CN109164397B - 考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统领域的一种考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法，在考虑充电速率和环境温度的情况下，实时评估磷酸铁锂电池寿命损耗，包括进行磷酸铁锂电池循环寿命实验、确定磷酸铁锂电池的AH总量、确定某周期内磷酸铁锂电池的充电量、确定某周期内磷酸铁锂电池的充电量及确定磷酸铁锂电池的寿命损耗等步骤，本磷酸铁锂电池寿命损耗评估方法不需要一次性得到整个循环周期磷酸铁锂电池的充电电流I变化曲线和工作环境温度T变化曲线，在考虑充电速率和环境温度影响的同时，根据锂电池每一次充放电过程在线进行磷酸铁锂电池寿命损耗计算。该方法基本结构明确、计算速度快，满足了磷酸铁锂电池寿命损耗评估的实时性要求。

Description

考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法。

背景技术

由于自然资源的固有特性，以风电和光伏发电为代表的可再生资源发电普遍具有随机波动和不可预测的特性。这两个特性给可再生资源发电并网带来了极大的挑战。储能技术的应用可以有效地缓解可再生资源发电的随机波动和不可预测性，从而实现可再生资源发电的大规模并网，代替部分常规发电机组承担一定基本负荷。

储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能及各种电池储能等。其中，电池储能不受地形、气候等影响，也不需要专门设备，更适合在可再生资源发电中应用。各类电池中，磷酸铁锂电池具有高功率密度、长循环寿命和无记忆等优点，且具有良好的热稳定和化学稳定性，尤其适合于大容量高功率储能场合应用。

在可再生能源发电消纳、智能电网规划设计、优化协调控制中，定量的储能寿命损耗评估是考虑储能寿命成本和进行可靠性分析的关键技术。磷酸铁锂电池寿命的损耗与充电速率、充电次数、充电深度、环境温度、电解液集中度、电解液浓度、高频扩散等因素相关，考虑所有相关因素的寿命预测模型的建立是非常困难的，而且计算速度无法满足电池寿命实时评估的要求。

目前，基于物理化学老化模型的电池寿命评估是最复杂和最完善的方法，但该模型需要大量的数据信息，包括详细的几何数据(电极的厚度和孔数)、电解液的体积和浓度等，这次参数在实验室可以很容易获得，但在电池的正常使用过程中是无法取得的。基于事件导向的老化模型存在事件定义和分类困难问题。本发明基于磷酸铁锂电池的AH总量不随充电深度而变化的特征，考虑充电速率和环境温度影响，提出了一种实时磷酸铁锂电池寿命损耗评估方法。

发明内容

本发明的目的是提出了一种考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法，其特征在于，在考虑充电速率和环境温度的情况下，实时评估磷酸铁锂电池寿命损耗包括如下步骤：

1).进行磷酸铁锂电池循环寿命实验

随机抽取10个同型号的磷酸铁锂电池样本，放电深度DoD在1-100％范围内等间隔取10个DoD进行循环寿命CtF实验，环境温度T设定为20℃，充电电流I取0.2C，循环寿命CtF的单位为次，从而得到磷酸铁锂电池循环寿命CtF_i与放电深度DoD_i的对应关系，i为1，2。…10其中，CtF₁-CtF₁₀分别为磷酸铁锂电池样本相应放电深度下的测试值，与磷酸铁锂电池规格和类型密切相关；

2).确定磷酸铁锂电池的AH总量(AHT)

基于理论研究和实验表明，不同放电深度下，磷酸铁锂电池的AHT基本保持不变，因此，采用不同放电深度下AHT的平均值作为磷酸铁锂电池的AH总量，AHT的单位为A·h，计算公式如下：

其中，E_nom为额定电池容量，单位为A·h；i＝1,2,…,10；DoD_i为10％*i的放电深度；CtF_i为DoD_i对应的循环寿命,单位为次。

磷酸铁锂电池的AH总量只需计算一次，如果规格型号、电池类型等不变，该值一旦确定，可以一直采用，直到磷酸铁锂电池报废。

3).确定某周期内磷酸铁锂电池的充电量

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，以24h为循环周期，确定每一周期内磷酸铁锂电池的充电量；

4).确定磷酸铁锂电池的总充电量

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，将所有循环周期内磷酸铁锂电池的充电量相加，得到磷酸铁锂电池的总充电量，记为SoC_+total，计算公式如下：

其中，k为循环周期数，k＝1,2,…,K；K为截至计算时的循环周期数；SoC_+k为第k次循环周期的磷酸铁锂电池充电量；

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，将所有循环周期内磷酸铁锂电池的放电量相加，得到磷酸铁锂电池的总放电量，记为SoC_-total，计算公式如下：

其中，k为循环周期数，k＝1,2,…,K；K为截至计算时的循环周期数；SoC_-k为第k次循环周期的磷酸铁锂电池放电量；

5).确定磷酸铁锂电池的寿命损耗(Loss of Lifetime，LoL)

当磷酸铁锂电池初始运行时的荷电状态SoC与磷酸铁锂电池运行结束时的荷电状态SoC大小相等时，磷酸铁锂电池的总放电量SoC_-total等于总充电量SoC_+total，磷酸铁锂电池的寿命损耗LoL为：

当磷酸铁锂电池初始运行时的荷电状态SoC与磷酸铁锂电池运行结束时的荷电状态SoC大小不相等时，磷酸铁锂电池的总放电量SoC_-total与总充电量SoC_+total不相等，考虑最恶劣运行状况，磷酸铁锂电池的寿命损耗LoL为：

当LoL＝1时，说明磷酸铁锂电池的寿命已经耗尽，此时磷酸铁锂电池需要进行更换。

所述步骤1)中放电深度DoD在1-100％范围内等间隔取10个为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。

所述步骤2)的磷酸铁锂电池的AHT只需计算一次，如果规格型号、电池类型等不变，该值一旦确定，可以一直采用，直到磷酸铁锂电池报废。

所述步骤3)中确定某周期内磷酸铁锂电池的充电量，具体包括：

(1)实时记录磷酸铁锂电池充电电流I(单位为A)，得到磷酸铁锂电池充电电流I变化曲线，并根据磷酸铁锂电池特性参数形成充电速率系数w_I(t)；

(2)实时记录磷酸铁锂电池工作期间的环境温度T(单位为℃)，形成磷酸铁锂电池工作环境温度T变化曲线，并根据磷酸铁锂电池特性参数形成环境温度系数w_T(t)；

(3)判断磷酸铁锂电池充电电流I的变化趋势，当充电电流I为正值时，此时磷酸铁锂电池处于充电状态；当充电电流I为负值时，此时磷酸铁锂电池处于放电状态；当充电电流I为0时，此时磷酸铁锂电池处于待机状态，既不充电也不放电。

(4)所有充电状态，充电电流I对时间t的积分之和为本周期内磷酸铁锂电池的充电量，记为SoC_+eff：

其中，w_charge为充电效率系数；w_I(t)为充电速率系数；w_T(t)为环境温度系数；

表示只对I>0时的充电电流积分并求和；

(5)所有放电状态，充电电流I的绝对值对时间t的积分之和为本周期内磷酸铁锂电池的放电量，记为SoC_-eff：

其中，w_discharge为放电效率系数；|w_I(t)|为放电速率系数；w_T(t)为环境温度系数；

表示只对I<0时的充电电流绝对值积分并求和。

本发明的有益效果是本磷酸铁锂电池寿命损耗评估方法不需要一次性得到整个循环周期磷酸铁锂电池的充电电流I变化曲线和工作环境温度T变化曲线，在考虑充电速率和环境温度影响的同时，可以根据磷酸铁锂电池每一次充放电过程在线进行磷酸铁锂电池寿命损耗计算。该方法基本结构明确、计算速度快，满足了磷酸铁锂电池寿命损耗评估的实时性要求。

具体实施方式

本发明提出了一种考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法，下面结合实施例予以进一步说明。

本发明是在考虑充电速率和环境温度的情况下，实时评估磷酸铁锂电池寿命损耗，包括如下步骤：

1).进行磷酸铁锂电池循环寿命实验

随机抽取10个同型号的磷酸铁锂电池样本，放电深度(Depth of Discharge,DoD)分别取10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％进行循环寿命(Cyclesto Failure,CtF)实验，环境温度T设定为20℃，充电电流I取0.2C，循环寿命CtF的单位为次，从而得到磷酸铁锂电池循环寿命与放电深度的对应关系，如表1所示：

表1磷酸铁锂电池循环寿命与放电深度的关系

其中，CtF₁-CtF₁₀分别为磷酸铁锂电池样本相应放电深度下的测试值，与磷酸铁锂电池规格和类型密切相关。

2).确定磷酸铁锂电池的AH总量(Amp Hours Throughput,AHT)

理论研究和实验表明，不同放电深度下，磷酸铁锂电池的AH总量基本是保持不变的。因此，本发明采用不同放电深度下AH总量的平均值作为磷酸铁锂电池的AH总量，AH总量的单位为A·h，计算公式如下：

其中，E_nom为额定电池容量，单位为A·h；i＝1,2,…,10；DoD_i为10％*i的放电深度；CtF_i为DoD_i对应的循环寿命,单位为次。

磷酸铁锂电池的AH总量只需计算一次，如果规格型号、电池类型等不变，该值一旦确定，可以一直采用，直到磷酸铁锂电池报废。

3).确定某周期内磷酸铁锂电池的充电量

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，以24h为循环周期，确定每一周期内磷酸铁锂电池的充电量，具体内容如下：

(1)实时记录磷酸铁锂电池充电电流I(单位为A)，得到磷酸铁锂电池充电电流I变化曲线，并根据磷酸铁锂电池特性参数形成充电速率系数w_I(t)。

(2)实时记录磷酸铁锂电池工作期间的环境温度T(单位为℃)，形成磷酸铁锂电池工作环境温度T变化曲线，并根据磷酸铁锂电池特性参数形成环境温度系数w_T(t)。

(3)判断磷酸铁锂电池充电电流I的变化趋势，当充电电流I为正值时，此时磷酸铁锂电池处于充电状态；当充电电流I为负值时，此时磷酸铁锂电池处于放电状态；当充电电流I为0时，此时磷酸铁锂电池处于待机状态，既不充电也不放电。

(4)所有充电状态，充电电流I对时间t的积分之和为本周期内磷酸铁锂电池的充电量，记为SoC_+eff：

其中，w_charge为充电效率系数；w_I(t)为充电速率系数；wT(t)为环境温度系数；

表示只对I>0时的充电电流积分并求和。

(5)所有放电状态，充电电流I的绝对值对时间t的积分之和为本周期内磷酸铁锂电池的放电量，记为SoC_-eff：

其中，w_discharge为放电效率系数；|w_I(t)|为放电速率系数；w_T(t)为环境温度系数；

表示只对I<0时的充电电流绝对值积分并求和。

4).确定磷酸铁锂电池的总充电量

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，将所有循环周期内磷酸铁锂电池的充电量相加，得到磷酸铁锂电池的总充电量，记为SoC_+total，计算公式如下：

其中，k为循环周期数，k＝1,2,…,K；K为截至计算时的循环周期数；SoC_+k为第k次循环周期的磷酸铁锂电池充电量。

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，将所有循环周期内磷酸铁锂电池的放电量相加，得到磷酸铁锂电池的总放电量，记为SoC_-total，计算公式如下：

其中，k为循环周期数，k＝1,2,…,K；K为截至计算时的循环周期数；SoC_-k为第k次循环周期的磷酸铁锂电池放电量。

5).确定磷酸铁锂电池的寿命损耗(Loss of Lifetime，LoL)

当磷酸铁锂电池初始运行时的荷电状态SoC与磷酸铁锂电池运行结束时的荷电状态SoC大小相等时，磷酸铁锂电池的总放电量SoC_-total等于总充电量SoC_+total，磷酸铁锂电池的寿命损耗LoL为：

当磷酸铁锂电池初始运行时的荷电状态SoC与磷酸铁锂电池运行结束时的荷电状态SoC大小不相等时，磷酸铁锂电池的总放电量SoC_-total与总充电量SoC_+total不相等，考虑最恶劣运行状况，磷酸铁锂电池的寿命损耗LoL为：

当LoL＝1时，说明磷酸铁锂电池的寿命已经耗尽，此时磷酸铁锂电池需要进行更换。

Claims (3)

1.一种考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法，其特征在于，在考虑充电速率和环境温度的情况下，实时评估磷酸铁锂电池寿命损耗包括如下步骤：

1).进行磷酸铁锂电池循环寿命实验

随机抽取10个同型号的磷酸铁锂电池样本，放电深度DoD在1％-100％范围内等间隔取10个DoD进行循环寿命CtF实验，环境温度T设定为20℃，充电电流I取0.2C，循环寿命CtF的单位为次，从而得到磷酸铁锂电池循环寿命CtF_i与放电深度DoD_i的对应关系，i为1，2，…10；其中，CtF₁-CtF₁₀分别为磷酸铁锂电池样本相应放电深度下的测试值，与磷酸铁锂电池规格和类型密切相关；

2).确定磷酸铁锂电池的AH总量(AHT)

基于理论研究和实验表明，不同放电深度下，磷酸铁锂电池的AHT基本保持不变，因此，采用不同放电深度下AHT的平均值作为磷酸铁锂电池的AH总量，AHT的单位为A·h，计算公式如下：

其中，E_nom为额定电池容量，单位为A·h；i＝1,2,…,10；DoD_i为10％*i的放电深度；CtF_i为DoD_i对应的循环寿命,单位为次；

磷酸铁锂电池的AH总量只需计算一次，如果规格型号和电池类型不变，该值一旦确定，能够一直采用，直到磷酸铁锂电池报废；

3).确定某周期内磷酸铁锂电池的充电量

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，以24h为循环周期，确定每一周期内磷酸铁锂电池的充电量；

4).确定磷酸铁锂电池的总充电量

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，将所有循环周期内磷酸铁锂电池的充电量相加，得到磷酸铁锂电池的总充电量，记为SoC_+total，计算公式如下：

其中，k为循环周期数，k＝1,2,…,K；K为截至计算时的循环周期数；SoC_+k为第k次循环周期的磷酸铁锂电池充电量；

从磷酸铁锂电池开始投入实际工程应用开始，将所有循环周期内磷酸铁锂电池的放电量相加，得到磷酸铁锂电池的总放电量，记为SoC_-total，计算公式如下：

其中，k为循环周期数，k＝1,2,…,K；K为截至计算时的循环周期数；SoC_-k为第k次循环周期的磷酸铁锂电池放电量；

5)确定磷酸铁锂电池的寿命损耗(Loss of Lifetime，LoL)

当磷酸铁锂电池初始运行时的荷电状态SoC与磷酸铁锂电池运行结束时的荷电状态SoC大小相等时，磷酸铁锂电池的总放电量SoC_-total等于总充电量SoC_+total，磷酸铁锂电池的寿命损耗LoL为：

当磷酸铁锂电池初始运行时的荷电状态SoC与磷酸铁锂电池运行结束时的荷电状态SoC大小不相等时，磷酸铁锂电池的总放电量SoC_-total与总充电量SoC_+total不相等，考虑最恶劣运行状况，磷酸铁锂电池的寿命损耗LoL为：

当LoL＝1时，说明磷酸铁锂电池的寿命已经耗尽，此时磷酸铁锂电池需要进行更换。

2.根据权利要求1所述一种考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法，其特征在于，所述步骤1)中放电深度DoD在1％-100％范围内等间隔取10个为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。

3.根据权利要求1所述一种考虑充电速率和环境温度的锂电池寿命损耗评估方法，其特征在于，所述步骤3)中确定某周期内磷酸铁锂电池的充电量，具体包括：

(1)实时记录磷酸铁锂电池充电电流I(单位为A)，得到磷酸铁锂电池充电电流I变化曲线，并根据磷酸铁锂电池特性参数形成充电速率系数w_I(t)；

(2)实时记录磷酸铁锂电池工作期间的环境温度T(单位为℃)，形成磷酸铁锂电池工作环境温度T变化曲线，并根据磷酸铁锂电池特性参数形成环境温度系数w_T(t)；

(3)判断磷酸铁锂电池充电电流I的变化趋势，当充电电流I为正值时，此时磷酸铁锂电池处于充电状态；当充电电流I为负值时，此时磷酸铁锂电池处于放电状态；当充电电流I为0时，此时磷酸铁锂电池处于待机状态，既不充电也不放电；

(4)所有充电状态，充电电流I对时间t的积分之和为本周期内磷酸铁锂电池的充电量，记为SoC_+eff：

其中，w_charge为充电效率系数；w_I(t)为充电速率系数；w_T(t)为环境温度系数；

表示只对I>0时的充电电流积分并求和；

(5)所有放电状态，充电电流I的绝对值对时间t的积分之和为本周期内磷酸铁锂电池的放电量，记为SoC_-eff：

其中，w_discharge为放电效率系数；|w_I(t)|为放电速率系数；w_T(t)为环境温度系数；

表示只对I<0时的充电电流绝对值积分并求和。