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基于計劃曲線的儲能系統(tǒng)均衡熱管理及節(jié)能研究
李明 謝金元 邱沐楚 邵亮 霍強
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)，溫差會進一步拉大。為實現(xiàn)儲能系統(tǒng)低能耗、低溫差的目標，本工作提出了一種基于能量管理系統(tǒng)(EMS)計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)進行集中控制。通過對容量為5.017 MWh的儲能電池艙進行實驗，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)啟動對溫差有負面作用。在相同的充放電功率下，相比于無控制策略的實驗條件，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)待機時無內(nèi)循環(huán)風(fēng)機功耗，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，單艙聚集的電池數(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)量不均使其長期運行后的內(nèi)阻不一致、多套制冷設(shè)備啟停具有時間差、模組風(fēng)扇出風(fēng)量不對稱等實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，可能會刺穿隔膜引發(fā)電池短路。而高溫充放電循環(huán)會導(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 ℃溫控目標進行設(shè)定。然而鋰離子電池處于靜置狀態(tài)時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)電芯的運行狀態(tài)對目標溫度進行區(qū)分，電芯靜置狀態(tài)設(shè)定較寬泛的目標溫度，電芯充放電時或即將充放電時將溫度抬升或降低到最佳運行溫度范圍，以降低空載時的空調(diào)功耗。同時，艙內(nèi)空調(diào)大都采用回風(fēng)溫度進行自動控制，冷熱需求響應(yīng)精度和響應(yīng)時間都存在差異，進一步導(dǎo)致電芯溫差拉大，降低電池系統(tǒng)的容量和壽命。
本工作通過實驗的方式，驗證基于能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)計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 實驗
1.1 實驗材料及設(shè)備
實驗采用方形鋁殼280 Ah磷酸鐵鋰電芯，正極材料是磷酸鐵鋰(LiFePO4)，負極材料為石墨，電芯樣品如圖1所示。本實驗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
實驗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，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
實驗采用三相多功能電能表(江蘇產(chǎn))，用于計量空調(diào)運行功耗。電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)用于本實驗電芯溫度采集，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行對比，輸出相應(yīng)指令給艙內(nèi)空調(diào)執(zhí)行單元。實驗采用EMS后臺軟件，如圖3所示，可對儲能系統(tǒng)設(shè)備進行監(jiān)視控制、能量管理，并能實現(xiàn)本地設(shè)置計劃曲線進行充放電管理。
圖3 能量管理系統(tǒng)畫面
1.2 實驗平臺
實驗在5.017 MWh儲能電池艙(13716 mm×2700 mm×3100 mm)內(nèi)進行，如圖4所示。電池艙內(nèi)含有2個電池堆，每堆由7簇電池簇并聯(lián)而成。每簇電池簇由25個模組串聯(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)日充放電計劃曲線下發(fā)電芯運行狀態(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，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，空調(diào)執(zhí)行強制制冷的電池單體目標溫度為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，強制開啟空調(diào)制冷；電池單體溫度小于等于35 ℃時，空調(diào)制冷停止。靜置態(tài)時，空調(diào)執(zhí)行強制制熱的電池單體目標溫度為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，強制開啟空調(diào)制熱；電池單體溫度大于等于13 ℃時，空調(diào)制熱停止?？照{(diào)進入強制待機模式的電池單體溫度區(qū)間為8～40 ℃，空調(diào)系統(tǒng)處于強制待機狀態(tài)時，空調(diào)循環(huán)風(fēng)機也暫停運行。
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，空調(diào)執(zhí)行強制制冷的電池單體目標溫度為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，強制開啟空調(diào)制冷；電池單體溫度小于等于22 ℃時，空調(diào)制冷停止。工作態(tài)時，空調(diào)執(zhí)行強制制熱的電池單體目標溫度為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，強制開啟空調(diào)制熱；電池單體溫度大于等于19 ℃時，空調(diào)制熱停止。空調(diào)進入強制待機模式的電池單體溫度區(qū)間為14～27 ℃，空調(diào)系統(tǒng)處于強制待機狀態(tài)時，空調(diào)循環(huán)風(fēng)機也暫停運行。
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進行邏輯判斷：若強制制冷與強制待機同時存在，執(zhí)行強制制冷；若強制制熱與強制待機同時存在，執(zhí)行強制制熱；若強制制冷與強制制熱同時存在，執(zhí)行空調(diào)自動運行。任意一臺BMS通信中斷，整艙均執(zhí)行空調(diào)自動運行。
圖7 電池艙空調(diào)控制原理圖
1.3 實驗方案
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。正式實驗前通過人工置數(shù)測試PCS-9726對空調(diào)的控制情況：強制制冷、強制制熱、強制待機、自動運行模式可自由切換。
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。此次充放電實驗，空調(diào)經(jīng)回風(fēng)溫度自動控制，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。此次充放電實驗，加入空調(diào)控制策略，對比兩次實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果。
圖8 儲能實驗系統(tǒng)圖
表1 電池堆實驗流程
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)電芯溫度未能達到一致，存在一定溫差，放電開始時，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，此時模組風(fēng)扇工作，空調(diào)未啟動，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)致個別高低溫電芯溫差拉大。
圖9 第一次實驗下電池堆1內(nèi)電芯溫度極差及功率曲線
圖10 第一次實驗下電池堆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，此時空調(diào)開始制冷，低溫空氣被風(fēng)機吸入模組內(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。各簇之間拐點出現(xiàn)時間的差異，主要是由于空調(diào)啟動時間的不一致。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，1號空調(diào)啟動滯后2號空調(diào)約700 s，3號空調(diào)滯后約1300 s。空調(diào)啟動不一致的原因主要是，未加入控制策略時，空調(diào)啟動制冷通過回風(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)先啟動制冷，空氣溫度降低后會進一步延緩其他空調(diào)的啟動。由于簇1、簇2、簇3靠近空調(diào)4，因此其電芯溫差拐點出現(xiàn)早于簇5、簇6、簇7。空調(diào)啟動的隨機性，進一步導(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，卻也增大了溫度不均勻性。李存俊在鋰離子動力電池散熱實驗中也發(fā)現(xiàn)了冷卻液溫度降低會增大電芯溫差。
圖11 第一次實驗下不同空調(diào)送風(fēng)溫度曲線
在7000 s左右，PCS進入待機狀態(tài)，電芯溫差再次出現(xiàn)拐點。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，即Qh越大。放電截止時，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，遠離出風(fēng)口處散熱變差，溫差進一步拉大。放電過程中(不包含待機)，堆內(nèi)溫差最大達到6.8 ℃。
電池堆1第二次放電實驗時，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驗保持一致。從圖13可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)送風(fēng)溫度同時降低，說明4臺空調(diào)同時執(zhí)行了控制器下發(fā)的強制制冷指令。因此，受冷空氣吸入的影響，各簇電芯溫差在2500 s左右同時下降后逐漸抬升。直至放電截止，堆內(nèi)電芯溫差最高達到5.9 ℃。相比第一次放電實驗，溫差下降0.9 ℃。
圖12 第二次實驗下電池堆1內(nèi)電芯溫度極差及功率曲線
圖13 第二次實驗下不同空調(diào)送風(fēng)溫度曲線
第一次實驗時，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)制冷啟動后，由于啟動順序的差異性，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，導(dǎo)致堆內(nèi)溫差被放大。且空調(diào)開啟一段時間后，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 ℃，相比第一次放電實驗降低了1.4 ℃。
圖14 第一次實驗下電池堆2內(nèi)電芯溫度極差及功率曲線
圖15 第二次實驗下電池堆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，在充放電時段以外的大部分時間，空調(diào)始終處于強制待機狀態(tài)，此時內(nèi)循環(huán)風(fēng)機停轉(zhuǎn)，大幅降低了耗電量，實測空調(diào)內(nèi)循環(huán)風(fēng)機功率為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儲能電池艙為實驗對象，提出了基于EMS計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行0.5 P恒功率充放電，驗證該策略的節(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)的幾點優(yōu)化措施如下。
（1）無控制策略時，空調(diào)通過內(nèi)循環(huán)風(fēng)機采集溫度，實現(xiàn)模式切換。該控制方式具有隨機性，艙內(nèi)空調(diào)不能同時啟停，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)實現(xiàn)精準控制，空調(diào)同時啟停，減少了溫差累積，電芯溫度更為均勻。基于測試數(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)啟動后對電芯溫升有控制作用，但對溫差的影響是負面的。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。電芯待機時，停止模組風(fēng)扇會導(dǎo)致溫差驟增，因此需考慮延緩風(fēng)機停轉(zhuǎn)時間，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，在強制待機指令下，空調(diào)內(nèi)循環(huán)風(fēng)機停轉(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，該策略會使節(jié)能效果進一步增加。
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，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)計上采用橫向、縱向變截面風(fēng)道，變開孔率模組進風(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)合電芯運行工況進行熱管理控制，提升儲能系統(tǒng)運行效率。
