基于主成分分析的鋰離子電池配組方法

章博　吳晶　趙生薇　嚴(yán)家豪　張朝龍

摘要：對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池進(jìn)行有效的配組，可以提升電池組的循環(huán)壽命。本文提出了一種基于主成分分析的動(dòng)力電池配組方法，利用主成分分析算法計(jì)算出每一個(gè)動(dòng)力電池參數(shù)變量的權(quán)值，將每一個(gè)參數(shù)變量的權(quán)值與該變量下電池所在檔次的評(píng)估分相乘，得到每個(gè)單體電池的加權(quán)評(píng)估分。最后，按照加權(quán)評(píng)估分和電池類別進(jìn)行近分篩選和配組。實(shí)測(cè)表明，相比隨機(jī)配組方法，本文提出的方法可以有效地提升動(dòng)力電池組的循環(huán)壽命。

關(guān)鍵詞：主成分分析;鋰離子電池;配組;加權(quán)評(píng)估分

中圖分類號(hào)： TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）03-0232-02

Abstract： The cycle life of the battery pack can be improved by the effective grouping method of the power battery of the new energy vehicle. A grouping method of lithium-ion battery based on principal component analysis is proposed in the paper. Principal component analysis is used to calculate each battery parameter variables weights. Every batterys weighted assessment score is generated by multiplication of each parameter variable weight and batterys grade assessment score. Finally， batteries with similar scores are screening and grouping by using weighted assessment scores and battery classes. The experimental result shows that the proposed method can effectively improve the cycle life of the power battery pack compared with the random grouping method.

Key words：Principal component analysis; Lithium-ion battery; Grouping; Weighted assessment score

近年來，隨著國家加大對(duì)新能源汽車的補(bǔ)貼，新能源汽車行業(yè)得到了快速的發(fā)展[1]，與新能源汽車相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)也在不斷進(jìn)步。鋰離子電池是新能源汽車的動(dòng)力來源[2]，它的技術(shù)突破意味著新能源汽車的發(fā)展。在鋰離子電池的實(shí)際使用中，為了達(dá)到汽車長(zhǎng)續(xù)航里程、高速度的要求，經(jīng)常將成百上千節(jié)單體電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組裝成電池組，但由于生產(chǎn)工藝、設(shè)備以及制造環(huán)境等因素導(dǎo)致了即使是同一批次生產(chǎn)的電池也存在差異性。因此為了在長(zhǎng)續(xù)航里程、高速度的要求下保證電池組的安全性、可靠性以及保障動(dòng)力電池組的循環(huán)壽命，需要對(duì)單體電池進(jìn)行有效的配組。

理想的配組是動(dòng)力電池所有的參數(shù)都一致，但這種配組方法實(shí)際上并不可行。現(xiàn)有配組技術(shù)大多是簡(jiǎn)化配組要求，在維持低成本的前提下滿足基本使用需求[3-6]。最簡(jiǎn)單的配組方法為早期的單參數(shù)配組方法[3]，僅考慮單個(gè)參數(shù)如額定容量、開路電壓、放電倍率等，雖簡(jiǎn)單但電池組循環(huán)壽命低、一致性差。隨后提出的多參數(shù)配組、多參數(shù)數(shù)據(jù)擬合[4]等方法，在一定程度上提高了動(dòng)力電池的實(shí)用性，但還有提升的空間。目前隨著網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了電池配組與大數(shù)據(jù)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的配組方法[5， 6]，但都存在著考慮電池參數(shù)不夠細(xì)致，以及未考量每個(gè)參數(shù)對(duì)動(dòng)力電池的影響能力等缺點(diǎn)。

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）算法通過線性變換將原始數(shù)據(jù)變換為一組各維度線性無關(guān)的表示[7]，可用于提取數(shù)據(jù)的主要特征分量。本文提出了一種鋰離子動(dòng)力電池的配組方法，其特點(diǎn)在于利用主成分分析算法對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行深入分析，得到每個(gè)參數(shù)對(duì)動(dòng)力電池的加權(quán)評(píng)估分，即影響能力。利用加權(quán)評(píng)估分和電池類別對(duì)電池進(jìn)行篩選和配組，保證了單體電池初始參數(shù)接近和工作電流分配的均勻，從而可以提高電池組的一致性和循環(huán)壽命。

1 鋰離子動(dòng)力電池及各個(gè)參數(shù)介紹

本文中涉及鋰離子動(dòng)力電池的參數(shù)[8]在此介紹：

（1）放電容量：是指在規(guī)定條件下測(cè)得的動(dòng)力電池輸出的容量值，單位通常用安時(shí)（A·h）或毫安時(shí)（mA·h）來表示。

（2）開路電壓：電源外部不接任何負(fù)載或電源，測(cè)量得到的動(dòng)力電池正負(fù)極之間的電位差。

（3）歐姆內(nèi)阻：由電極材料、電解液、隔膜電阻、多個(gè)零件的接觸電阻組成。

（4）極化電阻、極化電容：是指由于電化學(xué)極化引起的阻抗，極化電容為電化學(xué)極化阻抗周圍產(chǎn)生的電容。

（5）濃差電阻、濃差電容：是指由于濃差極化而引起的阻抗，濃差電容為濃差極化阻抗周圍產(chǎn)生的電容。

2 基于主成分分析的配組方法

PCA算法是一種數(shù)據(jù)分析方法，通過線性變換將原始數(shù)據(jù)變換為一組各維度線性無關(guān)的表示，可用于提取數(shù)據(jù)的主要特征分量，常用于高維數(shù)據(jù)的降維。本文中采用PCA算法分析動(dòng)力電池關(guān)鍵參數(shù)，獲得參數(shù)對(duì)動(dòng)力電池的影響能力，基于PCA算法的配組方法為可簡(jiǎn)述如下。

3 實(shí)驗(yàn)過程

設(shè)定從30節(jié)額定容量為2400mAh的18650鋰離子動(dòng)力電池中挑選出6節(jié)電池進(jìn)行串聯(lián)配組，實(shí)驗(yàn)步驟如下。

步驟（1）：對(duì)單體電池進(jìn)行編號(hào)01～30，采用充放電設(shè)備以1800mA的放電電流對(duì)單體電池放電三次后記錄下平均放電容量，得到每個(gè)單體電池的放電容量后做預(yù)分類操作分為四類，第一類2448mAh～2496mAh，第二類2400mAh～2448mAh，第三類2352mAh～2400mAh，第四類2304mAh～2352mAh。

步驟（2）：將單體電池?cái)R置10分鐘，測(cè)量電池的開路電壓。

步驟（3）：對(duì)電池進(jìn)行HPPC測(cè)試：放電電流的數(shù)值為步驟（1）中得到的實(shí)際放電容量，放電10次，每次放電6分鐘，且每次放電結(jié)束到下一次開始放電擱置1小時(shí)，由得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出同類單體電池中每個(gè)單體電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、極化電容，濃差內(nèi)阻、濃差電容。

步驟（4）：將放電容量、開路電壓的數(shù)據(jù)按照從高到低排序，將歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、極化電容、濃差內(nèi)阻、濃差電容數(shù)據(jù)由低到高排列，之后分為十級(jí)，第一級(jí)評(píng)估分為100分，第二級(jí)評(píng)估分為90分，第三級(jí)評(píng)估分為80分，第四級(jí)評(píng)估分為70分，第五級(jí)評(píng)估分為60分，第六級(jí)評(píng)估分為50分，第七級(jí)評(píng)估分為40分，第八級(jí)評(píng)估分為30分，第九級(jí)評(píng)估分為20分，第十級(jí)評(píng)估分為10分。

步驟（5）：采用主成分分析處理數(shù)據(jù)，得到放電容量、開路電壓、歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、極化電容、濃差內(nèi)阻、濃差電容分別對(duì)應(yīng)的權(quán)值為0.9、0.012、0.015、0.011、0.009、0.009、0.044。

步驟（6）：對(duì)每一個(gè)單體電池進(jìn)行評(píng)估，得到編號(hào)01～30單體電池的加權(quán)評(píng)估分分別為：75.49、50.26、43.04、76.12、85.27、77.79、77.56、88.58、33.16、57.76、42.75、42.02、51.87、50.25、60.86、58.1、77.8、69.44、95.22、70.14、84.39、31.54、77.04、40.96、68.52、22.87、93.59、49.08、95.35、25.29，表1為測(cè)得的30節(jié)單體電池的變量數(shù)據(jù)，由于篇幅，僅給出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

將隨機(jī)配組方法與本文方法進(jìn)行電池組循環(huán)壽命對(duì)比，本文將加權(quán)評(píng)估分根據(jù)從高到低排序，取出同類電池配組，選出的單體電池編號(hào)為02、03、12、13、14、28，隨機(jī)配組中選出電池的編號(hào)為09、11、15、20、23、30。6節(jié)鋰電池串聯(lián)成組后進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用圖1所示的新威電池組測(cè)試裝置，充放電電流為2400mA，溫度控制在25℃，圖2為實(shí)驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果，在本文的方法中，電池組容量降至70%時(shí)，經(jīng)歷了977次循環(huán)充放電，而隨機(jī)配組方法電池組容量降至70%時(shí)，經(jīng)歷了731次循環(huán)充放電?？梢钥闯?，利用本文的配組方法在電池成組后電池組的循環(huán)壽命得到了明顯的提高。

4 結(jié)論

本文提出了基于PCA的動(dòng)力電池配組方法，以加權(quán)評(píng)估分和類別進(jìn)行近分篩選和配組，經(jīng)實(shí)測(cè)表明，本文提出的方法，可以有效地延長(zhǎng)動(dòng)力電池組的循環(huán)壽命，從而增強(qiáng)新能源汽車的可靠性和安全性。

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【通聯(lián)編輯：梁書】