基于多维高斯模型的单体蓄电池特性离群评估装置研发

基于多维高斯模型的单体蓄电池特性离群评估装置研发

庞世论，黄仁俊，唐家淳，王家铧

广西电网有限责任公司北海供电局，北海536000

摘要：在单体电池的生产制造过程中，细微的不一致性（品控问题）以及长期充放电运行过程中的复杂因素导致电池组工作时出现单体电池的电压、内阻和SOC不一致的问题，进一步加剧了电池组性能的不均衡。这种不一致性可能引发类似于“木桶效应”的情况，其中劣化最严重的电池单体影响整个电池组的性能，甚至导致电池组报废，缩短了使用寿命。蓄电池在充放电过程中的特性变化，包括内阻的变化，因此希望确保每个单体的特性在充放电过程中同步变化，即每个蓄电池单体的充放电特性曲线是重合或接近重合的。尽管核容试验关注整组电池容量和规定放电时长后单体电压是否达标，但缺乏对蓄电池动态特性曲线的充分反映。现存的异常单体一致性测试方法基于硬性标准和大数据，不适用于同组运行电池组的单体异常查找，也存在简便性的不足。

关键词：单体电池；不一致性；充放电特性曲线；电池组性能；

Research and Development of Outlier Evaluation Device for Single Battery Characteristics based on Multi-dimensional Gaussian Model

Abstract: Due to subtle inconsistencies in the production process of inpidual batteries (quality control issues) and the complex factors affecting long-term charge-discharge operations, the inconsistency of voltage, internal resistance, and State of Charge (SOC) of inpidual batteries in a battery pack is further exacerbated during operation. This inconsistency, due to the "barrel effect" of battery pack performance, can lead to the most degraded battery cell causing the entire battery pack to be scrapped, thereby shortening the overall lifespan of the battery pack. The characteristics of rechargeable batteries change during the charge-discharge process, such as the internal resistance composed of ohmic polarization (conductive resistance) and electrochemical polarization resistance, and concentration polarization resistance. As the resistance changes during charge-discharge, it is desirable that the characteristics of each cell in the battery pack change synchronously during the charge-discharge process, meaning that the charge-discharge characteristic curves of each battery cell overlap or are close to overlapping. Capacity testing, as reflected in the abstract, only focuses on whether the inpidual voltages meet standards after specified discharge times, lacking the reflection of dynamic characteristic curves of rechargeable batteries.

Existing methods for testing abnormal cell consistency are based on rigid standards and big data, making them unsuitable for identifying anomalies in cells within a battery pack operating as a unit. Moreover, they lack simplicity.

Keywords：Inpidual batteries; Inconsistency; Charge-discharge characteristic curves; Battery pack performance;

1   引   言

在当今社会，能源存储技术的发展对可再生能源的大规模应用至关重要。蓄电池组作为一种主要的能量储存解决方案，应用广泛，涉及领域广泛，从电动汽车到可再生能源系统。然而，在蓄电池组的运行中，单体电池之间的一致性问题一直是制约其性能和寿命的关键因素。

由于生产制造过程的微小差异和长期充放电运行的复杂性，电池组中的单体电池往往表现出电压、内阻和充放电特性不一致的情况，这可能导致电池组性能的不均衡，甚至影响整个电池组的可靠性和寿命。传统的核容试验虽然能够检测整组电池容量，但却无法全面反映单体电池在充放电过程中的动态特性，因而不能有效解决单体电池一致性问题。

为了应对这一挑战，本研究聚焦于使用多维高斯模型对一组蓄电池的每个单体充放电特性曲线进行一致性分析。这一新颖的方法通过将每节单体充放电特性曲线的数据表示为一个向量，利用算法迭代拟合多维高斯模型，以得到单体特性分布情况的概率密度函数。通过这一方法，我们能够更全面地评估每个单体电池的充放电特性，并检测出那些在分布概率最低区域的离群单体，从而提高整个电池组的性能和寿命。

通过深入研究和实证分析，我们将探讨多维高斯模型在提高蓄电池单体一致性的有效性，并为未来蓄电池技术的发展和应用提供有力的支持。

2   系统框架

图一是本系统的组成结构示意图

图一 系统组成结构示意图

如上图一所示，该系统主要由两个部分组成：多维高斯模型算法和客户端。

3  方案设计

（1）客户端软件

客户端软件的设计方案旨在通过直观的用户界面、高效的数据输入和输出，为蓄电池单体离群分析提供全面的解决方案。

在数据输入方面，客户端支持多种数据文件格式，如CSV、Excel等，选择相应的数据文件，即可读取数据文件内容进行处理。

在参数设定方面，软件提供多个有关多维高斯模型算法的参数设定，如混合高斯模型个数、EM迭代停止阈值等参数，这些参数都会影响单体离群检测的结果。

在输出呈现方面，软件将从多维高斯模型算法处理后得到的离群单体数据，采用折线图和散点图的方式呈现，明显、直观的展示离群单体数据的放电特性。

（2）多维高斯模型算法

多维高斯模型对一组蓄电池的每个单体充放电特性曲线进行一致性分析。这一新颖的方法通过将每节单体充放电特性曲线的数据表示为一个向量，利用算法迭代拟合多维高斯模型，以得到单体特性分布情况的概率密度函数。通过这一方法，我们能够更全面地评估每个单体电池的充放电特性，并检测出那些在分布概率最低区域的离群单体，从而提高整个电池组的性能和寿命。

首先，我们需要针对单体蓄电池的充放电特性曲线的数据进行多维高斯模型进行拟合，得到标准的多维高斯模型，其流程如下：

假设我们的用为初始化的标准向量数据为多维数据矩阵为：

（1）

则每个维度的均值为：

（2）

则协方差矩阵的计算公式为：

（3）

其中为多维矩阵中第列维度的数据。

则多维高斯分布公式为：

exp{-}（4）

其中，D为数据的维度，则此时该模型的概率密度函数可以表示为：

（5）

其中，，为混合系数。

接下来进行EM迭代，E步骤，计算第维度属于第c维度的后验概率：

（6）

M步骤则根据上一步计算得到的后验概率，分别更新第c维度的均值、协方差值和混合系数：

混合系数：（7）

均值：（8）

协方差值：

（9）

重复执行E步骤和M步骤，直到收敛或者达到设定的最大迭代次数，即可获取拟合好的多维高斯模型。

最后传入与标准数据相同维度的待评估数据多维矩阵数据，调用公式（5），将作为参数传入，其余的参数使用EM迭代后得到的均值、协方差值和混合系数，求得每个维度的数据在拟合好的高斯模型下的概率密度，然后使用公式：

（10）

对概率密度进行加权求和，就得到待评估数据在拟合好的多维高斯模型下的对数似然值，对数似然值越大，证明该维度的数据与标准数据的拟合度就越高。然后根据设定的离群百分比，挑选出对数似然值最低的部分维度数据，将其标记为离群单体。

4   样机实测

通过载入数据文件，标记离群单体，并绘制折线图或散点图，明显、直观的展示离群单体数据的放电特性。

图二 散点图

图三 散点图

5   结束语

本文针对解决蓄电池单体一致性的核心问题，强调了生产制造过程和长期运行中的不一致性对电池组性能的潜在影响，并提出了一套全新的分析装置，能够有效地识别离群单体，旨在提高蓄电池技术的可靠性和可持续性。

参考文献

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