CN111211375B - 一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法及储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法及储能系统，涉及锂离子电池储能系统领域，所述方法用于管控调频用锂离子电池储能系统，其通过调频曲线和电池物性，预估电池发热曲线曲线来计算出冷却需求，确定调频期间内制冷功率及泵功率。通过调整制冷功率及泵功率比例，获取最低功耗方案。所述调频用锂离子电池储能系统包括包括控制单元、储能锂电池单元、第一电动阀门、换热器、储液罐、循环水泵、制冷单元和第二电动阀门，本发明可以使储能系统在高倍率下电池控制合理的温度范围，并保证电池的一致性。同时根据调频工况，预先调节循环水泵和制冷系统，有效提升系统能量效率。

Description

一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法及储能系统
技术领域
本发明涉及锂离子电池储能系统领域，具体涉及一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法及储能系统。
背景技术
随着锂离子电池及其集成技术的不断发展，应用锂离子电池储能电站参与发电控制系统调频逐渐成为了一种可行方案。锂离子电池储能机组与传统的发电机组相比具有响应速度快，启停时间短等优势，将在配电网系统及智能电网的调频控制中发挥重要作用。
锂离子电池在充放电过程中会产生一定热量，从而导致电池温度上升，而温度升高会影响电池的很多工作特性参数，如内阻、充放电效率和电池寿命等。电池热效应问题也会影响到储能系统整体性能和循环寿命，因此，做好热管理对储能系统的性能和使用寿命十分重要。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法，以实现储能系统内的锂离子电池工作在一个合理的温度范围内的同时，整个储能系统的能耗在最低水平。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法，所述方法用于管控调频用锂离子电池储能系统，所述调频用锂离子电池储能系统包括控制单元、储能锂电池单元、第一电动阀门、换热器、储液罐、循环水泵、制冷单元和第二电动阀门，所述储能锂电池单元、所述第一电动阀门和所述换热器通过冷却循环管道相互连接，所述换热器、所述循环水泵和所述储液罐通过热循环管道相互连接，所述第二电动阀门连接在所述冷却循环管道上，所述制冷单元用于冷却所述冷却循环管道；所述控制单元用于获取储能锂电池单元的温度和电压数据并根据所述方法运行所述循环水泵；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：接收设定时间区间内的调频任务工况曲线；
步骤2：根据所述储能锂电池单元当前的荷电状态及接收到的调频任务工况曲线，评估出设定时间区间内的储能锂电池单元内锂离子电池的发热曲线，然后根据锂离子电池已知的物性，逆推出维持锂离子电池的温度在设定范围内所需的散热边界参数；
步骤3：根据散热边界参数形成的曲线计算出冷却需求，从而确定设定时间区间内的制冷功率和泵功率；
步骤4：在保证冷却需求的前提下，调整制冷功率及泵功率的比例以确定功耗方案，并在调频任务到达时，通过控制第一电动阀门和第二电动阀门通过流量的大小，依照功耗方案运行循环水泵和制冷单元。
如上所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，进一步地，所述冷却需求包括冷却液的进口温度和流量，所述散热边界参数包括散热面热流密度。
如上所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，进一步地，所述储能锂电池单元包括液冷板和锂离子电池单元，所述锂离子电池单元包括若干层叠设置的锂离子电池，所述液冷板贴合覆盖在所述锂离子电池的侧表面。
如上所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，进一步地，所述第二电动阀门连接在所述第一电动阀门与所述换热器之间的管道上，所述制冷单元用于冷却所述第一电动阀门与所述第二电动阀门之间的管道。
如上所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，进一步地，所述制冷单元为冷水机或空调。
一种调频用锂离子电池储能系统，其包括控制单元、储能锂电池单元、第一电动阀门、换热器、储液罐、循环水泵、制冷单元和第二电动阀门，所述储能锂电池单元、所述第一电动阀门和所述换热器通过冷却循环管道相互连接，所述换热器、所述循环水泵和所述储液罐通过热循环管道相互连接，所述第二电动阀门连接在所述冷却循环管道上，所述制冷单元用于冷却所述冷却循环管道；所述控制单元根据所述储能锂电池单元当前的荷电状态及调频任务工况曲线计算出冷却需求，并控制第一电动阀门、第二电动阀门、循环水泵和制冷单元的运行。
如上所述的调频用锂离子电池储能系统，进一步地，所述控制单元根据所述储能锂电池单元当前的荷电状态及接收到的调频任务工况曲线，评估出设定时间区间内的储能锂电池单元内锂离子电池的发热曲线，然后根据锂离子电池已知的物性，逆推出维持锂离子电池的温度在设定范围内所需的散热边界参数，根据散热边界参数形成的曲线计算出冷却需求，在保证冷却需求的前提下，调整制冷功率及泵功率的比例以确定功耗方案，并在调频任务到达时，通过控制第一电动阀门和第二电动阀门通过流量的大小，依照功耗方案运行循环水泵和制冷单元。
如上所述的调频用锂离子电池储能系统，进一步地，所述冷却需求包括冷却液的进口温度和流量，所述散热边界参数包括散热面热流密度。
如上所述的调频用锂离子电池储能系统，进一步地，所述储能锂电池单元包括液冷板和锂离子电池单元，所述锂离子电池单元包括若干层叠设置的锂离子电池，所述液冷板贴合覆盖在所述锂离子电池的侧表面。
如上所述的调频用锂离子电池储能系统，进一步地，所述第二电动阀门连接在所述第一电动阀门与所述换热器之间的管道上，所述制冷单元用于冷却所述第一电动阀门与所述第二电动阀门之间的管道，所述制冷单元为冷水机或空调。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明根据调频任务工况需求预估电池发热量，并转换为所需的冷却剂流量及温度，进而以变频方式运行循环水泵及制冷单元，有效提升系统能量效率；本发明可将高倍率下电池峰值温度控制在合理范围，并实现温度一致性管控。
附图说明
图1为本发明实施例的调频用液冷式储能系统的示意图；
图2为本发明储能电池单元内部的示意图；
图3为调频用锂电池储能系统液冷式热管控方法流程图；
图4为调频用锂电池储能系统液冷式热管控方法实施例一中简化图。
其中：1、储能锂电池单元；11、锂离子电池；12、液冷板；21、第一电动阀门；22、第二电动阀门；3、制冷单元；4、换热器；5、储液罐；6、循环水泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参见图1至图4，一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法，该方法用于管控调频用锂离子电池储能系统，调频用锂离子电池储能系统的一种优选实现形式包括控制单元、储能锂电池单元1、第一电动阀门21、换热器4、储液罐5和循环水泵6。储能锂电池单元1、第一电动阀门21和换热器4通过冷却循环管道相互连接，控制第一电动阀门21的开启与关闭大小可以控制冷却循环管道内的冷却液的流量，换热器4用于对冷却液进行换热冷却，本实施例中冷却液可以为冷却剂、水或其混合物。换热器4、循环水泵6和储液罐5通过热循环管道相互连接，循环水泵6工作促进热循环管道的水循环带走热量。调频用锂离子电池储能系统还包括制冷单元3和第二电动阀门22，第二电动阀门22连接在冷却循环管道上，制冷单元3接受控制单元的指令用于冷却冷却循环管道。储能锂电池单元1内同时设置多个温度和电压监控点，控制单元用于获取储能锂电池单元1的温度和电压数据，所收集的温度和电压数据是液冷式热管控方法进行判断的依据，同时还为电动阀门开启和关闭大小的提供控制参数依据运行循环水泵6和制冷单元3。
液冷式热管控方法包括以下步骤：
步骤1：接收设定时间区间内的调频任务工况曲线。
步骤2：根据储能锂电池单元1当前的荷电状态(SOC)及接收到的调频任务工况曲线，评估出设定时间区间内的储能锂电池单元1内锂离子电池11的发热曲线，然后根据锂离子电池11已知的物性，逆推出维持锂离子电池11的温度在设定范围内所需的散热边界参数，如散热面热流密度。
步骤3：根据散热边界参数形成的曲线计算出冷却需求，从而确定设定时间区间内制冷功率及泵功率。优选地，冷却需求包括冷却液的进口温度和流量，进口温度和流量是确定所需冷却液的重要物理量。
步骤4：在保证冷却需求的前提下，调整制冷功率及泵功率的比例以确定功耗方案，该方案为最低功耗方案，并在调频任务到达时，通过控制第一电动阀门21和第二电动阀门22开启和关闭的大小以控制流量，依照最低功耗方案运行循环水泵6和制冷单元3。
本液冷式热管控方法根据调频任务工况需求预估电池发热量，并转换为所需的冷却剂流量及温度，进而通过控制第一电动阀门21开启和关闭的大小以控制冷却循环管道内的冷却液流量，根据冷却液流量可以变频方式运行循环水泵6和制冷单元3，该方法可做到高倍率下电池峰值温度控制在合理范围，并实现温度一致性管控，有效提升系统能量效率。
进一步地，储能锂电池单元1包括液冷板12和锂离子电池11，锂离子电池11单元包括若干层叠设置的锂离子电池11，液冷板12贴合覆盖在锂离子电池11的侧表面，在本优选实施例中，液冷板12蛇形蜿蜒延伸并通过导热垫片紧密围绕在锂离子电池11的相邻的三个侧面上，该结构形式可以更好地覆盖尽量多的锂离子电池11并减少液冷板12所需要的布置空间。
进一步地，更优选的布置方案为第二电动阀门22连接在第一电动阀门21与换热器4之间的管道上，制冷单元3用于冷却第一电动阀门21与第二电动阀门22之间的管道。在本述实施例中，在保证冷却需求的前提下，由锂离子电池11发热曲线分析得到，循环水泵6完全可以将锂离子电池11冷却到合理的温度范围，此时所需的制冷功率为0，因此制冷单元3可以完全关闭，但更一般情况下，调频用锂离子电池储能系统的冷却循环过程中需要用到制冷单元3，因此可根据调频用锂离子电池储能系统散热量的大小，适当地将制冷功率和泵功率等进行增减。优选地，制冷单元3为冷水机或空调。
一种调频用锂离子电池储能系统，其包括控制单元、储能锂电池单元1、第一电动阀门21、换热器4、储液罐5、循环水泵6、制冷单元3和第二电动阀门22，所述储能锂电池单元1、所述第一电动阀门21和所述换热器4通过冷却循环管道相互连接，所述换热器4、所述循环水泵6和所述储液罐5通过热循环管道相互连接，所述第二电动阀门22连接在所述冷却循环管道上，所述制冷单元3用于冷却所述冷却循环管道；所述控制单元根据所述储能锂电池单元1当前的荷电状态及调频任务工况曲线计算出冷却需求，并控制第一电动阀门21、第二电动阀门22、循环水泵6和制冷单元3的运行。
进一步地，根据所述储能锂电池单元1当前的荷电状态及调频任务工况曲线计算出冷却需求具体为：根据所述储能锂电池单元1当前的荷电状态及接收到的调频任务工况曲线，评估出设定时间区间内的储能锂电池单元1内锂离子电池11的发热曲线，然后根据锂离子电池11已知的物性，逆推出维持锂离子电池11的温度在设定范围内所需的散热边界参数，根据散热边界参数形成的曲线计算出冷却需求，在保证冷却需求的前提下，调整制冷功率及泵功率的比例以确定功耗方案，并在调频任务到达时，通过控制第一电动阀门21和第二电动阀门22通过流量的大小，依照功耗方案运行循环水泵6和制冷单元3。
进一步地，所述冷却需求包括冷却液的进口温度和流量，所述散热边界参数包括散热面热流密度。
进一步地，所述储能锂电池单元1包括液冷板12和锂离子电池11，所述锂离子电池11单元包括若干层叠设置的锂离子电池11，所述液冷板12贴合覆盖在所述锂离子电池11的侧表面。
进一步地，所述第二电动阀门22连接在所述第一电动阀门21与所述换热器4之间的管道上，所述制冷单元3用于冷却所述第一电动阀门21与所述第二电动阀门22之间的管道，所述制冷单元3为冷水机或空调。
本发明将锂离子储能系统中锂电池产生的热量通过液冷方式传递出去，同时将调频用储能系统液冷式的热管控方法对储能系统内耗散的最优化，有利于储能系统中锂离子电池寿命的延长，同时提升整个储能系统能量效率。该液冷式管控方法的核心是在保证冷却需求前提下，调整制冷功率及泵功率比例，获取最低功耗方案，并在调频任务到达时，通过控制电动阀门开启和关闭的大小，依照最低功耗方案运行制冷系统。
另外，控制单元的实现还可以配合高性能计算机分析软件使用，为便于对系统进行实际设计和应用，在此不再详细阐述，将根据实际应用情况而定。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种调频用锂离子电池液冷式热管控方法，其特征在于，所述方法用于管控调频用锂离子电池储能系统，所述调频用锂离子电池储能系统包括控制单元、储能锂电池单元、第一电动阀门、换热器、储液罐、循环水泵、制冷单元和第二电动阀门，所述储能锂电池单元、所述第一电动阀门和所述换热器通过冷却循环管道相互连接，所述换热器、所述循环水泵和所述储液罐通过热循环管道相互连接，所述第二电动阀门连接在所述冷却循环管道上，所述制冷单元用于冷却所述冷却循环管道；所述控制单元用于获取储能锂电池单元的温度和电压数据并根据所述方法运行所述循环水泵和制冷单元；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：接收设定时间区间内的调频任务工况曲线；
步骤2：根据所述储能锂电池单元当前的荷电状态及接收到的调频任务工况曲线，评估出设定时间区间内的储能锂电池单元内锂离子电池的发热曲线，然后根据锂离子电池已知的物性，逆推出维持锂离子电池的温度在设定范围内所需的散热边界参数；
步骤3：根据散热边界参数形成的曲线计算出冷却需求，从而确定设定时间区间内的制冷功率和泵功率；
步骤4：在保证冷却需求的前提下，调整制冷功率及泵功率的比例以确定功耗方案，并在调频任务到达时，通过控制第一电动阀门和第二电动阀门通过流量的大小，依照功耗方案运行循环水泵和制冷单元。
2.根据权利要求1所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，其特征在于，所述冷却需求包括冷却液的进口温度和流量，所述散热边界参数包括散热面热流密度。
3.根据权利要求1所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，其特征在于，所述储能锂电池单元包括液冷板和锂离子电池单元，所述锂离子电池单元包括若干层叠设置的锂离子电池，所述液冷板贴合覆盖在所述锂离子电池的侧表面。
4.根据权利要求1所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，其特征在于，所述第二电动阀门连接在所述第一电动阀门与所述换热器之间的管道上，所述制冷单元用于冷却所述第一电动阀门与所述第二电动阀门之间的管道。
5.根据权利要求1所述的调频用锂离子电池液冷式热管控方法，其特征在于，所述制冷单元为冷水机或空调。
6.一种调频用锂离子电池储能系统，其特征在于，包括控制单元、储能锂电池单元、第一电动阀门、换热器、储液罐、循环水泵、制冷单元和第二电动阀门，所述储能锂电池单元、所述第一电动阀门和所述换热器通过冷却循环管道相互连接，所述换热器、所述循环水泵和所述储液罐通过热循环管道相互连接，所述第二电动阀门连接在所述冷却循环管道上，所述制冷单元用于冷却所述冷却循环管道；所述控制单元根据所述储能锂电池单元当前的荷电状态及调频任务工况曲线计算出冷却需求，并控制第一电动阀门、第二电动阀门、循环水泵和制冷单元的运行；
所述控制单元根据所述储能锂电池单元当前的荷电状态及接收到的调频任务工况曲线，评估出设定时间区间内的储能锂电池单元内锂离子电池的发热曲线，然后根据锂离子电池已知的物性，逆推出维持锂离子电池的温度在设定范围内所需的散热边界参数，根据散热边界参数形成的曲线计算出冷却需求，在保证冷却需求的前提下，调整制冷功率及泵功率的比例以确定功耗方案，并在调频任务到达时，通过控制第一电动阀门和第二电动阀门通过流量的大小，依照功耗方案运行循环水泵和制冷单元。
7.根据权利要求6所述的调频用锂离子电池储能系统，其特征在于，所述冷却需求包括冷却液的进口温度和流量，所述散热边界参数包括散热面热流密度。
8.根据权利要求6所述的调频用锂离子电池储能系统，其特征在于，所述储能锂电池单元包括液冷板和锂离子电池单元，所述锂离子电池单元包括若干层叠设置的锂离子电池，所述液冷板贴合覆盖在所述锂离子电池的侧表面。
9.根据权利要求6所述的调频用锂离子电池储能系统，其特征在于，所述第二电动阀门连接在所述第一电动阀门与所述换热器之间的管道上，所述制冷单元用于冷却所述第一电动阀门与所述第二电动阀门之间的管道，所述制冷单元为冷水机或空调。
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