CN109461987A - 一种储能模组的自动温控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能模组的自动温控方法，将电芯置于箱体内；将温度传感器设置在电芯上，温度传感器用于检测电芯的温度值；温度传感器检测的电芯温度值发送到控制器中作为反馈量；电芯的表面布置有金属导热管；金属导热管通过所述的流量控制仪与液氮源相接；流量控制仪用于控制液氮的流速使得电芯的表面降温；流量控制仪作为控制系统的执行机构受控于控制器。本发明的储能模组的自动温控方法易于实施，制冷效果良好，能有效保障电芯安全稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能模组的自动温控方法。
背景技术
面对日益枯竭的传统能源和不断恶化的环境，发展新能源产业必须大力发展高安全、长寿命、高能量密度的储能电池。电化学储能电池主要有钠硫电池、钒电池、铅酸电池、锂离子电池等，其中锂离子电池是最常见的电化学储能电池，已应用在手机、笔记本电脑等领域。众所周知，电池的性能与电池温度密切相关，50℃以上温度会加速电池衰老，120℃以上高温则会引发电池热失控。
本发明中的功率型48V/100AH电池模组具有0～1000A的放电能力，最大10C放电能力具有100*10＝1000A电流。当电池模组处于高倍率放电状态时，电池的固有属性及电池模组受周围环境温度的影响，导致电池在放电过程中发热量非常大，过高的电池温度和环境温度会直接影响整个电池模组的性能及使用寿命。可见，随着电池性能的衰减，电池内阻增大，电池温升大幅度增加，为了维持电池模组的正常工作，一种自动冷却控温方法对电池模组的散热极其重要。
现有的电池模组冷却方式主要有风冷、液冷及相变材料吸热等。如“电池模组自动化热管理方法”(申请号201611212606.7)、“一种电池组的热管理装置”(申请号201620148812.5)等专利都采用风冷这种散热方式，其最大的缺点是散热效率低，虽已做到可自动调节风速，但进风口和出风口的温差较大，电池内部风速与流量存在差异，导致电池内部散热不均衡，难以解决电池组温升过高的问题。
再如“锂电池组件”(201610895738.8)、“电池组”(201120067293.7)等专利中均提到了液冷的散热方式，均需要在电池模组内部安装复杂的液体循环管道，还要装设内、外热交换器及动力泵等设备，大幅度的占用了电池模组的空间，增大电池模组的尺寸。
也有在电池组内嵌入相变材料吸热作为散热渠道的专利，如“一种48V系统锂电池组电源散热方案”(申请号201710053662.9)、“一种蓄电池组温控系统”(申请号201610666288.5)。用于电池模组热管理系统中的相变材料虽具有不需要运动部件、不需要额外耗费电池能量的优势，但在长期的相变过程中，相变材料同时也存在着潜热下降、容易变性、稳定性差的缺点。
由此可见，实有必要提供一种简便的、实用的储能模组的自动控温方法以克服现有技术的短缺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种储能模组的自动温控方法，本发明的储能模组的自动温控方法易于实施，制冷效果良好，能有效保障电芯安全稳定工作。
本发明的技术解决方案如下：
一种储能模组的自动温控方法，将电芯置于箱体内；将温度传感器设置在电芯上，温度传感器用于检测电芯的温度值；温度传感器检测的电芯温度值发送到控制器中作为反馈量；
电芯的表面布置有金属导热管；
金属导热管通过所述的流量控制仪与液氮源相接；流量控制仪用于控制液氮的流速使得电芯的表面降温；
流量控制仪作为控制系统的执行机构受控于控制器。
在电芯的表面设有金属导热层(7)；所述的温度传感器和金属导热管均设置在金属导热层上。
温度传感器为多个以便提高检测温度值的可靠性(使用时，取最大的温度值作为反馈值)。
呈多行多列阵列式设置。如实施例1中的2行2列排布。
所述的控制器为MCU。
金属导热管呈U型弯曲附着在金属导热层上。
控制器以检测的电芯的温度值作为反馈量，通过控制液氮的流速将电芯的温度降到预设的温度范围内。
采用分段控制模式实施控制：
预设5个温度值T1～T5以及5个液氮流速值F1～F5；
(1)当电芯温度Th＜T1，流量控制仪阀门关闭；
(2)若T1≤Th＜T2时，流量控制仪打开，释放液氮流速为F1；
(3)T2≤Th＜T3时，流量控制仪控制液氮流速为F2；
(4)T3≤Th＜T4时，流量控制仪控制液氮流速为F3；
(5)T4≤Th＜T5时，流量控制仪控制液氮流速为F4；
(6)Th≥T5时，流量控制仪控制液氮流速为F5。
T1≤40℃，T2取值区间为(40℃，50℃]，T3取值区间为(50℃,60℃]T4取值区间为(60℃，70℃]；T5>70℃。
F1≤1，F2的取值区间为(1,5]，F3的取值区间为(5,10]、F4的取值区间为(10，15]，F5≥20，单位均为cm3/s。
本发明还可以采用PID控制策略，或模糊控制策略，或神经网络控制策略。
一种自动控温的储能模组，包括箱体(8)、控制器(3)、电芯(6)、温度传感器(2)、金属导热管(5)、流量控制仪器(4)和液氮源(1)；将电芯置于箱体内；
温度传感器设置在电芯上，温度传感器用于检测电芯的温度值；温度传感器与控制器相连；
电芯的表面布置有金属导热管；
金属导热管通过所述的流量控制仪与液氮源相接；流量控制仪用于控制液氮的流速与流量；
流量控制仪受控于控制器。
在电芯的表面设有金属导热层(7)；所述的温度传感器和金属导热管均设置在金属导热层上。
温度传感器为多个。
所述液氮源为储液罐，罐内存储低温液氮，与流量控制仪通过导管连接。
所述导管依附在导热层自上而下将电池模组上表面、侧面及下表面分别弯曲成U型，将模组包围，最后在模组底部排出。
所述温度检测单元包括多个温度传感器，采用多路温度监控方式，采集各组电芯的温度。
锂离子电池电芯为多组，如4组。
所述温度检测单元为温度传感器，用于实时监控电芯多点温度，实施多路温度监控的同时将所检测温度信息反馈到控制单元。
所述控制单元为处理控制器，内部存储有5个温度阈值T1、T2、T3、T4、T5(分别为40、50、60、70、80℃)，并设置比对程序，将温度检测单元反馈的单组电芯中的最高温度Th与T1-T5对比，下达指令给执行单元释放相应流量的液氮。
所述执行单元为流量控制仪，根据控制单元的指令实时释放不同流量F1-F5(分别为1、5、10、15、20cm3/s)的液氮。
所述液氮源为储液罐，罐内存储低温液氮，与流量控制仪通过导管连接。
所述金属导热层既能散热又能保护电芯，导管依附在导热层自上而下将电池模组上表面、侧面及下表面分别弯曲成U型，将模组包围，最后在模组底部排出。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述温度检测单元包括至少四个温度传感器，采用多路温度监控方式，采集各组电芯的温度，有效避免单组电芯温度过高而降低整体储能模组的性能。
所述流量控制仪随着电芯温度起伏而释放不同流量的液氮，能有效控制温度在安全温度范围并且节约液氮源。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述控制器存储比对温度T1-T5与相应液氮流量F1-F5均根据48V100Ah锂离子电池实际放电测试与理论计算共同确定，具体见附图说明。不同的电池模组和不同的环境温度条件下，其T与F对应关系不同。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述液氮源采用的是无色、无臭、无腐蚀性、不可燃且温度极低(-196℃)的液氮，大幅度提高了储能模组的安全性，且极低的液氮温度可以有效降低储能模组高倍率放电所产生的过高温升。
有益效果：
本发明提出一种储能模组的自动温控方法，所述储能模组还包括锂离子电池电芯、金属导热层和箱体，所述温度检测单元为温度传感器，所述控制单元为处理控制器，内部存储有多个温度阈值，所述执行单元为流量控制仪，根据控制单元的指令实时释放不同流量的液氮，所述液氮源为储液罐，与流量控制仪通过导管连接，所述导管依附在导热层自上而下将电池模组上表面、侧面及下表面分别弯曲成U型，所述温度检测单元包括多个温度传感器，采用多路温度监控方式。本发明所述储能模组具有多点温度监测、控温及时有效、液氮消耗量低等特点。
附图说明
图1为储能模组的自动温控方法的总体结构示意图。
标号说明：1-液氮源，2-温度传感器，3-控制器，4-流量控制仪，5-金属导热管，6-电芯，7-金属导热层，8-箱体。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：如图1，一种储能模组的自动温控方法，将电芯置于箱体内；将温度传感器设置在电芯上，温度传感器用于检测电芯的温度值；温度传感器检测的电芯温度值发送到控制器中作为反馈量；
电芯的表面布置有金属导热管；
金属导热管通过所述的流量控制仪与液氮源相接；流量控制仪用于控制液氮的流速使得电芯的表面降温；
流量控制仪作为控制系统的执行机构受控于控制器。
在电芯的表面设有金属导热层(7)；所述的温度传感器和金属导热管均设置在金属导热层上。
温度传感器为多个以便提高检测温度值的可靠性(使用时，取最大的温度值作为反馈值)。
一种自动控温的储能模组，包括箱体8、控制器3、电芯6、温度传感器2、金属导热管5、流量控制仪器4和液氮源1；将电芯置于箱体内；
温度传感器设置在电芯上，温度传感器用于检测电芯的温度值；温度传感器与控制器相连；
电芯的表面布置有金属导热管；
金属导热管通过所述的流量控制仪与液氮源相接；流量控制仪用于控制液氮的流速与流量；
流量控制仪受控于控制器。
在电芯的表面设有金属导热层7；所述的温度传感器和金属导热管均设置在金属导热层上。
温度传感器为多个。
呈多行多列阵列式设置。如实施例1中的2行2列排布。
所述的控制器为MCU。
金属导热管呈U型弯曲附着在金属导热层上。
控制器以检测的电芯的温度值作为反馈量，通过控制液氮的流速将电芯的温度降到预设的温度范围内。
采用分段控制模式实施控制：
预设5个温度值T1～T5以及5个液氮流速值F1～F5；
(1)当电芯温度Th＜T1，流量控制仪阀门关闭；
(2)若T1≤Th＜T2时，流量控制仪打开，释放液氮流速为F1；
(3)T2≤Th＜T3时，流量控制仪控制液氮流速为F2；
(4)T3≤Th＜T4时，流量控制仪控制液氮流速为F3；
(5)T4≤Th＜T5时，流量控制仪控制液氮流速为F4；
(6)Th≥T5时，流量控制仪控制液氮流速为F5。
T1≤40℃，T2取值区间为(40℃，50℃]，T3取值区间为(50℃,60℃]T4取值区间为(60℃，70℃]；T5>70℃。
F1≤1，F2的取值区间为(1,5]，F3的取值区间为(5,10]、F4的取值区间为(10，15]，F5≥20，单位均为cm3/s。
本系统还可以采用PID控制策略，或模糊控制策略，或神经网络控制策略。
储能模组的自动温控方法，包括液氮源1、4个温度传感器2、控制器3、流量控制仪4、金属导热管5、四组电芯6、金属导热层7和箱体8。液氮源1为储有液氮的钢瓶，液氮源接出一根金属导热管5，金属导热管5连接箱体内的流量控制仪4，流量控制仪4与控制器3以及4个温度传感器2串联。金属导热管5覆盖电池模组的上、下表面以及一个侧面，在每个面上呈U型紧贴金属导热层7，最终在电芯6下表面穿出箱体8。
所述温度传感器2实时监控四组电芯6的温度，每组电芯的温度信息都会实时反馈给控制器3。
所述控制器3接收温度信息后，执行比对程序。将其中的最高温Th与控制器3内部存储的5个温度阈值T1＝40℃、T2＝50℃、T3＝60℃、T4＝70℃、T5＝80℃作比对。当电池充放电而产生热量时，将导致模组温度升高，当温度达到某一阈值时，经控制器3判断后，下达是否释放液氮以及相应流量的指令给流量控制仪4。
所述流量控制仪4释放液氮流量与温度阈值的对应关系为：
(1)电池模组未进行充放电时，其初始温度T0为20℃，此时流量控制仪4关闭。
(2)电池模组进行充放电时，模组温度开始升高。当四组电芯6温度中的最高温Th＜T1，流量控制仪4阀门仍关闭；
(3)若温度升高，T1≤Th＜T2时，流量控制仪4打开，释放液氮流量为F1＝1cm3/s；
(4)T2≤Th＜T3时，流量控制仪4控制液氮流量为F2＝5cm3/s；
(5)T3≤Th＜T4时，流量控制仪4控制液氮流量为F3＝10cm3/s；
(6)T4≤Th＜T5时，流量控制仪4控制液氮流量为F4＝15cm3/s；
(7)Th≥T5时，流量控制仪4控制液氮流量为F5＝20cm3/s。
(8)当Th降回到T1-T5对应范围内，则释放流量减小到相应值或关闭流量阀。
在上述实施例的基础上，表1为不同放电倍率下，模组的实际温度、实际温升、理论温升与理论液氮流量的对应关系。由于大倍率放电会导致模组温度急剧上升，超过电池的安全运行温度，所以只有在1、2、3C倍率下放电测得实际温度与实际温升，其中温升实测值与理论计算值相符。各个倍率下计算的理论液氮流量恰好能中和该倍率下电池放出的热量。
在上述实施例的基础上，当电池模组在1C倍率下放电时，温度传感器2测量各组电芯温度并将信息反馈给控制器3，其中电芯6最高温度Th＝30℃。因Th<T1，则流量控制仪仍保持关闭。
在上述实施例的基础上，当电池模组在2C倍率下放电时，温度传感器2测量各组电芯6温度并将信息反馈给控制器3。当Th＝40℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，流量控制仪4打开并释放流量为F1＝1cm3/s的液氮，液氮气化吸热后排出。由于F1大于2C倍率下的理论液氮流量，所以Th到达40℃后不会继续上升，而是下降，当Th<40℃后流量阀关闭，如此反复，模组最高温度始终控制在40℃。
在上述实施例的基础上，当电池模组在6C倍率下放电时，温度传感器2测量各组电芯6温度并将信息反馈给控制器3。当Th＝40℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，流量控制仪4打开并释放流量为F1＝1cm3/s的液氮，液氮气化吸热后排出。由于F1小于6C倍率下的理论液氮流量，温度继续升高。当Th＝50℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量，此时液氮流量为F2＝5cm3/s，仍然小于该倍率下理论液氮流量，温度继续升高。当Th＝60℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量至F3＝10cm3/s，该流量大于6C倍率下的理论流量温度下降，当Th下降至50℃时液氮流量减小至F2，温度再次升高。如此反复，最高温度Th最终控制在50-60℃。
在上述实施例的基础上，当电池模组在9C倍率下放电时，温度传感器2测量各组电芯6温度并将信息反馈给控制器3。当Th＝40℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，流量控制仪4打开并释放流量为F1＝1cm3/s的液氮，液氮气化吸热后排出。由于F1小于9C倍率下的理论液氮流量14.8cm3/s，温度继续升高。当Th＝50℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量，此时液氮流量为F2＝5cm3/s，仍然小于该倍率下理论液氮流量，温度继续升高。当Th＝60℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量至F3＝10cm3/s，该流量仍小于该倍率下的理论液氮流量，温度继续升高。当Th升高至70℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量至F4＝15cm3/s，此时流量大于该倍率下理论液氮流量，所以最终电池模组最高温度控制在60-70℃。
在上述实施例的基础上，当电池模组在10C倍率下放电时，温度传感器2测量各组电芯6温度并将信息反馈给控制器3。当Th＝40℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，流量控制仪4打开并释放流量为F1＝1cm3/s的液氮，液氮气化吸热后排出。由于F1小于10C倍率下的理论液氮流量18.27cm3/s，温度继续升高。当Th＝50℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量，此时液氮流量为F2＝5cm3/s，仍然小于该倍率下理论液氮流量，温度继续升高。当Th＝60℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量至F3＝10cm3/s，该流量仍小于该倍率下的理论液氮流量，温度继续升高。当Th＝70℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量至F4＝15cm3/s，此时流量仍小于该倍率下理论液氮流量，温度继续升高。当Th升高至80℃时，控制器3下达指令给流量控制仪4，要求流量控制仪4加大液氮流量至F5＝20cm3/s，此时液氮流量大于该倍率下理论液氮流量，温度开始下降。10C倍率下放电下，电池模组最高温度Th最终控制在70-80℃。
表1.
结合以上实例的详细描述可以看出，该自动控温模组的优点在于：多点温度监测能够保证各组电芯都控制在安全温度范围内；大倍率放电会导致储能模组产生巨大热量导致温升巨大，采用液氮作为冷却剂可以中和模组产生的巨大热量；流量控制仪随着电芯温度起伏而释放不同流量的液氮，能有效控制温度在安全温度范围并且节约液氮。
Claims (10)
1.一种储能模组的自动温控方法，其特征在于，
将电芯置于箱体内；将温度传感器设置在电芯上，温度传感器用于检测电芯的温度值；温度传感器检测的电芯温度值发送到控制器中作为反馈量；
电芯的表面布置有金属导热管；
金属导热管通过所述的流量控制仪与液氮源相接；流量控制仪用于控制液氮的流速使得电芯的表面降温；
流量控制仪作为控制系统的执行机构受控于控制器。
2.根据权利要求1所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，在电芯的表面设有金属导热层(7)；所述的温度传感器和金属导热管均设置在金属导热层上。
3.根据权利要求1所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，温度传感器为多个以便提高检测温度值的可靠性(使用时，取最大的温度值作为反馈值)。
4.根据权利要求3所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，呈多行多列阵列式设置。
5.根据权利要求1所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，所述的控制器为MCU。
6.根据权利要求2所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，金属导热管呈U型弯曲附着在金属导热层上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，控制器以检测的电芯的温度值作为反馈量，通过控制液氮的流速将电芯的温度降到预设的温度范围内。
8.根据权利要求7所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，采用分段控制模式实施控制：
预设5个温度值T1～T5以及5个液氮流速值F1～F5；
(1)当电芯温度Th＜T1，流量控制仪阀门关闭；
(2)若T1≤Th＜T2时，流量控制仪打开，释放液氮流速为F1；
(3)T2≤Th＜T3时，流量控制仪控制液氮流速为F2；
(4)T3≤Th＜T4时，流量控制仪控制液氮流速为F3；
(5)T4≤Th＜T5时，流量控制仪控制液氮流速为F4；
(6)Th≥T5时，流量控制仪控制液氮流速为F5。
9.根据权利要求8所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，T1≤40℃，T2取值区间为(40℃，50℃]，T3取值区间为(50℃,60℃]T4取值区间为(60℃，70℃]；T5>70℃。
10.根据权利要求9所述的储能模组的自动温控方法，其特征在于，F1≤1，F2的取值区间为(1,5]，F3的取值区间为(5,10]、F4的取值区间为(10，15]，F5≥20，单位均为cm3/s。
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