基于谐振电流脉冲的阀控铅酸蓄电池健康状态提升方法

摘要

本发明为一种基于谐振电流脉冲的阀控铅酸蓄电池健康状态提升方法。首先利用循环测试设备进行阀控铅酸蓄电池容量标定，接着利用低频恒电位电化学阻抗谱测试，根据测试的复阻抗响应进行阀控铅酸蓄电池的初始健康状态标定；然后利用信号发生器产生的弱电压信号通过高速功率放大器产生谐振电流脉冲对阀控铅酸蓄电池进行加载，再重复容量标定和健康状态标定；最后进对健康状态标定步骤中测得的阀控铅酸蓄电池相位响应和频率进行拟合，得到球形电极半径参数快速评估阀控铅酸蓄电池的健康状态。本发明采用低频恒电位电化学阻抗谱测试可以快速检测阀控铅酸蓄电池的健康状态，且以谐振电流脉冲提升阀控铅酸蓄电池可以快速低成本地提升其健康状态，对于提升电气储能系统的效率和可靠性有重要意义。

权利要求

1.一种基于谐振电流脉冲的阀控铅酸蓄电池健康状态提升方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)所述提升方法采用基于谐振脉冲和电化学阻抗谱去阀控铅酸电池硫化的装置实现，所述装置由循环测试仪、电化学阻抗谱仪、高速功率放大器、信号发生器和高速功率放大器组成，其中：高速功率放大器的一端连接信号发生器，另一端设有第三开关，所述第三开关用于连接待测样品，高速功率放大器将信号发生器产生的电压脉冲信号转换为电流脉冲信号，施加在待测样品上；电化学阻抗谱仪设有第二开关，所述第二开关连接待测样品，电化学阻抗谱仪发出低频测试信号后，用于标定待测样品前后的健康状态；循环测试仪设有第一开关，所述第一开关连接待测样品，用于标定待测样品的容量；

(2)闭合第一开关，利用循环测试仪进行待测样品阀控铅酸蓄电池容量标定，所述电池容量标定分为充电和放电两个部分；对于充电部分，充电电流设置为0.1C，充电截止电压设置为2.4*阀控铅酸蓄电池的单体数量，充电截止电流设置为0.01C；对于放电部分，放电电流设置为0.1C，放电截止电压设置为1.8*阀控铅酸蓄电池的单体数量；其中，C是待测样品的额定容量数值；当待测样品达到设置的充放电截止条件时，记录电池的可充入容量和可放出容量，实现容量标定；

(3)利用电化学阻抗谱仪测试，根据测试的复阻抗响应进行阀控铅酸蓄电池的初始健康状态标定；步骤(2)完成后，打开第一开关，将待测样品放电至截止电压后，静置2小时，闭合第二开关，将电化学阻抗谱仪测试线缆的正极和负极分别连接到待测样品的正负极端子上，施加的恒电压扰动频率设置为0.001Hz～10MHz，幅值设置为10mV，两次测量上述条件下的电池实阻抗，虚阻抗和相位，取平均值；电池虚阻抗最小点处对应的恒电压扰动频率确定为电池的谐振频率；电池的初始健康状态标定完成后，打开第二开关，静置2小时；

(4)步骤(2)电池容量和步骤(3)健康状态标定后，进行谐振电流激励；闭合第三开关，高速功率放大器将信号发生器产生的电压脉冲信号转换为电流脉冲信号，施加在待测样品上；信号发生器提供峰值0.048C，占空比为5％，谐振频率下的弱电压信号；高速功率放大器在恒流模式下，输出峰值0.333C的强电流脉冲信号；其中，C是待测样品的额定容量数值；强电流脉冲信号的持续时间为2小时；在激励2小时后，打开第三开关，闭合第一开关，将待测样品重新放电到规定的截止放电条件，打开第一开关，静置2小时；

(5)为获取待测样品的新健康状态，需闭合第二开关，由电化学阻抗谱仪标定阀控铅酸蓄电池蓄电池的新的健康状态，打开第二开关，至此，完成一次完整的谐振电流脉冲激励实验；

将待测样品放电至截止电压后，静置2小时，重新进行电池健康状态标定；

公式(1)中， 对获得的0.001Hz‑10MHz频率区间内的激励后电池相位变化 进行Levenberg‑Marquardt法拟合，获得公式(1)中参数l,D；

公式(3)和公式(4)中， l是扩散层的长度，D是扩散系数，f是恒电压扰动的频率，r0是反映阀控铅酸蓄电池健康状态的参量，物理含义为电极表面等效球形电极的半径；

‑9

拟合的迭代终止条件设置为400次和容差小于10 ；拟合步骤如下：(i)从电池健康状态标定获得待测样品的相位响应，由于对于指定的阀控铅酸蓄电池，其扩散层长度l和扩散系数D是一定的，因此以每次恒电压扰动获得的相位响应的正切值作为已知量，f作为自变量，D和l作为自变量进行拟合，获得其对应拟合的r0值；

‑5 ‑2 ‑3

(ii)参数初始化和边界条件，D＞10 ，l＞10 ，r0＞10 ；

(iii)将f，D，l，r0作为已知量，对每个拟合点优化其 值；

(iv)重复(i)，(ii)部分，直到满足迭代的终止条件，即迭代次数达到400次和容差小于‑9

10 。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中的电池健康状态标定通过设置合适的频率测试范围和扰动幅值获取对应内部电化学过程的电池健康状态信息，即0.01Hz～10Hz的相位响应反应电池内部的传质过程，此过程与电池健康状态相关；10Hz～1MHz的阻抗响应反应电池的健康状态提升，即阻抗响应的下降。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中的谐振电流激励频率是电池的谐振频率，即由0.001Hz～10MHz频率区间内对应的阻抗响应虚部最小值来确定；要求谐振激励为恒电流控制的形式，且由信号发生器和高速功率放大器产生。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中的0.01Hz～10Hz频率区间内的激励后电池相位变化 进行Levenberg‑Marquardt拟合，通过不拆解电池的方式得到电池内部的健康状态信息；一方面，此法用于验证包括谐振电流脉冲在内的阀控铅酸电池健康状态提升方法的有效性；另一方面，此方法可快速，低成本地评估电池初始健康状态。

说明书

基于谐振电流脉冲的阀控铅酸蓄电池健康状态提升方法

技术领域

[0001] 本发明属于电气工程领域，具体为一种基于谐振电流脉冲的阀控铅酸蓄电池健康状态提升方法。

背景技术

[0002] 在电力储能中，常通过拆解阀控铅酸电池并添加化学试剂的方法来提升其健康状态，此类方法操作困难且昂贵。加之，阀控铅酸电池是一个高度非线性，时变的复杂电化学
系统，健康状态相关的机理模型微分方程参数众多，难以求解，不符合实际工程应用的要
求。因此，基于外特性和非拆解的电气方法更加快捷廉价。若采用反向充电，增配压力传感
器的方式，便可以不再考虑电池内部的反应机理，但是用这类方法提升电池健康状态仍然
耗时。如何在实际工程应用中，对阀控铅酸电在非拆解的情况下快速低成本地检测并提升
健康状态仍然是一个难题。

发明内容

[0003] 本发明的目的是利用低频恒电位电化学阻抗谱测试技术和谐振脉冲方法为阀控铅酸蓄电池提供一种快速和低成本的健康状态提升技术，显著提升阀控铅酸蓄电池健康状
态提升的快速性和经济性，并达到与精细的化学材料方法一致的提升效果。

[0004] 本发明提出的一种基于谐振电流脉冲的阀控铅酸蓄电池健康状态提升方法，具体步骤如下：

[0005] (1)所述提升方法采用基于谐振脉冲和电化学阻抗谱去阀控铅酸电池硫化的装置实现，所述装置由循环测试仪、电化学阻抗谱仪、高速功率放大器、信号发生器和高速功率
放大器组成，其中：高速功率放大器的一端连接信号发生器，另一端设有第三开关，所述第
三开关用于连接待测样品，高速功率放大器将信号发生器产生的电压脉冲信号转换为电流
脉冲信号，施加在待测样品上；电化学阻抗谱仪设有第二开关，所述第二开关连接待测样
品，电化学阻抗谱仪发出低频测试信号后，用于标定待测样品前后的健康状态；循环测试仪
设有第一开关，所述第一开关连接待测样品，用于标定待测样品的容量；

[0006] (2)闭合第一开关，利用循环测试仪进行待测样品阀控铅酸蓄电池容量标定，所述电池容量标定分为充电和放电两个部分；对于充电部分，充电电流设置为0.1C，充电截止电
压设置为2.4*阀控铅酸蓄电池的单体数量，充电截止电流设置为0.01C；对于放电部分，放
电电流设置为0.1C，放电截止电压设置为1.8*阀控铅酸蓄电池的单体数量；其中，C是待测
样品的额定容量数值；当待测样品达到设置的充放电截止条件时，记录电池的可充入容量
和可放出容量，实现容量标定；

[0007] (3)利用电化学阻抗谱仪测试，根据测试的复阻抗响应进行阀控铅酸蓄电池的初始健康状态标定；步骤(2)完成后，打开第一开关，将待测样品放电至截止电压后，静置2小
时，闭合第二开关，将电化学阻抗谱仪测试线缆的正极和负极分别连接到待测样品的正负
极端子上，施加的恒电压扰动频率设置为0.001Hz～10MHz，幅值设置为10mV，两次测量上述
条件下的电池实阻抗，虚阻抗和相位，取平均值；电池虚阻抗最小点处对应的恒电压扰动频
率确定为电池的谐振频率；电池的初始健康状态标定完成后，打开第二开关，静置2小时；

[0008] (4)步骤(2)电池容量和步骤(3)健康状态标定后，进行谐振电流激励；闭合第三开关，高速功率放大器将信号发生器产生的电压脉冲信号转换为电流脉冲信号，施加在待测
样品上；信号发生器提供峰值0.048C，占空比为5％，谐振频率下的弱电压信号；高速功率放
大器在恒流模式下，输出峰值0.333C的强电流脉冲信号；其中，C是待测样品的额定容量数
值；强电流脉冲信号的持续时间为2小时；在激励2小时后，打开第三开关，闭合第一开关，将
待测样品重新放电到规定的截止放电条件，打开第一开关，静置2小时；

[0009] (5)为获取待测样品的新健康状态，需闭合第二开关，由电化学阻抗谱仪标定阀控铅酸蓄电池蓄电池的新的健康状态，打开第二开关，至此，完成一次完整的谐振电流脉冲激
励实验；

[0010] 将待测样品放电至截止电压后，静置2小时，重新进行电池健康状态标定；

[0011]

[0012] 公式(1)中， 因此，对获得的0.001Hz～10MHz频率区间内的激励后电池相位变化 进行Levenberg‑Marquardt法拟合，获得公式(1)中参数l,D；

[0013]

[0014]

[0015]

[0016] 公式(3)和公式(4)中， l是扩散层的长度，D是扩散系数，f是恒电压扰动的频率，r0是反映阀控铅酸蓄电池健康状态的参量，物理含义为电极表面等效球形电极的
半径；

[0017] 拟合的迭代终止条件设置为400次和容差小于10‑9；拟合步骤如下：

[0018] (i)从电池健康状态标定获得待测样品的相位响应，由于对于指定的阀控铅酸蓄电池，其扩散层长度l和扩散系数D是一定的，因此以每次恒电压扰动获得的相位响应的正
切值 作为已知量，f作为自变量，D和l作为自变量进行拟合，获得其对应拟合的r0值；

[0019] (ii)参数初始化和边界条件，D＞10‑5，l＞10‑2，r0＞10‑3；

[0020] (iii)将f，D，l，r0作为已知量，对每个拟合点优化其 值；

[0021] (iv)重复(i)，(ii)部分，直到满足迭代的终止条件，即迭代次数达到400次和容差‑9
小于10 。

[0022] 本发明中，步骤(2)保证每次待测样品的恒压扰动测试和谐振电流激励实验均是在同一条件下进行的。

[0023] 本发明中，步骤(3)中通过设定合适的恒电压扰动值和测试频率范围，从而为谐振电流提升电池健康状态的判断提供比较基准。

[0024] 本发明中，步骤(4)中通过加载谐振电流脉冲，获得激励后的待测样品，然后通过再次重复步骤(3)，通过阻抗响应减小程度判断谐振电流脉冲提升阀控铅酸蓄电池的有效
程度。

[0025] 本发明中，步骤(5)中通过参数初始化和边界条件，使用Levenberg‑Marquardt方法拟合 f，D，l和r0，通过r0验证阀控铅酸蓄电池健康状态提升程度；快速和低成本地
评估电池初始健康状态。

[0026] 本发明的有益效果在于：本发明用谐振电流激励法提升阀控铅酸蓄电池的健康状态，取得了和现有技术一致的健康状态提升效果，具备有效性经济性和快速性；采用恒电压
扰动的电化学阻抗谱测试技术，为无损测试技术，可以保证测试对于阀控铅酸蓄电池不会
产生影响，并通过对低频段(10‑10mHz)的相位响应解析出r0，从而快速地评估电池的健康
状态。

附图说明

[0027] 图1为发明中采用的基于谐振电流脉冲和电化学阻抗谱的阀控铅酸蓄电池健康状态检测提升系统结构示意图；

[0028] 图2为实施例1测量部分(0.01到10Hz)相位响应响应数据‑激励的变化趋势曲线；

[0029] 图3为实施例1部分(1Hz到100kHz)阻抗响应数据‑频率变化趋势曲线，平均电流响应频率及其测量误差；

[0030] 图4为本发明的实验流程图；

[0031] 图中标号：1为循环测试仪，2为电化学阻抗谱仪，3为高速功率放大器，4为信号发生器，5为待测样品。

具体实施方式

[0032] 下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

[0033] 实施例1：如图1所示，所述基于谐振电流脉冲和电化学阻抗谱的去阀控铅酸蓄电池硫化的装置由循环测试仪1、电化学阻抗谱仪2、高速功率放大器3、信号发生器4和待测样
品5组成，高速功率放大器3的一端连接信号发生器4，信号发生器4用于提供谐振频率下的
弱电压信号，高速功率放大器3将信号发生器4产生的弱电压信号转换成带有输出能力的强
电流信号；高速功率放大器3另一端设有第三开关，所述第三开关用于连接待测样品5，高速
功率放大器3将信号发生器4产生的电压脉冲信号转换为电流脉冲信号，施加在待测样品5
上；电化学阻抗谱仪2设有第二开关，所述第二开关连接待测样品5，电化学阻抗谱仪2发出
低频测试信号后，用于标定待测样品5前后的健康状态；循环测试仪1设有第一开关，所述第
一开关连接待测样品5，用于标定待测样品的容量，所述待测样品5采用阀控铅酸蓄电池蓄
电池。

[0034] 本发明的具体步骤如下：

[0035] (1)，首先闭合第一开关，由循环测试仪1完成阀控铅酸蓄电池蓄电池的容量标定后，打开第一开关，静置2小时；

[0036] (2)，接着闭合第二开关，由电化学阻抗谱仪2标定阀控铅酸蓄电池蓄电池的初始健康状态，打开第二开关，静置2小时；

[0037] (3)，然后闭合第三开关，高速功率放大器3将信号发生器4产生的电压脉冲信号转换为电流脉冲信号，施加在待测样品5上；

[0038] (4)，在激励2小时后，打开第三开关，闭合第一开关，将待测样品5重新放电到规定的截止放电条件，打开第一开关，静置2小时；

[0039] (5)，为获取待测样品5的新健康状态，需闭合第二开关，由电化学阻抗谱仪2标定阀控铅酸蓄电池蓄电池的新的健康状态，打开第二开关，至此，完成一次完整的谐振电流脉
冲激励实验。

[0040] 在实验过程中，搭建好图1所示的实验电路后，进行参数记录。在实施例1中，步骤(1)中记录阀控铅酸蓄电池的初始可放出容量；步骤(2)中记录阀控铅酸蓄电池在激励前
0.01Hz到1MHz范围内初始阻抗响应和相位响应；步骤(3)中记录阀控铅酸蓄电池在激励时
的平均电流响应；步骤(4)中记录阀控铅酸蓄电池的新的可放出容量；步骤(5)中记录阀控
铅酸蓄电池在激励前0.01Hz到1MHz范围内新的阻抗响应和相位响应。

[0041] 以一个实测数据点来说明本实施例：

[0042] 激励前：

[0043] 为实际测得的阻抗相位响应，f＝0.01为实际测得的扰动频率(Hz)，以 和f为已知量，对参数r0和D使用Levenberg‑Marquardt方法拟合得到r0＝
9.87e20cm。

[0044] 其中：

[0045]

[0046]

[0047]

[0048] 激励后：

[0049] 为实际测得的阻抗相位响应，f＝1.55为实际测得的扰动频率(Hz)，以 和f为已知量，对参数r0和D使用Levenberg‑
Marquardt方法拟合得到r0＝0.00703cm。

[0050] r0减小表明阀控铅酸蓄电池健康状态得到明显提升，且能实现快速评估电池的健康状态的目的。

[0051] 图2为激励前后的阀控铅酸蓄电池健康状态中部分(0.01到10Hz)相位响应响应数据‑频率的变化趋势，符合公式(1)的变化曲线；图3为激励前后的部分(1Hz到100kHz)阻抗
响应数据‑频率变化趋势，平均电流响应及其测量误差，测量误差以误差棒的形式标于每个
测量点上。