CN113884894B - 基于外部特性的电池簇不一致性在线监测方法 - Google Patents

基于外部特性的电池簇不一致性在线监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于外部特性的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，其中方法包括：基于可用容量与直流内阻两项参数指标，对电池pack箱进行筛选，选取表征单体；实时获取电池簇放电容量Q与表征单体放电容量q、因直流内阻造成的压降ΔUdc、Δudc及因极化阻抗造成的压升ΔUp、Δup，得到线性拟合关系f1(q,Q)、f2(n·Δudc,ΔUdc)与f3(n·Δup,ΔUp)，并对各线性拟合关系求导得到变化速率k1(q,Q)、k2(n·Δudc,ΔUdc)、k3(n·Δup,ΔUp)。对线性拟合函数变化速率k1、k2与k3进行实时监测以判断电池簇不一致性。所述方法实现成本较低，易于实际应用，有效对电池簇不一致性进行在线评估。

Description

基于外部特性的电池簇不一致性在线监测方法
技术领域
本发明涉及电化学储能领域，尤其涉及到电力储能用锂离子电池簇健康状态检测领域。
背景技术
电池簇不一致性问题将会降低电池堆的使用效率，若不加以监测与管理，会对储能电站运行寿命易造成不可逆的损害。而电池簇安全性与内部电池pack箱运行状态直接相关，所以在探究电池簇运行状态最重要的角度，在于电池pack箱多维状态中，掌握哪个维度最接近临界状态的，掌握该临界状态与电池簇运行状态的对应规律，就抓住了储能系统运行全局中最值得关注的特征。而且电池管理系统(Battery Management System，BMS)受制于硬件水平，运算能力有限，有关储能电池运行状态评估手段在不断更新的同时，应考虑实际应用问题。
因此，以恒流充放电为基础，在实现保障储能电站电池簇安全运行状态的条件下，为降低数据采集量，减少不良数据，探究在恒流充放电过程中因电池老化的不一致性而引发电池簇与电池pack箱的放电容量、直流电阻压降与极化阻抗压升的浮动规律，通过相关结论对电池簇不一致性进行基于外部特性的在线评估，在丰富评级系统安全维度的同时，有效利用储能电池管理系统(EMS)所测得的实时数据。
发明内容
储能电池系统采用的是模块化总包设计，以电池簇为主体，与热管理系、消防、照明、视频监控、电池管理系统BMS之间配合运行，且储能电站多采用基于电池模组单元箱相(简称为：电池pack箱)为基本单位来构建电池簇。
若通过对电池pack箱的内部特性进行实时监测以确定电池簇的不一致性，不仅需要在线参数辨识，而且数据采集量与计算量过大，BMS难以实现所述要求；部分文献提出对簇内每台电池pack箱外特性进行实时监测以判断不一致性，但数据采集量同样很大。
因此，本文提出基于电池簇与表征单体电池pack箱放电容量变化、直流电阻压降变化与极化阻抗压升变化的不一致性在线评估方法。在保障储能电站电池簇安全运行状态，减少老化程度不均而引发事故可能性的同时，降低信息采集量与不良数据，更易实际应用。
第一方面，可用容量与内阻的不确定性差异是电池组不一致性的主要来源。因此，在电池簇成组投运之前，基于可用容量与直流内阻两项参数指标，对电池pack箱进行筛选，选取表征单体，筛选条件为：
该表征单体的可用容量q和直流内阻rdc最为接近电池簇中所有电池pack箱可用容量的平均值和直流内阻的平均值，以该表征单体为参考对象，为电池簇工作过程中的不一致性提供参考。
第二方面，提供了一种基于放电容量的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，包括：
实时获取电池簇放电容量Q与单体放电容量q进行线性拟合，得到线性关系f1(q,Q)，
基于线性拟合关系求导得其变化速率k1(q,Q)，
对变化速率k1(q,Q)进行在线记录，若电池簇内某一电池pack箱受外界环境影响而老化程度加剧，放电容量数值下降，导致放电容量Q下降幅值逐渐大于表征单体放电容量q下降幅值，变化速率k1呈现增大趋势；
第三方面，提供了一种基于直流内阻压降的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，包括：
实时获取电池簇与表征单体因直流内阻造成的压降ΔUdc、Δudc进行线性拟合，得到线性关系f2(n·Δudc,ΔUdc)，n为电池pack箱个数，
基于线性拟合关系求导得其变化速率k2(n·Δudc,ΔUdc)，
对变化速率k2(n·Δudc,ΔUdc)进行在线记录，若电池簇内某一电池pack箱受外界环境影响而老化程度加剧，直流电阻数值增大，导致压降幅值ΔUdc逐渐大于表征单体n·Δudc，变化速率k2呈现增大趋势；
第四方面，提供了一种基于极化阻抗压升的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，包括：
实时获取电池簇与表征单体因极化阻抗造成的压升ΔUp、Δup进行线性拟合，得到线性关系f3(n·Δup,ΔUp)，n为电池pack箱个数，
基于线性拟合关系求导得其变化速率k3(n·Δup,ΔUp)。
对变化速率k3(n·Δup,ΔUp)进行在线记录，若电池簇内某一电池pack箱受外界环境影响而老化程度加剧，直流电阻数值增大，导致压降幅值ΔUp逐渐大于表征单体n·Δup，变化速率k3呈现增大趋势；
第五方面，对线性拟合函数变化速率k1、k2与k3进行实时监测，以构建多安全维度评估系统，实际运用中可通过对不同应用场景增添权重进行更精确的判断，如下式所示。
进一步地，在判定电池簇中电池PACK箱不一致性，还包括：
断开换流器直流侧接触器以及BMS高压箱开关，对各电池pack箱进行参数检测，对老化程度较深者进行更换。
有益效果
本发明提出基于电池簇与表征单体电池pack箱放电容量变化、直流电阻压降变化与极化阻抗压升变化的不一致性在线评估方法，实现成本较低，无扰动，数据采集量较低，易于实际应用，丰富评级系统安全维度，充分利用储能电池管理系统实时数据，有效对电池簇不一致性进行在线评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种电池簇不一致性评估方法电压幅值采样范围
图2是本发明实施例提供的一种电池簇不一致性评估方法流程图
图3是本发明实施例提供的一种电池簇表征单体不一致性评估方法原理
图4是本发明实施例提供的一种电池簇表征单体筛选示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
电池管理系统BMS可以实时在线监测出电池簇与表征单体的。随着充放电循环次数的不断增加及外部条件的差异，两者的一致性难以保证，进而引起电池簇与表征单体外部特性差异的不断放大。因此，实时获取电池簇放电容量Q与表征单体放电容量q、电池簇与表征单体因直流内阻造成的压降ΔUdc、Δudc与电池簇与表征单体因极化阻抗造成的压升ΔUp、Δup，通过线性拟合关系来反映该电池簇不一致性情况，电压幅值采样范围如图1所示。
本发明实施例提供了一种储能电站电池簇不一致性评估方法原理图与流程图，如图2、图3所示，包括：
S1：在电池簇成组投运之前，基于可用容量与直流内阻两项参数指标，对电池pack箱进行筛选，获得表征单体，即该表征单体的可用容量q和直流内阻rdc最为接近电池簇中所有电池PACK箱可用容量的平均值和直流内阻的平均值，其筛选示意图如图4所示。
S2：储能电站充放电电流与采样频率保持不变，实时获取电池簇放电容量Q与表征单体放电容量q进行线性拟合，得到线性关系f1(q,Q)。
S3：储能电站充放电电流与采样时间保持不变，实时获取电池簇与表征单体因直流内阻造成的压降ΔUdc、Δudc进行线性拟合，得到线性关系f2(n·Δudc,ΔUdc)，n为电池pack箱个数，
S4：储能电站充放电电流与采样时间保持不变，实时获取电池簇与表征单体因极化阻抗造成的压升ΔUp、Δup进行线性拟合，得到线性关系f3(n·Δup,ΔUp)，n为电池pack箱个数
S5：基于线性拟合关系f1(q,Q)进行实时求导，得其变化速率k1(Q,q)，对变化速率进行在线记录。
S51：随着循环的进行，k1(Q,q)呈现增大趋势，反映出电池簇不一致性加剧，电池pack箱存在老化程度不均的情况，断开换流器直流侧接触器以及BMS高压箱开关，对各电池pack箱进行容量检测，对于容量较低者进行更换。
S52：随着循环的进行，变化速率k1(Q,q)保持稳定，电池簇一致性良好，不执行保护动作，继续对电池簇放电容量Q与表征单体放电容量q进行实时在线监测。
S6：基于线性拟合关系f2(n·Δudc,ΔUdc)进行实时求导，得其变化速率k2(n·Δudc,ΔUdc)，对变化速率进行在线记录。
S61：随着循环的进行，k2(n·Δudc,ΔUdc)呈现增大趋势，反映出电池簇不一致性加剧，电池PACK箱存在老化程度不均的情况，断开换流器直流侧接触器以及BMS高压箱开关，对各电池PACK箱进行直流内阻检测，对于直流内阻较大者进行更换。
S62：随着循环的进行，变化速率k2(n·Δudc,ΔUdc)保持稳定，电池簇一致性良好，不执行保护动作，继续对电池簇与表征单体因直流内阻造成的压降ΔUdc、Δudc进行实时在线监测。
S7：基于线性拟合关系f3(n·Δup,ΔUp)进行实时求导，得其变化速率k3(n·Δup,ΔUp)，对变化速率进行在线记录。
S71：随着循环的进行，k3(n·Δup,ΔUp)呈现增大趋势，反映出电池簇不一致性加剧，电池pack箱存在老化程度不均的情况，断开换流器直流侧接触器以及BMS高压箱开关，对各电池pack箱进行极化阻抗检测，对于极化阻抗较大者进行更换。
S72：随着循环的进行，变化速率k3(n·Δup,ΔUp)保持稳定，电池簇一致性良好，不执行保护动作，继续对电池簇与表征单体因极化阻抗造成的压升ΔUp、Δup进行实时在线监测。
S8：重复步骤S2～S7，完成对电池簇的实时监测，同时对不同应用场景增添权重进行更精确的判断。

Claims (4)

1.基于可用容量的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，其特征在于，包括：
步骤一：对电池pack箱进行筛选，获得表征单体；
步骤二：储能电站充放电电流保持不变，实时获取电池簇放电容量Q与表征单体放电容量q进行线性拟合，得到线性关系f1(q,Q)；
步骤三：储能电站充放电电流保持不变，实时获取电池簇与表征单体因直流内阻造成的压降ΔUdc、Δudc进行线性拟合，得到线性关系f2(n·Δudc,ΔUdc)，n为电池pack箱个数，
步骤四：储能电站充放电电流保持不变，实时获取电池簇与表征单体因极化阻抗造成的压升ΔUp、Δup进行线性拟合，得到线性关系f3(n·Δup,ΔUp)，n为电池pack箱个数，
步骤五：对线性关系求导得到变化速率k1(q,Q)；随着循环的进行，若k1(q,Q)呈现增大趋势，反映出电池簇不一致性加剧，
步骤六：对线性关系求导得到变化速率k2(n·Δudc,ΔUdc)；随着循环的进行，若k2(n·Δudc,ΔUdc)呈现增大趋势，反映出电池簇不一致性加剧，
步骤七：对线性关系求导得到变化速率k3(n·Δup,ΔUp)；随着循环的进行，若k3(n·Δup,ΔUp)呈现增大趋势，反映出电池簇不一致性加剧。
2.根据权利要求1所述的基于可用容量的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，其特征在于，在判定不一致性加剧后，还包括：
断开换流器直流侧接触器以及BMS高压箱开关，对各电池pack箱进行检测，对于参数不符合者，即老化程度较深者进行更换。
3.根据权利要求1所述的基于可用容量的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，其特征在于，在获取电池簇与表征单体相关参数之前，还包括：在电池簇成组投运之前，以可用容量与直流内阻为参数指标，对各电池pack箱进行筛选，筛选条件为：
即表征单体的可用容量q和直流内阻rdc最为接近电池簇中所有电池pack箱可用容量的平均值和直流内阻的平均值，基于此以选取表征单体。
4.根据权利要求1所述的基于可用容量的储能电站电池簇不一致性在线评估方法，其特征在于，还包括：
若变化速率保持稳定，电池簇一致性良好，不执行保护动作，继续对电池簇放电容量Q与表征单体放电容量q、电池簇与表征单体因直流内阻造成的压降ΔUdc、Δudc、电池簇与表征单体因极化阻抗造成的压升ΔUp、Δup进行实时在线监测。
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