專利名稱：基于小波變換的電動車電池放電終止狀態的判定方法
技術領域：
基于小波變換的電動車電池放電終止狀態的判定方法涉及電動汽車智能信息處理技術領域。
背景技術：
隨著人類環保意識的日漸強烈，汽車領域中越來越多的人將目光投到了零排放的電動車輛上。電池作為電動汽車的主要或輔助動力源，是電動汽車的關鍵組成部分。如何合理使用電池，充分利用電池組中的能量，延長電池的使用壽命是電動汽車及混合動力汽車進一步發展中所必須解決的問題。為了充分利用電池的能量又要防止電池組中任一電池過放電，對電池放電終止狀態的判斷必須適時而準確。
目前電動汽車動力電池使用的判斷放電終止狀態的方法主要有3種固定終止電壓法、放電曲線斜率法和容量累積法。固定終止電壓法雖然簡單，但在不同放電電流下放電終止電壓不同，沒有一個統一的標準，而實際電動車動力電池的放電電流是隨機變化的，沒有一定規律。如果設定統一的放電終止電壓，為防止電池在任何工況下過放電，這一電壓必定趨于保守(偏高)，影響電池能量的充分利用。放電曲線斜率法是恒流放電試驗時使用最多的一種方法。從電池放電曲線上可以看到在電池放電后期，明顯存在一個放電曲線(V～t曲線)的斜率突變點(稱為“拐點”)，在此點以后電池所能放出的容量很少，且這對于電池的放電及未來的使用也很不經濟，可以把此拐點定為電池放電的終止點。現在一般將拐點定為其斜率等于電壓-時間曲線平臺期斜率10倍處的點。電池在小電流放電時，其電壓下降的平臺期的斜率很小，放電曲線中斜率為平臺期10倍的地方顯然與實際的放電終止點相距很遠。而大電流放電時，其電壓下降的平臺期的斜率較大，放電曲線中斜率為平臺期10倍的地方，電壓下降得非常迅速，已經超過了實際放電的終止值。同時放電曲線斜率的計算受測量噪聲的影響很大。容量累積法即記錄電池充入及放出的電量，當在一個充放電循環中，兩者相等，認為電池放電終止。這一方法除需不斷記錄電池的充放電歷史數據外，還要對容量進行放電電流、電池老化、自放電等修正，過程復雜，一般很少使用。
發明內容
針對現有技術的不足之處，本發明提出了基于小波變換的電動車電池放電終止狀態的判定方法。該方法的優點在于具有很強的自適應性，即對于不同使用環境及不同種類的電池該方法可以自適應地判定出放電終止狀態；同時該方法能夠有效地克服測量噪聲的影響。
本發明綜合利用固定終止電壓法和放電曲線斜率法進行放電終止判定。首先利用固定終止電壓法進行預判斷，當負載電壓低于固定終止電壓時啟動小波分析模塊，利用小波變換對電池的負載電壓信號進行分析，用于提取經過平滑后電壓信號的斜率突變點，當出現斜率突變點時便終止放電。
本方法的特征在于，它含有由電池管理系統中的中央處理器控制運行的以下步驟1)初始化給定電池的固定終止電壓閾值V0；給定負載電壓信號經小波變換后極值點的閾值WTvalve；2)獲取電池單體的負載電壓信號V(t)；3)判斷V(t)是否低于閾值V0，當V(t)＜V0時則進行小波變換，否則繼續步驟2)；4)對V(t)按下式進行小波變換WTx(a,t)=1a∫Rx(t)ψ(t-τa)dτ]]>其中R是積分域，為開始進行小波分析的起始時刻至當前采樣時刻之間的區域；上式簡寫為WTax(t)＝x(t)*ψa(t)；x(t)＝V(t)，a為尺度因子，a＝2j，j為自然數，其范圍為2～5；其中ψa(t)=1adθa(t)dt]]>θa(t)=1aθ(ta)]]>θ(t)為高斯低通函數，θ(t)=12πexp(-t22)]]>5)獲取變換信號的極值點WTmaxWTmax=maxa,t{WTax(t)}]]>6)判斷WTmax是否超過閾值WTvalve，WTvalve的范圍為0.2～0.4，當WTmax＞WTvalve時則電池終止放電，否則繼續步驟2)。
通過實驗證明，本發明所提出的方法具有很強的自適應性，對于不同使用環境及不同種類的電池該方法可以自適應地判定出放電終止狀態；同時能夠有效地克服測量噪聲的影響，達到了預期的目的。
圖1為基于小波變換的電動車電池放電終止狀態的判定方法的流程框圖。
圖2為發明實施例中放電電流為80A時放電電壓信號V(t)。
圖3為發明實施例中放電電流為80A時放電電壓信號V(t)的小波變換結果(尺度a＝8)。
圖4為實現本發明的電池管理系統框圖。
具體實施例方式
結合
本發明的具體實施方式
。
結合圖1進行說明，其中電池單體的負載電壓信號V(t)是從電池管理系統的數據采集模塊獲得。在利用固定終止電壓法進行預判斷時，閾值V0的選取可利用固定終止電壓法的實驗(恒流放電實驗)結論選一個終止電壓保守值作為V0。例如對于鎳氫電池域值V0＝1.1V，對于鋰離子電池域值V0＝2.9V。
當V(t)低于閾值V0后，啟動小波對負載電壓V(t)進行分析。
信號x(t)的連續小波變換定義為WTx(a,t)=1a∫Rx(t)ψ(t-τa)dτ----(1)]]>本方法中x(t)對應為負載電壓信號V(t)；上式簡記為WTax(t)＝x(t)*ψa(t)，其中*為卷積，a為尺度因子，a＝2j，j為自然數，j＝2～5；ψa(t)=1aψ(ta)]]>是基本小波ψ(t)在尺度上的伸縮。
定義θ(t)為高斯低通函數，基本小波ψ(t)選為θ(t)的一階導數，令θa(t)=1aθ(ta),]]>則θ(t)=12πexp(-t22)----(2)]]>ψa(t)=1adθa(t)dt----(3)]]>WTax(t)=x(t)*1adθa(t)dt=addt[x(t)*θa(t)]----(4)]]>由上述幾式可見，x(t)的小波變換等價于先對x(t)進行低通濾波，然后求導，WTax(t)的極值點對應于平滑后信號的拐點，根據放電曲線斜率法，此拐點對應電池終止放電點。
WTmax=maxa,t{WTax(t)}----(5)]]>判斷WTmax是否超過閾值WTvalve，WTvalve的范圍為0.2～0.4，當WTmax＞WTvalve時則電池管理系統發出報警信息，提示司機操作使得電池終止放電，否則繼續下一次測得的負載電壓的判斷過程。
按照圖1的流程對80Ah鎳氫電池單體進行1C放電仿真試驗，放點電流為80A.圖2為從放電開始到放電終止所采集的負載電壓V(t)，終止電壓閾值取較保守的值V0＝1.1V，負載電壓信號經小波變換后極值點的閾值WTvalve＝0.3，小波變換尺度因子a＝8(j＝3)；具體過程為從放電開始即實時采集電池的電壓信號V(t)，每采集到一個電壓即與終止電壓閾值V0＝1.1V進行比較，當V(t)≥V0時繼續下一時刻的采集，當V(t)＜V0時則啟動小波分析模塊對V(t)進行小波分析，小波分析按照以下三式進行，尺度因子a＝8。
θ(t)=12πexp(-t22)----(6)]]>ψa(t)=1adθa(t)dt----(7)]]>WTax(t)=x(t)*1adθa(t)dt=addt[x(t)*θa(t)]----(8)]]>式中x(t)對應為負載電壓信號V(t)，然后按照下式求取在該尺度下小波變換的極值點，WTmax=maxa,t{WTax(t)}----(9)]]>判斷WTmax是否超過閾值WTvalve＝0.3，當WTmax＞WTvalve時則電池管理系統發出報警信息，提示司機操作使得電池終止放電，否則繼續下一時刻的采樣和小波分析，直到滿足條件WTmax＞WTvalve為止則放電結束。圖3為小波變換結果，當V(t)＝1.0V時WTmax＞WTvalve，放電結束，本發明的仿真實驗以Matlab軟件來進行小波變換，實際應用時可用C語言編程實現。圖4為實現本發明的電池管理系統框圖。對于本發明，電池管理系統中的數據采集模塊實施負載電壓信號V(t)的采集，CPU實施小波算法，對電池放電終止狀態進行計算和判斷，計算和判斷所需的參數存儲在存儲模塊中，當達到放電終止狀態時電池管理系統通過報警模塊發出報警信息，提示司機操作使得電池終止放電。
本發明的優點在于綜合了固定終止電壓法和放電曲線斜率法進行放電終止判定。克服了固定終止電壓法比較保守，不利于充分發揮電池性能的缺點，同時利用小波變換進行放電末期的分析，而在放電初、中期僅用固定終止電壓法判斷。這樣既使得該方法具有很強的自適應性，即對于不同使用環境及不同種類的電池該方法可以自適應地判定出放電終止狀態，也有效地克服測量噪聲的影響，又部分地降低了小波變換運算量大的劣勢。在電池管理系統中數據處理的周期為秒級即可，因此該發明可直接應用于現有的電池管理系統而不需要提高硬件指標，中央處理器一般采用16位單片機即可實現(例如C167CR)。
權利要求
1.基于小波變換的電動車電池放電終止狀態的判定方法，其特征在于，它含有由電池管理系統中的中央處理器控制運行的以下步驟1)初始化給定電池的固定終止電壓閾值V0；給定負載電壓信號經小波變換后極值點的閾值WTvalve；2)獲取電池單體的負載電壓信號V(t)；3)判斷V(t)是否低于閾值V0，當V(t)＜V0時則進行小波變換，否則繼續步驟2)；4)對V(t)按下式進行小波變換WTx(a,t)=1a∫Rx(t)ψ(t-τa)dτ]]>其中R是積分域，為開始進行小波分析的起始時刻至當前采樣時刻之間的區域；上式簡寫為WTax(t)＝x(t)*ψa(t)；x(t)＝V(t)，α為尺度因子，α＝2j，j為自然數，其范圍為2～5；其中ψa(t)=1adθa(t)dt]]>θa(t)=1aθ(ta)]]>θ(t)為高斯低通函數，θ(t)=12πexp(-t22)]]>5)獲取變換信號的極值點WTmaxWTmax=maxa,t{WTax(t)}]]>6)判斷WTmax是否超過閾值WTvalve，WTvalve的范圍為0.2～0.4，當WTmax＞WTvalve時則電池終止放電，否則繼續步驟2)。
全文摘要
基于小波變換的電動車電池放電終止狀態的判定方法涉及電動汽車智能信息處理技術領域。其特征在于，它綜合利用固定終止電壓法和放電曲線斜率法進行放電終止判定。首先利用固定終止電壓法進行預判斷，當負載電壓低于固定終止電壓時啟動小波分析模塊，利用小波變換對電池的負載電壓信號進行分析，用于提取經過平滑后電壓信號的斜率突變點，當出現斜率突變點時便終止放電。本發明具有很強的自適應性，對于不同使用環境及不同種類的電池該方法可以自適應地判定出放電終止狀態；同時能夠有效地克服測量噪聲的影響。
文檔編號G01R31/36GK1556417SQ20041000000
公開日2004年12月22日 申請日期2004年1月2日 優先權日2004年1月2日
發明者王軍平, 陳全世, 田光宇, 韓曉東 申請人:清華大學