一种智能电池优化设计方法及电池状态数字孪生系统

文档序号:37455063发布日期:2024-03-28 18:38阅读:31来源:国知局
一种智能电池优化设计方法及电池状态数字孪生系统

本发明属于电池管理系统,具体涉及一种智能电池优化设计方法及电池状态数字孪生系统。


背景技术:

1、对于电池管理系统来说,电池荷电状态、健康状态、安全状态作为最为重要三个指标,在其工作时需要进行实时的获取与监测。然而,这三个指标在现阶段还都无法通过传感器直接测量得到,现有电池管理系统大多是基于可直接测量的电流、电压、温度等物理量来间接地表征,因而对电池状态估计、寿命预测、安全预警等方面的准确性与实时性构成了限制。虽然在近期的一些现有技术中通过在电池系统重使用更多的传感器并建立智能传感网络的方式,能够使电池各状态的监测效果有所改善,但传感器数量及其网络复杂性也带来了较高的设备成本,不利于推广应用,同时传感器所采集的信息仍没有完全克服用其表征相应电池状态时的局限性。


技术实现思路

1、有鉴于此,针对本领域中所存在的技术问题,本发明提供了一种智能电池优化设计方法,具体包括以下步骤:

2、s101、针对智能电池的全部待监测电池参量,分别选取相应的n个备选传感器并与电池集成;

3、s102、在设定的工况下对智能电池进行试验并利用所述n个备选传感器分别采集对应的数据,将这些数据的时间序列构建为n维信号的演化数据集;

4、s103、对所述演化数据集中的n维时间序列执行相关性分析,以研究不同数据之间的相关性;

5、s104、分别定义“需测参量集”和“可衍生参量集”两个集合并初始化为空集;需测参量集”用于储存在演化数据集中无法通过其他参量或者数字孪生系统推算得到的部分参量,“可衍生参量集”用于储存在演化数据集中可以根据其他参量的测量值推算得到的参量;

6、s105、针对n个备选传感器中的任意第i个传感器参量,利用另外n-1个传感器参量并选取相应的算法,建立与第i个传感器参量之间的映射关系fi;

7、s106、对每个传感器参量的相应映射关系执行唯一性检验;

8、s107、根据检验结果将映射关系唯一存在的传感器参量定义为可衍生参量存入“可衍生参量集”,并将映射关系不唯一的传感器参量定义为需测参量存入“需测参量集”;

9、s108、对全部传感器参量执行步骤s105~s107,直至n个传感器参量完成分类并存入相应集合;

10、s109、在“可衍生参量集”中将同时存在于两个集合的传感器参量剔除,保留m个可衍生参量;

11、s110、从步骤s101中所选取的n个备选传感器中,剔除其中用于测量m个可衍生参量的相应传感器;保留的m个传感器智能电池工作时的m个参量,并由数字孪生系统中的参量数字孪生模块基于这m个测量参量估计得到n-m个可衍生参量,用于电池状态数字孪生系统对各项电池状态的监测;至此智能电池的优化设计完毕。

12、进一步地,所述数字孪生模块具体基于与步骤s105~s106相同的方式建立,得到n-m个可衍生参量分别与m个测量参数之间的唯一映射关系。

13、进一步地,步骤s101选取n个备选传感器具体基于对电池不同位置的温度、不同位置的压力、不同位置的应变、内部气压、气体浓度、电解液组分、电化学阻抗等的测量需求,相应地选取热电偶、热电阻、光纤布拉格光栅、电容式压力传感器、压电式压力传感器、电阻式应变片、气压计、非色散红外式气体浓度传感器、电化学式气体浓度传感器、半导体式气体浓度传感器、倾斜光栅光纤、倏逝波光纤、电化学阻抗采集控制电路板等;

14、传感器与电池集成时具体采用包括表贴、松散连接、焊接等的外置方式,以及包括放置在电池卷芯内部、放置在电池多个卷芯之间、放置在电池顶部卷芯与端盖间的空隙处、放置在电解液中等的内置方式;传感器信号通过有线或无线方式从电池向其他设备传送;n个备选传感器的数据采集方式可使用同步采样或不同步采样。

15、进一步地,步骤s102中设定的工况包括电动汽车的典型驾驶工况、电网侧储能系统的典型工作工况、常见的故障工况等。所述故障工况包括过充电工况、过放电工况、过热工况等。

16、进一步地,将任意第i个传感器参量与另外n-1个传感器参量之间的映射关系fi记为:

17、

18、式中,t表示时间,0:t表示从初始时刻到时刻t的所有采样时刻;

19、步骤s106中执行的唯一判性检验即根据s1(0:t),s2(0:t),…,si-1(0:t),si+1(0:t),…,sn(0:t)判断是否可以唯一确定出具体过程包括:统计n维信号数据中根据fi所计算出的与实测si(t)的误差,若误差小于阈值则认为映射唯一存在,否则为不唯一;逐个缩减fi对应的输入参量个数,对s1(0:t),s2(0:t),…,si-1(0:t),si+1(0:t),…,sn(0:t)的任意子集是否构成对再次进行检验,直到最终确定映射fi的唯一性。

20、相应地,本发明还提供了一种电池状态数字孪生系统,包含利用前述方法设计的智能电池和参量数字孪生模块,以及参量滤波模块、特征提取模块以及状态数字孪生模块;

21、其中,智能电池在系统中作为传感检测模块,其利用各传感器实时获取m个测量参量,参量数字孪生模块基于这m个测量参量得到n-m个可衍生参量;

22、参量滤波模块接收m个测量参量与参量数字孪生模块提供的n-m个可衍生参量,并输出n个滤波后的参量;特征提取器接收滤波后的参量并从中分别提取用于表征各自电池状态的特征参数;状态数字孪生模块利用特征提取器输入的特征参数,对电池的相关状态进行计算与预测,并控制智能电池针对不同状态执行相应的动作。

23、进一步地,参量滤波器具体基于如扩展卡尔曼滤波等的传统信号滤波方式实现;或基于最优化算法实现,具体将n个参量作为待优化变量,并以各待优化变量分别与相应映射关系fi的总偏离程度构建评价函数:

24、

25、进一步地,特征提取器具体针对电池老化状态提取如容量增量曲线、特征频段阻抗、电解液分解等特征;或针对电池安全状态提取例如温升速率、产气速率、压力异常增大等特征;

26、状态数字孪生模块由soc估计模块、寿命预测模块、安全预警模块组成;其中,寿命预测模块根据特征提取器提取的相应特征,利用深度学习方法预测电池剩余使用寿命;安全预警模块首先根据温升速率、压力增大速率等简单特征进行安全预警判断,若超出某一设定阈值则立刻报警,再通过深度学习、基于模型的安全预警等算法来实现精细化安全状态数字孪生模拟与故障诊断。

27、上述本发明所提供的智能电池优化设计方法,通过分析不同传感信号间的冗余特性,筛选出电池系统中必要的传感器并将不必要的剔除,从而能够有效降低智能电池成本与系统复杂度。针对现有智能电池系统所采集信息与不同电池状态表征中的局限性,本发明还提供了基于上述方法的电池状态数字孪生系统,在实现电池参量与状态的精准重构的同时,能够利用有限的传感器配置下实现全面的、准确的电池状态计算与监测。



技术特征:

1.一种智能电池优化设计方法,其特征在于:具体包括以下步骤:

2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述数字孪生模块具体基于与步骤s105~s106相同的方式建立,得到n-m个可衍生参量分别与m个测量参数之间的唯一映射关系。

3.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤s101选取n个备选传感器具体基于包括对电池不同位置的温度、不同位置的压力、不同位置的应变、内部气压、气体浓度、电解液组分、电化学阻抗的测量需求,相应地选取包括热电偶、热电阻、光纤布拉格光栅、电容式压力传感器、压电式压力传感器、电阻式应变片、气压计、非色散红外式气体浓度传感器、电化学式气体浓度传感器、半导体式气体浓度传感器、倾斜光栅光纤、倏逝波光纤、电化学阻抗采集控制电路板的各类传感器;

4.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤s102中设定的工况包括电动汽车的典型驾驶工况、电网侧储能系统的典型工作工况、常见的故障工况;所述故障工况包括过充电工况、过放电工况、过热工况。

5.如权利要求1所述的方法,其特征在于:将任意第i个传感器参量与另外n-1个传感器参量之间的映射关系fi记为:

6.一种智能电池的电池状态数字孪生系统,其特征在于:包含分别利用前述权利要求1-5任意一项所述方法设计的智能电池和参量数字孪生模块,以及参量滤波模块、特征提取模块以及状态数字孪生模块;

7.如权利要求6所述的系统,其特征在于:参量滤波器具体基于传统信号滤波方式实现;或基于最优化算法实现,具体将n个参量作为待优化变量,并以各待优化变量分别与相应映射关系fi的总偏离程度构建评价函数:

8.如权利要求6所述的相同,其特征在于:特征提取器具体针对电池老化状态提取包括容量增量曲线、特征频段阻抗、电解液分解特征;或针对电池安全状态提取例包括温升速率、产气速率、压力异常增大的特征;


技术总结
本发明提供了一种智能电池优化设计方法,通过分析不同传感信号间的冗余特性,筛选出电池系统中必要的传感器并将不必要的剔除,从而能够有效降低智能电池成本与系统复杂度。针对现有智能电池系统所采集信息与不同电池状态表征中的局限性,本发明还提供了一种基于上述方法的电池状态数字孪生系统,在实现电池参量与状态的精准重构的同时,能够利用有限的传感器配置下实现全面的、准确的电池状态计算与监测。

技术研发人员:熊瑞,贾彦博,杨瑞鑫,孙逢春
受保护的技术使用者:北京理工大学
技术研发日:
技术公布日:2024/3/27
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