请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
首页研究报告储能工程行业报告锂离子电池荷电状态与健康状态估计方法

文档

7

关注

0

好评

0
PDF

锂离子电池荷电状态与健康状态估计方法

阅读 692 下载 0 大小 849.43K 总页数 10 页 1970-01-01 分享
价格: 2 积分
下载文档
/ 10
全屏查看
锂离子电池荷电状态与健康状态估计方法
还有 10 页未读 ,您可以 继续阅读 或 下载文档
文档介绍
第42卷第5期发电技术Vol.42 No.52021年10月0et.2021D0I:10.12096j.2096-4528.pgt.21074中图分类号:TK02锂离子电池荷电状态与健康状态估计方法(1.利兹大学电子电气工程学院,英国利兹LS29T;2.苏格兰电力公司,英国格拉斯哥G25AD)Estimation Approaches for States of Charge and Health of Lithium-ion BatteryLI Yihuan',LI Kang',YU James2(1.School of Electrical and Electronic Engineering,University of Leeds,Leeds LS2 9JT,UK;2.SP Energy Networks,Glasgow G2 5AD,UK)精要:电池储能系统是实现碳中和最重要、最有效的手practical applications of different techniques were analyzed段之一,其大规模应用对电池运行过程中的安全性提出and compared.Then,the future development needs for了更高的要求。实时准确的电池状态估计为保障电池的battery SOC and SOH estimation techniques were安全稳定运行提供重要信息,是电池管理系统(batteryprospected,which provides references for further researchin battery state estimationmanagement system,BMS)的一项重要功能。然而,由于复杂的操作条件和电池内部的电化学反应,很难准确地KEY WORDS:lithium-ion battery;energy storage;state评估电池的内部状态。针对电池荷电状态(state of charge,estimation;battery management system (BMS)SOC)和健康状态(state of health,SOH这2个电池系统中的重要参数,系统回顾了当前常用的SOC和SOH估0引言计方法,总结了各种方法的特点及其在实际应用中所面为了应对全球气候变化与能源供应短缺,中临的主要挑战,并在此基础上对电池SOC和SOH估计技术未来的发展提出展望,为电池状态估计技术的进一国、欧盟、英国以及其他110多个国家承诺在未步研究提供参考依据。来30~40年内实现净零排放。交通和电力是温室气体排放的2个首要行业,电池储能技术的大规关健词:锂离子电池:储能:状态估计:电池管理系统(BMS)模应用可以促进交通运输的电气化和可再生能源的接入与消纳,从而在加速交通运输和电力行业ABSTRACT:Battery energy storage system is one of the实现碳中和的进程中发挥重要作用。根据文most important and effective means to achieve carbonneutrality,its large-scale applications put forward higher献[3]的报告,到2040年,预计行驶在路上的电requirements for the battery operating safety.Accurate and动汽车总数将达到1.5亿~9亿辆,全球固定式储real-time battery state estimation is an important function of能累计装机容量预计将达到1300GWh。电池储battery management systems,and it provides criticalinformation for ensuring safe and reliable operation of能作为其中的重要组成部分,随着电动车和电网batteries.However,it is not an easy task to accurately储能规模的日益扩大,电池工作过程中的安全问estimate the battery internal state due to the complex题不可忽视。operating conditions and the complicated electrochemicalreactions inside the battery.This paper provided a与其他类型的电池相比,锂离子电池具有循systematic review of the state-of-the-art techniques on the环寿命长、能量密度大、额定电压高、自放电率state of charge (SOC)and state of health (SOH)estimation低等显著优点,因此被广泛应用于电动汽车和大of batteries.The advantages and main challenges existing in型储能装置中-]。电池管理系统(battery基金项目:英国工程与自然科学研究理事会项目management system,BMS)是保证电池组安全可靠高效运行的重要元件,其主要功能包括数据采Project Supported by Engineering and Physical Sciences ResearchCouncil (EP/R030243/1).集、状态估计、充放电控制、电池均衡、热管理(C)1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net538李沂洹等:鲤高子电池荷电状态与健康状态估计方法Vol.42 No.5等刀。其中,准确实时的电池参数采集和内部状定容量:随着电池的老化程度加深,红色失效部态估计为电池充放电控制、优化管理和维护提供分的范围将会扩大,最大可用容量不断减小,此重要依据,确保电池组在规定的安全范围内工作,时要获得准确的SOC信总,需要首先对最大可用及时发现异常情况并进行干预处理,提前排除安容量进行估计。全隐患,进而延长电池寿命⑧)。电池荷电状态(state of charge,SOC)和电池健康状态(state of health,SOHD是电池系统中的2个1009g储存的能量重要参数,为电池安全保护、充放电控制、热管70%储存的能量量理等功能提供重要参考,因此精确及时地获得09SOC和SOH信息对于提高电池寿命和使用安全至关重要。然而,作为电池的内部参数,SOC特别是SOH无法被直接且准确地测量,只能通过各Fig.1 Battery energy storage status under different种直接及间接方法的结合,找到其与测量信号(例由于电池工作状态复杂,起止状态通常未知,如电压、电流、温度等)之间的非线性关系,进而且$OC受到环境温度、电池老化、测量噪声等因对SOC/SOH进行准确估计。素的影响,使得实时在线准确估计电池SOC具有本文将系统地回顾和总结目前主要的SOC一定困难。对此,国内外大量研究者对多种估计和SOH估计方法,分析不同方法的优缺点,并结方法不断进行研究和改进,提出了许多应用于电合实际情况,对未来SOC/SOH估计技术的发展池SOC估计的方法。常用的电池SOC估计方法进行展望。可以分为直接法和间接法,如图2所示,直接法1电池S0C估计方法主要有库伦计数法和开路电压(open circuitvoltage,OCV)法,间接法主要包括基于模型的方1.1电池S0C估计方法分类法和基于机器学习的方法。直接法中的库伦计数SOC是反映电池当前可用容量占最大可用法也叫安时(Ah)积分法,该方法在计算SOC的过容量百分比的一个参数,计算公式为程中,传感器测量误差会导致SOC估计误差不断(1)累积,且错误的初始SOC值会使估计结果偏离真实值例。而开路电压法需要将电池在无负载的情况下静置很长时间来测量OCV。因此,使用直接的可释放容量:Qmx为当前循环下电池处于满充法来进行SOC的实时在线估计并不是一个好的状态时可释放的最大容量,其数值随着电池的老选择,它们通常需要与基于模型的方法相结合,化而减小。为了应用方便,通常使用电池额定容以实现更好的估计结果。量作为Qx的参考值,然而对于老化的电池,该简化并不适用,需要使用有效的SOH估计方法来直接法更新Qx的数值,否则会导致较大的SOC估计基于模型的方法学习的方法误差。库伦计数法电化学模型。等(安时积分法)效电路模型,在不同SOC下电池储存能量的状态如图1深度学习,所示,其中:100%表示电池完全充满电:0%表支持向量机,开路电压法OCV滤波器高斯过程回归示电池完全放电:绿色部分表示存储的能量:空SOC查表法)(EKF,UKF,PF,)或观测器白部分表示可以重复充电:而红色部分表示由电池老化导致的永久损失。当电池还未老化时,红图2电池S0C估计方法分类色部分不存在,即可以认为最大可用容量等于额Fig.2 Categories of SOC estimation methods(C)1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第42卷第5期发电技术539基于模型的估计方法对电池模型的精度要求数据,通过查找离线建立的OCV-SOC关系表来较高,而针对电池内部复杂的物理化学反应建立推断电池SOC。精确的模型并不容易。此外,基于模型的电池该方法的实际应用主要受到以下缺点的限SOC估计通常与各种滤波算法、观测器等相结制:1)不同电池的OCV-SOC关系是不同的,即合,在使用中需要根据情况选择合适的模型参数,便它们具有相同的材料和结构1,然而对每一块错误的参数选择会影响估计结果的准确性、收敛电池在每一个SOC下测量OCV是一个耗时的过速度等。针对以上方法的局限性,机器学习方法程,因为测量OCV需要长时间静置电池以达到作为一种应用简单、不需要了解系统先验知识且令人满意的平衡状态:2)该方法是一种开环估计可以捕捉测量信号和SOC之间非线性关系的有方法,对测量误差和不确定性扰动敏感,有些种效工具,被越来越多的学者应用到了电池SOC估类的电池,特别是磷酸铁锂电池,在SOC中部区计中。间的OCV曲线非常平缓,这意味着很小的OCV1.2库伦计数法库伦计数法通过计算电池在充电/放电时测3)电池老化和工作温度等条件变化也会影响量电流对时间的积分来估计SOC1,计算公式为OCV和SOC之间的对应关系。因此,该方法更适合在实验室条件下使用,而不适合进行实时在线的SOC估计。式中:o为初始时刻:=o+kx△,△为采样间隔:1.4基于模型的S0C估计方法Sock和Soco分别为tk和to时刻的SOC值:n为库基于模型的SOC估计方法的示意图如图3伦效率:k-1为k-1时刻的电流。所示。实际电池系统和电池模型的输入可以是负库伦计数法是一种简单且直接的开环SOC载电流和环境温度等,在大多数情况下,实际测计算方法,但从公式(2)不难看出其存在以下缺量参数包括终端电压等。基于模型的SOC估计方点:1)错误的初始SOC信息Soco会导致估计结法的原理是:根据输入信号和状态空间模型的测果偏离真实值,而实际应用中,由于电池启停是量方程可以计算出测量信号的模型输出值,比较随机的,其起始和终止状态通常无法确定,因此其与实际测量值以得到残差,然后滤波器或观测很难获得准确的SOC初始值:2)电流采集过程器将根据该残差信息来更新模型参数和系统状中的误差会由于积分计算而不断累积,导致SOC态,给出SOC估计结果。估计误差不断累积:3)电池老化或工作环境变化输入电池+实际测量会导致电池最大可用容量Qm发生变化,若不及时更新校准,会导致错误的SOC估计结果。残差滤波器/观测器针对这些缺点,库伦计数法通常与其他技术结合使用,例如基于模型的SOC估计方法中,公电池状态空间模型式(2)和电池模型可以分别看作是状态空间模型的SOC状态方程和测量方程,然后使用滤波算法或者观图3基于模型的S0C估计方法示意图测器等闭环方法估计电池SOC,能够减轻或消除model-based SOC estimation methods错误的初始值和测量噪声对估计结果的影响2。在基于模型的SOC估计方法中,不同类型的1.3开路电压法电池模型,例如电化学模型、等效电路模型、黑OCV是电池在空载条件下的热力学平衡势,箱模型等,通常与库伦计数法结合以构成状态空通过逐步测量不同SOC下的OCV,可以确定其间模型,其中作为状态变量的SOC是连接状态方与SOC的关系并建立OCV-SOC关系表)。也就程和测量方程的桥梁。基于该状态空间模型,可是说,OCV法是一种查表法,根据测量到的OCV以使用不同的滤波算法或观测器来实现电池C)1994-2021 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
1、本文档共计 10 页,下载后文档不带水印,支持完整阅读内容或进行编辑。
2、当您付费下载文档后,您只拥有了使用权限,并不意味着购买了版权,文档只能用于自身使用,不得用于其他商业用途(如 [转卖]进行直接盈利或[编辑后售卖]进行间接盈利)。
3、本站所有内容均由合作方或网友上传,本站不对文档的完整性、权威性及其观点立场正确性做任何保证或承诺!文档内容仅供研究参考,付费前请自行鉴别。
4、如文档内容存在违规,或者侵犯商业秘密、侵犯著作权等,请点击“违规举报”。
文档评分
    请如实的对该文档进行评分
  • 0
发表评论