一种基于多物理证据帧的锌空气电池气液电协同控制方法

本发明涉及锌空气电池控制的，尤其是涉及一种基于多物理证据帧的锌空气电池气液电协同控制方法。

背景技术：

1、锌空气电池利用锌电极和空气电极之间的电化学反应输出电能，具有理论能量密度高、安全性较好、材料来源相对丰富等特点，可用于备用电源、储能系统、特种电源和可穿戴或便携式电源等场景。对于可充锌空气电池或锌空气电池组而言，系统通常配置空气供应、电解液循环、补排液、空气电极湿度管理、充放电控制和三电极切换等部件。

2、与锂离子电池等常见二次电池相比，锌空气电池的运行状态不只由电压、电流和温度决定，还明显受气路、电解液和空气电极状态影响。例如，放电时空气供给不足会引起电压下跌；空气电极过湿可能出现水淹，过干又可能使极化增大；空气中的二氧化碳可能引起碳酸盐积累并影响空气通道或电解液状态；锌电极在充放电过程中还可能出现钝化、沉积不均或枝晶风险。上述问题往往相互耦合，单看端电压并不容易分辨真实原因。

3、现有电池管理方案中，常见做法是监测电压、电流和温度，再估算荷电状态或健康状态；也有方案会根据压力、电压或容量阈值控制空气供应、电解液或相关阀门的启停。这些方法对一般电池或简单运行场景具有一定作用，但用于锌空气电池时仍存在不足。

4、第一，锌空气电池的放电电压平台较平坦，单纯依赖电压或阻抗估算荷电状态，难以解释气路堵塞、空气电极水淹、空气供给不足和锌电极钝化等具体失稳原因。

5、第二，气路、电解液和充放电控制之间存在相互影响。提高空气供应量可能缓解空气供给不足，但在某些湿度条件下也可能加剧空气电极干涸；提高电解液循环量可能改善浓度分布，但也可能带来气液夹带、液位波动或温度变化；提高充电电流可能缩短充电时间，但也会增加枝晶或析氢风险。

6、第三，已有阈值控制往往只回答“某个泵或阀是否开启”，不能充分回答“当前到底是哪一种锌空失稳模式”“不同执行器是否应当同时动”“动作幅度是否安全”“执行后是否真正恢复”。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于多物理证据帧的锌空气电池气液电协同控制方法，解决现有技术中锌空气电池状态判断只看单一电信号、气路和电解液控制割裂、阈值启停难以解释失稳原因、控制动作缺少边界约束以及执行效果难以回写的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于多物理证据帧的锌空气电池气液电协同控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，在对应的采样窗口中，采集目标锌空气电池的电信号、气路信号、电解液信号、热信号和执行器状态，构建锌空状态证据帧；

4、步骤s2，基于锌空状态证据帧，采用窗口同步特征提取与证据质量权重计算方法提取目标锌空气电池对应的阻抗特征、气路压降特征、空气供给响应特征、电解液浓度代理特征和极化特征；

5、步骤s3，根据所述阻抗特征、气路压降特征、空气供给响应特征、电解液浓度代理特征和极化特征生成失稳模式向量，失稳模式向量至少包括空气供给不足、空气电极水淹、空气电极干涸、碳酸盐堵塞、锌电极钝化和枝晶风险中的两种以上；

6、步骤s4，依据失稳模式向量和当前充放电工况，对应生成气液电耦合约束；

7、步骤s5，依据所述气液电耦合约束确定每个执行器的允许控制区间，形成控制守门带；

8、步骤s6，在控制守门带的限定内，形成协同执行指令并下发给相应执行器进行执行；

9、步骤s7，在执行后的观察窗口内采集运行回执，并根据端电压、阻抗、气路压降、电解液参数或效率变化更新失稳模式识别参数或控制守门带，并记录动作后是否恢复、是否越界以及是否需要人工接管。

10、优选的，步骤s1中，所述电信号包括但不限于单体或模块电压、电流、充放电状态、开路电压估计值和阻抗测量结果；所述气路信号包括但不限于空气通道压差、空气流量、二氧化碳浓度、湿度、露点、氧浓度检测值或富氧空气供给状态；所述电解液信号包括但不限于电解液温度、电导率、ph、液位、循环泵状态、补液状态、排液状态或浊度；所述热信号包括但不限于电池单体温度、模块温度、气路温度或电解液温度，将锌空状态证据帧按照同一采样窗口记录电信号、气路信号、电解液信号、热信号和执行器状态，并记录传感器有效性标记和采样窗口内稳定程度参数；对应在采样窗口内，控制器构建锌空状态证据帧如下：

11、；

12、上式中，表示电信号集合，包括电压、电流、充放电状态和阻抗信息；表示气路信号集合，包括空气通道压差、空气流量、二氧化碳浓度、湿度、露点，以及根据电池设置的氧浓度或富氧空气供给状态；表示电解液信号集合，包括电导率、ph、液位、温度、泵状态、补排液状态和浊度；表示热信号集合，包括单体温度、模块温度、气路温度和电解液温度；表示执行器状态集合，包括泵、阀、风机、空气电极湿度调节单元、充放电控制器和三电极切换单元的状态；表示传感器有效性标记，包括缺测标记、漂移标记、突变标记和矛盾标记。

13、优选的，所述步骤s2的过程如下：对应从提取用于识别失稳模式的工程特征包括：阻抗特征，包括高频阻抗、低频阻抗、阻抗变化率和阻抗在休止窗口内的恢复情况；气路压降特征，包括空气通道压差、空气流量与压差之间的关系、压差随时间变化趋势；空气供给响应特征，包括空气流量、空气通道压差、负载变化后的端电压响应，以及氧浓度或富氧空气供给状态；电解液浓度代理特征，包括电导率、ph、液位、温度和补排液状态；极化特征，包括放电电压下跌幅度、充电过电位、负载阶跃响应和温升；执行器响应特征，包括泵速变化后流量是否跟随、阀门动作后气路压降或流量是否变化、风机动作后压差是否恢复；从锌空状态证据帧到工程特征的计算公式为：

14、；

15、其中，为第k个窗口对应的同步采样窗口，为第m类信号来源对应的窗口同步特征提取函数，包括幅值、变化率、恢复量、一致性和异常标记；为了避免错误传感器带来错误动作，设置证据质量权重用于限定参与后续失稳模式识别时的可信程度，对应生成证据质量权重的公式如下：

16、；

17、上式中，m表示某一类信号来源，包括电信号、气路信号、电解液信号或热信号；表示该来源的传感器有效性，缺测或漂移时降低；表示该来源在采样窗口内的稳定程度，突变过大或者与相邻传感器矛盾时降低；clip表示把输出结果范围设置在0到1之间；当传感器为缺测、漂移、突变或互相矛盾时，降低对应信号来源在后续失稳模式识别中的权重，并禁止仅依据该异常信号直接扩大执行器动作。

18、优选的，所述步骤s3中，依据步骤s2提取的工程特征，生成失稳模式向量如下：

19、；

20、上式中，表示空气供给不足风险，表示空气电极水淹风险，表示空气电极干涸风险，表示碳酸盐堵塞或碳酸盐积累风险，表示锌电极钝化风险，表示枝晶风险，表示传感器异常风险，上述分量依据步骤s2得到的工程特征及其证据质量权重，对第h类失稳模式进行加权识别，公式如下：

21、；

22、上式中，h表示空气供给不足、水淹、干涸、碳酸盐堵塞、锌电极钝化、枝晶或传感器异常中的一种模式，为规则模型、状态估计模型、查表模型、分类模型的一种或组合，state(k)表示当前充放电工况。

23、优选的，步骤s3中，对应不同风险的识别方式为，空气供给不足风险根据负载上升后的端电压下降、空气流量不足、气路压降异常，或在富氧空气供给或封闭式空气通道实施方式中氧浓度下降识别；空气电极水淹风险根据气路压降上升、端电压波动、高频阻抗变化和湿度或露点异常识别；空气电极干涸风险根据湿度降低、极化增大、温升异常和电压恢复迟缓识别；碳酸盐堵塞风险或碳酸盐积累风险根据二氧化碳暴露量、电解液电导率变化、气路压降变化和历史运行时长识别；锌电极钝化风险根据低频阻抗上升、充电或放电过电位增大、电解液浓度代理特征异常和容量恢复不足识别；枝晶风险根据充电电流密度、低频阻抗变化、充电过电位突变、温升、电解液状态和历史循环次数识别。

24、优选的，所述步骤s4中，根据和当前充放电工况生成气液电耦合约束，气液电耦合约束至少包括：

25、（1）当空气供给不足风险较高时，提高空气供应量，但若空气电极干涸风险同时较高，则需要限制干燥气流增加幅度，或者先执行空气电极湿度补偿；

26、（2）当空气电极水淹风险较高时，执行短时增流、排液、降低电解液供给或休止恢复，但不得使空气电极侧反应所需空气供给量低于放电下限；

27、（3）当碳酸盐堵塞风险较高时，执行二氧化碳吸收旁路、气路再生、保守降载或维护提示，但不得只通过提高风机转速长期硬顶压降；

28、（4）当锌电极钝化风险较高时，执行电池的休止、电解液增流、换液或低倍率恢复，但不得直接提高充电电流试图快速恢复容量；

29、（5）当枝晶风险较高时，执行降流、脉冲充电、休止或电解液循环增强，但不得越过充电电流密度和温升边界；

30、依据上述风险，气液电耦合约束的公式如下：

31、

32、上式中，表示气路边界，包含空气流量、空气通道压差、二氧化碳、湿度和压降限制，并包含富氧空气供给实施方式下的氧浓度限制；表示电解液边界，包含液位、电导率、ph、温度和泵速限制；表示电控制边界，包含充放电电流、电压、休止时间和三电极切换时刻限制；表示人工授权、保护联锁和保守模式边界。

33、优选的，所述步骤s5中，生成控制守门带的过程如下：

34、对于调控电池运行的执行器，包括循环泵、空气阀、风机、空气电极湿度调节单元、补液阀、排液阀、充放电控制器或三电极切换单元；在电池处于富氧空气供给或封闭式空气通道的实施中，执行器还包括富氧空气供给执行件，对于任一执行器，对应的控制守门带的公式如下：

35、；

36、上式中，和分别表示执行器硬件下限和上限；表示上一窗口的执行量；和表示相邻窗口允许降低或提高的最大变化量；和表示由给出的当前化学、电气或气液边界；

37、控制守门带设置硬件安全上下限、相邻控制周期最大变化量、电化学风险边界、气路风险边界、电解液风险边界和人工授权边界；当失稳模式向量显示传感器异常、执行器异常、气路堵塞严重或电解液状态不可信时，控制守门带将对应执行器收缩到保守控制区间；对于任一执行器，允许控制区间由执行器硬件上下限、相邻控制周期最大变化量以及气液电耦合约束给出的当前边界共同限定。

38、优选的，步骤s6中，形成协同执行指令的过程如下：

39、协同执行指令包括目标执行器、目标变化方向、目标变化幅度、最晚执行时刻、有效观察窗口、回退条件和原因码；控制器在控制守门带的限定下，根据当前主要失稳模式的改善代价、副作用代价以及能耗或效率代价选择协同执行指令对应的控制向量，表示第个控制窗口实际选中的控制向量，u表示候选控制向量，计算候选动作的综合代价如下：

40、；

41、上式中，表示在第k个控制窗口对候选控制向量u计算综合代价；表示对当前主要失稳模式的改善代价，代价越低表示越有利于恢复；表示副作用代价，包括干涸、水淹、枝晶、温升或液位越界风险；表示能耗或效率代价；控制器从中选择综合代价较低或最低、且满足人工确认条件的控制向量，候选动作集合表示为：

42、；

43、来源于预置动作模板、规则表、模型预测控制候选序列、维护策略库或人工授权动作中的至少一种；控制器的公式为：

44、；

45、选择满足控制守门带和人工确认条件的候选控制向量，并将封装形成aci(k)。

46、优选的，所述步骤s7用于判断协同执行指令的执行效果，对应的公式如下：

47、；

48、上式中，表示端电压恢复量；表示阻抗异常回落量；表示气路压降异常回落量；表示电解液状态综合指标向目标范围恢复的程度；表示执行后出现的温升、液位越界、保护触发或人工接管的风险由温升越界标记、液位越界标记、保护触发标记和人工接管标记加权得到；至为权重；按动作前后观察窗口计算、、和公式如下：

49、；

50、；

51、；

52、；

53、；

54、上式中，、ph和l分别表示电解液电导率、酸碱度和液位对应的归一化状态量，至表示电解液状态权重；

55、当达到设定范围，且气路、电解液和温度均未越界时，控制器提高当前失稳模式与对应协同执行指令之间的匹配置信度；匹配置信度为第k个控制窗口内，第h类失稳模式与对应控制向量之间的历史有效匹配程度，更新公式为：

56、；

57、其中和为置信度增减步长，为恢复评价阈值，为条件成立时取1否则取0的指示函数；当较低、出现越界或人工接管时，控制器降低该匹配置信度，收缩相关控制守门带，并记录未兑现原因。

58、优选的，当目标锌空气电池为电池组时，对应电池组设置单体或模块一致性诊断步骤：根据电池的单体电压、单体温度、单体阻抗、空气支路压差、电解液支路流量和阀门状态判断单体差异来源，并对空气支路、电解液支路、模块旁路、降载或均衡运行执行协同控制。

59、因此，本发明采用上述的一种基于多物理证据帧的锌空气电池气液电协同控制方法，具有以下好处：

60、(1).本技术将电信号、气路信号、电解液信号、热信号和执行器状态统一为锌空状态证据帧，避免只看电压、电流或单一阻抗指标造成误判。

61、(2).本技术通过失稳模式向量区分空气供给不足、空气电极水淹、空气电极干涸、碳酸盐堵塞、锌电极钝化和枝晶风险，使控制系统先判断“问题是什么”，再决定“该动哪个执行器”。

62、(3).本技术通过气液电耦合约束把气路、电解液和充放电动作放在同一边界内处理，避免单独提高空气供应、电解液循环或充电电流引发新的副作用。

63、(4).本技术通过控制守门带限制泵、阀、风机、空气电极湿度调节、补排液、充放电电流和三电极切换的允许区间，使输出动作更符合硬件安全、电化学安全和现场授权要求。

64、(5).本技术通过运行回执记录执行后的端电压、阻抗、气路压降、电解液参数和效率变化，使一次控制动作是否有效可以被验证，并能继续修正识别参数和控制守门带。

65、(6).本技术的计算处理部分不依赖某一种固定黑箱预测结构，可以用规则模型、状态估计模型、模型预测控制、查表模型或等效方式实现，重点在于锌空气电池特有证据、失稳模式、边界约束和实体执行器之间的连续闭环。下面集合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。