CN112883596A - 低温下电池储能系统高效率工作方法 - Google Patents

低温下电池储能系统高效率工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温下电池储能系统高效率工作方法。本发明以两种电池联合调度为例建立储能系统框架，选择磷酸铁锂电池和钛酸锂电池进行联合调度使两块电池优势互补；接着，建立考虑温度对电池输入输出效率影响的两种电池联合调度储能系统模型；最后，给出在低温下由钛酸锂电池和磷酸铁锂电池构成的电池储能系统的最优调度方案。通过以上步骤，本发明实现了低温下电池储能系统高效率的电能输出，实现了不同种类电池的优势互补，同时还保证了总体成本较低。

Description

低温下电池储能系统高效率工作方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，特别涉及低温下电池储能系统。
背景技术
随着可再生能源比例不断提高，为了保证供电稳定，储能也越来越多的被使用。然而储能每分钟的输出效率受温度影响很大；中国北方部分地区冬季气温会达到-20℃以下，而电池储能系统大多是由磷酸铁锂电池组成，其低温下性能很差。在-20℃时，磷酸铁锂电池的放电效率仅为常温时的30%左右，且几乎无法充电。若用钛酸锂电池取代磷酸铁锂电池来制作电池储能系统，虽然低温下输入输出效率高，但是成本高昂且能量密度较低。
综合来看，磷酸铁锂电池低温启动能力差，低温下输入输出效率低，但能量密度高且便宜。钛酸锂低温启动能力好，低温下输入输出效率高，但能量密度低且昂贵。所以，目前单一电池种类储能系统在低温下有显著不足。
发明内容
为了解决此问题，本发明提出一种低温下电池储能系统高效率低成本工作方法，其联合调度了低温性能好但是昂贵且能量密度的低的钛酸锂电池、低温性能差但是便宜且能量密度高的磷酸铁锂电池，让这两种电池优势互补，以实现低温下电池储能系统的高效率低成本工作。
本发明为解决以上技术问题，采用以下技术方案：
本发明提出一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，建立多种电池构成的储能系统框架，以各类电池优势互补为基础构建储能系统优化模型，使用求解器求解该优化模型，得到在低温下由多种电池构成的电池储能系统的最优调度方案。
进一步的，本发明所提出的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，储能系统由钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、加热设备组成，先用钛酸锂电池给加热设备充电，提高储能仓内温度，待温度达到一定范围时，再由磷酸铁锂电池执行充放电工作；构建优化模型如下所示：
，
其中，电系统的平衡模型如下（a1）至（a10）所示：
（a1）
（a2）
（a3）
（a4）
式中，是磷酸铁锂电池内部消耗的电能，是磷酸铁锂电池输出效率，是磷酸铁锂电池输出的总电能；是磷酸铁锂电池向外输出的功率，是磷 酸铁锂电池输送给加热设备的功率；是钛酸锂电池内部消耗的电能，是钛酸 锂电池输出效率，是钛酸锂电池输出的总电能；是钛酸锂电池向外输出的功 率，是钛酸锂电池输送给加热设备的功率；
式(a1)(a2)中电池组的效率受温度影响，如式（a5）-（a6）所示：
（a5）
（a6）
其中，是储能仓内温度，是拟合系数。此外，两组电池消耗的 总电能不能超过其存储的最大电能和，两组电池发出的功率不能超过其最大 功率和；即：
（a7）
（a8）
（a9）
（a10）
热平衡模型如下（a11）至（a14）所示：
（a11）
式(a11)表示仓体内增加的热量之和等于热电容乘以仓体内温度的改变量，表示磷酸铁锂电池发出的热量、表示钛酸锂电池发出的热量、表示加热器发 出的热量，为仓体外的温度，为仓体内温度，为热电阻；
两块电池发出的热量和仓体内的温度线性相关，电池放出热量和温度的关系如下：
（a12）
（a13）
加热器发出的热量正比于其电压电流的乘积，也即正比于加热器消耗的电 能
（a14）
式中，都是拟合系数。
进一步的，本发明所提出的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，电池采用脉冲式的放电方法。
进一步的，本发明所提出的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，在放电过程即将结束的时候，停止向加热设备供电。
进一步的，本发明所提出的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，在放电过程中，通过调节加热设备消耗的功率和电池自身输出功率，在考虑制热耗电的同时，把储能仓内温度控制在合适电池工作的程度，从而使电池输出效率最高。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，所具有的进步在于：
本发明通过多种电池联合调度以实现多种电池的优势互补，解决了单一电池种类储能系统在低温下要么输入输出效率低，要么价格昂贵且能量密度低的问题，实现了低温下电池储能系统高效率低成本的工作。
同时，本发明以两种电池联合调度为例建立储能系统框架，并选择磷酸铁锂电池和钛酸锂电池进行联合调度，在联合调度中本发明发挥了钛酸锂电池低温下输入输出效率高的优势和磷酸铁锂成本低且能量密度高的优势。
采用本发明的方法，在低温下输出每千瓦时电能所需成本和电池系统重量都显著低于目前单一电池种类储能系统，因此具有极其重要的意义。
附图说明
图1是储能方舱电系统说明图。
图2是储能方舱热系统说明图。
图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明设计的电池储能系统电系统说明如图1所示，电池储能系统热系统如图2所示。具体包括以下内容：
如图1所示，两块电池以一定的效率向外输出电能之后，一部分电能向外界负荷供电，一部分电能供给加热设备。加热设备通电之后会提高电池的温度，从而提高电池的输出效率。
如图2所示，电池储能系统内有三个热源。1.加热设备向外放出热量，2.磷酸铁锂电池工作的时会发热，3.钛酸锂电池在工作的时候也会发热。此外，储能仓也一直在和外界交换热量。通过控制三个热源发出的热量，可以把电池储能系统内保持合适的温度，从而让电池高效率的输出。
结合图3所示，下面详细介绍本发明的一种低温下高效率低成本电池储能系统工作方法的具体实施例：
本发明把多种电池联合调度，使其优势互补，实现了电池储能系统低温下高效率的工作。钛酸锂电池低温性能好，但是昂贵，且能量密度低。磷酸铁锂电池低温性能较差，但是相对便宜，且能量密度高。把两者结合，用少量钛酸锂电池先给加热设备充电，提高储能仓内温度，从而提高磷酸铁锂电池的充电放电效率。然后再用大量磷酸铁锂电池执行充放电工作。因为钛酸锂数量较少，而磷酸铁锂铁锂数量较多。所以这两种电池组合之后，价格较为便宜，且能量密度较高。此外，低温性能也非常好。
其中，储能方舱电系统的建模方法是：
（a1）
式中，是磷酸铁锂电池内部消耗的电能，是磷酸铁锂电池输出效 率，是磷酸铁锂电池输出的总电能。
（a2）
式中，是磷酸铁锂电池向外输出的功率，是磷酸铁锂电池输送给加热 设备的功率。
（a3）
式中，是钛酸锂电池内部消耗的电能，是钛酸锂电池输出效率，是钛酸锂电池输出的总电能。
（a4）
式中，是钛酸锂电池向外输出的功率，是钛酸锂电池输送给加热设 备的功率。
式(a1)(a2)中电池组的效率受温度影响，本发明拟合了实测数据，结果如式（a5）-（a6）所示。
（a5）
（a6）
式中，是储能仓内温度，是拟合系数。此外，两组电池消耗 的总电能不能超过其存储的最大电能和。两组电池发出的功率不能超过其 最大功率和。
（a7）
（a8）
（a9）
（a10）
本发明的热模型如下所示：
储能仓在热平衡方面和建筑物很相似。因此，本发明采用了和建筑物相似的热平衡模型。
储能仓内部有三个热源，分别是磷酸铁锂电池发出的热量、钛酸锂电池发出 的热量、加热器发出的热量。同时，储能仓一直和外部交换热量，数值为仓体外的 温度和仓体内温度的差值除以热电阻。如式a(11)所示，仓体内增加的热量之和 等于热电容乘以仓体内温度的改变量。
（a11）
式(a11)中和和电流以及电池内阻有关。本发明中，电池输出电流变化较 小，为避免非线性，设定为常数。而电池内阻和温度有关，所以如式(a12)(a13)所示，两块电 池发出的热量和仓体内的温度线性相关。本发明基于人工智能和实测数据得到了电池放出 热量和温度的关系。
（a12）
（a13）
加热器发出的热量正比于其电压电流的乘积，也即正比于加热器消耗的电能。
（a14）
式中，都是拟合系数。
本发明以两种电池输出总电能最多为目标函数，构建了优化模型如下所示
（a15）
（a16）
本发明使用求解器求解上述优化模型，得到了两种电池储能的最优调度。当外界温度为-30摄氏度，储能仓热电阻为23℃/kW,热电容为20kJ/℃，磷酸铁锂电池容量为248kWh，钛酸锂电池容量为122kWh时，以1小时内输出电能最多为目标的最优调度如下。
磷酸铁锂电池每分钟供给给加热器的功率如表a1所示：
表a1 磷酸铁锂电池供给加热器的功率
第1分钟 第2分钟 第3分钟 第4分钟 第5分钟 第6分钟 第7分钟 第8分钟 第9分钟 第10分钟
功率(kW) 5 5 0 0 2.14 2.04 2.04 0 2.04 0
第11分钟 第12分钟 第13分钟 第14分钟 第15分钟 第16分钟 第17分钟 第18分钟 第19分钟 第20分钟
功率(kW) 2.04 0 2.04 2.04 0 0 2.04 0 0 2.04
第21分钟 第22分钟 第23分钟 第24分钟 第25分钟 第26分钟 第27分钟 第28分钟 第29分钟 第30分钟
功率(kW) 0 0 0 0 2.04 0 0 0 2.04 2.04
第31分钟 第32分钟 第33分钟 第34分钟 第35分钟 第36分钟 第37分钟 第38分钟 第39分钟 第40分钟
功率(kW) 0 2.04 2.04 2.04 2.04 2.04 0 2.04 0 0
第41分钟 第42分钟 第43分钟 第44分钟 第45分钟 第46分钟 第47分钟 第48分钟 第49分钟 第50分钟
功率(kW) 2.04 2.04 0 2.04 0 0 2.04 0 2.04 2.04
第51分钟 第52分钟 第53分钟 第54分钟 第55分钟 第56分钟 第57分钟 第58分钟 第59分钟 第60分钟
功率(kW) 2.04 0 2.04 0 0 2.04 0 2.04 2.04 0
磷酸铁锂电池每分钟向外输出电能如表a2所示：
表a2 磷酸铁锂电池向外输出功率
第1分钟 第2分钟 第3分钟 第4分钟 第5分钟 第6分钟 第7分钟 第8分钟 第9分钟 第10分钟
功率(kW) 36.4 78.5 139.5 170.4 215.8 217.5 217.5 219.6 217.5 219.6
第11分钟 第12分钟 第13分钟 第14分钟 第15分钟 第16分钟 第17分钟 第18分钟 第19分钟 第20分钟
功率(kW) 217.5 219.6 217.5 219.6 219.6 217.5 219.6 219.6 217.5 219.6
第21分钟 第22分钟 第23分钟 第24分钟 第25分钟 第26分钟 第27分钟 第28分钟 第29分钟 第30分钟
功率(kW) 219.6 219.6 219.6 219.6 217.5 219.6 219.6 219.6 217.5 217.5
第31分钟 第32分钟 第33分钟 第34分钟 第35分钟 第36分钟 第37分钟 第38分钟 第39分钟 第40分钟
功率(kW) 219.6 217.5 217.5 217.5 217.5 217.5 219.6 217.5 219.6 219.6
第41分钟 第42分钟 第43分钟 第44分钟 第45分钟 第46分钟 第47分钟 第48分钟 第49分钟 第50分钟
功率(kW) 217.5 217.5 219.6 217.5 219.6 219.6 217.5 219.6 217.5 217.5
第51分钟 第52分钟 第53分钟 第54分钟 第55分钟 第56分钟 第57分钟 第58分钟 第59分钟 第60分钟
功率(kW) 217.5 219.6 217.5 219.6 219.6 217.5 219.6 217.5 217.5 219.6
钛酸锂电池每分钟供给给加热器的电能如表a3所示：
表a3 钛酸锂电池供给加热器的功率
第1分钟 第2分钟 第3分钟 第4分钟 第5分钟 第6分钟 第7分钟 第8分钟 第9分钟 第10分钟
功率(kW) 0 0 5 5 0 0 0 2.04 0 2.04
第11分钟 第12分钟 第13分钟 第14分钟 第15分钟 第16分钟 第17分钟 第18分钟 第19分钟 第20分钟
功率(kW) 0 2.04 0 0 2.04 2.04 0 2.04 2.04 0
第21分钟 第22分钟 第23分钟 第24分钟 第25分钟 第26分钟 第27分钟 第28分钟 第29分钟 第30分钟
功率(kW) 2.04 2.04 2.04 2.04 0 2.04 2.04 2.04 0 0
第31分钟 第32分钟 第33分钟 第34分钟 第35分钟 第36分钟 第37分钟 第38分钟 第39分钟 第40分钟
功率(kW) 2.04 0 0 0 0 0 2.04 0 2.04 2.04
第41分钟 第42分钟 第43分钟 第44分钟 第45分钟 第46分钟 第47分钟 第48分钟 第49分钟 第50分钟
功率(kW) 0 0 2.04 0 2.04 2.04 0 2.04 0 0
第51分钟 第52分钟 第53分钟 第54分钟 第55分钟 第56分钟 第57分钟 第58分钟 第59分钟 第60分钟
功率(kW) 0 2.04 0 2.04 2.04 0 2.04 0 0 0
钛酸锂电池每分钟向外输出电能如表a4所示：
表a4 钛酸锂电池向外输出的功率
第1分钟 第2分钟 第3分钟 第4分钟 第5分钟 第6分钟 第7分钟 第8分钟 第9分钟 第10分钟
功率(kW) 114.3 119.6 115 0 0.9 0.9 0.9 186 0.9 0
第11分钟 第12分钟 第13分钟 第14分钟 第15分钟 第16分钟 第17分钟 第18分钟 第19分钟 第20分钟
功率(kW) 0.9 186 220.8 220.8 187.2 0 0.9 0 0 189.2
第21分钟 第22分钟 第23分钟 第24分钟 第25分钟 第26分钟 第27分钟 第28分钟 第29分钟 第30分钟
功率(kW) 218.7 218.7 218.7 218.7 157.2 219 187 0 188 0.9
第31分钟 第32分钟 第33分钟 第34分钟 第35分钟 第36分钟 第37分钟 第38分钟 第39分钟 第40分钟
功率(kW) 0 189.2 220.8 220.8 220.8 189 0 189. 219 219
第41分钟 第42分钟 第43分钟 第44分钟 第45分钟 第46分钟 第47分钟 第48分钟 第49分钟 第50分钟
功率(kW) 220.8 220.8 186 0.9 186 0 0.9 0 0.9 0.9
第51分钟 第52分钟 第53分钟 第54分钟 第55分钟 第56分钟 第57分钟 第58分钟 第59分钟 第60分钟
功率(kW) 0.9 0 189.2 0 187.2 189 0 0.9 0.9 0.9
在电池总容量一致的条件下，本发明对比了纯磷酸铁锂电池，纯钛酸锂电池和两种电池联合调度在低温下的表现，结果如表1所示。
表1 单一电池种类储能系统和多电池储能系统对比
编号 电池组成 总重量（kg） 总成本（元） 输出的总电能（kWh）
1 370kWh磷酸铁锂电池 2846 555000 69.92
2 370kWh钛酸锂电池 4933 1776000 187.96
3 122kWh磷酸铁锂电池,248kWh钛酸锂电池和加热装置 3544 960000 313.6
结果表明本发明所提方法在总重量较轻，总成本较低的情况下，低温下输出的总电能是纯磷酸铁锂电池输出总电能的448.5%，是纯钛酸锂电池输出电能的166.8%。此外，案例1中每输出1kWh电能需要7937.6元的成本和40.7kg的负重；案例2中每输出1kWh电能需要9448.82元的成本和26.24kg的负重；案例3中每输出1kWh电能需要3115.4元的成本和11.4kg的负重。所以，本发明所提方法输出每kWh电能所需成本仅为纯磷酸铁锂电池的37%，为纯钛酸锂电池的32.9%。本发明所提方法输出每kWh电能所需负重仅为纯磷酸铁锂电池的28%，为纯钛酸锂电池的43.4%。由此可以看出，本发明对比现有方法有显著优势，因此具有重要意义。
本发明在-30℃的环境下，以由122kWh钛酸锂电池，248kWh磷酸铁锂电池和加热设备构成的电池储能系统为测试对象，测试了本发明提出的方法的有效性。结果显示，本发明所提方法输出每kWh电能所需成本仅为纯磷酸铁锂电池的37%，为纯钛酸锂电池的32.9%。本发明所提方法输出每kWh电能所需负重仅为纯磷酸铁锂电池的28%，为纯钛酸锂电池的43.4%。
由此可见，本发明所提出的方法实现了低温下电池储能系统高效率的工作。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，其特征在于，建立多种电池构成的储能系统框架，以各类电池优势互补为基础构建储能系统优化模型，使用求解器求解该优化模型，得到在低温下由多种电池构成的电池储能系统的最优调度方案。
2.如权利要求1所述的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，其特征在于：储能系统由钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、加热设备组成，先用钛酸锂电池给加热设备充电，提高储能仓内温度，待温度达到一定范围时，再由磷酸铁锂电池执行充放电工作；构建优化模型如下所示：
，
其中，电系统的平衡模型如下（a1）至（a10）所示：
（a1）
（a2）
（a3）
（a4）
式中，是磷酸铁锂电池内部消耗的电能，是磷酸铁锂电池输出效率，是磷酸铁锂电池输出的总电能；是磷酸铁锂电池向外输出的功率，是 磷酸铁锂电池输送给加热设备的功率；是钛酸锂电池内部消耗的电能，是钛 酸锂电池输出效率，是钛酸锂电池输出的总电能；是钛酸锂电池向外输出 的功率，是钛酸锂电池输送给加热设备的功率；
式(a1)(a2)中电池组的效率受温度影响，如式（a5）-（a6）所示：
（a5）
（a6）
其中，是储能仓内温度，是拟合系数；
此外，两组电池消耗的总电能不能超过其存储的最大电能和，两组电池 发出的功率不能超过其最大功率和；即：
（a7）
（a8）
（a9）
（a10）
热平衡模型如下（a11）至（a14）所示：
（a11）
式(a11)表示仓体内增加的热量之和等于热电容乘以仓体内温度的改变量，表 示磷酸铁锂电池发出的热量、表示钛酸锂电池发出的热量、表示加热器发出的热 量，为仓体外的温度，为仓体内温度，为热电阻；
两块电池发出的热量和仓体内的温度线性相关，电池放出热量和温度的关系如下：
（a12）
（a13）
加热器发出的热量正比于其电压电流的乘积，也即正比于加热器消耗的电能
（a14）
式中，都是拟合系数。
3.如权利要求1或2任一所述的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，其特征在于：电池采用脉冲式的放电方法。
4.如权利要求2所述的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，其特征在于：在放电过程即将结束的时候，停止向加热设备供电。
5.如权利要求1所述的一种低温下电池储能系统的高效率工作方法，其特征在于：在放电过程中，通过调节加热设备消耗的功率和电池自身输出功率，在考虑制热耗电的同时，把储能仓内温度控制在合适电池工作的程度，从而使电池输出效率最高。
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