CN114879053B - 一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法 - Google Patents

一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的属于磷酸铁锂电池技术领域，具体为一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，包括具体步骤如下：步骤一：在储能系统正常以恒流方式放电运行至截止电压后，首先记录放电停止时刻的电池电压v1，然后在放电停止1秒时再次记录电池电压v2，得到放电停止1秒时的电压上升量△v1；步骤二：在停止充电的第120秒时再次记录电池电压v3，于是就能得到1‑120秒内的电压上升量△v2；步骤三：储能系统正常以恒流方式充电时，首先记录充电开始时的电池电压v4，在充电1s时再记录电池电压v5，本发明在储能系统中应用不需要设置特定的工况，在实际正常工况中就可以进行，另外计算简单，没有特别复杂及大的计算量，便于实现和推广。

Description

一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法
技术领域
本发明涉及磷酸铁锂电池技术领域，具体为一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法。
背景技术
磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池，单体额定电压为3.2V，充电截止电压为3.6V～3.65V。充电过程中，磷酸铁锂中的部分锂离子脱出，经电解质传递到负极，嵌入负极碳材料；同时从正极释放出电子，自外电路到达负极，维持化学反应的平衡。放电过程中，锂离子自负极脱出，经电解质到达正极，同时负极释放电子，自外电路到达正极，为外界提供能量。磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点。而磷酸铁锂电池在投入使用之前一般需要对磷酸铁锂电池的寿命进行预测。
现有的磷酸铁锂电池寿命预测大多是针对车用的动力电池进行寿命预测，一般利用磷酸铁锂电池循环次数与电池剩余容量或者内阻之间的关系进行预测，同时需要在特定的工况中获得相关参数，在储能系统中，由于电池总串数较多，对电池进行寿命预测，一方面这些方法带来的计算量非常大，另一方面在实际工况应用中，电池实际剩余容量或者内阻等参数也较难获得，这就导致在电池实际使用中预测电池寿命难以实现。
因此，发明一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法。
发明内容
鉴于上述和/或现有一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，能够解决上述提出现有的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，其包括具体步骤如下：
步骤一：在储能系统正常以恒流方式放电运行至截止电压后，首先记录放电停止时刻的电池电压v1，然后在放电停止1秒时再次记录电池电压v2，得到放电停止1秒时的电压上升量△v1；
步骤二：在停止充电的第120秒时再次记录电池电压v3，于是就能得到1-120秒内的电压上升量△v2；
步骤三：储能系统正常以恒流方式充电时，首先记录充电开始时的电池电压v4，在充电1s时再记录电池电压v5，于是得到充电电压上升量△v3；
步骤四：在得到△v1，△v2，△v3后，通过计算可以得到电池内阻的整体表征；
步骤五：最后计算得到电池的剩余寿命；
步骤六：步骤一至步骤五所指的恒流充电和恒流放电的电流均为倍率是0.5C的电流，运行温度为25℃，放电截止电压为2.85v，若储能系统恒流充、放电的倍率为其他值，运行温度为25℃时，需通过调整公式一对△v1，△v2，△v3进行归一化调整，若储能系统恒流充、放电的倍率为0.5C，温度不为25℃时，需要根据温度差异并通过调整公式二进行归一化处理，若储能系统恒流充、放电的倍率不为0.5C，且温度不为25℃时，需通过调整公式三进行归一化调整；
步骤七，步骤一至步骤六所指的方法除了预测单个电池的循环寿命外，同时也可以用于预测整簇成组电池的循环寿命，当预测整簇成组电池的循环寿命时，整簇成组电池的循环寿命即为整簇成组电池中所有单个电池循环寿命的最短值；
步骤八：在实际预测过程中，电池预测寿命系统分为采集单元、存储单元、计算单元和预测单元共四个单元模块，其中采集单元负责采集v1、v2、v3、v4和v5，v1、v2、v3、v4和v5的数据单位为mv，采集单元把采集到的v1、v2、v3、v4和v5送给计算单元，由计算单元计算得到△v1，△v2和△v3或者根据归一化系数E1，E2，E3和F1，F2，F3及G1，G2，G3计算得到△v1’，△v2’及△v3’后再送给预测单元，预测单元最终实现电池寿命的预测，输出电池剩余循环次数，存储单元负责存储计算单元和预测单元计算过程中得到的中间数据及最后计算的结果。
作为本发明所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法的一种优选方案，其中：所述步骤一中，电压上升量为△v1＝v2-v1，其中△v1是对放电欧姆内阻的表征。
作为本发明所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法的一种优选方案，其中：所述步骤二中，电压上升量为△v2＝v3-v2，其中△v2是对电池极化内阻的表征。
作为本发明所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法的一种优选方案，其中：所述步骤三中，充电电压上升量为△v3＝v5-v4，其中△v3是对充电欧姆内阻的表征。
作为本发明所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法的一种优选方案，其中：所述步骤四中，计算公式为：Rv＝K*△v1+M*△v2+N*△v3，其中系数K、M、N分别为放电欧姆内阻、极化内阻、充电欧姆内阻在计算总的电池内阻表征中所占权重。
作为本发明所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法的一种优选方案，其中：所述步骤五中，计算公式为：Y＝X–(Ai*Rv+Bi)，其中Y为电池的剩余充放电循环次数，X为刚生产的新电池初始剩余充放电循环次数(X＞2000)，Ai和Bi为成对的系数，其中i为正整数，取值范围为(1＜＝i＜＝j)，i的取值由Rv确定，根据Rv处于不同的范围时i取不同的值，j为正整数，取值范围为(2＜＝j＜＝5)，其中Q1、Q2、Q3…Qj的取值，以及j的值需根据具体的电池测试得到，不同标称容量的磷酸铁锂电池和不同厂家的磷酸铁锂电池会存在差异。
作为本发明所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法的一种优选方案，其中：所述步骤六中，调整公式一如下：
△v1’＝E1*△v1；
△v2’＝E2*△v2；
△v3’＝E3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
调整公式二如下：
△v1’＝F1*△v1；
△v2’＝F2*△v2；
△v3’＝F3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
调整公式三如下：
△v1’＝G1*△v1；
△v2’＝G2*△v2；
△v3’＝G3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
上述中公式中E1，E2，E3和F1，F2，F3及G1，G2，G3均为归一化系数，需根据具体的电池测试得到。
作为本发明所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法的一种优选方案，其中：所述步骤七中，整簇成组电池的循环寿命计算公式如下：
Y’＝min(Y1,Y2,Y3…Ys,)
其中Y’为整簇成组电池的循环寿命，Y1,Y2,Y3…Ys为各单个电池的寿命，s为整簇成组电池中单个电池的总数，min表示取Y1,Y2,Y3…Ys中的最小值。
与现有技术相比：
本发明通过对恒流放电至截止电压后，电池1秒内电压上升量，恒流充电至截止电压后，电池1秒内电压下降量，以及恒流放电至截止电压后，电池1-120秒内电压上升量的分析，并结合经验模型，实现放电截止后1秒内电池电压上升量代替电池放电欧姆内阻，充电截止后1秒内电池电压下降量代替电池充电欧姆内阻，放电截止后电池1-120秒内电压上升量代替极化内阻，可以极大地提高储能系统中磷酸铁锂电池寿命预测的便捷性和可推广性，为储能系统中磷酸铁锂电池的使用寿命预测提供技术支撑和保障，与此同时，本发明在储能系统中应用不需要设置特定的工况，在实际正常工况中就可以进行，另外计算简单，没有特别复杂及大的计算量，便于实现和推广。
附图说明
图1为本发明电池寿命预测系统框图；
图2为本发明电池寿命预测流程图。
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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，请参阅图1-图2，包括具体步骤如下：
步骤一：在储能系统正常以恒流方式放电运行至截止电压后，首先记录放电停止时刻的电池电压v1，然后在放电停止1秒时再次记录电池电压v2，得到放电停止1秒时的电压上升量△v1，其中，电压上升量为△v1＝v2-v1，其中△v1是对放电欧姆内阻的表征；
步骤二：在停止充电的第120秒时再次记录电池电压v3，于是就能得到1-120秒内的电压上升量△v2，其中，电压上升量为△v2＝v3-v2，其中△v2是对电池极化内阻的表征；
步骤三：储能系统正常以恒流方式充电时，首先记录充电开始时的电池电压v4，在充电1s时再记录电池电压v5，于是得到充电电压上升量△v3，其中，充电电压上升量为△v3＝v5-v4，其中△v3是对充电欧姆内阻的表征；
步骤四：在得到△v1，△v2，△v3后，通过计算可以得到电池内阻的整体表征，其中，计算公式为：Rv＝K*△v1+M*△v2+N*△v3，其中系数K、M、N分别为放电欧姆内阻、极化内阻、充电欧姆内阻在计算总的电池内阻表征中所占权重；
步骤五：最后计算得到电池的剩余寿命，其中，计算公式为：Y＝X–(Ai*Rv+Bi)，其中Y为电池的剩余充放电循环次数，X为刚生产的新电池初始剩余充放电循环次数(X＞2000)，Ai和Bi为成对的系数，其中i为正整数，取值范围为(1＜＝i＜＝j)，i的取值由Rv确定，根据Rv处于不同的范围时i取不同的值，比如当0<＝Rv<＝Q1时，i＝1，当Q1<Rv<＝Q2时，i＝2，当Q2<Rv<＝Q3时，i＝3，依次类推，j为正整数，取值范围为(2＜＝j＜＝5)，其中Q1、Q2、Q3…Qj的取值，以及j的值需根据具体的电池测试得到，不同标称容量的磷酸铁锂电池和不同厂家的磷酸铁锂电池会存在差异；
步骤六：步骤一至步骤五所指的恒流充电和恒流放电的电流均为倍率是0.5C的电流，运行温度为25℃，放电截止电压为2.85v；
若储能系统恒流充、放电的倍率为其他值，运行温度为25℃时，需通过调整公式一对△v1，△v2，△v3进行归一化调整，其中，调整公式一如下：
△v1’＝E1*△v1；
△v2’＝E2*△v2；
△v3’＝E3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
若储能系统恒流充、放电的倍率为0.5C，温度不为25℃时，需要根据温度差异并通过调整公式二进行归一化处理，其中，调整公式二如下：
△v1’＝F1*△v1；
△v2’＝F2*△v2；
△v3’＝F3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
若储能系统恒流充、放电的倍率不为0.5C，且温度不为25℃时，需通过调整公式三进行归一化调整，其中，调整公式三如下：
△v1’＝G1*△v1；
△v2’＝G2*△v2；
△v3’＝G3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
上述中公式中E1，E2，E3和F1，F2，F3及G1，G2，G3均为归一化系数，需根据具体的电池测试得到；
步骤七，步骤一至步骤六所指的方法除了预测单个电池的循环寿命外，同时也可以用于预测整簇成组电池的循环寿命，当预测整簇成组电池的循环寿命时，整簇成组电池的循环寿命即为整簇成组电池中所有单个电池循环寿命的最短值，其中，整簇成组电池的循环寿命计算公式如下：
Y’＝min(Y1,Y2,Y3…Ys,)
其中Y’为整簇成组电池的循环寿命，Y1,Y2,Y3…Ys为各单个电池的寿命，s为整簇成组电池中单个电池的总数，min表示取Y1,Y2,Y3…Ys中的最小值；
步骤八：在实际预测过程中，电池预测寿命系统分为采集单元、存储单元、计算单元和预测单元共四个单元模块，如图1所示，其中采集单元负责采集v1、v2、v3、v4和v5，v1、v2、v3、v4和v5的数据单位为mv，采集单元把采集到的v1、v2、v3、v4和v5送给计算单元，由计算单元计算得到△v1，△v2和△v3或者根据归一化系数E1，E2，E3和F1，F2，F3及G1，G2，G3计算得到△v1’，△v2’及△v3’后再送给预测单元，预测单元最终实现电池寿命的预测，输出电池剩余循环次数，存储单元负责存储计算单元和预测单元计算过程中得到的中间数据及最后计算的结果。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (4)

1.一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，其特征在于，包括具体步骤如下：
步骤一：在储能系统正常以恒流方式放电运行至截止电压后，首先记录放电停止时刻的电池电压v1，然后在放电停止1秒时再次记录电池电压v2，得到放电停止1秒时的电压上升量△v1，其中，电压上升量为△v1＝v2-v1，其中△v1是对放电欧姆内阻的表征；
步骤二：在停止充电的第120秒时再次记录电池电压v3，于是就能得到1-120秒内的电压上升量△v2，其中，电压上升量为△v2＝v3-v2，其中△v2是对电池极化内阻的表征；
步骤三：储能系统正常以恒流方式充电时，首先记录充电开始时的电池电压v4，在充电1s时再记录电池电压v5，于是得到充电电压上升量△v3，其中，充电电压上升量为△v3＝v5-v4，其中△v3是对充电欧姆内阻的表征；
步骤四：在得到△v1，△v2，△v3后，通过计算可以得到电池内阻的整体表征，其中，计算公式为：Rv＝K*△v1+M*△v2+N*△v3，其中系数K、M、N分别为放电欧姆内阻、极化内阻、充电欧姆内阻在计算总的电池内阻表征中所占权重；
步骤五：最后计算得到电池的剩余寿命；
步骤六：步骤一至步骤五所指的恒流充电和恒流放电的电流均为倍率是0.5C的电流，运行温度为25℃，放电截止电压为2.85v，若储能系统恒流充、放电的倍率为其他值，运行温度为25℃时，需通过调整公式一对△v1，△v2，△v3进行归一化调整，若储能系统恒流充、放电的倍率为0.5C，温度不为25℃时，需要根据温度差异并通过调整公式二进行归一化处理，若储能系统恒流充、放电的倍率不为0.5C，且温度不为25℃时，需通过调整公式三进行归一化调整；步骤七，步骤一至步骤六所指的方法除了预测单个电池的循环寿命外，同时也可以用于预测整簇成组电池的循环寿命，当预测整簇成组电池的循环寿命时，整簇成组电池的循环寿命即为整簇成组电池中所有单个电池循环寿命的最短值；
步骤八：在实际预测过程中，电池预测寿命系统分为采集单元、存储单元、计算单元和预测单元共四个单元模块，其中采集单元负责采集v1、v2、v3、v4和v5，v1、v2、v3、v4和v5的数据单位为mv，采集单元把采集到的v1、v2、v3、v4和v5送给计算单元，由计算单元计算得到△v1，△v2和△v3或者根据归一化系数E1，E2，E3和F1，F2，F3及G1，G2，G3计算得到△v1’，△v2’及△v3’后再送给预测单元，预测单元最终实现电池寿命的预测，输出电池剩余循环次数，存储单元负责存储计算单元和预测单元计算过程中得到的中间数据及最后计算的结果。
2.根据权利要求1所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，其特征在于，所述步骤五中，计算公式为：Y＝X–(Ai*Rv+Bi)，其中Y为电池的剩余充放电循环次数，X为刚生产的新电池初始剩余充放电循环次数(X＞2000)，Ai和Bi为成对的系数，其中i为正整数，取值范围为(1＜＝i＜＝j)，i的取值由Rv确定，根据Rv处于不同的范围时i取不同的值，j为正整数，取值范围为(2＜＝j＜＝5)，其中Q1、Q2、Q3…Qj的取值，以及j的值需根据具体的电池测试得到，不同标称容量的磷酸铁锂电池和不同厂家的磷酸铁锂电池会存在差异。
3.根据权利要求1所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，其特征在于，所述步骤六中，调整公式一如下：
△v1’＝E1*△v1；
△v2’＝E2*△v2；
△v3’＝E3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
调整公式二如下：
△v1’＝F1*△v1；
△v2’＝F2*△v2；
△v3’＝F3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
调整公式三如下：
△v1’＝G1*△v1；
△v2’＝G2*△v2；
△v3’＝G3*△v3；
其中△v1’，△v2’及△v3’是归一化之后的值，△v1，△v2和△v3是根据采样计算得到原始值；
上述公式中E1，E2，E3和F1，F2，F3及G1，G2，G3均为归一化系数，需根据具体的电池测试得到。
4.根据权利要求1所述的一种储能磷酸铁锂电池寿命预测方法，其特征在于，所述步骤七中，整簇成组电池的循环寿命计算公式如下：
Y’＝min(Y1,Y2,Y3,…,Ys)
其中Y’为整簇成组电池的循环寿命，Y1,Y2,Y3,…,Ys为各单个电池的寿命，s为整簇成组电池中单个电池的总数，min表示取Y1,Y2,Y3,…,Ys中的最小值。
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