基于大數(shù)據(jù)的動(dòng)力電池健康度估算方法研究

王思淼 張英杰 王 芳 鄧斯文

(上海市新能源汽車公共數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測研究中心， 上海 201800)

0 引言

近年隨著汽車電動(dòng)化浪潮的興起，各大傳統(tǒng)車企如大眾、比亞迪及新興車企如特斯拉、蔚來紛紛投身電動(dòng)汽車產(chǎn)品的研發(fā)和市場角逐。電動(dòng)汽車產(chǎn)品技術(shù)不斷革新，產(chǎn)品內(nèi)容不斷豐富，加之我國政策的扶持和促進(jìn)，消費(fèi)者對電動(dòng)汽車產(chǎn)品的認(rèn)可度也在不斷提高。自2015年起我國的新能源汽車的產(chǎn)銷量已連續(xù)5年居世界首位，截至2020年12月底，我國新能源汽車保有量已達(dá)492萬輛，占國內(nèi)汽車保有總量的1.75%[1]。

電動(dòng)汽車核心部件—?jiǎng)恿﹄姵氐氖Ｓ嗳萘?，即SOH(State of Health)的估計(jì)與預(yù)測從電動(dòng)車出現(xiàn)至今，一直是業(yè)內(nèi)熱點(diǎn)話題之一。一方面，電池容量的衰減量直接影響到車輛的續(xù)航里程和用戶駕駛體驗(yàn)；另一方面，在新能源汽車的二手交易市場中，電池剩余容量也是車輛殘值評定參考的主要因素之一。傳統(tǒng)方法一般使用專用設(shè)備進(jìn)行線下檢測，具有檢測費(fèi)用高、檢測時(shí)間長、地理位置不方便等一系列缺點(diǎn)。我國在2016年出臺了《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 32960)，技術(shù)規(guī)范定義了新能源汽車需采集上傳至公共平臺的7類共計(jì)約60個(gè)車端信號，包括總電流、總電壓、SOC、車速等。這些數(shù)據(jù)為動(dòng)力電池健康度的線上估計(jì)和應(yīng)用提供了可能。

目前對動(dòng)力電池SOH的估計(jì)和預(yù)測主要有兩類方法，分別是基于電池模型的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法?；陔姵啬Ｐ偷姆椒ㄈ缃?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?、等效電路模型法和電化學(xué)模型法，都是先建立一個(gè)參數(shù)未知且能直接或間接表征電池衰減程度的模型，然后利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他算法對模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)[2]；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法一般是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取能表征電池老化因素的特征，同時(shí)根據(jù)一定的使用間隔對電池容量進(jìn)行標(biāo)定以獲得SOH目標(biāo)值，最后通過不同機(jī)器學(xué)習(xí)算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高斯過程回歸建立特征和目標(biāo)SOH的擬合模型，最終達(dá)到用特征預(yù)測或估算SOH的目的[3]。

以上方法或依賴于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或需要大量線下實(shí)車測試數(shù)據(jù)作為輸入，成本過高且不具備普適性。針對這些缺點(diǎn)，本文擬采用基于大量實(shí)車線上運(yùn)行數(shù)據(jù)的安時(shí)積分法對電池健康度進(jìn)行快速估算，隨后對影響電池健康度的各個(gè)因素展開分析。

1 大數(shù)據(jù)樣本選擇與分析

電池健康度的衰減原理可以使用雙水箱模型來解釋[4]，即正負(fù)極材料的損失和活性鋰離子的損失，而電池健康度的衰減是一個(gè)相對緩慢的過程，所以在選取的數(shù)據(jù)樣本需要有較長的時(shí)間跨度或者較大的里程跨度。其次，目前市面上主流的電池類型分為磷酸鐵鋰和三元鋰，磷酸鐵鋰電池的能量密度較低但相對安全且循環(huán)次數(shù)較高[5]，本文也會將這兩種電池類型的分析囊括在內(nèi)。最后，樣本車輛需要足夠多，以平衡個(gè)別單車數(shù)據(jù)或者計(jì)算結(jié)果偶然性的影響。綜上所述，本文選取以下樣本作為研究對象：

表1 樣本屬性

此外，為滿足分析需求，篩選以下字段作為本次分析的原始字段：

表2 原始信號字段

以每次充電行為一個(gè)樣本區(qū)間，將每輛車的原始數(shù)據(jù)處理為多個(gè)樣本。車型A、B在一年中的總體里程分布見圖1。

圖1 樣本里程分布統(tǒng)計(jì)

從上圖可以看出，兩個(gè)車型樣本的最小里程為接近0公里，最大里程都超過10萬公里，其中A車型里程最高達(dá)到18萬公里。

2 基于大數(shù)據(jù)的SOH估算方法

在進(jìn)行計(jì)算之前首先需要考慮各種環(huán)境因素導(dǎo)致的積分結(jié)果與額定容量之間的差別。根據(jù)國標(biāo)GB/T 31467.2-2015，測試額定容量的方式為，在室溫(25 ℃±2 ℃)下，以1 C恒流充電至制造商規(guī)定的充電截止條件，然后在相同溫度下以1 C電流放至制造商規(guī)定的充電截止條件，放電的電流對放電時(shí)間的積分為動(dòng)力電池的容量。據(jù)此，計(jì)算前需要考慮的影響因素有溫度、充放電倍率。

首先是溫度因素，過低的溫度會導(dǎo)致電池電解液黏度增大乃至部分凝結(jié)，電解液阻抗升高，從而使電池的容量特性下降[6]。而在溫度高于室溫的情況下，短時(shí)間內(nèi)會使電池容量增加，但同時(shí)會加速電池的老化。其次，充電倍率也會對充入電量和電池老化產(chǎn)生不同影響。一般認(rèn)為，小倍率電流相較于高倍率電流可以充入更多的電量且能減緩電池容量衰減的速度，但電池制造技術(shù)和充電技術(shù)的進(jìn)步會在一定程度上削弱這種差異。對于本文選擇的試驗(yàn)樣本，慢充(小倍率電流)和快充(高倍率電流)的工況同時(shí)存在，典型的充電曲線如圖2所示。

圖2 快充、慢充充電曲線示例

從上圖可以看出，在實(shí)際充電工況中，一般是恒流、恒壓等多種工況的混合，所以本文在后續(xù)分析中，僅通過快充、慢充來區(qū)分不同的充電倍率。綜上，由于SOH是充入最大電量與額定容量的相對比值，而額定容量和充入電量的工況不一致，所以在給出SOH結(jié)果的同時(shí)一般需要注明對應(yīng)的溫度、充電電流等參數(shù)。

本文直接使用平臺端大數(shù)據(jù)進(jìn)行電池的SOH估計(jì)，通過安時(shí)積分法對電池包電流進(jìn)行積分，將積分的容量再跟額定容量進(jìn)行對比得到SOH，計(jì)算公式如下：

(1)

其中，SOC1和SOC2分別為充電或放電起止的電池SOC，I為電池包總電流，C0為電池包的額定容量。由于電池包放電過程往往在行車過程中，實(shí)際工況復(fù)雜，汽車高壓負(fù)載變化較大，從而導(dǎo)致電池包電流短時(shí)波動(dòng)較大，在0.5 Hz的采集頻率下容易出現(xiàn)較大誤差。故本文對電流的積分選取充電工況進(jìn)行計(jì)算。

此外，本算法計(jì)算公式中的關(guān)鍵字段之一為SOC，SOC的精度直接影響估算SOH的準(zhǔn)確性。本文樣本字段中的SOC為儀表SOC，SOC是對BMS內(nèi)部可用SOC的線性化處理的結(jié)果，在可用SOC值較高或者較低的時(shí)候會觸發(fā)BMS的修正[7]，導(dǎo)致儀表SOC在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生跳變。而中間段的SOC在內(nèi)外部環(huán)境穩(wěn)定的情況下，與充入電量成正比，平滑上升。故本文選取中間段的SOC作為計(jì)算區(qū)間，如下圖所示：

需要注意的是，電流積分區(qū)間需要根據(jù)車型、電池參數(shù)和用戶行為的不同進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。至此，計(jì)算規(guī)則已明確，后續(xù)將針對結(jié)果展開分析。

圖3 選取SOC區(qū)間

3 電池健康度影響因素分析

(1)電池容量衰減與里程的關(guān)系

取A、B車型相同的里程跨度(0～10萬公里)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，如圖4所示。

圖4 容量衰減與里程的關(guān)系

左圖為A、B車型全量計(jì)算結(jié)果，右圖為將里程按每萬公里分箱后的平均結(jié)果?？梢钥闯觯姵亟】刀扰c里程呈負(fù)相關(guān)，在里程0～10萬公里之間容量隨里程增加衰減較為均勻。其中，車型B(磷酸鐵鋰電池)大部分車輛的初始容量百分比高于車型A(三元鋰電池)，這有可能是車企BMS保護(hù)機(jī)制凍結(jié)的可用容量不相同所致。從同一類車型所有車輛的整體衰減速率來看，車型A與車型B基本一致。

(2)電池容量衰減與快慢充的關(guān)系

較大的充電倍率一方面會導(dǎo)致電池溫度升高，加速副反應(yīng)，另一方面，會加速電極材料因循環(huán)疲勞產(chǎn)生不可逆結(jié)構(gòu)損傷，對電池容量衰減產(chǎn)生負(fù)面影響[8]。實(shí)驗(yàn)表明，高倍率充電對正極三元材料影響更為明顯。但隨電池工藝和電池管理系統(tǒng)的進(jìn)步，在一定程度上降低了這種影響。本文采用的樣本中，搭載磷酸鐵鋰電池的B車型上市銷售時(shí)間較早，只能進(jìn)行慢充，故本文只分析A車型快慢充跟電池SOH衰減的關(guān)系。首先通過充電平均功率來標(biāo)記快充和慢充，然后從所有樣本中篩選出主要使用慢充充電和主要使用快充充電的樣本車輛，做出圖5所示。

圖5 快慢充對容量衰減的影響

左圖為車型A所有樣本點(diǎn)SOH與里程的散點(diǎn)圖，右圖是每兩萬公里內(nèi)所有樣本點(diǎn)SOH的平均值。可以看出，對于車型A，快慢充對容量衰減的影響程度差別不大。

(3)電池容量衰減與電量使用區(qū)間的關(guān)系

電量使用區(qū)間可以反映出車主的充電習(xí)慣和用車習(xí)慣，過高的SOC會導(dǎo)致副反應(yīng)加劇，過低的SOC使電池負(fù)極集流體更易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致容量衰減。本文將SOC分為5個(gè)區(qū)間，分別為[0%,20%), [20%, 40%), [40%, 60%), [60%, 80%), [80%, 100%]。在計(jì)算電池健康度的同時(shí)，計(jì)算出電池累計(jì)歷史SOC分布占比。現(xiàn)將SOH與里程分成均勻網(wǎng)格，按網(wǎng)格計(jì)算SOC在0%～20%與80%～100%占比之和的均值，再做出以下熱力圖，顏色越深代表低SOC與高SOC區(qū)間使用占比越大。

圖6 高低SOC區(qū)間占比對SOH的影響

從圖中可以看出，對于A車型，同一里程區(qū)間，顏色較淺的區(qū)域集中在SOH較高的部分，這表明低SOC與高SOC的區(qū)間使用占比越少，對應(yīng)的電池SOH越高。對于B車型，高或低的SOC區(qū)間使用占比對SOH的影響并不明顯。

(4)電池容量衰減與電池溫度的關(guān)系

為分析電池溫度對容量衰減的影響，本文以電池最高溫度為溫度參照。由于上海地區(qū)全年溫度相對比較溫和，較少出現(xiàn)溫度為零下的情況，所以在此主要研究高溫的影響。本文定義大于35 ℃為高溫工況。在計(jì)算電池健康度的同時(shí)，計(jì)算出電池最高溫度處于高溫工況的歷史累計(jì)百分占比。最終做出以SOH與里程為網(wǎng)格的熱力圖，網(wǎng)格中填充的數(shù)值表示高溫工況百分占比均值，顏色越深代表高溫工況占比越高。

圖7 高溫工況占比與SOH的關(guān)系

兩種車型的高溫工況歷史百分占比都隨里程的增加而逐漸增加，這可能是因?yàn)殡姵貎?nèi)阻隨電池老化而逐漸增大，導(dǎo)致電池包運(yùn)行時(shí)產(chǎn)熱增加。對A車型，低里程區(qū)間(小于5萬公里)的高溫工況占比都較低(0%～10%)；在中里程區(qū)間(6萬公里～12萬公里)，累計(jì)高溫工況占比越多，相同里程下的電池健康度越低；在高里程區(qū)間(大于13萬公里)，樣本的高溫工況占比都較高(大于20%)，同時(shí)由于SOH分布比較集中，高溫工況占比對SOH的影響不明顯。對B車型而言，可以得出相似結(jié)論。

4 結(jié)論

結(jié)束以上分析，關(guān)于A、B車型得出以下結(jié)論：

(1)在10萬公里以內(nèi)，配置三元鋰電池的A車型與配置磷酸鐵鋰電池的B車型電池容量衰減速度基本一致。

(2)根據(jù)樣本計(jì)算結(jié)果，對于A車型，快充或慢充行為對電池衰減的影響相近。

(3)對A車型，0%～20%和80%～100%的SOC區(qū)間使用占比最低時(shí)，電池剩余容量最高。對B車型，SOC區(qū)間使用占比的不同對電池剩余容量沒有顯著影響。

(4)隨車輛里程增加和容量的衰減，車輛的歷史累計(jì)高溫工況占比會逐漸增加。在兩個(gè)車型樣本數(shù)量比較豐富，SOH分布相對較寬的里程區(qū)間內(nèi)，累計(jì)高溫工況占比越多，同一里程下的電池健康度越低。