储能电池内部温度-阻抗模值估算方法研究与应用

作     者：秦世超 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高金峰

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：储能电站 锂离子电池 阻抗模值 内部温度估算 在线应用 

摘      要：锂离子电池由于循环性能好、比能量高等优点成为了电网储能的首选。近年来电化学储能电站火灾事件频发,原因之一是个别单体电池工作异常,导致内部温度瞬时升高引发热失控。准确获取每个单体电池内部温度,对储能电站的安全运行具有重要意义。储能电池温度检测的常用方法是将温度传感器安装在电池表面,由于热传导滞后的影响,单纯的表面温度检测不能实现电池热失控的早期预警。本文以锂离子电池交流阻抗参数与内部温度之间的映射关系为切入点,研究了一种基于阻抗模值检测的储能电池内部温度估算方法。开展的主要研究工作如下:（1）以储能电池内部温度影响因素的分析为基础,设计了电池内部温度-阻抗模值估算的实验方法。以电网储能用磷酸铁锂电池为实验对象,设计进行了以SOC和温度为控制变量的交流阻抗测量实验。通过对比分析多种交流阻抗参数与内部温度之间的相关性发现,在宽温度范围内,电池的阻抗模值与内部温度之间的关联性更强且不受SOC的影响,确定了基于阻抗模值的电网储能用锂离子电池内部温度估算实验方法。（2）储能电池阻抗模值与内部温度映射关系的建立与验证。根据实验方法获得的数据,应用类似Arrhenius的形式对阻抗模值与内部温度进行拟合,并通过对比多个频点下的拟合效果,建立了基于阻抗模值的电池内部温度估算函数表达式。同时,结合高温部分估算温度与内部温度呈现出的线性关系,建立了以估算温度为自变量,内部温度为因变量的线性函数,用来对高温部分（≥85℃）的估算温度做进一步的拟合。最后,设计进行了单点交流阻抗测量实验,对电池内部温度估计算法进行了验证。实验结果表明,在60℃及以下的温度范围内,4块电池的相对误差可以控制在6.5%以内;在60～100℃的温度范围内,4块电池的相对误差可以控制在10.5%以内。（3）估算方法的在线应用。首先,针对该温度估算方法在实际应用过程中存在的问题,对该方法进行了优化。然后,利用该方法对不同工况下的锂离子电池内部温度进行了在线检测。最终的结果表明,基于阻抗模值的储能电池内部温度估算方法具有良好的在线估算效果。