脉冲负载条件下基于雨流计数法的储能电池寿命预测

亢梦婕，徐 晔，王金全，李建科，陈 凯

(解放军理工大学，江苏 南京 210007)

脉冲负载条件下基于雨流计数法的储能电池寿命预测

亢梦婕，徐 晔，王金全，李建科，陈 凯

(解放军理工大学，江苏 南京 210007)

储能电池寿命预测是储能系统研究的一个核心问题，也是研究难点。针对含脉冲负载的独立微电网，功率大范围波动条件下储能电池的选型及当储能设备处于频繁充放电状态，对其循环次数与充放电深度对储能设备寿命的影响进行研究。选择磷酸铁锂电池、铅酸蓄电池、钒液流电池三种常用能量型储能电池进行循环充放电测试，探究其充放电特性，为含脉冲负载的独立微电网储能设备选型提供参考。依照相关标准搭建含储能补偿的微电网实验平台，测得系统运行时储能设备实时荷电状态(Sate Of Charge, SOC)变化曲线，采用雨流计数法对储能电池寿命进行预测，以提高储能电池寿命预测的准确性。

微电网；脉冲负载；储能电池；雨流计数法

0 引言

随着信息技术的发展，大量电力电子开关器件应用于数字设备的开关电源，如航标灯、移动数字设备、通信基站等[1]。这类脉冲型负载作用于独立微电网时，除启动和停止对电源形成冲击作用，在其正常运行时的功率突变对电源也有反复加载与卸载的作用，会引起电流大幅变化，电压畸变严重进而影响电源输出特性，因此为含脉冲型功率负载的独立微电网配置储能系统已成为不可缺少的环节[2]。

现阶段能量型储能电池多种多样，从微电网大规模储能的角度来看，应根据电池特性结合实际工况需要进行合理选择。电池寿命是能量型储能电池的重要参数之一，其寿命长短对项目成本有直接的影响[3]，尤其在含脉冲型功率负载，储能设备处于频繁充放电的条件下，探究储能电池特性和寿命预测变得尤为重要。

因此本文首先在25℃条件下分别对磷酸铁锂电池、铅酸蓄电池、液流电池三种储能电池进行循环充放电测试，分析其电气特性，并在此基础上为含脉冲型功率负载的微电网选择适合的储能设备。将所选择的储能电池投入到微电网实验平台做进一步的实验，得到脉冲负载条件下电池SOC变化曲线。并采用雨流计数法计算电池的放电深度，然后根据电池放电深度与循环寿命的对应关系，得到电池的使用寿命[4]。

1 储能电池试测平台搭建及特性分析

现阶段常用的能量型储能设备种类繁多，为了维护微电网稳定、经济的运行，必须根据工况需要、投资预算、电池特性合理地配置储能设备。本文针对锂电池、铅酸蓄电池、钒液流电池这三种常用的储能电池进行循环充放电测试，以获取三种电池充放电特性，为微电网选取储能设备提供一些参考。

1.1 储能电池测试平台建立

测试所用磷酸铁锂电池为25 Ah，由北京国能科技有限公司生产。磷酸铁锂电池输出效率高，标准放电为2～5 C，连续高电流放电可达10 C；可深度放电，最低电压可达0 V；体积小、重量轻，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池的1/3，可快速充电，无污染。测试的铅酸蓄电池对象为200 Ah，由山东岳阳电源股份有限公司生产。铅酸蓄电池的优势在于能量密度高、成本低、技术相对成熟，在微电网中应用广泛。但铅酸蓄电池功率密度较低，通常与超级电容等储能设备配合使用。测试的钒液流电池对象为3 kW，是我校与上海神力科技有限公司联合研制的。

1.2 循环充放电测试及特性分析

磷酸铁锂电池的标称容量为25 Ah,设计电池在7.5 A、12.5 A、20 A、25 A、37.5 A、50 A、62.5 A、75 A、100 A、125 A十种电流下充放电，充电截止电压为3.65 V，放电截止电压为2.5 V。

铅酸蓄电池的标称容量为2 V 200 Ah，测试充放电电流分别为20 A、30 A、40 A、50 A、60 A、80 A、100 A，充电截止电压为2.315 V，放电截止电压为1.8 V。

钒液流电池测试电流分别为30 A、40 A、50 A、60 A、70 A、80 A,充电最大电压为53 V，充电截止电流为25 A,放电截止电压为39 V。

不同的放电电流将导致电池的端电压变化，充放电电流越大，电池内部化学反应越剧烈。由于电池总容量是固定的，电池内部化学反应时间相应降低，单位时间内电池端电压变化较大。本文分别在不同充放电电流下对电池端电压进行测试，测试结果如下。

(1)在充放电过程中，磷酸铁锂电池表现出较为明显的“平台特性”，在“平台”期间内，电池端电压变化幅度较小，而在“平台”期间外，电压变化幅值大，即在电池开始充电或将要充满时电压变化剧烈，随着充电(放电)电流的增大，电压稳定的范围减小。

(2)铅酸蓄电池容量较大，因此其充放电时间相对较长，特别是在小电流充放电时，耗时近9 h，其放电曲线较为平稳。

(3)液流电池的电压较高，充电时只记录了恒流充电部分，放电时进行了全放电测试，随着放电的进行，其放电电压逐渐较小，在放电末期，放电电压下降速度加快。

电池的电化学特性导致电池在不同的电流下总能量不同，对电池进行不同电流的充放电测试，可以得到充放电电流与电池总能量的关系。电池的充电过程分为恒流充电和恒压充电，在脉冲负载条件下，工作周期比较小，脉冲间隙的时间也相对较短，此时向电流充电可认为是恒流充电，因此本文重点关注恒流充电阶段充电电流与总能量的关系。随着电流的增大，磷酸铁锂电池、铅酸蓄电池、钒液流电池在不同充放电电流下充电能量、总充电能量、总放电能量的变化趋势如图1所示。

图1 不同充放电电流下电池充放电能量

由图1可知，随着电流的增大，充电能量均呈下降趋势。磷酸铁锂电池的恒流充电能量和放电能量基本维持不变，这是因为充电方式是恒流恒压充电，恒流充电阶段端电压持续上升直至充电截止电压3.65 V，此后转入恒压充电，直至充电电流达到截止电流0.5 A，在此过程中，充电的判断条件是端电压和充电电流，充电电流越大，活跃的锂离子数量越多，充电能量越大，但由于没有时间限制，不同倍率下充电时间足够长，能量相差很小。而铅酸蓄电池和钒液流电池则开始下降，放电电流越大，单位时间内化合物没有充分进行化学反应，电池释放总能量越少，下降幅度越大。钒液流电池的下降度最大，当充电电流达到80 A时，恒流充电能量基本为零，表明该钒液流电池最大能够接受的充电电流为80 A。

2 雨流计数法

影响电池寿命的因素是多方面的，运行温度、充电电流和充放电过程等某一环节设置不当都会使储能电池发生不必要的损耗。通常，运行温度和充电电流与散热及控制系统有关[5]，本文重点关注充放电过程中循环次数及冲放电深度对循环寿命的影响。

2.1 雨流计数法计数规则

雨流计数法又称“塔顶法”，广泛应用于工程中的疲劳寿命计算。雨流计数法根据所研究对象的应力-应变之间的非线性关系来进行计数，即利用雨流计数法确定出数据样本的一组非周期性循环[6]。

(1)雨流在试验记录的起点或每一峰值内边开始向下流动。

(2)雨流流至峰值处竖直下滴，滴落至下两个峰值之间或对面比开始时的最大值(最小值)更大(更小)的极值处。

(3)雨流一直流动，至较初始极值的绝对值更大的极值点处，并且当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时即停止流动构成一个循环。

(4)根据雨流的起点和终点，画出各个循环，将所有循环逐一去除，并记录其峰谷值。

2.2 基于雨流计数法估算电池寿命

然而在实际工况中，储能电池应用于含脉冲负载的独立微电网的功率补偿，其输出功率为非恒定功率，SOC变化曲线极不规律，无法明确地划分出电池充放电周期，因此首先需要采用雨流计数法确定出SOC变化曲线中的一系列循环周期以及每个循环周期的放电深度(每一子周期的横向峰谷距离差值)[7]。

3 微电网中储能电池循环寿命估算

3.1 磷酸铁锂电池SOC变化曲线

含脉冲型功率负载的微电网中，储能电池需要平抑由负载功率突变引起母线电压的波动，因此在系统运行过程中，储能电池处于频繁充放电状态。由上述三种储能电池特性测试可知，磷酸铁锂电池具有较高的能量密度，体积小，循环寿命长，且安全性高，因此选取磷酸铁锂电池做脉冲负载条件下独立直流微电网储能装置[8]。

为了准确地预测处于频繁充放电条件下的储能电池循环寿命，进行柴油机带峰值功率为30 kW、周期为56 ms、占空比为40%的脉冲负载实验，选择42 V磷酸铁锂电池做储能电池，实验测得锂电池实时SOC变化曲线如图2所示。

图2 磷酸铁锂电池SOC变化曲线

3.2 雨流计数法计算电池放电深度及电池寿命

雨流计数法的程序设计中包括数据压缩和循环数提取两个环节。数据压缩由峰谷值的提取和无效幅值去除两个步骤组成，通过数据压缩可以将原始数据处理成便于循环数提取的数组；循环数提取包括一次雨流计数、对接和二次雨流计数，以实现波形的简化、特征值提取[9]。由于磷酸铁锂电池SOC曲线波动较大，且峰值较多，因此本文利用MATLAB编程实现SOC变化曲线的雨流处理，设原始数据为W(t)，处理得到的数组为R(t)，两个数组元素的编号分别为i、j，程序流程图如图3所示。

图3 程序设计流程图

通过雨流计数法对脉冲负载下储能电池SOC-t非线性变化曲线进行去除等值数、提取曲线的峰谷值处理，处理结果如图4(a)所示，在数据压缩基础上提取循环周期，图4(b)即为电池SOC变化曲线计算所得4个全周期和5个半周期，各周期的放电深度如表1所示。

图4 雨流处理结果

周期序号1半周期2半周期3周期4周期放电深度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阶函数法对某型号磷酸铁锂电池的循环次数与充放电深度数据进行拟合，可得如式(1)所示的四阶函数[10]：

其中Ret为储能电池循环次数。已知可通过雨流计数法将储能电池一天的工作运行划分为n次充放电循环周期，放电深度分别为DOD1，DOD2，…，DODn，其中第i次放电深度可得最大循环次数Ret1(DODi)，假设电池在运行周期内可进行N次循环，则定义运行周期内电池寿命为：

T=1/365·Ret

式中T表示储能电池寿命，以1/Ret1(DODi)表征储能电池第i次完整循环的耗损，L为储能电池运行周期内的损耗。通过电池寿命T和寿命损耗L可以计算当前电池使用寿命，或用于预测电池寿命。

4 结论

储能电池运行过程中循环次数及冲放电深度是影响电池寿命的主要因素之一。为准确地预测脉冲负载条件下储能电池寿命，本文搭建了磷酸铁锂电池、铅酸蓄电池、钒液流电池的实验测试平台，了解各电池特性，选取适合脉冲负载条件下的储能设备。通过模拟微电网实验测得储能电池工作中SOC曲线，进而基于雨流计数法，采用MATLAB编程确定其循环周期，得到放电深度。根据定义的电池损耗、电池寿命计算公式实现储能电池的寿命预测。主要结论如下：

(1)在充放电过程中，磷酸铁锂电池表现出明显的“平台特性”，在恒流恒压充电中，其充电能量和放电能量基本维持不变。

(2)独立微电网带脉冲负载时，储能电池处于频繁充放电状态，实时SOC曲线变化频繁，雨流计数法可以有效地进行数据压缩和循环数提取，能够缩短数据处理时间，为研究带来方便。

(3)通过雨流计数法可以确定储能电池工作中的循环周期，并计算其放电深度。带入放电深度与循环次数的四次函数拟合式，得到某一放电深度下的循环次数。综合考虑运行周期内储能设备放电深度与循环次数，定义出储能电池寿命、损耗计算公式。

[1] 鲁宗相,王彩霞,闵勇,等. 微电网研究综述[J]. 电力系统自动化,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,吴建锋,朱承治,等.具备荷电状态调节功能的储能系统实时平滑控制策略[J].中国电机工程学报,2013,33(1): 22-29.

[4] 韩晓娟,程成,籍天明，等.计及电池使用寿命的混合储能系统容量优化配置模型[J].中国电机工程学报,2013,33(34):91-99.

[5] 杨红艳,邓卫,裴玮，等．计及电池储能寿命影响的微电网日前调度优化[J]．电工技术学报，2015，30(22):172-181.

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[8] 季国栋,王文理.蓄电池剩余容量检测系统设计[J].微型机与应用,2015,38(3),38-42.

[9] 董乐义,罗俊．雨流计数法及其在程序中的具体实现[J].计算机技术与应用,2004,24(3),38-41.

[10] 沈玉明,胡博,谢开贵，等.计及储能寿命损耗的孤立微电网最优经济运行[J].电网技术,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

亢梦婕，徐晔，王金全，等.脉冲负载条件下基于雨流计数法的储能电池寿命预测[J].微型机与应用，2017,36(16)：84-87,91.

2017-02-22)

亢梦婕(1993-)，女，硕士，主要研究方向：含脉冲负载的独立直流微电网混合储能容量配置。

徐晔(1964-)，女，硕士，硕士生导师，主要研究方向：新能源发电与智能微电网。

王金全(1964-)，男，博士，博士生导师，主要研究方向：新能源发电与智能微电网。