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基于計(jì)劃曲線的儲能系統(tǒng)均衡熱管理及節(jié)能研究
李明 謝金元 邱沐楚 邵亮 霍強(qiáng)
摘 要 在儲能電池艙能量密度逐漸升高的背景下，熱管理耗能占總輔助用電的比例逐漸增加。由于電芯間不均勻送風(fēng)，溫差會(huì)進(jìn)一步拉大。為實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)低能耗、低溫差的目標(biāo)，本工作提出了一種基于能量管理系統(tǒng)(EMS)計(jì)劃曲線的熱管理控制策略，并采用電芯溫度對儲能電池艙內(nèi)空調(diào)進(jìn)行集中控制。通過對容量為5.017 MWh的儲能電池艙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究該策略對電芯溫差及空調(diào)耗電量的影響。研究結(jié)果表明，電芯本征不一致、模組風(fēng)扇狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)對電芯溫差均有影響，在現(xiàn)有集成情況下，空調(diào)啟動(dòng)對溫差有負(fù)面作用。在相同的充放電功率下，相比于無控制策略的實(shí)驗(yàn)條件，電池堆1和電池堆2的電芯溫差分別降低了0.9 ℃和1.4 ℃。此策略下，由于空調(diào)待機(jī)時(shí)無內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)功耗，空調(diào)日總耗能降低了62%。
關(guān)鍵詞 儲能電池艙；空調(diào)；溫控；計(jì)劃曲線；溫差；節(jié)能
隨著大容量儲能電池艙逐步投入市場，單艙聚集的電池?cái)?shù)目越來越多，能量密度也更大，儲能系統(tǒng)熱管理面臨巨大的挑戰(zhàn)。在低倍率充放電的主要應(yīng)用場景下，風(fēng)冷強(qiáng)制對流換熱因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢，成為了目前廣泛使用的一種冷卻手段。由于空氣比熱容較低，風(fēng)冷系統(tǒng)需要搭建通風(fēng)管道，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗高，且電池充放電過程及靜置期間均需保持合適的溫度，使得空調(diào)耗能占儲能系統(tǒng)總輔助耗能的比重較大。此外，電芯間風(fēng)量不均使其長期運(yùn)行后的內(nèi)阻不一致、多套制冷設(shè)備啟停具有時(shí)間差、模組風(fēng)扇出風(fēng)量不對稱等實(shí)際因素使得電芯溫差逐步拉大。因此，需要節(jié)能高效、均衡控制的熱管理策略解決上述問題。
根據(jù)現(xiàn)有研究，鋰離子電池最佳溫度區(qū)間、工作溫度區(qū)間分別為10～35 ℃、-20～45 ℃。負(fù)極在低溫循環(huán)過程中易出現(xiàn)鋰單質(zhì)析出，極大地降低鋰電池容量，析出的鋰大部分以枝晶狀形式存在，可能會(huì)刺穿隔膜引發(fā)電池短路。而高溫充放電循環(huán)會(huì)導(dǎo)致固體電解質(zhì)界面膜(solid electrolyte interphase，SEI)的形成和生長，導(dǎo)致鋰離子和電解液加速消耗，影響使用壽命，甚至?xí)l(fā)熱失控。目前儲能電池艙內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)也大都按照25～30 ℃溫控目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。然而鋰離子電池處于靜置狀態(tài)時(shí)的溫度要求相對寬松，其在-20～45 ℃內(nèi)壽命衰減較小。因此可根據(jù)電芯的運(yùn)行狀態(tài)對目標(biāo)溫度進(jìn)行區(qū)分，電芯靜置狀態(tài)設(shè)定較寬泛的目標(biāo)溫度，電芯充放電時(shí)或即將充放電時(shí)將溫度抬升或降低到最佳運(yùn)行溫度范圍，以降低空載時(shí)的空調(diào)功耗。同時(shí)，艙內(nèi)空調(diào)大都采用回風(fēng)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，冷熱需求響應(yīng)精度和響應(yīng)時(shí)間都存在差異，進(jìn)一步導(dǎo)致電芯溫差拉大，降低電池系統(tǒng)的容量和壽命。
本工作通過實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證基于能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)計(jì)劃曲線和電芯溫度判斷的熱管理策略，對比原有熱管理方式下空調(diào)耗電量及電芯溫差改善情況。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備
實(shí)驗(yàn)采用方形鋁殼280 Ah磷酸鐵鋰電芯，正極材料是磷酸鐵鋰(LiFePO4)，負(fù)極材料為石墨，電芯樣品如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)采用電芯在額定充放電倍率0.5 P條件下的平均發(fā)熱量為13 W，電芯為儲能電池艙內(nèi)的主要熱源。
圖1 單體電芯圖
實(shí)驗(yàn)采用外掛式安裝空調(diào)(無錫產(chǎn))，額定制冷量25 kW?？照{(diào)采用上出風(fēng)、下回風(fēng)設(shè)計(jì)，尺寸參數(shù)如圖2所示。風(fēng)道安裝在艙頂及側(cè)壁上，空調(diào)出風(fēng)口對接風(fēng)道將冷風(fēng)送至電池簇間，電池模組自身風(fēng)扇抽冷風(fēng)，對電池單體進(jìn)行冷卻，通過風(fēng)道導(dǎo)流確保艙內(nèi)氣流組織合理，電池模組溫升均勻一致。
圖2 空調(diào)尺寸圖
實(shí)驗(yàn)采用三相多功能電能表(江蘇產(chǎn))，用于計(jì)量空調(diào)運(yùn)行功耗。電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)用于本實(shí)驗(yàn)電芯溫度采集，單體溫度采集精度±1 ℃。BMS采集堆電芯溫度高值與堆電芯溫度低值，并將采集值以通信方式上送給PCS-9726。每個(gè)電池堆配置1臺BMS?？照{(diào)控制裝置PCS-9726用于獲取BMS采集的溫度值與定值進(jìn)行對比，輸出相應(yīng)指令給艙內(nèi)空調(diào)執(zhí)行單元。實(shí)驗(yàn)采用EMS后臺軟件，如圖3所示，可對儲能系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視控制、能量管理，并能實(shí)現(xiàn)本地設(shè)置計(jì)劃曲線進(jìn)行充放電管理。
圖3 能量管理系統(tǒng)畫面
1.2 實(shí)驗(yàn)平臺
實(shí)驗(yàn)在5.017 MWh儲能電池艙(13716 mm×2700 mm×3100 mm)內(nèi)進(jìn)行，如圖4所示。電池艙內(nèi)含有2個(gè)電池堆，每堆由7簇電池簇并聯(lián)而成。每簇電池簇由25個(gè)模組串聯(lián)而成，模組內(nèi)含1并16串的磷酸鐵鋰電芯。電池艙內(nèi)布置如圖5所示，2個(gè)電池堆分別布置于長邊兩側(cè)，空調(diào)安裝于艙體四角，中間為回風(fēng)風(fēng)道，頂部布置有送風(fēng)風(fēng)道，均勻送風(fēng)至簇內(nèi)各列間。
圖4 儲能電池艙三維模型
圖5 電池艙內(nèi)布置圖
1.2.1 控制策略
根據(jù)圖6所示，EMS根據(jù)日充放電計(jì)劃曲線下發(fā)電芯運(yùn)行狀態(tài)曲線：工作態(tài)定義為電池未來2 h內(nèi)有充放電指令或正處于充放電狀態(tài)；靜置態(tài)定義為電池未來2 h內(nèi)無充放電指令且正處于非充放電狀態(tài)。若EMS判定為工作態(tài)，則按照圖6右側(cè)對應(yīng)的溫度定值進(jìn)行邏輯判斷；若EMS判定為靜置態(tài)，則按照圖6左側(cè)對應(yīng)的溫度定值進(jìn)行邏輯判斷。顯然，靜置態(tài)的溫度區(qū)間相對更大，對電芯的溫度要求更為寬松。靜置時(shí)，電芯溫度可在2 h內(nèi)調(diào)整至熱備用狀態(tài)，避免低溫或高溫充放電對電芯造成不可逆的容量損失。堆級BMS是空調(diào)控制的最小輸入單元，BMS將采集到的電芯溫度上送至空調(diào)控制裝置PCS-9726，結(jié)合狀態(tài)定值輸出堆級指令。堆級指令并非實(shí)際輸出給空調(diào)的最終指令，需要結(jié)合艙內(nèi)兩堆情況綜合判斷。
圖6 電池堆空調(diào)控制原理圖
1.2.2 靜置態(tài)控制策略
空調(diào)控制裝置PCS-9726獲取電芯處于靜置態(tài)時(shí)，空調(diào)執(zhí)行強(qiáng)制制冷的電池單體目標(biāo)溫度為38 ℃，并設(shè)有3 ℃回差，2 ℃死區(qū)，即：電池單體溫度大于等于40 ℃時(shí)，強(qiáng)制開啟空調(diào)制冷；電池單體溫度小于等于35 ℃時(shí)，空調(diào)制冷停止。靜置態(tài)時(shí)，空調(diào)執(zhí)行強(qiáng)制制熱的電池單體目標(biāo)溫度為10 ℃，并設(shè)有3 ℃回差，2 ℃死區(qū)，即：電池單體溫度小于等于8 ℃時(shí)，強(qiáng)制開啟空調(diào)制熱；電池單體溫度大于等于13 ℃時(shí)，空調(diào)制熱停止?？照{(diào)進(jìn)入強(qiáng)制待機(jī)模式的電池單體溫度區(qū)間為8～40 ℃，空調(diào)系統(tǒng)處于強(qiáng)制待機(jī)狀態(tài)時(shí)，空調(diào)循環(huán)風(fēng)機(jī)也暫停運(yùn)行。
1.2.3 工作態(tài)控制策略
空調(diào)控制裝置PCS-9726獲取電芯處于工作態(tài)時(shí)，空調(diào)執(zhí)行強(qiáng)制制冷的電池單體目標(biāo)溫度為25 ℃，并設(shè)有3 ℃回差，2 ℃死區(qū)，即：電池單體溫度大于等于27 ℃時(shí)，強(qiáng)制開啟空調(diào)制冷；電池單體溫度小于等于22 ℃時(shí)，空調(diào)制冷停止。工作態(tài)時(shí)，空調(diào)執(zhí)行強(qiáng)制制熱的電池單體目標(biāo)溫度為16 ℃，并設(shè)有3 ℃回差，2 ℃死區(qū)，即：電池單體溫度小于等于14 ℃時(shí)，強(qiáng)制開啟空調(diào)制熱；電池單體溫度大于等于19 ℃時(shí)，空調(diào)制熱停止?？照{(diào)進(jìn)入強(qiáng)制待機(jī)模式的電池單體溫度區(qū)間為14～27 ℃，空調(diào)系統(tǒng)處于強(qiáng)制待機(jī)狀態(tài)時(shí)，空調(diào)循環(huán)風(fēng)機(jī)也暫停運(yùn)行。
如圖7所示，4臺空調(diào)以艙為單位統(tǒng)一集中控制。PCS-9726在對艙內(nèi)2臺BMS上送的電芯溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理后，對所有空調(diào)輸出同一指令，避免指令沖突的情況發(fā)生。電池堆1和電池堆2進(jìn)行邏輯判斷：若強(qiáng)制制冷與強(qiáng)制待機(jī)同時(shí)存在，執(zhí)行強(qiáng)制制冷；若強(qiáng)制制熱與強(qiáng)制待機(jī)同時(shí)存在，執(zhí)行強(qiáng)制制熱；若強(qiáng)制制冷與強(qiáng)制制熱同時(shí)存在，執(zhí)行空調(diào)自動(dòng)運(yùn)行。任意一臺BMS通信中斷，整艙均執(zhí)行空調(diào)自動(dòng)運(yùn)行。
圖7 電池艙空調(diào)控制原理圖
1.3 實(shí)驗(yàn)方案
儲能監(jiān)控系統(tǒng)通過Modbus通信方式接入電池艙內(nèi)2臺BMS和4臺空調(diào)，設(shè)置空調(diào)采樣周期為1次/min，電芯采樣周期為30次/min，指令輸出周期為1次/min，保證數(shù)據(jù)正常存儲。正式實(shí)驗(yàn)前通過人工置數(shù)測試PCS-9726對空調(diào)的控制情況：強(qiáng)制制冷、強(qiáng)制制熱、強(qiáng)制待機(jī)、自動(dòng)運(yùn)行模式可自由切換。
如圖8和表1所示，首先調(diào)整電池堆1的SOC至100%，電池堆2的SOC至0%，在環(huán)溫下靜置5 h，電池堆1經(jīng)PCS儲能變流器向系統(tǒng)放電，電池堆2充電。此次充放電實(shí)驗(yàn)，空調(diào)經(jīng)回風(fēng)溫度自動(dòng)控制，不加入控制策略，記錄其間空調(diào)耗電量及電芯溫度數(shù)據(jù)。重新調(diào)整電池堆1的SOC至100%，電池堆2的SOC至0%，在環(huán)溫下靜置5 h，電池堆1放電，電池堆2充電。此次充放電實(shí)驗(yàn)，加入空調(diào)控制策略，對比兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。
圖8 儲能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖
表1 電池堆實(shí)驗(yàn)流程
2 結(jié)果與討論
2.1 控制策略對電芯溫差的影響
由圖9可知，在堆1放電初期(0～500 s)，功率迅速提高，此時(shí)堆內(nèi)電芯溫度極差與簇內(nèi)溫度極差均有下降趨勢。圖中S表示堆，R表示簇，與下文一致。原因是繼上次充放電完成，艙內(nèi)電芯溫度未能達(dá)到一致，存在一定溫差，放電開始時(shí)，功率較小，電芯發(fā)熱量較低，幾乎可以忽略電芯間發(fā)熱不一致導(dǎo)致的溫差，如圖10所示，此時(shí)模組風(fēng)扇工作，空調(diào)未啟動(dòng)，參與換熱的空氣溫度較高，與最低溫電芯的溫差較小，而最高溫電芯被冷卻，導(dǎo)致電芯溫差下降。隨著放電功率抬升至0.5 P，不同電芯發(fā)熱情況出現(xiàn)差異，以及散熱不均勻，導(dǎo)致個(gè)別高低溫電芯溫差拉大。
圖9 第一次實(shí)驗(yàn)下電池堆1內(nèi)電芯溫度極差及功率曲線
圖10 第一次實(shí)驗(yàn)下電池堆1內(nèi)電芯溫度極值
在2600 s左右，堆單體溫度極差和簇1、簇2、簇3溫度極差均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，此時(shí)空調(diào)開始制冷，低溫空氣被風(fēng)機(jī)吸入模組內(nèi)部，最高溫度的電芯迅速被冷卻，最低溫度電芯仍保持上升，導(dǎo)致溫差突降。
3500 s左右，簇5、簇6、簇7的電芯溫度極差出現(xiàn)拐點(diǎn)。各簇之間拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間的差異，主要是由于空調(diào)啟動(dòng)時(shí)間的不一致。如圖11所示，2號空調(diào)和4號空調(diào)在2500 s左右優(yōu)先啟動(dòng)，1號空調(diào)啟動(dòng)滯后2號空調(diào)約700 s，3號空調(diào)滯后約1300 s。空調(diào)啟動(dòng)不一致的原因主要是，未加入控制策略時(shí)，空調(diào)啟動(dòng)制冷通過回風(fēng)溫度自主判斷，由于不同位置空調(diào)回風(fēng)溫度傳感器采集的差異，致使某臺空調(diào)優(yōu)先啟動(dòng)制冷，空氣溫度降低后會(huì)進(jìn)一步延緩其他空調(diào)的啟動(dòng)。由于簇1、簇2、簇3靠近空調(diào)4，因此其電芯溫差拐點(diǎn)出現(xiàn)早于簇5、簇6、簇7?？照{(diào)啟動(dòng)的隨機(jī)性，進(jìn)一步導(dǎo)致電芯溫度的不一致性，對于工程應(yīng)用產(chǎn)生極大的影響。隨放電進(jìn)行，電芯溫差繼續(xù)被拉大，直至放電結(jié)束。冷空氣在控制電芯溫升的同時(shí)，卻也增大了溫度不均勻性。李存俊在鋰離子動(dòng)力電池散熱實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了冷卻液溫度降低會(huì)增大電芯溫差。
圖11 第一次實(shí)驗(yàn)下不同空調(diào)送風(fēng)溫度曲線
在7000 s左右，PCS進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，電芯溫差再次出現(xiàn)拐點(diǎn)。根據(jù)能量守恒方程，鋰電池產(chǎn)生的熱量經(jīng)過自身吸收及與環(huán)境的熱交換保持平衡：
式中，Q為電芯產(chǎn)熱量；Qz為電芯自身吸收的熱量；Qh為電芯與環(huán)境交換的熱量。電芯自身吸收的熱量表現(xiàn)為溫度的變化：
式中，mk和Cpk分別表示電池各組成材料的質(zhì)量與比熱容；?T為電池溫度變化量。電池?zé)崃總鬟f的方式主要為熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對流，且環(huán)境溫度與電芯表面之間溫差越大，對流換熱和輻射換熱越強(qiáng)，即Qh越大。放電截止時(shí)，電芯產(chǎn)熱量Q幾乎為0，電芯之間由于發(fā)熱不一致導(dǎo)致的溫差可以忽略，高溫電芯由于更大的換熱溫差，降溫更快，電芯間溫差下降。
但隨著模組風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，簇內(nèi)上下模組間的進(jìn)風(fēng)量差異變大，靠近風(fēng)道出風(fēng)口處的模組散熱效果更好，遠(yuǎn)離出風(fēng)口處散熱變差，溫差進(jìn)一步拉大。放電過程中(不包含待機(jī))，堆內(nèi)溫差最大達(dá)到6.8 ℃。
電池堆1第二次放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，加入空調(diào)控制策略，由圖12可知，電芯溫差變化整體趨勢與第一次實(shí)驗(yàn)保持一致。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)送風(fēng)溫度同時(shí)降低，說明4臺空調(diào)同時(shí)執(zhí)行了控制器下發(fā)的強(qiáng)制制冷指令。因此，受冷空氣吸入的影響，各簇電芯溫差在2500 s左右同時(shí)下降后逐漸抬升。直至放電截止，堆內(nèi)電芯溫差最高達(dá)到5.9 ℃。相比第一次放電實(shí)驗(yàn)，溫差下降0.9 ℃。
圖12 第二次實(shí)驗(yàn)下電池堆1內(nèi)電芯溫度極差及功率曲線
圖13 第二次實(shí)驗(yàn)下不同空調(diào)送風(fēng)溫度曲線
第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，未加入控制策略的電池堆2的電芯溫差曲線更加離散，如圖14所示，在空調(diào)制冷啟動(dòng)后，由于啟動(dòng)順序的差異性，距離2號空調(diào)較近的簇5、簇6、簇7首先出現(xiàn)溫差拐點(diǎn)，導(dǎo)致堆內(nèi)溫差被放大。且空調(diào)開啟一段時(shí)間后，對于電芯溫差是不利的，溫差上升的速度加快。充電過程中，堆內(nèi)溫差最大值出現(xiàn)在充電末期，達(dá)到7.6 ℃。如圖15所示，加入控制策略后的電池堆2溫差曲線趨于一致，堆內(nèi)溫度極差與最大簇溫度極差(簇6)接近，說明電芯溫度一致性更好，堆內(nèi)電芯溫差極限為6.2 ℃，相比第一次放電實(shí)驗(yàn)降低了1.4 ℃。
圖14 第一次實(shí)驗(yàn)下電池堆2內(nèi)電芯溫度極差及功率曲線
圖15 第二次實(shí)驗(yàn)下電池堆2內(nèi)電芯溫度極差及功率曲線
2.2 控制策略對空調(diào)能耗的影響
由于測試條件下環(huán)境溫度較為適宜，電芯靜置態(tài)時(shí)無須加熱及制冷，電芯溫度始終處于工作溫度區(qū)間。故加入控制策略后，在充放電時(shí)段以外的大部分時(shí)間，空調(diào)始終處于強(qiáng)制待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，大幅降低了耗電量，實(shí)測空調(diào)內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)功率為3.5 kW，如圖16所示，空調(diào)日總功耗相比無控制策略時(shí)下降了62%。
圖16 不同控制策略下空調(diào)耗電量
3 結(jié)論
本工作以5.017 MWh儲能電池艙為實(shí)驗(yàn)對象，提出了基于EMS計(jì)劃曲線和電芯溫度的熱管理控制策略，并分析了應(yīng)用該策略對電芯溫差及空調(diào)耗電量的影響。通過對兩堆儲能電池堆進(jìn)行0.5 P恒功率充放電，驗(yàn)證該策略的節(jié)能及溫差控制效果。本工作得出的主要結(jié)論及對熱管理系統(tǒng)的幾點(diǎn)優(yōu)化措施如下。
（1）無控制策略時(shí)，空調(diào)通過內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)采集溫度，實(shí)現(xiàn)模式切換。該控制方式具有隨機(jī)性，艙內(nèi)空調(diào)不能同時(shí)啟停，出風(fēng)量不對稱，使得電芯溫差累積。加入控制策略后，通過采集電芯溫度對空調(diào)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，空調(diào)同時(shí)啟停，減少了溫差累積，電芯溫度更為均勻?；跍y試數(shù)據(jù)，堆1的電芯溫差降低0.9 ℃，堆2的電芯溫差降低1.4 ℃。
（2）空調(diào)啟動(dòng)后對電芯溫升有控制作用，但對溫差的影響是負(fù)面的。原因是在現(xiàn)有的集成條件下，不同電池簇、模組及電芯的風(fēng)量無法做到完全一致，冷風(fēng)介入會(huì)增加電芯溫度的不一致性。
（3）模組風(fēng)扇對電芯溫差也有顯著影響。電芯待機(jī)時(shí)，停止模組風(fēng)扇會(huì)導(dǎo)致溫差驟增，因此需考慮延緩風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)間，或增加縱向變截面風(fēng)道來均衡不同模組的冷風(fēng)量。
（4）加入控制策略后，在強(qiáng)制待機(jī)指令下，空調(diào)內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，能極大地減少日耗電量，每日一充一放的情況下，日耗電量降低了62%。在冬季或夏季，電芯溫度處于非工作溫度區(qū)間時(shí)，該策略會(huì)使節(jié)能效果進(jìn)一步增加。
因此，控制策略上對于艙內(nèi)多套熱管理設(shè)備應(yīng)考慮集中控制的方式，避免各設(shè)備間的差異化啟停，提升熱管理的一致性。同時(shí)，需要采集電芯溫度作為熱管理系統(tǒng)的判斷依據(jù)，提高熱管理的靈敏度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用橫向、縱向變截面風(fēng)道，變開孔率模組進(jìn)風(fēng)口，保障簇間及模組間送風(fēng)的均勻性。節(jié)能優(yōu)化上需結(jié)合電芯運(yùn)行工況進(jìn)行熱管理控制，提升儲能系統(tǒng)運(yùn)行效率。
