上海交通大学等单位熊康、黎灿兵 等：电池储能温度-功率特性建模及其在综合能源系统中的应用

阅读提示：本文约 2600 字

电池储能在极端高温、低温下存在寿命衰减快、性能差的问题，在确保电池储能热安全性的前提下，通过控制电池储能温度，提高电池储能使用寿命与功率输出能力，提高系统运行经济性成为一项重要任务。 上海交通大学电力系统分析与控制研究团队根据电池特性试验和仿真，构建凸化电池电热耦合模型估算电池温度，分析电、气、冷、热多能流耦合特性，基于含温度-功率特性的电池储能运行模型，制定综合能源系统经济调度策略，并通过算例验证了所提方法的有效性。

研究背景

电池储能具有能量密度高、响应速度快、模块化等优势，可平抑新能源出力波动，在综合能源系统（integrated energy system, IES）中广泛应用。然而，电池储能存在热安全风险和寿命衰减问题，在热安全和经济性方面受到挑战。

在电池储能中，单体电池以串并联的形式组合，使容量、输出功率等参数满足系统运行要求。电池储能温度受自身充放电产热和环境温度耦合影响，当环境温度低，导致电池储能温度低，相较于常温，其容量降低、输出功率减小，且每次充放电电池的寿命衰减加剧；当环境温度高时，电池运行产热，热量累积，电池储能温度高，相较于常温，每次充放电电池的寿命衰减加剧，且热失控风险加大。

论文所解决的问题及意义

电池储能在运行时不直接产生费用，但其每次充放电都会有寿命损耗，当前IES优化调度研究已经将不同温度下电池寿命损耗的成本计入总成本，但是极端高温、低温下电池输出能力受限从而导致电池储能满足不了调度要求出力的情况仍有待研究。

电池在极端高温、低温下高倍率充放电加快寿命衰减，并且输出能力受限，新能源出力不能完全消纳，通过研究电池储能温度-功率特性，控制电池储能温度从而调节电池储能功率输出能力，达到提高新能源消纳能力，降低电池储能寿命衰减及IES运行成本。

论文方法及创新点

1、凸化电池电热耦合模型

图1 电池试验设备

如图1所示，首先进行电池特性实验，实验包括在不同环境温度（-20 ℃~45 ℃）中分别进行恒流放电、脉冲放电及电池温升实验。基于实验辨识电池参数，构建电热耦合模型，电池电热耦合模型由产热模型和传热模型组成，产热模型描述电池充放电产热，传热模型描述电池与外部环境热交换。

图2 电池电热耦合模型

根据电池尺寸以及实验辨识所得电池比热容、对流换热系数、温度-电池容量曲线、不同温度和SOC下电池内阻曲线等电池参数，在有限元软件中搭建电池仿真模型并验证仿真模型拟合电池温升的准确性，在仿真模型中分别设置电池热功率、电功率表达式，仿真不同电流下电池的电功率、热功率值，基于仿真所得数据将原电热耦合模型凸化。

2、IES及电池储能运行模型

基于双温度磁流体电弧仿真模型，计算不同燃弧条件下的电弧时间常数、散热功率和电弧电导等数据，通过最小二乘法进行参数拟合，获得了电弧时间常数、散热功率和电弧电导的函数关系，建立了改进Mayr电弧模型。

图3 综合能源系统架构

根据图3所示IES结构，构建电池储能模型反映储能的能量储存、温度控制、温度-功率输出能力、温度-寿命损耗等关系；电池储能模型包括：能量存储模型、温度控制模型、温度-功率模型、温度-寿命损耗模型。

3、含电池储能温度控制的IES优化及算例分析

以IES的日运营成本最低为目标，通过控制各个设备的出力，其中重点关注电池储能的温度控制及功率控制，达到优化目标。约束条件包括功率、能量平衡约束，电池储能及其温度控制约束、其他设备约束等。

图4 夏季电池储能温度

图5 冬季电池储能温度

以某IES为算例，在冬季和夏季分别进行算例分析，得到夏季和冬季典型日电池储能温度随时间变化曲线，可以看到，相较于储能舱环境温度，电池储能温度得到有效控制。

将本文所提方法与不包含电池储能温度控制的方法从IES经济性、电池储能热安全性、电池储能利用率三个方面进行对比。

方法1：本文所提方法，包含温度控制（温控系统、余热回收系统）

方法2：传统分析方法，不包含温度控制（温控系统、余热回收系统）

夏季，相较于方法2，方法1的总成本减少6.72 %；冬季，相较于方法2，方法1的总成本减少13.78 %。

结论

针对电池储能在极端高温、低温下寿命衰减快、性能差的问题，本文提出了电池储能温度-功率特性模型及含温度控制的IES低碳经济调度方法，通过算例对所提方法进行验证，所得结论如下：将电池电热耦合模型凸化，基于此模型估算电池温度并量化电池储能温度-功率输出能力，提出电池储能温度-功率输出能力模型，制定含电池储能温度控制的IES低碳经济调度策略，控制电池储能温度及输出功率。

经计算，本文方法相较于不考虑电池储能温度控制，夏季、冬季典型日可降低电池储能寿命损耗成本30.97%、69.64%，降低IES运行成本6.72%、13.78%。

团队介绍

上海交通大学电力系统分析与控制研究团队长期致力于电力系统运行控制及电网级储能控制研究，团队已发表SCI论文57篇，其中SCI一区论文20余篇；EI检索论文接近100篇。近年来，团队完成了多项国家，省和电网企业的研究项目。

• 黎灿兵，教授，博士生导师,研究方向为电力系统分析与控制。E-mail：licanbing@sjtu.edu.cn

• 熊 康，硕士研究生,研究方向为综合能源系统优化、电池储能技术。E-mail：575901039@sjtu.edu.cn

本工作成果发表在2024年第16期《电工技术学报》，论文标题为“电池储能温度-功率特性建模及其在综合能源系统中的应用“。本课题得到国家自然科学基金和上海市浦江人才计划项目的支持。

引用本文

熊康, 黎灿兵, 樊飞龙, 李新喜, 杨汶圣. 电池储能温度-功率特性建模及其在综合能源系统中的应用[J]. 电工技术学报, 2024, 39(16): 5238-5250. Xiong Kang, Li Canbing, Fan Feilong, Li Xinxi, Yang Wensheng. Modeling of Temperature-Power Characteristics of Battery Energy Storage and Its Application in Integrated Energy System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(16): 5238-5250.

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