一种全钒液流电池的SOC与SOH联合估计方法、装置及终端设备

本发明涉及一种全钒液流电池的状态估计方法，具体涉及一种全钒液流电池的soc与soh联合估计方法、装置及终端设备，属于全钒液流电池。

背景技术：

1、全钒液流电池(vrb)是一种高效的电化学储能装置，具有储能规模大、使用寿命长等优点，可以有效抑制新能源发电波动对电网造成的影响。

2、vrb的电能储存介质是含有钒离子的电解液，其存储在电池外部的储罐中。vrb的荷电状态(soc)和健康状态(soh)等参数是电池运行过程中的重要指标。传统估计soc的方法主要通过构建等效电路模型并采用安时积分法来实现。该方法存在两个不足之处，一是等效电路模型的元件参数需通过大量的vrb实验测试来获得，更换vrb型号需要补充新的实验测试结果来更新元件参数，导致该方法通用性较差；二是等效电路模型只能估计soc这一个状态参数而无法估计电池的soh，而soh主要为正负极混液、恢复电池容量等操作提供参考，也是电池运行过程中的重要指标之一，仅仅估计soc而无法估计soh不能全面反映对于vrb运行状态的实时监测。因此，针对不同场景下全钒液流电池，开发一种通用的方法用于实时监测各种型号的vrb的运行状态，对延长vrb的使用寿命，促进vrb大规模商用有着十分重要的意义。

技术实现思路

1、基于以上背景，本发明的目的在于提供一种全钒液流电池的soc与soh联合估计方法，无需通过实验数据拟合等效电路模型的参数，能够分别对各种型号的全钒液流电池的正、负半电池的soc和soh进行估计计算，更加全面的监控全钒液流电池运行中的状况。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种全钒液流电池的soc与soh联合估计方法，该方法包括以下步骤：

4、s1.构建等效电路模型，确定等效电路模型的参数为活化极化过电位vact、浓差极化过电位vcon、泵损电流ipump、欧姆损耗rohm和开路电压vs；

5、s2.构建对等效电路模型中的参数进行计算的基于多物理场的参数计算模型以及相应的计算电堆以及储罐中各价钒离子浓度的变化的连续方程表达式、计算活化极化过电位vact和浓差极化过电位vcon的反应动力学方程表达式、计算欧姆损耗rohm的方程表达式、计算开路电压vs的方程表达式和计算泵损电流ipump的动量方程表达式；

6、s3.将全钒液流电池的材料性能参数值代入参数计算模型；

7、s4.向步骤s3的参数计算模型输入被监测全钒液流电池的特定尺寸参数值，估计被监测全钒液流电池的soc和soh。

8、作为优选，步骤s1中，所述等效电路模型包括一个电压源、一个可变电阻、一个受控电流源以及两个受控电压源，一个电压源、一个可变电阻以及两个受控电压源串联后与一个受控电流源并联，一个所述受控电压源用于表征全钒液流电池运行过程中电化学反应引起的活化极化过电位vact，另一个所述受控电压源用于表征全钒液流电池运行过程中电化学反应引起的浓差极化过电位vcon，所述受控电流源用于表征泵损电流ipump，所述可变电阻用于表征电堆和电解液引起的欧姆损耗rohm，所述电压源用于表征全钒液流电池的开路电压vs。

9、作为优选，步骤s2中，计算电堆以及储罐中各价钒离子浓度的变化的连续方程表达式为，

10、

11、

12、式(1)及式(2)中，分别表示电堆和储罐中i价钒离子浓度；m为单电池串联个数；vcell,vtank分别表示单电池和单储罐中的电解液体积；di表示i价离子的跨膜扩散系数；thicked,thickmem分别表示电极和膜的厚度；z为电子转移数；f为法拉第常数；i为电池的充放电电流，q为电池的电解液流量；

13、计算活化极化过电位vact和浓差极化过电位vcon的反应动力学方程表达式为，

14、

15、

16、式(3)及式(4)中，γ0p,γ0n分别为正、负极标准反应速率常数；e0p,e0n分别为正、负半电池反应标准电势；aed为电极比表面积；表示i或j价钒离子的电极表面扩散系数，且充电时(i>0)i取4，j取3，放电时(i<0)i取5，j取2；ρ,μ分别为电解液密度和黏度；ded为电极平均纤维直径；acell为电堆截面积；

17、计算欧姆损耗rohm的方程表达式为，

18、

19、式(5)中，thicket表示半电池厚度；σed,σmem,σet分别表示电极、膜、电解液的电导率；

20、计算开路电压vs的方程表达式为，

21、

22、计算泵损电流ipump的动量方程表达式为，

23、

24、式(7)中，ε为电极孔隙率；λck为纤维材料的carman-kozeny常数；lpipe,dpipe,hpipe分别为半电池管道的长度、直径和高度；f为总次要损失系数；vpipe为电解液在管道中的流速；ηpump为泵的效率；ud为vrb系统端电压。

25、传统的全钒液流电池等效电路模型用于仿真时，其电路元件参数需要在大量实验测试的基础上进行参数辨识，并且面对不同型号的全钒液流电池需要对等效电路模型的元件参数重新辨识，而利用基于上述表达式构建的参数计算模型计算等效电路模型中的元件参数，可以避免基于实验测试的电路元件参数辨识，还能实时计算出各价钒离子的浓度情况。

26、作为优选，步骤s3中，将全钒液流电池的材料性能参数值代入参数计算模型后，得到具有材料性能相同或相似的通用固定参数值的方程表达式。

27、作为优选，步骤s4中，估计被监测全钒液流电池的soc和soh包括以下步骤：

28、构建计算soc和soh的方程表达式，

29、

30、

31、式(14)及式(15)中，qpractical和qtheoretical分别表示实际可用容量和理论可用容量；cv,p和cv,n分别表示正、负极电解液初始钒离子浓度，ud为全钒液流电池端电压。

32、一种全钒液流电池的soc与soh联合估计装置，包括：

33、第一构建模块，用于构建等效电路模型，确定等效电路模型的参数为活化极化过电位vact、浓差极化过电位vcon、泵损电流ipump、欧姆损耗rohm和开路电压vs；

34、第二构建模块，用于构建对等效电路模型中的参数进行计算的基于多物理场的参数计算模型以及相应的计算电堆以及储罐中各价钒离子浓度的变化的连续方程表达式、计算活化极化过电位vact和浓差极化过电位vcon的反应动力学方程表达式、计算欧姆损耗rohm的方程表达式、计算开路电压vs的方程表达式和计算泵损电流ipump的动量方程表达式；

35、第一计算模块，用于将全钒液流电池的通用固定参数值代入参数计算模型；

36、第二计算模块，用于向步骤s3的参数计算模型输入被监测全钒液流电池的特定尺寸参数值，估计被监测全钒液流电池的soc和soh。

37、一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述方法的步骤。

38、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，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述方法的步骤。

39、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

40、本发明的一种全钒液流电池的soc与soh联合估计方法，通过基于多物理场的参数计算模型以及相应的反应动力学方程、连续方程和动量方程等方程表达式，计算等效电路模型中的参数，而不需要通过大量实验数据拟合上述参数，提高了等效电路模型对各种型号的全钒液流电池的通用性；本发明的方法能够分别对正、负半电池的soc和soh进行估计，更加全面的监控全钒液流电池实际运行过程中的情况。