CN114865150B - 一种储能用电池系统温度管理方法及系统 - Google Patents

一种储能用电池系统温度管理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储能用电池系统温度管理方法及系统，涉及电化学储能技术领域；首先充分考虑储能用电池系统的充电和放电需求，判定电池系统是否需要执行加热逻辑、冷却逻辑以及均温逻辑给出相应的温度管理策略，最后在开始充电或放电前执行完与充电指令或放电指令相匹配的策略，从而保证电池系统达到状态命令实行过程的需求，实现管控精准且能源的节省的效果。

Description

一种储能用电池系统温度管理方法及系统
技术领域
本发明涉及电化学储能技术领域，具体涉及一种储能用电池系统温度管理方法及系统。
背景技术
储能用锂离子电池系统在设计时，外部设计恒温装置，将电池系统维持在一个合适的温度范围，当外部环境温度较低时，开启制热模式，而当外部环境温度较高时，开启制冷模式，从而保证电池系统外部维持在一个合理的温度范围内。
或者储能用锂离子电池系统设计液冷系统，执行以下热管理控制策略，①当电池系统最低温Tmin＜0℃时，开启加热，加热至Tmin≥15℃时退出加热；②当电池系统最高温Tmin＞50℃时，开启冷却，将电池系统最高温冷却至Tmax＜35℃时，退出冷却。
上述第一种方案只能保证电池系统外部的工作环境温度，无法保证电池系统在充电或放电过程中的最高温或最低温，考虑到长期将电池系统维持在一个合理的温度范围和环境与电池系统之间较低的换热效率，造成巨大的能量消耗。
设计液冷系统方案需要一直将电池系统维持在合理的温度范围内，在电池系统没有进行充电或放电时，也会执行冷却，加热策略，这将会造成巨大的能量消耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统的储能用锂离子电池系统，无法保证电池系统在充电或放电过程中的最高温或最低温，且在电池系统未进行充电或放电时也会执行冷却操作或加热策略，将造成巨大的能量消耗。本发明目的在于提供一种储能用电池系统温度管理方法及系统，充分考虑储能用电池系统的充电放电需求，结合状态命令判定电池系统是否需要加热、冷却以及均温，给出与状态命令相匹配的策略，从而保证电池系统达到状态命令实行过程的需求，实现管控精准且能源的节省的效果，有效解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供一种储能用电池系统温度管理方法，包括步骤：
步骤一：获取电池系统的基础参数；
步骤二：基于基础参数确定接收状态命令，所述状态命令为放电命令或充电命令；
步骤三：根据基础参数和状态命令进行过程温度判断得到与状态命令匹配的温度管理策略；所述温度管理策略包括：不动作、加热逻辑、冷却逻辑和均温逻辑；
步骤四：执行状态命令及与其匹配的温度管理策略。
本方案工作原理：传统的储能用锂离子电池系统，无法保证电池系统在充电或放电过程中的最高温或最低温，且在电池系统未进行充电或放电时也会执行冷却策略或加热策略，将造成巨大的能量消耗；本方案提供的储能用电池系统温度管理方法，首先充分考虑储能用电池系统的充电和放电需求，判定电池系统是否需要执行加热逻辑、冷却逻辑以及均温逻辑，从而保证电池系统达到状态命令实行过程的需求，实现管控精准且能源的节省的效果。
进一步优化方案为，所述基础参数包括：电池系统当前SOC、电池系统最高温Tmax和电池系统最低温Tmin。
进一步优化方案为，所述放电命令包括：放电指令、放电功率Pf、放电时长Δtf和开始放电时刻t1f；
所述充电命令包括：充电指令、充电功率Pc、充电时长Δtc和开始充电时刻t1c。
进一步优化方案为，步骤二包括以下子步骤：
提取电池系统当前SOC值；
判断电池系统当前SOC值是否在阈值范围内，
若是，则接收放电命令；否则，接收充电命令。
进一步优化方案为，步骤三包括以下子步骤：
T3.1：实时采集电池系统的当前最高温度Tmax1和当前最低温度Tmin1，并根据基础参数和状态命令确定电池系统的需求最高温度Tmax0和需求最低温度Tmin0；
T3.2：当满足(Tmin1，Tmax1)∈(Tmin0，Tmax0)时，温度管理策略为不动作；
当Tmin1＜Tmin0时，温度管理策略为加热逻辑；
当Tmax1＞Tmax0时，温度管理策略为冷却逻辑；
当Tmin1＜Tmin0且Tmax1＞Tmax0时，温度管理策略为均温逻辑。
进一步优化方案为，所述加热逻辑包括过程：
计算电池系统由Tmin1加热至Tmin0+2所需时间：ΔtJ'＝C*m*(Tmin0+2-Tmin1)*ηJ/P1J；
式中：C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηJ为电池系统加热效率；P1J为电池系统加热功率；
计算当前时刻t0J距开始充电时刻t1c/的时间：ΔtJ”＝t1c-t0J；
当ΔtJ'≤ΔtJ”时，开启加热。当开始放电或充电时，或满足Tmin≥Tmin0时，退出加热。
进一步优化方案为，所述冷却逻辑包括过程：
计算电池系统由Tmax1冷却至Tmax0-2所需时间：Δt1L＝C*m*(Tmax1-Tmax0+2)*ηL/P2 L；
式中：C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηL为电池系统冷却效率；P2 L为电池系统冷却功率；
计算当前时刻t0 L距开始放电时刻t1f的时间：Δt1L'＝t1-t0 L；
当Δt1 L≤Δt1 L'时，开启冷却；当开始放电或充电时，或满足Tmax＜Tmax0时，退出冷却。
进一步优化方案为，所述均温逻辑包括：
为P3，待冷却电池的冷却功率为P4；
计算电池系统中待加热电池由Tmin1加热至Tmin0+2℃所需时间：
Δt2＝C*m*(Tmin0+2-Tmin1)*ηJ/P3；式中C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηJ为电池系统加热效率；P3为电池系统中待加热电池的加热功率；
计算电池系统中待冷却电池由Tmax1冷却至Tmax0-2℃所需时间；
Δt3＝C*m*(Tmax1-Tmax0+2)*ηL/P4；式中C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηL为电池系统冷却效率；P4为电池系统中待冷却电池的冷却功率；
取Δt4＝max(Δt2，Δt3)；计算当前时刻t0距离开始放电时刻t1f的时间：Δt”＝t1-t0；
当Δt4≤Δt”时，开启均衡策略，当开始放电或充电时，或满足Tmin≥Tmin0且Tmax≤Tmax0时，退出均衡逻辑。
进一步优化方案为，所述均衡策略为将待加热电池加热至温度T，将待冷却电池冷却至温度T。
本方案还提供一种储能用电池系统温度管理系统，包括：采集模块、接收模块、判定模块和执行模块；
所述采集模块用于获取电池系统的基础参数；
所述接收模块用于根据基础参数确定接收状态命令，所述状态命令为放电命令或充电命令；
所述判定模块用于根据基础参数和状态命令进行过程温度判断得到与状态命令匹配的温度管理策略；所述温度管理策略包括：不动作、加热逻辑、冷却逻辑和均温逻辑
所述执行模块用于执行状态命令及与其匹配的温度管理策略。
储能用电池系统当前的应用场景比较复杂，分别对应着高温、低温，低温工况下，需要对电池系统进行加热处理，从而满足储能用电池系统的补能时刻或放电时刻的功率要求；高温工况下，需要对电池系统进行冷却处理，防止电池系统在放电过程中出现温度过高现象(温度过高，一般意义上时不允许电池系统超过55℃，此时电池系统充/放电功率直接降为0kW，无法做到满足补能、放电功率)；本发明的核心是通过预加热(加热逻辑)、预冷却(冷却逻辑)的温度管理策略，目的是通过接收电网端充放电负荷(充放电功率)，充放电时间、时长等关键信息，提前加热或冷却电池，使得电池系统在达到放电或充电时刻时，电池系统的充电或放电功率满足要求，并且可以有效地维持电池系统在充电、放电过程中，电池系统的温度不会出现超温的现象；
本方案提供的温度管理策略是储能用锂离子电池系统的核心考虑，温度是锂离子电池系统的安全、寿命、电性能的核心因子，低温大倍率充电，可能会导致电池系统低温析锂(诱发电池系统内短路的因素之一，造成热失控风险)；低温大倍率放电，可能会提前导致电池系统进入截止电压状态，表现为电池系统低温时刻明明有电，但是无法放出来；高温是锂离子电芯循环寿命的核心因素之一，在高温状态下锂离子电池系统的充电功率和放电功率均会发生一定的衰减，另在极端工况下(比如析锂电芯、有微短路故障电芯)，高温时刻可能直接诱发热失控等风险；本方案中首先进行初步先进行充电还是放电状态判定，当满足充电或放电条件下才启动后续的温度控制策略，通过加热逻辑、冷却逻辑和均衡逻辑再次进行实况判断，根据实际充分考充分考虑储能用电池系统的充/放电需求，判定电池系统是否需要加热、冷却以及均温，当判定需要加热、冷却或均温时，计算何时开启该策略，从而保证电池系统在指定的时间内达到功率需求，实现能源的节省的同时有效解决了上述问题。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种储能用电池系统温度管理方法及系统，首先充分考虑储能用电池系统的充电和放电需求，判定电池系统是否需要执行加热逻辑、冷却逻辑以及均温逻辑，最后在开始充电或放电前执行完与充电指令或放电指令相匹配的策略，从而保证电池系统达到状态命令实行过程的需求，实现管控精准且能源的节省的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为储能用电池系统温度管理方法流程示意图；
图2为过程温度判断流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种储能用电池系统温度管理方法，如图1所示，包括步骤：
步骤一：获取电池系统的基础参数；
步骤二：基于基础参数确定接收状态命令，所述状态命令为放电命令或充电命令；
步骤三：根据基础参数和状态命令进行过程温度判断得到与状态命令匹配的温度管理策略；所述温度管理策略包括：不动作、加热逻辑、冷却逻辑和均温逻辑
步骤四：执行状态命令及与其匹配的温度管理策略。
基础参数包括：电池系统当前SOC、电池系统最高温Tmax和电池系统最低温Tmin。
放电命令包括：放电指令、放电功率Pf、放电时长Δtf和开始放电时刻t1f；
充电命令包括：充电指令、充电功率Pc、充电时长Δtc和开始充电时刻t1c。
步骤二包括以下子步骤：
提取电池系统当前SOC值；
判断电池系统当前SOC值是否在阈值范围内，
若是，则接收放电命令；否则，接收充电命令。
如图2所示，步骤三包括以下子步骤：
T3.1：实时采集电池系统的当前最高温度Tmax1和当前最低温度Tmin1，并根据基础参数和状态命令确定电池系统的需求最高温度Tmax0和需求最低温度Tmin0；
T3.2：当满足(Tmin1，Tmax1)∈(Tmin0，Tmax0)时，温度管理策略为不动作；
当Tmin1＜Tmin0时，温度管理策略为加热逻辑；
当Tmax1＞Tmax0时，温度管理策略为冷却逻辑；
当Tmin1＜Tmin0且Tmax1＞Tmax0时，温度管理策略为均温逻辑。
加热逻辑包括过程：
计算电池系统由Tmin1加热至Tmin0+2所需时间：ΔtJ'＝C*m*(Tmin0+2-Tmin1)*ηJ/P1J；
式中：C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηJ为电池系统加热效率；P1J为电池系统加热功率；
计算当前时刻t0J距开始充电时刻t1c/的时间：ΔtJ”＝t1c-t0J；
当ΔtJ'≤ΔtJ”时，开启加热。
冷却逻辑包括过程：
计算电池系统由Tmax1冷却至Tmax0-2所需时间：Δt1L＝C*m*(Tmax1-Tmax0+2)*ηL/P2 L；
式中：C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηL为电池系统冷却效率；P2 L为电池系统冷却功率；
计算当前时刻t0 L距开始放电时刻t1f的时间：Δt1L'＝t1-t0 L；
当Δt1 L≤Δt1 L'时，开启冷却。
均温逻辑包括：
为P3，待冷却电池的冷却功率为P4；
计算电池系统中待加热电池由Tmin1加热至Tmin0+2℃所需时间：
Δt2＝C*m*(Tmin0+2-Tmin1)*ηJ/P3；式中C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηJ为电池系统加热效率；P3为电池系统中待加热电池的加热功率；
计算电池系统中待冷却电池由Tmax1冷却至Tmax0-2℃所需时间；
Δt3＝C*m*(Tmax1-Tmax0+2)*ηL/P4；式中C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηL为电池系统冷却效率；P4为电池系统中待冷却电池的冷却热功率；
取Δt4＝max(Δt2，Δt3)；计算当前时刻t0距离开始放电时刻t1f的时间：Δt”＝t1-t0；
当Δt4≤Δt”时，开启均衡策略。
均衡策略为将待加热电池加热至温度T，将待冷却电池冷却至温度T。
实施例2
本实施例提供一种储能用电池系统温度管理系统，包括：采集模块、接收模块、判定模块和执行模块；
所述采集模块用于获取电池系统的基础参数；
所述接收模块用于根据基础参数确定接收状态命令，所述状态命令为放电命令或充电命令；
所述判定模块用于根据基础参数和状态命令进行过程温度判断得到与状态命令匹配的温度管理策略；所述温度管理策略包括：不动作、加热逻辑、冷却逻辑和均温逻辑
所述执行模块用于执行状态命令及与其匹配的温度管理策略。
本发明技术方案可以充分考充分考虑储能用电池系统的充/放电需求，判定电池系统是否需要加热、冷却以及均温，当判定需要加热、冷却或均温时，计算何时开启该策略，从而保证电池系统在指定的时间内达到功率需求，可实现能源的节省；
发明技术方案可已基于此方案拓展性较强，适合不同的场景需求，可以考虑实时性；
利用储能用锂离子电池系统热管理控制策略，可以极大的满足对于电池系统充/放电功率需求；拓展性较强，适应性较强，在满足充/放电功率需求的同时，可以降低用于热管理的能耗。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种储能用电池系统温度管理方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一：获取电池系统的基础参数；
步骤二：基于基础参数确定接收状态命令，所述状态命令为放电命令或充电命令；
步骤三：根据基础参数和状态命令进行过程温度判断得到与状态命令匹配的温度管理策略，所述温度管理策略包括：不动作、加热逻辑、冷却逻辑和均温逻辑；
所述加热逻辑包括过程：
计算电池系统由Tmin1加热至Tmin0+2所需时间：
ΔtJ'＝C*m*(Tmin0+2-Tmin1)*ηJ/P1J；
式中：C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηJ为电池系统加热效率；P1J为电池系统加热功率；
计算当前时刻t0J距开始充电时刻t1c/的时间：ΔtJ”＝t1c-t0J；
当ΔtJ'≤ΔtJ”时，开启加热；
所述冷却逻辑包括过程：
计算电池系统由Tmax1冷却至Tmax0-2所需时间：
Δt1L＝C*m*(Tmax1-Tmax0+2)*ηL/P2 L；
式中：C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηL为电池系统冷却效率；P2L为电池系统冷却功率；
计算当前时刻t0 L距开始放电时刻t1f的时间：Δt1L'＝t1-t0 L；
当Δt1 L≤Δt1 L'时，开启冷却；
所述均温逻辑包括：
计算电池系统中待加热电池由Tmin1加热至Tmin0+2℃所需时间：
Δt2＝C*m*(Tmin0+2-Tmin1)*ηJ/P3；式中C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηJ为电池系统加热效率；P3为电池系统中待加热电池的加热功率；
计算电池系统中待冷却电池由Tmax1冷却至Tmax0-2℃所需时间；
Δt3＝C*m*(Tmax1-Tmax0+2)*ηL/P4；式中C为电池系统比热；m为电池系统质量；ηL为电池系统冷却效率；P4为电池系统中待冷却电池的冷却功率；
取Δt4＝max(Δt2，Δt3)；计算当前时刻t0距离开始放电时刻t1f的时间：Δt”＝t1-t0；
当Δt4≤Δt”时，开启均衡策略；
所述均衡策略为将待加热电池加热至温度T，将待冷却电池冷却至温度T；
步骤四：执行状态命令及与其匹配的温度管理策略；
所述基础参数包括：电池系统当前SOC、电池系统最高温Tmax和电池系统最低温Tmin；
所述放电命令包括：放电指令、放电功率Pf、放电时长Δtf和开始放电时刻t1f；
所述充电命令包括：充电指令、充电功率Pc、充电时长Δtc和开始充电时刻t1c；
步骤二包括以下子步骤：
提取电池系统当前SOC值；
判断电池系统当前SOC值是否在阈值范围内，
若是，则接收放电命令；否则，接收充电命令；
步骤三包括以下子步骤：
T3.1：实时采集电池系统的当前最高温度Tmax1和当前最低温度Tmin1，并根据基础参数和状态命令确定电池系统的需求最高温度Tmax0和需求最低温度Tmin0；
T3.2：当满足(Tmin1，Tmax1)∈(Tmin0，Tmax0)时，温度管理策略为不动作；
当Tmin1＜Tmin0时，温度管理策略为加热逻辑；
当Tmax1＞Tmax0时，温度管理策略为冷却逻辑；
当Tmin1＜Tmin0且Tmax1＞Tmax0时，温度管理策略为均温逻辑。
2.一种储能用电池系统温度管理系统，应用于权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：采集模块、接收模块、判定模块和执行模块；
所述采集模块用于获取电池系统的基础参数；
所述接收模块用于根据基础参数确定接收状态命令，所述状态命令为放电命令或充电命令；
所述判定模块用于根据基础参数和状态命令进行过程温度判断得到与状态命令匹配的温度管理策略；所述温度管理策略包括：不动作、加热逻辑、冷却逻辑和均温逻辑
所述执行模块用于执行状态命令及与其匹配的温度管理策略。
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