CN114883701B - 一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能电池均衡控温的空调控制方法，使用加速量热仪记录电池不同倍率充电和放电的发热功率随时间的变化曲线。然后电池以0.5 C~2 C进行充电和放电运行，将电池充电和放电过程的发热特性曲线引入电池温度控制策略，在充电和放电过程中根据电池电压和时间调整空调风速和出口温度，实现空调装置对电池温度进行精细化控制。通过该策略实现锂离子电池充放电过程温度的温度变化小于5℃，且空调系统能耗大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池空调降温技术领域，尤其涉及一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法。
背景技术
进入20世纪世界面临环境污染严重、石油资源枯竭、气候变暖等诸多问题,储能技术的研究和发展越来越受到各国能源、交通、电力等部门的重视。电池组作为储能的关键部件，直接影响储能系统的性能。由于储能系统所需电池数目较大,电池均需紧密排列连接。当以不同倍率充放电时，电池会以不同生热速率产生大量热量，加上时间的积累以及空间的影响会产生不均匀热量聚集，从而导致电池组运行环境温度的复杂多变。由于大量电池的密集布置,中间区域必然会聚集较多热量,而边缘较少，导致电池组间单体电池存在较大温差,加剧电池间内阻、容量等的不一致性。如果长时间积累，会造成部分电池过充和过放,进而影响电池的寿命和性能，并造成安全隐患。迫切需要找到一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，进而设计性能良好的电池组热管理系统。
在现有技术中，公开号为CN112331873A，名称为“一种改善锂电池温升的制作方法”的中国发明专利文献，其公开的技术方案通过改善锂电池传统制作流程，可以有效改善传统锂电池温度上升过快的现象，而且具有电压平稳、电解液不易发生分解等优点，有效提高了锂电池的安全性能以及使用寿命，并且制作工艺更加简单，投入的制作成本更加低廉，具备一定的市场前瞻性。再如，公开号为CN112234288A，名称为“一种用于锂电池温度均衡的电池包”的中国发明专利文献，其公开的技术方案提供一种用于锂电池温度均衡的电池包，包括电池管理模块、每件电芯上分别设有一件加热膜和一件液冷板；且液冷板上覆盖有绝热板。该专利采用分布式加热和冷却散热设计，可对电池包内的每一件电芯单独加热或冷却，并可对电池包内的部分电芯加热、另外部分电芯冷却，可做到单个电芯温度的精准控制，温度均衡效率高，能够保证电芯温度长期均匀一致，延长电池包使用寿命。再如，公开号为CN110474005A，名称为“锂电池温度管理箱及锂电池系统”的中国专利文献，提供了一种锂电池温度管理箱及电池系统。锂电池温度管理箱用于承载电池模组，锂电池温度管理箱包括：箱体，箱体内部设有循环水路，箱体的箱壁上设有与循环水路连通的进水口和出水口，箱体的上表面设有柔性导热层，箱体的下表面设有保温层。通过柔性导热层增加电池模组与箱体的热传导同时起到一定缓震作用，通过在箱体内部设置循环水路实现对电池模组的冷却或加热，通过设置保温层对电池模组进行保温，实现对电池模组的温度管理，提高电池模组性能的稳定性。
上述现有技术的专利技术方案分别从锂电制作流程，单电芯管理，电池模组设计管理等多个方面出发，实现对锂电池温度的控制，但均存在商用成本高，实施难等问题，即现有技术中缺乏从电池发热特征出发，将温度控制策略嵌入电池充放电过程中，来效解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明提供了一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，通过监控电池充放电过程的电压曲线，结合温度控制装置进行电池温度的控制。
本发明的技术方案中控制过程为：
一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，包含以下步骤：
步骤1，将需要充电和放电操作的储能电池放入加速量热仪的绝热量热腔中，并为储能电池外接充放电测试设备、在储能电池表面安装温度检测探头，静置20~60分钟；
步骤2，待绝热量热腔中储能电池表面温度稳定后，以0.5 C~2 C恒流将储能电池充电至电压3.65 V，然后以恒压将储能电池充电至充电电流降至0.05 C时停止，充电过程中记录储能电池的发热功率随时间的变化曲线；
步骤3，储能电池充电完成后自然降温，待其表面温度降至室温并稳定后以0.5 C的电流流量将储能电池放电至2.4 V，放电过程中记录储能电池的发热功率随时间的变化曲线，由此得到储能电池充电和放电的发热特性曲线；
步骤4，将需要充电和放电操作的储能电池放入带有空调系统的恒温恒湿箱中，静置20~60分钟，将步骤3中的发热特性曲线引入电池温度控制策略；
步骤5，充电时，以0.5 C~2 C将步骤4中的储能电池充电至电压3.65 V，然后以恒压将储能电池充电至充电电流降至0.05 C时停止，在充电过程中根据发热特性曲线、根据电池电压和时间调整空调风速和出口温度，对电池温度进行精细化控制；
所述步骤5，在充电过程中根据发热特性曲线使用空调装置对电池温度进行精细化控制，其中，空调出风口气流温度为10℃~20℃，风速为0.5 m/s ~2 m/s。
所述步骤5，具体的，在充电过程中当电压到达3.1V充电时间到8分钟时启动空调装置对电池进行降温，出风口温度设置为20℃，空调风速为0.5 m/s；
当充电电压接近3.4V充电时间到38分钟时加大制冷风速至2m/s，出风口温度设置为10℃；
当充电电压到达3.4V充电时间到63分钟时降低风速至1m/s继续降温；
当充电电压超过3.4V充电时间到119分钟时加大制冷风速至2m/s继续降温，出风口温度设置为10℃，直到电池温度降到室温且保持温度。
步骤6，放电时，以0.5 C将步骤4中的储能电池放电至电压2.4 V，在放电过程、根据电池电压和时间调整空调风速和出口温度，对电池温度进行精细化控制；
所述步骤6，放电过程中使用空调装置对电池温度进行精细化控制，其中，空调出风口气流温度为10℃~20℃，风速为0.5 m/s ~2 m/s。
所述步骤6，具体的，在放电电过程中当放电开始时启动空调装置对电池进行降温，出风口温度设置为20℃，空调风速为0.5 m/s；
当放电电压接近3.2V放电时间到70分钟时加大制冷风速至2m/s，出风口温度设置为15℃;
当放电电压到达3.15V放电时间到100分钟时降低风速至1m/s继续降温;
当放电电压到3.1V充电时间到110分钟时加大制冷风速至2m/s继续降温，出风口温度设置为10℃，直到电池温度降到室温。
通过以上策略，可以实现锂离子电池充放电过程温度的温度变化小于5℃，且空调系统能耗大大降低。
所述步骤2和步骤3中，是通过加速量热仪记录电池充电和放电过程发热功率随时间的变化曲线的，其中电池充放电倍率为0.3C ~ 2C。
所述步骤5和步骤6中，空调的出风口包含用于调整出风方向的导流装置，空调的出风方向包括但不限于电池正面、电池侧面和电池底部。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、将电池降温体系的控制策略嵌入电池充放电的曲线过程中，能更好地实现电池温度的精确控制，实现电池温度的主动均衡，相比其他升温后再进行降温，本专利响应更提前。
2、对不同充放电阶段空调的风速进行合理调节，降低空调系统的能耗，降低储能系统的运营成本。
3、在电池充放电过程中，根据不同阶段的电池发热功率数据和电压的关系，实现控制策略的简单有效，不同类型的电池可以实现定制化控制，不需要对单体电芯或模组级别进行特殊设计和改造，降低生产成本。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1是本发明均衡控制锂离子电池充电过程温度的策略示意图；
图2是本发明均衡控制锂离子电池放电过程温度的策略示意图。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
以120 Ah磷酸铁锂方形电池为目标电池，具体步骤如下：
首先，将需要充电和放电操作的磷酸铁锂方形电池放入加速量热仪的绝热量热腔中，外接充放电测试设备，磷酸铁锂方形电池表面安装温度检测探头。
静置20分钟，待温度稳定后以0.5 C恒流充电至电压3.65 V，然后恒压充电至电流降至0.05 C时停止，充电过程中记录电池的发热功率随时间的变化曲线。
充电完成后自然降温，待其温度降至室温并稳定后以0.5 C放电至2.4 V，放电过程中也记录电池的发热功率随时间的变化曲线。由此得到电池充电和放电的发热特性曲线。
然后，将需要充电和放电操作的磷酸铁锂方形电池放入带有空调系统的恒温恒湿箱中，静置20分钟；
以0.5 C恒流充电至电压3.65 V，然后恒压充电至电流降至0.05 C时停止，将电池充电过程的发热特性曲线引入电池温度控制策略，在充电过程中使用空调装置对电池温度进行精细化控制。
具体步骤为在充电过程中当电压到达3.1V充电时间到8分钟时启动空调装置对电池进行降温，出风口温度设置为20℃，空调风速为0.5 m/s，当充电电压接近3.4V充电时间到38分钟时加大制冷风速至2m/s，出风口温度设置为10℃，当充电电压到达3.4V充电时间到63分钟时降低风速至1m/s继续降温，当充电电压超过3.4V充电时间到119分钟时加大制冷风速至2m/s继续降温，出风口温度设置为10℃，直到电池温度降到室温且保持温度。
放电时以0.5 C放电至2.4 V，将电池放电过程的发热特性曲线引入电池温度控制策略，在放电过程中使用空调装置对电池温度进行精细化控制，其中空调出风口气流温度为10℃~20℃，风速为0.5 m/s ~2 m/s。
具体步骤为在放电电过程中当放电开始时启动空调装置对电池进行降温，出风口温度设置为20℃，空调风速为0.5 m/s，当放电电压接近3.2V放电时间到70分钟时加大制冷风速至2m/s，出风口温度设置为15℃，当放电电压到达3.15V放电时间到100分钟时降低风速至1m/s继续降温，当放电电压到3.1V充电时间到110分钟时加大制冷风速至2m/s继续降温，出风口温度设置为10℃，直到电池温度降到室温且保持温度。通过该策略实现锂离子电池充放电过程温度的温度变化小于5℃，且空调系统能耗大大降低。
Claims (7)
1.一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，将需要充电和放电操作的储能电池放入加速量热仪的绝热量热腔中，并为储能电池外接充放电测试设备、在储能电池表面安装温度检测探头，静置20~60分钟；
步骤2，待绝热量热腔中储能电池表面温度稳定后，以0.5 C~2 C恒流将储能电池充电至电压3.65 V，然后以恒压将储能电池充电至充电电流降至0.05 C时停止，充电过程中记录储能电池的发热功率随时间的变化曲线；
步骤3，储能电池充电完成后自然降温，待其表面温度降至室温并稳定后以0.5 C的电流流量将储能电池放电至2.4 V，放电过程中记录储能电池的发热功率随时间的变化曲线，由此得到储能电池充电和放电的发热特性曲线；
步骤4，将需要充电和放电操作的储能电池放入带有空调系统的恒温恒湿箱中，静置20~60分钟，将步骤3中的发热特性曲线引入电池温度控制策略；
步骤5，充电时，以0.5 C~2 C将步骤4中的储能电池充电至电压3.65 V，然后以恒压将储能电池充电至充电电流降至0.05 C时停止，在充电过程中根据发热特性曲线、根据电池电压和时间调整空调风速和出口温度，对电池温度进行精细化控制；
步骤6，放电时，以0.5 C将步骤4中的储能电池放电至电压2.4 V，在放电过程、根据电池电压和时间调整空调风速和出口温度，对电池温度进行精细化控制。
2.如权利要求1所述的一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，其特征在于：所述步骤5，在充电过程中根据发热特性曲线使用空调装置对电池温度进行精细化控制，其中，空调出风口气流温度为10℃~20℃，风速为0.5 m/s ~2 m/s。
3.如权利要求1或2所述的一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，其特征在于，所述步骤5，具体的：
在充电过程中当电压到达3.1V充电时间到8分钟时启动空调装置对电池进行降温，出风口温度设置为20℃，空调风速为0.5 m/s；
当充电电压接近3.4V充电时间到38分钟时加大制冷风速至2m/s，出风口温度设置为10℃；
当充电电压到达3.4V充电时间到63分钟时降低风速至1m/s继续降温；
当充电电压超过3.4V充电时间到119分钟时加大制冷风速至2m/s继续降温，出风口温度设置为10℃，直到电池温度降到室温且保持温度。
4.如权利要求1所述的一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，其特征在于：所述步骤6，放电过程中使用空调装置对电池温度进行精细化控制，其中，空调出风口气流温度为10℃~20℃，风速为0.5 m/s ~2 m/s。
5.如权利要求1或4所述的一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，其特征在于，所述步骤6，具体的：
在放电电过程中当放电开始时启动空调装置对电池进行降温，出风口温度设置为20℃，空调风速为0.5 m/s；
当放电电压接近3.2V放电时间到70分钟时加大制冷风速至2m/s，出风口温度设置为15℃;
当放电电压到达3.15V放电时间到100分钟时降低风速至1m/s继续降温;
当放电电压到3.1V充电时间到110分钟时加大制冷风速至2m/s继续降温，出风口温度设置为10℃，直到电池温度降到室温。
6.如权利要求1所述的一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，其特征在于：所述步骤2和步骤3中，是通过加速量热仪记录电池充电和放电过程发热功率随时间的变化曲线的，其中电池充放电倍率为0.3C ~ 2C。
7.如权利要求1所述的一种均衡控制锂离子电池充放电过程温度的方法，其特征在于：所述步骤5和步骤6中，空调的出风口包含用于调整出风方向的导流装置。
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