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新能源客車磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)容量不均衡程度大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用
2020-09-08 11:10:48· 來源：新能源客車磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)容量不均衡程度大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用
容量不均衡現(xiàn)象會使電池系統(tǒng)可用容量減少，利用效率降低，使車輛行駛里程減少，且是造成系統(tǒng)顯示SOC在正常范圍內(nèi)卻發(fā)生電芯欠壓報警的主要原因。目前的電池管理
容量不均衡現(xiàn)象會使電池系統(tǒng)可用容量減少，利用效率降低，使車輛行駛里程減少，且是造成系統(tǒng)顯示SOC在正常范圍內(nèi)卻發(fā)生電芯欠壓報警的主要原因。目前的電池管理系統(tǒng)中，通常采用各單體中的最高/最低單體之間壓差來判斷容量不均衡。
對于磷酸鐵鋰電池體系而言，因其電壓平臺較平，動態(tài)壓差主要由單體之間極化差異引起，靜態(tài)壓差主要由電池制造不一致差異導(dǎo)致，加上電壓值采樣誤差的存在，單體壓差法無法準(zhǔn)確反饋容量差異。
即使BMS帶有均衡功能，也常因均衡電流小、均衡作用時間短、均衡策略不夠優(yōu)化，無法保證電池系統(tǒng)處于均衡狀態(tài)。且經(jīng)常在電池系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)容量不均衡后，壓差并未達(dá)到報警值，致使容量不均衡長期存在，限制了電池系統(tǒng)容量的高效利用，減短了車輛行駛里程。
將壓差用于磷酸鐵鋰體系作為判斷容量不均衡的方法存在缺陷，而現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)又無法有效抑制電池系統(tǒng)不均衡狀態(tài)的惡化，搭載磷酸鐵鋰電池的新能源車輛需要一種更精準(zhǔn)的利用大數(shù)據(jù)提取容量不均衡程度數(shù)據(jù)特征的方法，為電池系統(tǒng)保養(yǎng)維護(hù)提供量化參考指標(biāo)，使其能夠及時地恢復(fù)均衡狀態(tài)，提升電池系統(tǒng)整個生命周期的使用能效，延長車輛行駛里程。
一個磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)模塊由許多電芯單體構(gòu)成系統(tǒng)的能源存儲主體，這些單體在充放電工況下存在工作電壓不一致的情況。在一個完整的充電過程中，因為單體間存在電壓不一致，這樣電壓高的單體會先被充滿電，從而觸發(fā)電池管理系統(tǒng)的充電截止動作，這時電壓低的單體因為充電截止而沒有充滿電，從圖1，可以看到低電壓單體的充電曲線不完整，沒有最后一段電壓顯著升高而充電電量小幅增加的這一段。
1.電池充電特征的提取
在公司的磷酸鐵鋰電池研究中發(fā)現(xiàn)：雖然如圖1中所示的充電曲線因為電壓平臺較平，很難直接提取充電壓差特征，但是如果對上述曲線進(jìn)行濾波光滑處理后的曲線求導(dǎo)數(shù)，得出的特征波峰可以較為準(zhǔn)確的表征單體的充電壓差。從圖2，可以看到磷酸鐵鋰電池在充電過程中，對電壓-電量曲線求導(dǎo)會出現(xiàn)兩個明顯的特征波峰。
經(jīng)過大量實(shí)驗證明：后一個波峰的峰值點(diǎn)，可以作為表征單體充電電壓的特征點(diǎn)。這樣，通過容量微分曲線變化，可以實(shí)現(xiàn)電池特性信息的提取，再通過一系列數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)不同電芯之間SOC差值的估算。
2.低電壓電池單體不均衡電量△Q的映射計算
在計算出每個單體后一個電壓-電量求導(dǎo)曲線波峰的電壓后，將完成100%充電的標(biāo)準(zhǔn)單體（圖2中黑色曲線）的波峰電壓和沒有完成充電的欠壓單體（圖2中紅色曲線）的波峰電壓進(jìn)行相減，可以得出需要參照回調(diào)的電壓△V，即將△V映射到標(biāo)準(zhǔn)單體的電壓-電量曲線中，可以預(yù)測出欠壓單體實(shí)際少充的不均衡電量△Q。
圖3中，△V通過電壓-電量曲線被映射為△Q，從而計算出低壓單體沒有被充滿的電量占100%電量的比例。
磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)容量不均衡程度大數(shù)據(jù)分析的實(shí)際應(yīng)用
在車輛使用過程中，回傳的運(yùn)行參數(shù)被大數(shù)據(jù)后臺收集，大數(shù)據(jù)后臺定時進(jìn)行周期性的電池系統(tǒng)不均衡狀態(tài)評估，只要不均衡程度超過閾值就發(fā)出不均衡預(yù)警，保證電池系統(tǒng)整個生命周期都處于可控范圍以內(nèi)。從圖4，可以看到電池系統(tǒng)的不均衡情況全時循環(huán)監(jiān)控中，為了提高后臺分析系統(tǒng)的分析效率，電池不均衡判斷分為效率較高的初步分析預(yù)測和精細(xì)預(yù)測兩個階段，在初步分析階段，如果系統(tǒng)判斷電池系統(tǒng)均衡性良好，可以選擇不需要調(diào)用更多的計算資源進(jìn)行精細(xì)分析。
1.從參數(shù)采集數(shù)據(jù)庫篩選出能夠用于程序分析的電池數(shù)據(jù)
因為大數(shù)據(jù)分析針對的是具體運(yùn)行的車輛，所以以車型類別為基礎(chǔ)，給出數(shù)據(jù)條件，如：車型型號=“XMQ6*********4”，可以得出以下相關(guān)信息：
電池類型=磷酸鐵鋰；
電池組規(guī)格/型號=L***C01:011，L***D01:012，L***B01:010；
電池單體型號=M****7
電箱組合方式=5箱串聯(lián)，1箱L***C01（每箱36個M****7串聯(lián)）,3箱L***D01（每箱33個M****7串聯(lián)），1箱L***B01（每箱24個M****7串聯(lián)）串聯(lián)；
電池的布置形式=整車行李艙中部與后部；
上述參數(shù)的用途：因為不同位置的電池溫度差異比較大，會直接影響電池的工作狀態(tài)，所以布置形式可用于電池保養(yǎng)時分析不均衡原因，為車輛使用方提供參考，見圖5。
當(dāng)電池類型=磷酸鐵鋰，可以啟動系統(tǒng)中的不均衡分析策略，對此車充電時的最高和最低電壓單體各個時刻的電壓和各自的電量進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)密度越高，分析的結(jié)果越準(zhǔn)。
2.對采集數(shù)據(jù)的處理
（1）采集數(shù)據(jù)的規(guī)整處理
因為現(xiàn)有電池電壓傳感器的精度為5毫伏，加上遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘柺д?，會?yán)重影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確程度，所以采集來的原始數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出不規(guī)則的噪聲波動，見圖6中最高和最低兩個電芯的兩組電壓-電量散點(diǎn)。
因為單體電量按照固定的時間間隔采集時，使用的是安時積分方法，所以充電狀態(tài)下的電量，呈現(xiàn)出線性遞增的狀態(tài)，利用電量的線性遞增特性可以修正電壓的信噪波動。因為在充電過程中，電壓的升高必定伴隨著電量的增大，因此對電壓參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)排序后對應(yīng)到相應(yīng)時刻電量上可以修正原始數(shù)據(jù)的無規(guī)律反復(fù)波動，可以看到圖7中排序后的點(diǎn)在規(guī)整后依然貼合原始采樣數(shù)據(jù)曲線，保證了數(shù)據(jù)特征不丟失。
（2）對數(shù)據(jù)的曲線擬合
對于重整后的電壓-電量曲線，如果馬上使用SMOOTH算法進(jìn)行光滑擬合，因為要進(jìn)一步消除干擾信號，需要使用多次迭代的卷積運(yùn)算，對于計算量巨大的大數(shù)據(jù)不經(jīng)濟(jì)，而且因為沒有辦法人為干預(yù)批處理運(yùn)算，出現(xiàn)采樣取值異常時容易造成最后的求導(dǎo)計算失敗，求導(dǎo)曲線無法呈現(xiàn)出提取磷酸鐵鋰電池的M形特征電壓-電量/電壓導(dǎo)數(shù)曲線。因此，選擇使用更為穩(wěn)定的折線擬合方式提取排序處理后的電壓-電量散點(diǎn)，見圖8，圖中列出了7組不同的電池單體的電壓-電量采集數(shù)據(jù)的折線擬合。圖8中圈出部分為算法沒有過濾掉的取值異常毛刺，如果用曲線平滑連接毛刺部分會出現(xiàn)不可預(yù)測的亂線。如果利用磷酸鐵鋰電池電壓平臺平整的“弱點(diǎn)”，用折線擬合原始采樣曲線，這樣在即使有異常毛刺的情況下也可以完整保留電壓-△電量/△電壓曲線的M形雙峰特征，見圖9，對圖8中第7組電芯單體數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)，得出電壓-△電量/△電壓曲線，毛刺部分的求導(dǎo)彎折也不妨礙最終M形波峰的識別,圖9中被圈出的地方可以發(fā)現(xiàn)第3、4兩組的異常在M形方波中僅是打了個結(jié)，但不影響算法對后一個波峰節(jié)點(diǎn)的識別。
（3）大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的計算及輸出
對圖9中識別出的兩個方波波峰的兩對個橫坐標(biāo)電壓進(jìn)行求平均值，取大的那個電壓值，即圖9中后一個方波的波峰的中點(diǎn)作為此磷酸鐵鋰電池單體的電壓表征點(diǎn)。
得到需要評估電芯的電壓表征點(diǎn)后，求作為此電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電芯的最高電壓電芯和最低電壓電芯各自的電壓表征點(diǎn)電壓的差值，即前文原理部分所述的電壓△V，通過被分析系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電芯的電壓-電量曲線，可以映射出低電壓電芯的不均衡電量△Q，最后計算△Q/Q百分比值作為評估電量不均衡程度的精確參數(shù)值，Q為標(biāo)準(zhǔn)電芯滿充電量。
（4）大數(shù)據(jù)分析的計算資源考量
在實(shí)際的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中，考慮到計算資源的節(jié)約問題，會直接對圖8的電壓-電量擬合折線的最后一段的斜率進(jìn)行計算，因為嚴(yán)重欠壓的電池電芯在充電截止的時刻還處于電量急劇攀升的階段，因此這一段電壓-電量的斜率比正常充電至最后電量的電芯高很多，可以判斷有很大的概率需要進(jìn)行均衡維護(hù)，這樣在大數(shù)據(jù)初算階段就可以得出有價值的評估信息。在需要權(quán)衡售后維護(hù)成本時，再計算△Q/Q的具體數(shù)值，進(jìn)一步量化分析系統(tǒng)的不均衡程度。
對磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)不均衡程度的多維數(shù)據(jù)挖掘
依據(jù)概率統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)前文中提到的“XMQ6*********4”車型位于電池箱夾層的電芯不均衡程度明顯增大，結(jié)合前文圖5中調(diào)出的電池布置信息，可以推斷出因為中部電池箱散熱不方便，工作溫度高于同車其他位置的電池箱，長期在高溫下工作的電芯損耗大于其他位置的電芯，造成了整車電量不均衡的情況。
結(jié)束語
電壓平臺過于平坦是磷酸鐵鋰電池特有的特征，然而通過容量微分曲線變化，可以實(shí)現(xiàn)電池特性信息的提取，再通過一系列數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)不同電芯之間電量差值的估算。使用大數(shù)據(jù)手段將其轉(zhuǎn)化為折線擬合分析算法應(yīng)用于整車容量不均衡程度估算后，可為電池系統(tǒng)保養(yǎng)維護(hù)提供量化參考指標(biāo)，通過及時預(yù)警提醒車輛及時做電池系統(tǒng)均衡保養(yǎng)，以此來實(shí)現(xiàn)車輛可用容量的最大化，提高車輛行駛里程，減少整車剩余電量處于正常應(yīng)用區(qū)間卻出現(xiàn)欠壓報警的現(xiàn)象，可提高客戶滿意度。
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