[發(fā)明專利]針對多熱源直流儲能裝置的集成式熱管理系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110386942.8
• 申請日: 2021-04-12
• 公開（公告）號: CN112976999B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于遠(yuǎn)彬;蔣俊宇;閔海濤;曹起銘;黃世佩;羅春麒
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B60H1/00
• 分類號: B60H1/00;B60L58/26;B60L58/27;H01M10/663
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 杜森垚

1.一種針對多熱源直流儲能裝置的集成式熱管理系統(tǒng)的控制方法，所述集成式熱管理系統(tǒng)包括第一熱管理回路、第二熱管理回路、空調(diào)回路、四通閥，第二熱管理回路與空調(diào)回路共用的板式換熱器；通過四通閥控制第一熱管理回路在大循環(huán)與自循環(huán)間切換，當(dāng)?shù)谝粺峁芾砘芈反笱h(huán)時與第二熱管理回路聯(lián)通，自循環(huán)時與第二熱管理回路斷開；并通過板式換熱器實現(xiàn)空調(diào)回路和第一熱管理回路、第二熱管理回路間的熱量交換；

所述第一熱管理回路用于直流儲能系統(tǒng)中DC轉(zhuǎn)換模塊的冷卻，每個DC轉(zhuǎn)換模塊均為一個熱源，在工作時會產(chǎn)生大量的熱；所述第一熱管理回路中包括第一水泵、第一水溫傳感器、DC轉(zhuǎn)換模塊、四通閥；第一水泵、第一水溫傳感器、DC轉(zhuǎn)換模塊依次連接；若存在多個所述DC轉(zhuǎn)換模塊，則將各DC轉(zhuǎn)換模塊一端與第一水溫傳感器連接，DC轉(zhuǎn)換模塊另一端與所述四通閥第一接口連接；并在每個DC轉(zhuǎn)換模塊入口和第一水溫傳感器間串聯(lián)安裝一個調(diào)節(jié)流經(jīng)該DC轉(zhuǎn)換模塊冷卻液流量的流量控制閥；第一水泵連接所述四通閥的第二接口；第一水溫傳感器用于采集DC轉(zhuǎn)換模塊入口冷卻液溫度；

所述第二熱管理回路包括儲能電池、板式換熱器、第二三通閥、第二水泵、水暖加熱器、第二水溫傳感器；儲能電池與板式換熱器連接，板式換熱器一端與所述四通閥的第四接口連接，板式換熱器另一端與第二三通閥的入口相連接，第二三通閥的兩個出口分別與四通閥和第二水泵相連接，第二水泵、水暖加熱器、第二水溫傳感器依次連接，第二水溫傳感器連接儲能電池，第二水溫傳感器用于采集儲能電池入口冷卻液溫度；水暖加熱器用于為電池提供熱量；通過調(diào)節(jié)第二三通閥兩個出口的開度比例實現(xiàn)第一熱管理回路和第二熱管理回路冷卻液流量的分配；

所述空調(diào)回路包括壓縮機、第一溫度壓力傳感器、冷凝器、熱力膨脹閥、板式換熱器及第二溫度壓力傳感器；壓縮機、第一溫度壓力傳感器、冷凝器、熱力膨脹閥、板式換熱器及第二溫度壓力傳感器依次連接，冷凝器表面安裝有風(fēng)扇，所述第一溫度壓力傳感器、第二溫度壓力傳感器分別用于采集壓縮機進口和出口的壓力與溫度，通過板式換熱器實現(xiàn)空調(diào)回路與第一熱管理回路、第二熱管理回路間的換熱；

其特征在于，控制方法包括以下步驟：

步驟S1，直流儲能裝置上電后系統(tǒng)自檢，若各系統(tǒng)均正常，則進入步驟S2；否則輸出相應(yīng)的故障碼用于檢測維修；

步驟S2，依據(jù)此時儲能電池和DC轉(zhuǎn)換模塊的工作狀態(tài)、環(huán)境溫度、冷卻液溫度，預(yù)測各熱源在未來一段時間內(nèi)的最高溫度：

儲能電池的溫度預(yù)測公式為：

T_bat(t_n+1)＝T_bat(t_n)+[I²R+h_a,bat(T_bat(t_n)-T_amb)+h_q,batq_bat(T_bat(t_n)-T_cooltant,bat)]/c_batm_bat

其中，T_bat(t_n)為儲能電池在t_n時刻的溫度；I為過去一段時間內(nèi)的最大電流；R為儲能電池內(nèi)阻，與電池SOC及溫度有關(guān)，建立函數(shù)R＝f_R(SOC,T_bat)；T_amb為環(huán)境溫度；h_a,bat為儲能電池與環(huán)境等效換熱系數(shù)，由于儲能裝置始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，h_a,bat為定值；T_cooltant,bat為儲能電池入口水溫；h_q,bat為儲能電池與冷卻液等效換熱系數(shù)，與流經(jīng)儲能電池的冷卻液流量有關(guān)，建立函數(shù)h_q,bat＝f_q,bat(q_bat)；c_bat和m_bat分別為儲能電池比熱容和質(zhì)量；

對于第i個DC轉(zhuǎn)換模塊的溫度預(yù)測公式為：

T_DC,i(t_n+1)＝T_DC,i(t_n)+VI_DC,iR_th,i+[h_a,i(T_DC,i(t_n)-T_amb)+h_q,iq_i(T_DC,i(t_n)-T_cooltant)]/c_im_i

其中，T_DC,i(t_n)為第i個DC轉(zhuǎn)換模塊在t_n時刻的溫度；I_DC,i為過去一段時間內(nèi)第i熱源的最大電流；V為儲能電池電壓；R_th,i為等效熱阻，與此時DC轉(zhuǎn)換模塊溫度有關(guān)，建立函數(shù)R_th,i＝f_th,i(T_DC,i)；T_amb為環(huán)境溫度；h_a,i為DC轉(zhuǎn)換模塊與環(huán)境等效換熱系數(shù)，由于儲能裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，h_a,i為定值；T_cooltant為DC轉(zhuǎn)換模塊入口水溫；h_q,i為DC轉(zhuǎn)換模塊與冷卻液等效換熱系數(shù)，與流經(jīng)DC轉(zhuǎn)換模塊的冷卻液流量q_i有關(guān)，建立函數(shù)h_q,i＝f_q,i(q_i)；c_i和m_i分別為DC轉(zhuǎn)換模塊的比熱容和質(zhì)量；

在第一熱管理回路中，冷卻液流經(jīng)第一水溫傳感器，并在流量控制閥處分流，各熱源入口的冷卻液溫度均相同；若第一熱管理回路與第二熱管理回路經(jīng)四通閥聯(lián)通，則所有熱源入口處冷卻液溫度均相同；所述熱源入口冷卻液溫度預(yù)測公式為：

T_cooltant(t_n+1)＝T_cooltant(t_n)+[Q_PTC+Q_compressor+∑(h_q,iq_i(T_cooltant(t_n)-T_i(t_n)))]/c_cooltant∑q_i

其中，T_cooltant(t_n)為冷卻液在t_n時刻的溫度；h_q,i為熱源與冷卻液等效換熱系數(shù)，與流經(jīng)熱源的冷卻液流量q_i有關(guān)，建立函數(shù)h_q,i＝f_q,i(q_i)；c_cooltant為冷卻液比熱容；Q_PTC和Q_compressor分別為水暖加熱器、壓縮機的制熱、制冷功率；

步驟S3，進行儲能電池?zé)峁芾砟Ｊ脚袛嗉盁峁芾恚?/p>

步驟S31，若儲能電池預(yù)測溫度小于溫度閾值T₁，則進入電池制熱模式，開啟水暖加熱器及第二水泵為儲能電池制熱；否則執(zhí)行步驟S32；

步驟S32，若儲能電池預(yù)測溫度大于溫度閾值T₂，T₂＞T₁，則進入電池制冷模式，開啟壓縮機、風(fēng)扇及第二水泵為儲能電池制冷；電池制冷或制熱時，電池目標(biāo)水溫是關(guān)于環(huán)境溫度、儲能電池溫度及電流的函數(shù)；否則儲能電池?zé)o需熱管理，第二水泵、水暖加熱器均不工作；隨后執(zhí)行步驟S4；

步驟S4，根據(jù)第一熱管理回路中各DC轉(zhuǎn)換模塊溫度及工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)流經(jīng)各DC轉(zhuǎn)換模塊的流量：

步驟S41，直流儲能裝置控制器檢測此時第一熱管理回路中各DC轉(zhuǎn)換模塊是否工作；若至少有一個DC轉(zhuǎn)換模塊處于工作狀態(tài)，則進入步驟S42；若DC轉(zhuǎn)換模塊均不工作，則此時DC轉(zhuǎn)換模塊無需熱管理，第一水泵不工作；隨后進入步驟S6；

步驟S42，直流儲能裝置控制器依據(jù)第一熱管理回路中各DC轉(zhuǎn)換模塊工作狀態(tài)及其預(yù)測溫度調(diào)節(jié)相應(yīng)流量控制閥開度，調(diào)節(jié)方式如下：

若第i個DC轉(zhuǎn)換模塊未處于工作狀態(tài)，則其流量控制閥開度δ_i＝0；否則將閥開度調(diào)節(jié)至最小開度δ_i＝δ_low；若第i個DC轉(zhuǎn)換模塊的預(yù)測溫度大于溫度閾值T₃，則其流量控制閥開度為：

其中為第i個DC轉(zhuǎn)換模塊預(yù)測的最高溫度，β為比例因子；依據(jù)上述方法調(diào)節(jié)各流量控制閥，隨后進入步驟S5；

步驟S5，直流儲能裝置控制器根據(jù)此時電池?zé)峁芾硇枨螅袛郉C轉(zhuǎn)換模塊熱管理狀態(tài)；若此時電池制熱，則執(zhí)行步驟S52，再執(zhí)行步驟S6；若此時電池制冷或無需熱管理，則執(zhí)行步驟S51，再執(zhí)行步驟S6；

步驟S51，若存在DC轉(zhuǎn)換模塊處于工作狀態(tài)，且預(yù)測溫度大于溫度閾值T₃，則進入DC轉(zhuǎn)換模塊制冷模式，第一熱管理回路大循環(huán)，開啟壓縮機、風(fēng)扇及第二水泵為DC轉(zhuǎn)換模塊制冷，目標(biāo)水溫是關(guān)于環(huán)境溫度、熱源溫度及工作功率的函數(shù)；否則執(zhí)行步驟S52；

步驟S52，若存在DC轉(zhuǎn)換模塊處于工作狀態(tài)，其預(yù)測溫度大于溫度閾值T₄和此時入口水溫，且環(huán)境溫度小于溫度閾值T₅，T₅＜T₄＜T₃，則進入DC轉(zhuǎn)換模塊自循環(huán)模式，開啟第一水泵；否則DC轉(zhuǎn)換模塊無需熱管理；

步驟S6，直流儲能裝置控制器依據(jù)儲能電池及DC轉(zhuǎn)換模塊熱管理狀態(tài)調(diào)整第二三通閥位置：若為電池制熱模式或僅電池制冷模式，則第二三通閥電池側(cè)開啟，將冷卻液引至第二熱管理回路；若儲能電池?zé)o需熱管理且為DC轉(zhuǎn)換模塊制冷模式，則第二三通閥四通閥側(cè)開啟，將冷卻液引至第一熱管理回路；若電池制冷且DC轉(zhuǎn)換模塊制冷，則第二三通閥203位置依據(jù)兩者實際水溫與目標(biāo)水溫差值確定，冷卻液同時流向兩個回路，進入電池與DC轉(zhuǎn)換模塊雙冷模式。