基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法及系统

摘要

一种基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法及系统，所述电池尤其是锂电池，所述方法包括以下步骤：A、获取所述电池的包含多个离散采样点数据的部分充放电测量数据曲线；B、确定所述部分充放电测量数据曲线相对预先设定的全局中心参考数据曲线的起始点；C、利用所述部分充放电测量数据曲线与预先设定的多条分档中心参考数据曲线，通过线性重建或最小二乘重建，确定近似曲线，并根据所述近似曲线以及所述部分充放电测量数据曲线相对预先设定的全局中心参考数据曲线的所述起始点，补齐除所述部分充放电测量数据曲线之外的剩余部分的充放电测量数据曲线，从而重建完整的充放电测量数据曲线。该方法利用部分充放电测量数据便可高精度地重建完整充放电数据曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及二次电池的生产和测试，特别是一种基于二次电池的部分充放电数据重建完整充放电数据的方法及系统。

背景技术

在二次电池如锂电池的生产和测试过程，如在分容和分档等阶段，需要对每个电芯做多次充放电测试以获取完成的充放电数据。如在一般的分容工艺中，锂电池先经过了化成和老化工艺，锂电芯中尚有部分电量，分容工艺首先要先对锂电芯做恒流恒压充电，将电芯荷电状态充满至100％，随后对电池进行恒流放电达截止电压，以获取完整的放电数据曲线，静置一段时间后进行恒流恒压充电直至100％荷电状态并获取完整的充电数据曲线。通常为达到出厂要求，又要对锂电芯进行一次部分放电直至荷电状态达到出厂要求。因此一般的分容工艺需要至少1.5个充放电循环，某些分容工艺甚至要求在不同的充放电电流下面的多个充放电循环。完整的充放电数据将用于电池充电容量估计、放电容量估计、恒流恒压比、分容或分档、DCIR内阻估计等。通常一个完整的充放电循环时间需要约两到三个小时左右，取决于锂电池生产工艺如静置时间长短等。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于二次电池的部分充放电数据重建完整充放电数据的方法及系统，利用部分充放电测量数据便可重建完整充放电数据曲线，缩短分容、分档等工艺的时间，提高生产效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法，所述电池尤其是锂电池，所述方法包括以下步骤：

A、获取所述电池的包含多个离散采样点数据的部分充放电测量数据曲线；

B、确定所述部分充放电测量数据曲线相对预先设定的全局中心参考数据曲线的起始点；

C、利用所述部分充放电测量数据曲线与预先设定的多条分档中心参考数据曲线，通过线性重建或最小二乘重建，确定近似曲线，并根据所述近似曲线以及所述部分充放电测量数据曲线相对预先设定的全局中心参考数据曲线的所述起始点，补齐除所述部分充放电测量数据曲线之外的剩余部分的充放电测量数据曲线，从而重建完整的充放电测量数据曲线。

进一步地，步骤A包括对所述部分充放电测量数据曲线进行预处理，所述预处理包括以下步骤：

A1、对所述多个离散采样点数据进行快速傅里叶(FFT)变换，将时域数据变换到频域；

A2、对频域数据进行加窗处理进行平滑滤波；

A3、对滤波后的频域数据进行补零插值，使其采样率与所述全局中心参考数据曲线及所述分档中心参考数据曲线的数据采样率一致；

A4、将经过所述平滑滤波和所述插值后的频域数据变换到时域。

进一步地，步骤B中，通过在预先设定的滑动窗口内寻找所述部分充放电测量数据曲线与所述全局中心参考数据曲线的差值的最小绝对值，来确定所述部分充放电测量数据曲线相对所述全局中心参考数据曲线的起始点。

进一步地，步骤B包括：

B1、以所述全局中心参考数据曲线上的设定点为起始点，对应于采样序号w，取设定长度的一段数据，与所述部分充放电测量数据曲线上的对应测量数据相减计算差值，将相减后的差值累加并计算累加值的绝对值，其中w初始化为1；

B2、将步骤B1中计算的累加值的绝对值与初始设定为极大数的差值最小值e_min比较，如果小于e_min，则将e_min作为步骤B1中计算的累加值的绝对值；

B3、更新所述起始点，将w加1，如果w大于所述滑动窗口的大小，并结束，否则返回步骤B1。

进一步地，步骤C包括以下步骤：

C11.将所述部分充放电测量数据曲线分别与所述多条分档中心参考数据曲线中的每一条进行匹配，确定与所述部分充放电测量数据曲线差值最小的分档中心参考数据曲线；

C12.用步骤C11确定的分档中心参考数据作为近似曲线，根据所述起始点，将所述近似曲线平移后补齐所述剩余部分的充放电测量数据曲线，重建完整的充放电测量数据曲线。

进一步地，步骤C包括以下步骤：

C21.用所述多条分档中心参考数据曲线去逼近所述部分充放电测量数据曲线，确定使逼近误差的平方和最小化的最优系数；

C22.根据所述最优系数，利用所述多条分档中心参考数据曲线建立近似曲线，将所述近似曲线平移后补齐所述剩余部分的充放电测量数据曲线，重建完整的充放电测量数据曲线。

进一步地，步骤C21中，

设所述多条分档中心参考数据曲线为L条曲线，设每条分档中心参考数据曲线有N个离散采样点数据，

包含N个离散采样点数据的部分充放电测量数据用向量为

第l分档中心参考数据曲线的M个完整充放电数据用向量为

r_l＝[r_l(1)>l(N-1)r_l(N)>l(M)]^T

L条分档参考数据组成的L×M的矩阵为

L条分档参考数据分别以p_std为起点，长度为N的数据组成的L×N的矩阵为

设待定系数向量为h＝[h(1) … h(L)]^T，用如下公式进行最小二乘逼近

最优的系数h求解为

确定最优系数后，利用L条分档中心参考数据曲线重建的逼近曲线为

进一步地，所述全局中心参考数据曲线和所述多条分档中心参考数据曲线根据电池的材料和生产工艺预先设定。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法。

一种基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的系统，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行所述的基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法。

本发明的有益效果：

为了缩短分容、内阻测试等工艺的时间，提高生产效率，本发明提供一种基于部分充放电数据重建完整充放电数据的方法。本发明的方法基于预先设定的参考数据曲线，只需利用部分充放电测量数据便可高精度的重建完整充放电数据曲线。本发明的方法应用于分容工艺时，只需将带部分电量的锂电芯充电至满荷电状态，随后部分放电达出厂要求，即可利用部分充电和部分放电的数据重建完整的充放电数据曲线，以完成后续的充放电容量估计和电池分档，省去了中间一次完整充放电的循环，缩短了50％以上的时间，大大提高了生产效率。

前述已经相当广泛地阐述了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解本发明的详细描述。本发明的其它特征和优势将在以下描述。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的原理图；

图2为根据本发明实施例的数据预处理流程图；

图3为根据本发明实施例的线性重建流程图；

图4为根据本发明实施例的分档中心参考曲线图；

图5为某电池的完整恒流放电曲线与利用该电池的部分放电曲线根据本发明中的重建方法重建的完整放电曲线之间的对比；

图6为电池的完整恒流放电曲线与利用部分恒流放电曲线根据本发明中的线性重建方法重建的完整恒流放电曲线之间的平方误差；

图7为电池的完整恒流放电曲线与利用部分恒流放电曲线根据本发明中的最小二乘重建方法重建的完整恒流放电曲线之间的平方误差；

图8为根据本发明实施例的系统，其中处理器配置为经由存储器存储的执行可执行指令来执行基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。本领域技术人员应该理解，披露的概念和具体实施例可以很容易地被使用作为基础用来修改或设计其它结构以完成本发明的相同目的。本领域技术人员也应该认识到，这种等同的构造并没有偏移本发明的精神和范围。被认为是本发明特点的新颖性特征，其结构和运作方法，以及进一步的目的和优点，从以下的描述并结合附图将被更好地理解。但是，应该深刻地认识到，提供的每个特征都仅是为了描述和说明，而不是意在限制本发明的定义。

参阅图1，在一种实施例中，一种基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法，所述电池尤其是锂电池，所述方法包括以下步骤：

步骤A、获取所述电池的包含多个离散采样点数据的部分充放电测量数据曲线；

步骤B、确定所述部分充放电测量数据曲线相对预先设定的全局中心参考数据曲线的起始点；

步骤C、利用所述部分充放电测量数据曲线与预先设定的多条分档中心参考数据曲线，通过线性重建或最小二乘重建，确定近似曲线，并根据所述近似曲线以及所述部分充放电测量数据曲线相对预先设定的全局中心参考数据曲线的所述起始点，补齐除所述部分充放电测量数据曲线之外的剩余部分的充放电测量数据曲线，从而重建完整的充放电测量数据曲线。

在各种实施例中，充放电测量数据曲线可以是但不限于恒流充电电压-时间曲线、恒流放电电压-时间曲线、恒压充电电流-时间曲线、恒流充电电流-时间曲线等。

参阅图1和图2，在优选实施例中，步骤A包括对所述部分充放电测量数据曲线进行预处理，所述预处理包括以下步骤：

步骤A1、对所述多个离散采样点数据进行快速傅里叶(FFT)变换，将时域数据变换到频域；

步骤A2、对频域数据进行加窗处理进行平滑滤波；

步骤A3、对滤波后的频域数据进行补零插值，使其采样率与所述全局中心参考数据曲线及所述分档中心参考数据曲线的数据采样率一致；

步骤A4、将经过所述平滑滤波和所述插值后的频域数据变换到时域。

在优选实施例中，步骤B中，通过在预先设定的滑动窗口内寻找所述部分充放电测量数据曲线与所述全局中心参考数据曲线的差值的最小绝对值，来确定所述部分充放电测量数据曲线相对所述全局中心参考数据曲线的起始点。

在进一步的优选实施例中，步骤B包括：

步骤B1、以所述全局中心参考数据曲线上的设定点为起始点，对应于采样序号w，取设定长度的一段数据，与所述部分充放电测量数据曲线上的对应测量数据相减计算差值，将相减后的差值累加并计算累加值的绝对值，其中w初始化为1；

步骤B2、将步骤B1中计算的累加值的绝对值与初始设定为极大数的差值最小值e_min比较，如果小于e_min，则将e_min作为步骤B1中计算的累加值的绝对值；

步骤B3、更新所述起始点，将w加1，如果w大于所述滑动窗口的大小，并结束，否则返回步骤B1。

在一种优选实施例中，步骤C包括以下步骤：

步骤C11.将所述部分充放电测量数据曲线分别与所述多条分档中心参考数据曲线中的每一条进行匹配，确定与所述部分充放电测量数据曲线差值最小的分档中心参考数据曲线；

步骤C12.用步骤C11确定的分档中心参考数据作为近似曲线，根据所述起始点，将所述近似曲线平移后补齐所述剩余部分的充放电测量数据曲线，重建完整的充放电测量数据曲线。

在另一种优选实施例中，步骤C包括以下步骤：

步骤C21.用所述多条分档中心参考数据曲线去逼近所述部分充放电测量数据曲线，确定使逼近误差的平方和最小化的最优系数；

步骤C22.根据所述最优系数，利用所述多条分档中心参考数据曲线建立近似曲线，将所述近似曲线平移后补齐所述剩余部分的充放电测量数据曲线，重建完整的充放电测量数据曲线。

在进一步的优选实施例中，步骤C21中，

设所述多条分档中心参考数据曲线为L条曲线，设每条分档中心参考数据曲线有N个离散采样点数据，

包含N个离散采样点数据的部分充放电测量数据用向量为

第l分档中心参考数据曲线的M个完整充放电数据用向量为

r_l＝[r_l(1)>l(N-1)r_l(N)>l(M)]^T

L条分档参考数据组成的L×M的矩阵为

L条分档参考数据分别以p_std为起点，长度为N的数据组成的L×N的矩阵为

设待定系数向量为h＝[h(1) … h(L)]^T，用如下公式进行最小二乘逼近

最优的系数h求解为

确定最优系数后，利用L条分档中心参考数据曲线重建的逼近曲线为

在优选实施例中，所述全局中心参考数据曲线和所述多条分档中心参考数据曲线根据电池的材料和生产工艺预先设定。

参阅图8，在另一种实施例中，一种计算机可读存储介质，如存储器，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据前述任一实施例所述的基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法。

参阅图8，在又一种实施例中，一种基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的系统，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行根据前述任一实施例所述的基于电池部分充放电数据重建完整充放电数据的方法。

为了缩短分容、分档等工艺的时间，提高生产效率，本发明的实施例提出了上述基于部分充放电数据重建完整充放电数据的方法与系统。本发明基于预先设定的参考数据曲线，只需利用部分充放电测量数据便可高精度的重建完整充放电数据曲线。该系统应用于分容工艺时，只需将带部分电量的锂电芯充电至100％荷电状态，随后部分放电达出厂要求，即可利用部分充电和部分放电的数据重建完整的充放电数据曲线，以完成后续的充放电容量估计和电池分档，省去了中间一次完整充放电的循环，缩短了50％以上的时间，大大提高了生产效率。

以下进一步详细描述本发明具体实施例的特征及其优势。

1、对部分充放电测量数据进行预处理

设部分充放电测量数据包含K个离散采样点{s_k}，k＝0，2，…K-1

1)对K个测量数据进行快速傅里叶(FFT)变换，将时域信号变换到频域

其中k为离散频点序号。

2)对频域信号进行加窗处理进行平滑滤波，如叠加升余弦(raised cosine)窗

升余弦窗的频谱，β为截止频率，T为幅度。

3)对滤波后的频域信号补零插值提高采样率，与参考数据采样率一致

4)对平滑滤波和插值后的频域数据转换到时域

2、对部分充放电循环测量数据的重建

部分充放电测量数据的重建需要基于几条预先设定的参考数据曲线，包括该型号锂电池的全局中心参考数据曲线和锂电池每个分档的分档中心参考数据曲线。这些参考数据曲线与锂电池的材料和前段生产工艺密切相关，在生产过程中根据材料和工艺预先设定。本领域技术人员将理解，根据电池的材料和工艺预先设定电池充放电参考数据曲线可以采用本领域的常规技术手段实现。

2.1估算部分充放电测量数据曲线相对参考数据曲线的起始点

由于锂电池充放电开始时荷电状态的细微差异，首先要确定测量数据相对于全局中心参考数据曲线的起始点。本发明提出在一段滑动窗口内寻找最小差值的方法计算测量曲线起始点。通过在滑动窗口内寻找测量数据曲线与全局中心参考数据曲线的差值的最小绝对值来确定测量曲线相对于参考曲线的起始点。具体方法如下：

步骤S1.在全局中心参考数据曲线以设定点为起始点，对应于采样序号w，取设定长度N的一段数据，与测量数据相减计算差值，将相减后的差值累加并计算累加值的绝对值。

步骤S2.将步骤S1中计算的累加值的绝对值与初始设定为极大数的差值最小值e_min比较，如果小于e_min，则将e_min作为步骤S1中计算的累加值的绝对值，并记录w。

步骤S3.将w加1，如果w大于滑动窗口的大小W，并结束，否则返回步骤S1。

参数说明：

w:对应于全局中心参考数据曲线用于与测量数据比较的数据段的起始点的采样序号，初始化为1；

N:测量数据采样点个数；

测量数据的第n个采样点；

r₀(n)：全局中心参考数据曲线的第n个采样点；

W:滑动窗口大小；

e_min：记录测量数据曲线与全局中心参考数据曲线的差值的最小绝对值，初始化为极大数；

p_std：记录最小差值起始点在全局中心参考数据曲线的采样点序号，初始化为0。

算法的伪代码如下：

2.2.重建完整测量数据曲线

1)线性重建

在一种实施例中，通过线性重建的方法来完成完整测量数据的重建。线性差分重建是利用部分充放电测量数据曲线分别与每个分档中心参考数据曲线做匹配，寻找差值最小的分档中心参考数据曲线作为测量数据的近似，以重建完整测量数据。

具体步骤如下：

步骤1.将部分充放电测量数据曲线分别与每个分档中心参考数据曲线做匹配，寻找与部分充放电测量数据差值最小的分档中心参考数据曲线；

步骤2.用选取的分档中心参考数据作为近似曲线，将近似曲线平移后补齐测量数据曲线剩余部分，以重建完整的测量数据曲线。

参数说明：

L:电池分档数目；

p:指向与部分充放电测量数据曲线差值的和最小的分档中心参考数据，p初始化为极大值；

D_min:记录部分充放电测量数据曲线与分档中心参考数据曲线的最小差值的和，D_min初始化为极大值。

算法伪代码如下：

重建后的完整测量数据可表示为

其中为采用线性重建法重建后的完整数据曲线的第m个采样点，为部分充放电测量数据的第m个采样点，r_p(m)为与部分充放电测量数据曲线差值的和最小的分档中心参考数据的第m个采样点。

2).最小二乘重建

在另一种实施例中，通过最小二乘重建方法来完成完整测量数据的重建。最小二乘重建是利用已有的分档中心参考数据作为基底，以最小二乘的准则重建测量数据的曲线。

最小二乘重建用L条分档中心参考数据曲线去逼近获取到的部分充放电测量数据，通过最小化与部分充放电测量数据的逼近误差的平方和来确定最优系数。确定最优系数后，利用L条分档中心参考数据曲线重建逼近曲线，将逼近曲线平移后补齐测量数据曲线剩余部分以重建完整测量数据曲线。

具体步骤如下：

设包含N个采样点的部分充放电测量数据用向量表示为

设第l分档中心参考数据曲线的M个完整充放电数据用向量表示为

r_l＝[r_l(1)>l(N-1)r_l(N)>l(M)]^T

L条分档参考数据组成的L×M的矩阵可表示为

L条分档参考数据分别以p_std为起点，长度为N的数据组成的L×N的矩阵可表示为

设待定系数向量为h＝[h(1) … h(L)]^T，最小二乘逼近的数学表达式如下

最优的系数h可求解为

确定最优系数后，利用L条分档中心参考数据曲线重建的逼近曲线可表示为

将逼近曲线平移后补齐测量数据曲线剩余部分以重建完整测量数据曲线，重建后的完整测量数据可表示为

其中为采用最小二乘重建法重建后的完整数据曲线的第m个采样点，为部分充放电测量数据的第m个采样点，为最小二乘法建立的逼近曲线的第m个采样点。

测试结果

1200只电池样本采用同规格锂电芯，电池分5档，各个分档中心参考曲线如图4所示。

化成分容设备采用负压化成针床和5V-300A电源柜，在规定时间内以60A电流进行恒流放电，测量完整的恒流放电电压曲线。利用1200只电池的前半部分放电曲线，使用本发明的方法进行曲线重建，将重建结果与测量曲线结果比较，计算重建的估计误差，并利用重建后的曲线进行分档。

从结果看，本发明中的重建方法利用部分放电数据精确的重建了完整放电数据，采用复杂度更高的最小二乘重建法时，均方误差达到5.6E-7，无电池被错误分档。相对普通分档工艺，整个分档周期缩短了50％以上，大大提高了生产效率，具有极高的实用价值。

表1均方误差和错误分拣率

均方误差错误分拣率线性重建法1.4E-40.2％最小二重建法5.6E-70％

本领域技术人员将理解，结合本披露所述的各种说明性逻辑块、模组、电路和算法步骤可以被实施为电子硬件、计算机软件或两者组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，以上已经在其功能方面一般地描述了各种说明性组件、模块、模组、电路和步骤。这种功能是由硬件还是软件实施，取决于施加在整个系统上的特定应用和设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同方式实施所述功能，但是这种实施决策不应被解释为偏离本发明的范围。本领域技术人员还将容易地认识到，此处所述的部件、方法或相互作用的顺序或组合仅仅是示例，本披露的各个方面的部件、方法或相互作用可以以不同于本发明所述的那些方式进行组合或实施。

功能块和模组可以包括处理器、电子设备、硬件设备、电子组件、逻辑电路、存储器、软件代码、固件代码等，或其任意组合。与前述相一致，可以使用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或其它可编程逻辑设备、独立门或晶体管逻辑、独立硬件组件或其任意组合来实现或执行结合本披露所述的各种说明性逻辑块、模组和电路以用于执行本发明所述的功能。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实施为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器、或任何其它此类配置。

结合本披露所述方法或算法的步骤可以直接以硬件、由处理器执行的软件模块、或两者组合的方式体现。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其它格式的存储介质中。存储介质被连接到处理器，使得处理器能够从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。在替代方案中，存储介质可以被集成到处理器。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端、基站、传感器或任何其它通信设备中。在替代方案中，处理器和存储介质可以作为独立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性设计中，所述功能可以以硬件、软件、固件或其任何组合中来实施。如果以软件方式实施，所述功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或在计算机可读介质上传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其包括有助于将计算机程序从一个地方传送到另一个地方的任何介质。计算机可读存储介质可以是能够由通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁存储设备、或可用于以指令或数据结构格式承载或存储期望程序代码装置的任何其它介质，其可以由通用或专用计算机或通用或专用处理器访问。此外，连接可以被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线或数字用户线(DSL)从网站、服务器或其它远程源传输软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线或DSL被包含在介质的定义中。本发明使用的磁盘和光盘包括光盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用光盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。以上组合也应该被包含在计算机可读介质的范围内。

尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的实施例精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。