基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究.pdf
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1、第 12 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.12 No.8Aug.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究李明,谢金元,邱沐楚,邵亮,霍强(南京南瑞继保工程技术有限公司,江苏 南京 211100)摘要:在储能电池舱能量密度逐渐升高的背景下,热管理耗能占总辅助用电的比例逐渐增加。由于电芯间不均匀送风,温差会进一步拉大。为实现储能系统低能耗、低温差的目标,本工作提出了一种基于能量管理系统(EMS)计划曲线的热管理控制策略,并采用电芯温度对储能电池舱内空调进行集中控制。通过对容量为5.017 M
2、Wh的储能电池舱进行实验,研究该策略对电芯温差及空调耗电量的影响。研究结果表明,电芯本征不一致、模组风扇状态、空调状态对电芯温差均有影响,在现有集成情况下,空调启动对温差有负面作用。在相同的充放电功率下,相比于无控制策略的实验条件,电池堆1和电池堆2的电芯温差分别降低了0.9 和1.4。此策略下,由于空调待机时无内循环风机功耗,空调日总耗能降低了62%。关键词:储能电池舱;空调;温控;计划曲线;温差;节能doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0268 中图分类号:TM 912 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)08-2585-09Research
3、on balanced thermal management and energy saving of energy storage system based on planning curveLI Ming,XIE Jinyuan,QIU Muchu,SHAO Liang,HUO Qiang(NR Engineering Co.,Ltd.,Nanjing 211100,Jiangsu,China)Abstract:Considering the increased energy density of the storage battery cabin,the proportion of th
4、ermal management energy consumption in the total auxiliary electricity consumption increases gradually.A thermal management control strategy based on an energy management system(EMS)planning curve is proposed in this study to achieve the desired low energy consumption and temperature difference with
5、 respect to the energy storage system.Moreover,the battery temperature is used to centrally control the air conditioning in the energy storage battery cabin.The effect of these strategies on cell temperature difference and air-conditioning power consumption was studied based on the experiment on the
6、 energy storage battery cabin with a capacity of 5.017 MWh.The results indicate that intrinsic cell inconsistency,module fan state,and air conditioning state all influence cell temperature difference.In the case of existing integration,using air conditioning has a negative effect on the temperature
7、difference.Under the same charge and discharge power,compared with the experiment without control strategies,the cell temperature difference of battery stacks 1 and 2 decreased by 0.9 and 1.4,respectively.Benefited from the strategies,the total daily energy consumption of the air conditioning was re
8、duced by 62%as there was no power 储能系统与工程收稿日期:2023-04-23;修改稿日期:2023-06-03。第一作者及通讯联系人:李明(1983),男,高级工程师,从事储能系统集成技术研究,E-mail:。引用本文:李明,谢金元,邱沐楚,等.基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究J.储能科学与技术,2023,12(8):2585-2593.Citation:LI Ming,XIE Jinyuan,QIU Muchu,et al.Research on balanced thermal management and energy saving of e
9、nergy storage system based on planning curveJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(8):2585-2593.2023 年第 12 卷储能科学与技术consumption when on standby.Keywords:energy storage battery cabin;air-condition;temperature control;planning curve;temperature difference;energy conservation随着大容量储能电池舱逐步投入市场,单舱
10、聚集的电池数目越来越多,能量密度也更大,储能系统热管理面临巨大的挑战。在低倍率充放电的主要应用场景下,风冷强制对流换热因其结构简单、成本低等优势,成为了目前广泛使用的一种冷却手段1-5。由于空气比热容较低,风冷系统需要搭建通风管道,导致风机能耗高6,且电池充放电过程及静置期间均需保持合适的温度,使得空调耗能占储能系统总辅助耗能的比重较大。此外,电芯间风量不均使其长期运行后的内阻不一致、多套制冷设备启停具有时间差、模组风扇出风量不对称等实际因素使得电芯温差逐步拉大。因此,需要节能高效、均衡控制的热管理策略解决上述问题。根据现有研究,锂离子电池最佳温度区间、工作温度区间分别为1035、-2045
11、7。负极在低温循环过程中易出现锂单质析出,极大地降低锂电池容量,析出的锂大部分以枝晶状形式存在,可能会刺穿隔膜引发电池短路8-13。而高温充放电循环会导致固体电解质界面膜(solid electrolyte interphase,SEI)的形成和生长,导致锂离子和电解液加速消耗,影响使用寿命,甚至会引发热失控14-23。目前储能电池舱内的空调系统也大都按照2530 温控目标进行设定。然而锂离子电池处于静置状态时的温度要求相对宽松,其在-2045 内寿命衰减较小7。因此可根据电芯的运行状态对目标温度进行区分,电芯静置状态设定较宽泛的目标温度,电芯充放电时或即将充放电时将温度抬升或降低到最佳运行温
12、度范围,以降低空载时的空调功耗。同时,舱内空调大都采用回风温度进行自动控制,冷热需求响应精度和响应时间都存在差异,进一步导致电芯温差拉大,降低电池系统的容量和寿命24。本工作通过实验的方式,验证基于能量管理系统(energy management system,EMS)计划曲线和电芯温度判断的热管理策略,对比原有热管理方式下空调耗电量及电芯温差改善情况。1 实验1.1实验材料及设备实验采用方形铝壳280 Ah磷酸铁锂电芯,正极材料是磷酸铁锂(LiFePO4),负极材料为石墨,电芯样品如图1所示。本实验采用电芯在额定充放电倍率0.5 P条件下的平均发热量为13 W,电芯为储能电池舱内的主要热源。
13、实验采用外挂式安装空调(无锡产),额定制冷量25 kW。空调采用上出风、下回风设计,尺寸参数如图2所示。风道安装在舱顶及侧壁上,空调出风口对接风道将冷风送至电池簇间,电池模组自身风扇抽冷风,对电池单体进行冷却,通过风道导流确保舱内气流组织合理,电池模组温升均匀一致。实验采用三相多功能电能表(江苏产),用于计量空调运行功耗。电池管理系统(battery management system,BMS)用于本实验电芯温度采集,单体温度采集精度1。BMS采集堆电芯温度高值与堆电芯温度低值,并将采集值以通信方式上送给PCS-9726。每个电池堆配置1台BMS。空调控制装置PCS-9726用于获取BMS采集
14、的温度值与定值进行对比,输出相应指令给舱内空调执行单元。实验采用EMS后台软件,如图3所示,可对储能系统设备进行监视控制、能量管理,并能实现本地设置计划曲线进行充放电管理。图1单体电芯图Fig.1Drawing of single cell2586第 8 期李 明等:基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究1.2实验平台实验在 5.017 MWh 储能电池舱(13716 mm2700 mm3100 mm)内进行,如图4所示。电池舱内含有2个电池堆,每堆由7簇电池簇并联而成。每簇电池簇由25个模组串联而成,模组内含1并16串的磷酸铁锂电芯。电池舱内布置如图5所示,2个电池堆分别布置于长边两侧,
15、空调安装于舱体四角,中间为回风风道,顶部布置有送风风道,均图2空调尺寸图Fig.2Dimensional drawing of air-condition图3能量管理系统画面Fig.3Image of energy management system(EMS)25872023 年第 12 卷储能科学与技术匀送风至簇内各列间。1.2.1控制策略根据图6所示,EMS根据日充放电计划曲线下发电芯运行状态曲线:工作态定义为电池未来2 h内有充放电指令或正处于充放电状态;静置态定义为电池未来2 h内无充放电指令且正处于非充放电状态。若EMS判定为工作态,则按照图6右侧对应的温度定值进行逻辑判断;若EMS
16、判定为静置态,则按照图6左侧对应的温度定值进行逻辑判断。显然,静置态的温度区间相对更大,对电芯的温度要求更为宽松。静置时,电芯温度可在2 h内调整至热备用状态,避免低温或高温充放电对电芯造成不可逆的容量损失。堆级BMS是空调控制的最小输入单元,BMS将采集到的电芯温度上送至空调控制装置PCS-9726,结合状态定值输出堆级指令。堆级指令并非实际输出给空调的最终指令,需要结合舱内两堆情况综合判断。图4储能电池舱三维模型Fig.4Three-dimensional model of energy storage battery compartment图6电池堆空调控制原理图Fig.6Air-con
17、dition control schematic diagram of battery stack图5电池舱内布置图Fig.5Layout of battery compartment2588第 8 期李 明等:基于计划曲线的储能系统均衡热管理及节能研究1.2.2静置态控制策略空调控制装置PCS-9726获取电芯处于静置态时,空调执行强制制冷的电池单体目标温度为38,并设有3 回差,2 死区,即:电池单体温度大于等于40 时,强制开启空调制冷;电池单体温度小于等于35 时,空调制冷停止。静置态时,空调执行强制制热的电池单体目标温度为10,并设有3 回差,2 死区,即:电池单体温度小于等于8 时
18、,强制开启空调制热;电池单体温度大于等于13 时,空调制热停止。空调进入强制待机模式的电池单体温度区间为840,空调系统处于强制待机状态时,空调循环风机也暂停运行。1.2.3工作态控制策略空调控制装置PCS-9726获取电芯处于工作态时,空调执行强制制冷的电池单体目标温度为25,并设有3 回差,2 死区,即:电池单体温度大于等于27 时,强制开启空调制冷;电池单体温度小于等于22 时,空调制冷停止。工作态时,空调执行强制制热的电池单体目标温度为16,并设有3 回差,2 死区,即:电池单体温度小于等于14 时,强制开启空调制热;电池单体温度大于等于19 时,空调制热停止。空调进入强制待机模式的电
19、池单体温度区间为 1427,空调系统处于强制待机状态时,空调循环风机也暂停运行。如图7所示,4台空调以舱为单位统一集中控制。PCS-9726在对舱内2台BMS上送的电芯温度数据进行统一处理后,对所有空调输出同一指令,避免指令冲突的情况发生。电池堆1和电池堆2进行逻辑判断:若强制制冷与强制待机同时存在,执行强制制冷;若强制制热与强制待机同时存在,执行强制制热;若强制制冷与强制制热同时存在,执行空调自动运行。任意一台BMS通信中断,整舱均执行空调自动运行。1.3实验方案储能监控系统通过Modbus通信方式接入电池舱内2台BMS和4台空调,设置空调采样周期为1次/min,电芯采样周期为30次/min
20、,指令输出周期为1次/min,保证数据正常存储。正式实验前通过人工置数测试PCS-9726对空调的控制情况:强制制冷、强制制热、强制待机、自动运行模式可自由切换。如图8和表1所示,首先调整电池堆1的SOC至100%,电池堆2的SOC至0%,在环温下静置5 h,电池堆1经PCS储能变流器向系统放电,电池堆2充电。此次充放电实验,空调经回风温度自动控制,不加入控制策略,记录其间空调耗电量及电芯温度数据。重新调整电池堆1的SOC至100%,电池堆2的SOC至0%,在环温下静置5 h,电池堆1放电,电池堆2充电。此次充放电实验,加入空调控制策略,对比两次实验的数据结果。2 结果与讨论2.1控制策略对电
21、芯温差的影响由图9可知,在堆1放电初期(0500 s),功率迅速提高,此时堆内电芯温度极差与簇内温度极差均有下降趋势。图中S表示堆,R表示簇,与下文一致。原因是继上次充放电完成,舱内电芯温度未能达到一致,存在一定温差,放电开始时,功率图7电池舱空调控制原理图Fig.7Air-condition control schematic diagram of battery compartment25892023 年第 12 卷储能科学与技术较小,电芯发热量较低,几乎可以忽略电芯间发热不一致导致的温差,如图10所示,此时模组风扇工作,空调未启动,参与换热的空气温度较高,与最低温电芯的温差较小,而最高温
22、电芯被冷却,导致电芯温差下降。随着放电功率抬升至0.5 P,不同电芯发热情况出现差异,以及散热不均匀,导致个别高低温电芯温差拉大。在2600 s左右,堆单体温度极差和簇1、簇2、簇3温度极差均出现明显拐点,此时空调开始制冷,低温空气被风机吸入模组内部,最高温度的电芯迅速被冷却,最低温度电芯仍保持上升,导致温差突降。3500 s左右,簇5、簇6、簇7的电芯温度极差出现拐点。各簇之间拐点出现时间的差异,主要是由于空调启动时间的不一致。如图11所示,2号空调和4号空调在2500 s左右优先启动,1号空调启动滞后2号空调约700 s,3号空调滞后约1300 s。空调启动不一致的原因主要是,未加入控制策
23、略时,空调启动制冷通过回风温度自主判断,由于不同位置空调回风温度传感器采集的差异,致使某台空调优先启动制冷,空气温度降低后会进一步延缓其他空调的启动。由于簇1、簇2、簇3靠近空调4,因此其电芯温差拐点出现早于簇5、簇6、簇7。空图8储能实验系统图Fig.8System diagram of energy storage experiment表 1电池堆实验流程Table 1Experimental process of battery stack实验第一次实验第二次实验控制策略无有电池堆1放电SOC100%0%待机放电SOC100%0%待机电池堆2充电SOC0%100%待机充电SOC0%100
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