(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011134253.X
(22)申请日 2020.10.21
(71)申请人 北京航空航天大学
地址 100191 北京市海淀区学院路37号
(72)发明人 马剑 马梁 宋登巍 郝杰 丁宇
吕琛
(74)专利代理机构 北京元本知识产权代理事务
所(普通合伙) 11308
代理人 秦力军
(51)Int.Cl.
G01R 31/392(2019.01)
G01R 31/367(2019.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种锂电池容量跳水预警方
法，包括：获取经过数据预处理的锂电池充放电
循环的包括起始点Q1和终止点Q2的锂电池退化
曲线；根据锂电池退化曲线的弯曲程度，确定锂
夹角与特征夹角报警阈值和特征夹角跳水阈值
进行比较；根据比较结果确定是否发生锂电池容
量跳水；在确定已经发生锂电池容量跳水时，触
发锂电池容量跳水报警。权利要求书2页 说明书9页 附图5页CN 112327193 A 2021.02.05
C N 112327193
A
1.一种锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，包括：
获取经过数据预处理的锂电池充放电循环的包括起始点Q1和终止点Q2的锂电池退化曲线；
根据锂电池退化曲线的弯曲程度，确定锂电池退化曲线特征夹角；
将锂电池退化曲线特征夹角与特征夹角报警阈值和特征夹角跳水阈值进行比较；
根据比较结果确定是否发生锂电池容量跳水；
在确定已经发生锂电池容量跳水时，触发锂电池容量跳水报警。
2.根据权利要求1所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，根据比较结果确定是否发生锂电池容量跳水包括：
当比较结果为锂电池退化曲线特征夹角大于特征夹角跳水阈值时，确定锂电池容量跳水，反之，则确定未发生锂电池容量跳水；
当比较结果为锂电池退化曲线特征夹角小于特征夹角跳水阈值且大于特征夹角报警阈值时，继续进行锂
电池充放电循环，并在连续三次充放电循环的锂电池退化曲线特征夹角均大于特征夹角报警阈值时，确定锂电池容量跳水，反之，则确定未发生锂电池容量跳水。
3.根据权利要求1或2所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，根据锂电池退化曲线的弯曲程度，确定锂电池退化曲线特征夹角包括：
连接锂电池退化曲线起始点Q1和终止点Q2，作割线；
将每个充放电循环处的真实容量保持率值与割线上的对应循环处容量保持率值作差，计算退化曲线与割线上每点的距离，将最大距离l max处对应的点定义为疑似跳水点D；
连接Q1、Q2、D三点组成三角形，将线段Q1Q2与线段DQ2所夹锐角∠Q1Q2D确锂电池退化曲线特征夹角α。
4.根据权利要求3所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，根据历史数据和专家知识确定所述特征夹角跳水阈值，具体包括：
从历史数据中选取m个被人工标注为发生跳水和未发生跳水的锂电池退化曲线特征夹角α1,α2...αm为样本；
将能够使所述样本中满足人工标注为发生跳水和未发生跳水的预测阈值确定为所述特征夹角跳水阈值。
5.根据权利要求4所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，所确定的特征夹角跳水阈值小于所述样本中被人工标注为发生跳水的锂电池退化曲线特征夹角，并大于等于所述样本中被人工标注为未发生跳水的锂电池退化曲线特征夹角。
6.根据权利要求6所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，所述特征夹角报警阈值小于所述特征夹角跳水阈值。
7.根据权利要求1所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，所述数据预处理是对原始锂电池退化曲线进行的平滑去噪预处理。
8.根据权利要求7所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，所述平滑去噪预处理是局部加权散点回归平滑LOWESS处理。
9.根据权利要求9所述的锂电池容量跳水预警方法，其特征在于，所述局部加权散点回归平滑处理包括：
以原始锂电池退化曲线的一个点x1为中心，确定一个区间长度为f的数据，该长度取决于q＝fn，其中q是参加局部回归的观察值的个数，f是参加局部回归的观察值的个数占观察值个数的比例，n表示观察值的个数；
赋予所确定的区间内的所有点的权重；
对于所述区间内数据用权值函数做一个加权的线性回归，得到点x1处的平滑值(x1, y1)，其中y1为拟合后曲线的对应值；
对原始锂电池退化曲线中的其他点重复上述处理，最终将得到一组平滑点(x i,y i)，将这些平滑点用短直线连接起来，就得到LOWESS曲线。
一种锂电池容量跳水预警方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种锂电池技术领域，特别涉及一种锂电池容量跳水预警方法。
背景技术
[0002]锂离子电池目前是广泛应用于军事电子产品、航空电子器件、电动汽车以及各种便携式电子装置(例如笔记本电脑、数码相机、平板电脑、手机等)的主要储能器件，由于其质量轻、放电率低及寿命长的特点，锂离子电池已基本取代了镍镉电池、镍氢电池。与此同时，由于目前对于气候环境变化的关注和新能源开发的迫切性，锂离子电动汽车得到了快速发展，众多汽车厂商和研究机构都致力于开发能够代替传统石油的新能源汽车，例如德国大众、美国特斯拉、中国比亚迪等汽车公司纷纷投入大量资金和人力资源开发纯动力、混合动力等新能源汽车的车载锂离子电池。因此，锂离子电池的性能是其整体电
子系统可靠性的关键因素，其失效可能会造成系统故障甚至是致命灾难。
[0003]锂离子的寿命退化客观的存在于其整个生命周期，其寿命问题主要指影响其放电能力的正负极活性材料的物化结构性质、粘结剂对涂层的粘结强度、隔膜的质量等在循环充放电过程中的逐渐劣化。锂离子电池的容量是指示电池性能退化的重要指标，随着电池的使用不断降低，当电池容量低于某一阈值后，电池无法继续稳定提供储能功能，即认为发生失效。不同设计配方、设计因素下的电池型号寿命不同，因此电池设计生产厂商在电池设计定性或批量生产之前需要对不同配方、不同批次的电池进行加速寿命试验，对试验结果使用统计方法进行分析，得到该配方或批次下电池样本总体的寿命信息。通常，电池的测试在加速应力条件下开展，在特殊的测试台中进行循环充放电试验，激发电池性能的不断退化，反映在电池容量上，体现为容量保持率随着充放电循环数的增加而不断衰减。[0004]根据现有文献研究表明，在加速应力条件下，锂离子电池容量保持率的衰退趋势总体满足平方根规律。即可以认为，电池若在试验条件下以正常的趋势发生退化，容量保持率随循环数变化的曲线理论上来讲呈现平方根函数的关系。但是在实际测试过程中，部分电池样本的容量保持率曲线形态会呈现在一段时间内平稳退化，当超过某个临界点之后衰退速率迅速增大的特点。当锂离子电池容量保持率出现这种突然加速率退化的情况时，即认为电池容量发生了跳水现象，退化速率发生突然变化的临界点即为跳水点。出现跳水现象的电池样本，在测试过程中需要引起试验人员的重点关注。具体原因有如下两点。[0005]第一，跳水往往与电池设计因素、生产批次等密切相关，分析测试数据中跳水样本的电池可以为电池的优化设计
、优化生产提供反馈指导信息。例如，如果发现在某一设计配方下的大部分电池都会出现跳水现象，则可以很大的概率说明这种设计配方中存在缺陷，应该予以针对性改进。因此，电池设计生产商的测试部门需要对试验结束的电池样本数据进行逐一分析，对电池容量保持率衰退曲线是否出现跳水现象进行识别和标注，将总体中那些发生跳水的电池样本区分开来。
[0006]第二，跳水电池样本的测试数据对总体寿命分析产生影响。除了设计因素之外，试验条件也会激发锂离子电池的容量跳水现象。现有研究表明，低温度、高充放电倍率、过高
或过低SOC状态都可能诱发锂离子电池电极的析锂现象，在容量保持率上体现为跳水。因此，若电池样本在试验过程中发生了跳水现象，跳水点之后的循环容量数据对电池加速寿命试验数据分析作用不大，因为两段退化过程趋势已经不一致，无法用平方根物理模型或阿伦尼乌斯公式等加速模型进行数据分析。因此，希望在跳水点即将出现时或出现后短时间内发出预警，终止试验，节省试验成本。
[0007]然而，考虑上述两点，现有测试流程中针对跳水样本或跳水点的分析处理方法尚不完善。
[0008]针对跳水样本曲线的识别与标注，现有方法大多依赖人工判断，即将数据曲线可视化之后，肉眼判别电池在试验过程中容量是否发生跳水。这种人工判别的方式存在两个弊端。弊端之一，是人工识别标注方法受主观因素影响较大，不同的标注人员、判别尺度甚至可视化方法都会影响到标注结果，为跳水样本的识别与分类带来干扰。弊端之二，是依赖人工的标注方法需要大量的人力成本和时间成本，且
无法批量化操作，影响样本标注效率。[0009]针对跳水点的预警，现在并无成熟方法投入使用。在试验过程中，由于没有实时监测机制，当跳水点出现之后，试验还是会继续进行，直到电池容量保持率到达预定失效阈值，才终止试验。电池充放电循环试验成本较高，且耗时较长，因此无法在跳水点即将出现或出现不久后及时终止试验，带来了较大的试验成本浪费，包括经济成本和时间成本。
发明内容
[0010]为了解决上述技术问题，本发明提出了一种锂电池容量跳水预警方法。
[0011]本发明的一种锂电池容量跳水预警方法包括：
[0012]获取经过数据预处理的锂电池充放电循环的包括起始点Q1和终止点Q2的锂电池退化曲线；
[0013]根据锂电池退化曲线的弯曲程度，确定锂电池退化曲线特征夹角；
[0014]将锂电池退化曲线特征夹角与特征夹角报警阈值和特征夹角跳水阈值进行比较；[0015]根据比较结果确定是否发生锂电池容量跳水；
[0016]在确定已经发生锂电池容量跳水时，触发锂电池容量跳水报警。
[0017]优选地，根据比较结果确定是否发生锂电池容量跳水包括：
[0018]当比较结果为锂电池退化曲线特征夹角大于特征夹角跳水阈值时，确定锂电池容量跳水，反之，则确定未发生锂电池容量跳水；
[0019]当比较结果为锂电池退化曲线特征夹角小于特征夹角跳水阈值且大于特征夹角报警阈值时，继续进行锂电池充放电循环，并在连续三次充放电循环的锂电池退化曲线特征夹角均大于特征夹角报警阈值时，确定锂电池容量跳水，反之，则确定未发生锂电池容量跳水。
[0020]优选地，根据锂电池退化曲线的弯曲程度，确定锂电池退化曲线特征夹角包括：[0021]连接锂电池退化曲线起始点Q1和终止点Q2，作割线；
[0022]将每个充放电循环处的真实容量保持率值与割线上的对应循环处容量保持率值作差，计算退化曲线与割线上每点的距离，将最大距离l max处对应的点定义为疑似跳水点D；[0023]连接Q1、Q2、D三点组成三角形，将线段Q1Q2与线段DQ2所夹锐角∠Q1Q2D 确锂电池退化曲线特征夹角α。
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