一种变电站ups用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法
一种变电站ups用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种变电站UPS用铅酸蓄电池的健康状态估计方法，能够为电池的运 行、维护提供更加科学的依据。属于设备可靠性领域。
【背景技术】
[0002] 铅酸蓄电池是变电站直流电源系统的重要组成部分，在占用交流整流装置故障失 电的紧急情况下，是继电保护及自动装置、自动化及远动装置、事故照明、断路器跳合闽回 路等重要负载的备用直流电源，因此其可靠性对于电力系统的安全稳定至关重要。
[0003] 阀控式密封铅酸蓄电池（简称蓄电池）由于密封性能好、不用补充电解液和蒸馈 水、大电流放电能力强等优点，在电力行业被广泛采用。在蓄电池使用维护方面，我国电力 行业目前多依据电力系统规程化T 724-2000(电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护 技术规程，W下简称"规程"），采用在线监测电压、电流、溫度和离线定期核对性放电的方式 来开展工作，其弊端在于:在线监测手段无法反映蓄电池的真实放电容量;核对性放电间隔 时间太长，使得蓄电池长期缺少健康状态信息，而频繁的核对性放电对电池性能本身的损 害较大。
[0004] 蓄电池管理手段落后的现状严重影响了电力系统运行的可靠性;此外，由于缺少 蓄电池的健康信息，现场管理维护人员普遍对蓄电池健康状况缺乏信屯、，设计寿命虽然一 般在10年W上，但使用寿命通常不到5年，造成了大量的浪费。
[000引针对上述问题，提出一种基于蓄电池电化学模型的健康状态估计方法。包括：电池 电化学机理建模与数值求解、内部健康特征无损辨识、任意负载情况的蓄电池行为模拟、基 于健康特征演变的电池性能预测等。本方法对于提高变电站直流系统运行的可靠性、降低 维护成本具有重要的工程价值。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决现有的对蓄电池管理的方法导致电力系统运行的可靠性差，并 且对蓄电池健康状况的维护性差的问题。现提供一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池 状态估计与预测方法。
[0007] -种变电站IPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，它包括W下步骤： [000引步骤一、从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立 蓄电池的电化学模型，
[0009] 步骤二、根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定 蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压，
[0010] 步骤Ξ、选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输 入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等于实际 测得的蓄电池输出电压Vcell值，获得此时的蓄电池内部的参数集，从而获得实际蓄电池内 部状态的反映，
[0011] 步骤四、采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤Ξ得到的实 际电池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池 的放电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。
[0012] 本发明的有益效果为:将机理电化学模型应用于铅酸蓄电池的状态估计;基于模 型仿真技术，能够获得与变电站典型直流负荷特性相关的电池放电能力的全面估计;基于 电池内部参数演变规律的电池寿命预测，区别于单纯的数据驱动的电池容量预测。该方法 对实验条件和设备要求低，不受外界环境的影响，操作简单，简单易行。该方法还可W应用 于不同原理的电化学电源的状态估计。本发明长期浮充状态下，能够完成特定放电任务的 能力；能够基于电池内部性质的改变对其放电能力进行预测。能够在电池寿命周期内无损 检测其内部关键健康特征，并根据运行维护需要扩展电池管理系统的功能。
【附图说明】
[0013] 图1为【具体实施方式】一所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计 与预测方法中铅酸蓄电池的结构示意图；
[0014] 图2为DST工况的电流与时间的曲线图；
[0015] 图3为DST工况的电压与时间的曲线图；
[0016] 图4为遗传算法的流程图；
[0017] 图5为模型老化参数回归、预测过程示意图，附图标记1表示训练数据，附图标记2 表示回归曲线，附图标记3表示预测数据；
[0018] 图6为DST工况下电池加速老化第1周的充放电曲线估计曲线图，附图标记4为实测 电压，附图标记5为模拟电压；
[0019] 图7为DST工况下电池加速老化第4周的充放电曲线估计曲线图，
[0020] 图8为DST工况下电池加速老化第8周的充放电曲线估计曲线图，
[0021] 图9为DST工况下电池加速老化第12周的充放电曲线估计曲线图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0022] 一：参照图1至图9具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种变 电站IPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，它包括W下步骤：
[0023] 步骤一、从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立 蓄电池的电化学模型，
[0024] 步骤二、根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定 蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压，
[0025] 步骤Ξ、选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输 入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压fadf值等于实际 测得的蓄电池输出电压Vcell值，获得此时的蓄电池内部的参数集，从而获得实际蓄电池内 部状态的反映，
[0026] 步骤四、采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤Ξ得到的实 际电池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池 的放电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。
[0027] 本实施方式中，选择DST(Dynamic Stress Test)工况作为模型参数辨识工况，如 图2和3所示。该工况包含了反映电池各种过程的情况，获得的电压、电流、电量数据集信息 丰富，参数辨识的结果鲁棒性较强。标准DST工况用通用电池充放电测试仪模拟，同时得到 实际电池的电压输出。
[0028] 蓄电池的电化学模型内的参数分为两部分为固定参数和可变参数，固定参数，一 经确定，在电池的整个寿命周期内认为基本不变;可变参数，随电池的老化发生改变，需要 在电池的使用过程中定期辨识。参数辨识的目标是选择一组参数集，在输入同样的DST工况 时，使得电化学模型仿真电压输出与实际电池电压输出Vcell之间的误差最小，目标函数 如公式(19)所示。
[0029]
(19)
[0030] 其中，X为待辨识参数集，采用实值编码，内含10个待辨识参数;S为捜索空间。
【具体实施方式】 [0031] 二:本实施方式是对一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，建立蓄电 池的电化学模型为：
[0032] 电解液物质守恒：
[0033]
(公式1)，
[0034] 式中，C为电解液浓度，D6ff为有效扩散系数，F为法拉第常数，j为电流密度，ε为电 解液体积分数，a为电极的界面面积，对于正极曰2 = 3-2t+，对于负极曰2 = 1 -2t+，其中t+为氨离 子的传递数；
[003引电解液电荷守恒：
[0036]
(公式 2)，
[0037] 式中，为有效离子电导率，Φβ为液相电势，idi为双层电容体积平均电流；
[0038] 双层电容体积平均电流：
[0039]
(公式 3)，
[0040] 式中，adi为双层电容面积，Cdi为双层电容容量，Φβ为固相电势，t为时间；
[0041 ] 线性化B-V方程：
[0042]
(公式 4);
[004引其中，
i日为交换电流密度，Cref为参考的农度，Cla为阳极 迁移系数，Qc为阴极迁移系数，R为通用气体常数，γ为B-V方程中的指数，io为交换电流密 度，c为液相平均浓度，Τ为热力学溫度；
[0044]
[0045] Upb〇2 = 1.9228+0.06411n(c)+0.01201n2(c)+0.00601n3(c)+0.00121n4(c)，Φβρ为 正极固相电势，Φβ。为负极固相电势；
[0046] 正极输入电流方程：
[0047]
) (公式5)，
[0048] 式中，A为电池横截面积，U为正极与隔膜的坐标边界；
[0049] 负极输入电流方程：
[0050]
) (公式6)，
[0051] 式中，L2为负极与隔膜的坐标边界，L为电池厚度；
[0052] 边界方程：
[0056] 式中，有效离子电导率，皆为有效扩散电解质系数，扩散系数。
【具体实施方式】 [0057] Ξ:本实施方式是对二所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，根据里兹 近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定蓄电池负荷电流，获得蓄电 池输出电压的过程为：
[0058] 将步骤一中公式2的电解液电荷守恒方程乘W测试函数Φη(χ)，在整个电池区域内 积分，并应用边界条件，得到：
[0062]
(公式 12)，
[0063] 其中，
.m为1到N-1之间的整数，N为所采用傅里叶序列的阶数，Cm 和φ。为傅里叶序列的系数；
[0064] 将式公式11、公式12带入公式10,得到：
[0065]
[0066] 将公式13写成矩阵形式，为：
[0067]
(公式 14)，
[006引式中
（7%9为开路电 势在电压坐标上的截距，16真3、私。心、私3、8期为系数矩阵；
[0069] 对于步骤一中的正负极电流关系公式5和公式6,由于固相导电系数较大，认为正 负极固相电势在区域中相等，不随L而变化，因而不再与测试函数Φη(Χ)做乘法；
[0070] 将公式11和公式12代入公式5,得到：
[0071]
[007引将公式11和公式12代入公式6,得到：
[0079] (公式 16)，
[0080] 将公式15和公式16写成矩阵形式：
[0081]
(公式 17)，
[008引式中，13具6、1(3。、1(36、1(3、山均为系数矩阵；
[0083] 对于步骤一中公式1的电解液物质守恒方程，两边同 时乘W测试函数Φη(Χ)，在整 个电池区域内积分，并应用边界条件，得到：
[0084]
(公式 18)，
[0085] 将式公式11、公式12带入式公式18,得到：
[0086]
[0087]将式19写成矩阵形式：
[008引 Λ<C = Α>' + Α'。.參 + 欠;冶 + (公式20)，
[0089] 式中
巧，《^为开路电 势在电压坐标上的截距，1。、1(。、1(。6、1(。3、恥均为系数矩阵，
[0090] 将公式14、公式17和公式20在状态空间模型中组合在一起，得到：
[0091] Μ、文=Μ 公C+M典 (公式 21)，
[0092] 其中
[0093] 蓄电池输出电压为：
[0094] Wt)=d)sp-(l)sn(公式 22)。
【具体实施方式】 [0095] 四：本实施方式是对一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤Ξ中，DST工况 采用电池充放电测试仪模拟。
[0096]
【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤Ξ中，选取步骤 一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输入同样的DST工况及结合遗 传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等于实际测得的蓄电池输出电压Vcell 值，获得此时的蓄电池内部的参数集的公式为：
[0097]
(公式 19)，
[0098] 式中，X为待辨识参数集，采用实值编码，内含10个待辨识参数，S为捜索空间。
【具体实施方式】 [0099] 六:本实施方式是对一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，采用步骤一和步骤 二中的电化学模型及数值算法，采用步骤Ξ得到的实际电池参数集，仿真任意充放电电流 Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池的放电容量Q、瞬时放电功率P和放电 时间td的过程为：
[0100] 根据公式：
[0101] Q=JId.dt (公式 20)，
[0102] 获得放电容量Q;
[0103] 根据公式：
[0104] P = Id · Vceii (公式21)，
[010引获得瞬时放电功率P;
[0106] 根据放电电流和放电电压截止点，依据放电曲线获得放电时间td，td为从放电开始 时刻到电池电压开始低于放电截止电压的时长。
[0107] 本实施方式中，基于电化学模型仿真的电池性能估计与预测，首先，应用当前掌握 的老化参数值进行回归分析。推荐使用免费曲线拟合软件CurveExpert 1.4,或者使用 Matlab曲线拟合工具箱。得到老化参数随时间的变化关系，并据此预测未来某阶段的参数 值，如图6至图9所示。
[0108] 应用当前参数值和预测参数值，可W通过仿真方式实现高级电池性能估计功能：
[0109] (1)充放电曲线预测
[0110] 能够对任意负荷情况下的电池充放电电压进行模拟，从而实现对充放电曲线的估 计与预测。DST工况下的充放电曲线预测如图6至图9所示。
[0111] (2)放电容量预测
[0112] 给定放电电流和放电电压截止点，可W依据放电曲线预测放电容量Q:
[0113] Q = Jld.化 （20)
[0114] 可W预测不同负荷条件下，电池实际可用容量的退化情况。
[0115] (3)放电功率
[0116] 给定放电电流和放电电压截止点，可W依据放电曲线预测瞬时放电功率P:
[0117] P = Id · Vceii (21)
[0118] 可W预测不同负荷条件下，电池实际功率的退化情况。
[0119] (4)放电时间
[0120] 给定放电电流和放电电压截止点，可W依据放电曲线预测放电时间tdDtd为从放电 开始时刻到电池电压开始低于放电截止电压的时长。
[0121] 基于W上数据，用户可W从能量、功率、单次时间、寿命等不同角度考察电池完成 向特定负载放电，并完成规定放电任务的能力，对其作出准确的估计和预测，从而为电池的 运行、维护提供科学的依据。
【主权项】
1. 一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，其特征在于，它包括 以下步骤： 步骤一、从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立蓄电 池的电化学模型， 步骤二、根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定蓄电 池负荷电流，获得蓄电池输出电压， 步骤三、选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输入同 样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压^eu值等于实际测得的 蓄电池输出电压Vw1值，获得此时的蓄电池内部的参数集，从而获得实际蓄电池内部状态 的反映， 步骤四、采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤三得到的实际电 池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池的放 电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。2. 根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤一中，建立蓄电池的电化学模型为： 电解液物质守恒：式中，c为电解液浓度，Deff为有效扩散系数，F为法拉第常数，j为电流密度，ε为电解液 体积分数，a为电极的界面面积，对于正极a2 = 3_2t+，对于负极a2 = l_2t+，其中t+为氢离子的 传递数； 电解液电荷守恒：式中，Krff为有效离子电导率，rf为有效扩散电解质，Φ e为液相电势，idl为双层电容体 积平均电流； 双层电容体积平均电流idi:式中，adi为双层电容面积，Cdi为双层电容容量，为固相电势，t为时间； 电流密度的线性化B-V方程：其中，i Q为交换电流密度，crrf为参考H+浓度，aa为阳极迀移系 数，α。为阴极迀移系数，R为通用气体常数，γ为B-V方程中的指数，E为液相平均浓度，T为热 力学温度； η为过电势，.简化起见， 对CftO2进行线性化，为正极固相电势，Φ%为负极固相电势； 正极输入电流方程：式中，A为电池横截面积，L1为正极与隔膜的坐标边界； 负极输入电流方程：式中，L2为负极与隔膜的坐标边界，L为电池厚度； 边界方程：式中，Krff为有效离子电导率，/rf为有效扩散电解质系数，Drff为扩散系数。3.根据权利要求2所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤二中，根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离 散化，给定蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压的过程为： 将步骤一中公式2的电解液电荷守恒方程乘以测试函数也(1)，在整个电池区域内积分， 并应用边界条件，得到：将Φ e和c用傅里叶序列表示，得到：其中，m为1到N-I之间的整数，N为所采用傅里叶序列的阶数，^和 Φ m为傅里叶序列的系数； 将式公式11、公式12带入公式10,得到：将公式13写成矩阵形式，为：式中，为开路电势在 电压坐标上的截距，1(3眞3、1^、1((3、1^几均为系数矩阵 ； 对于步骤一中的正负极电流关系公式5和公式6,由于固相导电系数较大，认为正负极 固相电势在区域中相等，不随L而变化，因而不再与测试函数礼(4做乘法； 将公式11和公式12代入公式5,得到：移项合并同类项得：将公式11和公式12代入公式6,得到：移项合并同类项得：(公式16)， 将公式15和公式16写成矩阵形式：式中，]^、]\^、1^、1^、1(3几均为系数矩阵； 对于步骤一中公式1的电解液物质守恒方程，两边同时乘以测试函数φη(χ)，在整个电池 区域内积分，并应用边界条件，得到：将式公式11、公式12带入式公式18,得到：将式19写成矩阵形式：坐标上的截距，Mc、Kc、Kce、Kcs、B c均为系数矩阵， 将公式14、公式17和公式20在状态空间模型中组合在一起，得到：蓄电池输出电压为： V⑴=Φ Sp- Φ SIl (公式22)。4. 根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤三中，DST工况采用电池充放电测试仪模拟。5. 根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤三中，选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化 学模型输入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等 于实际测得的蓄电池输出电压Vw1值，获得此时的蓄电池内部的参数集的公式为：式中，X为待辨识参数集，采用实值编码，内含10个待辨识参数，S为搜索空间。6.根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤三得到的实际 电池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池的 放电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td的过程为： 根据公式： Q = Jld · dt (公式24)， 获得放电容量Q; 根据公式： P=Id · Vceii (公式25)， 获得瞬时放电功率P; 根据放电电流和放电电压截止点，依据放电曲线获得放电时间td，td为从放电开始时刻 到电池电压开始低于放电截止电压的时长。
【专利摘要】一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，涉及设备可靠性领域。本发明是为了解决现有的对蓄电池管理的方法导致电力系统运行的可靠性差，并且对蓄电池健康状况的维护性差的问题。本发明从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立蓄电池的电化学模型，根据里兹近似方法，给定蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压，向电化学模型输入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等于实际测得的蓄电池输出电压Vcell值，获得此时的蓄电池内部的参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。它用于对蓄电池内部状态进行预测。
【IPC分类】G01R31/36
【公开号】CN105487017
【申请号】CN201610045426
【发明人】郭志刚, 王岐, 于洪海, 吕超, 阳薇, 欧希野, 马春阳, 王锐, 刘洋, 侯木齐, 周鹏达
【申请人】国网黑龙江省电力有限公司检修公司, 国家电网公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月22日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种变电站UPS用铅酸蓄电池的健康状态估计方法，能够为电池的运 行、维护提供更加科学的依据。属于设备可靠性领域。
【背景技术】
[0002] 铅酸蓄电池是变电站直流电源系统的重要组成部分，在占用交流整流装置故障失 电的紧急情况下，是继电保护及自动装置、自动化及远动装置、事故照明、断路器跳合闽回 路等重要负载的备用直流电源，因此其可靠性对于电力系统的安全稳定至关重要。
[0003] 阀控式密封铅酸蓄电池（简称蓄电池）由于密封性能好、不用补充电解液和蒸馈 水、大电流放电能力强等优点，在电力行业被广泛采用。在蓄电池使用维护方面，我国电力 行业目前多依据电力系统规程化T 724-2000(电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护 技术规程，W下简称"规程"），采用在线监测电压、电流、溫度和离线定期核对性放电的方式 来开展工作，其弊端在于:在线监测手段无法反映蓄电池的真实放电容量;核对性放电间隔 时间太长，使得蓄电池长期缺少健康状态信息，而频繁的核对性放电对电池性能本身的损 害较大。
[0004] 蓄电池管理手段落后的现状严重影响了电力系统运行的可靠性;此外，由于缺少 蓄电池的健康信息，现场管理维护人员普遍对蓄电池健康状况缺乏信屯、，设计寿命虽然一 般在10年W上，但使用寿命通常不到5年，造成了大量的浪费。
[000引针对上述问题，提出一种基于蓄电池电化学模型的健康状态估计方法。包括：电池 电化学机理建模与数值求解、内部健康特征无损辨识、任意负载情况的蓄电池行为模拟、基 于健康特征演变的电池性能预测等。本方法对于提高变电站直流系统运行的可靠性、降低 维护成本具有重要的工程价值。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决现有的对蓄电池管理的方法导致电力系统运行的可靠性差，并 且对蓄电池健康状况的维护性差的问题。现提供一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池 状态估计与预测方法。
[0007] -种变电站IPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，它包括W下步骤： [000引步骤一、从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立 蓄电池的电化学模型，
[0009] 步骤二、根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定 蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压，
[0010] 步骤Ξ、选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输 入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等于实际 测得的蓄电池输出电压Vcell值，获得此时的蓄电池内部的参数集，从而获得实际蓄电池内 部状态的反映，
[0011] 步骤四、采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤Ξ得到的实 际电池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池 的放电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。
[0012] 本发明的有益效果为:将机理电化学模型应用于铅酸蓄电池的状态估计;基于模 型仿真技术，能够获得与变电站典型直流负荷特性相关的电池放电能力的全面估计;基于 电池内部参数演变规律的电池寿命预测，区别于单纯的数据驱动的电池容量预测。该方法 对实验条件和设备要求低，不受外界环境的影响，操作简单，简单易行。该方法还可W应用 于不同原理的电化学电源的状态估计。本发明长期浮充状态下，能够完成特定放电任务的 能力；能够基于电池内部性质的改变对其放电能力进行预测。能够在电池寿命周期内无损 检测其内部关键健康特征，并根据运行维护需要扩展电池管理系统的功能。
【附图说明】
[0013] 图1为【具体实施方式】一所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计 与预测方法中铅酸蓄电池的结构示意图；
[0014] 图2为DST工况的电流与时间的曲线图；
[0015] 图3为DST工况的电压与时间的曲线图；
[0016] 图4为遗传算法的流程图；
[0017] 图5为模型老化参数回归、预测过程示意图，附图标记1表示训练数据，附图标记2 表示回归曲线，附图标记3表示预测数据；
[0018] 图6为DST工况下电池加速老化第1周的充放电曲线估计曲线图，附图标记4为实测 电压，附图标记5为模拟电压；
[0019] 图7为DST工况下电池加速老化第4周的充放电曲线估计曲线图，
[0020] 图8为DST工况下电池加速老化第8周的充放电曲线估计曲线图，
[0021] 图9为DST工况下电池加速老化第12周的充放电曲线估计曲线图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0022] 一：参照图1至图9具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种变 电站IPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，它包括W下步骤：
[0023] 步骤一、从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立 蓄电池的电化学模型，
[0024] 步骤二、根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定 蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压，
[0025] 步骤Ξ、选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输 入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压fadf值等于实际 测得的蓄电池输出电压Vcell值，获得此时的蓄电池内部的参数集，从而获得实际蓄电池内 部状态的反映，
[0026] 步骤四、采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤Ξ得到的实 际电池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池 的放电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。
[0027] 本实施方式中，选择DST(Dynamic Stress Test)工况作为模型参数辨识工况，如 图2和3所示。该工况包含了反映电池各种过程的情况，获得的电压、电流、电量数据集信息 丰富，参数辨识的结果鲁棒性较强。标准DST工况用通用电池充放电测试仪模拟，同时得到 实际电池的电压输出。
[0028] 蓄电池的电化学模型内的参数分为两部分为固定参数和可变参数，固定参数，一 经确定，在电池的整个寿命周期内认为基本不变;可变参数，随电池的老化发生改变，需要 在电池的使用过程中定期辨识。参数辨识的目标是选择一组参数集，在输入同样的DST工况 时，使得电化学模型仿真电压输出与实际电池电压输出Vcell之间的误差最小，目标函数 如公式(19)所示。
[0029]
(19)
[0030] 其中，X为待辨识参数集，采用实值编码，内含10个待辨识参数;S为捜索空间。
【具体实施方式】 [0031] 二:本实施方式是对一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，建立蓄电 池的电化学模型为：
[0032] 电解液物质守恒：
[0033]
(公式1)，
[0034] 式中，C为电解液浓度，D6ff为有效扩散系数，F为法拉第常数，j为电流密度，ε为电 解液体积分数，a为电极的界面面积，对于正极曰2 = 3-2t+，对于负极曰2 = 1 -2t+，其中t+为氨离 子的传递数；
[003引电解液电荷守恒：
[0036]
(公式 2)，
[0037] 式中，为有效离子电导率，Φβ为液相电势，idi为双层电容体积平均电流；
[0038] 双层电容体积平均电流：
[0039]
(公式 3)，
[0040] 式中，adi为双层电容面积，Cdi为双层电容容量，Φβ为固相电势，t为时间；
[0041 ] 线性化B-V方程：
[0042]
(公式 4);
[004引其中，
i日为交换电流密度，Cref为参考的农度，Cla为阳极 迁移系数，Qc为阴极迁移系数，R为通用气体常数，γ为B-V方程中的指数，io为交换电流密 度，c为液相平均浓度，Τ为热力学溫度；
[0044]
[0045] Upb〇2 = 1.9228+0.06411n(c)+0.01201n2(c)+0.00601n3(c)+0.00121n4(c)，Φβρ为 正极固相电势，Φβ。为负极固相电势；
[0046] 正极输入电流方程：
[0047]
) (公式5)，
[0048] 式中，A为电池横截面积，U为正极与隔膜的坐标边界；
[0049] 负极输入电流方程：
[0050]
) (公式6)，
[0051] 式中，L2为负极与隔膜的坐标边界，L为电池厚度；
[0052] 边界方程：
[0056] 式中，有效离子电导率，皆为有效扩散电解质系数，扩散系数。
【具体实施方式】 [0057] Ξ:本实施方式是对二所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，根据里兹 近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定蓄电池负荷电流，获得蓄电 池输出电压的过程为：
[0058] 将步骤一中公式2的电解液电荷守恒方程乘W测试函数Φη(χ)，在整个电池区域内 积分，并应用边界条件，得到：
[0062]
(公式 12)，
[0063] 其中，
.m为1到N-1之间的整数，N为所采用傅里叶序列的阶数，Cm 和φ。为傅里叶序列的系数；
[0064] 将式公式11、公式12带入公式10,得到：
[0065]
[0066] 将公式13写成矩阵形式，为：
[0067]
(公式 14)，
[006引式中
（7%9为开路电 势在电压坐标上的截距，16真3、私。心、私3、8期为系数矩阵；
[0069] 对于步骤一中的正负极电流关系公式5和公式6,由于固相导电系数较大，认为正 负极固相电势在区域中相等，不随L而变化，因而不再与测试函数Φη(Χ)做乘法；
[0070] 将公式11和公式12代入公式5,得到：
[0071]
[007引将公式11和公式12代入公式6,得到：
[0079] (公式 16)，
[0080] 将公式15和公式16写成矩阵形式：
[0081]
(公式 17)，
[008引式中，13具6、1(3。、1(36、1(3、山均为系数矩阵；
[0083] 对于步骤一中公式1的电解液物质守恒方程，两边同 时乘W测试函数Φη(Χ)，在整 个电池区域内积分，并应用边界条件，得到：
[0084]
(公式 18)，
[0085] 将式公式11、公式12带入式公式18,得到：
[0086]
[0087]将式19写成矩阵形式：
[008引 Λ<C = Α>' + Α'。.參 + 欠;冶 + (公式20)，
[0089] 式中
巧，《^为开路电 势在电压坐标上的截距，1。、1(。、1(。6、1(。3、恥均为系数矩阵，
[0090] 将公式14、公式17和公式20在状态空间模型中组合在一起，得到：
[0091] Μ、文=Μ 公C+M典 (公式 21)，
[0092] 其中
[0093] 蓄电池输出电压为：
[0094] Wt)=d)sp-(l)sn(公式 22)。
【具体实施方式】 [0095] 四：本实施方式是对一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤Ξ中，DST工况 采用电池充放电测试仪模拟。
[0096]
【具体实施方式】五:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤Ξ中，选取步骤 一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输入同样的DST工况及结合遗 传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等于实际测得的蓄电池输出电压Vcell 值，获得此时的蓄电池内部的参数集的公式为：
[0097]
(公式 19)，
[0098] 式中，X为待辨识参数集，采用实值编码，内含10个待辨识参数，S为捜索空间。
【具体实施方式】 [0099] 六:本实施方式是对一所述的一种变电站UPS用阀控 式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法作进一步说明，本实施方式中，采用步骤一和步骤 二中的电化学模型及数值算法，采用步骤Ξ得到的实际电池参数集，仿真任意充放电电流 Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池的放电容量Q、瞬时放电功率P和放电 时间td的过程为：
[0100] 根据公式：
[0101] Q=JId.dt (公式 20)，
[0102] 获得放电容量Q;
[0103] 根据公式：
[0104] P = Id · Vceii (公式21)，
[010引获得瞬时放电功率P;
[0106] 根据放电电流和放电电压截止点，依据放电曲线获得放电时间td，td为从放电开始 时刻到电池电压开始低于放电截止电压的时长。
[0107] 本实施方式中，基于电化学模型仿真的电池性能估计与预测，首先，应用当前掌握 的老化参数值进行回归分析。推荐使用免费曲线拟合软件CurveExpert 1.4,或者使用 Matlab曲线拟合工具箱。得到老化参数随时间的变化关系，并据此预测未来某阶段的参数 值，如图6至图9所示。
[0108] 应用当前参数值和预测参数值，可W通过仿真方式实现高级电池性能估计功能：
[0109] (1)充放电曲线预测
[0110] 能够对任意负荷情况下的电池充放电电压进行模拟，从而实现对充放电曲线的估 计与预测。DST工况下的充放电曲线预测如图6至图9所示。
[0111] (2)放电容量预测
[0112] 给定放电电流和放电电压截止点，可W依据放电曲线预测放电容量Q:
[0113] Q = Jld.化 （20)
[0114] 可W预测不同负荷条件下，电池实际可用容量的退化情况。
[0115] (3)放电功率
[0116] 给定放电电流和放电电压截止点，可W依据放电曲线预测瞬时放电功率P:
[0117] P = Id · Vceii (21)
[0118] 可W预测不同负荷条件下，电池实际功率的退化情况。
[0119] (4)放电时间
[0120] 给定放电电流和放电电压截止点，可W依据放电曲线预测放电时间tdDtd为从放电 开始时刻到电池电压开始低于放电截止电压的时长。
[0121] 基于W上数据，用户可W从能量、功率、单次时间、寿命等不同角度考察电池完成 向特定负载放电，并完成规定放电任务的能力，对其作出准确的估计和预测，从而为电池的 运行、维护提供科学的依据。
【主权项】
1. 一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，其特征在于，它包括 以下步骤： 步骤一、从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立蓄电 池的电化学模型， 步骤二、根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离散化，给定蓄电 池负荷电流，获得蓄电池输出电压， 步骤三、选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化学模型输入同 样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压^eu值等于实际测得的 蓄电池输出电压Vw1值，获得此时的蓄电池内部的参数集，从而获得实际蓄电池内部状态 的反映， 步骤四、采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤三得到的实际电 池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池的放 电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。2. 根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤一中，建立蓄电池的电化学模型为： 电解液物质守恒：式中，c为电解液浓度，Deff为有效扩散系数，F为法拉第常数，j为电流密度，ε为电解液 体积分数，a为电极的界面面积，对于正极a2 = 3_2t+，对于负极a2 = l_2t+，其中t+为氢离子的 传递数； 电解液电荷守恒：式中，Krff为有效离子电导率，rf为有效扩散电解质，Φ e为液相电势，idl为双层电容体 积平均电流； 双层电容体积平均电流idi:式中，adi为双层电容面积，Cdi为双层电容容量，为固相电势，t为时间； 电流密度的线性化B-V方程：其中，i Q为交换电流密度，crrf为参考H+浓度，aa为阳极迀移系 数，α。为阴极迀移系数，R为通用气体常数，γ为B-V方程中的指数，E为液相平均浓度，T为热 力学温度； η为过电势，.简化起见， 对CftO2进行线性化，为正极固相电势，Φ%为负极固相电势； 正极输入电流方程：式中，A为电池横截面积，L1为正极与隔膜的坐标边界； 负极输入电流方程：式中，L2为负极与隔膜的坐标边界，L为电池厚度； 边界方程：式中，Krff为有效离子电导率，/rf为有效扩散电解质系数，Drff为扩散系数。3.根据权利要求2所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤二中，根据里兹近似方法，对步骤一中的蓄电池的电化学模型进行离 散化，给定蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压的过程为： 将步骤一中公式2的电解液电荷守恒方程乘以测试函数也(1)，在整个电池区域内积分， 并应用边界条件，得到：将Φ e和c用傅里叶序列表示，得到：其中，m为1到N-I之间的整数，N为所采用傅里叶序列的阶数，^和 Φ m为傅里叶序列的系数； 将式公式11、公式12带入公式10,得到：将公式13写成矩阵形式，为：式中，为开路电势在 电压坐标上的截距，1(3眞3、1^、1((3、1^几均为系数矩阵 ； 对于步骤一中的正负极电流关系公式5和公式6,由于固相导电系数较大，认为正负极 固相电势在区域中相等，不随L而变化，因而不再与测试函数礼(4做乘法； 将公式11和公式12代入公式5,得到：移项合并同类项得：将公式11和公式12代入公式6,得到：移项合并同类项得：(公式16)， 将公式15和公式16写成矩阵形式：式中，]^、]\^、1^、1^、1(3几均为系数矩阵； 对于步骤一中公式1的电解液物质守恒方程，两边同时乘以测试函数φη(χ)，在整个电池 区域内积分，并应用边界条件，得到：将式公式11、公式12带入式公式18,得到：将式19写成矩阵形式：坐标上的截距，Mc、Kc、Kce、Kcs、B c均为系数矩阵， 将公式14、公式17和公式20在状态空间模型中组合在一起，得到：蓄电池输出电压为： V⑴=Φ Sp- Φ SIl (公式22)。4. 根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤三中，DST工况采用电池充放电测试仪模拟。5. 根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，步骤三中，选取步骤一中的蓄电池的电化学模型内的参数集初值，向电化 学模型输入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等 于实际测得的蓄电池输出电压Vw1值，获得此时的蓄电池内部的参数集的公式为：式中，X为待辨识参数集，采用实值编码，内含10个待辨识参数，S为搜索空间。6.根据权利要求1所述的一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方 法，其特征在于，采用步骤一和步骤二中的电化学模型及数值算法，采用步骤三得到的实际 电池参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，进而计算得到蓄电池的 放电容量Q、瞬时放电功率P和放电时间td的过程为： 根据公式： Q = Jld · dt (公式24)， 获得放电容量Q; 根据公式： P=Id · Vceii (公式25)， 获得瞬时放电功率P; 根据放电电流和放电电压截止点，依据放电曲线获得放电时间td，td为从放电开始时刻 到电池电压开始低于放电截止电压的时长。
【专利摘要】一种变电站UPS用阀控式密封铅酸蓄电池状态估计与预测方法，涉及设备可靠性领域。本发明是为了解决现有的对蓄电池管理的方法导致电力系统运行的可靠性差，并且对蓄电池健康状况的维护性差的问题。本发明从变电站UPS串联电池组中，选取蓄电池单体进行检测，对该蓄电池建立蓄电池的电化学模型，根据里兹近似方法，给定蓄电池负荷电流，获得蓄电池输出电压，向电化学模型输入同样的DST工况及结合遗传算法调整参数集，使得电化学模型输出电压值等于实际测得的蓄电池输出电压Vcell值，获得此时的蓄电池内部的参数集，仿真任意充放电电流Id条件下的蓄电池端电压曲线，从而完成对蓄电池状态的估计与预测。它用于对蓄电池内部状态进行预测。
【IPC分类】G01R31/36
【公开号】CN105487017
【申请号】CN201610045426
【发明人】郭志刚, 王岐, 于洪海, 吕超, 阳薇, 欧希野, 马春阳, 王锐, 刘洋, 侯木齐, 周鹏达
【申请人】国网黑龙江省电力有限公司检修公司, 国家电网公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月22日
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