CN114384431A - 电池簇soc和soh校准方法、系统、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电池簇SOC和SOH校准方法、系统、设备和存储介质,对电池簇中电池单体阻抗大于阈值的电池单体进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电;根据一次放电电流和二次放电时间,计算电池簇剩余电量;根据二次充电电量、一次充电电量和一次充放电损失,计算电池簇健康状态。本发明针对用电池簇中内阻较大的电池单体即阻抗大于阈值的电池单体判断是否停止充放电,由于电池簇中电池簇中内阻较大的电池单体所占比例不超过10%,所以本发明只需要针对电池簇中,相对数量较少的电池进行计算即可实现校正电池簇剩余电量和电池簇健康状态的目的,提高了计算效率。
Description
技术领域
本发明属于储能系统与电池管理系统检测技术领域,具体涉及一种电池簇SOC和SOH校准方法、系统、设备和存储介质。
背景技术
储能技术具有极高的战略地位,世界各国一致都在不断支持储能技术的研究和应用。2018年全球储能电站部署的储能容量约为150GWh,到2030年的储能容量预计将增长到380GWh。同时,由于磷酸铁锂电池成本的下降,新建设的储能电站通常采用磷酸铁锂电池的方案。照此趋势发展,储能电站在线检测技术的应用市场需求会随着新储能电站的建设和旧储能电站的维护而逐年增大。近些年,研究和开发人员对电池单体的研究比较多,包括电池单体的SOC(SOC为荷电状态,也叫剩余电量,State of charge)和SOH(SOH为电池的健康状态,State of health)的算法和测试方法,但是对于储能电池簇的针对性研究相对较少。第一是由于储能电池簇的搭建集成耗费人力物力较多,安全投运周期较长,并网检测工作量大;第二是储能电池簇的并发数据量庞大,包括几百节单体的状态信息,电站远程获取的数据一般实时性不高,对于要求精度实时性较高的计算不能满足要求,所以储能电池簇SOC和SOH的在线计算仍是行业难题。
发明内容
为克服现有技术中的问题,本发明的目的是提供一种电池簇SOC和SOH校准方法、系统、设备和存储介质,该方法能够快速实现对电池簇SOC和SOH的计算。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
电池簇SOC和SOH校准方法,包括以下步骤:
对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电;其中,一次放电与二次放电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最小值达到截止电压下限时停止,一次充电与二次充电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最大值达到截止电压上限时停止;
根据一次放电电流和二次放电时间,计算电池簇剩余电量;
根据二次充电电量、一次充电电量和一次充放电损失,计算电池簇健康状态。
进一步的,对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电时,阻抗大于阈值的电池单体电压差满足下式:
dVi>(μdV+2σdV)
式中,dVi为电压差,μdV为电池簇中单体变化值的均值,σdV为电池簇中单体变化值的方差。
进一步的,电压差dVi通过下式计算得到:
dVi=Vi’-Vi”
式中,Vi’为充电至电流稳定时的充电电压;Vi”为放电至电流稳定时的放电电压。
进一步的,电池簇中单体变化值的均值μdV通过下式计算得到:
式中,N为电池簇中电池个数。
进一步的,电池簇中单体变化值的方差通过下式计算得到:
式中,N为电池簇中电池个数,μdV为电池簇中电池单体电压变化值的均值。
进一步的,电池簇剩余电量SOH通过下式计算:
式中,C为电池在标称温度下的标称电池容量,In为一次放电电流,t2为二次放电时间。
进一步的,健康状态通过下式计算:
SOC=Q0/Q1*(1-η)*100%
式中,Q0为二次充电电量,Q1为一次充电电量,η为充放电损失。
进一步的,一次充放电损失通过下式计算:
η=1-t2/t1
式中,t2为二次放电时间,t1为一次充电时间。
一种电池簇SOC和SOH校准系统,包括:
充电和放电单元,用于对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电;其中,一次放电与二次放电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最小值达到截止电压下限时停止,一次充电与二次充电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最大值达到截止电压上限时停止;
电池簇剩余电量计算单元,用于根据一次放电电流和二次放电时间,计算电池簇剩余电量;
电池簇健康状态计算单元,用于根据二次充电电量、一次充电电量和一次充放电损失,计算电池簇健康状态。
进一步的,所述充电和放电单元还用于,对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电时,阻抗大于阈值的电池单体电压差满足下式:
dVi>(μdV+2σdV)
式中,dVi为电压差,μdV为电池簇中单体变化值的均值,σdV为电池簇中单体变化值的方差。
进一步的,所述充电和放电单元具体用于,电压差dVi通过下式计算得到:
dVi=Vi’-Vi”
式中,Vi’为充电至电流稳定时的充电电压;Vi”为放电至电流稳定时的放电电压。
进一步的,电池簇剩余电量计算单元还用于,电池簇剩余电量SOH通过下式计算:
式中,C为电池在标称温度下的标称电池容量,In为一次放电电流,t2为二次放电时间。
进一步的,电池簇健康状态计算单元还用于,健康状态通过下式计算:
SOC=Q0/Q1*(1-η)*100%
式中,Q0为二次充电电量,Q1为一次充电电量,η为充放电损失。
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如上所述的电池簇SOC和SOH校准方法。
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如上所述的电池簇SOC和SOH校准方法。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果:
本发明针对用电池簇中内阻较大的电池单体,即一定充放电过程中电压变化值大于阈值的电池单体,进行计算,由于电池簇中内阻较大的电池单体所占比例不超过10%,所以本发明只需要针对电池簇中,数量较少的内阻较大的电池单体进行计算,即可实现校正电池簇剩余电量和电池簇健康状态的目的,提高了计算效率。
附图说明
图1为传统方法判断单体电压最大值的流程图。
图2为本发明中确定内阻较大电池单体集合的流程图。
图3为本发明中判断内阻较大电池单体电压最大值的流程图。
图4为本发明的流程图。
图5为本发明的系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将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、完整地描述,显然,所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述,例如程序模块。一般地,程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、元件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明,在这些分布式计算环境中,由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中,程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
在本发明中,“模块”、“装置”、“系统”等指应用于计算机的相关实体,如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说,例如,元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有,运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中,并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间,并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号,例如,来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的,和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”,不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明中术语含义解释如下:
储能电池簇由电池模块采用串联、并联或串并联连接方式,且与储能变流器及附属设施连接后实现独立运行的电池组合体,还宜包括电池管理系统、监测和保护电路、电气和通讯接口等部件。电池模块由电池单体采用串联、并联或串并联连接方式,且只有一对正负极输出端子的电池组合体,还宜包括外壳、管理与保护装置等部件。
SOC为荷电状态,也叫剩余电量。
SOH指的是电池的健康状态。
对储能电站在运营过程中在线校准SOC和SOH的值,为储能电站调度提供及时的数据支撑,降低电站运行风险。
在线推算电池簇SOC和SOH的方法,通过总线或者远程通信方式校准电池簇SOC和SOH,SOC的计算方法通常是安时积分法,但由于储能系统长时间运行的特点,安时积分法计算SOC的累计误差较大,需要定期对储能电池簇的SOC值进行在线校准。
本发明的电池簇SOC和SOH校准方法,包括以下步骤:
1.在标称温度T0下,对电池簇中电池单体阻抗大于阈值的电池单体,以n倍率电流In进行一次放电,放电至任一电池单体电压Vi最小值首先达到截止电压下限Vlow时刻,停止放电;(实际实施例中以0.3倍率电流In充放电,即n为0.3);
2.静置10分钟;
3.在标称温度T0下,以n倍率电流In进行一次充电,充电至任一单体电压Vi最大值首先达到截止电压上限Vhigh时刻,停止充电,一次充电时间为t1,一次充电电量Q1=In*t1。
4.静置10分钟;
5.在标称温度T0下,以n倍率电流In进行二次放电,放电至任一单体电压Vi最先达到截止电压下限Vlow时刻,停止放电,二次放电时间为t2,二次放电电量Q2=In*t2;充放电损失η=1-t2/t1。
7.静置10分钟;
以此刻的荷电状态SOC值为基准,电池簇以后的运行和校准仍然可以使用AH积分法(安时积分法)计算,直至下一次校准前。
一个电池簇一般由N个电池单体组成,通常情况下,分别判断某时刻收集的每一单体电压值是否大于截止电压上限Vhigh或者小于截止电压下限Vlow,从而进行停止充放电的操作。一个单体电压采样周期一般是50ms,由于在充放电过程中,参见图1,传统方法是每个采样周期的单体值都需要判断是否大于截止电压上限Vhigh或者小于截止电压下限Vlow,但实际上,那些阻抗较大的电池单体,会发热较多,充电的时候更快升至截止电压上限Vhigh,放电的时候更快降至截止电压下限Vlow,所以只要能够确定哪些电池单体具有内阻较高的特性,只判断内阻较高单体集合中的电压是否达到截止电压上限Vhigh和截止电压下限Vlow,即可以减少现有技术中通过程序判断的循环次数,节省判断的时间。内阻较大的电池在电池簇中的数量是极少数,实践证明是符合统计学规律的。
参见图2,确定电池簇中阻抗较大的电池单体(即电池簇中电池单体阻抗大于阈值的电池单体)的方法,具体步骤为:
1)在任一工作温度T1下,以电流In给电池簇充电,In≥0.3Ic,延时至电流稳定后记录该时刻的充电电压Vi’;Ic为单倍率充放电电流。
2)同样工作温度下,以电流In给电池簇放电,In≥0.3Ic,延时至电流稳定后记录该时刻的放电电压Vi”;
3)电压差dVi=Vi’-Vi”,电压差dVi的值反映电池阻抗的大小,电压差越大,则电池单体阻抗值越大,并且电压差dVi的值在N个电池样本中,符合正态分布,在某特定充放电过程中满足dVi>(μdV+2σdV)条件的电池单体为阻抗较大的特征电池单体,这些特征电池单体充放电过程中电压变化较大,本发明中将满足dVi>(μdV+2σdV)条件的电池单体的阻抗视为大于阻抗阈值的电池单体,特征电池单体的数量一般在电池簇中所占比例不超过10%。
对于不满足dVi>(μdV+2σdV)条件的电池单体,则重复步骤1)-步骤3)。
4)找到内阻较大的特征电池单体后,将其编号存至存储区,由于电池内阻特性具有变化较慢的属性,每次校准只执行一次确定内阻较大电池单体编号的程序,即只对编号后的电池簇中电池单体阻抗较大(电压差dVi较大,间接说明单体电池阻抗较大,因为在线系统不能直接获得单体电池内阻的阻值,只能通过充电过程中的电压变化量来间接获取)的电池单体计算电池簇剩余电量和电池簇健康状态,这样在特征单体电压是否达到上下限值的判断在其他单体电压参与的算法中就可以减少计算单体的个数,从而提高实时计算的效率。
参见图3,在利用上述方法进行电池簇SOC和SOH校准之前,增加确定特征电池单体并为其编号的步骤,然后在一次充放电和二次充放电过程中执行如图3所示的判断电压上限Vhigh和电压下限Vlow的流程。
确定电池簇中阻抗较大电阻的电池集合中电池单体电压Vj,(j=1,2,……M),以电流In恒流充电,充电过程中判断电池单体电压Vj是否满足Vj≥Vhigh,若满足,则停止充电,若不满足,则电池单体电压判断Vj+1是否满足Vj+1≥Vhigh,并判断j是否小于M,若是,则结束,若否,则重复以电流In恒流充电的过程。
其中,M<N,N为电池簇中电池个数,M为电池簇中具有阻抗较大特征的电池单体数量。
单体电池的电压上限Vhigh和电压下限Vlow的确定时间小于传统方法所用时间的1/10。
参见图4,电池簇SOC和SOH校准方法为:对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电;其中,一次放电与二次放电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最小值达到截止电压下限时停止,一次充电与二次充电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最大值达到截止电压上限时停止;
根据一次放电电流和二次放电时间,计算电池簇剩余电量;
根据二次充电电量、一次充电电量和一次充放电损失,计算电池簇健康状态。
参见图5,一种电池簇SOC和SOH校准系统,包括:
充电和放电单元,用于对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电;其中,一次放电与二次放电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最小值达到截止电压下限时停止,一次充电与二次充电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最大值达到截止电压上限时停止;
电池簇剩余电量计算单元,用于根据一次放电电流和二次放电时间,计算电池簇剩余电量;
电池簇健康状态计算单元,用于根据二次充电电量、一次充电电量和一次充放电损失,计算电池簇健康状态。
电池簇剩余电量计算单元和电池簇健康状态计算单元均与充电和放电单元相连。
进一步的,所述充电和放电单元还用于,对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电时,阻抗大于阈值的电池单体电压差满足下式:
dVi>(μdV+2σdV)
式中,dVi为电压差,μdV为电池簇中单体变化值的均值,σdV为电池簇中单体变化值的方差。
进一步的,所述充电和放电单元具体用于,电压差dVi通过下式计算得到:
dVi=Vi’-Vi”
式中,Vi’为充电至电流稳定时的充电电压;Vi”为放电至电流稳定时的放电电压。
进一步的,电池簇剩余电量计算单元还用于,电池簇剩余电量SOH通过下式计算:
式中,C为电池在标称温度下的标称电池容量,In为一次放电电流,t2为二次放电时间。
进一步的,电池簇健康状态计算单元还用于,健康状态通过下式计算:
SOC=Q0/Q1*(1-η)*100%
式中,Q0为二次充电电量,Q1为一次充电电量,η为充放电损失。
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如上所述的电池簇SOC和SOH校准方法。
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如上所述的电池簇SOC和SOH校准方法。
实施例1
一般组成电池簇单体个数为200节以上,电池的采样周期一般是50ms。
本实施例针对某100MW储能电站磷酸铁锂电池簇,单体电池个数为224个,单体电池规格为3.2V/250AH。校准过程中以75A电流充放电校准,放电电压下限为2.65V,充电电压上限为3.65V,标称温度T0为21℃,一次充电时间是183.5分钟,二次放电时间182分钟。
此时的电池容量已经变为227.5AH。
确定内阻较大的特征电池单体实例,电池簇中电池个数N=224个,充电90AH,切换至放电110AH,计算得到的电压差dVi值,电池簇中电池单体电压变化值的均值μdv=130mV,电池簇中单体变化值的方差σdv=11mV,满足电压差dVi≥152mV的电池单体个数为15个。所以M=15,记录这15个电池单体的编号,在充放电过程中判断这15个电池单体的电压是否达到电压上限和下限即可,不必224个电池单体逐一判断。
由于SOH的值变化缓慢,而SOC值几乎时刻都在改变,电池簇SOH的校准频率一般为1年,500个循环左右,而SOC的校准频率为1个月校准一次。
本发明提出了用电池簇中内阻较大的单体集合的电压差与电压阈值判断,提高了判断效率。
本发明提供一种寻找电池簇中阻抗较大的电池单体方法,利用特定工况下的单体电压改变值间接反映电池单体内阻值大小,从而找到阻抗较大对应单体编号,只需要在充放电过程中对阻抗较大的电池单体进行电压阈值判断,可实现校正电池簇剩余电量和电池簇健康状态的目的。
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 (15)
1.电池簇SOC和SOH校准方法,其特征在于,包括以下步骤:
对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电;其中,一次放电与二次放电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最小值达到截止电压下限时停止,一次充电与二次充电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最大值达到截止电压上限时停止;
根据一次放电电流和二次放电时间,计算电池簇剩余电量;
根据二次充电电量、一次充电电量和一次充放电损失,计算电池簇健康状态。
2.根据权利要求1所述的一种电池簇SOC和SOH校准方法,其特征在于,对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电时,阻抗大于阈值的电池单体电压差满足下式:
dVi>(μdV+2σdV)
式中,dVi为电压差,μdV为电池簇中单体变化值的均值,σdV为电池簇中单体变化值的方差。
3.根据权利要求2所述的一种电池簇SOC和SOH校准方法,其特征在于,电压差dVi通过下式计算得到:
dVi=Vi’-Vi”
式中,Vi’为充电至电流稳定时的充电电压;Vi”为放电至电流稳定时的放电电压。
7.根据权利要求1所述的一种电池簇SOC和SOH校准方法,其特征在于,健康状态通过下式计算:
SOC=Q0/Q1*(1-η)*100%
式中,Q0为二次充电电量,Q1为一次充电电量,η为充放电损失。
8.根据权利要求7所述的一种电池簇SOC和SOH校准方法,其特征在于,一次充放电损失通过下式计算:
η=1-t2/t1
式中,t2为二次放电时间,t1为一次充电时间。
9.一种电池簇SOC和SOH校准系统,其特征在于,包括:
充电和放电单元,用于对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电;其中,一次放电与二次放电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最小值达到截止电压下限时停止,一次充电与二次充电至电池簇中阻抗大于阈值的电池单体电压最大值达到截止电压上限时停止;
电池簇剩余电量计算单元,用于根据一次放电电流和二次放电时间,计算电池簇剩余电量;
电池簇健康状态计算单元,用于根据二次充电电量、一次充电电量和一次充放电损失,计算电池簇健康状态。
10.根据权利要求9所述的一种电池簇SOC和SOH校准系统,其特征在于,所述充电和放电单元还用于,对电池簇进行一次放电和一次充电,再进行二次放电和二次充电时,阻抗大于阈值的电池单体电压差满足下式:
dVi>(μdV+2σdV)
式中,dVi为电压差,μdV为电池簇中单体变化值的均值,σdV为电池簇中单体变化值的方差。
11.根据权利要求10所述的一种电池簇SOC和SOH校准系统,其特征在于,所述充电和放电单元具体用于,电压差dVi通过下式计算得到:
dVi=Vi’-Vi”
式中,Vi’为充电至电流稳定时的充电电压;Vi”为放电至电流稳定时的放电电压。
13.根据权利要求9所述的一种电池簇SOC和SOH校准系统,其特征在于,电池簇健康状态计算单元还用于,健康状态通过下式计算:
SOC=Q0/Q1*(1-η)*100%
式中,Q0为二次充电电量,Q1为一次充电电量,η为充放电损失。
14.一种计算机设备,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1-8中任意一项所述的电池簇SOC和SOH校准方法。
15.一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1-8中任意一项所述的电池簇SOC和SOH校准方法。
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