电化学储能环境适应性建模与提升研究

汇报人：方斯顿重庆大学一电气工程学院2025年11月 研究背景 电化学储能环境适应性测试平台 目录 电化学储能环境适应性机理 电化学储能环境适应性提升技术 研究团队及成果 研究背景 环境适应性定义为：在服役过程中的综合环境因素作用下实现所有预定性能和功能的能力 随着锂离子电池（LIB）广泛应用，复杂环境（如典型航运环境、、“沙戈荒”环境）下锂离子电池安全问题日益突出，驱需利用环境适应性对锂离子电池性能进行度量 存在问题2：缺乏面向锂离子电池环境适应性提升的态势感知方法 研究背景 电化学储能环境适应性测试平台 目录 电化学储能环境适应性影响机理 电化学储能环境适应性提升技术 研究团队及成果 电化学储能环境适应性测试平台 多类型环境模拟系统锂离子电池单体/模组级充放电测试系统锂离子电池电化学工作站锂离子电池电极形貌与元素分布分析平台 本平台支撑温度、湿度、振动、盐低压、沙尘等各类环境及电滥用工况下的锂离子电池劣化机理、状态估计失效分析等研究。 电化学储能环境适应性测试平台 模电型动态EIS检测装置通过微处理器系统（主频480MHz，搭载实时操作系统RTOS）控制数模转换器（DAC），能够削弱纹波影响，支持频率（0.01-10kHz）和幅值（50mA-8A）可控的正弦波激励信号的高精度生成。该装置能够实现对带载锂离子电池阻抗特性的实时采集，突破了传统静态测试只能在稳态下获取数据的局限，以准确地反映电池在充放电、温度波动、低压及沙尘扰动等动态环境工况下的电化学过程 研究背景 电化学储能环境适应性测试平台 目录 电化学储能环境适应性影响机理 电化学储能环境适应性提升技术 研究团队及成果 电化学储能环境适应性影响机理 低温环境下，有机电解质黏度增加，锂枝晶生长加速，甲化学反应速率降低，电荷转移电阻增加，失效风险增加： 高温环境下，副反应速率增加，过渡金属不可逆溶解、气体逸出、固体电解质界面膜稳定性下降，老化加速。 电化学储能环境适应性影响机理 低温对电池特性影响机理分析 ■低温充电导致锂离子在石墨层间的扩散速度变缓，促使析锂反应发生； ■析锂程度越深，电池容量衰减越快，低温充电造成的容量下降只与析锂相关■电化学阻抗谱能够捕捉该析锂影响，析锂程度的加深会导致阻抗规律变化；■结合等效电路拟合分析，电荷传递电阻及扩散阻抗与电池析锂程度正相关 电化学储能环境适应性影响机理 摇晃对电池特性影响机理分析 摇晃试验条件 摇见角：22.5°摇晃频率：0.1Hz 摇见试验场量 摇晃环境会使得电解质渗透率、离子浓度分布变化，活性材料和可用锂损失，加速电池老化。摇晃应力与高倍率电流应力耦合，导致摇晃环境下高放电倍率的LIB老化加剧。 电化学储能环境适应性影响机理 ■SOH的结果显示，摇晃环境加速了LIB的老化 循环至30圈的库伦效率发生反转，说明摇晃环境对LIB的影响是分阶段的，主要体现在老化循环的中后期■摇晃环境下的Rsei和Rct显著增大。 电化学储能环境适应性影响机理 电化学储能环境适应性影响机理 电化学储能环境适应性影响机理 当SOC维持在40%左右时，盐雾对LIB的自放电特性影响较小：当SOC=0%、100%时，盐雾对LIB的自放电特性影响较大。 1SOC=40%、60%的LIB正极表面良好SOC=0%、80%、100%的LIB，随若静置时间增加，腐蚀越发严重。 电化学储能环境适应性影响机理 ■盐雾环境更易诱发LIB自放电，使其外部电压和充放电效率显著降低： ■盐露腐蚀会腐蚀极片、削弱极耳密封性能，使得水汽与电池电解液反应，发生电池鼓包、加剧电极破裂：■在低SOC和高SOC水平下，盐雾腐蚀影响下的LIB阻抗显著增加。 电化学储能环境适应性影响机理 电滥用工况-过放对电池特性影响机理分析 第阶段：锂离子过度脱嵌，端电压迅速下降：第阶段：魔蚀电位作用下，集流体溶解，内短路形成；■第川阶段：电压上升，金属枝晶生长，内短路加剧。 电化学储能环境适应性影响机理 电化学储能环境适应性影响机理 电滥用工况-过放和振动耦合对电池特性影响机理分析 IC曲线纤伯随着循环次数的增加而减小，电池受到LLI和LAM影响IC曲线有向高压移动的趋势，电池同时受到CL影响 ■振动环境对LAM的影响最大，与电极材料的无序结构有关■振动减缓电池老化，促进了锂离子更均匀地分布在正极表面：■过放导致负极集流体（Cu）溶解并迁移到正极。 电化学诸能环境适应性影响机理 电滥用工况-参与电网频繁调控对电池特性影响机理分析 电化学储能环境适应性影响机理 研究背景 电化学储能环境适应性测试平台 目录 电化学储能环境适应性影响机理 电化学储能环境适应性提升技术 研究团队及成果 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 复杂环境下锂离子电池态势感知总框架 剖析温度、振动、湿度、盐雾对电池特性影响机理，综述现有锂离子电池模型与状态估计方法并针对当前研究的局限性，提出考虑复杂环境影响的多状态联合估计框架 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 基于EIS的宽域温度下SOC快速估计 结合P2D电化学模型，从EIS中提取适应温度变化的关键频率特征，实现宽域温度下（-20℃-25℃）的快速SOC估计。 ■仅需在特定的四个频率下进行阻抗测试，即可在不同温度下获得准确的SOC估计结果■本方法在计算成本、SOC估计精度、估计速度上均优于现有基于宽频特征、经验特征、分数阶等效电路参数特征的估计方法。 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 ■经过GADF编码的图像（二维特征）包含更丰富的老化信息，解决了摇晃条件下电池老化特征难以提取的问题■该方法可获得较高的SOH估计精度，RMSE小于4%。 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知！ 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 摇晃环境下基于PINN的SOC-SOH联合估计 物理残差：基于山+扩散的菲克第二定律Da 数据残差：考虑Li+浓度、SOH，端电压估计误差 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 摇晃环境下基于PINN的SOC-SOH联合估计 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 LIB在盐雾条件下从新电池到完全破坏包括三阶段降解过程：壳体腐蚀、电解液水解和内部短路。每个阶段的性能下降分别由导电性损失（CL)、活性物质损失（LAM）和锂库存损失（LLI）驱动 电化学储能环境适应性提升技术-态势感知 电化学储能环境适应性提升技术-功率控制 ■将可解析的电池状态模型作为知识嵌入至实时功率控制环路中，可将不同运行点的运行特性反映在功率控制环路中，以支撑功率控制器在安全约束内做出决策，以防止电池过充过放。 [11多预源，孔精线，刘评方斯额，车添，厚冠实，累端金，部的诺能系说权点-预率缺合控制方进[01]中国电机工程学技，2025.1-15 电化学储能环境适应性提升技术-功率控制 电化学储能环境适应性提升技术-功率控制 电化学储能环境适应性提升技术-功率控制 考虑摇晃影响的SOC-SOP-SOH估计融合功率控制方法 ■利用时间滑窗机制实现长时SOH与短时SOC-SOP分步估计完成多时间尺度估计过程与实时功率控制融合。 电化学储能环境适应性提升技术-功率控制 储能状态-功率融合控制硬件在环原型系统平台 不同SOH健康水平和SOC水平下，受状态耦合特性影响，电池SOP范围显著不同； 所提控制可防止电池功率频繁越限运行，并实现不同应用场景下的功率缺额快速补偿。 研究背景 电化学储能环境适应性测试平台 目录 电化学储能环境适应性影响机理 电化学储能环境适应性提升技术 研究团队及成果 承担项目 国家科技重大专项（智能电网2030）一一适应电力市场的多类型储能协同调控关键技术 课题5：适应电力市场的省级大规模多类型新型储能协同调度系统示范 包括：提出复杂工况下的多类型储能电站全寿命周期调控能力精准刻画方法：提出多类型储能电站多维价值及调节成本综合评价方法，储能价值评价场景不少于7种（调峰、调频、爬坡、容量、备用、惯量、调压）： 研究内容 承担项目 课题重点解决海洋环境下电化学储能系统“状态-功率”跨时间尺度高效融合控制的科学问题，包括：海洋环境研究内容下的锂离子电池储能系统时变特性精准评估、多维状态估计与实时功率控制的跨时间尺度高效融合、多航运场景的储能系统环境适应性提升与检验。 承担项目 研究内容 提升储能系统的海洋环境适应性（状态精准感知、耐久性提升） 课题旨在揭示温度、振动、湿度和盐雾等复杂海洋环境下的储能性能演化机理，构建嵌入电化学机理的储能单体高精度性能演化机理模型与系统级轻量化数值仿真模型，提出融合时变功率可行域的储能系统功率控制方法。 承担项目 中国-匈牙利联合创新基金一计及交通场景特性的电动汽车储能建模与功率控制方法 量锂离子单体电池模型构理 支持电池组在高/低温、振动/摇晃、短时过放等条件下的运行：实现动力电池状态实时感知、安全调控可行域构建实现动力电池功率的自适应实时控制。 开发电池健康管理系统可视化平台平台，提升车辆的安全性与可靠性 包括：开发电池健康管理系统可视化平台，开发一套集极端环境的时变场景构建模块、电池性能评估分析模块、功率自适应控制策路设计方案于一体的软件。 研究内容 承担项目 中车重庆智慧轨道交通技术有限公司一复杂轨道交通环境下车辆动力电池状态感知与预警技术研究 研究复杂轨道交通运行环境（如高温、低温、振动）下车辆动力电池性能演变规律和建模技术，提升模型在复杂轨道交通运行环境下的适应性：构建融合轨道车辆动力电池多维状态特征的动力电池安全风险评估指标体系，实现轨道车辆动力电池安全态势感知与实时预警 包括：轨道车辆动力电池复杂轨道交通环境下主导影响因子集合构建：复杂轨道交通环境下车辆动力电池状态实时状态感知和预警技术。 研究内容 承担项目 针对电动汽车典型充放电场景特征工况，分析复杂环境特征对锂离子电池特性影响机理，基于实测数据与参数辨识方法，构建融合等效电路模型和数据驱动模型的动力电池数值仿真模型，反演出复杂环境下的动力电池循环老化数据，支撑复杂环境对动力电池状态耦合特性的全面分析。 承担项目 江西省电力建设有限公司一兆瓦级锌铁液流电池储能关键技术开发及产业化 日照200MW平价光伏配储项目示范 示范工程旨在验证兆瓦级锌铁液流电池储能系统工程化应用的可行性，实现锌铁液流电池储能系统的大规模应用和最优应用场景选择，并能够根据不同应用场景，选择最优的系统配置方案。 以兆瓦级锌铁液流电池储能系统为依托，通过研究锌铁液流电池储能系统各单元模块间的电压均衡、最佳经济性运行模式，以及源、网、荷、储 研究内容 承担项目 项目通过构建“机理-模型感知-预警”全链条技术体系，显著提升储能系统运行安全性与电网调节可靠性。 研究成果可应用于储能电站实时安全监控，并针对典型故障场景中的电特征信号实现对储能电池连接异常、绝缘失效等安全风险评价与分级安全预警。 基于LIB在多场景下的性能劣化机理，构建标准化电滥用工况集：构建“单体-模组-系统”电热气特征映射及物理-数据双驱动模型：融合多源数据构建评估框架，分层建立评估指标，实现安全风险评估与预警：研发检测装置，优化BMS架构，设计安全态势感知与预警系统，为电网调控下的安全风险防控提供支撑 承担项目 重庆市电力公司经济技术研究院一虚拟电厂市场化交易规则技术研究 风光储充一体化目优化运行策略规划软件 项目从不同类型资源参与虚拟电厂参与市场化交易机制研究：分析分布式新能源、分布式燃机以及可调节负荷的绿电碳排耦合关系：进一步探索适应不同资源、不同维度的虚拟电厂市场化交易规则等三个方面开展研究。 承担项目 研究目标项目国绕混合储能优选方案下的虚拟物理模型与信息模型建模、基于模翻控制动态调整的优化控