CN107248597A - 一种液态金属电池的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态金属电池特征参数的获取方法及液态金属电池的建模方法，对液态金属电池分别进行充电方向的脉冲测试、放电方向的脉冲测试和混合脉冲功率性能测试，获取电池电流、电压和充放电时间的测试数据；利用测试数据拟合得到开路电压Uoc与SOC的函数关系式；将脉冲过程测试数据和充、放电过程测试数据同时作为液态金属电池的特征参数辨识仿真模型的输入数据，获得各特征参数分别在充、放电方向关于SOC的函数关系式。本发明充分考虑到液态金属电池特征参数在高SOC和低SOC特征参数变化比较剧烈，通过调整脉冲测试工步和参数辨识过程，由此准确地获取液态金属电池特征参数和输出特性，从而获取更为准确的电池模型。

Description

一种液态金属电池的建模方法
技术领域
本发明属于电化学储能领域，更具体地，涉及一种液态金属电池的建模方法。
背景技术
电化学储能技术在增强电网对大规模可再生能源的接纳能力、促进传统电网的升级与变革、提高供电可靠性和改善电能质量等方面有着举足轻重的作用。但现有的电化学储能技术都因为安全特性不佳和储能成本较高而无法满足大规模储能系统的要求，液态金属电池正是应对这一挑战而发展起来的新型电化学储能技术。液态金属电池工作温度在300℃～700℃，正负极材料均由廉价液态金属构成，电解质为熔融态无机盐。由于液态金属和无机盐互不相溶而自动分为三层，其结构简单，无需特殊隔膜，易于组装、放大和生产。全液态的结构设计使液态金属电池传质速度快，电池效率高。由于摒弃了常规电池隔膜，液态金属电池性能稳定，寿命较长，预期寿命15年以上。
为促进液态金属电池在储能领域的进一步应用，对液态金属电池进行建模，研究其特征参数和输出特性是一项非常重要的工作。中国发明专利CN201610268697.X首次对液态金属电池展开了建模研究，但其没有考虑液态金属电池特征参数在高SOC和低SOC变化比较剧烈，且实际的充放电方向的特征参数不完全相同，因此其模型准确度还有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液态金属电池的建模方法，其目的在于通过调整脉冲测试工步和参数辨识过程，由此准确地获取液态金属电池特征参数和输出特性，获取一种改进的液态金属电池特征参数获取方法，进而获取一种改进的液态金属电池建模方法，由此解决现有技术的液态金属电池建模方法中，由于没有考虑液态金属电池特征参数在高SOC和低SOC变化比较剧烈，且实际的充放电方向的特征参数不完全相同，现有技术液态金属电池模型准确度不高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液态金属电池特征参数的获取方法，包括如下步骤：
(1)对液态金属电池分别进行充电方向的脉冲测试、放电方向的脉冲测试和混合脉冲功率性能测试，获取包括所述电池的电流、电压、充电时间和放电时间的测试数据；所述充电方向的脉冲测试包括充电方向的脉冲过程测试和充电过程测试；所述放电方向的脉冲测试包括放电方向的脉冲过程测试和放电过程测试；
(2)利用步骤(1)获得的电压测试数据拟合得到开路电压Uoc与SOC的函数关系式；
(3)利用步骤(1)获得的测试数据进行所述液态金属电池的特征参数辨识，获得所述液态金属电池各特征参数分别在充电方向和放电方向关于SOC的函数关系式。
优选地，所述脉冲过程测试包括如下步骤：在SOC(State of Charge)不高于20％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试；在SOC不低于80％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试。
优选地，步骤(1)所述脉冲测试和所述混合脉冲功率性能测试的测试电流的获取方法为：采用额定电流对所述液态金属电池进行N次完整的充放电，N≥4，取后N-1次放电容量的平均值作为所述电池的实际容量；根据实际容量设计所述测试电流Ip为0.2C～0.5C。
优选地，在获取充电方向各特征参数关于SOC的函数关系式时，步骤(3)所述测试数据包括所述充电方向的脉冲过程测试数据和所述充电过程测试数据；在获取放电方向各特征参数关于SOC的函数关系式时，步骤(3)所述测试数据包括所述放电方向的脉冲过程测试数据和所述放电过程测试数据。
按照本发明的另一个方面，提供了一种液态金属电池的建模方法，包括所述的特征参数的获取方法。
优选地，所述建模方法包括如下步骤：
(1)构建液态金属电池等效电路模型；
(2)按照所述的特征参数获取方法获取所述液态金属电池的特征参数；
(3)利用得到的特征参数构建液态金属电池仿真模型。
优选地，根据液态金属电池的电化学阻抗谱拟合电路构建所述液态金属电池等效电路模型。
优选地，所述的建模方法，还包括步骤(4)：根据所述电池的混合脉冲功率性能测试数据对所述电池仿真模型进行验证。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明的液态金属电池特征参数获取方法分别进行充电方向的脉冲测试、放电方向的脉冲测试和混合脉冲功率性能测试，获取所述电池电流、电压、充放电容量和充放电时间的测试数据，将电池充电特征参数和放电特征参数分开进行辨识，得到的模型更加准确地反映电池的实际输出特性。
(2)本发明的液态金属电池特征参数获取方法中充、放电方向的脉冲测试包括脉冲过程测试和充、放电过程测试；脉冲过程测试包括如下步骤：在SOC不高于20％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试；在SOC不低于80％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试；在其余SOC区间，SOC每变化10％进行一次脉冲测试，充分考虑到液态金属电池特征参数在高SOC和低SOC特征参数变化比较剧烈，本发明通过增加高SOC和低SOC区间的脉冲数量，从而增加特征参数的数据，获取特征参数更为准确的变化趋势。
(3)参数辨识过程中，传统的脉冲参数辨识的方法并不一定能准确地搜索到合理路径，也不能更好的评估一段SOC曲线内特征参数的最优值，本发明的参数辨识仿真模型不仅采用脉冲过程测试数据，而且采用充、放电过程测试数据作为输入数据，使得参数辨识仿真模型中的开路电压将不再是常规的定值，而是由不断变化的SOC通过开路电压曲线计算得来，并进行实时更新，从而得到的模型更加准确地反映电池的实际输出特性。
(4)本发明在获取电池的实际容量时，采用额定电流对液态金属电池进行N次完整的充放电，取后N-1次放电容量的平均值作为电池的实际容量；由于液态金属电池首周容量不稳定，取后N-1次放电容量的平均值作为电池的实际容量，得到的实际容量值更加准确，也为进一步获取准确的电池模型打下基础。
附图说明
图1为本发明实施例1液态金属电池建模方法流程图；
图2为本发明实施例1二阶Thevenin等效电路模型图；
图3为本发明实施例1充电方向的脉冲测试工步；
图4为本发明实施例1放电方向的脉冲测试工步；
图5为本发明实施例1混合脉冲功率性能测试工步；
图6为本发明实施例1改进的MATLAB/Simulink参数辨识模型；
图7为本发明实施例1液态金属电池MATLAB/Simulink仿真模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种改进的液态金属电池特征参数的获取方法，包括如下步骤：
(1)对液态金属电池分别进行充电方向的脉冲测试、放电方向的脉冲测试和混合脉冲功率性能测试，获取所述电池电流、电压、充放电容量和充放电时间的测试数据。
与传统的获取液态金属电池特征参数仅采用混合脉冲功率性能测试不同，本发明对液态金属电池分别进行充电方向的脉冲测试、放电方向的脉冲测试和混合脉冲功率性能测试，获取所述电池电流、电压、充放电容量和充放电时间的测试数据，将电池充电特征参数和放电特征参数分开进行辨识，由于充电特征参数和放电特征参数不完全相同，分开辨识得到的特征参数更加准确，因此得到的模型更加准确地反映电池的实际输出特性。
充分考虑到液态金属电池特征参数在高SOC和低SOC特征参数变化比较剧烈，本发明通过增加高SOC和低SOC区间的脉冲数量，从而增加特征参数的数据，获取特征参数更为准确。因此步骤(1)脉冲过程测试包括如下步骤：在SOC不高于20％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试；在SOC不低于80％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试；在其余SOC区间，SOC每变化10％进行一次脉冲测试。
步骤(1)所述脉冲测试和所述混合脉冲功率性能测试的测试电流的获取方法为：采用额定电流对所述液态金属电池进行N次完整的充放电，N≥4，取后N-1次放电容量的平均值作为所述电池的实际容量；根据实际容量设计所述测试电流Ip为0.2C～0.5C。由于液态金属电池首周容量不稳定，取后N-1次放电容量的平均值作为电池的实际容量，得到的实际容量值更加准确，也有助于获得更为准确的特征参数辨识模型。
(2)利用步骤(1)获得的测试数据拟合得到开路电压Uoc与SOC的函数关系式；利用步骤(1)获得的测试数据作为液态金属电池的特征参数辨识仿真模型的输入数据，获得液态金属电池各特征参数在充电方向和放电方向关于SOC的函数关系式。
步骤(1)中充电方向的脉冲测试包括脉冲过程测试和充电过程测试；放电方向的脉冲测试包括脉冲过程测试和放电过程测试。步骤(2)参数辨识仿真模型的输入数据不仅包括脉冲过程测试数据，还同时包括充、放电过程测试数据，也即将脉冲过程测试数据段和充或放电过程测试数据段同时作为输入数据输入该参数辨识仿真模型中，使得参数辨识工具更加准确地搜索到合理路径，更好地评估一段SOC区间内特征参数的最优值。其中脉冲过程是指针对某一SOC定点进行短时间充电或放电，其不会对SOC造成明显影响，比如SOC变化在0.01％以内；而放电过程是指对电池进行较长一段时间放电，电池SOC会明显变小；反之充电过程是指对电池进行较长一段时间充电，电池SOC会明显变大。两次脉冲过程之间对电池的充、放电即为充、放电过程测试。
本发明提供的一种改进的液态金属电池的建模方法，包括上述特征参数获取方法，具体地，包括如下步骤：
(1)构建液态金属电池等效电路模型；
(2)按照上述液态金属电池特征参数获取方法获取所述电池的特征参数；
(3)利用得到的特征参数构建液态金属电池仿真模型，所述仿真模型包括电流数据输入端口、电压数据输入端口、SOC计算模块、特征参数获取模块、输出电压计算模块和输出比较模块；
(4)根据上述电池的混合脉冲功率性能测试数据对所述电池仿真模型进行验证。
以下为实施例：
对一个额定容量为20Ah的液态金属电池作为研究对象，提出了一种改进的建模方法，具体流程如图1所示，包括如下步骤：
(1)根据该液态金属电池的电化学阻抗谱拟合电路构建液态金属电池二阶Thevenin等效电路模型，根据等效电路模型确定液态金属电池的特征参数，分别为开路电压Uoc，欧姆内阻R0，极化内阻R1，极化电容C1，扩散等效电阻Rw和扩散等效电容Cw；如图2所示。
(2)对该液态金属电池进行额定电流恒流完整充放电测试4次，取后三次放电容量的平均值作为电池的实际容量。
(3)根据上述液态金属电池的实际容量设计测试电流，测试电流Ip为0.2C，分别对其进行充电方向的脉冲测试、放电方向的脉冲测试和混合功率脉冲性能测试，分别获取所述电池电流、电压和充放电时间的测试数据。
考虑到液态金属电池特征参数在高SOC和低SOC变化比较剧烈，充电方向的脉冲测试和放电方向的脉冲测试，在SOC为0～10％和90％～100％两个区间，SOC每变化2％进行一次脉冲测试，其余区间，SOC每变化10％进行一次脉冲测试。
其中，充电方向的脉冲测试应先将电池放完电，其工步流程如图3所示，具体如下：
(C-1)0.2C充电10s；
(C-2)搁置40s；
(C-3)充电5min50s；
(C-4)搁置10min；
(C-5)循环(C-1)～(C-4)共计5次；
(C-6)0.2C充电10s；
(C-7)搁置40s；
(C-8)充电29min50s；
(C-9)搁置10min；
(C-10)循环(C-6)～(C-9)共计9次；
(C-11)0.2C充电10s；
(C-12)搁置40s；
(C-13)充电5min50s；
(C-14)搁置10min；
(C-15)循环(C-11)～(C-14)共计5次；
充电方向的脉冲测试包括脉冲过程测试和充电过程测试；上述充电方向的脉冲测试具体工步中步骤(C-1)、(C-2)、(C-6)、(C-7)、(C-11)和(C-12)为充电方向的脉冲过程测试步骤；而步骤(C-3)、(C-8)和(C-13)为充电方向的充电过程测试步骤。
放电方向的脉冲测试应先将电池充满电，其工步流程如图4所示，具体如下：
(D-1)0.2C放电10s；
(D-2)搁置40s；
(D-3)放电5min50s；
(D-4)搁置10min；
(D-5)循环(D-1)～(D-4)共计5次；
(D-6)0.2C放电10s；
(D-7)搁置40s；
(D-8)放电29min50s；
(D-9)搁置10min；
(D-10)循环(D-6)～(D-9)共计9次；
(D-11)0.2C放电10s；
(D-12)搁置40s；
(D-13)放电5min50s；
(D-14)搁置10min；
(D-15)循环(D-11)～(D-14)共计5次。
放电方向的脉冲测试包括脉冲过程测试和放电过程测试；上述放电方向的脉冲测试具体工步中步骤(D-1)、(D-2)、(D-6)、(D-7)、(D-11)和(D-12)为充电方向的脉冲过程测试步骤；而步骤(D-3)、(D-8)和(D-13)为充电方向的充电过程测试步骤。
步骤(3)中的混合脉冲功率性能测试应先将电池充满，其工步流程如图5所示，具体如下：
(P-1)0.2C放电10s
(P-2)搁置40s
(P-3)0.2C充电10s
(P-4)搁置40s
(P-5)0.2C放电30min
(P-6)搁置10min
(P-7)循环(P-1)～(P-6)共计11次。
(4)对获得的电池电压和充放电时间使用Origin软件进行数值拟合得到开路电压Uoc与SOC的函数关系式；对获得的电池电流、电压和充放电时间的测试数据，利用MATLAB/Simulink仿真软件，搭建二阶Thevenin参数辨识仿真模型，如图6所示，使用仿真软件中parameter estimation工具箱对电池的充电特征参数和放电特征参数进行辨识，得到在充电方向和放电方向不同SOC对应的各特征参数数值，再使用Origin软件进行数值拟合得到在充电方向和放电方向各特征参数欧姆内阻R0，极化内阻R1，极化电容C1，扩散等效电阻Rw和扩散等效电容Cw关于SOC的函数关系式。
为了更好地获取某一段SOC区间特征参数的最优值，参数辨识仿真模型的输入数据除了使用脉冲过程测试数据外，也同时使用放电过程测试数据，这样模型中的开路电压不是常规的定值，而是由随时间变化的SOC通过开路电压曲线计算得来，并进行实时更新。
如图6所示，二阶Thevenin参数辨识仿真模型包括特征参数欧姆内阻R0，极化内阻R1，极化电容C1，扩散等效电阻Rw和扩散等效电容Cw，还包括电流输入端口I、受控电流源Controlled Current Source、电压输入端口V、电压检测模块Voltage Measurement、SOC计算模块SOC-Calculation、开路电压获取模块SOC-OCV和受控电压源Controlled VoltageSource。由于参数辨识仿真模型的输入数据同时使用了脉冲过程测试数据和充、放电过程测试数据，该仿真模型根据电流输入端口I输入的电流通过安时积分法得到SOC，由SOC通过开路电压获取模块计算得到开路电压，并作为受控电压源的控制端，从而实时改变开路电压值。其中安时积分法的计算公式如下：
其中，t为液态金属池充电时间或放电时间，SOC0为放电起始时刻或充电起始时刻的液态金属电池SOC，QN为液态金属电池实际容量，I为放电电流。
(5)利用得到的电池特征参数构建液态金属电池的MATLAB/Simulink仿真模型，如图7所示，该模型包括电流输入端口I_Input、电压输入端口U_Input、SOC计算模块SOC_Calculation、特征参数获取模块Characteristic Parameters acquisition、输出电压计算模块U_Calculation、输出比较模块Output comparison；将混合脉冲功率性能测试得到的电流数据和电压数据输入模型中的I_Input、U_Input，I_Input将电流数据输入SOC计算模块SOC_Calculation利用安时积分法实时计算液态金属电池的SOC值，得到的SOC值被送入特征参数获取模块Characteristic Parameters acquisition，该模块根据已经得到的特征参数关于SOC的方程，分别实时计算开路电压U0，欧姆内阻R0，极化内阻R1，极化电容C1，扩散等效电阻RW和扩散等效电容CW，输出电压计算模块U_Calculation由二阶Thevenin等效电路的电气方程计算得到，计算公式如下：
其中，U为电池的输出电压，UP为RP和CP并联电路两端的电压，UW为RW和CW并联电路两端的电压，I为电池的放电电流；对该方程进行求解，并得到用于模型的离散化方程如下：
其中，UP(0)为仿真过程中上一步的UP值，τ1＝RPCP,UW(0)为仿真过程中上一步的UP值，τ2＝RWCW；T为仿真步长。
根据离散化电气方程计算输出电压值；输出比较模块Output comparison用于比较电池电压U的真实值和仿真值的对比曲线及残差曲线。
其中，电流输入端口I_Input输入混合脉冲功率性能测试得到的电流数据，用于计算电池的SOC特征参数；特征参数获取模块Characteristic Parameters acquisition根据SOC值和步骤(4)拟合得到的各特征参数关于SOC的函数关系式实时获取6个特征参数值。
(6)根据所述电池的混合脉冲功率性能测试数据对所述电池仿真模型进行验证。图7中的电压输入端口输入混合脉冲功率性能测试得到的电压数据，用于和模型仿真值作对比，从而验证模型的准确性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液态金属电池特征参数的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对液态金属电池分别进行充电方向的脉冲测试、放电方向的脉冲测试和混合脉冲功率性能测试，获取包括所述电池的电流、电压、充电时间和放电时间的测试数据；所述充电方向的脉冲测试包括充电方向的脉冲过程测试和充电过程测试；所述放电方向的脉冲测试包括放电方向的脉冲过程测试和放电过程测试；
(2)利用步骤(1)获得的电压测试数据拟合得到开路电压Uoc与SOC的函数关系式；
(3)利用步骤(1)获得的测试数据进行所述液态金属电池的特征参数辨识，获得所述液态金属电池各特征参数分别在充电方向和放电方向关于SOC的函数关系式。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲过程测试包括如下步骤：在SOC不高于20％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试；在SOC不低于80％的区间，SOC每变化1％～5％进行一次脉冲测试。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述脉冲测试和所述混合脉冲功率性能测试的测试电流的获取方法为：采用额定电流对所述液态金属电池进行N次完整的充放电，N≥4，取后N-1次放电容量的平均值作为所述电池的实际容量；根据实际容量设计所述测试电流Ip为0.2C～0.5C。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取充电方向各特征参数关于SOC的函数关系式时，步骤(3)所述测试数据包括所述充电方向的脉冲过程测试数据和所述充电过程测试数据；在获取放电方向各特征参数关于SOC的函数关系式时，步骤(3)所述测试数据包括所述放电方向的脉冲过程测试数据和所述放电过程测试数据。
5.一种液态金属电池的建模方法，其特征在于，包括权利要求1～4任意一项所述的特征参数的获取方法。
6.如权利要求5所述的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建液态金属电池等效电路模型；
(2)按照如权利要求1～4任意一项所述的方法获取所述液态金属电池的特征参数；
(3)利用得到的特征参数构建液态金属电池仿真模型。
7.如权利要求6所述的建模方法，其特征在于，根据液态金属电池的电化学阻抗谱拟合电路构建所述液态金属电池等效电路模型。
8.如权利要求6所述的建模方法，其特征在于，还包括步骤(4)：根据所述电池的混合脉冲功率性能测试数据对所述电池仿真模型进行验证。
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