一种放电剩余时间的计算方法和装置与流程

1.本发明涉及供电系统技术领域，且更确切地涉及一种放电剩余时间的计算方法和装置。


背景技术：

2.供电系统就是由电源系统和输配电系统组成的产生电能并供应和输送给用电设备的系统。电力供电系统大致可分为tn，it，tt三种，其中tn系统又分为tn-c，tn-s，tn-c-s三种表现形式。其中电池（battery）是供电系统中的一种，指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。具有正极、负极之分。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。利用电池作为能量来源，可以得到具有稳定电压，稳定电流，长时间稳定供电，受外界影响很小的电流，并且电池结构简单，携带方便，充放电操作简便易行，不受外界气候和温度的影响，性能稳定可靠，在现代社会生活中的各个方面发挥有很大作用。
3.电池放电剩余时间的计算关系到供电系统能否继续进行的关键，池剩余容量表示在规定条件下使用（如放电或贮存）后电池中余留的容量。蓄电池放电时端电压的变化也分为3个阶段。在放电初始的很短时间内，端电压急剧下降，然后端电压缓慢下降，当接近放电终期时，蓄电池的端电压又在很短时间内迅速下降。当电压降到一定值(1.8v左右)时，必须停止放电，否则会导致铅蓄电池极板硫化，缩短其使用寿命。其中第二阶段维持时间大于48小时时，铅蓄电池的特性好。在实现放电剩余时间计算时，常规方法采用经验学法，当电池寿命到一定的阶段，这种经验学法很容易造成误差。


技术实现要素：

4.针对上述技术的不足，本发明公开一种放电剩余时间的计算方法和装置，能够在试验室环境下实现放电剩余时间的模拟、计算和评估，通过构建试验环境，量化分析放电剩余时间，大大提高供电系统电源放电、充电和用电能力。
5.为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：一种放电剩余时间的计算方法，其中包括：s（1）、构建试验环境，设置电池模块，将电池模块处于充电或者放电状态；在本步骤中，环境温度设置为25℃；并将锂离子电池在电解液内流动形成充电与放电状态；其中充电过程化学反应：(1)放电过程化学反应： (2)s（2）、试验室环境下通过电池充电、放电，提取电池充电或者放电的数据信息特征；
在本步骤中，通过记录电池充电或者放电时间，记录电池充电或者放电的数据信息特征，通过数学计算函数分析充电或者放电时间与整个数据容量之间的关系；s（3）、通过电池充电、放电特性，分析和显示放电电路放电数据信息；在本步骤中，通过构建电池的放电特性方程实现电池充电或者放电特性分析；s（4）、通过提取电池充电或者放电的数据信息特征，评估放电剩余时间；在本步骤中，通过soc估计算法模型实现放电剩余时间的评估。
6.作为本发明进一步的技术方案，在s（2）中，数学计算函数的构建方法为： (3)式（3）中，u
p
表示电池放电电压；i（t）表示电池放电电流；e0表示完全充电电池的标称电压；q（t）表示在时间t内输送到外部负载的电量；qm表示电池最大容量；a与b表示放电指数部分结束时的电压和电容系数；k表示极化常数。
7.作为本发明进一步的技术方案，在s（3）中，放电特性方程的构建方法为：步骤1、在恒流和恒压下对电池充电进行充电，充至90-95%的充电水平，记录下来；步骤2、放电电流i=0.5c、放电端电压u=u
min
时，记录下来；步骤3、每60秒测量一次电压、放电电流、电池单元温度和电阻器温度，测量放电时间；步骤4、计算电池的电耗、电池比能量和充电状态随时间的变化特性；步骤5、多次重复进行步骤1和步骤4；步骤6、输出分析结果。
8.一种放电剩余时间的计算方法，在s（4）中，soc估计算法模型为：（4）式（4）中，电池经过n次充放电循环后，在环境温度t下以d放电倍率的电流i进行恒流放电的容量修正值
△ct,d,n
的计算公式，其中k
t
是温度补偿系数，t
off
是温度阈值，kd是放电倍率系数，d是容量变化系数；则soc估计算法模型输出函数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（5），式（5）中，soc0表示电池充满电时间的电能容量，cn表示放电的容量，
△ct,d,n
放电的容量修正值, 表示充电率，t表示充电或者放电时间，i表示电流，当soc的值介于0和1之间时，表示电池电量的剩余时间不足10分钟，当soc的值介于1和2之间，表示电池电量的剩余时间介于10分钟和20分钟之间，当soc的值介于3和4之间，表示电池电量的剩余时间介于30分钟和40分钟之间，依次类推。
9.作为本发明进一步的技术方案，包括电池模块、放电电路、电池特性分析模块和放电时间评估模块，其中所述电池模块的输出端与放电电路的输入端连接，所述放电电路的输出端与电池特性分析模块的输入端连接，所述电池特性分析模块的输出端与放电时间评估模块的输入端连接；其中:所述电池模块用于提供放电剩余时间计算的被测物体；所述放电电路用于提供电池放电电路计算和模拟；所述电池特性分析模块用于分析和显示放电电路放电数据信息；所述放电时间评估模块用于评估放电剩余时间。
10.作为本发明进一步的技术方案，所述电池模块为铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池或者超级电容及混合电容。
11.作为本发明进一步的技术方案，所述放电电路包括电源模块、保险丝电路、继电器电路、继电器控制电路和负载，其中所述电源模块向放电电路提供工作电压和电流，所述电源模块的输出端与保险丝电路的输入端连接，所述保险丝电路的输出端与继电器电路的输入端连接，所述继电器电路通过继电器控制电路实现通断。
12.作为本发明进一步的技术方案，所述电池特性分析模块包括放电数学电池单元模型。
13.本发明有益的积极效果在于：区别于常规技术，本技术在试验时环境下构建了包括电池模块、放电电路、电池特性分析模块和放电时间评估模块的放电剩余评估模型，通过电池模块提供放电剩余时间计算的被测物体，通过放电电路提供电池放电电路计算和模拟；通过电池特性分析模块实现分析和显示放电电路放电数据信息；通过放电时间评估模块用于评估放电剩余时间。将记录的数据信息微观化表达，提高了放电剩余时间的计算能力。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：图1为本发明一种放电剩余时间的计算方法的流程示意图；图2为本发明一种放电剩余时间的计算方法中放电特性方程的构建方法示意图；图3为本发明一种放电剩余时间的计算方法中一种实施例中试验架构示意图；图4为图3中一种实施例试验的结果测量绘图；图5为本发明中一种放电剩余时间的计算装置的原理示意图；图6为本发明中一种放电剩余时间的计算装置中放电电路示意图；图7为本发明中一种放电剩余时间的计算装置中电池特性分析模块原理示意图。
具体实施方式
15.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
16.实施例1 方法如图1所示，一种放电剩余时间的计算方法，包括：s（1）、构建试验环境，设置电池模块，将电池模块处于充电或者放电状态；在本步骤中，环境温度设置为25 ℃；并将锂离子电池在电解液内流动形成充电与放电状态；其中充电过程化学反应： (1)放电过程化学反应： (2)s（2）、试验室环境下通过电池充电、放电，提取电池充电或者放电的数据信息特征；在本步骤中，通过记录电池充电或者放电时间，记录电池充电或者放电的数据信息特征，通过数学计算函数分析充电或者放电时间与整个数据容量之间的关系；s（3）、通过电池充电、放电特性，分析和显示放电电路放电数据信息；在本步骤中，通过构建电池的放电特性方程实现电池充电或者放电特性分析；s（4）、通过提取电池充电或者放电的数据信息特征，评估放电剩余时间；在本步骤中，通过soc估计算法模型实现放电剩余时间的评估。
17.在s（2）中，数学计算函数的构建方法为： (3)式（3）中，u
p
表示电池放电电压；i（t）表示电池放电电流；e0表示完全充电电池的标称电压；q（t）表示在时间t内输送到外部负载的电量；qm表示电池最大容量；a与b表示放电指数部分结束时的电压和电容系数；k表示极化常数。
18.在具体实施例中，在实验室环境中实现数据信息模拟，分别采用不同的数据温度，在经过模拟中，比如在-20℃、0℃、 25℃的空气温度下，分别记录电池的电压、电流和充电水平与放电时间的关系。在充放电循环期间，内阻是恒定的，不取决于温度和电流幅度；自放电假设为零；没有因不完全放电和充电而导致的容量损失。
19.在s（3）中，如图2所示，放电特性方程的构建方法为：步骤1、在恒流和恒压下对电池充电进行充电，充至90-95%的充电水平，记录下来；步骤2、放电电流i=0.5c、放电端电压u=u
min
时，记录下来；步骤3、每60秒测量一次电压、放电电流、电池单元温度和电阻器温度，测量放电时间；步骤4、计算电池的电耗、电池比能量和充电状态随时间的变化特性；步骤5、多次重复进行步骤1和步骤4；步骤6、输出分析结果。
20.在具体实施例中，经过每次测量后，通过风扇将电阻器强制风冷至25
°
c。根据模拟结果，发现电池单元的电压和电流值随温度降低而降低，最大电压差为2.6%，最大电流差为
1.1%，这表明所建立的电池单元位特性的概念模型的充分性，这种差异是由于额外的内部离子电阻，但不影响体现了电池的供电效能。
21.如图3所示，在具体实施例中，负极采用石墨材料，正极分别采用lfp、nca和nmc，nca和nmc电池充放电反应式与式（1）~（2）相似，该测试装置是通过li离子与电子的不断循环流动，完成电池的充放电。在电源出配置了万能电表，能够得到具体的参数数据，并通过个人计算机上的labview vi平台实现，其通过串行接口从电表接收字符串，并通过ieee-488接口控制电源。在进行多次实验中，该研究选择出特性变化差距最明显的一次实验，以不同正极材料的锂电池放电电压与电池温度为横纵坐标，为了形成对比分析，将一种形式的磷酸铁锂电池在铁路通信领域中的应用中的技术称为方案1，将另一种形式的基于安卓系统铁路通信控制终端设计中的方法称为方案2方法，通过对比，得出如表1所示的电池放电特性测试示意表：三种锂电池的放电电压随着测试温度的下降呈现下降趋势，这是因为电池环境温度降低，锂电池电解液中的li离子与电子活性降低，减缓了整个充放电循环过程，导致锂电池放电电压降低，电池的容量也同时下降。这体现了放电过程变缓的临界温度更低，电池充电、放电功能比较好。
22.在s（4）中，soc估计算法模型为：（4）式（4）中，电池经过n次充放电循环后，在环境温度t下以d放电倍率的电流i进行恒流放电的容量修正值
△ct,d,n
的计算公式，其中k
t
是温度补偿系数，t
off
是温度阈值，kd是放电倍率系数，d是容量变化系数；则soc估计算法模型输出函数为：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（5），式（5）中，soc0表示电池充满电时间的电能容量，cn表示放电的容量，
△ct,d,n
放电的容量修正值, 表示充电率，t表示充电或者放电时间，i表示电流，当soc的值介于0和1之间时，表示电池电量的剩余时间不足10分钟，当soc的值介于1和2之间，表示电池电量的剩余时间介于10分钟和20分钟之间，当soc的值介于3和4之间，表示电池电量的剩余时间介
于30分钟和40分钟之间，依次类推。
23.如图4所示，在上述实施例中，soc全称是state of charge，电池荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余可放电电量与其完全充电状态的电量的比值，常用百分数表示。其一般用一个字节也就是两位的十六进制表示（取值范围为0~100），含义是剩余电量为0%~100%，当soc=0时表示电池放电完全，当soc=100%时表示电池完全充满。充放电倍率与端电压对应关系特性。电池动态情况下，测量到的电池电压，实际上电池的端电压。在定温度和恒流状态下它们的关系还是相对稳定的，但是电池只要工开始非恒流工作就会打乱对应关系，在其他实施例中，还可以采用ah积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法和bp神经网络法。
24.实施例2 装置如图5-图7所示，一种放电剩余时间的计算装置，包括电池模块、放电电路、电池特性分析模块和放电时间评估模块，其中所述电池模块的输出端与放电电路的输入端连接，所述放电电路的输出端与电池特性分析模块的输入端连接，所述电池特性分析模块的输出端与放电时间评估模块的输入端连接；其中:所述电池模块用于提供放电剩余时间计算的被测物体；所述放电电路用于提供电池放电电路计算和模拟；所述电池特性分析模块用于分析和显示放电电路放电数据信息；所述放电时间评估模块用于评估放电剩余时间。
25.在上述实施例中，所述电池模块为铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池或者超级电容及混合电容。
26.在上述实施例中，铅酸电池在早期颇受储能市场欢迎，其工艺成熟、价格低廉、安全可靠。液流电池是另一种形式的镍锌电池，其内部结构主要是全钒液流电池。该电池的优点具有较高的能力效率，储能也高。该电池放电性能较好，在某些时候能够实现100%的深度放电，该电池也能够实现快速的充电、放电。钠硫电池作为另一种形式的电池，在结构上，其正、负极分别应用熔融盐钠和熔融硫充当，以构成充电、放电的闭合回路，其中充电和放电的固体电解质应用β-氧化铝。锂离子电池在应用过程中，其储能材料大部分是磷酸铁锂电池（lifepo4），在硬件结构上，主要包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液等，该电池的优点是具有较高的电压平台，自我充电和放电的效率不高，但循环寿命比较长，并且具有较好的耐高温特性等。磷酸铁锂电池的梯次利用在储能领域具有较大的前景。电池梯次利用指的是将容量不足80%的电池重新改造以再次应用于储能领域的技术。磷酸铁锂电池在国内电动汽车行业占据较大的份额，通过梯次利用完成整个电池的生命周期能够合理并有效地避免资源浪费。在本技术的具体实施例中，通过该电池作为实施例进行分析。超级电容器（supercapacitors），其具有高倍率、长循环寿命、高安全性等特点，其能量密度与功率密度填补了电池和平板电容器之间的空白。超级电容器是新能源环境下的新型储存装置，在结构上有包括正极、负极、电解液、隔膜等。
27.在上述实施例中，所述放电电路包括电源模块、保险丝电路、继电器电路、继电器控制电路和负载，其中所述电源模块向放电电路提供工作电压和电流，所述电源模块的输出端与保险丝电路的输入端连接，所述保险丝电路的输出端与继电器电路的输入端连接，所述继电器电路通过继电器控制电路实现通断。
28.在具体实施例中， fu1表示保险丝；sa1-sa2表示继电器控制键，k1-k2表示继电器开关，支架上的负载是一组r1-r4并联功率电阻器，电阻为0.47欧姆、功率为100 w的ah-100j型，并通过继电器开关k1和k2并联连接（标称电阻扩展不超过5%）。为了稳定电阻器的温度并确保电导率值的恒定性，每个电阻器上都安装了一个风冷散热器。
29.在上述实施例中，所述电池特性分析模块包括放电数学电池单元模型。
30.在上述实施例中，放电时间评估模块为改进型soc评估模型。
31.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。