CN117117346B - 一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计钠离子电池技术领域，具体涉及一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，该方法包括以下步骤：选择多个用于构成钠离子电池的正负极材料，并分别记录正负极材料的电化学特性；选择多个用于构成钠离子电池的电解液种类，并记录电解液的电化学特性；利用上述物理特性或化学特性，结合数学模型工具，搭建钠离子电池控制器的仿真系统；根据仿真结果，建立基于钠离子电池控制器的实物系统；根据实物系统的模拟结果，分别确定钠离子电池的正负极材料以及电解液种类，组装成钠离子电池成品，并对钠离子电池成品进行电化学性能验证。本发明的目的在于提供一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，解决目前钠离子电池设计及验证较慢的问题。
Description
技术领域
本发明设计钠离子电池技术领域，具体涉及一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法。
背景技术
目前电子设备和电动汽车消费品的迅速发展，锂离子电池需求急剧增加，锂资源受限问题日益突出，促使科学家们寻找当前锂离子技术的替代品。相比于锂资源，钠离子电池技术之所以能够获得巨大关注，是因为钠是地球上第四丰富的元素，并且其资源成本较低。钠被认为是仅次于锂的最轻最小的元素，具有相似的性质。这提供了在钠离子电池(Sodium Ion battery)的工业化中不需要太多基础设施改变的优势；此外，钠离子电池的另一个优点是，与锂离子电池技术中用于阳极的铜箔相比，它可以使用更低成本的铝箔作为阳极和阴极的集电器。因此，钠离子电池是锂离子技术的低成本替代物的有前途的候选物。
但由于钠离子电池目前还处于初步发展阶段，对于钠离子电池的正负极以及电解液的选取还处于摸索阶段；且由于钠离子电池的稳定性较强，选取的范围较广，导致设计钠离子电池的进度发展缓慢。故目前急需一种能够对构成钠离子电池的正负极、电解液等选材进行快速设计及验证的方法。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，解决目前钠离子电池设计及验证较慢的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，包括以下步骤：
S100.选择多个用于构成钠离子电池的正负极材料，并分别记录正负极材料的电化学特性；
S200.选择多个用于构成钠离子电池的电解液种类，并记录电解液的电化学特性；
S300.利用步骤S100至步骤S200中的物理特性或化学特性，结合数学模型工具，搭建钠离子电池控制器的仿真系统，调整控制器的参数和策略，观察并评估仿真系统的响应和性能；
S400.根据仿真结果，选择或设计相适应的控制电路，输入钠离子电池的动态特性，建立基于钠离子电池控制器的实物系统；
S500.根据实物系统的模拟结果，分别确定钠离子电池的正负极材料以及电解液种类，组装成钠离子电池成品，并对钠离子电池成品进行电化学性能验证。
其中，在步骤S100中，所述正负极材料的电化学特性包括电池端电压V、开路电压E、充放电电流I、正负极极化阻抗Rp和Rn以及正负极极化电荷Qp和Qn；
在步骤S200中，所述电解液的电化学特性包括内阻Rs；
在步骤S300中，仿真系统可构建运行钠离子电池的等效电路方程，钠离子电池的等效电路方程的构建方法为：
将仿真系统中钠离子电池的电化学特性表现为：
V＝E-I-RpQp-RnQn
其中，V是电池端电压，E是开路电压，Rp是正极极化阻抗，Rn是负极极化阻抗，Qp是正极极化电荷，Qn是负极极化电荷，I是充放电电流；
将正极材料的储钠性能表现为：
其中，Qp是正极极化电荷，t代表运行时间，I是充放电电流，Cp是正极极化电容；
将负极材料的储钠性能表现为：
其中，Qn是负极极化电荷，t代表运行时间，I是充放电电流，Cn是负极极化电容；
将电池的最大能量性能表现为：
其中，SOC为荷电状态，t代表运行时间，I是充放电电流，C0为额定容量。
其中，基于构建的钠离子电池的等效电路方程，仿真系统采用基于状态估计和模型预测控制的充放电策略。
其中，充放电策略的构建方法为：表示优化目标函数以及表示约束条件，
其中，表示优化目标函数的方程为：
约束条件的表示为：
Vk＝f(Ik，SOCk,Tk)
SOCk+1＝g(Ik，SOCk)
Tk+1＝h(Ik，Tk)
Imin≤Ik≤Imax
SOCmin≤SOCk≤SOCmax
Tmin≤Tk≤Tmax；
其中，Ik是第k时刻的充放电电流，Vk是第k时刻的电池端电压，SOCk是第k时刻的荷电状态，Tk是第k时刻的电池温度，Vref是期望的电池端电压，λ是权重系数，N是预测步长，f，g，h是非线性函数，Imin、Imax、SOCmin、SOCmax、Tmin、Tmax分别是电流、荷电状态和温度的约束条件。
其中，基于充放电策略，设计线性跟踪微分器LTD，通过估计近似误差并在系统中补偿的方式设计二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF，并为二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF进行收敛性分析进而配置参数。
其中，将所述线性跟踪微分器LTD、二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF组合为二阶线性自抗扰控制器SLADRC，通过所述二阶线性自抗扰控制器SLADRC控制所述实物系统的电流环，通过传统的PI控制器控制所述实物系统的电池端电压，进而对钠离子电池的充放电策略进行控制。
进一步的，本实施例的设计与控制方法还包括步骤S600：
确定需要与钠离子电池成品组成混合动力系统的外部能源供给方式、连接关系以及功率分配方式，建立基于HPS的数学模型，根据HPS的状态信息和外部的需求信号，由HPS的数学模型计算出最优的功率分配方案。
其中，所述HPS的数学模型的方程表现为：
约束条件的表示为：
其中，Pi是第i个能源供给方式的输出功率，Ci(Pi)是第i个能源供给方式的成本函数，M是能源供给方式的数量，PL是负载功率，是功率的约束条件。
本发明的有益效果：
本发明的一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，基于构成钠离子电池的正负极材料以及电解液种类进行物理特性以及电化学特性的结合分析，选择或设计相应的钠离子电池控制器的仿真系统，根据仿真结果设计相适应的控制电路，选定好正负极材料以及电解液种类后，即可基于该控制器进行搭建实物系统、组装钠离子电池成品到性能验证的快速流程，在提升钠离子电池的设计与验证效率的同时，有效加快钠离子电池普及的进度。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例的钠离子电池管理系统的设计与控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
目前电子设备和电动汽车消费品的迅速发展，锂离子电池需求急剧增加，锂资源受限问题日益突出，促使科学家们寻找当前锂离子技术的替代品。相比于锂资源，钠离子电池技术之所以能够获得巨大关注，是因为钠是地球上第四丰富的元素，并且其资源成本较低。钠被认为是仅次于锂的最轻最小的元素，具有相似的性质。这提供了在钠离子电池(Sodium Ion battery)的工业化中不需要太多基础设施改变的优势；此外，钠离子电池的另一个优点是，与锂离子电池技术中用于阳极的铜箔相比，它可以使用更低成本的铝箔作为阳极和阴极的集电器。因此，钠离子电池是锂离子技术的低成本替代物的有前途的候选物。
但由于钠离子电池目前还处于初步发展阶段，对于钠离子电池的正负极以及电解液的选取还处于摸索阶段；且由于钠离子电池的稳定性较强，选取的范围较广，导致设计钠离子电池的进度发展缓慢。故目前急需一种能够对构成钠离子电池的正负极、电解液等选材进行快速设计及验证的方法。
为了解决上述问题，本实施例公开了一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，包括以下步骤：
S100.选择多个用于构成钠离子电池的正负极材料，并分别记录正负极材料的电化学特性；
S200.选择多个用于构成钠离子电池的电解液种类，并记录电解液的电化学特性；
S300.利用步骤S100至步骤S200中的物理特性或化学特性，结合数学模型工具，搭建钠离子电池控制器的仿真系统，调整控制器的参数和策略，观察并评估仿真系统的响应和性能；
S400.根据仿真结果，选择或设计相适应的控制电路，输入钠离子电池的动态特性，建立基于钠离子电池控制器的实物系统；
S500.根据实物系统的模拟结果，分别确定钠离子电池的正负极材料以及电解液种类，组装成钠离子电池成品，并对钠离子电池成品进行电化学性能验证。
为了更清晰地对本发明钠离子电池管理系统的设计与控制方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
进一步的，在步骤S100中，所述正负极材料的电化学特性包括电池端电压V、开路电压E、充放电电流I、正负极极化阻抗Rp和Rn以及正负极极化电荷Qp和Qn；
在步骤S200中，所述电解液的电化学特性包括内阻Rs；
在步骤S300中，仿真系统可构建运行钠离子电池的等效电路方程，钠离子电池的等效电路方程的构建方法为：
将仿真系统中钠离子电池的电化学特性表现为：
V＝E-I-RpQp-RnQn
其中，V是电池端电压，E是开路电压，Rp是正极极化阻抗，Rn是负极极化阻抗，Qp是正极极化电荷，Qn是负极极化电荷，I是充放电电流；在本实施例中，开路电压是指没有外部负载时的电池电压，它反映了电池的化学反应平衡状态；内阻是指电池内部的欧姆阻抗，它反映了电池内部的导电性能；极化阻抗是指电池内部的非欧姆阻抗，它反映了电池内部的反应动力学和扩散过程；极化电荷是指储存在正负极材料中的钠离子数量，它反映了电池内部的离子分布和浓度差。
将正极材料的储钠性能表现为：
其中，Qp是正极极化电荷，t代表运行时间，I是充放电电流，Cp是正极极化电容；本公式表示正极极化电荷Qp随时间t的变化率与充放电电流I和正极极化电容Cp之间的关系，正极极化电容是指正极材料对钠离子嵌入和脱出的响应能力，它反映了正极材料的储钠性能。
将负极材料的储钠性能表现为：
其中，Qn是负极极化电荷，t代表运行时间，I是充放电电流，Cn是负极极化电容；本公式表示负极极化电荷Qn随时间t的变化率与充放电电流I和负极极化电容Cn之间的关系，负极极化电容是指负极材料对钠离子嵌入和脱出的响应能力，它反映了负极材料的储钠性能。
将电池的最大能量性能表现为：
其中，SOC为荷电状态，t代表运行时间，I是充放电电流，C0为额定容量；本公式表示荷电状态SOC随时间t的变化率与充放电电流I和额定容量C0之间的关系，荷电状态是指当前剩余容量与额定容量之比，它反映了电池的剩余能量水平；额定容量是指在标准条件下，从满充到完全放完所释放出的最大容量，它反映了电池的最大能量水平。
具体的，基于构建的钠离子电池的等效电路方程，仿真系统采用基于状态估计和模型预测控制的充放电策略，用来求解在一定预测范围内的最优充放电电流序列，使得电池的性能和寿命得到最大化。
进一步的，充放电策略的构建方法为：表示优化目标函数以及表示约束条件，
其中，表示优化目标函数的方程为：
约束条件的表示为：
Vk＝f(Ik，SOCk,Tk)，即电池端电压Vk与充放电电流Ik、荷电状态SOCk和温度Tk之间的关系。这个关系由一个非线性函数f表示，它反映了电池的动态特性；
SOCk+1＝g(Ik，SOCk)，即荷电状态SOCk+1与充放电电流Ik和荷电状态SOCk之间的关系。这个关系由一个非线性函数g表示，它反映了电池的容量变化规律；
Tk+1＝h(Ik，Tk)，即温度Tk+1与充放电电流Ik和温度Tk之间的关系。这个关系由一个非线性函数h表示，它反映了电池的热动力学过程；
Imin≤Ik≤Imax，SOCmin≤SOCk≤SOCmax，Tmin≤Tk≤Tmax，上述三个条件，即充放电电流Ik、荷电状态SOCk和温度Tk的取值范围，这些范围由一些常数表示，它们反映了电池的物理限制和安全要求。
其中，Ik是第k时刻的充放电电流，Vk是第k时刻的电池端电压，SOCk是第k时刻的荷电状态，Tk是第k时刻的电池温度，Vref是期望的电池端电压，λ是权重系数，N是预测步长，f，g，h是非线性函数，Imin、Imax、SOCmin、SOCmax、Tmin、Tmax分别是电流、荷电状态和温度的约束条件。
具体的，该公式表示优化目标函数，即要最小化电池端电压Vk与期望电压Vref之间的误差平方和，以及充放电电流Ik的平方和；期望电压Vref是指根据外部需求信号或者其他控制策略设定的期望的电池端电压，它反映了电池的工作状态；充放电电流Ik是指通过电池的充放电电流，它反映了电池的功率水平；误差平方和表示电池端电压与期望电压之间的偏差程度，越小越好；充放电电流的平方和表示充放电过程中的能量损耗，越小越好；λ是一个权重系数，用来平衡两个优化目标之间的重要性。
具体的，本实施例的仿真系统还可基于充放电策略，设计线性跟踪微分器LTD，通过估计近似误差并在系统中补偿的方式设计二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF，并为二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF进行收敛性分析进而配置参数。
进一步的，将所述线性跟踪微分器LTD、二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF组合为二阶线性自抗扰控制器SLADRC，通过所述二阶线性自抗扰控制器SLADRC控制所述实物系统的电流环，通过传统的PI控制器控制所述实物系统的电池端电压，进而对钠离子电池的充放电策略进行控制。需要说明的是，本实施例中关于如何“设计线性跟踪微分器LTD，通过估计近似误差并在系统中补偿的方式设计二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF，并为二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF进行收敛性分析进而配置参数”以及“将所述线性跟踪微分器LTD、二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF组合为二阶线性自抗扰控制器SLADRC，通过所述二阶线性自抗扰控制器SLADRC控制所述实物系统的电流环，通过传统的PI控制器控制所述实物系统的正向电压，进而对LED进行控制”的工作原理为现有技术，在此不再赘述。
进一步的，为了使钠离子电池能够和其他能源供给方式进行互补，提升钠离子电池在非最佳输出功率区间的使用体验，本实施例采用了一种基于混合动力系统(HPS)的控制策略。具体来说，首先需要确定钠离子电池与其他能源供给方式(如太阳能、风能、柴油发电机等)之间的连接方式和功率分配方式；然后需要建立一个HPS的数学模型，描述其各个组成部分的动态特性和相互作用；最后需要通过HPS算法根据HPS的状态信息和外部的需求信号，计算出最优的功率分配方案，并实时调节各个组成部分的工作模式，以达到节能、降耗、保证可靠性等目标。
因此，本实施例的设计与控制方法还包括：
步骤S600.确定需要与钠离子电池成品组成混合动力系统的外部能源供给方式、连接关系以及功率分配方式，建立基于HPS的数学模型，根据HPS的状态信息和外部的需求信号，由HPS的数学模型计算出最优的功率分配方案。
其中，所述HPS的数学模型的方程表现为：
约束条件的表示为：
其中，Pi是第i个能源供给方式的输出功率，Ci(Pi)是第i个能源供给方式的成本函数，M是能源供给方式的数量，PL是负载功率，是功率的约束条件。
HPS的数学模型的方程表示优化目标函数，即要最小化各个能源供给方式的成本函数之和，它反映了该能源供给方式的运行成本和环境成本。
第一个约束条件即各个能源供给方式的输出功率之和等于负载功率，它反映了外部需求信号或者其他控制策略设定的期望的功率水平。
第二个约束条件即各个能源供给方式的输出功率的取值范围，这些范围由一些常数表示，它们反映了各个能源供给方式的物理限制和技术要求。
综上，本发明的一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，基于构成钠离子电池的正负极材料以及电解液种类进行物理特性以及电化学特性的结合分析，选择或设计相应的钠离子电池控制器的仿真系统，根据仿真结果设计相适应的控制电路，选定好正负极材料以及电解液种类后，即可基于该控制器进行搭建实物系统、组装钠离子电池成品到性能验证的快速流程，在提升钠离子电池的设计与验证效率的同时，有效加快钠离子电池普及的进度。
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，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (3)
1.一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100. 选择多个用于构成钠离子电池的正负极材料，并分别记录正负极材料的电化学特性；
S200. 选择多个用于构成钠离子电池的电解液种类，并记录电解液的电化学特性；
S300. 利用步骤S100至步骤S200中的物理特性或化学特性，结合数学模型工具，搭建钠离子电池控制器的仿真系统，调整控制器的参数和策略，观察并评估仿真系统的响应和性能；
S400. 根据仿真结果，选择或设计相适应的控制电路，输入钠离子电池的动态特性，建立基于钠离子电池控制器的实物系统；
S500. 根据实物系统的模拟结果，分别确定钠离子电池的正负极材料以及电解液种类，组装成钠离子电池成品，并对钠离子电池成品进行电化学性能验证；
S600：确定需要与钠离子电池成品组成混合动力系统的外部能源供给方式、连接关系以及功率分配方式，建立基于HPS的数学模型，根据HPS的状态信息和外部的需求信号，由HPS的数学模型计算出最优的功率分配方案；
在步骤S100中，所述正负极材料的电化学特性包括电池端电压V、开路电压E、充放电电流I、正负极极化阻抗Rp和Rn以及正负极极化电荷 Qp和Qn；
在步骤S200中，所述电解液的电化学特性包括内阻Rs；
在步骤S300中，仿真系统可构建运行钠离子电池的等效电路方程，钠离子电池的等效电路方程的构建方法为：
将仿真系统中钠离子电池的电化学特性表现为：
；
其中，是电池端电压，/>是开路电压，/>是正极极化阻抗，/>是负极极化阻抗，/>是正极极化电荷，/>是负极极化电荷，/>是充放电电流；
将正极材料的储钠性能表现为：
；
其中，是正极极化电荷，/>代表运行时间，/>是充放电电流，是正极极化电容；
将负极材料的储钠性能表现为：
；
其中，是负极极化电荷，/>代表运行时间，/>是充放电电流，/>是负极极化电容；
将电池的最大能量性能表现为：
；
其中，为荷电状态，/>代表运行时间，/>是充放电电流，/>为额定容量；
基于构建的钠离子电池的等效电路方程，仿真系统采用基于状态估计和模型预测控制的充放电策略；
充放电策略的构建方法为：表示优化目标函数以及表示约束条件，
其中，表示优化目标函数的方程为：
；
约束条件的表示为：
；
；
；
；
；
；
其中，是第k时刻的充放电电流，/>是第k时刻的电池端电压，/>是第k时刻的荷电状态，/>是第k时刻的电池温度，/>是期望的电池端电压，/>是权重系数，N是预测步长，f， g，h是非线性函数，/>、/>、/>、/>、/>、/>分别是电流、荷电状态和温度的约束条件；
所述HPS的数学模型的方程表现为：
；
约束条件的表示为：
；
；
其中，是第i个能源供给方式的输出功率，/>是第i个能源供给方式的成本函数，M是能源供给方式的数量，/>是负载功率，/>,/>是功率的约束条件。
2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，其特征在于：基于充放电策略，设计线性跟踪微分器LTD，通过估计近似误差并在系统中补偿的方式设计二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF，并为二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF进行收敛性分析进而配置参数。
3.根据权利要求2所述的一种钠离子电池管理系统的设计与控制方法，其特征在于：将所述线性跟踪微分器LTD、二阶线性扩张状态观测器SLESO和线性状态误差反馈控制律LSEF组合为二阶线性自抗扰控制器SLADRC，通过所述二阶线性自抗扰控制器SLADRC控制所述实物系统的电流环，通过传统的PI控制器控制。
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