基于灰色关联度分析法的锂电池多因素综合性能研究_葛露娟.pdf

基于灰色关联度分析法的锂电池多因素综合性能研究葛露娟,吴永乐(新疆财经大学,新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 1 2)摘 要:动力锂电池是电力储能系统和电动汽车的主要构件,为了满足电压、容量、功率等各方面的要求,通常在使用时需要串并联组合。如何客观、准确地评价单体电池的性能,已经成为目前电池筛选配组和成组应用研究领域的重点和难点。以大容量的动力锂电池为评估对象,选取灰色关联度模型、德尔菲法这两种方法各自优点来构建动力锂电池综合性能模型,并基于3种不同的归一化处理方法,分别计算出锂电池横向和纵向综合性能的评价结果,评估了这几种综合算法的优劣性。关键词:锂离子电池;综合性能;经济性能中图分类号:TM 9 1 2 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 0 8S t u d yo nM u l t i-f a c t o rC o m p r e h e n s i v eP e r f o r m a n c eo fL i t h i u mB a t t e r yB a s e do nG r e yC o r r e l a t i o nA n a l y s i sG EL u j u a n,WUY o n g l e(X i n j i a n gU n i v e r s i t yo fF i n a n c e&E c o n o m i c s,U r u m q i 8 3 0 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:P o w e r l i t h i u mb a t t e r y i s t h em a i nc o m p o n e n to f e l e c t r i ce n e r g ys t o r a g es y s t e ma n de l e c t r i cv e h i c l e.I no r d e r t om e e t t h er e q u i r e m e n t s o f v o l t a g e,c a p a c i t y,p o w e r a n do t h e r a s p e c t s,s e r i e s a n dp a r a l l e l c o m b i n a t i o n s a r eu s u a l l y r e q u i r e dd u r i n gu s e.H o wt oo b j e c t i v e l ya n da c c u r a t e l ye v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo f s i n g l eb a t t e r i e sh a sb e c o m e t h e f o c u sa n dd i f f i-c u l t y i n t h e f i e l do f b a t t e r ys c r e e n i n ga n dg r o u p i n ga p p l i c a t i o n r e s e a r c h.T a k i n g t h e l a r g e-c a p a c i t yp o w e r l i t h i u mb a t t e r ya st h ee v a l u a t i o no b j e c t,t h eg r a yc o r r e l a t i o nm o d e l a n d t h eD e l p h im e t h o da r eu s e d t oc o n s t r u c t t h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m-a n c em o d e l o f t h ep o w e r l i t h i u mb a t t e r y.B a s e do n t h r e ed i f f e r e n t n o r m a l i z a t i o np r o c e s s i n gm e t h o d s,t h e e v a l u a t i o n r e s u l t so f t h eh o r i z o n t a l a n dv e r t i c a l c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo f l i t h i u mb a t t e r i e s a r e c a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y,a n d t h ea d v a n t a-g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s ec o m p r e h e n s i v ea l g o r i t h m m e t h o d sa r ee v a l u a t e d.K e yw o r d s:l i t h i u mb a t t e r y;c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e;e c o n o m i cp e r f o r m a n c e收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 80引言电池组健康状态(S OH)是电池管理系统中最重要的参数之一,对于电池的S OH,目前公认的定义是电池在使用的 任 何 时 间 点 的 最 大 可 用 容 量 与 其 额 定 容 量 的 比率1。这种定义法可作为电池在其使用寿命周期内的健康指示。此方法对于单体电池的S OH评估来说,操作简单且精度较高,可以实现在线测试;但是,对于车载电池组S OH评估并不合适,这是因为反复深度充放电会导致电池组性能在一致性程度上出现较大差异。只有准确掌握锂电池的健康状态,才能确保电池系统的设计、操作、运行的安全性和可靠性,才能科学指导维护和更换的计划2,因此如何及时、准确地对电池组的S OH进行估计具有非常重要的实际意义。譬如,一个体检者去医院做全面检查,并不能仅依靠各种医疗设备测量出的数据和标准值进行简单的比较,便得出了这个体检者的身体健康状态。这样的分析方法是极为不负责、不靠谱的,权威医生专家在对体检者身体健康状态的评判中起着不可替代的作用,有经验的权威医生的意见对整个结果正确性有很大的影响。因此,对于电池组S OH的评判和预测,绝不能只测量锂电池的重要参数(如电容、电压、温度等),仅用这些参数与初始值进行简单比对,便得出锂电池当前的健康状态,这是不准确的。到目前为止,S OH的定义仍然没有精确的统一的意见,锂电池一致性监测的方法在文献研究中也仍缺乏清楚的描述。本文提出一种新方法,将灰色关联度法和德尔菲法取长补短、相互结合,建立一种新的评价模型,为电池性能评价提供一种多指标的综合评价方法,为电池的性能评价、筛选配组提供可靠的评价方法。1锂电池综合性能模型的建立1.1灰色关联度法灰色系统理论(G r e yS y s t e m T h e o r y)最早由华中理工大学邓 聚 龙 教 授 于1 9 8 2年 提 出。所 谓 的“灰 色”或“灰度”是指对系统的理解状态:若是完全未知的(缺乏52新能源系统与设备 电工技术 信息),则是“黑色的”,反之亦然3。它的基本原理是:若干个统计数列所构成的各条曲线几何形状越接近,即越平行,它们的变化趋势越接近,其关联度就越大4。它回答的问题是:包含多因素的系统中,哪些因素是主要的,哪些因素是次要的;哪些因素影响大,哪些因素影响小;哪些因素是明显的,哪些因素是潜在的。如果系统具有足够的信息,那么评估这种已知的状态,可以用一组影响因子来表征系统,在这个系统中每个影响因子与其相关的信息具有一定程度的不确定性。在灰色关联等级分析法(G R G A)中,通过参考G R G A中的最优序列来计算这些因子的灰色关联等级(G R G),从而评估系统中这些因素(如序列中表示)之间的相似性或不相似性的演变趋势5-6。为了更加容易地比较序列中的数据,期望在G R G A之前将表示每个因子的参数进行归一化无量纲处理。常使用的归一化方法有初始化法、均衡法、间隔相关法。如果所有的比较序列(C S S)表示为矩阵:x*=x*i(k)=x*1(k)x*2(k)x*m(k)=x*1(1)x*1(2)x*1(n)x*2(1)x*2(2)x*2(n)x*m(1)x*m(2)x*m(n)(1)式中,m为C S i的比较实验或实例的数量;n为影响因子或S O F的数量。对于 实 验 室 中 的 典 型 电 池 测 试,参 考 性 能 测 试(R P T)应在循环寿命评估期间间歇执行。在每个R P T中确定的这些因素的参数应构成与C S的比较实验。为了说明,在该工作中使用在循环老化实验中使用的8个商业L I B电池的一系列实验作为实例。矩阵X*被称为“原始连接矩阵”。下面列出对X*进行3种不同归一化处理的公式。(1)初始化方法是将所有C S S标准化为x(k):xi n ii=x*i(k)x*1(k)(2)(2)均衡方法是针对来自所有C S的平均序列对每个C S进行归一化:xe qi=x*i(k)1mmi=1x*i(k)(3)(3)间隔相关方法根据:xi ri(k)=x*i(k)=m i nx*i(k)m a xx*i(k)-m i nx*i(k)(4)执行G R G A的第一步是建立R S(x0)和C S(xi)。x0的一般表达式为:x0(k)=x0(1),x0(2),x0(n),其中k=1,2,3,n。xi的一般表达式为:xi(k)=xi(1),xi(2),xi(n),其中k=1,2,3,n。1.2德尔菲法D e l p h i方法(DM)又称为“专家评估方法”或“专家评分方法”,是在2 0世纪4 0年代由欧赫尔姆和牛达尔克首创,经过T.J.戈尔登和兰德公司进一步发展而成的。德尔菲法采用通信方式分别将所需解决的问题单独发送到各个专家手中,征询意见,然后回收、汇总全部专家的意见,并整理出综合意见,随后将该综合意见和预测问题再分别反馈给专家,再次征询意见,各专家依据综合意见修改自己原有的意见,然后再汇总。这样多次反复,逐步取得比较一致的预测结果。德尔菲法根据系统的程序,采用匿名发表意见的方式,即专家之间不得互相讨论,不发生横向联系,只能与调查人员发生关系,通过多轮次调查专家对问卷所提问题的看法,经过反复征询、归纳、修改,最后汇总成专家基本一致的看法,作为预测的结果。这种方法具有广泛的代表性,较为可靠,适用于管理复杂系统、因果关系难以量化而制定战略的情况。通过收集、熟悉本领域专家的策略,制定所有影响因素的权重,整合他们的意见,提供反馈,修改权重,以及重复该咨询过程,直到每个专家都达成统一、满意的观点。在这里,使用的德尔菲法程序如图1所示。图1德尔菲法原理流程图1.3基于电池S O H估计的灰色关联度和德尔菲法模型开基于灰色关联分析和德尔菲法模型表示为:R=EWT(5)式中,R为合成结果的评估向量;W为加权向量;E为判断矩阵。假设有m个评估实例和n个影响因素,R表 示 为(r1-0,r2-0,rm-0)T,W表示(1,2,n)。判断矩阵E则是 mn的矩阵:E=1-0(1)n-0(1)1-0(m)n-0(m)(6)式中,i-0(k)为第i个评估样本中第k个因子的G R G C。1.4由德尔菲法确定影响因素的权重专家评估了6个(n=6)影响因素的权重。专家组62电工技术 新能源系统与设备 成员中3个来自BM S公司、2个来自电池测试实验室、2个来自电池制造公司、1个来自电动汽车公司、2个来自大学 的 研 究 实 验 室。该 小 组 成 员 就 电 池 的 健 康 状 态(S OH)问题提供自己独到的见解