CN111602287A - 能量存储系统 - Google Patents

Abstract

一种能量存储系统(1)包括至少一个能量存储模块(10)。每个模块(10)包括多个能量存储设备(23)。每个能量存储设备包括电连接到能量存储设备的电极的至少一个导电电池单元接片(20、21)，电池单元接片的一端从能量存储设备突出。能量存储模块(10)还包括用于每个能量存储设备的冷却器(22)，该冷却器包括与能量存储设备的一个表面接触的一个或多个封闭的冷却通道(25)。冷却器包括不导电材料。冷却器还包括冷却通道的一个部分，所述部分热耦接到电池单元接片(20、21)的突出端。

Description

能量存储系统

技术领域

本发明涉及一种能量存储系统，尤其是涉及包括向终端用户提供电能的电化学电池单元或电池的能量存储模块。

背景技术

在许多应用中，尤其是在存在环境问题(与敏感环境中排放相关)或公共健康问题的情况下使用时，存储电能模块或各种类型的功率单元变得越来越普遍。尽管所存储的能量可能以许多不同的方式生成，但存储电能功率单元通常用于提供电能以操作装备，来避免在使用时产生排放。所存储的电能还可以用于在从电网或从各种类型的发电系统(包括柴油发电机、燃气轮机或可再生能源)以其他方式供应能量的系统中提供调峰。飞机、车辆、船舶、海上钻井平台或在偏远地区的其他动力装备是大规模存储电能的用户的示例。车辆驾驶员可以在城市中心使用存储能量功率单元，并且通过干线道路上的内燃机充电，以减少城镇和城市中的有害排放，或者他们可以通过电力供应进行充电。在大部分航行相对靠近居住区域或在敏感环境中的渡轮被设计为具有混合动力或全电动驱动系统。渡轮在靠近海岸时可以利用所存储的能量来为船舶提供动力，并利用近海的柴油发电机为电池充电。在某些国家，来自可再生能源的电力可用于对存储能量单元进行充电，这意味着在以下前提下可以使用全电船舶：在完全不使用柴油或其他不可再生能源的情况下，所存储的能量单元对于所覆盖的距离是足够可靠的。无论是混合动力还是全电动，存储能量单元都可以在停靠时从岸上充电。为了实现存储能量单元足够可靠以长期用作主要动力的技术发展，必须解决某些技术问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，一种能量存储系统，包括至少一个能量存储模块，每个模块包括多个能量存储设备；每个能量存储设备包括电连接到能量存储设备的电极的至少一个导电电池单元接片，电池单元接片的一端从能量存储设备突出；其中能量存储模块还包括用于每个能量存储设备的冷却器，该冷却器包括与能量存储设备的一个表面接触的一个或多个封闭的冷却通道；其中冷却器的冷却通道包括不导电材料；并且其中冷却器还包括冷却通道的一个部分，该部分热耦接到电池单元接片的突出端。

将不导电材料用于冷却器避免了冷却器壁与电池单元接片之间的短路或泄漏电流问题，并且对于能量存储设备，更易于制造成所需的形状。

优选地，冷却器包括在流体入口和流体出口之间的一个或多个冷却流体通道，流体通道形成蛇形流动路径或多个平行流动路径。

优选地，冷却器包括具有在0.2W/mK与50W/mK之间的导热率的材料，然而该材料通常被选择为具有在3W/mK与5W/mK之间的导热率。

优选地，材料包括聚酰胺或热塑性塑料中的一种。

材料可以被形成为通道，以与形成金属通道相比更容易地提供所需的冷却器形状。

优选地，通道壁在冷却器的端部处进一步形成凸起部分，以将电池单元接片连接到凸起部分。

这使得电池单元接片易于被装配到冷却剂流动通道的壁上。

优选地，能量存储设备包括两个电池单元接片。

这允许电池单元接片可以热耦接到电池单元本体的任一侧的冷却器，而不管两者均在一侧耦接至同样的冷却器，还是一个电池单元接片在一侧耦接至冷却器并且另一个电池单元接片在另一侧耦接至冷却器，这增加了每个能量存储设备内的冷却效果。

优选地，电池单元接片包括铝或镀镍的铜中的一种。

优选地，冷却流体包括水。

优选地，冷却流体还包括腐蚀抑制添加剂、抗冻添加剂以及生物生长抑制添加剂中的至少一种。

附图说明

现在将参考附图描述根据本发明的系统的示例，其中：

图1示出了可以应用本发明的能量存储系统的示例。

图2示出了根据本发明的能量存储模块内的能量存储设备的示例。

图3示出了根据本发明的能量存储系统中的冷却能量存储设备的第一示例。

图4示出了根据本发明的能量存储系统中的冷却能量存储设备的第二示例；以及

图5示出了根据本发明的用于能量存储系统的方法的示例的流程图。

具体实施方式

用于为诸如船上系统和海上平台的海洋应用供应直流电能的能量存储系统对电压和电流的要求很高。这些能量存储系统可能需要提供1KV DC或更高的电压等级，该电压等级可以通过将以50V DC和200V DC(通常为100V DC左右)之间的电压运行的多个能量存储模块组合来实现。在所示的示例中，能量存储模块冷却系统以并联方式流体连接，并且能量存储模块以串联方式电连接在一起。替代地，冷却系统可以以串联方式连接在一起。每个模块可以包括诸如电池单元的多个能量存储设备，多个能量存储设备以串联方式连接在一起，以提供所需的总模块电压。使用各自额定电压在3V至12V之间的能量存储设备的总模块电压通常大约为100V至150V DC。例如，每个电池单元可能仅具有大约3V的电压，但是在具有以串联方式电连接在一起的28个电池单元的模块中，这样的方式会产生接近100V的电压。多个模块可以耦接在一起，以能够为船舶上的功率系统提供足够的DC电压(例如1KV或更高)。

早期的大型电池是铅酸电池，但是最近，锂离子电池已被开发用于大规模应用的电能存储。锂离子电池通常是加压的，并且电解质是易燃的，因此锂离子电池在使用和存放时需要小心。锂离子电池可能出现的问题是热失控，热失控可能是由于在制造期间电池单元中所生产的内部短路引起的。诸如机械损坏、过度充电或不受控制的电流等其他原因也可能导致热失控，但是电池系统设计通常适于避免这些。不能完全排除电池单元的制造问题，因此需要采取预防措施以将出现热失控时的影响降至最低。在大型锂离子电池系统中，控制在热失控期间释放出的能量总量是个挑战。热事件可能会使单个电池单元中的温度从20℃至26℃的标准操作温度的范围的升至高达700℃至1000℃的范围。安全工作温度是低于60℃的，因此这是一个值得注意的问题。

在海洋和近海工业中，对于船舶或钻井平台的风险有严格的规定，其中一项要求是不得将多余的温度从一个电池单元传递到另一个电池单元。如果发生过热，则应将过热控制在单个电池单元中，而不允许过热扩散。另外，对于海洋和近海应用，任何装备的重量和体积都受到严格限制，因此优选紧凑、轻便的系统。生产紧凑、轻量化的系统来快速高效地实现所需要的热隔离以及冷却内部过热发生的电池单元是一项挑战。

在锂离子电池系统中，非常重要的一点是，电池单元的温度不得超过规定的操作温度，并且整个系统中的电池单元温度必须均匀。在规定的操作温度范围之外持续操作可能会严重影响电池单元的寿命，并且增加发生热失控的风险。

对于海洋应用，由于安装成本以及模块在船舶或海上平台上所占用的重量和空间，对以最大的充电或放电速率使用诸如电池等的能量存储模块特别关注。此外，与存储能量系统基于陆地的使用相比，存储能量模块的维护和修理或更换复杂而且昂贵，因此延长存储能量模块的使用寿命期限尤为重要。以锂离子电池为例，锂电子电池对高温敏感，因此对于锂离子电池系统的所有电池单元，重要的是要保证操作温度和环境温度是受控的，以确保达到设计寿命。单个电池单元上的局部变化或热点也可能损害可实现的总寿命。

大型的海洋或近海存储能量系统的常用途径是使用空气冷却，使空气在电池系统的电池单元之间流动。另一种选择是将水冷与铝散热片结合使用。水冷是通过在热交换器和冷却器块上流动，并且铝制散热片设置在电池系统的每个电池单元之间。然而，该系统在散热方面不是特别有效，并且还显著增加了能量存储系统的重量。选择铝是因为铝的导热性和相对较低的成本，而并非因为铝的轻便。来自电池的热量必须传递到铝制散热片，并且这些散热片继而被液体冷却，该液体在热交换器处散失其热量并且进行再循环。

如上所述，就实现工业应用中的长寿命而言，锂离子电池单元是非常具有温度依赖性的。在超过90％的市场应用中，寿命期限是决定电池系统尺寸的重要因素。如果可以延长电池寿命，则可以降低投资成本和占地面积。锂离子电池制造商不断增加在电池单元中的电池单元尺寸和比能量密度，因此电池单体变得越来越大并且越来越厚。尺寸和厚度两者(特别是厚度)都使这些电池单元更难于在整个体积上均匀冷却。电池单元内部形成的局部热点会降低电池单元的容量，从而缩短电池单元的寿命。通常，由于机械设计必须考虑电池单元的自然膨胀，因此仅在一侧冷却电池单元。这导致电池单元在电池单元本体上遭受相当大的温度差异(delta temperature)，在寿命终止时温度差异可能高达5℃至10℃。这转而会加速老化。

一些供应商使用昂贵的材料和复杂的机械解决方案来在所冷却的电池单元的“相反侧”实现一定程度的冷却。其他供应商则使用具有较好的热性能的柔性材料，但是这些材料很少见并且价格昂贵。一些工业系统可能具有开放空气冷却，因此不能跳过电池单元壁上的外部压力。因为空气直接与电池单元接触而流动，该设计并未考虑到机械压力。一些空气冷却系统使用散热片冷却，这允许保持一定的压力。电池单元上的压力不足可能会对电池单元寿命产生负面影响，但可以大大降低设计成本。尽管在空气直接传递到电池单元本体和接片前提下，可以使用空气冷却系统来冷却接片，但这并不适用于海洋应用，因为安全要求不允许依靠外部灭火来释放热失控的完全开放的系统。

图1中示出了可以应用本发明的能量存储系统的示例。系统1包括通过多个能量存储模块10，多个能量存储模块10通过总线2以串联方式电连接在一起并且由中央控制器3控制。能量存储模块中的每个能量存储模块由冷却流体冷却，冷却流体从冷却系统5循环通过入口管6和出口管7。冷却流体通常是水，与合成冷却剂相比，水便宜并且易于获取和处理。可以提供添加剂，以例如抑制冻结、生物生长或腐蚀。通常，添加剂的比例由所选的添加剂确定，例如20％的防冻剂。

图2说明了一个直接冷却的电池冷却器设置的示例，在电池冷却器的顶部具有焊接接片连接件。每个能量存储模块10包括多个能量存储设备，例如电池单元，多个能量存储设备以串联方式电连接在一起。在每个电池单元本体23的一侧上设置有电池单元冷却器22，电池单元冷却器22经由入口管6和出口管7从冷却系统5接收冷却流体以冷却电池单元本体。电池本体和电池单元冷却器交替通过模块，从而大多数电池本体23在两侧都具有冷却器。因为不需要电池单元之间的额外隔热(额外隔热在常规电池系统中很常见)，在电池单元的两侧都提供了冷却。通常，电池单元的一侧设置有柔性材料以允许电池自然膨胀，因此使用柔性材料的一侧的冷却效果较差。柔性材料可以确保随着电池膨胀而在一段时间内保持恰当的压力。每个电池单元本体23具有至少一个电池接片，但是电池单元本体23可以具有两个电池接片20、21，两个电池接片中的每个电池接片热耦接到电池单元本体的一侧或另一侧上的电池单元冷却器22，以增加每个电池内的冷却效果。电池单元冷却器包括供冷却流体流过的管道，该管道是不导电的材料，通常是合成材料，诸如高分子塑料(例如聚乙烯)、诸如PA66塑料的聚酰胺或诸如TCE2、TCE5的热塑性塑料或其他适当的材料，这些材料可以被模制或挤压成所需的形状，并且能够承受能量存储模块的正常操作温度。这样形成的形状可以被选择以避免尖锐的边缘，来降低在处理模块时对操作者造成伤害的可能性。形成模块的冷却器的电绝缘特性也有助于保护操作者。在热阻很小的情况下，电池单元通过使冷却流体在电池单元表面的相当大的部分上流动而被直接冷却。在电池单元中发生热失控的情况下，制成冷却流体管道的材料的低导电性有助于防止热量在模块内部扩散。

对于锂离子软包电池单元，电池接片20、21通常是具有较大表面积的金属接片，金属接片具有直接的金属连接，从而提供与分布在电池单元23内部的电极和集流体(未示出)良好的热接触。例如，在厚度为16mm的电池单元中，通常在电池单元内部平均分布有40至100个单电极。通过使用能量存储设备的冷却器22来冷却电池单元接片20、21，可以有效地冷却电池中的热点。与电池单元内部分布层的良好热连接使直接冷却电池单元最热区域成为可能。除了有效地冷却电池热点外，由于保持较低温度，冷却电池单元接片20、21的另一个益处是集流体和电池单元接片中的电阻减小。通常，能量存储设备在正常操作中保持冷却至约25℃。

在根据本发明的能量存储系统中，至少有一个能量存储模块10，但更常见的是多个(例如多达10个)能量存储模块以串联方式电耦接在一起，在能量存储柜中提供高达100V的直流电。多个柜可一起操作以提供1KV或更高的直流电源电压。每个模块10包括多个能量存储设备23，能量存储设备23通常可以在3V和12V之间操作。每个能量存储设备包括至少一个电连接到能量存储设备的电极的导电电池单元接片20、21。电池单元接片20、21的一端从能量存储设备23突出，以允许设备被电连接在一起。能量存储模块10还包括用于每个能量存储设备的冷却器22，该冷却器包括多个封闭的冷却管道或通道，多个封闭的冷却管道或通道的壁与能量存储设备的一个表面热接触。冷却器还包括冷却通道的热耦接到电池单元接片的突出端的部分。

图3给出了带焊接连接的典型的直接冷却锂电池系统的示例。电池单元接片可以彼此焊接、压制或铆接，或者以任意适当的方式连接。冷却流体进入冷却通道25，并且从入口6流到出口7，从而从电池单元本体23(为清楚起见而省略)的表面带走热量，并且从所焊接的电池单元接片连接件20、21带走热量。通过在所有电池单元之间应用带有电池单元冷却器的液体冷却，使得热量通过电池单元本体的导热壁传递到冷却器流体通道中的冷却流体，从而可以有效地冷却电池单元本体。如果电池单元冷却器按传统方式(例如采用散热片和热交换器)由导电材料制成，那么当电池单元壁由金属制成时，所需的电绝缘材料将限制应用到接片的热传递和冷却的有效性。在本发明中，冷却器流体通道本身是电绝缘的，因此不需要附加的材料，除了使用轻便、易于成型的材料带来的好处外，还进一步节省了重量和成本。

本发明通过使用用于冷却器22的本体的不导电材料来解决这个问题。图4示出了使用导热的热塑性塑料以冷却接片，热塑性塑料也是不导电的。代替图3的平的上壁26(电池单元接片20、21通过电隔离器24而被安装到该上壁)，图4的示例使用了导热的冷却器材料27，该材料被成形为允许冷却流体的流动更好地与焊接电池单元接片连接件20、21接触。通过用电绝缘材料(例如诸如聚酰胺的聚合物或不含添加剂的热塑性塑料)制成冷却器，可以简单地调整冷却通道的形式，使冷却通道与接片材料以及电池单元本体的侧面接触以冷却电池单元接片。冷却流体通道或管道的典型总厚度在5mm至20mm的范围内，壁厚在1mm至5mm的范围内，并且对于聚合物塑料而言，优选不超过3mm。通道可以具有正方形、圆形或其他适当的横截面。

通过用具有足够薄的壁的管道来构造冷却通道，使得从电池单元到冷却流体的有效的直接热传递成为可能，材料的导热性不是重要的考虑因素。将不导电但导热的热塑性塑料用于冷却器22意味着可以通过与冷却电池单元本体的相同冷却回路来有效地冷却接片。与不导电的冷却器材料相结合的接片冷却允许选择多种材料，因为该材料仅需要具有大于0.2W/mK的导热率。适当的材料的热导率可以在3W/mK至5W/mK的范围内，但热导率在0.2W/mK和50W/mK之间的材料提供了更多的选择。这可以准许优化所用材料的机械质量和价格，从而对于大批量系统而言可以达到节约目的。相比之下，需要热导率大于100W/mK的金属或其他极好导热体的冷却方法导致材料选择相对受限。此外，如果可以更有效地冷却电池单元，则由于使用寿命的延长而节省了成本。使用不导电材料的另一个优点是，不存在可以传递电磁噪声的体积，因此与金属冷却板或通道相比，更容易满足能量存储系统的电磁兼容性(EMC)要求。

图5是示出典型组装根据本发明的能量存储系统的流程图。构成能量存储模块的多个能量存储设备23中的每个能量存储设备被提供40有冷却器22。如此形成的设备冷却器对排成一排，以使每个设备的一侧与其冷却器的一侧热接触。冷却器与来自冷却系统5的流体供应以并联方式流体连通，并且能量存储设备23以串联方式电连接在一起。除了在一个模块10内的一排设备冷却器对的端部之外，能量存储设备的另一侧与排成一行的下一个冷却器对的另一表面相邻。如果需要压力壁，则与来自其自身的冷却器的效果相比，能量存储设备的表面上来自下一个成行的冷却器22的冷却效果减小。然而，每个能量存储设备的电池单元接片被布置43成与两个相邻的冷却器22都热接触。

与在模块内部提供定向在接片上的附加冷却回路相比，该设计更优选，因为在机械上很难围绕可能放置在电池单元顶部的传感器进行设计。与如上所述使用或采用电池单元冷却器相比，即使在电池单元接片焊接点下方的非导电材料中添加冷却管道网格也会增加成本和复杂性。

尽管已经给出了关于诸如电池(例如锂离子电池、碱性或NiMh电池或其他电池)的电化学电池单元的详细示例，但是本发明适用于其他类型的存储能量单元，特别是非圆柱形电容器、超电容器(ultracapacitors)或超级电容器(supercapacitors)、燃料电池或其他类型的能量存储器，这些能量存储单元具有可以被冷却器冷却的表面，并且也可能遭受存储能量单元的模块温度规律地超出优选的操作范围而降低总体寿命的情况。

Claims (10)

1.一种能量存储系统，所述系统包括至少一个能量存储模块，每个模块包括多个能量存储设备；每个能量存储设备包括至少一个导电电池单元接片，所述至少一个导电电池单元接片电连接到所述能量存储设备的多个电极，所述电池单元接片的一端从所述能量存储设备突出；其中所述能量存储模块还包括用于每个能量存储设备的一个冷却器，所述冷却器包括与所述能量存储设备的一个表面接触的一个或多个封闭的冷却通道；其中所述冷却器的所述冷却通道包括不导电材料；并且其中所述冷却器还包括所述冷却通道的一个部分，所述部分被热耦接到所述电池单元接片的突出端。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述冷却器包括在一个流体入口和一个流体出口之间的一个或多个冷却流体通道，所述冷却流体通道形成一个蛇形流动路径或多个平行流动路径。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述冷却器包括导热率在0.2W/mK与50W/mK之间的一种材料。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述材料包括聚酰胺或热塑性塑料中的一种。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中多个通道壁在所述冷却器的一个端部处进一步形成一个凸起部分，以将所述电池单元接片连接到所述凸起部分。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述能量存储设备包括两个电池单元接片。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述电池单元接片包括铝或镀镍的铜中的一个。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述冷却流体包括水。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述冷却流体还包括腐蚀抑制添加剂、抗冻添加剂以及生物生长抑制添加剂中的至少一种。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中多个所述电池单元包括锂离子电池单元。

Images