基于性能退化數(shù)據(jù)的鋰離子電池貯存可靠性評(píng)估方法

黃 燕, 宋保維, 謝亞麗

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基于性能退化數(shù)據(jù)的鋰離子電池貯存可靠性評(píng)估方法

黃 燕, 宋保維, 謝亞麗

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

大功率鋰離子二次電池在貯存過(guò)程中通常出現(xiàn)失效數(shù)較少但性能退化較普遍的現(xiàn)象, 而且測(cè)量所得的電池?cái)?shù)據(jù)不確定和不完整。為評(píng)估電池貯存可靠度, 該文提出了一種根據(jù)正常電池?cái)?shù)據(jù)建立模糊隸屬函數(shù)處理不完整數(shù)據(jù)的方法, 通過(guò)該方法得到電池的貯存可靠度。通過(guò)多組數(shù)據(jù)計(jì)算, 證明了該方法的有效性和實(shí)用性。

大功率鋰離子二次電池; 貯存可靠度; 模糊隸屬函數(shù); 可靠性評(píng)估

0 引言

鋰離子蓄電池是20世紀(jì)90年代問(wèn)世的一種新型蓄電池, 該電池以其比能量高、工作電壓高、循環(huán)周期長(zhǎng)、放電時(shí)間長(zhǎng)、充電時(shí)間短、擱置時(shí)間長(zhǎng)和使用環(huán)境惡劣等優(yōu)點(diǎn)贏得了電源動(dòng)力工作者的青睞。進(jìn)入21世紀(jì)后, 各國(guó)都致力于將這種電池用于軍事領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi), 大功率鋰離子二次電池是近3、4年才開(kāi)始運(yùn)用的新產(chǎn)品, 對(duì)于這項(xiàng)新技術(shù)的許多特性還在不斷的總結(jié)與摸索之中。

由于自放電現(xiàn)象的存在, 在一段時(shí)間的貯存后, 電池電壓顯著降低, 荷電量減少。由于制造質(zhì)量等原因, 一些單體電池電壓下降尤為嚴(yán)重, 明顯低于電池組中的其他電池。如果在貯存過(guò)程中發(fā)現(xiàn)少量電池電量下降, 可通過(guò)維護(hù)來(lái)恢復(fù), 而一旦在擱置過(guò)程中出現(xiàn)這種情況, 則會(huì)因?yàn)殡姵厥褂们皼](méi)有維護(hù)或補(bǔ)充充電過(guò)程而導(dǎo)致任務(wù)不可靠。按常規(guī)可靠性概念, 需在電池發(fā)生失效時(shí)才計(jì)為可靠性計(jì)算數(shù)據(jù), 而出現(xiàn)電量下降的電池并沒(méi)有失效, 卻確實(shí)影響著任務(wù), 這顯然不符合真實(shí)情況。鋰離子二次電池隨著貯存時(shí)間加長(zhǎng)、質(zhì)量差異、循環(huán)使用次數(shù)增多、濫用情況的發(fā)生等因素會(huì)導(dǎo)致其荷電性能下降, 使對(duì)鋰離子二次電池貯存可靠性的研究更加復(fù)雜。怎樣評(píng)估鋰離子二次電池的貯存可靠度是本文研究的主要問(wèn)題。

近幾十年來(lái), 很多工程技術(shù)人員和統(tǒng)計(jì)學(xué)者試圖通過(guò)產(chǎn)品性能退化數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析, 并在理論研究和工程應(yīng)用上取得了初步成功[1-3]?；谛阅芡嘶瘮?shù)據(jù)的可靠性分析理論研究已逐步成為可靠性研究的新方向。性能退化分析相對(duì)于傳統(tǒng)的可靠性分析, 對(duì)信息的利用更加全面, 避免了數(shù)據(jù)的損失, 在一定程度上提高了分析精度。本文主要針對(duì)氧化鈷鋰鋰離子二次電池在貯存過(guò)程中較常見(jiàn)的貯存后荷電性能退化的問(wèn)題展開(kāi)分析研究, 運(yùn)用性能退化理論和模糊理論研究電池的貯存可靠性。

1 鋰二次電池在使用、貯存中存在的問(wèn)題

研究的氧化鈷鋰鋰離子二次電池是以某種材料為負(fù)極、以氧化鈷鋰為正極的電池, 化學(xué)反應(yīng)式為

電池中的鋰離子由正極供給, 所以正極材料中的鋰離子決定著電池的容量, 材料的結(jié)構(gòu)決定電導(dǎo)率、放電速率和性能。負(fù)極能嵌入多少鋰離子也決定了電池的容量, 儲(chǔ)鋰能量越高, 電池的能量越大。

對(duì)鋰離子二次電池出現(xiàn)荷電能力降低的情況, 定義: 二次電池在規(guī)定的貯存時(shí)間段內(nèi), 正常工作條件下的放電量應(yīng)大于等于規(guī)定的電量, 否則為性能發(fā)生了退化。

為了保證用電設(shè)備能正常工作, 需要準(zhǔn)確和可靠地檢測(cè)電池的荷電狀態(tài)(即剩余電量), 但要準(zhǔn)確量化電池的退化情況是較困難的, 有如下原因。

1) 電池性能退化與電池內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)有關(guān), 從微觀的角度是無(wú)法進(jìn)行荷電狀態(tài)的工程量化的。

2) 在某一狀態(tài)下, 電池中還有多少剩余電量是與放電電流、電壓、溫度和充放電歷史相關(guān)的[4], 無(wú)法用一個(gè)明確的方程式表示。

3) 在整組電池中出現(xiàn)了性能發(fā)生退化的單體電池時(shí), 由于單體電池間存在互充電現(xiàn)象, 已發(fā)生性能退化的電池往往在檢測(cè)時(shí)顯示虛假的高電壓值, 因此, 通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)量難以判斷單體電池的性能是否退化, 退化了多少。

確認(rèn)二次電池發(fā)生退化的方法為: 將整組電池恒流放電, 過(guò)程中不斷采集每只單體電池的電壓數(shù)據(jù), 當(dāng)某只單體電池的電壓漸漸低于其他電池, 并在某一時(shí)刻電壓迅速下降至極限電壓min以下, 則可確定該單體電池發(fā)生了性能退化。通常二次電池的電壓一旦低于極限電壓, 電池就會(huì)發(fā)生失效, (鋰二次電池在失效前屬可修產(chǎn)品, 經(jīng)維護(hù)后退化電池可趨于正常。)顯然, 使用這種方法會(huì)造成電池的失效, 為了找出發(fā)生退化的電池而將其損失掉是得不償失的。

在工程實(shí)際中, 倉(cāng)庫(kù)貯存條件下對(duì)電池進(jìn)行定期維護(hù)時(shí), 一般對(duì)電池組反復(fù)進(jìn)行放電—充電。由于每只單體電池的充放上、下限電壓等性能指標(biāo)不一致, 無(wú)法預(yù)先設(shè)定準(zhǔn)確的充放電上、下極限電壓。為避免損失, 一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定一個(gè)值截止作為放電截止值, 該值大于極限電壓min, 只要整組電池中有一只單體電池的電壓下降到截止電壓時(shí)即停止放電, 該過(guò)程基本杜絕了電池失效。在充、放電的同時(shí)進(jìn)行電壓值的檢測(cè)和記錄。通過(guò)這樣的檢測(cè)可以得到大量電池放電數(shù)據(jù)。但要注意, 這樣得到的數(shù)據(jù)是不完整的, 因?yàn)楫?dāng)某單體電池到達(dá)截止電壓時(shí), 可能還有很多退化程度稍低的電池未顯露出來(lái)。

在電池實(shí)際使用時(shí), 由于電池管理(監(jiān)控)設(shè)備較龐大而不可能隨使用設(shè)備攜帶, 如: 電動(dòng)汽車(chē)、水下航行器等不可能對(duì)單體電池進(jìn)行監(jiān)控, 無(wú)法對(duì)其實(shí)施自動(dòng)斷電保護(hù), 所以個(gè)別性能退化嚴(yán)重的單體電池可能會(huì)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中因過(guò)放而失效。

在工程實(shí)際中還存在以下一些不確定問(wèn)題。

1) 在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電池生產(chǎn)水平下, 單體電池質(zhì)量一致性較差, 在隨機(jī)抽取單體電池組成電池組時(shí), 有些電池組中可能存在多只性能較差的電池, 有可能在維護(hù)放電剛開(kāi)始即有一只特差的電池到達(dá)了截止電壓, 使放電中止, 于是整組電池中可能還有多只問(wèn)題電池未暴露; 從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來(lái)看, 根本無(wú)法了解在一組電池中到底存在多少只已退化單體電池。

2) 由于制造原因, 單體電池的初始電量和放電極限電壓不確定, 導(dǎo)致正常電池組的放電數(shù)據(jù)差異較大, 不能確定電池組標(biāo)準(zhǔn)的充放電時(shí)間, 只能憑人工經(jīng)驗(yàn)在充放電時(shí)具體確定。

3) 放電時(shí)電流與放電系統(tǒng)阻值和溫升有關(guān), 不可能準(zhǔn)確地恒流, 用放電時(shí)間長(zhǎng)度表征放電量亦帶有不確定性。

4) 進(jìn)行電池組設(shè)計(jì)時(shí), 一般會(huì)留有幾只單體電池的余量。例如, 允許有2.5%的電池徹底失效, 其余為滿電, 才可保證完成任務(wù)。似乎該條件可作為電池組完成任務(wù)能力的判據(jù), 但實(shí)際情況是, 經(jīng)貯存后, 同組電池中單體電池徹底失效的情況極少, 而全體單體電池電壓均有下降, 且各不相同, 使得電池可靠度判定存在不確定性。

2 電池放電數(shù)據(jù)的模糊處理

對(duì)于上述不確定問(wèn)題, 工程實(shí)際中通常運(yùn)用模糊理論進(jìn)行處理[5]。一般采用模糊隸屬度對(duì)鋰二次電池荷電性能的退化程度進(jìn)行量化, 主要思路如下。

1) 先總結(jié)正常電池組的放電數(shù)據(jù)規(guī)律, 得到正常電池組的荷電模糊特征函數(shù)。

2) 將需要判斷的電池組數(shù)據(jù)帶入進(jìn)行計(jì)算(包括放電過(guò)程中中止放電, 或是狀態(tài)不明確的), 得每組電池對(duì)正常電池特征的模糊隸屬度。

3) 將各種隸屬度綜合得到電池組對(duì)于正常電池狀態(tài)的隸屬函數(shù)。

以下函數(shù)是通過(guò)對(duì)1萬(wàn)多只單體電池滿電貯存3個(gè)月后, 在規(guī)定放電條件下的正常電池檢測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)得到的模糊特征函數(shù)。

其圖形見(jiàn)圖1, 帶入電池組數(shù)據(jù)即可得模糊特征值。

其圖形見(jiàn)圖1。

其圖形見(jiàn)圖1。

其圖形見(jiàn)圖1。

需要注意的是, 在不同的種類(lèi)、貯存時(shí)間和充電狀態(tài)(例如滿電狀態(tài)或充1/3電量)時(shí), 以上函數(shù)的取值會(huì)有所不同, 可根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整模糊特征函數(shù)中的參數(shù)來(lái)適應(yīng)變化。

取域值, 當(dāng)()≥時(shí), 即為滿足要求的電池組。

3 基于性能理論的可靠性評(píng)估

由性能可靠性理論, 產(chǎn)品技術(shù)性能的失效按故障性質(zhì)可分為2類(lèi): 一類(lèi)是由突變性故障引起的突發(fā)性失效; 一類(lèi)是由漸變性故障引起的退化性失效。其中, 漸變失效模式用于計(jì)算性能可靠度, 產(chǎn)品的可靠度是上述2種可靠度的綜合。文獻(xiàn)[3-5]指出, 產(chǎn)品可靠度(產(chǎn)品所有性能指標(biāo)可靠性的綜合)定義: 產(chǎn)品不發(fā)生突發(fā)性和退化性失效的概率, 記為, 表達(dá)式=R·R,其中,R為產(chǎn)品不失效的概率;R為不發(fā)生退化性失效的概率。產(chǎn)品的性能指標(biāo)一般以如下形式給出。

2) 下限型:≤r

3) 上限型:≥r

4) 雙限型:≤r≤

由于通過(guò)檢測(cè)無(wú)法得到電池準(zhǔn)確的荷電量數(shù)據(jù), 而由()的構(gòu)成可知, 該參數(shù)模糊表征了電池組的荷電能力, 故取()為電池荷電性能參數(shù)進(jìn)行性能可靠度計(jì)算, 由于導(dǎo)致電池荷電性能退化的因素較多, 如制造原因、原材料、裝配、擱置時(shí)間長(zhǎng)短、使用頻度、環(huán)境和電流等。電池組批量足夠大時(shí), 隸屬函數(shù)值變化呈正態(tài)分布。計(jì)算時(shí)可先剔除異常數(shù)據(jù), 進(jìn)行分布檢驗(yàn), 求解全部電池組的隸屬函數(shù)及其正態(tài)分布平均值和標(biāo)準(zhǔn)差, 然后通過(guò)正態(tài)函數(shù)積分得到該批電池的貯存可靠度計(jì)算結(jié)果。()≥≥0為下限型, 其性能可靠度計(jì)算公式為

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文方法的普遍適應(yīng)性, 得到電池可靠度隨貯存次數(shù)、批次不同而變化的規(guī)律, 試驗(yàn)采用不同批次、不同維護(hù)次數(shù)的電池; 同時(shí), 為檢驗(yàn)算法是否能區(qū)分出不合格的數(shù)據(jù), 特加入9組不滿足貯存條件的電池。具體情況如下：

A組: 常規(guī)組, 滿電狀態(tài)貯存3個(gè)月后進(jìn)行維護(hù)時(shí)的數(shù)據(jù)。從批次1抽取50組、批次2抽取6組, 批次3抽取6組。

B組: 非常規(guī)組, 1/3電量狀態(tài)經(jīng)半年貯存后進(jìn)行維護(hù)數(shù)據(jù)。從各批次中抽取, 共9組。

每組電池含90只單體電池, 每只單體電池?cái)?shù)據(jù)90~120個(gè)。限于篇幅, 這里略去原始數(shù)據(jù)。

將以上數(shù)據(jù)帶入式(1)～式(5)計(jì)算, 計(jì)算步驟如下。

表1 批次1電池第1次維護(hù)數(shù)據(jù)隸屬度

表2為批次1第2次維護(hù)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果。

表2 批次1第2次維護(hù)數(shù)據(jù)隸屬度

性能可靠度為

批次1第1次滿電擱置3個(gè)月后, 無(wú)單體電池失效,R=0.999 6, 該50組電池綜合可靠度為

1次=R×R=0.9974×0.9996=0.997 (9)

帶入批次1第2次維護(hù)數(shù)據(jù), 計(jì)算得性能可靠度R=0.952 5。

此次有7只單體電池失效,R=0.995 46, 得

2次=R×R=0.9482 (10)

帶入批次2第3次維護(hù)數(shù)據(jù), 計(jì)算得

3次=R×R=0.9947 (11)

該數(shù)據(jù)比2次大, 這是由于電池的批次不同, 質(zhì)量情況不同造成?？梢?jiàn), 制造質(zhì)量是決定電池可靠度的重要原因。

傳統(tǒng)方法對(duì)照計(jì)算。用取自不同批次的4組電池連續(xù)貯存7～8個(gè)月、6組電池貯存5個(gè)月后檢測(cè), 僅觀察其有無(wú)失效單體, 并按失效單體電池?cái)?shù)計(jì)算該2組電池組的可靠度分別為0.99663和0.996 62。但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 貯存(擱置)期超過(guò)5個(gè)月的電池, 其荷電量已大大降低, 如不進(jìn)行維護(hù)而直接用于任務(wù), 將會(huì)在任務(wù)過(guò)程中出現(xiàn)大量失效單體電池, 影響任務(wù)完成, 其可靠度不應(yīng)該有0.996 6這么高。因此, 不考慮性能退化因素計(jì)算出的貯存(擱置)可靠度值是不符合實(shí)際的。

實(shí)際執(zhí)行任務(wù)后對(duì)照計(jì)算。為驗(yàn)證電池的實(shí)際擱置可靠度, 采用6組來(lái)自批次1、批次2、批次3的電池滿電擱置3個(gè)月后執(zhí)行任務(wù), 按執(zhí)行任務(wù)后失效單體電池?cái)?shù)計(jì)算電池組執(zhí)行任務(wù)的可靠度為0.996 47, 與第1次維護(hù)后用本文方法計(jì)算的結(jié)果0.997接近。說(shuō)明本文提出的方法具有一定的可信性。

5 結(jié)束語(yǔ)

由對(duì)照計(jì)算的情況看, 用失效電池?cái)?shù)據(jù)計(jì)算電池組的貯存(擱置)可靠度的方法, 由于沒(méi)有考慮性能發(fā)生退化的情況, 計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守?？紤]了性能退化的貯存可靠度計(jì)算結(jié)果較符合實(shí)際情況。該方法可推廣運(yùn)用到無(wú)損檢測(cè)所得數(shù)據(jù)不完整、失效數(shù)據(jù)少、性能退化情況下的貯存(擱置)可靠度評(píng)估。

[1] Jossen A, Spath V, Doring H, et al. Reliable Battery Operation—a Challenge for the Battery Management System[J]. Journal of Power Sources, 1999, 84(2): 283- 286.

[2] 胡超斌.性能可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的初步探討[J],可靠性與環(huán)境適應(yīng)性理論研究, 2004, 12(6):27-30. Hu Chao-bin. Researching of Measures of Performance Reliability[J]. Researching of Reliability and Environ- mental Adaptability, 2004, 12(6): 27-30.

[3] 黃建新, 邊亞琴, 張勝濤, 等. 新型雷達(dá)裝備系統(tǒng)性能可靠性評(píng)估[J], 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 9(5): 57-61. Huang Jian-xin, Bian Ya-qing, Zhang Sheng-tao, et al. The Evaluation of the Performance Reliability of New Type Radar Equipment System[J]. Journal of Air Force Engineering University (Natural Science Edition), 2008, 9(5): 57-61.

[4] 舒服華. 基于最小二乘支持向量機(jī)的電池剩余電量預(yù)測(cè)[J]. 電源技術(shù), 2008, 32(7): 452-455. Shu Fu-hua. A Prediction Model for Remaiming Capa- city in Batteries Based on Least Square Support Vector Machine[J].Electrical Source Technic, 2008, 32 (7): 452-455.

[5] 李正, 宋保維, 梁慶衛(wèi), 等. 基于模糊可靠度確定長(zhǎng)貯裝備檢驗(yàn)周期的方法[C]//2003年全國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集, 2003: 90-91. Li Zheng, Song Bao-wei, Liang Qing-wei. A Method of Ensuring Material Testing Period Based on Fuzzy Relia- bility[C]//The Proceedings of Mechanical Reliability Convention in China 2003, 2003: 90-91.

A Storage Reliability Evaluation Method of Lithium Battery Based on Capability Degenerate Data

HUANGyan, SONGBao-wei, XIE Ya-li

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

The high power lithium batteries often display few failures but more energy loss in storage. Their energy parameters and metrical data are indeterminate and incomplete. In order to evaluate the storage reliability of the battery, this paper presents a method, in which a fuzzy membership function is established to estimate the incomplete data of the battery based on normal data. The storage reliability of the battery can be obtained with this method. Comparison of several groups of battery data proved that the method is effective and practical.

high power lithium battery; storage reliability; fuzzy membership function; reliability evaluation

TJ630.32; TB114

A

1673-1948(2011)01-0043-05

2009-10-08;

2010-03-14.

黃 燕(1968-), 博士, 主要從事水下航行器產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性、維修性研究.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)