一種液態(tài)金屬電池的建模方法與流程

本發(fā)明屬于電化學(xué)儲能領(lǐng)域，更具體地，涉及一種液態(tài)金屬電池的建模方法。

背景技術(shù)：

電化學(xué)儲能技術(shù)在增強(qiáng)電網(wǎng)對大規(guī)模可再生能源的接納能力、促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級與變革、提高供電可靠性和改善電能質(zhì)量等方面有著舉足輕重的作用。但現(xiàn)有的電化學(xué)儲能技術(shù)都因?yàn)榘踩匦圆患押蛢δ艹杀据^高而無法滿足大規(guī)模儲能系統(tǒng)的要求，液態(tài)金屬電池正是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)而發(fā)展起來的新型電化學(xué)儲能技術(shù)。液態(tài)金屬電池工作溫度在300℃～700℃，正負(fù)極材料均由廉價液態(tài)金屬構(gòu)成，電解質(zhì)為熔融態(tài)無機(jī)鹽。由于液態(tài)金屬和無機(jī)鹽互不相溶而自動分為三層，其結(jié)構(gòu)簡單，無需特殊隔膜，易于組裝、放大和生產(chǎn)。全液態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使液態(tài)金屬電池傳質(zhì)速度快，電池效率高。由于摒棄了常規(guī)電池隔膜，液態(tài)金屬電池性能穩(wěn)定，壽命較長，預(yù)期壽命15年以上。

為促進(jìn)液態(tài)金屬電池在儲能領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，對液態(tài)金屬電池進(jìn)行建模，研究其特征參數(shù)和輸出特性是一項(xiàng)非常重要的工作。中國發(fā)明專利cn201610268697.x首次對液態(tài)金屬電池展開了建模研究，但其沒有考慮液態(tài)金屬電池特征參數(shù)在高soc和低soc變化比較劇烈，且實(shí)際的充放電方向的特征參數(shù)不完全相同，因此其模型準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種液態(tài)金屬電池的建模方法，其目的在于通過調(diào)整脈沖測試工步和參數(shù)辨識過程，由此準(zhǔn)確地獲取液態(tài)金屬電池特征參數(shù)和輸出特性，獲取一種改進(jìn)的液態(tài)金屬電池特征參數(shù)獲取方法，進(jìn)而獲取一種改進(jìn)的液態(tài)金屬電池建模方法，由此解決現(xiàn)有技術(shù)的液態(tài)金屬電池建模方法中，由于沒有考慮液態(tài)金屬電池特征參數(shù)在高soc和低soc變化比較劇烈，且實(shí)際的充放電方向的特征參數(shù)不完全相同，現(xiàn)有技術(shù)液態(tài)金屬電池模型準(zhǔn)確度不高的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種液態(tài)金屬電池特征參數(shù)的獲取方法，包括如下步驟：

(1)對液態(tài)金屬電池分別進(jìn)行充電方向的脈沖測試、放電方向的脈沖測試和混合脈沖功率性能測試，獲取包括所述電池的電流、電壓、充電時間和放電時間的測試數(shù)據(jù)；所述充電方向的脈沖測試包括充電方向的脈沖過程測試和充電過程測試；所述放電方向的脈沖測試包括放電方向的脈沖過程測試和放電過程測試；

(2)利用步驟(1)獲得的電壓測試數(shù)據(jù)擬合得到開路電壓uoc與soc的函數(shù)關(guān)系式；

(3)利用步驟(1)獲得的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行所述液態(tài)金屬電池的特征參數(shù)辨識，獲得所述液態(tài)金屬電池各特征參數(shù)分別在充電方向和放電方向關(guān)于soc的函數(shù)關(guān)系式。

優(yōu)選地，所述脈沖過程測試包括如下步驟：在soc(stateofcharge)不高于20％的區(qū)間，soc每變化1％～5％進(jìn)行一次脈沖測試；在soc不低于80％的區(qū)間，soc每變化1％～5％進(jìn)行一次脈沖測試。

優(yōu)選地，步驟(1)所述脈沖測試和所述混合脈沖功率性能測試的測試電流的獲取方法為：采用額定電流對所述液態(tài)金屬電池進(jìn)行n次完整的充放電，n≥4，取后n-1次放電容量的平均值作為所述電池的實(shí)際容量；根據(jù)實(shí)際容量設(shè)計(jì)所述測試電流ip為0.2c～0.5c。

優(yōu)選地，在獲取充電方向各特征參數(shù)關(guān)于soc的函數(shù)關(guān)系式時，步驟(3)所述測試數(shù)據(jù)包括所述充電方向的脈沖過程測試數(shù)據(jù)和所述充電過程測試數(shù)據(jù)；在獲取放電方向各特征參數(shù)關(guān)于soc的函數(shù)關(guān)系式時，步驟(3)所述測試數(shù)據(jù)包括所述放電方向的脈沖過程測試數(shù)據(jù)和所述放電過程測試數(shù)據(jù)。

按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種液態(tài)金屬電池的建模方法，包括所述的特征參數(shù)的獲取方法。

優(yōu)選地，所述建模方法包括如下步驟：

(1)構(gòu)建液態(tài)金屬電池等效電路模型；

(2)按照所述的特征參數(shù)獲取方法獲取所述液態(tài)金屬電池的特征參數(shù)；

(3)利用得到的特征參數(shù)構(gòu)建液態(tài)金屬電池仿真模型。

優(yōu)選地，根據(jù)液態(tài)金屬電池的電化學(xué)阻抗譜擬合電路構(gòu)建所述液態(tài)金屬電池等效電路模型。

優(yōu)選地，所述的建模方法，還包括步驟(4)：根據(jù)所述電池的混合脈沖功率性能測試數(shù)據(jù)對所述電池仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果。

(1)本發(fā)明的液態(tài)金屬電池特征參數(shù)獲取方法分別進(jìn)行充電方向的脈沖測試、放電方向的脈沖測試和混合脈沖功率性能測試，獲取所述電池電流、電壓、充放電容量和充放電時間的測試數(shù)據(jù)，將電池充電特征參數(shù)和放電特征參數(shù)分開進(jìn)行辨識，得到的模型更加準(zhǔn)確地反映電池的實(shí)際輸出特性。

(2)本發(fā)明的液態(tài)金屬電池特征參數(shù)獲取方法中充、放電方向的脈沖測試包括脈沖過程測試和充、放電過程測試；脈沖過程測試包括如下步驟：在soc不高于20％的區(qū)間，soc每變化1％～5％進(jìn)行一次脈沖測試；在soc不低于80％的區(qū)間，soc每變化1％～5％進(jìn)行一次脈沖測試；在其余soc區(qū)間，soc每變化10％進(jìn)行一次脈沖測試，充分考慮到液態(tài)金屬電池特征參數(shù)在高soc和低soc特征參數(shù)變化比較劇烈，本發(fā)明通過增加高soc和低soc區(qū)間的脈沖數(shù)量，從而增加特征參數(shù)的數(shù)據(jù)，獲取特征參數(shù)更為準(zhǔn)確的變化趨勢。

(3)參數(shù)辨識過程中，傳統(tǒng)的脈沖參數(shù)辨識的方法并不一定能準(zhǔn)確地搜索到合理路徑，也不能更好的評估一段soc曲線內(nèi)特征參數(shù)的最優(yōu)值，本發(fā)明的參數(shù)辨識仿真模型不僅采用脈沖過程測試數(shù)據(jù)，而且采用充、放電過程測試數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，使得參數(shù)辨識仿真模型中的開路電壓將不再是常規(guī)的定值，而是由不斷變化的soc通過開路電壓曲線計(jì)算得來，并進(jìn)行實(shí)時更新，從而得到的模型更加準(zhǔn)確地反映電池的實(shí)際輸出特性。

(4)本發(fā)明在獲取電池的實(shí)際容量時，采用額定電流對液態(tài)金屬電池進(jìn)行n次完整的充放電，取后n-1次放電容量的平均值作為電池的實(shí)際容量；由于液態(tài)金屬電池首周容量不穩(wěn)定，取后n-1次放電容量的平均值作為電池的實(shí)際容量，得到的實(shí)際容量值更加準(zhǔn)確，也為進(jìn)一步獲取準(zhǔn)確的電池模型打下基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1液態(tài)金屬電池建模方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1二階thevenin等效電路模型圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1充電方向的脈沖測試工步；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1放電方向的脈沖測試工步；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1混合脈沖功率性能測試工步；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1改進(jìn)的matlab/simulink參數(shù)辨識模型；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1液態(tài)金屬電池matlab/simulink仿真模型。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的液態(tài)金屬電池特征參數(shù)的獲取方法，包括如下步驟：

(1)對液態(tài)金屬電池分別進(jìn)行充電方向的脈沖測試、放電方向的脈沖測試和混合脈沖功率性能測試，獲取所述電池電流、電壓、充放電容量和充放電時間的測試數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)的獲取液態(tài)金屬電池特征參數(shù)僅采用混合脈沖功率性能測試不同，本發(fā)明對液態(tài)金屬電池分別進(jìn)行充電方向的脈沖測試、放電方向的脈沖測試和混合脈沖功率性能測試，獲取所述電池電流、電壓、充放電容量和充放電時間的測試數(shù)據(jù)，將電池充電特征參數(shù)和放電特征參數(shù)分開進(jìn)行辨識，由于充電特征參數(shù)和放電特征參數(shù)不完全相同，分開辨識得到的特征參數(shù)更加準(zhǔn)確，因此得到的模型更加準(zhǔn)確地反映電池的實(shí)際輸出特性。

充分考慮到液態(tài)金屬電池特征參數(shù)在高soc和低soc特征參數(shù)變化比較劇烈，本發(fā)明通過增加高soc和低soc區(qū)間的脈沖數(shù)量，從而增加特征參數(shù)的數(shù)據(jù)，獲取特征參數(shù)更為準(zhǔn)確。因此步驟(1)脈沖過程測試包括如下步驟：在soc不高于20％的區(qū)間，soc每變化1％～5％進(jìn)行一次脈沖測試；在soc不低于80％的區(qū)間，soc每變化1％～5％進(jìn)行一次脈沖測試；在其余soc區(qū)間，soc每變化10％進(jìn)行一次脈沖測試。

步驟(1)所述脈沖測試和所述混合脈沖功率性能測試的測試電流的獲取方法為：采用額定電流對所述液態(tài)金屬電池進(jìn)行n次完整的充放電，n≥4，取后n-1次放電容量的平均值作為所述電池的實(shí)際容量；根據(jù)實(shí)際容量設(shè)計(jì)所述測試電流ip為0.2c～0.5c。由于液態(tài)金屬電池首周容量不穩(wěn)定，取后n-1次放電容量的平均值作為電池的實(shí)際容量，得到的實(shí)際容量值更加準(zhǔn)確，也有助于獲得更為準(zhǔn)確的特征參數(shù)辨識模型。

(2)利用步驟(1)獲得的測試數(shù)據(jù)擬合得到開路電壓uoc與soc的函數(shù)關(guān)系式；利用步驟(1)獲得的測試數(shù)據(jù)作為液態(tài)金屬電池的特征參數(shù)辨識仿真模型的輸入數(shù)據(jù)，獲得液態(tài)金屬電池各特征參數(shù)在充電方向和放電方向關(guān)于soc的函數(shù)關(guān)系式。

步驟(1)中充電方向的脈沖測試包括脈沖過程測試和充電過程測試；放電方向的脈沖測試包括脈沖過程測試和放電過程測試。步驟(2)參數(shù)辨識仿真模型的輸入數(shù)據(jù)不僅包括脈沖過程測試數(shù)據(jù)，還同時包括充、放電過程測試數(shù)據(jù)，也即將脈沖過程測試數(shù)據(jù)段和充或放電過程測試數(shù)據(jù)段同時作為輸入數(shù)據(jù)輸入該參數(shù)辨識仿真模型中，使得參數(shù)辨識工具更加準(zhǔn)確地搜索到合理路徑，更好地評估一段soc區(qū)間內(nèi)特征參數(shù)的最優(yōu)值。其中脈沖過程是指針對某一soc定點(diǎn)進(jìn)行短時間充電或放電，其不會對soc造成明顯影響，比如soc變化在0.01％以內(nèi)；而放電過程是指對電池進(jìn)行較長一段時間放電，電池soc會明顯變??；反之充電過程是指對電池進(jìn)行較長一段時間充電，電池soc會明顯變大。兩次脈沖過程之間對電池的充、放電即為充、放電過程測試。

本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的液態(tài)金屬電池的建模方法，包括上述特征參數(shù)獲取方法，具體地，包括如下步驟：

(1)構(gòu)建液態(tài)金屬電池等效電路模型；

(2)按照上述液態(tài)金屬電池特征參數(shù)獲取方法獲取所述電池的特征參數(shù)；

(3)利用得到的特征參數(shù)構(gòu)建液態(tài)金屬電池仿真模型，所述仿真模型包括電流數(shù)據(jù)輸入端口、電壓數(shù)據(jù)輸入端口、soc計(jì)算模塊、特征參數(shù)獲取模塊、輸出電壓計(jì)算模塊和輸出比較模塊；

(4)根據(jù)上述電池的混合脈沖功率性能測試數(shù)據(jù)對所述電池仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

以下為實(shí)施例：

對一個額定容量為20ah的液態(tài)金屬電池作為研究對象，提出了一種改進(jìn)的建模方法，具體流程如圖1所示，包括如下步驟：

(1)根據(jù)該液態(tài)金屬電池的電化學(xué)阻抗譜擬合電路構(gòu)建液態(tài)金屬電池二階thevenin等效電路模型，根據(jù)等效電路模型確定液態(tài)金屬電池的特征參數(shù)，分別為開路電壓uoc，歐姆內(nèi)阻r0，極化內(nèi)阻r1，極化電容c1，擴(kuò)散等效電阻rw和擴(kuò)散等效電容cw；如圖2所示。

(2)對該液態(tài)金屬電池進(jìn)行額定電流恒流完整充放電測試4次，取后三次放電容量的平均值作為電池的實(shí)際容量。

(3)根據(jù)上述液態(tài)金屬電池的實(shí)際容量設(shè)計(jì)測試電流，測試電流ip為0.2c，分別對其進(jìn)行充電方向的脈沖測試、放電方向的脈沖測試和混合功率脈沖性能測試，分別獲取所述電池電流、電壓和充放電時間的測試數(shù)據(jù)。

考慮到液態(tài)金屬電池特征參數(shù)在高soc和低soc變化比較劇烈，充電方向的脈沖測試和放電方向的脈沖測試，在soc為0～10％和90％～100％兩個區(qū)間，soc每變化2％進(jìn)行一次脈沖測試，其余區(qū)間，soc每變化10％進(jìn)行一次脈沖測試。

其中，充電方向的脈沖測試應(yīng)先將電池放完電，其工步流程如圖3所示，具體如下：

(c-1)0.2c充電10s；

(c-2)擱置40s；

(c-3)充電5min50s；

(c-4)擱置10min；

(c-5)循環(huán)(c-1)～(c-4)共計(jì)5次；

(c-6)0.2c充電10s；

(c-7)擱置40s；

(c-8)充電29min50s；

(c-9)擱置10min；

(c-10)循環(huán)(c-6)～(c-9)共計(jì)9次；

(c-11)0.2c充電10s；

(c-12)擱置40s；

(c-13)充電5min50s；

(c-14)擱置10min；

(c-15)循環(huán)(c-11)～(c-14)共計(jì)5次；

充電方向的脈沖測試包括脈沖過程測試和充電過程測試；上述充電方向的脈沖測試具體工步中步驟(c-1)、(c-2)、(c-6)、(c-7)、(c-11)和(c-12)為充電方向的脈沖過程測試步驟；而步驟(c-3)、(c-8)和(c-13)為充電方向的充電過程測試步驟。

放電方向的脈沖測試應(yīng)先將電池充滿電，其工步流程如圖4所示，具體如下：

(d-1)0.2c放電10s；

(d-2)擱置40s；

(d-3)放電5min50s；

(d-4)擱置10min；

(d-5)循環(huán)(d-1)～(d-4)共計(jì)5次；

(d-6)0.2c放電10s；

(d-7)擱置40s；

(d-8)放電29min50s；

(d-9)擱置10min；

(d-10)循環(huán)(d-6)～(d-9)共計(jì)9次；

(d-11)0.2c放電10s；

(d-12)擱置40s；

(d-13)放電5min50s；

(d-14)擱置10min；

(d-15)循環(huán)(d-11)～(d-14)共計(jì)5次。

放電方向的脈沖測試包括脈沖過程測試和放電過程測試；上述放電方向的脈沖測試具體工步中步驟(d-1)、(d-2)、(d-6)、(d-7)、(d-11)和(d-12)為充電方向的脈沖過程測試步驟；而步驟(d-3)、(d-8)和(d-13)為充電方向的充電過程測試步驟。

步驟(3)中的混合脈沖功率性能測試應(yīng)先將電池充滿，其工步流程如圖5所示，具體如下：

(p-1)0.2c放電10s

(p-2)擱置40s

(p-3)0.2c充電10s

(p-4)擱置40s

(p-5)0.2c放電30min

(p-6)擱置10min

(p-7)循環(huán)(p-1)～(p-6)共計(jì)11次。

(4)對獲得的電池電壓和充放電時間使用origin軟件進(jìn)行數(shù)值擬合得到開路電壓uoc與soc的函數(shù)關(guān)系式；對獲得的電池電流、電壓和充放電時間的測試數(shù)據(jù)，利用matlab/simulink仿真軟件，搭建二階thevenin參數(shù)辨識仿真模型，如圖6所示，使用仿真軟件中parameterestimation工具箱對電池的充電特征參數(shù)和放電特征參數(shù)進(jìn)行辨識，得到在充電方向和放電方向不同soc對應(yīng)的各特征參數(shù)數(shù)值，再使用origin軟件進(jìn)行數(shù)值擬合得到在充電方向和放電方向各特征參數(shù)歐姆內(nèi)阻r0，極化內(nèi)阻r1，極化電容c1，擴(kuò)散等效電阻rw和擴(kuò)散等效電容cw關(guān)于soc的函數(shù)關(guān)系式。

為了更好地獲取某一段soc區(qū)間特征參數(shù)的最優(yōu)值，參數(shù)辨識仿真模型的輸入數(shù)據(jù)除了使用脈沖過程測試數(shù)據(jù)外，也同時使用放電過程測試數(shù)據(jù)，這樣模型中的開路電壓不是常規(guī)的定值，而是由隨時間變化的soc通過開路電壓曲線計(jì)算得來，并進(jìn)行實(shí)時更新。

如圖6所示，二階thevenin參數(shù)辨識仿真模型包括特征參數(shù)歐姆內(nèi)阻r0，極化內(nèi)阻r1，極化電容c1，擴(kuò)散等效電阻rw和擴(kuò)散等效電容cw，還包括電流輸入端口i、受控電流源controlledcurrentsource、電壓輸入端口v、電壓檢測模塊voltagemeasurement、soc計(jì)算模塊soc-calculation、開路電壓獲取模塊soc-ocv和受控電壓源controlledvoltagesource。由于參數(shù)辨識仿真模型的輸入數(shù)據(jù)同時使用了脈沖過程測試數(shù)據(jù)和充、放電過程測試數(shù)據(jù)，該仿真模型根據(jù)電流輸入端口i輸入的電流通過安時積分法得到soc，由soc通過開路電壓獲取模塊計(jì)算得到開路電壓，并作為受控電壓源的控制端，從而實(shí)時改變開路電壓值。其中安時積分法的計(jì)算公式如下：

其中，t為液態(tài)金屬池充電時間或放電時間，soc0為放電起始時刻或充電起始時刻的液態(tài)金屬電池soc，qn為液態(tài)金屬電池實(shí)際容量，i為放電電流。

(5)利用得到的電池特征參數(shù)構(gòu)建液態(tài)金屬電池的matlab/simulink仿真模型，如圖7所示，該模型包括電流輸入端口i_input、電壓輸入端口u_input、soc計(jì)算模塊soc_calculation、特征參數(shù)獲取模塊characteristicparametersacquisition、輸出電壓計(jì)算模塊u_calculation、輸出比較模塊outputcomparison；將混合脈沖功率性能測試得到的電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)輸入模型中的i_input、u_input，i_input將電流數(shù)據(jù)輸入soc計(jì)算模塊soc_calculation利用安時積分法實(shí)時計(jì)算液態(tài)金屬電池的soc值，得到的soc值被送入特征參數(shù)獲取模塊characteristicparametersacquisition，該模塊根據(jù)已經(jīng)得到的特征參數(shù)關(guān)于soc的方程，分別實(shí)時計(jì)算開路電壓u0，歐姆內(nèi)阻r0，極化內(nèi)阻r1，極化電容c1，擴(kuò)散等效電阻rw和擴(kuò)散等效電容cw，輸出電壓計(jì)算模塊u_calculation由二階thevenin等效電路的電氣方程計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

其中，u為電池的輸出電壓，up為rp和cp并聯(lián)電路兩端的電壓，uw為rw和cw并聯(lián)電路兩端的電壓，i為電池的放電電流；對該方程進(jìn)行求解，并得到用于模型的離散化方程如下：

其中，up(0)為仿真過程中上一步的up值，τ1＝rpcp,uw(0)為仿真過程中上一步的up值，τ2＝rwcw；t為仿真步長。

根據(jù)離散化電氣方程計(jì)算輸出電壓值；輸出比較模塊outputcomparison用于比較電池電壓u的真實(shí)值和仿真值的對比曲線及殘差曲線。

其中，電流輸入端口i_input輸入混合脈沖功率性能測試得到的電流數(shù)據(jù)，用于計(jì)算電池的soc特征參數(shù)；特征參數(shù)獲取模塊characteristicparametersacquisition根據(jù)soc值和步驟(4)擬合得到的各特征參數(shù)關(guān)于soc的函數(shù)關(guān)系式實(shí)時獲取6個特征參數(shù)值。

(6)根據(jù)所述電池的混合脈沖功率性能測試數(shù)據(jù)對所述電池仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖7中的電壓輸入端口輸入混合脈沖功率性能測試得到的電壓數(shù)據(jù)，用于和模型仿真值作對比，從而驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。