CN112729611A - 一种锂离子电池储能***内部温度的估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池储能***内部温度的估算方法，通过构建储能***的三维热‑流体耦合模型，模拟运行过程中储能***的热行为，基于储能***内部有限的温度测量信息修正热‑流体耦合模型，在此基础上，对储能***内部的温度进行估算，为储能***的热管理***及安全管控***等提供可靠的温度信息。本发明基于储能***内有限的温度测点对整个***内部的温度进行精准估算，能提高热管理***以及安全管控***等的控制精度，能有效降低储能***的成本、施工难度及优化控制，能指导锂离子电池储能***的设计、运行及优化。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池工作温度估算方法，尤其涉及一种锂离子电池储能***内部温度的估算方法。
背景技术
随着国家《关于深化电力体制改革若干意见》等相关政策发布，储能产业正式步入由示范向商业化转变的过渡期。电化学储能较抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能等物理性储能***有投资小、建设周期快、环境友善、响应速度快、能量转化效率高等优势，适用于功率范围在千瓦级至十兆瓦级的电力桥接领域。未来电化学储能在智能电力***中将参与风光接入、调峰调频、备用电源、需求响应支撑等辅助服务并发挥关键作用。近年来锂电池在新能源汽车领域被广泛应用，从电池原材料生产、***集成能力到装备制造已形成完整产业链，这为锂电池在储能领域的应用奠定了基础。
温度对锂离子电池的容量、功率和安全性等都有很大的影响。与动力电池***相比，储能***聚集的电池数目更多，电池容量和功率也更大。大量的电池紧密排列在一个空间内，运行工况复杂多变，容易造成产热不均匀、温度分布不均匀、电池间温差较大等问题。长此以往，必然会导致部分电池的充放电性能、容量和寿命等下降，从而影响整个***的性能，严重时会引发热失控，造成事故。因此，锂离子电池储能***都配有热管理***以及安全管控***等，保障其安全、有效及长寿命运行。
而热管理***以及安全管控***等的温度控制信号来自于储能***运行过程中的大量实测温度信息。按照1MW/2MWh预制舱式储能***配置，锂离子电池单体数量可达上万个；如需获取储能***运行过程中较为精准的温度信息，每个电池单体取一个温度监测点，同时考虑监测每个电池模块的进出口温度、外部气候环境参数等，温度参数监测数据量巨大，对储能***的软硬件配置、工程测试施工、数据分析处理等都提出了很高的要求。目前储能***内部温度测点有限，一个锂离子电池模组仅配有两个测温点，测点所提供的温度信息不能准确的反映内部的温度分布，导致控制***精度低。因此，基于有限的温度监测点对锂离子电池储能***内部的温度进行更为精确的估算，从而提供更准确的温度输入信号，能提高热管理***及安全管控***等的控制精度，能有效指导锂离子电池储能***的设计、运行及优化。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种锂离子电池储能***内部温度的估算方法，能够基于储能***内有限的温度测点对整个***内部的温度进行精准估算，提高热管理***以及安全管控***等的控制精度，有效降低储能***的成本、施工难度及优化控制。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种锂离子电池储能***内部温度的估算方法，包括以下步骤：
步骤一：获取锂离子电池、模组及储能***相关结构及运行参数，温度测点的位置信息。
步骤一中所述的获取锂离子电池、模组及储能***相关结构及运行参数，温度测点位置信息，其中锂离子电池相关结构及运行参数包括锂离子电池的电化学体系、结构参数、电性能及热性能参数；模组相关结构及运行参数包括电池模组的结构参数、冷却方式及结构参数、模组内锂离子电池的布置方式；储能***相关结构参数包括储能***的结构参数、电池模组的布置方式、高压盒位置及结构参数、空调进出风口及风道信息，储能***运行参数包括环境参数、储能***的初始状态、运行过程中电流及电压、温度实测参数。
其中，所述的冷却方式包括液体冷却、空气冷却、相变材料冷却。
步骤二：建立锂离子电池储能***的热-流体耦合仿真模型，包括以下步骤：(21)建立锂离子电池储能***热-流体耦合物理模型；(22)划分模型网格；(23)建立锂离子电池储能***热-流体耦合数学模型。该模型是基于储能***的热管理方式，采用连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程对储能***的热-流体耦合过程进行耦合计算；其中，动量守恒方程采用k-ωSST模型求解；能量守恒方程包括流体、结构件以及电池三部分的能量守恒方程，其中采用Bernardi生热速率模型求解电池能量守恒方程中的电池热生源项。
其中，所述的动量守恒方程采用k-ωSST模型求解，紊流动能及紊动耗散速率方程如下：
式中k为湍动能，ω为湍流比耗散率，ρ为流体密度，ui为流体速度，t为时间，Γk、Γω分别代表k方程和ω方程中的扩散率，Gk是由层流速度梯度而产生的湍动能，Gω是由ω方程产生的动能，Yk、Yω分别表示k方程和ω方程中的由于扩散而产生的湍流，Sk与Sω为自定义参数，xi、xj为方向分量。
所述的采用Bernardi生热速率模型求解电池能量守恒方程中的电池热生源项为：
式中T为电池温度，I为电流，Uca为阴极开路势，Uan为阳极开路势，U为电池工作电压。
步骤三：计算储能***运行过程中锂离子电池的参数，将仿真计算的结果与实测数据对比，修正仿真模型。
步骤三所述的模拟计算储能***运行过程中锂离子电池的参数变化，是基于储能***的初始状态参数以及运行参数，采用有限体积法，对储能***计算域中有限大小的离散网格完成储能***热-流体耦合求解；所述的将仿真计算的结果与实测数据对比，修正仿真模型，是通过储能***实测的电压、温度及电芯的荷电状态与求解的结果进行对比，修正仿真模型的热源项、流场及边界条件中的温度和电压项。
其中，所述储能***的初始状态参数包括锂离子电池的电压、荷电状态及温度测点数据，所述储能***的运行参数包括电流；所述仿真计算的结果包括锂离子电池的电压及温度。
步骤四：基于修正后的仿真模型计算储能***运行过程中锂离子电池的温度。
本发明还提出一种锂离子电池管理***，包括处理器和存储器，所述处理器执行以下步骤：(1)所述处理器与平台数据库握手，判断是否有新的监测数据更新，如果发现已更新数据，则进入下一步；(2)所述处理器开启电-热-流体耦合仿真，执行上述锂离子电池储能***内部温度的估算方法中的步骤，得到每个时间步所有电池的温度；所述电池温度包括电芯温度；(3)将电池温度输出至外接控制***。
有益效果：相比于现有技术，本发明基于储能***内有限的温度测点对整个***内部的温度进行精准估算，能提高热管理***以及安全管控***等的控制精度，能有效降低储能***的成本、施工难度及优化控制，能指导锂离子电池储能***的设计、运行及优化。
附图说明
图1是本发明所述锂离子电池储能***内部温度的估算方法流程图；
图2是本发明所述的锂离子电池模组的计算网格示意图；
图3是本发明所述的锂离子电池储能***的计算网格示意图；
图4是本发明所述的锂离子电池储能***内部电池模组仿真温度计算结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，以实现基于储能***内有限的温度测点对整个***内部的温度进行精准估算，指导锂离子电池储能***的设计、运行及优化。所述锂离子电池储能***内部温度的估算方法流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：获取锂离子电池、模组及储能***相关结构及运行参数，温度测点位置信息。
上述锂离子电池参数包括锂离子电池的电化学体系、结构参数、电性能及热性能；电池模组参数包括电池模组的结构参数、散热方式及结构参数、模组内锂离子电池的布置方式及温度测点的布置位置；储能***相关结构参数包括储能***的结构参数、电池模组的布置方式、高压盒位置及结构参数、空调进出风口及风道信息；储能***运行参数包括环境参数、储能***的初始状态、运行过程中电流及电压、温度等实测参数。
步骤二：建立锂离子电池储能***的热-流体耦合仿真模型。
具体地，本实施例的储能***采用空气冷却的方式对锂离子电池进行热管理。首先根据储能***的实际结构，建立其物理模型以及进行计算网格划分，如图2及图3。储能***模型中不仅包含了电池模块插箱内所有结构固体域及流体域，还包含插箱外部整仓空气流体域、高压盒固体域以及空调进出风口、风道等结构网格。然后建立锂离子电池储能***的热-流体耦合数学仿真模型。
储能***内空气的流动及对流换热、电池的生热-蓄热-导热-散热、结构件的导热等过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本的物理规律，即三大方程是流动和传热问题基本数学描述。空气的流动问题由连续性方程及动量守恒方程描述，空气、电池、结构件的温度场由能量守恒方程描述，各方程如下：
(1)连续性方程
连续性方程是质量守恒方程在流体力学中的具体表述形式。对于固定位置的空间微元体，单位时间内微元体内质量的增加量等于同一时间段内进入微元体的质量与流出微元体质量之差，据此可以得到质量连续性方程：
其中，ρ为流体密度，u为流体速度，t为时间。
(2)动量守恒方程
动量守恒方程与连续性方程一起是预制舱内空气流体流动的描述，空气的流动情况决定了电池与周围环境的热量传递的方式和速率，因此流场的准确预测是电池温度准确计算的基础。根据动量守恒定律可知微元体在三个方向上的动量增加率等于微元体各自方向上力的叠加，动量守恒方程式如下：
其中，ρ为流体密度，u为流体速度，t为时间，P为流体压力，μ为流体动力粘度。
由于舱内空气流速高，处于紊流状态，本申请同时采用紊流模型求解舱内空气流场。本仿真平台中采用了k-ωSST模型，其求解的紊流动能及紊动耗散速率方程如下：
其中，k为湍动能，ω为湍流比耗散率，ρ为流体密度，u为流体速度，t为时间，Γk、Γω分别代表k方程和ω方程中的扩散率，Gk是由层流速度梯度而产生的湍动能，Gω是由ω方程产生的动能，Yk、Yω分别表示k方程和ω方程中由于扩散而产生的湍流，Sk与Sω用户自定义。
(3)能量守恒方程
能量守恒方程描述了流体流动过程中流体与流体之间，流体与固体及周围环境之间能量的转换关系，同时由于能量的变化也会影响到流体的运动状态。在预制舱内高强度的热源产生的强烈热羽流与舱内空调送风混合影响了冷空气快速均匀的传递至电池表面。因此流体的流动与能量的同步求解十分必要。能量方程将流动与热量传递相结合，能量方程表示如下：
空气：
结构件：
电池：
其中，电池能量守恒方程中，
为电池生热源项，可由Bemardi生热速率模型描述：
其中，ρ为密度，t为时间，cp为比热容，k为热扩散率，Qir为不可逆热，Qre为可逆熵热；T为温度；其中Uca为阴极开路势，Uan为阳极开路势，(Uca-Uan)为开路电压，
为熵系数，二者为荷电状态或放电深度的函数，由实验测量拟合获得。
步骤三：模拟计算储能***运行过程中锂离子电池的参数变化，修正仿真模型。
基于储能***的初始状态以及运行参数，采用有限体积法，对储能***计算域中有限大小的离散网格完成连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程的耦合求解；在此基础上，通过仿真计算结果与实测数据的对比，修正仿真模型。
储能***的初始状态参数包括锂离子电池的电压及荷电状态、温度测点数据；储能***的运行参数为电流；模拟计算的结果包括锂离子电池的电压及温度；通过储能***实测的电压、温度及电芯的荷电状态等与仿真结果进行对比，修正仿真模型的热源项、流场及边界条件中的温度和电压项，并在考虑计算结果准确度的基础上对模型进行适当简化。
步骤四：计算储能***运行过程中锂离子电池的温度，提供准确的温度信息。
在进入实时求解时，先与平台数据库握手，判断是否有新的监测数据更新，如果发现已更新数据，则开启电-热-流体耦合仿真；模型读取每个舱每簇的电流以及每个电芯的初始荷电状态，计算电池每个时间步的生热量；再由模型获取环境参数并求解舱内流场及温度场，得到每个时间步所有电芯温度，同时将电芯温度输出至相关的控制***。
Claims (9)
1.一种锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：获取锂离子电池、模组及储能***相关结构及运行参数，温度测点的位置信息；
步骤二：建立锂离子电池储能***的热-流体耦合仿真模型；该模型是基于储能***的热管理方式，采用连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程对储能***的热-流体耦合过程进行耦合计算；其中，动量守恒方程采用k-ωSST模型求解；能量守恒方程包括流体、结构件以及电池三部分的能量守恒方程，其中采用Bernardi生热速率模型求解电池能量守恒方程中的电池热生源项；
步骤三：计算储能***运行过程中锂离子电池的参数，将仿真计算的结果与实测数据对比，修正仿真模型；
步骤四：基于修正后的仿真模型计算储能***运行过程中锂离子电池的温度。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于，步骤二中所述的动量守恒方程采用k-ωSST模型求解，紊流动能及紊动耗散速率方程如下：
式中k为湍动能，ω为湍流比耗散率，ρ为流体密度，ui为流体速度，t为时间，Γk、Γω分别代表k方程和ω方程中的扩散率，Gk是由层流速度梯度而产生的湍动能，Gω是由ω方程产生的动能，Yk、Yω分别表示k方程和ω方程中的由于扩散而产生的湍流，Sk与Sω为自定义参数，xi、xj为方向分量。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于，步骤二中所述的采用Bernardi生热速率模型求解电池能量守恒方程中的电池热生源项为：
式中T为电池温度，I为电流，Uca为阴极开路势，Uan为阳极开路势，U为电池工作电压。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于：步骤一所述的获取锂离子电池、模组及储能***相关结构及运行参数，温度测点位置信息，其中锂离子电池相关结构及运行参数包括锂离子电池的电化学体系、结构参数、电性能及热性能参数；模组相关结构及运行参数包括电池模组的结构参数、冷却方式及结构参数、模组内锂离子电池的布置方式；储能***相关结构参数包括储能***的结构参数、电池模组的布置方式、高压盒位置及结构参数、空调进出风口及风道信息，储能***运行参数包括环境参数、储能***的初始状态、运行过程中电流及电压、温度实测参数。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于：所述的冷却方式包括液体冷却、空气冷却、相变材料冷却。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于：步骤二所述的建立锂离子电池储能***的热-流体耦合仿真模型包括以下步骤：(21)建立锂离子电池储能***热-流体耦合物理模型；(22)划分模型网格；(23)建立锂离子电池储能***热-流体耦合数学模型。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于：步骤三所述的模拟计算储能***运行过程中锂离子电池的参数变化，是基于储能***的初始状态参数以及运行参数，采用有限体积法，对储能***计算域中有限大小的离散网格完成储能***热-流体耦合求解；所述的将仿真计算的结果与实测数据对比，修正仿真模型，是通过储能***实测的电压、温度及电芯的荷电状态与求解的结果进行对比，修正仿真模型的热源项、流场及边界条件中的温度和电压项。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法，其特征在于：所述储能***的初始状态参数包括锂离子电池的电压、荷电状态及温度测点数据，所述储能***的运行参数包括电流；所述仿真计算的结果包括锂离子电池的电压及温度。
9.一种锂离子电池管理***，包括处理器和存储器，其特征在于，所述处理器执行以下步骤：(1)所述处理器与平台数据库握手，判断是否有新的监测数据更新，如果发现已更新数据，则进入下一步；(2)所述处理器开启电-热-流体耦合仿真，执行权利要求1-8任一项所述的锂离子电池储能***内部温度的估算方法中的步骤，得到每个时间步所有电池的温度；所述电池温度包括电芯温度；(3)将电池温度输出至外接控制***。
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- 2020-12-23 CN CN202011544476.3A patent/CN112729611A/zh active Pending
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