CN108957352A - 一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法，该方法不但可以基于实际运行得到的荷电状态数据计算电池的容量寿命损耗情况；同时还可以利用仿真模型在特定运行工况下模拟得到的荷电状态数据分析预测电池的容量寿命损耗。这能够有效地指导电池储能电站的规划投资建设、运行控制策略，减少不必要的电池寿命损耗，以提高电池储能电站的经济效益。

Description

一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统中电池储能电站的运行寿命问题，尤其涉及一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法。

背景技术

新能源的装机容量的持续增长，一方面引入了一系列诸如风电平抑、光伏消纳等问题，另一方面又挤占了常规机组的并网容量因此对电力系统的安全运行提出了更高的要求。储能技术被认为是解决新能源并网问题的关键技术，近年来得到了快速的发展。相较于其他类型的储能技术，电池储能具备更加优异的调节特性、更加灵活的配置方式。但是，投建电池储能电站需要的成本较高，若强度高、频次大、经常深充深放的使用电池储能装置还会早层电池寿命的快速衰减。电池寿命损耗计算是电池储能电站经济性分析的重要依据。合理计算电池寿命损耗，可以有效地指导电池储能电站的投资规划和控制运行。

电池寿命可分为功率寿命和容量寿命，其中功率寿命衰减不明显，一般情况下，当容量寿命衰减度达到20％时可认为电池寿命结束。此外，循环充放电动作和待机动作均会引起电池寿命衰减，而循环充放电动作是电池寿命损耗的关键。国内外对电池寿命损耗计算方法已有许多研究，电池寿命损耗计算方法可大致分为两类。其一为模型分析法，能够反应电池的物理、化学特点，但存在模型复杂、模型参数识别困难的问题；其二为数据分析法，基于实验数据和状态监测数据可以较为简便的计算电池寿命损耗，更加适用于电力系统分析。

循环深度和荷电状态均会影响电池的容量寿命损耗。而现有的数据法主要考虑电池的循环深度，对实际循环状态下的平均荷电状态考虑较少，导致电池寿命损耗计算精度不高；同时，长时间尺度下产生的大量运行数据也需要进行适当简化，以降低计算时间、提高计算效率。综上，现有的数据分析法计算电池寿命存在以下两方面问题：(1)影响因素考虑较少，计算精度低；(2)数据简化程度较低，计算时间长。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法，具体包括以下步骤：S1：根据加速老化测试实验结果或电池厂商给定的测试数据拟合得到电池容量寿命损耗模型，其中实验数据包括电池容量寿命损耗数据、循环深度信息、平均荷电状态以及循环次数信息；

S2：根据电池在一段时间内运行产生的荷电状态数据变化序列，采用雨流计数法计算划分电池运行的各个循环状态，得到雨流计数矩阵，再将雨流计数矩阵中平均荷电状态及循环深度相似的循环状态进行简化合并，并统计各循环类型下的循环次数，由此得到雨流统计矩阵；

S3：获取初始电池容量寿命损耗：如果时间ΔT之前的电池已经产生容量寿命损耗，则将已产生的电池容量寿命损耗记为初始电池容量寿命损耗若时间ΔT之前电池容量寿命损耗为0，则将初始电池容量寿命损耗记为0；

S4：选取雨流统计矩阵中下一个循环状态：任意选取雨流统计矩阵中的其他尚未被计算过容量寿命损耗的循环状态A_i,j，作为下一个需要计算的循环状态；

S5：根据电池容量寿命损耗模型计算电池容量寿命在下一个循环状态产生的容量寿命损耗：依据S1中得到的电池容量寿命损耗模型以及电池在当前容量寿命损耗情况下的实际衰减速度，计算循环状A_i,j产生的实际容量寿命损耗

S6：计算电池的总容量寿命损耗：若已经选取并计算了雨流统计矩阵中全部的循环状态，则令总容量寿命损耗等于当前容量寿命损耗否则返回S4继续选取下一个循环状态并计算该循环状态产生的容量寿命损耗。

进一步的，根据电池容量寿命损耗模型计算电池容量寿命在下一个循环状态产生的容量寿命损耗采用如下方式：

设循环状态A_i,j在当前容量寿命损耗下的等效循环次数nc_i′_,j的计算公式如下：

循环状态A_i,j产生的实际容量寿命损耗的计算公式如下：

上式中，C_cf(A_i,j，nc′_i,j)表示电池容量寿命损耗模型函数，自变量为循环状态A_i,j，包含循环深度cd以及平均荷电状态Soc.ave、循环次数a_i,j以及等效循环次数nc′_i,j；当前电池容量寿命损耗修正计算公式如下：

其中：为当前容量寿命损耗，为循环状态A_i,j产生电池容量寿命损耗。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法，该方法不但可以基于实际运行得到的荷电状态数据计算电池的容量寿命损耗情况；同时还可以利用仿真模型在特定运行工况下模拟得到的荷电状态数据分析预测电池的容量寿命损耗。这能够有效地指导电池储能电站的规划投资建设、运行控制策略，减少不必要的电池寿命损耗，以提高电池储能电站的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明中不同循环深度下的磷酸锂铁电池容量寿命损耗曲线示意图；

图3为本发明中不同荷电状态下的磷酸锂铁电池容量寿命损耗曲线示意图；

图4为本发明中雨流计数矩阵示意图；

图5为本发明中雨流统计矩阵示意图；

图6为本发明中循环状态A_i，j产生的容量寿命损耗算法原理示意图；

图7为本发明中荷电状态数据示意图；

图8为本发明中循环深度概率密度示意图；

图9为本发明中雨流统计矩阵示意图；

图10为本发明中不同计算顺序下电池容量寿命损耗示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法，具体步骤为：

S1:建立电池容量寿命损耗模型

根据加速老化测试实验结果或电池厂商给定的测试数据，利用MATLAB等数学工具，进行曲线拟合得到电池容量寿命损耗模型。各项数据包括不同的循环深度、平均荷电状态以及循环次数产生的电池容量寿命损耗数据。通过曲线拟合可以得到如下的电池容量寿命损耗模型：

公式中，C_cf表示电池容量寿命损耗，单位为％；Soc.ave为单次充放电动作的平均荷电状态，单位为％；cd表示单次充放电动作的循环深度，单位为％；nc表示充放电动作次数；u₁、u₂、u₃、u₄均为拟合参数。以某种磷酸锂铁电池为例，可以得到容量寿命损耗曲线，如图2和图3所示。在图2中，平均荷电状态Soc.ave保持为50％，仅改变循环深度cd；图3中，循环深度cd保持为30％，仅改变平均荷电状态Soc.ave。不同种类的电池均可得到类似的容量寿命损耗模型。

S2:根据电池在一段时间内运行产生的荷电状态数据变化序列，采用雨流计数法计算划分电池运行的各个循环状态，得到雨流计数矩阵，再将雨流计数矩阵中平均荷电状态及循环深度相似的循环状态进行简化合并，并统计各循环类型下的循环次数，由此得到雨流统计矩阵。

电池长期运行得到的荷电状态数据，具有数量庞大、类型繁复的特点。因此，为了节省计算时间、简化计算流程，需要对繁杂的荷电状态数据进行简化整合处理。首先获取确定时长ΔT的荷电状态数据，该荷电状态数据是ΔT时间内荷电状态的变化序列。在Matlab中，荷电状态数据可表示为一个包含P个元素的向量。然后利用上述荷电状态数据，基于雨流计数法，计算电池的循环深度。Matlab中的rainflow工具箱可以将荷电状态数据向量转化为雨流计数矩阵，计算电池的循环深度。雨流计数矩阵是一个3×Q的矩阵，即包含Q个循环动作以及每个动作的三项指标(循环深度cd、循环类型ct和平均荷电状态Soc.ave)，雨流计数矩阵如图4所示。其中循环类型ct可分为全周期、半周期，分别用1和0.5表示。

雨流计数矩阵中包含的循环状态数量很大，不便于计算。为简化计算，可以将平均荷电状态(Soc.ave)、循环深度(cd)相似的循环状态予以合并统计，得到雨流统计矩阵，同样可以利用Matlab中的rainflow工具箱计算雨流统计矩阵。如图5所示，雨流统计矩阵是一个M×N大小的矩阵，它将平均荷电状态(Soc.ave)分为M个类型，循环深度(cd)分为N个类型，就得到了M×N个类型的循环状态。雨流统计矩阵中的元素a_i,j表示循环状态A_i,j(Soc.ave_i，cd_j)下的累计循环次数。M和N的数值越大，对荷电状态数据的简化程度越低，使得计算精度提高，同时计算时间变长。可根据荷电状态数据实际大小适当设定M和N的数值，兼顾计算时间和计算精度。

S3:获取初始电池容量寿命损耗

若时间ΔT之前的电池已经产生容量寿命损耗，则可将已产生的电池容量寿命损耗记为初始电池容量寿命损耗若时间ΔT之前电池容量寿命损耗为0，则可将初始电池容量寿命损耗记为0。

S4:选取雨流统计矩阵中下一个循环状态，任意选取雨流统计矩阵中的其他循环状态A_i,j，作为下一个需要计算的循环状态。

排除已经选取过的循环状态，任意选取雨流统计矩阵中的其他循环状态A_i,j，作为下一个需要计算的循环状态。

S5:计算下一个循环状态产生的容量寿命损耗

由于电池容量寿命衰减速度随着容量寿命损耗的增加而逐渐降低，简单地将雨流统计矩阵中所有的循环状态A_i,j带入电池容量寿命损耗模型，再将每个循环状态A_i,j产生的容量寿命损耗进行相加，得到的总容量寿命损耗并不真实。因为每次得到的都是在电池容量寿命衰减度为0情况下的计算结果，而此时的容量寿命衰减速度较快。所以，应根据当前容量寿命损耗情况下的实际衰减速度，计算循环状态A_i,j产生的真实容量寿命损耗

进一步的，根据当前容量寿命损耗情况指的就是如下图原理图6所示。假定当前的容量寿命衰减度达到接下来我们要计算的循环状态是A_i,j。那么我们不能直接将循环状态A_i,j带入容量寿命损耗模型中，因为这样做没有考虑当前的容量寿命损耗因此我们需要先计算当前容量寿命损耗在循环状态A_i,j情况下的等效循环次数nc_i′_,j。再利用如下公式：

计算循环状态A_i,j产生的实际容量寿命损耗就可以得到实际的容量寿命损耗，这也就考虑到了电池在不同容量寿命衰减度下的实际衰减速度。

图6为算法原理图，坐标点1和坐标点2之间是循环状态A_i,j，两点之间横轴间距为循环次数a_i,j。坐标点1的纵坐标高为表示当前容量寿命损耗，循环状态A_i,j产生的容量寿命损耗为

循环状态A_i,j在当前容量寿命损耗(首次迭代计算令)下的等效循环次数nc′_i,j的计算公式如下：

循环状态A_i,j产生的实际容量寿命损耗的计算公式如下：

上式中，C_cf(A_i,j,nc′_i,j)表示电池容量寿命损耗模型函数，自变量为循环状态A_i,j、循环次数a_i,j以及等效循环次数nc′_i,j。

当前电池容量寿命损耗修正计算公式如下：

步骤6：计算总容量寿命损耗

若已经选取并计算了雨流统计矩阵中全部的循环状态，则令总容量寿命损耗等于当前容量寿命损耗否则返回S4继续选取下一个循环状态并计算该循环状态产生的容量寿命损耗。

本发明不但可以基于实际运行得到的荷电状态数据计算电池的容量寿命损耗情况；同时还可以利用仿真模型在特定运行工况下模拟得到的荷电状态数据分析预测电池的容量寿命损耗。这能够有效地指导电池储能电站的规划投资建设、运行控制策略，减少不必要的电池寿命损耗，以提高电池储能电站的经济效益。

根据已有的磷酸锂铁电池加速老化测试实验数据，利用数学计算软件MATLAB进行数据拟合得到如下容量寿命损耗模型：

C_cf＝0.021·e^{-0.01943iSoc.ave}·cd^0.7162·nc^0.5

基于Simulink搭建了电池储能电站运行仿真模型，模拟电池储能参与AGC服务下荷电状态的变化情况，由此得到了时长为一个月(2592000秒)的荷电状态仿真数据，如图7。

根据上述容量寿命损耗模型以及仿真得到的荷电状态数据，利用本发明提出的容量寿命损耗算法，调用自编MATLAB程序计算电池容量寿命损耗。仿真参数设置如表1所示。采用迭代计算方法，可以得到循环深度的概率密度函数、雨流统计矩阵以及不同计算顺序下电池容量寿命损耗情况，如图8、图9及图10所示，计算用时约为0.8秒。

表1仿真参数

利用上述方法，可以计算出电池在确定的荷电状态变化情况下的电池容量寿命损耗情况，同时能够分析出充放电动作下电池循环深度的分布规律。验证结果表明，本发明提供的电池容量寿命计算方法能够考虑到电池的平均荷电状态以及循环深度影响因素；在满足计算精度的前提下，适当地设定雨流统计矩阵大小，能够满足计算快速性的要求；且在任意的计算顺序之下，均能够得到相同的计算结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法,其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据加速老化测试实验结果或电池厂商给定的测试数据拟合得到电池容量寿命损耗模型，其中实验数据包括电池容量寿命损耗数据、循环深度信息、平均荷电状态以及循环次数信息；

S2：根据电池在一段时间内运行产生的荷电状态数据变化序列，采用雨流计数法计算划分电池运行的各个循环状态，得到雨流计数矩阵，再将雨流计数矩阵中平均荷电状态及循环深度相似的循环状态进行简化合并，并统计各循环类型下的循环次数，由此得到雨流统计矩阵；

S3：获取初始电池容量寿命损耗：如果时间ΔT之前的电池已经产生容量寿命损耗，则将已产生的电池容量寿命损耗记为初始电池容量寿命损耗若时间ΔT之前电池容量寿命损耗为0，则将初始电池容量寿命损耗记为0；

S4：选取雨流统计矩阵中下一个循环状态：任意选取雨流统计矩阵中的其他尚未被计算过容量寿命损耗的循环状态A_i,j，作为下一个需要计算的循环状态；

S5：根据电池容量寿命损耗模型计算电池容量寿命在下一个循环状态产生的容量寿命损耗：依据S1中得到的电池容量寿命损耗模型以及电池在当前容量寿命损耗情况下的实际衰减速度，计算循环状A_i,j产生的实际容量寿命损耗

S6：计算电池的总容量寿命损耗：若已经选取并计算了雨流统计矩阵中全部的循环状态，则令总容量寿命损耗等于当前容量寿命损耗否则返回S4继续选取下一个循环状态并计算该循环状态产生的容量寿命损耗。

2.根据权利要求1所述的一种基于荷电状态的容量寿命损耗计算方法，其特征还在于：根据电池容量寿命损耗模型计算电池容量寿命在下一个循环状态产生的容量寿命损耗采用如下方式：

设循环状态A_i,j在当前容量寿命损耗下的等效循环次数nc′_i,j的计算公式如下：

循环状态A_i,j产生的实际容量寿命损耗的计算公式如下：

上式中，C_cf(A_i,j，nc′_i,j)表示电池容量寿命损耗模型函数，自变量为循环状态A_i,j，包含循环深度cd以及平均荷电状态Soc.ave、循环次数a_i,j以及等效循环次数nc′_i,j；当前电池容量寿命损耗修正计算公式如下：

其中：为当前容量寿命损耗，为循环状态A_i,j产生电池容量寿命损耗。