每个单体电池的当前最大容量，并根据每个单体电池的当前最大容量计算得到电池系统的当前最大可用能量。
进一步地，所述每个单体电池的当前最大容量的计算包括：
根据单体电池的充电电压曲线和放电电压曲线，得到单体电池的近似OCV；
结合标准OVC-SOC曲线，采用粒子群优化算法，得到电池系统内每个单体电池完整充放电过程所对应的SOC区间；
计算得到电池系统内每个单体电池的当前最大容量。
进一步地，所述完整充电的充电起始点为电池系统内最低单体电压在上一次放电中达到放电终止电压，充电终止点为电池系统内最高单体电压达到充电终止电压，并且在充电过程中电池温度变化在预定范围内。
进一步地，所述完整放电的放电起始点为电池系统内最高单体电压在上一次充电中达到充电终止电压，放电终止点为电池系统内最低单体电池电压达到放电终止电压，并且在放电过程中电池温度变化在预定范围内。
进一步地，某SOC下，所述单体电池的近似OCV的计算方法为：
Figure BDA0002320222800000031
其中，U充和U放表示某SOC下的充电电压和放电电压；
I充和I放表示某SOC下的充电电流和放电电流。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明将电池系统当前可用能量和电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值作为判断电池是否需要检修维护的标准，这些数据均基于电池的充放电数据，具有较高的可操作性和便捷性。同时，将电池系统的当前最大可用能量作为判断电池系统是否需要更换维护的标准，使得可以准确判断均衡检修后也无法满足机车正常使用需求的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的充放电曲线计算得到近似OCV曲线的示意图；
图2为本发明一实施例的近似OCV曲线与标准OCV-SOC(state of charge，荷电状态)曲线拟合示意图；
图3为本发明一实施例的电池系统检修需求判断方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
如图3所示，本发明一些实施例公开了一种混合动力机车电池系统检修需求判断方法，包括：
电池系统当前可用能量小于机车正常运行的能量需求时，需要进行检修维护。其中，所述电池系统当前可用能量通过对机车电池系统进行完整充电后完整放电，将放电过程能量记为机车电池系统当前可用能量；所述完整充电的充电起始点为电池系统内最低单体电压在上一次放电中达到放电终止电压，充电终止点为电池系统内最高单体电压达到充电终止电压，并且在充电过程中电池温度变化在预定范围内。所述完整放电的放电起始点为电池系统内最高单体电压在上一次充电中达到充电终止电压，放电终止点为电池系统内最低单体电池电压达到放电终止电压，并且在放电过程中电池温度变化在预定范围内。具体地，充放电过程中，充放电电流尽可能小，充放电区间尽可能宽，以得到电池系统当前可用能量。
电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值大于预定值时，需要进行检修维护。其中，所述电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值的计算包括：
根据单体电池的充电电压曲线和放电电压曲线，得到单体电池的近似OCV，即可通过单体电池充放电电压曲线及电流数据，通过加权平均的方式计算得到各个单体电池的近似OCV曲线；
结合标准OVC-SOC曲线，得到电池系统内每个单体电池完整充放电过程所对应的SOC区间；某SOC下，所述单体电池的近似OCV的计算方法为：
Figure BDA0002320222800000051
其中，U充和U放表示某SOC下的充电电压和放电电压；
I充和I放表示某SOC下的充电电流和放电电流。
根据电池系统中所有单体电池高端SOC值，得到电池系统中所有单体电池间SOC一致性差异值，即电池系统中所有单体电池高端SOC值的最大值与最小值之差。
电池系统的当前最大可用能量小于机车正常运行的能量需求时，需要进行更换维护。其中，电池系统的当前最大可用能量的计算包括：计算每个单体电池的当前最大容量，并根据每个单体电池的当前最大容量计算得到电池系统的当前最大可用能量。
所述每个单体电池的当前最大容量的计算包括：根据单体电池的充电电压曲线和放电电压曲线，得到单体电池的近似OCV；结合标准OVC-SOC曲线，采用粒子群优化算法，得到电池系统内每个单体电池完整充放电过程所对应的SOC区间；计算得到电池系统内每个单体电池的当前最大容量，即根据电池系统内部所有单体电池的容量数据和电池体系的标称电压，累加计算得到电池系统的最大可用能量，作为电池系统是否更换检修维护的判定基础。
需要指出的是，理想状态下，要获得动力电池系统内部电池间的一致性差异和电池系统的最大可用能量，需要采用外部均衡设备对电池系统内所有单体进行一次均衡维护，但会带来巨大的人力成本和时间成本，且无法在均衡检修之前完成判断。因此，本发明提出了一种基于电池系统充放电数据的检修需求判断方法，基于动力电池系统充放电基础数据，根据动力电池充放电基本特性，计算出动力电池系统内部单体电池的近似OCV(开路电压)曲线，并结合动力电池原始OCV曲线，分析得到当前动力电池系统内部单体电池间的差异性，并估计出当前系统最大可用能量，对混合动力机车动力电池系统的检修维护及更换需求提供数据基础。适用于混合动力机车动力电池系统检修前的需求判断，具有较高的可操作性和便捷性。
实施例
针对某时刻的混合动力机车动力电池系统，通过机车充电机进行一次完整充电，充电起始点要求为动力电池系统内部最低单体(系统内单体特指BMS最小监控单元)电压在上一次放电中达到放电终止电压，充电终止点要求为动力电池系统内部最高单体电压达到充电终止电压；通过混合动力机车自负载对电池进行一次完整放电，放点起始点要求为动力电池系统内部最高单体电压在上一次充电中达到充电终止电压，放电终止点要求为动力电池系统内部最低单体电池电压达到放电终止电压。充电和放电的电流/功率数值要尽量小，并在充放电过程中有一定静置时间，以保证电池温度不会发生明显变化而影响测试结果，其中放电过程能量为电池系统当前可用能量，记为Euseable。
如图1所示，可根据BMS系统中记录数据，可以得到系统内部所有单体电池的放电电压曲线及充电电压曲线。由于在充电和放电过程中，电池内部有电流经过，会产生极化现象，导致充电电压比电池OCV较高，放电电压比电池OCV较低。但由于电池充放电过程中，电池相同SOC(荷电状态)下的极化程度基本与电流大小成正比例关系，因此可以根据电池充电过程电压和放电过程电压计算得到电池的近似OCV数值。在某SOC下，电池近似OCV可根据公式(1)近似得到：
Figure BDA0002320222800000071
其中，U充和U放表示某SOC下的充电电压和放电电压；I充和I放表示某SOC下的充电电流和放电电流。
电池系统内所有单体电池均类型、体系相同，其标准OCV-SOC曲线可以根据新电池得到，或者由电池制造商提供。由于电池在衰退过程中，尽管OCV曲线会发生变化，但曲线的形状基本保持不变，只是在一定范围内发生伸缩或移动。在计算得到电池近似OCV曲线之后，可以结合电池标准OCV-SOC曲线，采用粒子群优化算法将近似OCV曲线与标准OCV-SOC曲线在最大程度上进行拟合，得到系统内某单体电池充放电过程对应的SOC区间(X1％～X2％)，即根据电池标准OCV-SOC曲线，运用粒子群寻优算法对各个单体电池的近似OCV曲线进行拟合，得到各个单体电池的近似OCV-SOC曲线。具体如图2所示。
根据此算法，可以依次计算得到系统内每个单体电池在一次完整充放电过程中对应的SOC区间(X1-i％～X2-i％，其中i表示电池编号)，作为电池的SOC一致性分析及容量计算的基础。
为提高能量利用率，选择高端SOC进行计算电池系统内电池间SOC的一致性差异，具体如公式(2)所示：
SOCdif＝max(SOC2)-min(SOC2) (2)
其中max(SOC2)表示系统中所有单体电池高端SOC的最大值，min(SOC2)表示系统中所有单体电池高端SOC的最小值，SOCdif代表系统中所有单体电池间SOC一致性差异。
进一步可以计算得到系统内每个单体电池的当前最大容量，具体如公式(3)所示：
Figure BDA0002320222800000072
其中，Qi表示第i只电池的当前最大容量，Q充-放表示前期系统充放电测试时，该电池所在支路充电或放电的容量。
进一步可以计算得到系统当前最大可用能量，以表征电池系统在检修维护后的最佳能量状态，具体如公式(4)所示：
Figure BDA0002320222800000081
其中Emax表示系统最大可用能量，
Figure BDA0002320222800000082
表示该电池的平均电压，通常可以按照电池标称电压计算。
为保证电池系统能量利用率以及保持电池间近似的老化路径，需要保证系统内单体电池SOC差异在一定范围内，如SOClim；而为保证电池系统能够满足机车使用需求，电池系统可提供能量不得低于机车正常运行的能量需求Elim。因此，混合动力机车检修需求可以按照如下方式判断：
若Euseable＜Elim，表明系统当前可用能量无法满足机车正常使用需求，需要进行检修维护；
若SOCdif＞SOClim，表明系统内单体间一致性差异过大，需要进行均衡检修维护；
若Emax＜Elim，表明系统当前最大可用能量过低，即使均衡检修后也无法满足机车正常使用需求，需要进行更换维护。
综上所述，本发明为混合动力机车动力电池系统的检修维护提供了技术支撑，通过简单的充放电过程数据，分析得到动力电池系统的一致性状态、可用能量状态及最大可用能量状态，以此作为混合动力机车检修维护需求判断的依据，实现对动力电池系统状态的跟踪检测，保证动力电池系统状态特性能够满足整车使用需求，同时避免了繁琐试验验证程序，节约了大量的时间成本和人力物力成本，有利于混合动力机车全寿命周期下的经济性和可靠性的提升。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池系统检修需求判断方法，其特征在于，包括：
电池系统当前可用能量小于机车正常运行的能量需求时，需要进行检修维护；
电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值大于预定值时，需要进行检修维护。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
电池系统的当前最大可用能量小于机车正常运行的能量需求时，需要进行更换维护。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电池系统当前可用能量通过对机车电池系统进行完整充电后完整放电，将放电过程能量记为机车电池系统当前可用能量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电池系统的所有单体电池间SOC一致性差异值的计算包括：
根据单体电池的充电电压曲线和放电电压曲线，得到单体电池的近似OCV；
结合标准OVC-SOC曲线，得到电池系统内每个单体电池完整充放电过程所对应的SOC区间；
根据电池系统中所有单体电池高端SOC值，得到电池系统中所有单体电池间SOC一致性差异值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所有单体电池间SOC一致性差异值为电池系统中所有单体电池高端SOC值的最大值与最小值之差。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，电池系统的当前最大可用能量的计算包括：
计算每个单体电池的当前最大容量，并根据每个单体电池的当前最大容量计算得到电池系统的当前最大可用能量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述每个单体电池的当前最大容量的计算包括：
根据单体电池的充电电压曲线和放电电压曲线，得到单体电池的近似OCV；
结合标准OVC-SOC曲线，采用粒子群优化算法，得到电池系统内每个单体电池完整充放电过程所对应的SOC区间；
计算得到电池系统内每个单体电池的当前最大容量。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述完整充电的充电起始点为电池系统内最低单体电压在上一次放电中达到放电终止电压，充电终止点为电池系统内最高单体电压达到充电终止电压，并且在充电过程中电池温度变化在预定范围内。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述完整放电的放电起始点为电池系统内最高单体电压在上一次充电中达到充电终止电压，放电终止点为电池系统内最低单体电池电压达到放电终止电压，并且在放电过程中电池温度变化在预定范围内。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，某SOC下，所述单体电池的近似OCV的计算方法为：
Figure FDA0002320222790000021
其中，U充和U放表示某SOC下的充电电压和放电电压；
I充和I放表示某SOC下的充电电流和放电电流。
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