CN112946507B - 储能电池健康状态在线检测方法、系统、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
储能电池健康状态在线检测方法、系统、设备和存储介质，分别采集在运电池停止放电时开路电压和停止充电时开路电压；在运电池停止放电时开路电压所在的标准电池充电过程电压的电压区间到在运电池停止充电时开路电压所在的标准电池充电过程电压的电压区间内，按照每个标准电池充电过程电压的电压区间电池充电容量，计算每个电压区间内在运电池的充电容量；根据每个电压区间标准电池和在运电池的充电容量，计算储能电池的健康状态。本发明可以在不拆解储能系统的前提下，来在线判断储能电池的健康状态，为储能系统的安全可靠运行和运维提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于电池储能技术领域，具体涉及一种储能电池健康状态在线检测方法、系统、设备和存储介质。
背景技术
近年来储能快速发展，而其中以锂离子电池为代表的电化学储能增长最快，截止到2019年底累计投运超过1GW。锂离子电池因具有能量密度高、功率特性好、循环寿命长、环境适应性好、无记忆效应等优点，已经在储能领域得到的广泛的应用。但随着锂离子储能电池的持续使用，其健康状态不断降低，如果使用不当或者在严苛条件下使用，可能会引发电池的热失控，造成储能系统安全事故，因此，储能电池在使用过程中，必须对其健康状态进行检测，以确保其使用的安全可靠性。
电池的健康状态一般是指其当前的放电容量除以该电池出厂时的额定容量。对于一种型号的储能锂离子电池，其额定容量在出厂时就已固定，因此要掌握电池的健康状态，需要对其当前的放电容量进行检测和评估。传统的电池容量检测方式是将其与充放电测试设备进行连接，然后按照一定的方式进行充放电，从而获取电池的放电容量；这种方式虽然能够很准确的获取电池的容量，但一是要讲所有电池从储能系统中拆解出来，势必会在一定程度上影响储能的运行，二是储能系统中电池数量巨大，需要大量的检查设备和较长的检测时间，造成检测成本过高，因此，传统的这种检测方式在实际工程应用中可行性低。
发明内容
本发明的目的是提供储能电池健康状态在线检测方法、系统、设备和存储介质，可以在不拆解储能系统的前提下，来在线判断储能电池的健康状态，为储能系统的安全可靠运行和运维提供数据支撑。该方法在电动汽车、电化学储能等领域具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
储能电池健康状态在线检测方法，包括：
分别采集待测在运电池停止放电时开路电压和停止充电时开路电压；
判断在运电池停止放电时开路电压和停止充电时开路电压是否在标准电池充电过程电压的电压区间内，在将待测在运电池停止放电时开路电压对应到所在的标准电池充电过程电压的电压区间内，得到起始区间；
将待测到在运电池停止充电时开路电压对应到所在的标准电池充电过程电压的电压区间内，得到终止区间若在标准电池的电压区间内，；
根据起始区间和终止区间得到待测电压区间段，计算在待测电压区间段中各区间的按照每个标准电池充电过程电压的电压区间电池充电容量，以及
计算待测电压区间段中各区间的每个电压区间内在运电池的充电容量；
根据在待测电压区间段中各区间的每个电压区间标准电池和在运电池的充电容量，计算储能电池的健康状态。
本发明进一步的改进在于，得到起始区间前进行以下步骤：在20-30℃环境下，以额定容量的1/3C倍率将标准电池放电至下限电压，静置2小时；然后在20-30℃环境下，以额定容量的1/3C倍率将标准电池充电至上限电压，获得标准电池充电过程的电压区间。
本发明进一步的改进在于，得到起始区间前进行以下步骤：在20-30℃环境下，以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元中在运电池进行放电，当储能单元中电压最低的在运电池电压达到下限值时停止放电，静置2小时，测试在运电池的电压，得到在运电池停止放电时开路电压。
本发明进一步的改进在于，在20-30℃环境下，所述以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元中在运电池进行放电时，采用变流器进行。
本发明进一步的改进在于，得到起始区间前进行以下步骤：在20-30℃环境下，以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元中在运电池进行充电，当储能单元中电压最高的在运电池电压达到上限值时停止充电，测试在运电池的电压，得到在运电池停止充电时开路电压。
本发明进一步的改进在于，在待测电压区间段中各区间的在运电池充电容量每个电压区间内的在运电池充电容量通过下式计算：
Qm(i+1)＝I*t
其中，Qm(i+1)为在运电池充电量，I为在运电池的充电电流，t为充电时间，i为起始区间标号，m为在运电池标号，m取自然数。
本发明进一步的改进在于，储能电池的健康状态通过下式计算：
储能电池健康状态＝((Q_(m(i+1))/Q_(0(i+1))+Q_(m(i+2))/Q_(0(i+2))+…+Q_(m(j-1))/Q_(0(j-1)))/(j-i-1))
其中，Qm(i+1)为储能单元中在运电池第i+1个电压区间充电容量，Q0(i+1)为标准电池第i+1个电压区间充电容量，Qm(i+2)为储能单元中在运电池第i+2个电压区间充电容量，Q0(i+2)为标准电池第i+2个电压区间充电容量，Qm(j-1)为储能单元中在运电池第j-1个电压区间充电容量，Q0(j-1)为标准电池第j-1个电压区间充电容量，j为在运电池停止充电时开路电压在在对应到标准电池充电过程的电压区间的编号，i为在在运电池停止充电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间的编号运电池停止放电时开路电压在标准电池的电压区间。
一种储能电池健康状态在线检测系统，包括：
起始区间采集确认模块，用于将待测在运电池停止放电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到起始区间；
终止区间确认模块，用于将待测在运电池停止充电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到终止区间；
电池充电容量计算模块，用于根据起始区间和终止区间得到待测电压区间段，计算在待测电压区间段中各区间的标准电池充电容量以及在运电池充电容量；
健康状态计算模块，用于根据在待测电压区间段中各区间的标准电池和在运电池的充电容量，计算储能电池的健康状态。
一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现权利要求1-7中任意一项所述的储能电池健康状态在线检测方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行权利要求1-7中任意一项所述的储能电池健康状态在线检测方法。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明针对在运的储能锂离子电池，只需要采集在运电池停止放电时开路电压和停止充电时开路电压，在运电池停止放电时开路电压所在的标准电池充电过程电压的电压区间到在运电池停止充电时开路电压所在的标准电池充电过程电压的电压区间内，然后计算在各区间的标准电池充电容量以及在运电池充电容量，根据在待测电压区间段中各区间的标准电池和在运电池的充电容量，从而计算储能电池的健康状态；本发明不用拆解储能系统，并且可以对储能系统中的储能单元内的几千只电池进行同时检测，大幅度提升了储能电池健康状态的检测速度，提高了检测效率，实现了电池健康状态的在线实时检测，提高了储能电池系统的利用效率，还能够预防电池热失控和安全事故的发生，确保其使用的安全可靠性。本发明可以在不拆解储能系统的前提下，来在线判断储能电池的健康状态，为储能系统的安全可靠运行和运维提供数据支撑，并且评估准确，在电动汽车、电化学储能等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为新电池的充电曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明中的新电池即标准电池。
本发明的储能电池健康状态在线检测方法为：分别采集在运电池停止放电时开路电压和停止充电时开路电压；
将待测在运电池停止放电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到起始区间；
将待测在运电池停止充电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到终止区间；
根据起始区间和终止区间得到待测电压区间段，计算在待测电压区间段中各区间的标准电池充电容量以及在运电池充电容量；
根据在待测电压区间段中各区间的标准电池和在运电池的充电容量，计算储能电池的健康状态。
具体过程如下：
参见图1，本发明包括以下步骤：
(1)对在运储能系统中同型号的新电池进行充放电测试，充放电电压上限和下限为电池制造厂家推荐的电压范围上下限值。具体方法为：
①在20-30℃环境下，以额定容量的1/3C倍率将新电池放电至下限电压，静置2小时，记录电池此时的开路电压V0；
②在20-30℃环境下，以额定容量的1/3C倍率将新电池充电至上限电压Vce；充电曲线参见图2；
③将整个充电过程的电压分成N个区间，(3≤N≤100)，第1区间为开路电压V0到第一电压V1，第2区间为第一电压V1到第二电压V2，第3区间为第二电压V2到第三电压V3；依次类推，最后一个区间为第N-1电压VN-1到上限电压Vce。
④计算每个电压区间电池充入的容量即充电容量，分别记为第1区间电池充入的容量Q0、第2区间电池充入的容量Q02、第3区间电池充入的容量Q03，……，第N区间电池充入的容量Q0N。
(2)通过变流器对在储能系统中的运储能单元进行充放电，充放电电压上限和下限为电池制造厂家推荐的单体电池电压范围上下限值。具体方法为：
①在20-30℃环境下，以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元中在运电池进行放电，当储能单元中电压最低的第m支在运电池电压达到下限值时停止放电，静置2小时，记录此时储能单元中第m支在运电池的开路电压Vm0；电压最低的电池为储能单元中的任意一支在运电池。
②在20-30℃环境下，以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元进行充电，当储能单元中电压最高的第m支在运电池电压达到上限值时停止充电，记录此时储能单元中第m支在运电池的开路电压Vme；其中，m代表储能单元中的某一支电池；
③检查储能单元中在运电池的第m支电池的开路电压Vm0和储能单元中第m支在运电池的开路电压Vme分别在新电池的哪个电压区间内，如果第m支电池的开路电压Vm0在第i区间Vi到Vi+1单位内(0≤i≤N-1)，储能单元中第m支电池的开路电压Vme在第j区间内(1≤j≤N)，则从第i+1区间开始，到j-1区间结束，按照新电池每个电压区间的电池的充电容量，计算每个电压区间内在运电池的充电容量Qm(i+1)、Qm(i+2)、Qm(i+3)……Qm(j-1)；j为终止区间标号，i为起始区间标号。
Qm(i+1)＝I*t
其中，I为电池的充电电流，t为在该电压区间的充电时间，m为在运电池标号，m取自然数。
其他区间的内在运电池的充电容量的计算与起始区间的计算方法相同。
(3)根据新电池和在运电池在相同电压区间的充电容量，计算储能电池的健康状态。具体方法为：
其中，Qm(i+1)为储能单元中在运电池第i+1个电压区间充电容量，Q0(i+1)为新电池第i+1个电压区间充电容量。
一种储能电池健康状态在线检测系统，包括：
起始区间确认模块，用于将待测在运电池停止放电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到起始区间；
终止区间确认模块，用于将待测在运电池停止充电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到终止区间；
电池充电容量计算模块，用于根据起始区间和终止区间得到待测电压区间段，计算在待测电压区间段中各区间的标准电池充电容量以及在运电池充电容量；
健康状态计算模块，用于根据在待测电压区间段中各区间的标准电池和在运电池的充电容量，计算储能电池的健康状态。
一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述的储能电池健康状态在线检测方法。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行上述的储能电池健康状态在线检测方法。
实施例1
(1)在20-30℃环境下，对某型号新的储能电池以1/3C倍率放电至下限电压后，静置2小时，再以1/3C倍率将该电池充电至上限电压4.2V，图1为该型号新电池的充电曲线，然后按照电压进行分段，共分了10段，表1为每段电压下对应的充电容量。
表1新电池不同电压区间对应的充电容量
| 序号 | 电压区间/V | 充电容量/Ah |
| 1 | 3.48-3.55 | 0.9913 |
| 2 | 3.55-3.62 | 2.7575 |
| 3 | 3.62-3.69 | 4.7481 |
| 4 | 3.69-3.77 | 6.9054 |
| 5 | 3.77-3.84 | 4.3315 |
| 6 | 3.84-3.91 | 2.7572 |
| 7 | 3.91-3.99 | 2.324 |
| 8 | 3.99-4.06 | 2.1658 |
| 9 | 4.06-4.14 | 2.0825 |
| 10 | 4.14-4.20 | 1.6743 |
(2)在20-30℃环境下，以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元进行放电，当储能单元中电压最低的电池电压达到下限值时停止放电，静置2小时，然后相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元进行充电，当储能单元中单体电压最高的电池电压达到4.2V停止充电，随机挑选一支电池，其充电的起始电压为3.512V，充电停止时其电压为4.165V，按照新电池电压区间划分方法，其共有7个电压区间与新电池匹配，每个区间的充电容量见表2。
表2储能单元中某支电池与新电池相匹配的电压区间和充电容量
(3)计算对应电压区间的充电容量比值，结果如表3所示
表3不同电压区间的充电容量及比值
该电池的健康状态
＝(0.8495+0.8571+0.8642+0.9374+0.9866+0.9200+0.9528)/7＝0.9097＝90.97％。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.储能电池健康状态在线检测方法，其特征在于，包括：
在20-30℃环境下，以额定容量的1/3C倍率将标准电池放电至下限电压，静置2小时；然后在20-30℃环境下，以额定容量的1/3C倍率将标准电池充电至上限电压，将下限电压到上限电压的区间进行分段，分段数量为N，3≤N≤100，获得标准电池充电过程的电压区间；
在20-30℃环境下，以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元中在运电池进行放电，当储能单元中电压最低的在运电池电压达到下限值时停止放电，静置2小时，测试在运电池的电压，得到在运电池停止放电时开路电压；
在20-30℃环境下，以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元中在运电池进行充电，当储能单元中电压最高的在运电池电压达到上限值时停止充电，测试在运电池的电压，得到在运电池停止充电时开路电压；
将待测在运电池停止放电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到起始区间；
将待测在运电池停止充电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到终止区间；
根据起始区间和终止区间得到待测电压区间段，计算在待测电压区间段中各区间的标准电池充电容量以及在运电池充电容量；
根据在待测电压区间段中各区间的标准电池和在运电池的充电容量，计算储能电池的健康状态；
储能电池的健康状态通过下式计算：
其中，Qm(i+1)为标号为m的在运电池第i+1个电压区间充电容量，Q0(i+1)为标准电池第i+1个电压区间充电容量，Qm(i+2)为标号为m的在运电池第i+2个电压区间充电容量，Q0(i+2)为标准电池第i+2个电压区间充电容量，Qm(j-1)为标号为m的在运电池第j-1个电压区间充电容量，Q0(j-1)为标准电池第j-1个电压区间充电容量，j为终止区间的编号，i为起始区间的编号。
2.根据权利要求1所述的储能电池健康状态在线检测方法，其特征在于，在20-30℃环境下，所述以相对于电池额定容量的1/3C倍率的电流对储能单元中在运电池进行放电时，采用变流器进行。
3.一种用于执行权利要求1所述的储能电池健康状态在线检测方法的储能电池健康状态在线检测系统，其特征在于，包括：
起始区间确认模块，用于将待测在运电池停止放电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到起始区间；
终止区间确认模块，用于将待测在运电池停止充电时开路电压对应到标准电池充电过程的电压区间内，得到终止区间；
电池充电容量计算模块，用于根据起始区间和终止区间得到待测电压区间段，计算在待测电压区间段中各区间的标准电池充电容量以及在运电池充电容量；
健康状态计算模块，用于根据在待测电压区间段中各区间的标准电池和在运电池的充电容量，计算储能电池的健康状态。
4.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现权利要求1-2中任意一项所述的储能电池健康状态在线检测方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行权利要求1-2中任意一项所述的储能电池健康状态在线检测方法。
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