二次電池的壽命預測方法及電源管理方法與流程
2023-04-25 06:19:51 2
本發明屬於二次電池技術領域，尤其涉及一種二次電池的壽命預測方法，及基於該壽命預測方法的電源管理方法。
背景技術：
為各種消費電子設備、動力汽車、動力工具、無人機、工業設備等移動型設備提供動力的二次電池，如鋰離子電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池等，在開發、生產過程中會進行多項目、多環境、重複性的測試驗證，以保證其在使用時具有較好的循環壽命。例如公開號為cn103698710a的中國發明專利申請以及公開號為cn105068009a的中國發明專利申請分別公開了在設定的試驗條件下對電池壽命周期進行預測的方法，公開號為cn103399276a的中國發明專利申請、公開號為cn102353905a的中國發明專利申請以及公開號為cn102213747a的中國發明專利申請分別公開了經過一定次數的充放電循環測試後對電池壽命周期進行預測的方法。
前述幾種方法基於測試數據實現了對電池容量的估計及壽命的預測，但由於實際使用條件千變萬化，受環境溫度、使用者習慣，設備狀態等各種因素的影響，前期的測試驗證條件難以模擬出電池在實際使用時的情況，僅依據試驗結果無法預測電池在實際使用過程中循環壽命的變化，會出現電池實際壽命較預計壽命有較大偏差，從而大幅降低終端客戶的使用感受，甚至因電池使用壽命遠達不到客戶心理預期而招致大規模客訴。因此，有必要提出一種依據電池實際應用狀況對電池壽命進行預測的方法，使預測結果最接近電池的實際壽命情況。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於電池實際使用情況對電池壽命進行預測的方法，該方法通過不斷更新、調整壽命預測公式，使預測最接近電池的實際壽命情況。
本發明的另一目的在於提供一種在前述壽命預測方法基礎上，依據預測結果調整設備、電池使用策略以延長電池壽命的電源管理方法。
為了實現上述第一目的，本發明採取如下的技術解決方案：
二次電池的壽命預測方法，包括以下步驟：
步驟一、記錄電池使用過程中每一次充放電循環後的容量，獲得與循環次數對應的電池容量數據；
步驟二、設定擬合曲線取數周期；
步驟三、獲取擬合曲線取數周期內對應的容量趨勢曲線及容量預測公式；
步驟四、每當循環次數達到擬合曲線取數周期時，重複步驟三，用新的擬合曲線取數周期得到的容量趨勢曲線及容量預測公式代替上一個擬合曲線取數周期得到的容量趨勢曲線及容量預測公式，更新容量趨勢曲線及容量預測公式。
進一步的，所述步驟一中採用電池管理單元記錄電池的循環充放電次數及對應的容量數據。
為了實現上述第二目的，本發明採取如下的技術解決方案：
基於前述的二次電池的壽命預測方法的電源管理方法，包括以下步驟：
根據電池壽命測試試驗中得到容量-循環次數測試數據獲得基礎壽命預測曲線，將該基礎壽命預測曲線的衰減係數作為標準衰減係數；
比較容量趨勢曲線的衰減係數an和基礎壽命預測曲線的標準衰減係數a0，當an大於a0超過預設閾值p時，對電池的使用情況進行調整；
調取電池使用記錄，對可能導致電池損傷的偏好記錄進行調整、糾正，並通過後續容量趨勢曲線的更新驗證調整、糾正是否有效。
進一步的，當二次電池為車用動力電池時，預設閾值p為3～5％。
進一步的，當二次電池為消費產品電池時，預設閾值p為8～10％。
由以上技術方案可知，本發明的二次電池壽命預測方法基於電池的實際使用過程中獲得的數據來擬合容量趨勢曲線和容量預測公式，完全依據實際使用情況進行預測，而且在新的擬合曲線取數周期內根據最新的電池使用數據不斷修正壽命預測曲線和更新容量預測公式，可以儘量接近實際使用狀況，從而更準確的預計電池壽命。基於以上電池壽命預測方法，本發明提出的一種二次電 池的電源管理方法，依據容量預測公式得到的預測結果對電池的使用偏好進行糾偏及策略調整，並可根據最新的電池壽命預測曲線及容量預測公式驗證此糾正及應對調整是否有效，實現了不合理使用偏好的糾正及不理想使用環境的應對，以延長電池使用壽命。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明電池壽命預測方法的流程圖；
圖2為電池使用過程中壽命預測曲線示意圖；
圖3為電池測試試驗中容量-循環次數曲線及基礎壽命預測曲線圖；
圖4為採用線性擬合的方式得到的電池的容量趨勢曲線圖；
圖5為採用指數擬合的方式得到的電池的容量趨勢曲線圖；
圖6為採用多項式擬合的方式得到的電池的容量趨勢曲線圖。
具體實施方式
為了讓本發明的上述和其它目的、特徵及優點能更明顯，下文特舉本發明實施例，並配合所附圖示，做詳細說明如下。
本發明方法的基本思路是：在電池的使用過程中，記錄電池每一次充放電循環後的電池容量，得到與循環次數對應的電池容量數據，設定擬合曲線取數周期，在擬合曲線取數周期內根據容量與循環次數的數據得到容量趨勢曲線，以及容量預測公式，每當電池的充放電循環次數達到擬合曲線取數周期時就獲得一條新的容量趨勢曲線和新的容量預測公式，通過不斷更新容量趨勢曲線和容量預測公式，對電池壽命預測進行修正、調整，從而使預測的容量儘量接近電池的實際容量。
以上是本發明的核心思想，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創造性勞動前提下獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其它不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
如圖1所示，本發明二次電池的壽命預測方法步驟如下：
步驟一、記錄電池每一次充放電循環後的容量；可採用電池管理單元(bmu)記錄下電池在使用過程中每一次循環後的容量，獲得與循環次數對應的電池容量數據；
步驟二、設定擬合曲線取數周期；例如將相鄰的20次或30次或50次循環次數作為擬合曲線取數周期；
步驟三、獲取容量趨勢曲線及容量預測公式；對擬合曲線取數周期內得到容量與循環次數的數據進行擬合，得到容量趨勢曲線以及容量預測公式，通過容量預測公式，即可計算出未來某一特定循環次數的虛擬容量——即預測容量；可採用線性擬合或指數擬合或多變量擬合等方式對數據進行擬合等；
步驟四、當循環次數達到擬合曲線取數周期時，重複步驟三，用新的擬合曲線取數周期得到的容量趨勢曲線及容量預測公式代替上一個擬合曲線取數周期得到的容量趨勢曲線及容量預測公式，對容量趨勢曲線及容量預測公式進行更新。
下面以一具體實施例對本發明的電池壽命預測方法進行詳細說明：
bmu記錄下電池在使用過程中每一次充放電循環後的容量；
取50次循環次數作為一個擬合曲線取數周期；
對擬合曲線取數周期內的容量與循環次數的數據進行線性擬合，得到容量趨勢曲線及容量預測公式，線性擬合得到的容量趨勢曲線如圖2所示，即在電池實際使用時，當電池充放電循環次數達到50次時，取第一次與第50次循環的兩點(或第一次至第50次循環中的多點)容量數據進行線性擬合，得到第一條容量趨勢曲線——電池壽命預測曲線1，及第一個容量預測公式：c＝c0-a1*k，a1為第一條容量趨勢曲線的衰減係數，c0為電池初始容量，k為循環次 數，將容量趨勢曲線進行延長可得到未來某一特定循環次數的虛擬容量，亦即根據容量預測公式即可預測未來任一循環次數時電池的容量；
當電池循環次數達到100次時，取第50次與第100次循環的兩點容量數據做線性擬合，得到第二條容量趨勢曲線——電池壽命預測曲線2，及第二個容量預測公式：c＝c0-a2*k，a2為第二條容量趨勢曲線的衰減係數；用新的公式替代上一擬合曲線取數周期得到的容量預測公式對電池容量進行預測；
隨著電池的不斷使用，當循環次數達到新的擬合曲線循環周期時，如第150次、第200次……時，根據新的容量-循環次數的數據，重複獲得容量趨勢曲線及容量預測公式的步驟，不斷依據實際使用情況生成「電池壽命預測曲線3」，「電池壽命預測曲線4」……及相應公式，根據最新的實際循環使用情況，對壽命預測曲線進行修正，用新的容量預測公式替代上一擬合曲線循環周期的容量預測公式，對容量預測公式進行更新，使其儘量接近實際情況。
本發明方法中採用常規方法對數據進行擬合，採用不同的擬合方法進行曲線擬合和公式擬合時，得到的曲線及公式有所區別。例如圖4所示為採用線性擬合的方式對容量-循環次數的數據進行擬合得到的曲線圖，線性擬合得到的容量預測公式為c＝c0-an*k，式中的c為電池預測容量，c0為電池初始容量，an為第n條容量趨勢曲線的衰減係數，k為循環次數，n＝1,…,n，n為容量趨勢曲線的數量(即擬合曲線取數周期的數量)。圖5所示為採用指數擬合的方式對容量-循環次數的數據進行擬合得到的曲線圖，指數擬合得到的容量預測公式為c＝c0/ank。圖6所示為採用多項式擬合的方式對容量-循環次數的數據進行擬合得到的曲線圖，多項式擬合得到的容量預測公式為c＝c0-an1km1-an2km2…annkmn。容量預測公式中的an為衰減係數，曲線的衰減係數表徵了曲線中容量與循環次數的相關性，表明了電池壽命衰減的快慢，線性擬合時衰減係數為容量趨勢曲線的斜率。
本發明的二次電池壽命預測方法是基於電池的實際使用過程中獲得的數據來擬合容量趨勢曲線和容量預測公式，與現有的壽命預測方法不同，其數據基礎與電池種類、供應商、配方體系及測試方法無關，完全依據實際使用情況進行預測，而且在新的擬合曲線取數周期內根據最新的電池使用數據不斷修正壽命預測曲線和更新容量預測公式，使其儘量接近實際使用狀況，以利於更準確 的預計電池壽命；本發明算法相對簡單，對bmu內存的佔用較小，當與網際網路相連，並進行大數據分析後，可以觀測設備實際使用時電池的壽命情況，對特殊情況預警(如壽命快速衰減等)，為未來產品設計及驗證試驗設計提供數據依據。
基於以上電池壽命預測方法，本發明還提出了一種二次電池的電源管理方法，依據容量預測公式得到的預測結果對設備、電池使用策略進行調整以延長電池使用壽命，方法步驟如下：
根據電池壽命測試試驗中得到容量-循環次數測試數據獲得基礎壽命預測曲線，將該基礎壽命預測曲線的衰減係數作為標準衰減係數，作為電池壽命衰減判斷的標準；如圖3所示，圖3為根據電池開發、設計工作中在特定測試條件下進行的壽命測試試驗的測試數據得到的曲線圖，根據試驗得到的容量及循環測試的數據同樣採用線性擬合得到基礎壽命預測曲線0，以及標準衰減係數a0；基礎壽命預測曲線的擬合方式與容量趨勢曲線的擬合方式相同，本步驟中電池壽命測試試驗採用現有技術中常規的測試試驗手段，例如使電池在特定條件下充放電若干次，並記錄下對應的容量數據，根據容量衰減數據得到試驗結果，試驗手段各廠商可根據實際需求進行調整，試驗的過程此處不再贅敘；
電池開始使用後，採用本發明的壽命預測方法對電池的壽命進行預測，不斷更新依據實際使用情況獲得的容量預測公式及容量趨勢曲線的衰減係數an；
比較容量趨勢曲線的衰減係數an和基礎壽命預測曲線的標準衰減係數a0，當an大於a0超過預設閾值p時，說明電池壽命較設計壽命出現了快速衰減，需要對電池的使用情況進行調整；衰減係數越大，壽命衰減越快，當電池出現快速衰減時，一方面可能是電池本身有瑕疵，另一面可能說明目前的環境、設備運行狀態、使用習慣等對電池是有損傷的，需要及時進行糾正以避免對電池造成更大的損傷甚至出現安全問題；預設閾值p為經驗值，其根據設備種類及對壽命的敏感度、要求高低進行設定，要求高時該幅度可相應縮小，例如車用動力電池的預設閾值p為3～5％，要求低時該幅度可相應增大，例如消費產品電池的預設閾值p為8～10％等；調取bmu中存儲的電池使用記錄，對可能導致電池損傷的偏好記錄進行調整、糾正，並通過後續容量趨勢曲線的更新驗證此調整、糾正是否有效。
以鋰離子電池為例，高荷電態(高滿充電壓)，如：大於>80％荷電態；高溫度，如：大於40℃；高充電電流，如達到或接近電池充電電路的設計上限等；均會導致其實際使用時壽命衰減速度變快，實際使用過程中出現的情況及對應的可能的調整策略如下表所示：
鋰離子電池出現壽命快速衰減時的使用記錄及控制策略列表
如上所述，本發明的電源管理方法基於電池的實際使用情況對電池的使用偏好進行糾偏及策略調整，並可根據最新的電池壽命預測曲線及容量預測公式驗證此糾正及應對調整是否有效，實現了不合理使用偏好的糾正及不理想使用環境的應對，以儘可能根據實際使用情況提升電池循環壽命。當與網際網路相連，並進行大數據分析後，可以了解影響某類電池壽命的關鍵因素為何，為未來開發出更理想、更適用的該類設備的電池提供數據支持。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬範圍。