中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電池儲(chǔ)能在極端高溫、低溫下存在壽命衰減快、性能差的問(wèn)題，在確保電池儲(chǔ)能熱安全性的前提下，通過(guò)控制電池儲(chǔ)能溫度，提高電池儲(chǔ)能使用壽命與功率輸出能力，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性成為一項(xiàng)重要任務(wù)。上海交通大學(xué)電力系統(tǒng)分析與控制研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)電池特性試驗(yàn)和仿真，構(gòu)建凸化電池電熱耦合模型估算電池溫度，分析電、氣、冷、熱多能流耦合特性，基于含溫度-功率特性的電池儲(chǔ)能運(yùn)行模型，制定綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，并通過(guò)算例驗(yàn)證了所提方法的有效性。
研究背景
電池儲(chǔ)能具有能量密度高、響應(yīng)速度快、模塊化等優(yōu)勢(shì)，可平抑新能源出力波動(dòng)，在綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system, IES）中廣泛應(yīng)用。然而，電池儲(chǔ)能存在熱安全風(fēng)險(xiǎn)和壽命衰減問(wèn)題，在熱安全和經(jīng)濟(jì)性方面受到挑戰(zhàn)。
在電池儲(chǔ)能中，單體電池以串并聯(lián)的形式組合，使容量、輸出功率等參數(shù)滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。電池儲(chǔ)能溫度受自身充放電產(chǎn)熱和環(huán)境溫度耦合影響，當(dāng)環(huán)境溫度低，導(dǎo)致電池儲(chǔ)能溫度低，相較于常溫，其容量降低、輸出功率減小，且每次充放電電池的壽命衰減加??；當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，電池運(yùn)行產(chǎn)熱，熱量累積，電池儲(chǔ)能溫度高，相較于常溫，每次充放電電池的壽命衰減加劇，且熱失控風(fēng)險(xiǎn)加大。
論文所解決的問(wèn)題及意義
電池儲(chǔ)能在運(yùn)行時(shí)不直接產(chǎn)生費(fèi)用，但其每次充放電都會(huì)有壽命損耗，當(dāng)前IES優(yōu)化調(diào)度研究已經(jīng)將不同溫度下電池壽命損耗的成本計(jì)入總成本，但是極端高溫、低溫下電池輸出能力受限從而導(dǎo)致電池儲(chǔ)能滿足不了調(diào)度要求出力的情況仍有待研究。
電池在極端高溫、低溫下高倍率充放電加快壽命衰減，并且輸出能力受限，新能源出力不能完全消納，通過(guò)研究電池儲(chǔ)能溫度-功率特性，控制電池儲(chǔ)能溫度從而調(diào)節(jié)電池儲(chǔ)能功率輸出能力，達(dá)到提高新能源消納能力，降低電池儲(chǔ)能壽命衰減及IES運(yùn)行成本。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
1、凸化電池電熱耦合模型
圖1 電池試驗(yàn)設(shè)備
如圖1所示，首先進(jìn)行電池特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包括在不同環(huán)境溫度（-20 ℃~45 ℃）中分別進(jìn)行恒流放電、脈沖放電及電池溫升實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)辨識(shí)電池參數(shù)，構(gòu)建電熱耦合模型，電池電熱耦合模型由產(chǎn)熱模型和傳熱模型組成，產(chǎn)熱模型描述電池充放電產(chǎn)熱，傳熱模型描述電池與外部環(huán)境熱交換。
圖2 電池電熱耦合模型
根據(jù)電池尺寸以及實(shí)驗(yàn)辨識(shí)所得電池比熱容、對(duì)流換熱系數(shù)、溫度-電池容量曲線、不同溫度和SOC下電池內(nèi)阻曲線等電池參數(shù)，在有限元軟件中搭建電池仿真模型并驗(yàn)證仿真模型擬合電池溫升的準(zhǔn)確性，在仿真模型中分別設(shè)置電池?zé)峁β?、電功率表達(dá)式，仿真不同電流下電池的電功率、熱功率值，基于仿真所得數(shù)據(jù)將原電熱耦合模型凸化。
2、IES及電池儲(chǔ)能運(yùn)行模型
圖3 綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)
根據(jù)圖3所示IES結(jié)構(gòu)，構(gòu)建電池儲(chǔ)能模型反映儲(chǔ)能的能量?jī)?chǔ)存、溫度控制、溫度-功率輸出能力、溫度-壽命損耗等關(guān)系；電池儲(chǔ)能模型包括：能量存儲(chǔ)模型、溫度控制模型、溫度-功率模型、溫度-壽命損耗模型。
3、含電池儲(chǔ)能溫度控制的IES優(yōu)化及算例分析
以IES的日運(yùn)營(yíng)成本最低為目標(biāo)，通過(guò)控制各個(gè)設(shè)備的出力，其中重點(diǎn)關(guān)注電池儲(chǔ)能的溫度控制及功率控制，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。約束條件包括功率、能量平衡約束，電池儲(chǔ)能及其溫度控制約束、其他設(shè)備約束等。
圖4 夏季電池儲(chǔ)能溫度
圖5 冬季電池儲(chǔ)能溫度
以某IES為算例，在冬季和夏季分別進(jìn)行算例分析，得到夏季和冬季典型日電池儲(chǔ)能溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看到，相較于儲(chǔ)能艙環(huán)境溫度，電池儲(chǔ)能溫度得到有效控制。
將本文所提方法與不包含電池儲(chǔ)能溫度控制的方法從IES經(jīng)濟(jì)性、電池儲(chǔ)能熱安全性、電池儲(chǔ)能利用率三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。
方法1：本文所提方法，包含溫度控制（溫控系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)）
方法2：傳統(tǒng)分析方法，不包含溫度控制（溫控系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)）
夏季，相較于方法2，方法1的總成本減少6.72 %；冬季，相較于方法2，方法1的總成本減少13.78 %。
結(jié)論
針對(duì)電池儲(chǔ)能在極端高溫、低溫下壽命衰減快、性能差的問(wèn)題，本文提出了電池儲(chǔ)能溫度-功率特性模型及含溫度控制的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，通過(guò)算例對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證，所得結(jié)論如下：將電池電熱耦合模型凸化，基于此模型估算電池溫度并量化電池儲(chǔ)能溫度-功率輸出能力，提出電池儲(chǔ)能溫度-功率輸出能力模型，制定含電池儲(chǔ)能溫度控制的IES低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，控制電池儲(chǔ)能溫度及輸出功率。
經(jīng)計(jì)算，本文方法相較于不考慮電池儲(chǔ)能溫度控制，夏季、冬季典型日可降低電池儲(chǔ)能壽命損耗成本30.97%、69.64%，降低IES運(yùn)行成本6.72%、13.78%。
