脈沖負(fù)載條件下基于雨流計(jì)數(shù)法的儲(chǔ)能電池壽命預(yù)測(cè)

亢夢(mèng)婕，徐 曄，王金全，李建科，陳 凱

(解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

脈沖負(fù)載條件下基于雨流計(jì)數(shù)法的儲(chǔ)能電池壽命預(yù)測(cè)

亢夢(mèng)婕，徐 曄，王金全，李建科，陳 凱

(解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

儲(chǔ)能電池壽命預(yù)測(cè)是儲(chǔ)能系統(tǒng)研究的一個(gè)核心問(wèn)題，也是研究難點(diǎn)。針對(duì)含脈沖負(fù)載的獨(dú)立微電網(wǎng)，功率大范圍波動(dòng)條件下儲(chǔ)能電池的選型及當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備處于頻繁充放電狀態(tài)，對(duì)其循環(huán)次數(shù)與充放電深度對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備壽命的影響進(jìn)行研究。選擇磷酸鐵鋰電池、鉛酸蓄電池、釩液流電池三種常用能量型儲(chǔ)能電池進(jìn)行循環(huán)充放電測(cè)試，探究其充放電特性，為含脈沖負(fù)載的獨(dú)立微電網(wǎng)儲(chǔ)能設(shè)備選型提供參考。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)搭建含儲(chǔ)能補(bǔ)償?shù)奈㈦娋W(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)(Sate Of Charge, SOC)變化曲線，采用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)儲(chǔ)能電池壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，以提高儲(chǔ)能電池壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

微電網(wǎng)；脈沖負(fù)載；儲(chǔ)能電池；雨流計(jì)數(shù)法

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大量電力電子開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用于數(shù)字設(shè)備的開(kāi)關(guān)電源，如航標(biāo)燈、移動(dòng)數(shù)字設(shè)備、通信基站等[1]。這類(lèi)脈沖型負(fù)載作用于獨(dú)立微電網(wǎng)時(shí)，除啟動(dòng)和停止對(duì)電源形成沖擊作用，在其正常運(yùn)行時(shí)的功率突變對(duì)電源也有反復(fù)加載與卸載的作用，會(huì)引起電流大幅變化，電壓畸變嚴(yán)重進(jìn)而影響電源輸出特性，因此為含脈沖型功率負(fù)載的獨(dú)立微電網(wǎng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)已成為不可缺少的環(huán)節(jié)[2]。

現(xiàn)階段能量型儲(chǔ)能電池多種多樣，從微電網(wǎng)大規(guī)模儲(chǔ)能的角度來(lái)看，應(yīng)根據(jù)電池特性結(jié)合實(shí)際工況需要進(jìn)行合理選擇。電池壽命是能量型儲(chǔ)能電池的重要參數(shù)之一，其壽命長(zhǎng)短對(duì)項(xiàng)目成本有直接的影響[3]，尤其在含脈沖型功率負(fù)載，儲(chǔ)能設(shè)備處于頻繁充放電的條件下，探究?jī)?chǔ)能電池特性和壽命預(yù)測(cè)變得尤為重要。

因此本文首先在25℃條件下分別對(duì)磷酸鐵鋰電池、鉛酸蓄電池、液流電池三種儲(chǔ)能電池進(jìn)行循環(huán)充放電測(cè)試，分析其電氣特性，并在此基礎(chǔ)上為含脈沖型功率負(fù)載的微電網(wǎng)選擇適合的儲(chǔ)能設(shè)備。將所選擇的儲(chǔ)能電池投入到微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，得到脈沖負(fù)載條件下電池SOC變化曲線。并采用雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算電池的放電深度，然后根據(jù)電池放電深度與循環(huán)壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到電池的使用壽命[4]。

1 儲(chǔ)能電池試測(cè)平臺(tái)搭建及特性分析

現(xiàn)階段常用的能量型儲(chǔ)能設(shè)備種類(lèi)繁多，為了維護(hù)微電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，必須根據(jù)工況需要、投資預(yù)算、電池特性合理地配置儲(chǔ)能設(shè)備。本文針對(duì)鋰電池、鉛酸蓄電池、釩液流電池這三種常用的儲(chǔ)能電池進(jìn)行循環(huán)充放電測(cè)試，以獲取三種電池充放電特性，為微電網(wǎng)選取儲(chǔ)能設(shè)備提供一些參考。

1.1 儲(chǔ)能電池測(cè)試平臺(tái)建立

測(cè)試所用磷酸鐵鋰電池為25 Ah，由北京國(guó)能科技有限公司生產(chǎn)。磷酸鐵鋰電池輸出效率高，標(biāo)準(zhǔn)放電為2～5 C，連續(xù)高電流放電可達(dá)10 C；可深度放電，最低電壓可達(dá)0 V；體積小、重量輕，同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池的1/3，可快速充電，無(wú)污染。測(cè)試的鉛酸蓄電池對(duì)象為200 Ah，由山東岳陽(yáng)電源股份有限公司生產(chǎn)。鉛酸蓄電池的優(yōu)勢(shì)在于能量密度高、成本低、技術(shù)相對(duì)成熟，在微電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。但鉛酸蓄電池功率密度較低，通常與超級(jí)電容等儲(chǔ)能設(shè)備配合使用。測(cè)試的釩液流電池對(duì)象為3 kW，是我校與上海神力科技有限公司聯(lián)合研制的。

1.2 循環(huán)充放電測(cè)試及特性分析

磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱(chēng)容量為25 Ah,設(shè)計(jì)電池在7.5 A、12.5 A、20 A、25 A、37.5 A、50 A、62.5 A、75 A、100 A、125 A十種電流下充放電，充電截止電壓為3.65 V，放電截止電壓為2.5 V。

鉛酸蓄電池的標(biāo)稱(chēng)容量為2 V 200 Ah，測(cè)試充放電電流分別為20 A、30 A、40 A、50 A、60 A、80 A、100 A，充電截止電壓為2.315 V，放電截止電壓為1.8 V。

釩液流電池測(cè)試電流分別為30 A、40 A、50 A、60 A、70 A、80 A,充電最大電壓為53 V，充電截止電流為25 A,放電截止電壓為39 V。

不同的放電電流將導(dǎo)致電池的端電壓變化，充放電電流越大，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)越劇烈。由于電池總?cè)萘渴枪潭ǖ模姵貎?nèi)部化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)降低，單位時(shí)間內(nèi)電池端電壓變化較大。本文分別在不同充放電電流下對(duì)電池端電壓進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

(1)在充放電過(guò)程中，磷酸鐵鋰電池表現(xiàn)出較為明顯的“平臺(tái)特性”，在“平臺(tái)”期間內(nèi)，電池端電壓變化幅度較小，而在“平臺(tái)”期間外，電壓變化幅值大，即在電池開(kāi)始充電或?qū)⒁錆M時(shí)電壓變化劇烈，隨著充電(放電)電流的增大，電壓穩(wěn)定的范圍減小。

(2)鉛酸蓄電池容量較大，因此其充放電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，特別是在小電流充放電時(shí)，耗時(shí)近9 h，其放電曲線較為平穩(wěn)。

(3)液流電池的電壓較高，充電時(shí)只記錄了恒流充電部分，放電時(shí)進(jìn)行了全放電測(cè)試，隨著放電的進(jìn)行，其放電電壓逐漸較小，在放電末期，放電電壓下降速度加快。

電池的電化學(xué)特性導(dǎo)致電池在不同的電流下總能量不同，對(duì)電池進(jìn)行不同電流的充放電測(cè)試，可以得到充放電電流與電池總能量的關(guān)系。電池的充電過(guò)程分為恒流充電和恒壓充電，在脈沖負(fù)載條件下，工作周期比較小，脈沖間隙的時(shí)間也相對(duì)較短，此時(shí)向電流充電可認(rèn)為是恒流充電，因此本文重點(diǎn)關(guān)注恒流充電階段充電電流與總能量的關(guān)系。隨著電流的增大，磷酸鐵鋰電池、鉛酸蓄電池、釩液流電池在不同充放電電流下充電能量、總充電能量、總放電能量的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 不同充放電電流下電池充放電能量

由圖1可知，隨著電流的增大，充電能量均呈下降趨勢(shì)。磷酸鐵鋰電池的恒流充電能量和放電能量基本維持不變，這是因?yàn)槌潆姺绞绞呛懔骱銐撼潆?，恒流充電階段端電壓持續(xù)上升直至充電截止電壓3.65 V，此后轉(zhuǎn)入恒壓充電，直至充電電流達(dá)到截止電流0.5 A，在此過(guò)程中，充電的判斷條件是端電壓和充電電流，充電電流越大，活躍的鋰離子數(shù)量越多，充電能量越大，但由于沒(méi)有時(shí)間限制，不同倍率下充電時(shí)間足夠長(zhǎng)，能量相差很小。而鉛酸蓄電池和釩液流電池則開(kāi)始下降，放電電流越大，單位時(shí)間內(nèi)化合物沒(méi)有充分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，電池釋放總能量越少，下降幅度越大。釩液流電池的下降度最大，當(dāng)充電電流達(dá)到80 A時(shí)，恒流充電能量基本為零，表明該釩液流電池最大能夠接受的充電電流為80 A。

2 雨流計(jì)數(shù)法

影響電池壽命的因素是多方面的，運(yùn)行溫度、充電電流和充放電過(guò)程等某一環(huán)節(jié)設(shè)置不當(dāng)都會(huì)使儲(chǔ)能電池發(fā)生不必要的損耗。通常，運(yùn)行溫度和充電電流與散熱及控制系統(tǒng)有關(guān)[5]，本文重點(diǎn)關(guān)注充放電過(guò)程中循環(huán)次數(shù)及沖放電深度對(duì)循環(huán)壽命的影響。

2.1 雨流計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)規(guī)則

雨流計(jì)數(shù)法又稱(chēng)“塔頂法”，廣泛應(yīng)用于工程中的疲勞壽命計(jì)算。雨流計(jì)數(shù)法根據(jù)所研究對(duì)象的應(yīng)力-應(yīng)變之間的非線性關(guān)系來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即利用雨流計(jì)數(shù)法確定出數(shù)據(jù)樣本的一組非周期性循環(huán)[6]。

(1)雨流在試驗(yàn)記錄的起點(diǎn)或每一峰值內(nèi)邊開(kāi)始向下流動(dòng)。

(2)雨流流至峰值處豎直下滴，滴落至下兩個(gè)峰值之間或?qū)γ姹乳_(kāi)始時(shí)的最大值(最小值)更大(更小)的極值處。

(3)雨流一直流動(dòng)，至較初始極值的絕對(duì)值更大的極值點(diǎn)處，并且當(dāng)雨流遇到來(lái)自上面屋頂流下的雨時(shí)即停止流動(dòng)構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。

(4)根據(jù)雨流的起點(diǎn)和終點(diǎn)，畫(huà)出各個(gè)循環(huán)，將所有循環(huán)逐一去除，并記錄其峰谷值。

2.2 基于雨流計(jì)數(shù)法估算電池壽命

然而在實(shí)際工況中，儲(chǔ)能電池應(yīng)用于含脈沖負(fù)載的獨(dú)立微電網(wǎng)的功率補(bǔ)償，其輸出功率為非恒定功率，SOC變化曲線極不規(guī)律，無(wú)法明確地劃分出電池充放電周期，因此首先需要采用雨流計(jì)數(shù)法確定出SOC變化曲線中的一系列循環(huán)周期以及每個(gè)循環(huán)周期的放電深度(每一子周期的橫向峰谷距離差值)[7]。

3 微電網(wǎng)中儲(chǔ)能電池循環(huán)壽命估算

3.1 磷酸鐵鋰電池SOC變化曲線

含脈沖型功率負(fù)載的微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能電池需要平抑由負(fù)載功率突變引起母線電壓的波動(dòng)，因此在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)能電池處于頻繁充放電狀態(tài)。由上述三種儲(chǔ)能電池特性測(cè)試可知，磷酸鐵鋰電池具有較高的能量密度，體積小，循環(huán)壽命長(zhǎng)，且安全性高，因此選取磷酸鐵鋰電池做脈沖負(fù)載條件下獨(dú)立直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置[8]。

為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)處于頻繁充放電條件下的儲(chǔ)能電池循環(huán)壽命，進(jìn)行柴油機(jī)帶峰值功率為30 kW、周期為56 ms、占空比為40%的脈沖負(fù)載實(shí)驗(yàn)，選擇42 V磷酸鐵鋰電池做儲(chǔ)能電池，實(shí)驗(yàn)測(cè)得鋰電池實(shí)時(shí)SOC變化曲線如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池SOC變化曲線

3.2 雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算電池放電深度及電池壽命

雨流計(jì)數(shù)法的程序設(shè)計(jì)中包括數(shù)據(jù)壓縮和循環(huán)數(shù)提取兩個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)壓縮由峰谷值的提取和無(wú)效幅值去除兩個(gè)步驟組成，通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮可以將原始數(shù)據(jù)處理成便于循環(huán)數(shù)提取的數(shù)組；循環(huán)數(shù)提取包括一次雨流計(jì)數(shù)、對(duì)接和二次雨流計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)波形的簡(jiǎn)化、特征值提取[9]。由于磷酸鐵鋰電池SOC曲線波動(dòng)較大，且峰值較多，因此本文利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)SOC變化曲線的雨流處理，設(shè)原始數(shù)據(jù)為W(t)，處理得到的數(shù)組為R(t)，兩個(gè)數(shù)組元素的編號(hào)分別為i、j，程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖

通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法對(duì)脈沖負(fù)載下儲(chǔ)能電池SOC-t非線性變化曲線進(jìn)行去除等值數(shù)、提取曲線的峰谷值處理，處理結(jié)果如圖4(a)所示，在數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)上提取循環(huán)周期，圖4(b)即為電池SOC變化曲線計(jì)算所得4個(gè)全周期和5個(gè)半周期，各周期的放電深度如表1所示。

圖4 雨流處理結(jié)果

周期序號(hào)1半周期2半周期3周期4周期放電深度0.0660.0710.00410.00635周期6半周期7周期8半周期9半周期0.0140.0660.00850.0450.023

用N階函數(shù)法對(duì)某型號(hào)磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數(shù)與充放電深度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得如式(1)所示的四階函數(shù)[10]：

其中Ret為儲(chǔ)能電池循環(huán)次數(shù)。已知可通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法將儲(chǔ)能電池一天的工作運(yùn)行劃分為n次充放電循環(huán)周期，放電深度分別為DOD1，DOD2，…，DODn，其中第i次放電深度可得最大循環(huán)次數(shù)Ret1(DODi)，假設(shè)電池在運(yùn)行周期內(nèi)可進(jìn)行N次循環(huán)，則定義運(yùn)行周期內(nèi)電池壽命為：

T=1/365·Ret

式中T表示儲(chǔ)能電池壽命，以1/Ret1(DODi)表征儲(chǔ)能電池第i次完整循環(huán)的耗損，L為儲(chǔ)能電池運(yùn)行周期內(nèi)的損耗。通過(guò)電池壽命T和壽命損耗L可以計(jì)算當(dāng)前電池使用壽命，或用于預(yù)測(cè)電池壽命。

4 結(jié)論

儲(chǔ)能電池運(yùn)行過(guò)程中循環(huán)次數(shù)及沖放電深度是影響電池壽命的主要因素之一。為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)脈沖負(fù)載條件下儲(chǔ)能電池壽命，本文搭建了磷酸鐵鋰電池、鉛酸蓄電池、釩液流電池的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，了解各電池特性，選取適合脈沖負(fù)載條件下的儲(chǔ)能設(shè)備。通過(guò)模擬微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得儲(chǔ)能電池工作中SOC曲線，進(jìn)而基于雨流計(jì)數(shù)法，采用MATLAB編程確定其循環(huán)周期，得到放電深度。根據(jù)定義的電池?fù)p耗、電池壽命計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的壽命預(yù)測(cè)。主要結(jié)論如下：

(1)在充放電過(guò)程中，磷酸鐵鋰電池表現(xiàn)出明顯的“平臺(tái)特性”，在恒流恒壓充電中，其充電能量和放電能量基本維持不變。

(2)獨(dú)立微電網(wǎng)帶脈沖負(fù)載時(shí)，儲(chǔ)能電池處于頻繁充放電狀態(tài)，實(shí)時(shí)SOC曲線變化頻繁，雨流計(jì)數(shù)法可以有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和循環(huán)數(shù)提取，能夠縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，為研究帶來(lái)方便。

(3)通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法可以確定儲(chǔ)能電池工作中的循環(huán)周期，并計(jì)算其放電深度。帶入放電深度與循環(huán)次數(shù)的四次函數(shù)擬合式，得到某一放電深度下的循環(huán)次數(shù)。綜合考慮運(yùn)行周期內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備放電深度與循環(huán)次數(shù)，定義出儲(chǔ)能電池壽命、損耗計(jì)算公式。

[1] 魯宗相,王彩霞,閔勇,等. 微電網(wǎng)研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,31(19): 100-108.

[2] Li Liyu, KIM S, Wang Wei, et al. A stable vanadium redox-flow battery with high energy density for large-scale energy storage[J]. Advanced Energy Materials, 2011, 1(3): 394-400.

[3] 丁明,吳建鋒,朱承治,等.具備荷電狀態(tài)調(diào)節(jié)功能的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)平滑控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(1): 22-29.

[4] 韓曉娟,程成,籍天明，等.計(jì)及電池使用壽命的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(34):91-99.

[5] 楊紅艷,鄧衛(wèi),裴瑋，等．計(jì)及電池儲(chǔ)能壽命影響的微電網(wǎng)日前調(diào)度優(yōu)化[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(22):172-181.

[6] Maxwell Technologies.Produt guide-Maxwell technologies BOOTCAP ultra-capacitors[Z].2013.

[7] 張文亮,丘明,來(lái)小康.儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(7):1-9.

[8] 季國(guó)棟,王文理.蓄電池剩余容量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015,38(3),38-42.

[9] 董樂(lè)義,羅?。炅饔?jì)數(shù)法及其在程序中的具體實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用,2004,24(3),38-41.

[10] 沈玉明,胡博,謝開(kāi)貴，等.計(jì)及儲(chǔ)能壽命損耗的孤立微電網(wǎng)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(9): 2371-2379.

Prediction of battery life in energy storage system based on rain flow count method under pulsed load situation

Kang Mengjie, Xu Ye, Wang Jinquan, Li Jianke, Chen Kai

(PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Lifetime prediction of battery is one of the kernels in energy storage technology and it is also a bottleneck. In view of the isolated microgrid with pulsed load with the condition of power wide fluctuations, this paper primary researches the choice of energy storage battery type, the cycle number and charge-discharge depth influence on the energy storage equipment life when the energy storage equipment is maintained in a state of charge-discharge frequently. Selecting three common energy storage batteries for cycle charge-discharge test: the lithium iron phosphate batteries, lead-acid batteries, and vanadium flow batteries. And it provides reference for the selection of isolated microgrid energy storage equipment with pulsed load. According to the relevant standard, the microgrid experimental platform with energy storage compensation is set up, and the real-time SOC curve of the energy storage equipment is measured. The life of the energy storage battery is predicted by the rain flow counting method to improve the accuracy of energy storage battery life prediction.

microgrid; pulsed load; energy storage battery; rain flow counting method

TM912

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.024

亢夢(mèng)婕，徐曄，王金全，等.脈沖負(fù)載條件下基于雨流計(jì)數(shù)法的儲(chǔ)能電池壽命預(yù)測(cè)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(16)：84-87,91.

2017-02-22)

亢夢(mèng)婕(1993-)，女，碩士，主要研究方向：含脈沖負(fù)載的獨(dú)立直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量配置。

徐曄(1964-)，女，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。

王金全(1964-)，男，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。