[發明專利]一種延長并聯鋰離子電池柜剩余循環使用壽命的方法

有效

• 申請號: 201310478212.6
• 申請日: 2013-10-14
• 公開（公告）號: CN103515661A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 張濤;查亞兵;黃卓;黃生俊;雷洪濤;張彥;劉寶龍;郭波
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42;H01M10/48
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

1.一種延長并聯鋰離子電池柜剩余循環使用壽命的方法，其特征在于包括以下步驟：

第一步，構建并聯鋰離子電池柜放電電流優化控制系統：并聯鋰離子電池柜放電電流優化控制系統由N+1電流測量儀、N個直流-直流轉換器、計算機、1個內阻測量儀組成，計算機中安裝有由電流計算單元、信號處理單元、SOH估算單元、SOC估算單元組成的放電電流優化控制軟件；第0電流測量儀與負載串聯，測量負載電流需求，將負載電流需求傳送給計算機；N個直流-直流轉換器均與計算機相連，并分別與一個模組串聯，控制與它相連模組的放電電流；計算機與第0至第N電流測量儀、N個直流-直流轉換器、內阻測量儀連接，負責通信與控制；N為并聯鋰離子電池柜中模組的個數，SOC是指剩余電量，SOH指健康狀況：

1.1?內阻測量儀選用可同時測量N個模組內阻數據的多路內阻測試儀，以并聯方式連接于N個模組的兩端，分辨率為0.01μΩ，數據輸出端與SOH估算單元連接，為SOH估算單元傳遞模組內阻數據；

1.2?第1到第N電流測量儀分別串聯于N個模組與N個直流-直流轉換器之間，即第i電流測量儀串聯于第i模組與第i直流-直流轉換器之間，分辨率為0.01mA，各電流測量儀數據輸出端與SOC估算單元連接，為SOC估算單元傳遞模組放電電流數據；

1.3?SOH估算單元接收內阻測量儀傳遞的內阻數據，根據SOH計算模型估算各模組的SOH值，并將各模組的SOH值傳遞給電流計算控制單元；SOH計算模型采用基于電池內阻的SOH估算模型：

SOH＝(r_e-r_m)/(r_e-r_s)????（2）

其中，r_e表示模組報廢內阻，r_m表示模組運行過程中的內阻，r_s表示模組出廠內阻；

1.4?SOC估算單元接收N個電流測量儀傳遞的電流數據，根據SOC計算模型估算各模組的SOC值，并將各模組的SOC值傳遞給信號處理單元，SOC計算模型采用安時計量模型；

1.5?電流計算單元接收第0電流測量儀傳遞的電流數據及SOH估算單元傳遞的SOH數據，建立并求解基于SOH的電流分配模型得出各模組輸出電流大小I_i,i＝1,2,…,N，步驟如下：

1.5.1?確定模組的SOH與恒定放電電流I和循環次數n_c之間的關系模型SOH＝f(I,n_c)，稱為SOH衰減模型，f(I,n_c)表示模組以恒定電流I進行放電，循環到n_c次時的SOH值；

1.5.2?確定模組的剩余循環使用壽命n_l與當前SOH和放電電流I之間的關系模型n_l＝g(SOH,I)，g(SOH,I)表示模組當以恒定電流I進行放電，健康狀態從當前的SOH衰減至80%時所循環的次數，該模型由如下步驟獲得：

1.5.2.1?求SOH＝f(I,n_c)的反函數n_c＝f′(SOH,I)，f′(SOH,I)表示模組以恒定電流I放電，健康狀態從100%衰減至當前SOH值時已經循環的次數；

1.5.2.2?根據電池循環使用壽命長度的定義及f′(SOH,I)的含義，確定n_l＝g(SOH,I)＝f′(0.8,I)-f′(SOH,I)，其中f′(0.8,I)表示以電流I放電的循環使用壽命；

1.5.3?基于關系模型n_l＝g(SOH,I)建立基于SOH的電流分配模型，步驟如下：

1.5.3.1?根據剩余循環使用壽命n_l建立放電電流I_i的關系方程；電池柜剩余循環使用壽命最大化時，所有模組的剩余循環使用壽命相等，有

n_l1＝n_l2＝…＝n_li＝…＝n_lN????（3）

由關系模型n_l＝g(SOH,I)，可得n_li＝g(SOH_i,I_i)，故式（3）改寫為：

g(SOH₁,I₁)＝g(SOH₂,I₂)＝…＝g(SOH_N,I_N)????（4）

其中，SOH_i和I_i分別表示第i個模組的SOH及放電電流大小；

1.5.3.2?根據基爾霍夫電流定律建立放電電流I_i的關系方程，得：

I₁+I₂+…+I_N＝I_total????（5）

1.5.3.3?合并式（4）和式（5）并對其進行改寫，可得：

g(SOH₁,I₁)-g(SOH₂,I₂)＝0

g(SOH₂,I₂)-g(SOH₃,I₃)＝0

.

.

.???????????????????????（6）

g(SOH_N-1,I_N-1)-g(SOH_N,I_N)＝0

I₁+I₂+…+I_N-I_total＝0

其中SOH_i(i＝1,2,…,N)和I_total均為已知量，故式（6）是僅關于放電電流I_i(i＝1,2,…,N)的非線性方程方程組；

1.5.4?運用牛頓迭代法求解基于SOH差異性的電流分配模型，計算滿足電池柜剩余循環使用壽命最大條件的各模組放電電流大小I_i，牛頓迭代法有三個參數：初值向量X＝(x₁,x₂,…,x_N)^T；誤差限TOL；最大迭代次數M；

1.6?信號處理單元接收SOC估算單元和電流計算單元傳遞的SOC數據和模組放電電流數據I_i，在所有模組SOC狀態允許放電的情況下，將I_i分發給第i直流-直流變換器；

第二步，設置變量初值，包括：

2.1?設置SOH估算單元中模組的報廢內阻r_e和出廠內阻r_s，該數據均由電池使用說明書、電池生產廠家或者具體實驗檢測獲得；

2.2?設置電流計算單元中模組的SOH衰減模型SOH＝f(I,n_c)；

2.3?設置電流計算單元中牛頓迭代法的初始向量X＝(x₁,x₂,…,x_N)^T為I＝(I₁,I₂,…,I_N)^T，其中I_i＝I_total/N(i＝1,2,…,N)；誤差限TOL為0.01；最大迭代次數M為10000；

2.4?設置內阻測量儀和電流測量儀的信號采集時間間隔為Δt，該時間間隔同時也代表模組放電電流調度時間間隔，Δt的設置需與功率需求變化規律保持一致，使得電流能夠滿足功率需求；

第三步，運用并聯鋰離子電池柜放電電流優化控制系統對模組放電電流實施控制：

3.1?內組測量儀和電流測量儀同時工作采集數據，并將結果傳遞給計算機，包括：

3.1.1?第0電流測量儀檢測負載電流需求I_total，并將值傳遞給電流計算單元；

3.1.2?內阻測量儀檢測各模組運行過程中的內阻r_mi,i＝1,2,…,N，并將值傳遞給SOH估算單元；

3.1.3?第i電流測量儀檢測各模組的放電電流II_i，并將II_i傳遞給SOC估算單元，i＝1,2,…,N；

3.2?SOH估算單元基于內阻測量儀所傳遞的模組運行內阻r_mi及初始化的模組的報廢內阻r_e和出廠內阻r_s，運用SOH估算模型SOH_i＝(r_e-r_mi)/(r_e-r_s)估算各模組的SOH，并將值SOH_i傳遞給電流計算單元，i＝1,2,…,N；

3.3?SOC估算單元基于第i電流測量儀所傳遞的模組放電電流數據II_i，運用SOC估算模型估算各模組的SOC，并將值SOC_i傳遞給信號處理單元，i＝1,2,…,N；

3.4?電流計算單元計算各模組的放電電流I_i，i＝1,2,…,N，并將結果傳遞給信號處理單元，包括以下步驟：

3.4.1?電流計算單元對第0電流測量儀所傳遞的負載電流需求I_total進行判斷，若I_total＝0，則表示負載沒有電流需求，令I_i＝0，并將其傳遞給信號處理單元，轉入3.5步；反之若I_total＞0，表示負載具有正常電流需求，轉入步驟3.4.2；

3.4.2?電流計算單元對SOH估算單元所傳遞的模組健康狀況數據SOH_i進行判斷，若存在SOH_i＜0.8，則表示模組i已經達到報廢標準，令I_i＝-N，I_j＝0,j＝1,2,…,i-1,i+1,…,N,，并將I_i傳遞給信號處理單元，轉入3.5步；否則表示模組狀態正常，轉入步驟3.4.3；

3.4.3?電流計算單元基于I_total、SOH_i及步驟2.2、2.3中初始化的模組SOH衰減模型SOH＝f(I,n_c)、牛頓迭代法相關運行參數，按照步驟1.5所述方法求解各模組的放電電流，并將結果I_i傳遞給信號處理單元；

3.5?信號處理單元對電流計算單元所傳遞的模組放電電流I_i進行分析，判斷電路及電池柜運行情況，針對不同情況進行不同操作，包括如下幾種情況：

3.5.1?若所有I_i＝0，表示負載沒有電流需求，模組不需要提供功率輸出，將I_i發給第i直流-直流變換器，并轉入3.7步；

3.5.2?若存在I_i＜0，表示模組i達到報廢標準，各模組需停止工作，對模組i進行更換，故令I_i＝0并分發給第i直流-直流變換器，轉入3.9步；

3.5.3?若I_i不屬于3.5.1和3.5.2的情況，則電路運行正常且電池柜沒有損壞，轉入3.6步；

3.6?信號處理單元對SOC估算單元所傳遞的模組剩余電量數據SOC_i進行判斷，若存在SOC_i≤0.05，則模組i的剩余電量低于最低限，不能繼續放電，故令I_i＝0并將I_i發給第i直流-直流變換器，轉入3.8步；反之若所有SOC_i＞0.05，則模組電量能夠維持下一個階段Δt的放電，不需進行任何調整，直接將I_i分發給第i直流-直流變換器，控制各模組放電電流，改變其SOH衰減曲線，延長電池柜循環使用壽命，轉3.7步；

3.7?信號處理單元令t＝0并開始計時，當t＝Δt時，轉3.1步；

3.8?結束放電控制，工作人員對電池柜中所有的模組進行充電；

3.9?結束放電控制，工作人員對電池柜中損壞的模組進行更換。