本發(fā)明涉及風(fēng)機(jī)變槳后備電源，特別涉及基于直流內(nèi)阻的后備電源健康狀態(tài)估算方法。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)機(jī)變槳后備電源內(nèi)含儲能系統(tǒng)，其運(yùn)行工況與常見的動力儲能和工商業(yè)儲能顯著不同。后備電源僅在應(yīng)急條件下啟動并放電，儲能充放電循環(huán)次數(shù)極少。除應(yīng)急供電外，后備電源通常不供應(yīng)負(fù)載，無法將所儲能量進(jìn)行泄放。后備電源存儲和使用的環(huán)境溫域廣，受鋰電池溫度特性影響，在不同溫度時，完成應(yīng)急收槳后鋰電池的荷電狀態(tài)(state?ofcharge,soc)存在一定不同。上述情況為開發(fā)后備電源儲能系統(tǒng)的健康狀態(tài)(state?ofhealth,soh)估算方法和壽命終止(end?of?life,eol)判斷方法提出了挑戰(zhàn)，因此，需要面向風(fēng)機(jī)變槳后備電源產(chǎn)品，估算其健康狀態(tài)soh。

2、健康狀態(tài)soh用來表征儲能系統(tǒng)中鋰電池的老化程度，對于后備電源用鋰電池儲能系統(tǒng)而言，是最重要的狀態(tài)之一。目前soh的定義尚未完全統(tǒng)一，但核心思想為：將待測鋰電池某一項狀態(tài)參數(shù)的當(dāng)前測量值與其初始值或額定值進(jìn)行對比，以百分?jǐn)?shù)表示作為soh。多種可測的狀態(tài)參數(shù)中，鋰電池的最大可用容量(maximum?capacity?available,mca)是soh估算常選用的參數(shù)。

3、從最大可用容量mca角度定義健康狀態(tài)soh，記為sohc：

4、

5、式中cmca表示最大可用容量，cnominal表示初始或額定容量。理想情況下，鋰電池的mca可以通過容量測試得到，測試步驟如下：

6、(1)以額定電流對鋰電池進(jìn)行恒流充電，到達(dá)鋰電池額定充電截止電壓后，由恒流充電轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至充電電流降低至0.05c為止；

7、(2)靜置60分鐘；

8、(3)以額定電流對鋰電池進(jìn)行恒流放電，達(dá)到鋰電池額定放電截止電壓后停止；

9、(4)靜置60分鐘；

10、(5)上述測試重復(fù)進(jìn)行3次，取平均放電容量作為鋰電池當(dāng)前的最大可用容量。

11、容量測試一般在25±2℃條件下進(jìn)行，鋰電池出廠后進(jìn)行的容量測試結(jié)果或廠商標(biāo)定的容量可作為cnominal；鋰電池在運(yùn)行一段時間后通過容量測試得出的結(jié)果即為cmca。在實際應(yīng)用中，鋰電池一般先串聯(lián)成鋰電池簇，再將鋰電池簇并聯(lián)形成系統(tǒng)，因此很難精確地將所有鋰電池充/放電至相同的額定充/放電電壓。同時容量測試耗時長，鋰電池管理系統(tǒng)(battery?management?system,bms)難以將其作為估算soh的常規(guī)手段，而是將容量測試簡化后作為soh定期修正的補(bǔ)充手段。現(xiàn)階段bms中估算soh仍然以估算最大可用容量mca作為主要方式，常見方法有2種：部分充放電法和磨損查表法。

12、1.部分充放電法

13、對于正極材料為三元鋰的鋰電池，在soc∈[0,100％]區(qū)間內(nèi)，其端電壓(terminalvoltage)或開路電壓(open?circuit?voltage,ocv)變化范圍相較以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰電池更大，不存在明顯的電壓平臺期，如圖1所示。因此可以通過2個soc點之間的部分充放電容量先估算最大可用容量mca，再計算soh，該方法也稱為雙穩(wěn)態(tài)點法，估算過程如下：

14、利用當(dāng)前溫度下的最大可用容量cmcat表示a點和b點的soc：

15、

16、通過部分充放電容量計算cmca_t：

17、

18、在不同溫度下，鋰電池充放電能力有所不同，導(dǎo)致由部分充放電法估算得到的某溫度最大可用容量cmca_t區(qū)別于其它溫度。為了統(tǒng)一估算標(biāo)準(zhǔn)，在計算sohc時需要進(jìn)行統(tǒng)一，折算表達(dá)式如(4)所示。

19、

20、其中cnominal_t為該溫度下的初始/標(biāo)稱容量，某134ah三元鋰電池不同溫度的初始/標(biāo)稱容量表如表1所示。

21、表1不同溫度下的初始/標(biāo)稱容量cnominal_t表

22、

23、可見通過部分充放電法估算sohc，結(jié)果受溫度影響較大，而提前建立如表1的不同溫度初始/標(biāo)稱容量對照表是必要的，表內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的準(zhǔn)確性對估算結(jié)果的影響也較為顯著。

24、2.磨損查表法

25、使用磨損查表法，需要遵循一個基本假設(shè)：鋰電池當(dāng)前的最大可用容量mca隨循環(huán)次數(shù)近似線形地下降，如圖2所示。

26、在此前提下，近似認(rèn)為鋰電池累計充電或者放電的總?cè)萘颗c標(biāo)稱容量和標(biāo)稱循環(huán)次數(shù)之積近似成線性關(guān)系，如(5)所示。

27、

28、式(5)中，cacc表示累計充電或者放電容量，nnominal表示鋰電池額定循環(huán)次數(shù)。磨損查表法常用于磷酸鐵鋰電池，但由于缺乏有效的測量和準(zhǔn)確的計算，精度低于部分充放電法。

29、最大可用容量mca和直流內(nèi)阻dcr都可以作為健康狀態(tài)soh的衡量標(biāo)準(zhǔn)，原因在于隨著鋰電池的使用和貯存，其mca不斷衰減，dcr不斷升高，二者在鋰電池全生命周期內(nèi)基本是單調(diào)變化的。從mca角度定義soh可以動態(tài)體現(xiàn)鋰電池性能，結(jié)合荷電狀態(tài)soc估算能夠快速地得到鋰電池的能量狀態(tài)(state?of?energy,soe)。從dcr角度定義soh可以更好地體現(xiàn)鋰電池的安全性，因為dcr與鋰電池異常、失效和故障等的關(guān)聯(lián)更密切，同時dcr的變化過程線性度相較mca更好，對應(yīng)的soh估算結(jié)果突變較小。除此以外，相較于交流阻抗(alternating?current?impedance,aci)，甚至于電化學(xué)阻抗譜(electrochemicalimpedance?spectroscopy,eis)，mca和dcr在實際應(yīng)用中可以通過相對便捷的方法在線獲取。

30、本發(fā)明的應(yīng)用對象為風(fēng)機(jī)變槳后備電源，其中的儲能鋰電池靜置時間長、啟動次數(shù)(充放電次數(shù))少，如果基于最大可用容量mca開展鋰電池的soh估算，由于鋰電池系統(tǒng)長期靜置的特點，soh計算結(jié)果不準(zhǔn)確，無法反映鋰電池真實的狀態(tài)，也不能作為壽命終止的判據(jù)。除部分充放電法和磨損查表法以外，如果根據(jù)鋰電池日歷壽命衰減表，通過時間查表得到soh，由于鋰電池所處的溫域很寬(-20～55℃)，而不同溫度下的日歷衰減速率顯著不同，特別是高溫下的衰減速度很快，很難建立精確的日歷衰減曲線，將導(dǎo)致查表結(jié)果與真實情況差距很大。如果將基于mca的soh估算與日歷衰減查表結(jié)合，一個主要的問題是鋰電池長期靜置后的高功率放電可能引起較大的容量衰減，同樣難以得到準(zhǔn)確的soh值。

31、考慮到mca這一參數(shù)在soc、soe的估算中都是需要的，基于最大可用容量mca的soh估算方法是現(xiàn)階段主流bms的選擇，但對于安全性要求高、而使用次數(shù)少的后備電源場景而言，基于直流內(nèi)阻dcr的soh估算方法更有應(yīng)用價值。

32、以下對傳統(tǒng)基于mca的soh估算方法和本發(fā)明提出的基于dcr的soh估算方法進(jìn)行分析和比較。

33、1.誤差來源

34、傳統(tǒng)基于最大可用容量mca的soh估算方法，如部分充放電法，首先需要獲取soc值，因此主要的誤差來源于soc。主流bms中soc的計算有兩種方法——安時積分法和開路電壓法，以安時積分法為例，如(6)所示。

35、

36、其中sohah表示由安時積分法估算得到的soc值，soc0表示安時積分計算時的初值。可見soc值也是通過估算得到，因而在估算soh時，誤差首先來源于soc初值的選取，即soc0。此外，在安時積分法中，需要提前獲知鋰電池當(dāng)前的cmca，而由式(2)-(4)，部分充放電法正是通過cmca來估算sohc，相當(dāng)于未知數(shù)cmca形成嵌套。若采用bms上一次估算的soh反向計算cmca，先代入到soc中，再計算本次的soh值，將引入較大誤差。

37、若采用開路電壓法估算soc，由于實際應(yīng)用時獲取ocv較為困難，通常采用端電壓近似ocv，而鋰電池電壓的弛豫現(xiàn)象將引入很大誤差。即便考慮ocv與soc之間的一一對應(yīng)關(guān)系，且假設(shè)ocv的獲取沒有誤差，由于ocv-soc對應(yīng)關(guān)系并非簡單的線性映射，而是通過cmca標(biāo)定的非線性映射，即使通過開路電壓法先估算soc，再通過部分充放電法估算soh，在理想情況下也無法規(guī)避誤差。所以安時積分法和開路電壓法本質(zhì)上無法與當(dāng)前最大可用容量mca解耦，導(dǎo)致部分充放電法的誤差無法避免。

38、2.結(jié)果波動

39、根據(jù)鋰電池的恒功率和恒電流循環(huán)老化實驗及其擬合曲線，關(guān)于soh估算有2個現(xiàn)象值得注意。一是鋰電池的sohc在一定范圍內(nèi)存在波動，存在后面循環(huán)mca大于前面循環(huán)mca的情況。二是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，soh衰減的速率發(fā)生變化，根據(jù)磷酸鐵鋰電池的測試，實驗結(jié)果呈現(xiàn)soh衰減速率變化的情況，如圖3所示。

40、第一個現(xiàn)象表明鋰電池的mca是在長時間尺度上動態(tài)下降的，但在相鄰循環(huán)中，由于鋰電池電化學(xué)特性的動態(tài)變化，mca可能出現(xiàn)反復(fù)。第二個現(xiàn)象表明在長時間的循環(huán)測試中，鋰電池自身的穩(wěn)態(tài)會發(fā)生變化，盡管測試工況相同，不同階段的容量衰減速率有所不同。這些現(xiàn)象表明，傳統(tǒng)基于mca的soh估算方法，特別是磨損查表法的誤差無法避免。更重要的是，若采用累計充電或者放電容量進(jìn)行計算，由于實際的充放電深度和工況與實驗測量的明顯不同，這樣的近似方式存在很大誤差，因此基于mca的soh估算結(jié)果精度有限，因此很難用于壽命終止條件的判斷。

41、3.容量跳水

42、對于以三元鋰為正極材料的鋰電池，當(dāng)循環(huán)充放電達(dá)到一定次數(shù)后，存在容量快速衰減的“容量跳水”現(xiàn)象，如圖4所示。若將基于最大可用容量mca的soh估算方法用于此類鋰電池，還可能給儲能系統(tǒng)帶來安全隱患。

43、容量跳水的原因從正極上看是因為正極顆粒破裂，顆粒破裂后金屬元素溶解，與電解液發(fā)生副反應(yīng)，又引起了電解液的快速消耗，當(dāng)電解液消耗殆盡后，容量跳水現(xiàn)象開始顯著。從負(fù)極上看，隨著鋰電池循環(huán)次數(shù)的增加，負(fù)極表面誘發(fā)析鋰副反應(yīng)，導(dǎo)致活性鋰離子損失激增，形成鈍化膜，使得固態(tài)電解質(zhì)界面(solid?electrolyte?interface,sei)膜的阻抗激增，從而進(jìn)入容量快速衰減階段。為了規(guī)避容量跳水現(xiàn)象帶來的鋰電池可用性快速下降以及安全隱患，基于mca的soh估算方法，特別是磨損查表法不適合三元鋰電池。

44、需要說明的是，在上述背景技術(shù)部分公開的信息僅用于加強(qiáng)對本發(fā)明的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，為此，提供了基于直流內(nèi)阻的后備電源健康狀態(tài)估算方法。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、基于直流內(nèi)阻的后備電源健康狀態(tài)估算方法，包括：

4、首先進(jìn)行直流內(nèi)阻dcr的測定：

5、鋰電池以1c的電流恒流充電至截止電壓后，轉(zhuǎn)恒壓充電至充電電流為0.05c；

6、擱置30min；

7、以1/3c的電流恒流放電90min，調(diào)整soc為固定值，其中，soc表示鋰電池的荷電狀態(tài)；

8、擱置2h；

9、記錄擱置末期電壓u1，用1c的電流恒流放電10s，記錄放電末期電壓u2，則soc為對應(yīng)固定值時的直流內(nèi)阻dcr為：

10、

11、其中，i為階躍電流；

12、然后，基于直流內(nèi)阻dcr，得出健康狀態(tài)sohr的最基本形式為：

13、

14、其中reol、rpresent和rnominal分別表示壽命終止時的、當(dāng)前的和初始的直流內(nèi)阻dcr。

15、以下為本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案，直流內(nèi)阻dcr與soc、ocv、mca和溫度有關(guān)，則健康狀態(tài)sohr的通用表達(dá)式為：

16、sohr＝f(soc,mca,t)or?sohr＝f(ocv,mca,t)

17、其中，soc表示鋰電池的荷電狀態(tài)，ocv表示開路電壓，mca表示鋰電池的最大可用容量。

18、以下為本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案，將室溫25±2℃作為標(biāo)準(zhǔn)，健康狀態(tài)sohr表示為：

19、

20、

21、其中reol(soc)、rpresent(soc)和rnominal(soc)表示固定soc處的3個dcr值，reol(ocv)、rpresent(ocv)和rnominal(ocv)表示固定ocv處的3個dcr值。

22、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果：

23、本發(fā)明提出的基于直流內(nèi)阻dcr的soh估算方法，優(yōu)勢為鋰電池的dcr可以作為表征壽命衰減的直接物理量，理論上鋰電池的壽命無論是在何種工況下衰減的，都將導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻的上升，因此soh估算結(jié)果的有效性很高。從微觀尺度上定性地看，鋰電池的壽命衰減歸因于鋰庫存損失(loss?of?lithium?inventory,lli)和活性物質(zhì)損失(loss?ofactive?material,lam)。這些物質(zhì)的損失往往意味著sei膜的加厚、負(fù)極處的析鋰、電極結(jié)構(gòu)的破壞等，一方面意味著承載電荷的載體——活性鋰的減少，另一方面意味著粒子擴(kuò)散速率的下降，在宏觀尺度上則可以表現(xiàn)為電阻的升高。因此，通過sohr進(jìn)行估算，可以降低變槳后備電源的特殊工況對soh估算的負(fù)面影響，得出更準(zhǔn)確的估算結(jié)果，同時還可以更為有效地反映儲能鋰電池的安全狀態(tài)。

24、下面結(jié)合附圖與實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步說明。