CN108428957B - 一种液态金属电池组的变功率加热方法和系统 - Google Patents

一种液态金属电池组的变功率加热方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态金属电池组的变功率加热方法和系统，包括在液态金属电池组的各电池间均匀安装多个温度探测点；加热设备开始对液态金属电池组进行加热，各温度探测点采集不同位置电池的实时温度，并将数据传送给温度控制设备；温度控制设备计算各个不同位置电池的实时温度的平均温度，根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率；其中，液态金属电池组工作过程划分为三个工作阶段：加热阶段、保温阶段、运行阶段。本发明基于平均温度和电池组所处工作阶段，动态调制加热设备的加热功率，可以避免加热过程局部温度过高、各电池单体间温差过大；通过在加热结束后进行一段时间的保温，使得电池组中所有电池温度均匀。

Description

一种液态金属电池组的变功率加热方法和系统
技术领域
本发明处于电网储能电池技术领域，更具体地，涉及一种液态金属电池组的变功率加热方法和系统。
背景技术
与动力电池高倍率性、高比能量、高比功率的需求不同的是，电网储能电池更注重电池的成本、安全性和寿命。液态金属电池是近年发展起来的一种全新的电网储能电池技术，它与现有的一般储能电池不一样：目前大部分电池的正极、负极和电解质薄膜都是固体，而液态金属电池由两个液态金属电极和分隔它们的熔融态无机盐电解质组成；锂离子电池等储能电池工作温度一般在0～40℃，液态金属电池工作温度一般在300℃以上。液态金属电池在大规模电网储能应用中具有诸多优点，但电池的全液态设计、电池的高温操作和相对较低的电池电压限制了其在汽车动力电池中的应用。
液态金属电池的正常工作温度根据不同电极/电解质材料体系而不同，一般为300℃～700℃。因此，液态金属电池需要加热至正常工作温度才开始充放电运行。为保证液态电池组在工作范围内正常运行，其横向和纵向的温差应不超过50℃，加热阶段温度最大值应不超过700℃～1000℃。
现有的加热方式存在以下问题：液态电池组块内温度分布不均匀，各电池单体之间温差超过50℃；局部温度超过了700℃～1000℃，较高的温度将导致绝缘套管、壳体、密封材料的腐蚀，最终导致电池正负之间短路，从而造成电池的永久性损坏，因此大大缩短了电池的使用寿命；单一温度探测点加热形式会由于温度的滞后性导致过多的能量消耗。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术液态金属电池组块加热过程中温度分布不均匀、各电池单体间温差过大、局部温度过高、单一温度探测点温度滞后的技术问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种液态金属电池组的变功率加热方法，包括如下步骤：
S1.在液态金属电池组的各电池间均匀安装多个温度探测点；
S2.加热设备开始对液态金属电池组进行加热，各温度探测点采集不同位置电池的实时温度，并将数据传送给温度控制设备；
S3.温度控制设备计算各个不同位置电池的实时温度的平均温度，根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率；
其中，液态金属电池组工作过程划分为三个工作阶段：加热阶段、保温阶段、运行阶段。
所述根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率，具体包括以下步骤：
S31.判断当前液态金属电池组是否处于加热阶段，若是，将温度划分为多个区间，每个区间采用不同的加热功率，从低温区至高温区加热功率逐渐降低；否则，进入S33；
S32.判断液态金属电池组的平均温度所处温度区间，将加热设备切换至该温度区间对应的加热功率；
S33.判断当前液态金属电池组是否处于保温阶段，若是，则将加热功率切换至静态保温功率；否则，则进入S34；
S34.当前液态金属电池组处于运行阶段，判断液态金属电池组的平均温度是否小于金属电池组的正常工作温度，若是，则将加热设备切换至运行保温功率；否则，则将加热设备切换至0W。
可选地，静态保温功率取值等于液态金属电池组的散热功率Pd。
可选地，运行保温功率的取值小于加热阶段的最小加热功率。
另一方面，本发明提供了一种液态金属电池组的变功率加热系统，所述加热系统包括：
温度探测模块，用于采集不同位置电池的实时温度，将数据传送给温度控制设备；
加热模块，用于加热液态金属电池组；
温度控制模块，位于温度探测模块和加热模块之间，用于计算不同位置电池的实时温度的平均温度，并根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热模块的加热功率；其中，液态金属电池组工作过程划分为三个工作阶段：加热阶段、保温阶段、运行阶段。
所述根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率，具体包括以下步骤：
S31.判断当前液态金属电池组是否处于加热阶段，若是，将温度划分为多个区间，每个区间采用不同的加热功率，从低温区至高温区加热功率逐渐降低；否则，进入S33；
S32.判断液态金属电池组的平均温度所处温度区间，将加热设备切换至该温度区间对应的加热功率；
S33.判断当前液态金属电池组是否处于保温阶段，若是，则将加热功率切换至静态保温功率；否则，则进入S34；
S34.当前液态金属电池组处于运行阶段，判断液态金属电池组的平均温度是否小于金属电池组的正常工作温度，若是，则将加热设备切换至运行保温功率，否则，则将加热设备切换至0W。
可选地，静态保温功率取值等于液态金属电池组的散热功率Pd。
可选地，运行保温功率的取值小于加热阶段的最小加热功率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明提供的技术方案通过变功率加热技术在液态金属电池电能存储中的运用，将这些温度探测点探测的不同温度取其平均值，基于平均温度和电池组所处工作阶段，动态调制加热设备的加热功率，可以避免加热过程局部温度过大、各电池单体间温差过大。
2.本发明提供的技术方案通过在加热结束后进行一段时间的保温，使得电池组中所有电池温度均匀。
3.本发明实施例提供的技术方案通过在电池组内引入多个空间温度探测点，可以避免单一的温度探测点加热形式由于温度的滞后性引起的过多能量消耗问题，从而避免电池组整体温度超过电池正常工作温度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的液态金属电池组的结构俯视示意图；
图2为本发明实施例提供的液态金属电池组的结构正视示意图；
图3为本发明实施例一的电池组温度变化曲线图；
图4为本发明实施例二的电池组温度变化曲线图；
图5为本发明实施例三的电池组温度变化曲线图；
图6为本发明实施例一至实施例三中的三种加热方式的加热设备总功率和平均温度的关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种液态金属电池组的变功率加热系统，包括：加热设备、温度控制设备、温度采集装置。
图1和图2为本发明实施例提供的液态金属电池组的结构俯视示意图和正视示意图。如图1-2所示，液态金属电池组由内向外分别为：电池6、填充材料5、加热设备4、保温层3、保温箱2。保温箱2内排布320个电池6，这些电池相互串联，为避免某个电池出现故障而导致整个保温箱不能使用的情况发生，采用分组投切开关的方式，以16个电池为一组；电池的排布：垂直方向上，将电池分为5层，每一层电池数量为64；水平方向上，8×8等间隔均匀分布，电池与电池的间隔为10mm。填充材料5填充保温箱内电池间的间隙，其选用高导热性系数的绝缘填充材料，其中，高导热系数是指导热系数大于0.1瓦/米·度。加热设备4选择电热丝。保温层3位于加热设备4周围，其选用低导热系数的保温材料，其中，低导热系数为导热系数低于0.06瓦/米·度。保温箱2之外是空气1。
温度采集装置用于采集液态金属电池组空间不同位置电池的实时温度。温度采集装置包括36个温度探测点7。温度探测点的排布为：垂直方向上，将探测点分为4层，每一层探测点数量为9；水平方向上，以每层电池组的中心为十字交叉点，安装一探测点，十字的横向和纵向分别等间距安装5个探测点。
温度控制设备位于加热设备和温度采集装置之间。温度采集装置将实时采集的不同位置电池的实时温度发送给温度控制设备，温度控制设备计算上述温度的平均温度，根据平均温度控制加热设备的加热功率。
将液态金属电池组工作过程划分为三个工作阶段：加热阶段、保温阶段、运行阶段。加热阶段是指，加热设备开始加热至液态金属电池组的平均温度上升至正常工作温度；保温阶段是指，液态金属电池组的平均温度到达正常工作温度后，先进行一段时间的保温，使得电池组中所有电池温度均匀，保温时间选择范围为t∈(0,5h]；运行阶段是指，保温阶段结束后，液态金属电池组开始充放电运行。
本发明提供的一种液态金属电池组的变功率加热方法，具体包括如下步骤：
S1.在液态金属电池组的各电池间均匀安装多个温度探测点；
S2.加热设备开始对液态金属电池组进行加热，各温度探测点采集不同位置电池的实时温度，并将数据传送给温度控制设备；
S3.温度控制设备计算各个不同位置电池的实时温度的平均温度，根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率；
其中，液态金属电池组工作过程划分为三个工作阶段：加热阶段、保温阶段、运行阶段。
所述根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率，具体包括以下步骤：
S31.判断当前液态金属电池组是否处于加热阶段，若是，将温度划分为多个区间，每个区间采用不同的加热功率，从低温区至高温区加热功率逐渐降低；否则，进入S33；
S32.判断液态金属电池组的平均温度所处温度区间，将加热设备切换至该温度区间对应的加热功率；
S33.判断当前液态金属电池组是否处于保温阶段，若是，则将加热功率切换至静态保温功率；否则，则进入S34；
S34.当前液态金属电池组处于运行阶段，判断液态金属电池组的平均温度是否小于金属电池组的正常工作温度，若是，则将加热设备切换至运行保温功率；否则，则将加热设备切换至0W。
为了更清楚地说明本发明的目的，本发明的具体实施例均以容量为5.5kWh的Li‖Sn-Sb液态金属电池组为实施对象，其正常工作温度为500℃。电池组的加热保温时间为12h，在0.2C倍率下恒流充放电。
实施例一：将温度划分为1个区间，并在这个区间内采用8kW的加热功率。当加热至液态金属电池组的平均温度超过正常工作温度时，加热功率切换至静态保温功率(90W)，保温时间选择为3小时。经过12小时的加热保温后，电池组开始充放电运行。若液态金属电池组的平均温度小于正常工作温度时，则加热功率将切换至运行保温功率(1kW)；否则，则加热功率将切换至0W。
电池组在该加热方式下的温度变化曲线图(温度最大值，最小值，平均值，温差)如图3所示。经过12小时的加热过程电池运行温度达到500℃，在此过程中温度最大值变化明显，从刚开始的0℃，经过8.3个小时达到780℃，然后经过3.7小时的保温过程其温度值达到504℃；对于电池组的平均温度，该值从0℃经过8个小时达到500℃；电池组的温度最小值变化相对缓慢，经过12小时左右，温度到达495℃；电池组的整体温度差，该值从0℃经过4小时达到375℃，又经过4.3小时维持在380℃，电池组整体温差控制在9℃左右在电池组加热完成后。经过12小时的加热保温过程，温度达到了电池组达到了运行要求。电池组在0.2C下经过3个充放电循环，平均温度维持在500℃，其温差范围控制在20℃以内。
实施例二：与实施例一相似，不同的是，将温度划分为5个区间，并在每个区间内采用不同的加热功率，从低温区向高温区加热功率逐渐降低，分别为：18KW、12KW、8KW、6KW和4kW。电池组在该加热方式下的温度变化曲线图(温度最大值，最小值，平均值，温差)如图4所示。
实施例三：与实施例一相似，不同的是，将温度划分为10个区间，并在每个区间内采用不同的加热功率，从低温区向高温区加热功率逐渐降低，分别为：20KW、18KW、16KW、14KW、12KW、10KW、8KW、6KW、4KW和2KW。电池组在该加热方式下的温度变化曲线图(温度最大值，最小值，平均值，温差)如图5所示。
上述三种加热方式的加热设备总功率和平均温度的关系如图6所示。
通过以上实施例可以发现，在加热阶段，温度划分区间的区间个数越多，越有助于降低局部的最高温度。
综上所述，变功率加热技术在液态金属电池电能存储中的运用，通过在电池组内引入多个空间温度探测点，将这些温度探测点探测的不同温度取其平均值，形成以平均温度为因变量的加热功率控制方法，可以有效的降低电池组在加热过程中局部温度较高，避免加热过程在加热升温的过程中局部温度过大，造成电池的部件及其关键的密封材料的损害，从而降低电池的使用寿命。该加热技术可以避免单一的温度探测点加热形式(由于温度的滞后性)引起的过多能量消耗问题，从而使得电池组整体温度超过电池正常工作温度。因此本发明将有助于液态金属电池组在大规模电能存储中的应用。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种液态金属电池组的变功率加热方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在液态金属电池组的各电池间均匀安装多个温度探测点；
S2.加热设备开始对液态金属电池组进行加热，各温度探测点采集不同位置电池的实时温度，并将数据传送给温度控制设备；
S3.温度控制设备计算各个不同位置电池的实时温度的平均温度，根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率；
其中，液态金属电池组工作过程划分为三个工作阶段：加热阶段、保温阶段、运行阶段；
所述根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率，具体包括以下步骤：
S31.判断当前液态金属电池组是否处于加热阶段，若是，将温度划分为多个区间，每个区间采用不同的加热功率，从低温区至高温区加热功率逐渐降低；否则，进入S33；
S32.判断液态金属电池组的平均温度所处温度区间，将加热设备切换至该温度区间对应的加热功率；
S33.判断当前液态金属电池组是否处于保温阶段，若是，则将加热功率切换至静态保温功率；否则，则进入S34；
S34.当前液态金属电池组处于运行阶段，判断液态金属电池组的平均温度是否小于金属电池组的正常工作温度，若是，则将加热设备切换至运行保温功率；否则，则将加热设备切换至0W。
2.根据权利要求1所述的液态金属电池组的变功率加热方法，其特征在于，静态保温功率取值等于液态金属电池组的散热功率Pd。
3.根据权利要求1所述的液态金属电池组的变功率加热方法，其特征在于，运行保温功率的取值小于加热阶段的最小加热功率。
4.一种液态金属电池组的变功率加热系统，其特征在于，所述加热系统包括：
温度探测模块，用于采集不同位置电池的实时温度，将数据传送给温度控制设备；
加热模块，用于加热液态金属电池组；
温度控制模块，位于温度探测模块和加热模块之间，用于计算不同位置电池的实时温度的平均温度，并根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热模块的加热功率；其中，液态金属电池组工作过程划分为三个工作阶段：加热阶段、保温阶段、运行阶段；
所述根据平均温度和电池组所处的工作阶段，动态调整加热设备的加热功率，具体包括以下步骤：
S31.判断当前液态金属电池组是否处于加热阶段，若是，将温度划分为多个区间，每个区间采用不同的加热功率，从低温区至高温区加热功率逐渐降低；否则，进入S33；
S32.判断液态金属电池组的平均温度所处温度区间，将加热设备切换至该温度区间对应的加热功率；
S33.判断当前液态金属电池组是否处于保温阶段，若是，则将加热功率切换至静态保温功率；否则，则进入S34；
S34.当前液态金属电池组处于运行阶段，判断液态金属电池组的平均温度是否小于金属电池组的正常工作温度，若是，则将加热设备切换至运行保温功率，否则，则将加热设备切换至0W。
5.根据权利要求4所述的液态金属电池组的变功率加热系统，其特征在于，静态保温功率取值等于液态金属电池组的散热功率Pd。
6.根据权利要求4所述的液态金属电池组的变功率加热系统，其特征在于，运行保温功率的取值小于加热阶段的最小加热功率。
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