CN116538743A - 一种冷水机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷水机的控制方法，其创新点在于：所述控制装置可采集储能系统所有电芯温度信号和投运状态，进而识别最高电芯温度和最低电芯温度，求解电芯平均温度，采集冷水机供水温度信号，通过设定最高、最低供水温度报警值，确保供水温度在电芯允许范围内波动，通过直接分析储能系统电芯温度信号，了解电芯发热量和冷却需求的变化，控制冷水机内部水泵、压缩机、加热器的工作状态，使冷水机的运行状态更适应电芯的换热需求；本发明可根据电芯温度变化速率，提前预判热负载变化，提前进入对应工作模式，保证供液温度、电芯温度平稳波动，同时实现节能效果，进而为电芯提供一种精准、稳定可控的液冷系统。

Description

一种冷水机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种冷水机的控制方法，属于电池储能液冷系统技术领域。

背景技术

目前，应用于储能液冷系统的冷水机，由上位机BMS分析电芯工作和温度状态，进而下发冷水机的启停和工作模式等指令，然后冷水机控制装置以供水温度为目标，进而控制冷水机内部水泵、压缩机和加热器等部件运行。

随着储能液冷系统工程的应用和实验研究，以上冷水机控制策略逐渐暴露出一些问题，具体如下：

实验表明，电芯充放电初期，存在电芯温度上升时，但供水温度已控制在目标范围内，此时冷水机会调节压缩机降频使用，导致电芯温度上升速率加快；

电芯充放电末期或充放电结束，电芯温度上升速度开始变慢或开始降温，此时电芯已无冷却需求或只需缓慢冷却，在下次放/充电前冷却至初始温度即可，但此时水温仍高于目标值，压缩机会处于高频或升频状态，造成电芯温度急速下降，电芯温度波动较大，同时制冷过程也造成电能的浪费，不能做到节能环保。

以上两个问题的根本原因在于，冷水机内部压缩机等部件的控制是已供水温度为控制目标，并不是直接以电芯温度为控制目标，造成控制的滞后和偏差，冷水机直接以电芯温度为控制目标将解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种冷水机的控制方法，通过直接分析储能系统电芯温度的变化，了解电芯发热量和冷却需求的变化，控制冷水机内部元器件的不同工作状态，进而为电芯提供一种精准、稳定可控的液冷系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种冷水机的控制方法，其创新点在于：其具体的步骤是：

步骤S1：①由冷水机的控制装置设定储能系统电芯温度的高定值T1、电芯温度的低定值T2、温升速率定值v、制冷回差定值△T1以及加热回差定值△T2，

②由冷水机的控制装置采集储能系统所有电芯温度信号以及储能系统的投运状态，识别电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin，求解电芯的平均温度Tmean，

步骤S2：所述冷水机的控制装置判断电芯的温度状态，当Tmin＞T1时，即电芯的最低温度Tmin大于电芯温度的高定值T1，则冷水机进入制冷模式，此时实施步骤S3；当Tmax＜T2时，即电芯的最高温度Tmax小于电芯温度的低定值T2，则冷水机进入加热模式，此时实施步骤S4；当Tmin≤T1且Tmax≥T2，且冷水机的控制装置接收到储能系统处于投运状态时，则启动冷水机的水泵进入自循环模式，此时实施步骤S5；当Tmin≤T1且Tmax≥T2，且储能系统处于待机状态，则不启动水泵，冷水机亦处于待机状态，

步骤S3：当冷水机进入制冷模式时，启动水泵和压缩机，

冷水机的控制装置结合电芯的平均温度Tmean及温度变化的实际速率来调节压缩机的工作状态，当电芯的平均温度Tmean处于上升状态，且温升的实际速率V≥v℃/min时，则压缩机根据电芯温度升频，直到升频过程中供水温度低于报警值时，停止升频；当电芯的平均温度Tmean处于上升状态，且温升的实际速率V＜v℃/min时，则压缩机保持原工作频率，其他状态下，压缩机降频运行，

当电芯的最高温度Tmax＜T1-△T1时，停止压缩机运行，并且冷水机退出制冷模式；

步骤S4：当冷水机进入制热模式时，启动水泵和加热器，

冷水机的控制装置根据电芯的最低温度Tmin及供水温度来控制加热器的启停，当电芯的最低温度Tmin大于T2+△T2或供水温度高于报警值时，加热器停止运行，

并且冷水机退出加热模式；

步骤S5：当冷水机进入自循环模式时，启动水泵，

冷水机的控制装置根据电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin以及储能系统投运状态控制水泵启停，

当储能系统处于待机状态，且Tmin≤T1且Tmax≥T2时，停止水泵运行，冷水机退出自循环模式，

步骤S6：重复以上步骤，直至储能系统处于待机且根据电芯的实际温度无需对其制冷或加热，冷水机也随之进入待机状态，完成水冷机工作模式的控制。

在上述技术方案中，所述步骤S1中获取电芯的平均温度Tmean通过加权平均方法实现：

，

其中，T_ {mean} 是电芯温度均值，T_ {i} 是第 i 个温度传感器的测量值，w_{i} 是第 i 个温度传感器的权重系数，n是温度传感器的总数。

在上述技术方案中，所述步骤S3中对压缩机的升频和降频过程采用PID方法进行控制，具体方法如下：

u（t） = Kpe（t） + Ki∫e（t）dt + Kd*de/dt

其中，u（t）是控制器的输出信号，即压缩机频率，e（t）是设定值与过程变量之间的误差，Kp、Ki和Kd是比例增益、积分增益和微分增益，∫e（t）dt表示误差的积分，de/dt表示误差的变化率。

本发明所具有的积极效果是：采用本发明的冷水机的控制方法后，由于本发明的具体步骤是：冷水机控制装置采集储能系统所有电芯温度及储能系统的投运状态，识别电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin，求解电芯的平均温度Tmean，根据电芯温度和投运状态，确定冷水机工作模式，若冷水机进入制冷模式，启动水泵和压缩机，根据电芯的平均温度Tmean、温升速率及供水温度，控制压缩机，直到压缩机停止运行，退出制冷模式，若冷水机进入加热模式，启动水泵和加热器，根据电芯的最低温度Tmin以及供水温度，控制加热器，直到加热器停止运行，退出加热模式，若冷水机进入自循环模式，启动水泵，根据电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin和储能系统投运状态，控制水泵，直到水泵停止运行，退出自循环模式，重复以上步骤，直至储能系统处于待机且根据电芯的实际温度无需对其制冷或加热，冷水机也随之进入待机状态，完成水冷机工作模式的控制；

本发明具有的优点在于：

1、本发明的冷水机的控制方法可根据储能系统电芯温度变化，精准识别电芯换热需求，避免电芯温度升高时，因供水温度稳定而降频使用，进而造成电芯温升速率加快，避免了电芯温度频繁波动，提高了液冷系统稳定性和储能系统安全性；

2、本发明可根据电芯温度变化速率，精准控制压缩机的升频、降频工作状态，避免在电芯充放电末期冷水机过度制冷，造成能量浪费，起到节能效果。

附图说明

图1是本发明的一种具体实施方式的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

如图1所示，一种冷水机的控制方法，其中涉及到的冷水机由制冷回路、内冷回路和控制装置组成；

所述冷水机制冷回路配置有变频压缩机，利用压缩制冷原理实现制冷；

所述内冷回路配置循环水泵和PTC加热器，提供循环动力和加热功能；

所述控制装置可采集储能系统电芯温度信号，具体包括最高温度、平均温度和最低温度；

所述控制装置可采集储能系统投运状态；

所述控制装置可采集冷水机供水温度信号，通过设定最高、最低供水温度报警值，确保供水温度在电芯允许范围内波动；

所述冷水机的控制方法，具体的步骤是：

步骤S1：①由冷水机的控制装置设定储能系统电芯温度的高定值T1、电芯温度的低定值T2、温升速率定值v、制冷回差定值△T1以及加热回差定值△T2，

②由冷水机的控制装置采集储能系统所有电芯温度信号以及储能系统的投运状态，识别电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin，求解电芯的平均温度Tmean，

加权平均的具体实现方法如下：

首先，根据电芯的结构和温度分布特点，确定温度传感器的数量和位置，使得温度传感器能够覆盖电芯的主要热区域，

其次，根据温度传感器的位置或类型，给予不同的权重系数，表示温度传感器对电芯温度均值的贡献或影响，权重系数可以根据经验或数据分析来确定，也可以根据电芯的热模型或热阻网络来计算，

最后，根据温度传感器的测量值和权重系数，求加权平均值作为电芯温度均值，即：

，

其中，T_ {mean} 是电芯温度均值，T_ {i} 是第 i 个温度传感器的测量值，w_{i} 是第 i 个温度传感器的权重系数，n是温度传感器的总数，

步骤S2：所述冷水机的控制装置判断电芯的温度状态，当Tmin＞T1时，即电芯的最低温度Tmin大于电芯温度的高定值T1，则冷水机进入制冷模式，此时实施步骤S3；当Tmax＜T2时，即电芯的最高温度Tmax小于电芯温度的低定值T2，则冷水机进入加热模式，此时实施步骤S4；当Tmin≤T1且Tmax≥T2，且冷水机的控制装置接收到储能系统处于投运状态时，则启动冷水机的水泵进入自循环模式，此时实施步骤S5；当Tmin≤T1且Tmax≥T2，且储能系统处于待机状态，则不启动水泵，冷水机亦处于待机状态，

步骤S3：当冷水机进入制冷模式时，启动水泵和压缩机，

冷水机的控制装置结合电芯的平均温度Tmean及温度变化的实际速率来调节压缩机的工作状态，当电芯的平均温度Tmean处于上升状态，且温升的实际速率V≥v℃/min时，也就是说，当电芯的实际温升速率V大于温升速率定值v，则压缩机根据电芯温度升频，直到升频过程中供水温度低于报警值时，停止升频；当电芯的平均温度Tmean处于上升状态，且温升的实际速率V＜v℃/min时，则压缩机保持原工作频率，其他状态下，压缩机降频运行，进一步压缩机升频和降频过程采用PID方法进行控制，且PID算法利用齐格勒-尼科尔斯方法进行优化，

当电芯的最高温度Tmax＜T1-△T1时，也就是说，当电芯的最高温度Tmax降低到T1以下制冷回差定值△T1，停止压缩机运行，并且冷水机退出制冷模式；

所述步骤S3中对压缩机的升频和降频过程采用PID方法进行控制，具体方法如下：

u（t） = Kpe（t） + Ki∫e（t）dt + Kd*de/dt

其中，u（t）是控制器的输出信号，即压缩机频率，e（t）是设定值与过程变量之间的误差，Kp、Ki和Kd是比例增益、积分增益和微分增益，∫e（t）dt表示误差的积分，de/dt表示误差的变化率，

这个公式可以用于计算控制装置对压缩机的控制信号，以实现供液温度的稳定，具体的参数值需要根据实际系统的特性和要求进行调试。

Kp、Ki和Kd采用齐格勒-尼科尔斯方法得出，具体步骤如下：

表1 齐格勒-尼科尔斯方法

控制类型	比例增益Kp	积分增益Ki	微分增益Kd
				比例	KU / 2	-	-
比例-积分	KU / 2.2	1.2 Kp / TU	-
				比例-积分-微分	0.6 KU	2 Kp / TU	Kp TU / 8

将积分和微分增益设置为0，然后逐渐增加比例增益，直到系统出现持续振荡，此时记录下极限增益KU和振荡周期TU，

根据控制类型（比例、比例-积分或比例-积分-微分）和表1中的公式，计算出相应的比例、积分和微分增益，

将计算出的参数应用到控制装置中，观察系统的响应，如果需要，可以进行微调，

步骤S4：当冷水机进入制热模式时，启动水泵和加热器，

冷水机的控制装置根据电芯的最低温度Tmin及供水温度来控制加热器的启停，当电芯的最低温度Tmin大于T2+△T2（也就是说，当电芯的最低温度Tmin升高至T2以上加热回差定值）或供水温度高于报警值时，加热器停止运行，

并且冷水机退出加热模式；

步骤S5：当冷水机进入自循环模式时，启动水泵，

冷水机的控制装置根据电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin以及储能系统投运状态控制水泵启停，

当储能系统处于待机状态，Tmin≤T1且Tmax≥T2时，停止水泵运行，冷水机退出自循环模式，

步骤S6：重复以上步骤，直至储能系统处于待机且根据电芯的实际温度无需对其制冷或加热，冷水机也随之进入待机状态，完成水冷机工作模式的控制。

本发明的控制方法通过冷水机控制装置采集储能系统所有电芯温度信号，进而识别最高电芯温度和最低电芯温度，同时利用加权方法求解电芯的平均温度；冷水机由内冷侧和制冷侧两个循环回路组成，制冷侧配置变频压缩机，利用压缩制冷原理提供制冷功能；内冷侧配置循环水泵和PTC加热器提供循环动力和加热功能；冷水机控制装置可采集供水温度信号；本发明所涉及控制方法通过直接分析储能系统电芯温度信号，控制冷水机内部水泵、压缩机、加热器的工作状态，使冷水机的运行状态更适应电芯的换热需求；本发明所涉及控制方法在制冷模式下，通过优化算法，优化压缩机PID控制参数；本发明所涉及控制方法可根据电芯温度变化速率，提前预判热负载变化，提前进入对应工作模式，保证供液温度、电芯温度平稳波动，同时实现节能效果。

本发明具有的优点在于：

1、本发明的冷水机的控制方法可根据储能系统电芯温度变化，精准识别电芯换热需求，避免电芯温度升高时，因供水温度稳定而降频使用，进而造成电芯温升速率加快，避免了电芯温度频繁波动，提高了液冷系统稳定性和储能系统安全性；

2、本发明可根据电芯温度变化速率，精准控制压缩机的升频、降频工作状态，避免在电芯充放电末期冷水机过度制冷，造成能量浪费，起到节能效果。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种冷水机的控制方法，其特征在于：其具体的步骤是：

步骤S1：①由冷水机的控制装置设定储能系统电芯温度的高定值T1、电芯温度的低定值T2、温升速率定值v、制冷回差定值△T1以及加热回差定值△T2，

②由冷水机的控制装置采集储能系统所有电芯温度信号以及储能系统的投运状态，识别电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin，求解电芯的平均温度Tmean，

步骤S2：所述冷水机的控制装置判断电芯的温度状态，当Tmin＞T1时，即电芯的最低温度Tmin大于电芯温度的高定值T1，则冷水机进入制冷模式，此时实施步骤S3；当Tmax＜T2时，即电芯的最高温度Tmax小于电芯温度的低定值T2，则冷水机进入加热模式，此时实施步骤S4；当Tmin≤T1且Tmax≥T2，且冷水机的控制装置接收到储能系统处于投运状态时，则启动冷水机的水泵进入自循环模式，此时实施步骤S5；当Tmin≤T1且Tmax≥T2，且储能系统处于待机状态，则不启动水泵，冷水机亦处于待机状态，

步骤S3：当冷水机进入制冷模式时，启动水泵和压缩机，

冷水机的控制装置结合电芯的平均温度Tmean及温度变化的实际速率来调节压缩机的工作状态，当电芯的平均温度Tmean处于上升状态，且温升的实际速率V≥v℃/min时，则压缩机根据电芯温度升频，直到升频过程中供水温度低于报警值时，停止升频；当电芯的平均温度Tmean处于上升状态，且温升的实际速率V＜v℃/min时，则压缩机保持原工作频率，其他状态下，压缩机降频运行，

当电芯的最高温度Tmax＜T1-△T1时，停止压缩机运行，并且冷水机退出制冷模式；

步骤S4：当冷水机进入制热模式时，启动水泵和加热器，

冷水机的控制装置根据电芯的最低温度Tmin及供水温度来控制加热器的启停，当电芯的最低温度Tmin大于T2+△T2或供水温度高于报警值时，加热器停止运行，

并且冷水机退出加热模式；

步骤S5：当冷水机进入自循环模式时，启动水泵，

冷水机的控制装置根据电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin以及储能系统投运状态控制水泵启停，

当储能系统处于待机状态，且Tmin≤T1且Tmax≥T2时，停止水泵运行，冷水机退出自循环模式，

步骤S6：重复以上步骤，直至储能系统处于待机且根据电芯的实际温度无需对其制冷或加热，冷水机也随之进入待机状态，完成水冷机工作模式的控制。

2.根据权利要求1所述的冷水机的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中获取电芯的平均温度Tmean通过加权平均方法实现：

，

其中，T_ {mean} 是电芯温度均值，T_ {i} 是第 i 个温度传感器的测量值，w_ {i}是第 i 个温度传感器的权重系数，n是温度传感器的总数。

3.根据权利要求1所述的冷水机的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中对压缩机的升频和降频过程采用PID方法进行控制，具体方法如下：

u（t） = Kpe（t） + Ki∫e（t）dt + Kd*de/dt

其中，u（t）是控制器的输出信号，即压缩机频率，e（t）是设定值与过程变量之间的误差，Kp、Ki和Kd是比例增益、积分增益和微分增益，∫e（t）dt表示误差的积分，de/dt表示误差的变化率。