CN106450583A - 一种液态金属电池保温箱及控温方法 - Google Patents

一种液态金属电池保温箱及控温方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种液态金属电池保温箱及控温方法，电池模块的安装位在保温箱体内腔呈矩阵排列，在电池模块安装位之间的空隙内均布有电加热件，在电加热件之间的空隙内设有测温元件，测温元件均与BMS系统连接，将所有电加热件划分为至少两个电加热组，每个电加热组通过一个温度控制电路与BMS系统连接，电加热组按各电加热件的位置进行划分，使得不同电加热组在单独工作时在保温箱体内腔形成的对称的温度场基本相同或者差别最小。采用本发明的保温箱，能够保证在加热过程保温箱内温差控制在30℃以内，并保证在保温过程保温箱内部任意两点之间的温度差都控制在20℃以内，使液态金属电池模块保温箱的温度场适合于液态金属电池的工作。

Description

一种液态金属电池保温箱及控温方法
技术领域
本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种液态金属电池保温箱及控温方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，能源问题日益成为制约我国经济社会可持续发展的瓶颈，发展风能、太阳能等新能源、提高能源的使用效率是解决能源问题的有效途径。但风能、太阳能存在稳定性低、有地域和时域限制的缺点。大容量储能系统的运用，可对电网进行调峰，对负荷进行削峰填谷，有效的增强风力发电、太阳能发电系统的运行稳定性、提高电能质量。
液态金属电池是一类低成本、高效率、长寿命的新型储能电池技术，在电网的规模储能中有很好的应用前景。液态金属电池属于高温电池，运行温度一般在400-600℃，故电池运行需要具有加热保温的装置，而且保温箱稳定运行的最高设计温度为600℃，还需保证保温箱工作过程中箱内最大温差小于20℃。已有报道的保温箱一般应用在钠硫电池，如钠硫电池专用保温箱(申请号：CN201010584548.7)、一种钠硫电池模块保温箱(申请号：CN201410106677.3)等，最高温度只有350℃，且保温箱内最大温差控制为30℃，温度场不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于液态金属电池储能系统的保温箱，温度场更均匀，以适合于液态金属电池的工作。
为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：一种液态金属电池保温箱，包括保温箱体和BMS系统，电池模块的安装位在保温箱体内腔呈矩阵排列，在电池模块安装位之间的空隙内均布有电加热件，在电加热件之间的空隙内设有测温元件，测温元件均与BMS系统连接，将所有电加热件划分为至少两个电加热组，每个电加热组通过一个温度控制电路与BMS系统连接，电加热组按各电加热件的位置进行划分，使得不同电加热组在单独工作时在保温箱体内腔形成的对称的温度场基本相同或者差别最小。
在一个具体实施方式中，电池模块安装位呈n行m列等距排列，所述电加热件为电加热管，呈n-1行m-1列矩阵等距排列。
在一个具体实施方式中，将所有电加热管分为若干个区域，各区域的边界组成的图形关于保温箱体的纵向对称面对称，选取其中的若干区域作为一个电加热组，每个电加热组的所有区域组成的图形关于保温箱体的纵向对称面对称，每个电加热组单独工作时形成的温度场关于保温箱体的纵向对称面对称。
在一个具体实施方式中，划分为两个电加热组，同一行或同一列的两个相邻区域属于不同的电加热组。
在一个具体实施方式中，共划分为9个区域，区域的边界构成“井”字型，9个区域中位于四角和中央的区域构成一个电加热组，其余区域构成另一个电加热组。
在一个具体实施方式中，每个区域的正中或尽量正中的位置设置有测温元件。
在一个具体实施方式中，保温箱体壁板包括由外至内设置的抑制热传导的保温层和抑制辐射的反射层。
在一个具体实施方式中，所述保温层包括由外至内设置的硅酸铝纤维保温层和双层的莫来石纤维保温层；所述反射层为单面镜面不锈钢板，其镜面向内。
在一个具体实施方式中，保温箱体内腔底部设置电池安装模块用于将电池模块定位和支撑，电池安装模块上设置电池串安装腔室作为电池模块的安装位。
本发明还提供一种所述液态金属电池保温箱的控温方法，包括：
在加热阶段，选择开启其中的一个电加热组，或者开启其中的若干加热组，或者同时开启所有电加热组；
在保温阶段，仅保持其中一个电加热组工作，不同电加热组周期性交替工作，与处于工作状态的电加热组对应的测温元件通过温控系统反馈温度信息给BMS系统进行温度调节；
测温元件设置在保温箱体顶部，在保温箱体底部每个电加热件的旁边都有一个温度监测热电偶并与BMS系统连接，若温度监测热电偶测得的温度超过设定的最低温度或者最高温度，则会触发BMS系统报警。
采用本发明的液态金属电池模块保温箱，能够保证在加热过程保温箱内温差控制在30℃以内；并保证在保温过程(正常工作时)保温箱内部任意两点之间的温度差都控制在20℃以内，使液态金属电池模块保温箱的温度场适合于液态金属电池的工作。
本发明在实现更高控制目标温度的同时，并不需要将保温箱内部隔成不同的空间，从而提高了内部空间利用率。也不需要单独设立温度补偿控制机制，而是通过电池管理系统(BMS)的智能环境识别和控制技术实现保温箱内最大温差控制。本发明在保温层中采用抑制辐射的反射层，能够有效的减小能耗。
综上，本发明提供的是一种温度场均匀、高效、保温功耗低、模块化的用于液态金属电池储能系统的保温箱。此外，本发明保温箱结构装配简单、控制简单，也有利于将液态金属电池模块保温箱体积做大，满足液态金属电池模块大型化的要求。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的立体透视图；
图2为本发明一个具体实施例的隐藏电控柜后的保温箱横切剖视图；
图3为本发明一个具体实施例的隐藏电控柜后的保温箱纵切剖视图；
图4为本发明一个具体实施例的的俯视图；
图5为本发明一个具体实施例的电池管理系统的温控过程示意图；
图6为本发明一个具体实施例的电池安装模块俯视图；
图7为本发明一个具体实施例的电池安装模块剖视图；
其中，保温箱体1、电控柜11、电池模块13、BMS系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，电池管理系统)111；
左侧板2、左侧外壁21、左侧硅酸铝纤维保温层22、第一左侧莫来石纤维保温层231、第二左侧莫来石纤维保温层232、左侧单面镜面不锈钢板反射层24；
后侧板4、后侧外壁41、后侧硅酸铝纤维保温层42、第一后侧莫来石纤维保温层431、第二后侧莫来石纤维保温层432、后侧单面镜面不锈钢板反射层44；
右侧板6、右侧外壁61、右侧硅酸铝纤维保温层62、第一右侧莫来石纤维保温层631、第二右侧莫来石纤维保温层632、右侧单面镜面不锈钢板反射层64；
上盖板7、上盖外壁71、上盖硅酸铝纤维保温层72、第一上盖莫来石纤维保温层731、第二上盖莫来石纤维保温层732、上盖单面镜面不锈钢板反射层74；
前侧板8、前侧外壁81、前侧硅酸铝纤维保温层82、第一前侧莫来石纤维保温层831、第二前侧莫来石纤维保温层832、前侧单面镜面不锈钢板反射层84；
底板9、底板外壁91、底板硅酸铝纤维保温层92、第一底板莫来石纤维保温层931、第二底板莫来石纤维保温层932、底板单面镜面不锈钢板反射层94；
热电偶3、左上热电偶31、上中热电偶32、右上热电偶33、左中热电偶34、正中热电偶35、右中热电偶36、左下热电偶37、下中热电偶38、右下热电偶39和温度监测热电偶311；
电加热管5、左上51、上中52、右上53、左中54、正中55、右中56、左下57、下中58、右下59；
电池安装模块10、不锈钢圆形圈101、电池陶瓷支撑件102、电池串安装腔室103。
具体实施方式
为能进一步说明本发明的内容和实质特点，下面通过具体的实施例，并结合附图进行说明。
如图1，本发明一个具体实施例的液态金属电池模块保温箱整体由保温箱体1和电控柜11(内有BMS系统111)组成。在一个优选实施例中，保温箱的主要规格为20kW，为长方体结构，长1060mm，宽1060mm，高980mm。
本发明的保温箱采用抑制热传导的保温层和抑制辐射的反射层形成复合保温设计，保温箱体1由外至内依次包括外壁层(例如由不锈钢板制成)、硅酸铝纤维保温层、双层莫来石纤维保温层、抑制辐射的单面镜面反射层(例如单面镜面不锈钢板，其镜面向内)和保温箱内腔。保温箱最高工作温度可达为600℃，保温箱外壁温度低于50℃，基本不会影响保温箱运行环境。
优选的，所述莫来石纤维保温层中Al2O3的质量比例大于等于44％，Al2O3和SiO2的总质量比例大于等于98％。
本发明的保温箱体1由底板、前后方向和左右方向两对相对平行放置的侧板以及箱盖围成。如图1～3所示实施例，保温箱体1由左侧板2、后侧板4、右侧板6、上盖板7、前侧板8和底板9围成。
左侧板2从外到内包括左侧外壁21、左侧硅酸铝纤维保温层22、第一左侧莫来石纤维保温层231、第二左侧莫来石纤维保温层232和左侧单面镜面不锈钢板反射层24，其中，231和232形成双层莫来石纤维保温结构。
后侧板4从外到内包括后侧外壁41、后侧硅酸铝纤维保温层42、第一后侧莫来石纤维保温层431、第二后侧莫来石纤维保温层432和后侧单面镜面不锈钢板反射层44，其中，431和432形成双层莫来石纤维保温结构。
右侧板6从外到内包括右侧外壁61、右侧硅酸铝纤维保温层62、第一右侧莫来石纤维保温层631、第二右侧莫来石纤维保温层632和右侧单面镜面不锈钢板反射层64，其中，631和632形成双层莫来石纤维保温结构。
上盖板7从外到内包括上盖外壁71、上盖硅酸铝纤维保温层72、第一上盖莫来石纤维保温层731、第二上盖莫来石纤维保温层732和上盖单面镜面不锈钢板反射层74，其中，731和732形成双层莫来石纤维保温结构。
前侧板8从外到内包括前侧外壁81、前侧硅酸铝纤维保温层82、第一前侧莫来石纤维保温层831、第二前侧莫来石纤维保温层832和前侧单面镜面不锈钢板反射层84，其中，831和832形成双层莫来石纤维保温结构。
底板9从外到内包括底板外壁91、底板硅酸铝纤维保温层92、第一底板莫来石纤维保温层931、第二底板莫来石纤维保温层932和底板单面镜面不锈钢板反射层94，其中，931和932形成双层莫来石纤维保温结构。
本发明保温箱内部以电加热管阵列的方式加热，组成电加热管阵列的电加热管5均匀分布在保温箱内腔，能够有效解决大体积空间加热较慢和受热不均匀的问题。具体的，电池模块13在保温箱体1内腔呈矩阵排列，在电池模块13之间的空隙内均布有电加热件(如电加热管5)，在电加热件之间的空隙内设有测温元件(如热电偶3)。
将所有电加热件划分为至少两个电加热组，电加热组按各电加热件的位置进行划分，使得不同电加热组在单独工作时在保温箱体内腔形成的对称的温度场基本相同或者差别最小。在一个具体实施方式中，将电加热管5分为若干个区域，各区域的边界组成的图形(如图4的“井”字)关于保温箱体1的纵向对称面(如果箱盖为长方形，则为与箱盖垂直方向的两个对称面；如果箱盖为正方形，则为与箱盖垂直方向的四个对称面)对称。选取其中的若干区域作为一个电加热组，每个电加热组的所有区域组成的图形(如图4加热工作组二的四个长方形组成的顶点相连的中空图形)关于保温箱体1的纵向对称面对称，每个电加热组单独工作时形成的温度场关于保温箱体1的纵向对称面对称。
例如可以划分为两个电加热组，同一行或同一列的两个相邻区域属于不同的电加热组。可以使得不同电加热组在单独工作时在保温箱体内腔形成的对称的温度场差别最小。
如图4，在一个具体实施例中，保温箱内腔中的电加热管5以7×7的阵列均匀排布，并可按位置分成上中下、左中右的似“井”字9块区域(左上51、上中52、右上53、左中54、正中55、右中56、左下57、下中58和右下59)。优选的，电加热管阵列按正方形等距排列，电加热管两两之间距离根据电池及其支撑件尺寸确定，范围在80-300mm。
在上盖板7中对应左上51、上中52、右上53、左中54、正中55、右中56、左下57、下中58和右下59的位置分别埋有左上热电偶31、上中热电偶32、右上热电偶33、左中热电偶34、正中热电偶35、右中热电偶36、左下热电偶37、下中热电偶38和右下热电偶39。把电加热管阵列中左上51、右上53、正中55、左下57和右下59共5块区域的加热管作为加热工作组一，而上中52、左中54、右中56和下中58共4块区域的加热管作为加热工作组二。
保温箱内腔置有串并联的液态金属电池模块组。如图2、图6和7，电池模块13以电池串的形式被电加热管5分成8×8共64组，通过保温箱体1内腔底部的电池安装模块10进行定位和支撑。电池安装模块10包括不锈钢圆形圈101和电池陶瓷支撑件102。不锈钢圆形圈101形成阵列，可定位安装电池陶瓷支撑件102。不锈钢圆形圈101通过焊接定位到保温箱内底板上，与电池陶瓷支撑件102形成配合，并在空间上形成电池串安装腔室103，各安装腔室之间紧密排列，形成稳定的电池串支撑安装结构。
电加热管阵列的温度控制电路以及分布于“井”字9区域的测温热电偶均连接BMS系统111。通过电池管理系统对上述“井”字9块区域进行点对点温度场协调控制。可控制从室温到目标温度的加热过程中保温箱内最大温差小于30℃，并保证在液态金属电池模块正常运行过程即保温过程中保温箱内最大温差小于20℃。保温箱内部的最高控制温度可达600℃。
本发明一个具体实施方式的具体控制过程如图5所示。在加热阶段，根据加热快慢需求选择开启电加热组一或者电加热组二，或者同时开启两组电加热管。在保温阶段，即电池正常工作阶段，只需保持其中一个电加热组工作，另一个加热工作组关闭。通过电控柜11内的BMS系统111的调控，两个加热工作组根据供电周期性交替使用，可有效提高电加热管使用寿命。若加热组一工作，则BMS系统111通过温控系统控制加热组一的加热保温过程，对应分区域的热电偶31、33、35、37、和39通过温控系统反馈温度信息给BMS系统111进行温度调节的循环控制。若加热组二工作，则BMS系统111通过温控系统控制加热组二的加热保温过程，对应分区域的热电偶32、34、36和38通过温控系统反馈温度信息给BMS系统111进行温度调节的循环控制。
另外，保温箱体1的内底部每一个电加热管5的旁边都有一个温度监测热电偶311连接至BMS，若温度超过设定的最低温度或者最高温度，则会触发BMS系统111的报警，提醒检查超温原因。
所述的BMS系统111通过初期的温控仪表的自整定过程，可以对加热速度、保温环境进行智能识别和记忆，有效减少温控过程的功耗。BMS系统111还可对电池的运行状态进行监测，并通过人机交换界面显示，人机界面还可以进行在线数据查询、通讯和操作控制等操作。上述构成一个完整的液态金属电池保温箱模块。
本技术领域的技术人员应该认识到，以上的实施例只是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围之内。

Claims (10)

1.一种液态金属电池保温箱，包括保温箱体和BMS系统，其特征在于：电池模块的安装位在保温箱体内腔呈矩阵排列，在电池模块安装位之间的空隙内均布有电加热件，在电加热件之间的空隙内设有测温元件，测温元件均与BMS系统连接，将所有电加热件划分为至少两个电加热组，每个电加热组通过一个温度控制电路与BMS系统连接，电加热组按各电加热件的位置进行划分，使得不同电加热组在单独工作时在保温箱体内腔形成的对称的温度场基本相同或者差别最小。
2.根据权利要求1所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：电池模块安装位呈n行m列等距排列，所述电加热件为电加热管，呈n-1行m-1列矩阵等距排列。
3.根据权利要求1所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：将所有电加热管分为若干个区域，各区域的边界组成的图形关于保温箱体的纵向对称面对称，选取其中的若干区域作为一个电加热组，每个电加热组的所有区域组成的图形关于保温箱体的纵向对称面对称，每个电加热组单独工作时形成的温度场关于保温箱体的纵向对称面对称。
4.根据权利要求3所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：划分为两个电加热组，同一行或同一列的两个相邻区域属于不同的电加热组。
5.根据权利要求4所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：共划分为9个区域，区域的边界构成“井”字型，9个区域中位于四角和中央的区域构成一个电加热组，其余区域构成另一个电加热组。
6.根据权利要求3所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：每个区域的正中或尽量正中的位置设置有测温元件。
7.根据权利要求1～6之一所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：保温箱体壁板包括由外至内设置的抑制热传导的保温层和抑制辐射的反射层。
8.根据权利要求7所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：所述保温层包括由外至内设置的硅酸铝纤维保温层和双层的莫来石纤维保温层；所述反射层为单面镜面不锈钢板，其镜面向内。
9.根据权利要求1～6之一所述的液态金属电池保温箱，其特征在于：保温箱体内腔底部设置电池安装模块用于将电池模块定位和支撑，电池安装模块上设置电池串安装腔室作为电池模块的安装位。
10.一种权利要求1～9之一所述液态金属电池保温箱的控温方法，其特征在于包括：
在加热阶段，选择开启其中的一个电加热组，或者开启其中的若干加热组，或者同时开启所有电加热组；
在保温阶段，仅保持其中一个电加热组工作，不同电加热组周期性交替工作，与处于工作状态的电加热组对应的测温元件通过温控系统反馈温度信息给BMS系统进行温度调节；
测温元件设置在保温箱体顶部，在保温箱体底部每个电加热件的旁边都有一个温度监测热电偶并与BMS系统连接，若温度监测热电偶测得的温度超过设定的最低温度或者最高温度，则会触发BMS系统报警。
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