如何实现老化电池的可充入电量估计？南理工学者发表研究成果

电池储能系统具有配置灵活、高效稳定、响应迅速等特点，被广泛应用于电力系统的诸多领域，有效解决了发电和用电在时间和空间上的不平衡问题。国家能源局《“十四五”能源规划工作方案》中明确指出，大力发展风能和太阳能等可再生能源，而可再生能源在能量转换的连续性和稳定性方面具有不确定性，这就需要储能电池系统提供稳定可靠的能量存储，从而保证电网的稳定运行。

电池

由于现有储能电池的制造工艺水平无法满足大容量、高一致性和长使用寿命的应用需求，电池经过串联或者并联构成电池模组或电池系统后，在经历长期循环充放电使用后，其电压、电量以及老化的一致性难以保障，对电池参数的辨识、优化运行调度以及均衡维护都带来了不利的影响，同时对系统级调度和安全运行也提出了新的挑战。

储能用锂离子电池老化受环境温度、正负极材料特性等诸多因素影响。随着电池的老化，其开路电压曲线和内阻状态都会产生变化，导致实际可以充入的电量衰退。为了保证电池储能系统的运行效果，有必要对电池状态进行准确估计，电池实际可以充入的电量在一定程度上决定了电池的能量存储能力，然而仅通过电池电压、电流和温度等外部特性参数难以准确体现电池实际可充入电量状态，尤其在电池健康状态衰退的不同阶段其可充入电量估计问题一直以来都难以得到有效解决。

目前，在电池实际可充入电量估计方面存在的问题有：1）电池外部特性参数电压、电流和温度等难以直接表征电池当前容量和电量状态；2）基于数据驱动的电池状态估计方法需要大量前期实验数据作为基础数据，前期工作量巨大，而且老化轨迹具有不确定性，很难保证训练结果的普适性；3）现有的研究中，只能通过在线估计电池的SOC和容量，间接估计电池的实际可充入电量，这会导致估计误差叠加。

南京理工大学自动化学院、国网电力科学研究院有限公司、哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院的孙金磊、唐传雨、李磊、朱金大、朱春波，在2022年第22期《电工技术学报》上撰文，以Thevenin等效电路模型为基础，提出了电池可充入电量的概念，构建了可充入电量与电池开路电压（OCV）的对应关系曲线，分析了电池老化后直流内阻变化对电池可充入电量的影响，提出了基于双自适应双扩展卡尔曼滤波（ADEKF）的电池状态和模型参数联合估计方法，实现了任意老化状态电池的可充入电量在线估计。

图1 可充入电量的估计方法结构框图

图2 实验平台

他们以3节不同老化程度的三元锂电池为研究对象，在联邦城市运行工况（FUDS）下验证电池状态和模型参数估计结果，在0.5C倍率恒流充电工况下验证可充入电量损失的估计结果。实验结果表明，对于新电池，FUDS工况下可充入电量估计误差小于1%，对于实验用老化电池，最大可充入电量估计误差为2.7%。通过3节不同老化程度电池在恒流0.5C倍率恒流充电下的状态估计结果比较，进一步验证了所提方法对可充入电量估计的有效性。

研究人员指出，后续将主要针对不同受温度影响的可充入电量估计方法以及OCV-SOC曲线在线修正进行进一步研究。

本文编自2022年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于状态与模型参数联合估计的老化电池可充入电量估计方法”。本课题得到国家自然科学基金项目和黑龙江省自然科学基金重点项目的支持。