[发明专利]考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法

说明书

本发明公开一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法，包括：建立以参数、表征的可用容量退化模型；基于现有电池可用容量退化数据，得到参数的先验分布与参数；基于待预测电池单体的观测值得到参数的后验分布；对待预测电池单体进行剩余寿命预测，得到其剩余寿命的期望、中位值及区间估计。本发明应用于剩余寿命预测领域，考虑了温度变化对锂离子电池可用容量的补偿效应，准确描述锂离子电池可用容量在时变温度下的退化过程，并以此为基础进行更为精准的剩余寿命预测，能够轻松得到剩余寿命的期望、中位值以及区间估计，进而有助于开展电池产品健康管理。

技术领域

本发明涉及电池剩余寿命预测技术领域，具体是一种考虑温度补偿的锂离子电池剩余寿命预测方法。

背景技术

在工程中，产品失效分为硬失效和软失效。研究表明，70~80%的产品失效可归因于后者。软失效的概念是基于性能退化理论提出的，它利用产品性能参数表征健康状态，借助首达时定义失效时刻。首达时即为产品性能参数首次到达或超过失效阈值的时间。对于工作中的产品，剩余寿命（Residual useful life，RUL）则可定义为从当前时刻到失效时刻的时间长度。准确的RUL预测有助于降低维护成本、提高可用性，甚至帮助避免一些灾难性故障。由于现场条件下的退化过程具有不确定性，RUL预测的主要内容是获取RUL的概率密度函数。

剩余寿命预测是近年来的研究热点之一。作为预测与健康管理（prognostic andhealth management，PHM）的一个关键分支，它关系到某个产品当前的健康状况和未来的持续工作时间。过去，由于缺乏数据采集和传输技术，大多数RUL预测模型都是利用实验室测试数据建立的，然后直接应用于工作中的产品。与稳定可控的实验室环境相比，现场条件下的环境因素是不断变化的，可能会影响产品的性能参数测量值，进而影响到剩余寿命预测结果。

锂离子电池是一类对温度敏感的软失效产品，一般将电池可用容量作为其性能参数（Performance Characteristic，PC），失效阈值取初始容量的70%~80%。电池可用容量为充满电的电池在标准电流（通常1C）下完全放完（即电池端电压降低至放电终止电压）对应的放出电量，一般需要在标准温度（如25℃）下进行。但电池在实际工作过程中，环境温度一般只能测量，无法精确控制。对于同样健康状态的电池，不同温度下，电池内部锂离子活性不同，放电反应充分程度不同，导致放出的电量存在显著差异。通常，温度越高，电池放出的电量越多，可用容量测量值越大，温度越低，电池放出的电量越少，可用容量测量值越小。

下面结合锂离子电池在正常工作条件下的退化过程进行问题说明：利用额定容量1.9Ah的商用18650 LiFePO4电池进行充电-静置-放电-静置的循环测试模拟锂离子电池在正常工作条件下的退化过程。充电过程均以1C恒流充电直至电池端电压达到4.2V，然后继续恒压充电直至电流降至1/50C。所有放电过程均以1C恒流进行直到电池端电压降至2.75V。对于额定容量1.9Ah的电池，1C对应电流大小为1.9A。充电和放电之间的静置时间为30分钟。每个循环期间的放电容量被视为电池可用容量，并利用一些温度传感器记录环境温度。由于昼夜交替和空调的使用，环境温度不规律地变化。图1给出锂离子电池可用容量的退化路径及其相应的温度变化曲线。其中，x轴代表循环次数，左侧y轴是可用容量，右侧y轴是各循环内平均环境温度。如果实验中环境温度保持恒定值，锂离子电池可用容量退化曲线应该是平滑下降的。但由于实验中环境温度不断变化，而温度会影响电池可用容量，因此真实的可用容量退化曲线是波动下降的，且可用容量与温度之间具有明显的相关性。

一般来说，在一定范围内，温度越高，电池内部锂离子活性越高，从而使电池在单次循环中可以释放出更多的电量，即电池可用容量测量值更高。我们将这种现象称为温度对电池可用容量的补偿作用。该作用是导致可用容量和温度曲线之间存在很强相关性的主要原因。如图1所示，虽然电池可用容量在第45个循环中下降到较低水平，但在下一个循环中由于温度升高而显着恢复。直接利用数据手段去除上述波动现象显然会导致有效信息丢失。但是，波动的存在使得可用容量的退化曲线更加非线性，增加了电池剩余寿命预测的难度。

发明内容