CN106033114A - 一种储能电池健康状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种储能电池健康状态评估方法，所述方法包括以下步骤：I、采集所述储能电池的外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；II、所述储能电池循环运行若干次后，采集外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；III、计算所述波动率的变化，判断所述电池是否健康。本发明提供的方法，通过电池相同条件下重复测试的外特性参数波动幅度来定量评估电池的健康状态，该方法测试简单、无需复杂算法，且可实现实时、在线评估，可以为锂离子电池的日常使用和维护提供依据。

Description

一种储能电池健康状态评估方法

技术领域

本发明涉及一种二次电池储能技术领域的方法，具体讲涉及一种储能电池健康状态评估方法。

背景技术

电池储能是当今储能技术发展的一个重要分支，锂离子二次电池技术则是电池储能中最具潜力的技术之一，具有能量密度大、循环寿命长、自放电率低等诸多优点。然而，它的安全性始终没有很好的解决，近年来由于电动车用动力电池引起的多起安全事故，引发了人们对于锂离子二次电池储能的安全顾虑。另外，由于“木桶效应”，即电池之间的一致性差别，会造成锂离子电池成组后的寿命显著低于电池单体的寿命，电池单体的老化会造成电池组及电池系统的整体性能快速下降。

为了提高电池储能应用的安全性，以及从便于电池运行管理、维护的角度出发，需要对电池的状态进行检测、评估。目前常见的是对电池的荷电状态(State of Charge,SOC)和健康状态(State of health,SOH)的在线评估技术，其中健康状态的评估技术主要是以电池为考察对象，评估电池的当前运行状态，通过与初始状态对比，判断电池健康程度，为电池储能系统的运行管理、维护及检修提供依据和判断标准。

目前电池的健康状态还没有统一的表述，多数是指在一定的条件下，电池所能充入或者放出电量(电池当前的容量值)与电池标称容量的百分比。SOH反应的是使用中电池的容量保持率，对一块刚出厂的新电池，其SOH值为100％，随着电池的逐渐老化，电池SOH值将不断减小，根据IEEE标准规定，当动力电池的容量值下降到80％时，电池已老化且不能使用，应及时更换电池。电池老化是妨碍锂电池电动汽车和储能领域广泛应用的主要因素之一。

现有技术中，估算SOH的方法有以下几种：①直接放电测容量法，这种方法是对SOH测评最可靠的方法，但是只能离线测量，不能满足在线测量的要求；②电化学阻抗法，这种方法是实验室研究中最常用的方法，测量分析结果针对性强，但是成本高，数据处理复杂；③电压曲线模型法，研究电池充放电时电池的端电压跟SOH的关系而建立模型的一种方法，这种方法虽然建模周期短，过程简单，但是一类型号的电池对应一种模型，针对不同型号的电池需要重新建立模型，且对于工作电压平稳的电池类型(比如磷酸铁锂电池)，电池的端电压跟电池SOH的内在关系不是很明显，SOH估算精确度尚有待提高。然而，目前这些方法均是根据技术手段判断电池容量的衰减情况来表示电池的健康程度，而电池的健康程度与电池容量衰减程度并不具有绝对的一一对应的关系，电池容量的衰减、性能的老化等等只是电池健康状态恶化的表现的部分现象，本专利认为除了容量衰退这种表示电池健康状态程度的表示方法之外，电池外特性的稳定性也应视为电池健康状态的一种表现，即电池在运行周期内外特性的波动率的变化，也可以反映出电池的健康状态，因为电池外特性的稳定程度决定着电池作为储能期间的运行质量，对于整个储能系统的稳定性具有显著的影响，而目前已有的电池健康状态评估技术无法判断电池外特性的稳定性。

因此，从稳定性的角度出发，需要提出一种评估储能电池健康状态的方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种储能电池健康状态评估方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种储能电池健康状态评估方法，所述方法包括以下步骤：

I、采集所述储能电池的外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；

II、所述储能电池循环运行若干次后，采集外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；

III、计算所述波动率的变化，判断所述电池是否健康。

优选地，所述外特性参数包括电池的电压、容量、内阻、能量和功率。

优选地，所述步骤I中，计算所述外特性参数数据的波动率包括：

计算固定时间段内或固定循环次数内的所述外特性参数的方差、均方差、极差和变异系数。

优选地，所述计算所述外特性参数数据的波动率包括：

计算固定时间段内或固定循环次数内的电池的外特性参数的方差、均方差、极差和变异系数；

按下式确定固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的方差D：

$D\left(x_n\right)=\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2$

按下式确定固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的均方差σ：

$\mathrm{\σ}\left(x_n\right)={\left[\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{1/2}$

按下式确定固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的极差A：

A(x_n)＝x_max,n-x_min,n；

按下式确定固定时间段内或固定循环次数n内的电池外特性参数x的变异系数CV：

$\mathrm{CV}\left(x_n\right)=\frac{{\left[\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{1/2}}{\stackrel{\‾}{x}}\×100\%$

上式中，为外特性参数在固定时间段或固定循环次数内的平均值，x_max,n、x_min,n分别表示电池外特性x在时间点n的最大参数、最小参数。

优选地，所述步骤III中，判断所述电池是否健康包括：以所述储能电池的外特性参数波动变化评估参量的基值作为电池健康状态的原点，以评估参量J_n与基值J₀之间的商值作为电池健康状态的判据；

按下式确定所述电池健康状态的判据J：

$J=\frac{J_n}{J_0}.$

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的方法，通过电池相同条件下重复测试的外特性参数波动幅度来定量评估电池的健康状态，该方法测试简单、无需复杂算法，且可实现实时、在线评估，可以为锂离子电池的日常使用和维护提供依据。

2、与传统的电池健康状态方法评估的内容不同，本发明的方法不是对于电池容量保持率的评估方法，而是以电池长期运行过程中的电压、容量、内阻、能量和功率等外特性参数的波动幅度作为表征电池健康状态的参数，根据电池全寿命周期内的外特性参数的波动幅度的变化来评估、判断电池健康状态。

3、电力系统的稳定性是重要的系统衡量指标，储能系统参与电网削峰填谷、跟踪计划出力等运行模式，除了储能系统的能量、功率输出能力满足电网需求外，其稳定性也对电网具有重要的影响，电池外特性参数的波动通过储能系统整体放大，会对与之连接的电网系统造成不确定性的影响和一定的负担，而目前已有的电池健康状态评估方法无法针对这种状况进行有效评估，本发明专利从电网运行需求出发，从稳定性的概念来提出一种新的电池健康状态评估方法，补充目前电池健康状态评估的不足。

附图说明

图1为本发明中基于波动幅度的储能电池健康状态评估方法流程图；

图2为本实施例中电池容量与循环次数曲线关系图；

图3为本实施例中电池容量保持率与循环次数曲线关系图；

图4为本实施例中电池十次测试周期的容量保持率的均方差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

一种储能电池健康状态评估方法，该方法基于波动幅度来评估电池健康状态，具体来说，该方法包括以下步骤：

步骤一、采集所述储能电池的外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；

步骤二、所述储能电池循环运行若干次后，采集外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；

步骤三、计算所述波动率的变化，判断所述电池是否健康。

所述外特性参数包括电池电压、容量、内阻和能量、功率。步骤一中，采集固定时间段内、或者固定循环次数内的电池运行过程中的外特性参数数据。

如图2、3所示，分别为某厂家生产的电池容量与循环次数曲线关系实例图、电池容量保持率与循环次数曲线示例图。

可以看出，该电池的外特性参数——容量和容量保持率随着循环次数在逐渐衰减，而且容量和容量保持率的稳定性也在逐渐恶化，表现为频繁出现不同幅度的波动，比如图3中容量保持率的均方差从0.01提高到0.3、1.1。

步骤一中，计算所述外特性参数数据的波动率包括：

计算固定时间段内或固定循环次数内的所述外特性参数的方差、均方差、极差和变异系数。

计算所述外特性参数数据的波动率包括：

计算固定时间段内或固定循环次数内的电池外特性参数的方差、均方差、极差和变异系数。

固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的方差D的计算公式为：

$D\left(x_n\right)=\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2$

其中，n为时间点或固定循环次数；x_n、分别为固定时间或固定循环次数n所对应的外特性参数及其平均值；

固定时间点或固定循环次数n内的电池外特性参数x的均方差σ的计算公式为：

$\mathrm{\σ}\left(x_n\right)={\left[\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{1/2}$

其中，n为时间点或固定循环次数；x_n、分别为固定时间或固定循环次数n所对应的外特性参数及其平均值。如图4所示，图4为电池十次测试周期的容量保持率的均方差示意图；

固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的极差A的计算公式为：

A(x_n)＝x_max,n-x_min,n；

其中，n为时间点或固定循环次数；x_max,n、x_min,n分别表示电池外特性参数x在时间点n的最大值、最小值；

固定时间段内或固定循环次数n内的电池外特性参数x的变异系数CV的计算公式为：

$\mathrm{CV}\left(x_n\right)=\frac{{\left[\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{1/2}}{\stackrel{\‾}{x}}\×100\%$

其中，n为时间点或固定循环次数；x_n、分别为固定时间或固定循环次数n所对应的外特性参数及其平均值。

步骤三中，判断所述电池是否健康包括：以所述储能电池的外特性参数波动变化评估参量的基值作为电池健康状态的原点，以评估参量J_n与基值J₀之间的商值作为电池健康状态的判据；

电池健康状态的判据J的计算公式为：

$J=\frac{J_n}{J_0}.$

进一步的，本发明提供一种判断实施例，对于实施例中的某厂家生产的储能电池，当所述判据J∈[1,30]，则判断所述储能电池处于健康状态；

当所述判据J∈[31,100]，则判断所述储能电池处于亚健康；

当所述判据J∈[101,∞]，则判断所述储能电池不健康。

需要说明的是，上述判据的范围在实际应中根据不同情况、不同要求、不同型号的电池应可以变化。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种储能电池健康状态评估方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

I、采集所述储能电池的外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；

II、所述储能电池循环运行若干次后，采集外特性参数数据，并计算所述外特性参数数据的波动率；

III、计算所述波动率的变化，判断所述电池是否健康。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述外特性参数包括电池的电压、容量、内阻、能量和功率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤I中，计算所述外特性参数数据的波动率包括：

计算固定时间段内或固定循环次数内的所述外特性参数的方差、均方差、极差和变异系数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述计算所述外特性参数数据的波动率包括：

计算固定时间段内或固定循环次数内的电池的外特性参数的方差、均方差、极差和变异系数；

按下式确定固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的方差D：

$D\left(x_n\right)=\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2$

按下式确定固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的均方差σ：

$\mathrm{\σ}\left(x_n\right)={\left[\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{1/2}$

按下式确定固定时间段或固定循环次数n内的电池外特性参数x的极差A：

A(x_n)＝x_max,n-x_min,n；

按下式确定固定时间段内或固定循环次数n内的电池外特性参数x的变异系数CV：

$\mathrm{CV}\left(x_n\right)=\frac{{\left[\frac{1}{n-1}\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{(x_n-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{1/2}}{\stackrel{\‾}{x}}\×100\%$

上式中，x_n、分别为固定时间点或固定循环次数n所对应的外特性参数及其平均值，x_max,n、x_min,n分别表示电池外特性参数x在时间点n的最大值、最小值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤III中，判断所述电池是否健康包括：以所述储能电池的外特性参数波动变化评估参量的基值作为电池健康状态的原点，以评估参量J_n与基值J₀之间的商值作为电池健康状态的判据；

按下式确定所述电池健康状态的判据J：

$J=\frac{J_n}{J_0}.$