电池退化的估计方法与流程

本发明涉及一种电池退化(具体地，电池能量储存系统(bess)中的电池退化)的估计方法。该方法适合于估计任何种类的电池(具体地，电池能量储存系统(bess)中的锂离子电池)的退化，该电池能量储存系统被指定为支持功率系统(具体地，具有高动态负载的功率系统)的能量分配或能量流。

背景技术：

1、如今，许多设备和应用需要将电能储存在不同形式的储存装置中。它需要在所限定的时段内平衡瞬时能量消耗(峰值削波)或使得设备(例如，便携式设备)或电动车辆能够移动。

2、由于每体积或每质量上的最高能量密度，所以最流行的是电化学电池(尤其是锂离子型电池)，并且几乎都缺乏记忆效应。然而，化学电池随时间而退化并且在其使用期间退化。退化的主要后果是其内部能量容量(wh)的降低和等效串联电阻(esr)的增加。

3、如图1所描绘的，存在两种主要电池老化机制。日历老化与电池耐用期限有关，通过随时间而保持在电池上的soc水平来调节该电池耐用期限，而循环老化与c-rate和充电循环数目(放电会话和充电会话)有关。电池的温度是对日历老化以及对循环老化都具有影响的附加老化因子。然而，在电池能量储存系统(bess)中的电池的特定应用中，由于电池能量储存系统(bess)的电池在由空气调节系统提供的稳定温度22度至25度下操作，所以可以忽略温度参数。

4、从开发、定期维护或投资的观点来看，能够判断电池磨损进展和剩余寿命非常重要，该剩余寿命限定电池可能还能服务多久。因此，可以计算初始投资成本、运行成本、服务成本、维护进度表和具有电池的设备的确定性。然而，由于各种化学组成、不同的结构和开发条件，所以这非常困难。

5、电池制造商可以基于其在电池设计和制造中的经验来预测其产品的使用寿命。电池制造商了解电池结构退化的机制以及在实验室或现场应用中收集的电池继续有效程度数据(data of battery survivability)(例如，移动电话电池统计数据)。

6、然而，在假定标准条件(诸如充电状态(soc)、放电深度(dod)、充电/放电速率(c-rate)、所执行的循环的数目、环境条件(诸如温度和/或湿度)等)的情况下进行，这种使用寿命的预测。尽管如此，由于环境条件或使用需求不同，所以电池的用户仍然不能总是保持相同的操作条件。因此，在假定单个完整循环是以标称c-rate充电和放电到一个所限定的放电深度的情况下，制造商在若干个充电/放电循环中定义电池寿命。如果假定每天一个循环，则可以计算电池的总寿命。

7、因此，已经对有助于判断电池退化的若干种非破坏性方法进行阐述。这些方法中的大多数使用电参数(例如，esr)的简单测量值。一些更为先进的方法使用热像技术或射线照相术。

8、更进一步地，在许多情况下，电池的制造商和/或销售商迫使电池用户出于保险目的而每年至少执行一次健康状态检查(soh)程序。健康状态检查(soh)程序的目标是调查电池的真实容量，重新校准soc，并且更新电池寿命估计。该程序通常如下：

9、a.将电池放电到最低

10、b.休息15分钟

11、c.充电到最大

12、d.休息15分钟

13、e.放电到最小

14、需要soc重新校准程序来标记电池退化程度，计算并设定所预测的剩余电池寿命的趋势线。这意味着该方法仅考虑电池在过去时段中的平均退化过程。由于电池退化的根本原因，所描述的途径不能区分将所谓的“循环老化”或“日历老化”。

15、该手段的缺点在于，对于典型开发条件，总是假定预期寿命，并且该预期寿命不能被视为对电池针对其寿命优化的利用模型的建议。

16、更进一步地，在一些特定应用中，受控的强制放电是不太可能的，例如，在不允许bess向电网放电的bess应用中，受控的强制放电是不太可能的。放电过程(速度、时间和放电深度)受外部负载需求的影响。而且，预计bess在24小时/7天中处于服务状态(维护时段受限于绝对最小值)。

17、专利申请cn111753416a公开了一种基于两阶段wiener过程的锂离子电池rul(remaining useful life，剩余有用寿命)的预测方法。一种基于两阶段wiener过程的锂离子电池rul的预测方法包括以下步骤：

18、s1：收集锂离子电池的历史退化数据；

19、s2：根据锂离子电池的历史退化数据，对每个锂离子电池进行变点(changepoint)估计；

20、s3：根据锂离子电池变点估计得到的数据，基于em算法对超参数(hyperparameter)进行估计；

21、s4：收集锂离子电池运行监测数据，以确定变点是否出现；

22、s5：根据锂离子电池运行监测数据更新模型参数；

23、s6：基于变点估计和超参数估计得到的数据，估计锂离子电池rul；

24、s7：收集最新退化数据，将其放入退化数据集中；

25、s8：重复s4至s7，以更新模型参数，直至锂离子电池失效为止。

26、专利申请ep3824305a1公开了一种用于确定电池的最大持续使用时间的方法，该方法包括：选择电池的使用时段；获得电池在使用时段期间的退化因子的值；基于退化因子的值来确定电池的一个或多个老化指示符；在所述使用时段期间，标识退化因子的值的变化间隔，该一个或多个老化指示符中的每个老化指示符与实际变化间隔相关联，这些实际变化间隔各自包括所述退化因子的最小值和最大值；以及基于变化间隔、一个或多个老化指示符以及电池的至少一个操作极限，来预测最大持续使用时间。

27、更进一步地，专利申请us20170115358a1公开了一种用于确定电池退化的计算机实现的方法，该电池退化包括电池的日历老化特点和循环老化特点。该方法包括以下步骤：通过计算机，收集包括每日充电/放电简档的各个电池循环和日历老化数据；通过计算机，估算针对各个循环老化和日历老化的初级电池容量；通过计算机，评估各个循环老化和日历老化的稳定性；通过从组合的原始电池容量cap(n)(即，电池原始容量减去原始循环老化值和原始日历老化值)开始的迭代过程，将各个循环老化和日历老化组合为给定电池在其整个寿命内的积分退化函数；以及输出积分退化函数。

28、而且，专利申请wo2021044134a1公开了一种用于预测电池退化的方法和系统。该方法包括：测量电池的变量集合；选择退化模型的参数，该退化模型预测电池的退化并且包括日历老化组分和循环老化组分；使用退化模型和所选择的参数来预测电池的预测退化值；使用所测量的变量集合来获得电池的估计退化值；基于所预测和所估计的退化值来更新用于退化模型的参数，并且基于所估计和所预测的退化值来输出最终退化值。

29、专利申请ep3531149a4公开了一种用于估计次级电池的容量保持率的装置和方法。一种用于根据次级电池的日历老化程度和循环老化程度来估计包括在电池组中的次级电池的容量保持率的方法，该方法包括：在具有预设时间长度的每个循环中，从安装在电池组中的感测单元，接收次级电池的电流信息和温度信息；激活第一主过程；以及激活第二主过程；其中第一主过程包括：第一子过程，用于基于电流信息来更新次级电池的充电状态；第二子过程，用于基于电流信息将次级电池的操作状态设定为循环状态和日历状态中的一个状态；第三子过程，用于当通过第二子过程将次级电池的操作状态设定为循环状态时，基于更新的充电状态、电流信息和温度信息来更新循环老化程度；以及第四子过程，用于当通过第二子过程将次级电池的操作状态设定为日历状态时，基于更新的充电状态和温度信息，来更新日历老化程度，以及其中第二主过程包括：基于预定加权因子、更新的循环老化程度和日历老化程度来估计次级电池的容量保持率。

30、更进一步地，专利申请ep3273523b1公开了一种用于估计次级电池的老化程度的装置和方法。一种估计次级电池的老化程度的方法，该方法包括：(a)通过使用电流测量单元和温度测量单元来确定次级电池的电流和温度；(b)从次级电池的电流确定次级电池的充电状态；(c)通过使用次级电池的电流来将次级电池的操作状态确定为日历状态和循环状态中的一个状态；(d)在次级电池处于日历状态下时，确定与所确定的充电状态和所确定的温度对应的预定的日历老化程度简档，并且通过将累积老化程度模型应用于所确定的日历老化程度简档来确定在日历状态下的日历老化程度；(e)在次级电池处于循环状态下时，确定与次级电池的所确定的充电状态、所确定的温度和所确定的次级电池的电流对应的预定的循环老化程度简档，并且通过将累积老化程度模型应用于所确定的循环老化程度简档来确定在循环状态下的循环老化程度；以及(f)将加权平均值确定为次级电池的老化程度，其中基于维持日历状态的日历时间和维持循环状态的循环时间对所确定的日历老化程度和所确定的循环老化程度来计算加权平均值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种考虑到电池的实际操作条件而允许估计任何种类的电池(尤其是电池能量储存系统(bess)中的锂离子电池)的电池退化的方法。

2、本发明的目的通过估计电池退化的计算机实现的方法来实现，该方法包括以下步骤：

3、a)获取电池参数、日历老化磨损系数bwc1的特点和/或循环老化磨损系数bwc2的特点，其中bwc1是充电状态soc的函数，而bwc2是充电/放电速率c-rate的函数，

4、b)获取和/或计算电池在限定时段内的soc和c-rate的瞬时值，

5、c)使用在步骤(a)中获取的老化磨损系数的特点，来读取与在步骤(b)中获取的电池的soc和c-rate的瞬时值相对应的日历老化磨损系数bwc1的瞬时值和/或循环老化磨损系数bwc2的瞬时值，以及

6、d)确定：

7、-通过将在步骤(c)中确定的bwc1的积分瞬时值与具有soc的最大允许值的bwc1在标称操作时间时段内的积分瞬时值进行参比，来确定日历老化磨损指数bwi1的值，和/或

8、-通过将在步骤(c)中确定的bwc2的积分瞬时值与用于以标称c-rate进行完整电池充电(从socmin至socmax)或放电(从socmax至socmin)的bwc2的积分瞬时值进行参比，来确定循环老化磨损指数bwi2的值

9、由此指示电池退化的程度。

10、优选地，该方法还包括以下步骤：根据方程式(e8)确定电池磨损指数bw1的总电流值，

11、bwi＝[k·bwi1+(1-k)·bwi2]  (8)

12、其中

13、k为日历老化磨损指数bwi1的权重(其中0<k<1)，

14、(1-k)为循环老化磨损指数bwi2的权重。

15、有利地，基于历史数据来从所预测的soc和c-rate简档，获得电池的soc和c-rate的瞬时值。

16、频繁地更新日历老化磨损系数bwc1的特点和/或循环老化磨损系数bwc2的特点也具有益处。

17、优选地，使用机器学习(ml)算法来调整日历老化磨损系数bwc1的特点和/或循环老化磨损系数bwc2的特点，其中电池操作的历史数据用作ml算法的输入数据。

18、在电池操作期间，数据被收集。这些数据是ml的输入，该ml可以调整bwc特点以更好地反映电池的磨损过程。什么提高了电池寿命预测(电池退化的估计)。

19、对于电池寿命预测，有益的是，在24小时的时段内，确定日历老化磨损系数bwc1的瞬时值和/或循环老化磨损系数bwc2的瞬时值。

20、优选地，基于电池制造商所声明的电池参数来确定电池的日历老化磨损系数bwc1的特点和循环老化磨损系数bwc2的特点。

21、有用的是，借助于采用人工智能和/或机器学习技术和/或至少一个经训练的算法的处理来执行方法的步骤。

22、优选地，所述方法用于估计锂离子电池的电池退化。

23、优选地，所述方法用于估计电池能量储存系统(bess)中的电池退化。更进一步地，获取电池参数的步骤还获取电池能量储存系统(bess)的操作参数具有益处。

24、本发明的目的还在于一种计算机程序，包括程序代码装置，该程序代码装置用于当所述程序正在计算机上运行时，执行计算机实现的估计方法的所有步骤。

25、本发明的目的还在于一种计算机可读介质，存储计算机实现的指令，该计算机实现的指令执行在计算机上实现的计算机实现的估计方法的所有步骤。

26、发明优点

27、日历老化磨损系数bwc1的特点和循环老化磨损系数bwc2的特点定义了针对当前操作条件的瞬时电池磨损强度。bwc1和bwc2的特点依据电池的实际开发条件来提供关于磨损速度的信息。

28、日历老化磨损指数bwi1和循环老化磨损指数bwi2的值指示具有锂离子电池的所有系统(具体地，电池能量储存系统(bess))中的电池退化程度。

29、电池损耗指数bwi的总电流值涉及集成两种电池老化机制(包括它们中的每一种对于电池老化的重要性在内)的电池退化程度。

30、该方法的结果可以用于优化导致较慢磨损的电池能量储存系统(bess)的操作，该操作用于设定充电/放电c-rate和充电状态。而且，所开发的方法可以指出最佳电池能量储存系统(bess)操作条件，该操作条件将在最低水平上影响电池寿命。