CN117134039B - 一种储能液冷系统的温控方法、储能系统和计算机程序 - Google Patents

一种储能液冷系统的温控方法、储能系统和计算机程序 Download PDF

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Abstract

本发明属于储能系统锂电池安全与温控管理领域，尤其涉及一种储能液冷系统的温控方法、储能系统和计算机程序。该方法基于锂电池实时状态与温度的液冷系统温控策略，该方法响应迅速，能够精准控制锂电池在设定的温度区间内进行充放电，对延长锂电池的全生命周期使用寿命与降低液冷系统能耗具有重要意义。

Description

一种储能液冷系统的温控方法、储能系统和计算机程序
技术领域
本发明属于储能系统锂电池安全与温控管理领域，尤其涉及一种储能液冷系统的温控方法、储能系统和计算机程序。
背景技术
维持锂电池在理想的温度范围运行是一种延缓电池内阻增大、降低锂电池容量衰减速率的有效手段。传统的温度控制方式多是基于风冷模式，当锂电池处于较高或较低温度时，通过空调制冷制热为锂电池降温、升温，这种基于大型工业空调的温控策略具有一定的滞后性，受空间大小、结构的影响比较严重。
也有通过液体对电池进行温度管理的系统，液冷机通过液体进出管道与定制的具有液冷管道的电池模组连接，液冷管道平铺在电池模组底部，对电池模组内单体电池的底部进行温度管理，一般情况下，液冷机判断电池模组内最高最低温度的情况，然后输出恒定温度的液体与电池进行热量交换，理想情况下，最终使电池模组内各单体电池的温度保持一致。但由于液冷管道的铺设结构所导致的热量交互的依次性，单体电池温度的动态性以及差异分布不均衡性，仅通过判断最高最低温度启动，设置固定数值会带来效率低下，又比如也会存在温度采集误差导致的误动作等情况。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种储能液冷系统的温控方法，该方法为基于锂电池实时状态与温度的液冷系统温控策略，该方法响应迅速，能够精准控制锂电池在设定的温度区间内进行充放电，对延长锂电池的全生命周期使用寿命与降低液冷系统能耗具有重要意义。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种储能液冷系统的温控方法，该方法包括以下的步骤：
步骤1：电池管理系统BMS根据簇端电流与簇内单体内阻状态决定是否启动液冷系统；
步骤2：对储能系统充放电状态下电池簇内所有单体做温度趋势性分析；
步骤3：计算簇内所有单体在时间宽度L下的温度序列积分Ai（i=1,2,…,m），计算温度序列积分平均值Aavg；积分大于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmax内，并计算平均值Cmax_avg；积分小于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmin内，并计算平均值Cmin_avg；计算Aavg与Cmax_avg或Cmin_avg两者绝对差值较大的值记为AC；
步骤3：根据AC值设计温度阈值Tyz；
步骤5：对液冷系统进行温控逻辑设置，判断制冷、制热、退出、待机工作模式以及动态调整制冷点、制热点目标温度，最终向液冷系统下发制冷或制热指令并下发目标温度，以及具体工作模式。
作为优选，所述步骤1的判断方法如下：
条件一：簇内充放电电流倍率I不小于电流倍率阈值Ia；
条件二：簇内最大单体内阻Rmax不小于电池单体内阻阈值Ra；
当簇内参数满足条件一或条件二，液冷系统进入工作模式。
作为优选，所述步骤2采用温度曲线积分法，用以判断簇的温度状态；过程如下：
以时刻tbegin为起始时刻、时刻tend为终点时刻和时间宽度为L，采样Bi（i=1,2,…,m）的温度序列Bi[L]，序列如式（1）：
Bi[L]=[Ti,tbegin,…,Ti,tend] （1）
对序列Bi[L]做积分，积分形式如式（2）：
（2）。
作为优选，所述步骤3包括以下的步骤：
1）设置制冷点目标温度Tcool和制热点目标温度Thot；
2）计算簇内所有单体在时间宽度L下的温度序列积分Ai（i=1,2,…,m），Aavg计算如式（3）：
（3）
3）积分大于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmax内，如式（4），Cmax_avg计算如式（5）：
（4）
（5）
4）积分小于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmin内，如式（6），Cmin_avg计算如式（7）：
（6）
（7）
5）计算Aavg与Cmax_avg或Cmin_avg两者绝对差值较大的值记为AC，计算如式（8）：
（8）；
上述，Cmax集合内数据Asj（j=1,2,…,p）为积分大于Aavg的单体温度曲线积分数据，p为积分大于Aavg的单体温度曲线积分Ai个数；Cmin集合内数据Axk（k=1,2,…,q）为积分小于Aavg的单体温度曲线积分数据，q为积分小于Aavg的单体温度曲线积分Ai个数。
作为优选，所述步骤4函数Tyz如式（9）：
（9）
k1、k2和k3为温度阈值计算参数，自然数，k1>k2>k3。
作为优选，所述步骤5对液冷系统进行温控逻辑设置如下：
逻辑1、制冷模式判断：
当BMS检测到Amax≥L·（Tcool+Tyz）且Aavg≥L·Tcool；
BMS向液冷系统下发制冷工作指令，并设置新的制冷点目标温度Tcool，新的Tcool为20℃－Tmax+前一次Tcool，制冷点目标温度下限为15℃；
当BMS检测到 Amax≤L·Tcool或Aavg≤L·（Tcool－Tyz）；下发指令，退出制冷模式；
逻辑2、制热模式判断：
当BMS检测到Aavg≤L·Thot；
BMS向液冷系统下发制热工作指令，并设置新的制热点目标温度Thot，新的Thot为45℃－Tavg，制热点目标温度上限为30℃；
当BMS检测到 Amin≥L·（Thot+Tyz）或Aavg≥L·（Thot+Tyz+Tpc），Tpc为制热允许偏差温度；下发指令，退出制热模式；
逻辑3、当前温度数据不满足制冷、制热条件，但满足 Amax－Amin<L·Tz；下发指令，退出自循环模式；
逻辑4、不满足上述3种逻辑，液冷系统待机，等待控制指令；
其中，L为时间宽度，Tyz为温度阈值，Tpc为制热允许偏差温度，Tz为液冷系统自循环温度，Tmax为簇内单体温度最大值，Tavg为簇内单体温度平均值，Amax为簇内单体温度积分最大值，Amin为簇内单体温度积分最小值，Aavg为簇内单体温度积分平均值，Tcool为制冷点目标温度，Thot为制热点目标温度。
进一步，本发明还公开了一种储能系统，该储能系统的液冷系统的温控方法采用所述方法。
进一步，本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现所述方法。
进一步，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。
进一步，本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。
本发明由于采用了上述的技术方案，该方法为基于锂电池实时状态与温度的液冷系统温控策略，该方法响应迅速，能够精准控制锂电池在设定的温度区间内进行充放电，对延长锂电池的全生命周期使用寿命与降低液冷系统能耗具有重要意义。
附图说明
图1为本发明温控策略流程图。
图2 为本发明的液冷机、电池模组结构示意图。
图3 为本发明的液冷管道平铺在电池模组底部结构示意图。
图4 步骤2中温度曲线积分图。
图5步骤4中温度阈值函数图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清查、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。给予本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明温控对象：充放电状态下储能电池簇；
设备需求：液冷系统、电池管理系统（BMS）；其中液冷机、电池模组的结构如图2所示；液冷管道平铺在电池模组底部结构如图3所示。
如图1所示，本发明一种储能液冷系统的温控方法的策略流程如下：
步骤1：电池管理系统BMS根据簇端电流与簇内单体内阻状态决定是否启动液冷系统。
条件一：簇内充放电电流倍率I不小于电流倍率阈值Ia；
条件二：簇内最大单体内阻Rmax不小于电池单体内阻阈值Ra；
当簇内参数满足条件一或条件二，液冷系统进入工作模式。
举例说明：
某时刻，BMS检测到电池簇处于充电状态，簇内充放电电流倍率I为0.5C簇内最大单体内阻Rmax为 0.07mΩ；电流倍率阈值Ia取0.1C，电池单体内阻阈值Ra取0.05mΩ；
此时，满足条件一，也满足条件二，液冷系统进入工作模式。
步骤2：对储能系统充放电状态下电池簇内所有单体做温度趋势性分析。提出一种温度曲线积分法，用以判断簇的温度状态。过程如下：
如图4所示，以时刻tbegin为起始时刻、时刻tend为终点时刻、时间宽度为L，采样Bi（i=1,2,…,m）的温度序列Bi[L]，序列如式（1）。
Bi[L]=[Ti,tbegin,…,Ti,tend] （1）
对序列Bi[L]做积分，积分形式如式（2）。
（2）。
原理解释：温度经积分处理一定程度能够消除噪声对真实值的影响，弱化个别温度异常点（传感器采集误差）对温控逻辑的干扰。
举例说明：
某单簇内电芯数m为6，在某一段8min采样时间段内的温度数据如下表1所示，tbegin为起始时刻、tend为终点时刻、单位采样间隔dt为1min，即时间宽度L为8；
表1、某单簇内电芯数m为6在某一段8min采样时间段的温度数据
根据公式（2）分别计算各个电池的Ai数据如下：A1= 226、A2= 223、A3= 228、A4=218、A5= 213、A6= 236；
步骤3：计算簇内所有单体在时间宽度L下的温度序列积分Ai（i=1,2,…,m），计算温度序列积分平均值Aavg；积分大于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmax内，并计算平均值Cmax_avg；积分小于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmin内，并计算平均值Cmin_avg；计算Aavg与Cmax_avg或Cmin_avg的绝对差值AC。过程如下：
1）设置制冷点目标温度Tcool和制热点目标温度Thot；
2）计算簇内所有单体在时间宽度L下的温度序列积分Ai（i=1,2,…,m），Aavg计算如式（3）。
（3）
3）积分大于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmax内，如式（4），Cmax_avg计算如式（5）。
（4）
（5）
4）积分小于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmin内，如式（6），Cmin_avg计算如式（7）。
（6）
（7）
5）Aavg与Cmax_avg或Cmin_avg两者绝对差值较大的值记为AC，计算如式（8）。
（8）
上述，Cmax集合内数据Asj（j=1,2,…,p）为积分大于Aavg的单体温度曲线积分数据，p为积分大于Aavg的单体温度曲线积分Ai个数；Cmin集合内数据Axk（k=1,2,…,q）为积分小于Aavg的单体温度曲线积分数据，q为积分小于Aavg的单体温度曲线积分Ai个数。
步骤4：根据AC值设计温度阈值Tyz，如式（9），计算结果算Tyz曲线如图5所示。
（9）
k1、k2和k3为温度阈值计算参数，自然数，k1>k2>k3，k1例取6，k2例取4，k3例取2。
举例说明：
对步骤3内的数据，根据公式（3）计算Aavg= 224；
可知在A1= 226、A2= 223、A3= 228、A4= 218、A5= 213、A6= 236数据中，大于Aavg的为A1,A3,A6放入集合Cmax，即Cmax={As1，As2，As3}={226，228，236}；小于Aavg的为A2,A4,A5放入集合Cmin，即Cmin={Ax1，Ax2，Ax3}={223，218，213}。
根据公式（5）计算Cmax_avg=230；
根据公式（7）计算Cmin_avg=218；
根据公式（8）计算AC，其中|Aavg- Cmax_avg| = 6，|Aavg- Cmin_avg| = 6，即AC=6；
根据公式（9）计算Tyz = 2；
步骤5：对液冷系统进行温控逻辑设置，判断制冷、制热、退出、待机工作模式以及动态调整制冷点、制热点目标温度，最终向液冷系统下发制冷或制热指令并下发目标温度，以及具体工作模式。过程如下：
逻辑1、制冷模式判断：
当BMS检测到Amax≥L·（Tcool+Tyz）且Aavg≥L·Tcool；
BMS向液冷系统下发制冷工作指令，并设置新的制冷点目标温度Tcool，新的Tcool为20℃－Tmax+前一次Tcool，制冷点目标温度下限为15℃；
当BMS检测到 Amax≤L·Tcool或Aavg≤L·（Tcool－Tyz）；下发指令，退出制冷模式；
逻辑2、制热模式判断：
当BMS检测到Aavg≤L·Thot；
BMS向液冷系统下发制热工作指令，并设置新的制热点目标温度Thot，新的Thot为45℃－Tavg，制热点目标温度上限为30℃；
当BMS检测到 Amin≥L·（Thot+Tyz）或Aavg≥L·（Thot+Tyz+Tpc），Tpc为制热允许偏差温度（默认1℃）；下发指令，退出制热模式；
逻辑3、当前温度数据不满足制冷、制热条件，但满足 Amax－Amin<L·Tz，Tz为液冷系统自循环温度（默认6℃）；下发指令，退出自循环模式；
逻辑4、不满足上述3种逻辑，液冷系统待机，等待控制指令。
其中，L为时间宽度，Tyz为温度阈值，Tpc为制热允许偏差温度，Tz为液冷系统自循环温度，Tmax为簇内单体温度最大值，Tavg为簇内单体温度平均值，Amax为簇内单体温度积分最大值，Amin为簇内单体温度积分最小值，Aavg为簇内单体温度积分平均值，Tcool为制冷点目标温度，Thot为制热点目标温度。
举例说明：
初始制冷点目标温度Tcool= 25，初始制热点目标温度Thot= 15；根据前步骤的数据与计算结果：
逻辑1、制冷模型判断
L·（Tcool+Tyz）= 8·（25+2）= 216；L·Tcool= 8·25 = 200；Amax= 236、Amin= 213、Tmax=32；
满足Amax≥L·（Tcool+Tyz）且Aavg≥L·Tcool，即满足制冷模式判断条件；
新的Tcool为20℃－Tmax+前一次Tcool，计算结果为13℃，但制冷点目标温度下限为15℃，所以BMS向液冷系统下发制冷工作指令，并设置新的制冷点目标温度Tcool= 15。
当BMS检测到Amax≤L·Tcool或Aavg≤L·（Tcool－Tyz）；经过计算L·Tcool= 8·15 =120；L·（Tcool－Tyz）= 8·13 = 104；即当BMS检测到Amax≤ 120或Aavg≤104；需要下发指令，退出制冷模式；
当经液冷系统降温，5min后Amax= 120；Aavg= 110；满足退出条件，下发指令，退出制冷模式。
逻辑2、制热模型判断
L·Thot= 8·15 = 120；Aavg= 224，Aavg>L·Thot；即步骤3中数据不满足制热条件；
但假设当数据符合Aavg≤L·Thot时，即Aavg≤120时，BMS向液冷系统下发制热工作指令，此时新Thot为17℃（Tavg=28℃）。
当BMS检测到 Amin≥L·（Thot+Tyz）或Aavg≥L·（Thot+Tyz+Tpc），Tpc为制热允许偏差温度（默认1℃）；经过计算L·（Thot+Tyz）=8·（17+1）=136，L·（Thot+Tyz+Tpc）=8·（17+2+1）=160需下发指令，退出制热模式；
当经液冷系统降温，5min后Amin= 140；Aavg= 150；满足退出条件，下发指令，退出制热模式。
逻辑3、当前温度数据满足制冷条件；但满足Amax－Amin<L·Tz，Tz为液冷系统自循环温度（默认6℃）；即Amax－Amin<48时，下发指令，退出自循环模式；
逻辑4、满足逻辑1，但假如不满足上述3种逻辑，液冷系统待机，等待控制指令。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种储能液冷系统的温控方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：
步骤1：电池管理系统BMS根据簇端电流与簇内单体内阻状态决定是否启动液冷系统；判断方法如下：
条件一：簇内充放电电流倍率I不小于电流倍率阈值Ia；
条件二：簇内最大单体内阻Rmax不小于电池单体内阻阈值Ra；
当簇内参数满足条件一或条件二，液冷系统进入工作模式；
步骤2：对储能系统充放电状态下电池簇内所有单体做温度趋势性分析；
步骤3：计算簇内所有单体在时间宽度L下的温度序列积分Ai（i=1,2,…,m），计算温度序列积分平均值Aavg；积分大于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmax内，并计算平均值Cmax_avg；积分小于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmin内，并计算平均值Cmin_avg；计算Aavg与Cmax_avg或Cmin_avg两者绝对差值较大的值记为AC；
步骤4：根据AC值设计温度阈值Tyz；函数Tyz如式（9）：
（9）
k1、k2和k3为温度阈值计算参数，自然数，k1>k2>k3；
步骤5：对液冷系统进行温控逻辑设置，判断制冷、制热、退出、待机工作模式以及动态调整制冷点、制热点目标温度，最终向液冷系统下发目标温度、具体工作模式指令；温控逻辑设置如下：
逻辑1、制冷模式判断：
当BMS检测到Amax≥L·（Tcool+Tyz）且Aavg≥L·Tcool；
BMS向液冷系统下发制冷工作指令，并设置新的制冷点目标温度Tcool，新的Tcool为20℃－Tmax+前一次Tcool，制冷点目标温度下限为15℃；
当BMS检测到Amax≤L·Tcool或Aavg≤L·（Tcool－Tyz）；下发指令，退出制冷模式；
逻辑2、制热模式判断：
当BMS检测到Aavg≤L·Thot；
BMS向液冷系统下发制热工作指令，并设置新的制热点目标温度Thot，新的Thot为45℃－Tavg，制热点目标温度上限为30℃；
当BMS检测到Amin≥L·（Thot+Tyz）或Aavg≥L·（Thot+Tyz+Tpc），Tpc为制热允许偏差温度；下发指令，退出制热模式；
逻辑3、当前温度数据不满足制冷、制热条件，但满足Amax－Amin<L·Tz；下发指令，退出自循环模式；
逻辑4、不满足上述3种逻辑，液冷系统待机，等待控制指令；
其中，L为时间宽度，Tyz为温度阈值，Tpc为制热允许偏差温度，Tz为液冷系统自循环温度，Tmax为簇内单体温度最大值，Tavg为簇内单体温度平均值，Amax为簇内单体温度积分最大值，Amin为簇内单体温度积分最小值，Aavg为簇内单体温度积分平均值，Tcool为制冷点目标温度，Thot为制热点目标温度。
2.根据权利要求1所述的一种储能液冷系统的温控方法，其特征在于，步骤2采用温度曲线积分法，用以判断簇的温度状态；过程如下：
以时刻tbegin为起始时刻、时刻tend为终点时刻和时间宽度为L，采样Bi（i=1,2,…,m）的温度序列Bi[L]，序列如式（1）：
Bi[L]=[Ti,tbegin,…,Ti,tend] （1）
对序列Bi[L]做积分，积分形式如式（2）：
（2）。
3.根据权利要求1所述的一种储能液冷系统的温控方法，其特征在于，步骤3包括以下的步骤：
1）设置制冷点目标温度Tcool和制热点目标温度Thot；
2）计算簇内所有单体在时间宽度L下的温度序列积分Ai（i=1,2,…,m），Aavg计算如式（3）：
（3）
3）积分大于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmax内，如式（4），Cmax_avg计算如式（5）：
（4）
（5）
4）积分小于Aavg的单体温度曲线积分放入集合Cmin内，如式（6），Cmin_avg计算如式（7）：
（6）
（7）
5）计算Aavg与Cmax_avg或Cmin_avg两者绝对差值较大的值记为AC，计算如式（8）：
（8）；
上述，Cmax集合内数据Asj（j=1,2,…,p）为积分大于Aavg的单体温度曲线积分数据，p为积分大于Aavg的单体温度曲线积分Ai个数；Cmin集合内数据Axk（k=1,2,…,q）为积分小于Aavg的单体温度曲线积分数据，q为积分小于Aavg的单体温度曲线积分Ai个数。
4.一种储能系统，其特征在于，该储能系统的液冷系统的温控方法采用权利要求1-3任意一项权利要求所述方法。
5.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-3任意一项权利要求所述方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，其特征在于，该计算机程序或指令被处理器执行时实现权利要求1-3任意一项权利要求所述方法。
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