储能系统电池管理，SOC与SOH协同估计及一致性评价

汇报人：孙向东 西安理工大学电气工程学院 2026年4月11日 目录 诸能系统电池管理概述 锂离子电池等效电路模型 电池等效电路模型参数估计 SOC与SOH多时间尺度协同估计 锂离子电池一致性评价 总结 一、储能系统电池管理概述 ·锂离子脱嵌（充电）、重新嵌入（放电），在正负极间来回摇摆，电子在外电路同步流动，形成电流 正极反应：负极反应：充电充电xLit + xe +6CLiCLiFePO, Li,FePO,+ xLit + xe放电放电总反应式：LiFePO,+CLi,FePO, +LiC 负极表面界面膜SEI（Solid ElectrolyteInterface）：锂离子电池首次充放电过程中，电解液在负极石墨表面发生还原反应形成的钝化层。SEI膜允许锂离子通过但阻挡电子，防止电解液持续分解，防正溶剂共嵌，保护负极 正极电解质界面膜CEI（CathodeElectrolyte Interface）：防止正极与电解液直接接触，减少过渡金属溶出和电解液氧化分解 一、储能系统电池管理概述 BMS是电池组最核心的“智能管家”与“安全卫士”，实时监测电池的电压、电流、温度、荷电状态、健康状态等，安全阈值判断、趋势分析，及时发现电池过充、过放、过热、短路等异常情况迅速采取切断充放电回路、启动散热系统、启动电池均衡等主动保护措施，有效避免电池热失控和起火爆炸等安全事故，是保障电池高效、安全、长寿命运行的关键 一、储能系统电池管理概述 1、荷电状态（SOC）：当前电池剩余容量占比SOC=当前剩余容量/充满电时可用容量，实时动态变化 2、放电深度（DOD）：电池已放出的容量占充满电时可用容量的比例 浅充浅放：#像弹簧在平衡位置附近小幅度振荡，疲劳慢。深充深放：像弹簧被大幅度拉伸压缩，易老化 ·DOD常用于评估循环寿命，通常DOD越大，电池老化越快浅充浅放会显著延长锂电池循环寿命！ 一、储能系统电池管理概述 3、健康状态（SOH）反映了电池的老化程度电池当前最大可用容量或内阻相对于新电池的衰减程度，SOH=在标准条件下充满电时最大可用容量/标称额定容量，衰减缓慢。 ·锂电池全生命周期管理的核心指标，判断电池的健康状态，为电池的使用、维护梯次利用提供科学依据 4、充放电倍率指电池相对于其额定容量进行充放电的电流大小，C=充放电电流（A)/额定容量量（Ah）。1C表示1小时完全充满或放完的电流 ，高倍率充放电虽然快，但会加剧锂枝晶析出风险，影响安全，并加速电池容量衰减 ·充电倍率受限于负极嵌锂速度，放电倍率受限于正极脱锂及发热情况，动力电池的放电倍率通常远高于充电倍率 一、储能系统电池管理概述 5、功率状态（SOP）指在当前状态下，电池持续一定时间所能提供的最大峰值放电功率，以及能吸收的最大峰值充电功率 其核心作用是通过功率边界管理，在安全与性能间取得平衡： ·防正析锂与过充：在低温或低电量时，严格限制充电功率，避免负极析锂引发安全隐患；在高电量时限制回馈功率，防止电压过充 保障大功率输出：大功率扰动时，根据当前SOP边界控制放电功率，防正因超限导致电压骤降引发系统关断，能在安全范围内释放最大功率。 ·寿命与热管理：实时调节功率防止电池过热或过度极化，延缓老化；同时将可用功率上报监控系统，用于功率双向流动的策略优化 6、开路电压（OCV）指电池在静置足够长时间后，在无负载状态下的端电压。利用不同温度下的SOC-OCV特性曲线是估算SOC的主要方法之一。 7、终止电压（Cut-OffVoltage）分为充电终止电压和放电终止电压，即电池不能继续充电或放电的电压，在终止电压下再继续充电或放电对电池的寿命影响很大 8、内阻一般由欧姆内阻、极化内阻和扩散内阻组成 欧姆内阻：材料固有电阻+接触电阻，路太窄，锂离子不好游走 极化内阻：电荷转移阻抗，锂离子翻墙进入电极太难，电化学反应阻力。 扩散内阻：固相扩散阻力，浓差极化阻抗，锂离子排队太长 影响内阻的三大外部因素 ·低温下电解液粘度增加，锂离子游得慢，电导率下降，温度每降10℃，内阻增加15-20%。 ，低SOC时锂离子不够用，扩散驱动力下降，内阻增加 ·相同条件下，新电池内部通道畅通，内阻小；旧电池内部通道拥堵，内阻变大。当内阻翻倍时意味着电池老化 一、储能系统电池管理概述 9、三阶段充电 (1)涓流充电(低压预充过程） 当电池电压低于放电终止电压，充电器会以0.1C电流缓慢充电，防止大电流损伤极片，逐步恢复电池活性 (2）恒流充电阶段 电压升至一定电压（如2.5V）后，充电器切换至恒定电流（如0.5C-1C），电池电压随锂离子嵌入负极而快速上升。此时充电效率最高。恒流阶段约占80%电量。 (3)恒压充电阶段 当电压达到4.2V（三元锂）或3.65V（磷酸铁锂）时，充电器转为恒压模式，电流逐渐减小，确保电池充满，同时避免过充导致电解液分解。恒压阶段约占20%电量 一、储能系统电池管理概述 先恒流、后恒压充电，为什么不能一直恒流充电？ 一直恒流充电，逼迫电池产生过充问题，锂离子过多，层间爆满，产生负极表面析锂现象，长出树根状锂枝晶，易引发短路， ·一直恒流充电时，电池内阻会有所增加，导致发热严重 ·由恒流充电转为恒压充电阶段时，充电电流自动下降，给锂离子“有序入位提供时间，使得锂离子慢慢“找位置”嵌入，不会撑爆负极， 一直恒流充电一过充+析锂+发热问题 一、储能系统电池管理概述 为什么一开始不能直接恒压充电？ ·初始瞬间电流极大，电池极化严重，电池内部发热骤升，SEI膜易损伤。 ·离子扩散速度是充电速度的天花板，正极附近锂离子浓度高，负极附近锂离子浓度低，锂离子来不及扩散，实际电压虚高，导致充不满现象 ·引入恒流充电阶段，锂离子有足够时间进行扩散，让锂离子有序嵌入快速给电池补电。 一、储能系统电池管理概述 10、三阶段放电 （1）初始快速下降阶段 ·放电初期，电压从开路电压迅速下降至平台区，这是由于极化效应和内阻压降导致。放电倍率越大，电压下降越快。 (2）放电平台区 电压进入缓慢下降阶段，持续时间长短取决于放电倍率， ·低倍率：平台区电压高（如3.8V），续航时间长 ·高倍率：平台区电压低（如3.6V），续航时间短 (3）下降区与截止区 ·当电量接近耗尽（如剩余5%），电压会急剧下降至截止电压（如2.5V），此时继续放电会损伤电池。 一、储能系统电池管理概述 11、电池管理系统(BMS)作用 (1）实时监控，精准估计剩余电量（SOC）与健康度（SOH) ·BMS通过高精度电压、电流传感器实时采集每个电芯的电压、温度、充放电电流等数据。在冬季快充时，BMS可动态评估电芯温度与荷电状态，防止因低温导致锂析出引发短路 (2）控制好充放电倍率，必须在安全区间内 ·高倍率下务必确保散热良好。高温会大幅降低充电接受能力，高热是电池寿命的第一杀手只要电芯表面温度超过45℃（充电）或60℃（放电），应立即降低倍率或停止工作 ·在高倍率充放电时出现严重发烫、鼓包或电压骤降，应立即停止使用。绝大多数锂电池热失控发生在充电阶段 ·将充电倍率控制在0.5C-1C是兼顾效率与安全的黄金法则 一、储能系统电池管理概述 （3）热管理控制，稳住温度边界 ·锂电池怕冷也怕热，温度太高会起火，温度太低会停摆。锂电池的最优温度区间通常是：充电0-45℃，放电20-60℃。BMS要求电池内置温度传感器，实时上报温度，一旦超出范围立即停机 ·当电池组温度超过值时，BMS触发冷却系统（如液冷循环）；温度低于0℃时，限制快充以防止锂枝晶生长单体过充可能引发热失控 ·高温会加速电解液分解（引发热失控），低温则导致内阻升高、容量骤降。BMS实现恒温运行，延长电池寿命 4）电芯均衡管理，保持电芯一致性 ·由于电芯制造差异或老化不均，各单体电压会出现偏差。BMS通过主动或被动均衡技术，将高电压电芯能量转移至低电压单元，保持一致性。 ·被动均衡：通过电阻耗能降压，成本低，但效率低。主动均衡：通过电容或电感转移能量，效率高，但结构复杂 ·避免木桶效应：一个弱电芯拖累整组性能，甚至引发过放损坏。电芯的电压、容量、内阻必须差不多，才能让电池组发挥最大性能 一、储能系统电池管理概述 （5）安全保护机制，必须有明确的过充过放边界 BMS实现多重安全防护： ·过充/过放保护：切断充电或放电回路。BMS要求电池必须明确充电上限电压和放电下限电压，一旦触碰就立刻断电。三元锂电池的充电上限是4.2V，放电下限是2.5V；磷酸铁锂电池充电上限是3.65V和放电下限2.0V。过充会让电池鼓包、漏液，甚至起火；过放会导致电池容量永久损失 ·过流/短路保护：毫秒级响应异常大电流或内部短路。 ·绝缘监测：检测高压系统对设备的绝缘电阻 （6）全生命周期数据可追溯 ·电池的健康病历，记录全生命周期数据：每次充放电的电流、电压、温度，有没有出现过异常，比如电压突变、温度骤升等。 一、储能系统电池管理概述 1建立电池模型 2）估计模型参数 3)电池状态(SOC、SOH)估计 4)一致性评价 目录 诸能系统电池管理概述 锂离子电池等效电路模型 电池等效电路模型参数估计 SOC与SOH多时间尺度协同估计 锂离子电池一致性评价 总结 二、锂离子电池等效电路模型 1锂离子电池模型分类 黑箱模型 电化学模型 基于对电池内发生过程的描述被用来解释电极与电解质相互作用时发生的电化学现象 直接建构映射关系，不考虑系统内部运作机理 优点：函数选择灵活，精度高 优点：精确描述电池动态特性 缺点：参数脱离实际物理意义，计算量大。 缺点：模型复杂且难以求解 频域阻抗模型 等效电路模型 结合电极动力学原理，采用基于电子运动理论的电极等效电路得到了频域交流等效阻抗模型 利用电路元件进行组合描述电池外部电压特性 优点：精确获得电池的阻抗特性 优点：模型构造灵活，精度高 缺点：精度越高，模型越复杂 缺点:需要专业仪器且拟合网络，通常较为复杂 2锂离子电池的典型等效电路模型 （1）整数阶电路模型 (a)Rint模型(内阻模型)·理想电压源和电阻串联优点：模型简单。缺点：未考虑电池内部状态，模型精度低 (b)Thevenin模型 ·Re和Ce分别模拟了电池的极化效应和充放电时的暂态响应。优点：模型简单，参数较少，考虑动态性能，能U够在一定程度上反映出电池的非线性特征。缺点：精度一般，不能全面反映电池的内部极化反应和动态特性。 (C) PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicle)模型 ·在考虑电池动态响应基础上，增加电容Ca用来反映电池在充放电期间由于电流的累积效应而引起得开路电压(OCV)变化。优点：考虑动态性能和非线性效应，精度高于Thevenin模型缺点：随着时间的累积，该模型串联的电容C,两端电压会越来越大，模型精度会随之降低 (d)n阶RC模型 ·n阶RC网络用来模拟电池的瞬态特性和欧姆极化特性，其准确度随着电路模型中RC阶数的增加而提高 优点：精度高，瞬态响应匹配能力强 缺点：随着n增加，复杂度和计算量增大。 (2）分数阶电路模型／ ·引入恒相位元件（Constant PhaseElement，CPE)来描述非理想条件下的Warburg阻抗和容抗弧，很好拟合了锂离子电池的电化学阻抗谱（EIS）曲线。 优点：含有n个恒相位元件的模型精度高于n阶RC模型精度，瞬态响应匹配能力更强缺点：复杂度和计算量更大。 恒相位元件指具有恒定相位特性的电路元件，其阻抗特性在特定频率范围内保持相位恒定。实际应用中，双电层电容的频域响应常表现出类似恒相位元件的非理想特性 1Z.C.(jo)C为常数，指数a为CPE的阶数，a<1.0。 锂离子电池的电化学阻抗谱3 不同工况条件下锂电池阻抗谱略