锂离子动力电池健康特征提取与诊断研究

锂离子电池是电动汽车能源供给的核心,起着至关重要的作用。锂离子电池的健康状态(SOH)是电池老化程度的综合评价指标,电池健康状态的表征及其估计是新一代电池管理系统的关键技术。本文以锂离子动力电池为研究对象,基于实验室测试数据,对电池健康状态特征参数提取、电池容量与健康状态估计、电池故障预警这三个核心问题展开研究。全文主要内容如下所述:首先,针对两个厂商生产的两种型号的三元锂离子电池设计了不同的循环寿命实验,分析不同环境温度、不同倍率条件下电池的老化衰退特性。以电池实际容量为主要评价参数,通过对比分析实验数据,初步得出环境温度与电流倍率对电池老化的影响。为研究工况条件下电池循环特性,本文提出了一种兼顾功率和功率变化等效性的锂离子电池工况提取方法,在一般工况提取方法只考虑功率等效性的基础上,将反映电池承受功率突变能力的功率变化值的等效性加入到目标函数中,进一步增强了目标工况与原工况的等效性。其次,针对呈现线性衰退特性的Ⅰ厂商生产的电池,采用容量增量分析方法,研究了电池容量增量曲线(IC曲线)随电池衰退的变化特性,分析了 IC曲线与电池老化密切相关的特征参数及其变化规律,建立了三元锂离子电池容量估计模型,表征电池的健康状态。针对特征量之间的多重共线性问题,提出了基于主成分回归的容量估计模型,试验结果表明,所建模型容量估计误差在2%以内。该方法采用能反映电池电化学特性的参数来估计电池容量,不仅给出电池的健康状态,而且可以识别电池的老化模式,为电池寿命管理策略提供依据。再次,针对呈现非线性衰退特性的Ⅱ厂商生产的电池,研究了小电流充电数据的IC曲线变化特性,进行了电池热力学损失的量化计算。使用熵权法对IC曲线特征参数进行选取和简化,采用支持向量机建立特征参数与容量之间的回归模型,并模拟实际使用中的数据获取与模型训练方式进行模型训练,结果显示测试误差在1.5%以内,具有良好的估计精度。最后,针对非线性衰退电池在使用过程中可能出现的鼓包等故障,建立了电池故障预警模型。选用可以同时得到多条回归直线的分位数回归方法建模,并验证和选取回归残差的正态性。以正态分布的性质为依据建立带状安全区域,当参数数据超出安全带时发出故障预警。随后将模型与其他相似建模方法进行对比,体现出此建模方法的优势。