本發(fā)明涉及健康狀態(tài)估算領(lǐng)域，具體講涉及鈦酸鋰電池健康狀態(tài)估算系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)電、太陽能等可再生能源在轉(zhuǎn)化為電能時存在的間歇和不可控等特性，導(dǎo)致其大規(guī)模接入電網(wǎng)時會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需要儲能技術(shù)來實現(xiàn)動態(tài)供需平衡以及提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)。已有的眾多儲能技術(shù)中，鋰離子電池以其具有能量密度高、循環(huán)壽命長、環(huán)境友好等特點而得到廣泛使用。但與此同時，鋰離子電池的安全問題也日益突出。如何準(zhǔn)確的估算電池的健康狀態(tài)(SOH，State of Health)是保證鋰離子電池安全運行的關(guān)鍵。

鋰電池的SOH是指鋰電池當(dāng)前的容量能力，表征在一定條件下，鋰電池所能充入或放出的電量與電池標(biāo)稱容量的百分比.此外還可根據(jù)電池的內(nèi)阻、功率密度和能量密度來定義。如式①所示的公式來定義，

隨著鋰電池循環(huán)次數(shù)和存儲時間的累積，電池的容量會逐漸降低(老化),從而鋰電池的健康狀態(tài)也逐漸下降。

電池SOH在存儲過程中的下降是指電池存儲過程中由電池自放電、電池材料特性變化等引起的電池老化現(xiàn)象；電池SOH在循環(huán)使用過程中的下降是指電池使用(充電和放電)過程中電化學(xué)反應(yīng)和電池材料特性變化引起的電池老化現(xiàn)象。因此根據(jù)電池不同的老化機(jī)理，可以采用不同的建模方式對電池的SOH進(jìn)行估算。目前鋰電池SOH的建模方式主要有：電化學(xué)模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃碗娐纺Ｐ腿箢?。其中，電化學(xué)模型主要依據(jù)電池衰減過程中電池內(nèi)部電化學(xué)參量的變化來衡量，精度高，但模型構(gòu)建復(fù)雜，適用范圍??；經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕獜碾姵剡\行過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)(溫度、內(nèi)阻、電壓、電流等)出發(fā)，模型簡單，但實驗周期長；電路模型則是從電工學(xué)角度出發(fā)，將鋰離子電池等效成一個電路模型，該模型雖可實現(xiàn)電池SOH的實時監(jiān)控，但精度較差。

鈦酸鋰電池是以鈦酸鋰為負(fù)極材料的鋰離子電池，鈦酸鋰材料相比于傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料具有“零應(yīng)變”、放電平臺高等特點，因此鈦酸鋰電池的循環(huán)性能和安全性能有了較大提高。

但鈦酸鋰電池在充放電和擱置過程中很容易脹氣，尤其在高溫環(huán)境中，產(chǎn)生的氣體的主要成分為H₂、CO、CO₂和烷烴類氣體。當(dāng)鈦酸鋰電池脹氣之后，電池體積增大，正負(fù)極及隔膜不再緊密接觸，會造成電池失效，從而嚴(yán)重影響電池的使用壽命。脹氣現(xiàn)象是鈦酸鋰電池特有的現(xiàn)象，在傳統(tǒng)的碳負(fù)極電池中則不會出現(xiàn)，因此在傳統(tǒng)的鋰電池SOH估算技術(shù)中并沒有考慮脹氣的影響，應(yīng)用傳統(tǒng)的鋰電池SOH估算技術(shù)對鈦酸鋰電池體系進(jìn)行估算會產(chǎn)生較大誤差。

為此，需要一種鈦酸鋰電池健康狀態(tài)估算系統(tǒng)及方法，使其能夠更準(zhǔn)確的預(yù)測鈦酸鋰電池的SOH，克服現(xiàn)有技術(shù)中對鈦酸鋰電池體系估算誤差較大的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，本發(fā)明提供鈦酸鋰電池健康狀態(tài)估算方法，所述方法包括如下步驟：

(1)以恒定電流對電池進(jìn)行充放電循環(huán)，并記錄充放電循環(huán)放出的電量；

(2)計算選取的充放電循環(huán)對應(yīng)的比熱容；

(3)求電池健康狀態(tài)SOH與比熱容C_p的關(guān)系曲線，并驗證準(zhǔn)確性；

(4)估測電池健康狀態(tài)的趨勢。

優(yōu)選的，所述步驟(1)包括：以恒定0.2-1C電流對電池進(jìn)行充電，恒定0.02-0.1C電流對電池進(jìn)行放電，并記錄每個充放電循環(huán)放出的電量。

優(yōu)選的，所述步驟(2)的比熱容C_p按下式計算：

C_p＝Q/(mΔT) (1)

式中，Q：發(fā)熱量，m：電池的質(zhì)量，ΔT：電池實驗前后的溫差；

所述循環(huán)對應(yīng)的當(dāng)前實際電池容量和比熱容的散點關(guān)系如下式所示：

C_p＝g(C_i) (2)

優(yōu)選的，所述步驟(3)的電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線如下式所示：

SOH＝F(C_p) (3)

式中，C_p：比熱容；SOH：電池健康狀態(tài)。

優(yōu)選的，所述電池健康狀態(tài)SOH如下式所示：

式中，C_i'：利用模型求出的當(dāng)前電池容量；C₀：初始額定容量；

優(yōu)選的，按下式驗證所述步驟(3)的模型的準(zhǔn)確性：

式中，SOH'_j：利用電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線求出的當(dāng)前電池健康狀態(tài)；SOH_j：當(dāng)前實際電池健康狀態(tài)；j：電池第j次循環(huán)。

優(yōu)選的，所述容量衰減曲線模型如下式所示：

式中，N_i：電池循環(huán)次數(shù)。

優(yōu)選的，所述步驟(3)電池健康狀態(tài)的趨勢的估測包括：

A、測量待測電池的比熱容，得到電池健康狀態(tài)；

B、將其與電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線做對比；

C、根據(jù)對比結(jié)果，估測電池健康狀態(tài)的趨勢。

鈦酸鋰電池健康狀態(tài)估算系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：單片機(jī)控制模塊和分別與單片機(jī)控制模塊連接的交流脈沖輸出模塊、電池模塊、顯示模塊以及檢測模塊。

優(yōu)選的，所述單片機(jī)控制模塊包括數(shù)據(jù)接收部分、數(shù)據(jù)分析部分、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出部分；

所述數(shù)據(jù)接收部分與電池模塊連接用于接收電池模塊針對交流脈沖輸出的交流脈沖信號作出的響應(yīng)信號數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)分析部分與所述數(shù)據(jù)接收部分連接用于分析接收到的響應(yīng)信號數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)處理部分與所述數(shù)據(jù)分析部分連接用于對分析后響應(yīng)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所述結(jié)果發(fā)送部分分別與數(shù)據(jù)處理部分和顯示模塊連接用于將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果顯示在顯示模塊中。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)異效果：

本發(fā)明提供的鈦酸鋰電池健康狀態(tài)估算系統(tǒng)及方法，依托于鈦酸鋰電池的容量衰減曲線模型，利用鈦酸鋰電池在衰減過程中的比熱容的變化對其進(jìn)行修正，生成電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線，既體現(xiàn)了傳統(tǒng)的老化因素對電池健康狀態(tài)的影響，又加入了比熱容修正因子，從而使得電池健康狀態(tài)預(yù)測模型對鈦酸鋰電池的健康狀態(tài)有了更準(zhǔn)確地預(yù)測，提高了模型的精準(zhǔn)度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鈦酸鋰電池的發(fā)熱曲線圖；

圖2為本發(fā)明的鈦酸鋰電池容量衰減曲線圖；

圖3為本發(fā)明的鈦酸鋰電池健康狀態(tài)與比熱容曲線圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合說明書附圖和實例對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明針對于電池的比熱容特性對電池的健康狀態(tài)進(jìn)行估算，因此本發(fā)明實施例僅適用于在容量衰減過程中比熱容變化較大的電池。

圖2為鈦酸鋰電池的容量衰減曲線圖，散點為電池經(jīng)歷10000次循環(huán)過程中記錄的電池容量，曲線為擬合得到的容量衰減曲線，容量衰減公式為：

C＝C₀-0.6234*exp[(x-1385.59)/3144.34]-0.6234*exp[(x-1385.59)/3144.2] (1)

其中，C為擬合后的電池容量，x為循環(huán)次數(shù)。

下面進(jìn)一步用具體實施例對本發(fā)明提出的技術(shù)方案進(jìn)行說明,基于比熱容檢測的鈦酸鋰電池健康狀態(tài)估算方法,包含以下的步驟：

(1)以恒定電流對電池進(jìn)行充/放電，并記錄充放電循環(huán)放出的電量:

本發(fā)明實施例選用額定容量為50Ah的鈦酸鋰軟包電池，以恒定0.2-1C電流對電池進(jìn)行充電，截止電壓為2.7V；恒定0.02-0.1C電流對電池進(jìn)行放電，截止電壓為1.5V，并記錄每個充放電循環(huán)放出的電量。

(2)計算某次循環(huán)對應(yīng)的容量保持率和比熱容：

實時記錄電池的充放電循環(huán)次數(shù)，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到500,1000,1500,……,10000次時將電池從充放電儀上取下，記錄此時電池的放電容量，并記錄此時的電池循環(huán)次數(shù)N_i。將其置于ARC中，利用ARC提供的絕熱環(huán)境，測試電池在該狀態(tài)下的發(fā)熱量Q，利用公式求得比熱容C_p,得到比熱容與容量保持率的散點關(guān)系。

如圖1所示，由直線的斜率即可求得比熱容：

C_p＝Q/(mΔT) (2)

當(dāng)前實際電池電池容量與容量保持率的散點關(guān)系為：

C_p＝g(C_i) (3)

式中，Q：發(fā)熱量，m：電池的質(zhì)量，ΔT：電池實驗前后的溫差；

(3)求電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線，并驗證準(zhǔn)確性：

A、求電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線

根據(jù)記錄的N_i，在容量衰減曲線中對應(yīng)得到C_i'，并利用公式將C_i'轉(zhuǎn)化成SOH，從而將比熱容與容量保持率的散點關(guān)系，轉(zhuǎn)化為電池健康狀態(tài)與比熱容的散點關(guān)系，對散點進(jìn)行擬合，得到電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線,關(guān)系式如下：

具體實施例如圖3,實線為電池SOH預(yù)測曲線,點狀線為電池SOH真實值。其中真實值為電池容量和電池容量衰減結(jié)合得到的擬合值。

電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線如下式所示：

SOH＝F(C_p) (5)

式中，C_p：比熱容；SOH：電池健康狀態(tài)。

電池健康狀態(tài)SOH如下式所示：

式中，C_i'：利用容量衰減曲線模型求出的當(dāng)前電池容量；C₀：初始額定容量；

容量衰減曲線模型如下式所示：

式中，N_i：電池循環(huán)次數(shù)。

B、驗證模型的準(zhǔn)確性：

通過下面公式對預(yù)測值進(jìn)行檢驗。

式中，SOH'_j：利用電池健康狀態(tài)與比熱容的關(guān)系曲線求出的當(dāng)前電池健康狀態(tài)；SOH_j：當(dāng)前實際電池健康狀態(tài)；j：電池第j次循環(huán)。當(dāng)電池當(dāng)前健康狀態(tài)與電池的實際健康狀態(tài)之間的誤差在5％以內(nèi)，即表示該模型比較準(zhǔn)確。

(4)估測電池健康狀態(tài)的趨勢：

電池狀態(tài)估算模型的值域作為電池的健康狀態(tài)上下限，值域可由實際情況設(shè)定。通過測量待測電池的比熱容，可以得到待測電池的健康狀態(tài)，將其與圖3中的關(guān)系曲線對比，即可預(yù)測電池健康狀態(tài)的趨勢。

基于比熱容檢測的鈦酸鋰電池健康狀態(tài)估算系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：單片機(jī)控制模塊和分別與單片機(jī)控制模塊連接的交流脈沖輸出模塊、電池模塊、顯示模塊以及檢測模塊。

單片機(jī)控制模塊包括數(shù)據(jù)接收部分、數(shù)據(jù)分析部分、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出部分；

數(shù)據(jù)接收部分與電池模塊連接用于接收電池模塊針對交流脈沖輸出的交流脈沖信號作出的響應(yīng)信號數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析部分與所述數(shù)據(jù)接收部分連接用于分析接收到的響應(yīng)信號數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理部分與所述數(shù)據(jù)分析部分連接用于對分析后響應(yīng)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)送部分分別與數(shù)據(jù)處理部分和顯示模塊連接用于將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果顯示在顯示模塊中。

檢測模塊電性連接電池模塊，用于檢測電路中的電壓和電流，并記錄檢測到的電壓和電流值；

電池模塊為鋰離子動力電池；

交流脈沖輸出模塊分別對與其連接的電池模塊輸出兩種頻率的交流脈沖信號；這兩種頻率的交流脈沖信號分別為5963Hz和3Hz頻率的交流脈沖信號。

單片機(jī)控制模塊的數(shù)據(jù)接收部分，接收檢測模塊傳輸?shù)碾妷汉碗娏髦敌畔?，傳給數(shù)據(jù)分析部分進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行電池健康狀態(tài)趨勢的估測，然后將估測結(jié)果傳輸給結(jié)果輸出部分。

單片機(jī)控制模塊的結(jié)果輸出部分與顯示部分直接相連，將結(jié)果通過顯示部分進(jìn)行顯示。

以上僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。