CN112072211A - 一种分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法 - Google Patents

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曹传钊
徐若晨
朱连峻
付薇
孙超
朱耿峰
李海建
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Abstract

本发明公开一种分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法，系统包括温度控制板、液体循环控制回路以及电池柜；温度控制板设置在电池柜内壁与电池模组之间，每个电池柜设置进液支管和出液支管，进液支管和出液支管分别连通进液母管和出液母管；温度控制板中填充有循环液体，温度控制板之间相互连通，温度控制板开设进液口和出液口，进液口连通进液支管，出液口连通出液支管；液体循环控制回路包括加热回路、辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路；通过控制加热回路、辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路工作方式来实现能有效调控柜内电池模组工作温度，基于此热管理系统有助于实现所有电池柜的电池模组工作在高效安全温度范围內。

Description

一种分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法
技术领域
本发明属于能量存储技术领域，具体涉及一种分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法。
背景技术
作为分散式大规模电池储能的核心构成，电池的工作性能受温度的影响很大。由于电池的化学特性，锂电子电池的最佳温度范围+20～30℃，当条件为正常工作温度范围与非正常工作温度范围使得电池的充放电特性相差较大，当温度过低在充电时锂电池因阳极析锂，导致容量永久性降低或引发内短路后果，放电时会使电路中内阻增大，对放电容量造成影响；当温度过高会使活性化学物质可能发生不可逆的反应，从而破坏电池进一步影响电池的充放电效率与电池的寿命等；严重时还可能会出现漏液、冒烟，甚至燃烧和爆炸，大大降低了分散式大规模电池储能热管理系统的稳定性和安全性。可影响电池温度的条件有很多，如不同地区不同天气的变化会使温度产生很大差异，在寒冷天气下，电池容易降到很低的温度；或者电池在大电流放电与快速充电循环期间会产生大量热量。因此，电池模组寿命及性能受温度影响非常显著，凸显电池热管理系统的重要性，当电池模组工作在适宜的温度下时，能够有效提高电池模组的工作效率以及延长电池模组的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法，该系统结合可随时满足电池系统对工作温度的需求，解决了特殊地区气候限制、电池在温度过高情况下热失控和损坏电池、电池在温度过低时不能深度放电和降低电池容量的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种分散式大规模电池储能热管理系统，包括温度控制板、液体循环控制回路以及电池柜；温度控制板设置在电池柜内壁与电池模组之间，每个电池柜设置进液支管和出液支管，所述进液支管和出液支管分别连通进液母管和出液母管；温度控制板中填充有循环液体，温度控制板之间相互连通，温度控制板开设进液口和出液口，进液口连通进液支管，出液口连通出液支管；液体循环控制回路包括加热回路、辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路；
液体循环控制回路中：储液装置和第二电加热器的出口均连通进液母管，出液母管连通冷凝器入口，冷凝器的出口连通压缩机的入口，压缩机的出口连通蒸发器和水泵的进水口，蒸发器的出口连通水泵的进水口，水泵的出口分别连通第一电加热器的入口、第二电加热器的入口以及温度控制板的进液口，第一电加热器的出口连通储液装置的入口。
加热回路中，加热介质依次经过第二电加热器、电池柜的温度控制板和水泵，经水泵进入第二电加热器循环。
辅助储能回路中，加热介质依次经过第一电加热器、储液装置、电池柜温度控制板以及水泵，经水泵进入第一电加热器；第一电加热器的电能来自光伏发电或风力发电，火力发电作为备用电能。
冷却回路中，冷却介质依次经过电池柜温度控制板、冷凝器、压缩机以及水泵，经水泵进入电池柜温度控制板。
选择性制冷回路中冷却介质依次经过电池柜温度控制板、冷凝器、压缩机、蒸发器以及水泵，经水泵进入电池柜温度控制板。
液体循环控制回路中的加热介质和冷却介质为水。
温度控制板的出液口设置第一三通阀，所述第一三通阀的两个出口分别连通水泵和冷凝器，压缩机的出口设置第二三通阀，所述第二三通阀的两个出口分别连通蒸发器和水泵。
储液装置以及液体通道设置保温层。
加热工作状态：当电池柜位于低温严寒地区，电池模组不能满足低温充电或持续放电的要求时，将加热器开启对加热回路中的液体介质进行加热，加热回路工作，加热介质依次经过第二电加热器、电池柜的温度控制板和水泵，经水泵进入第二电加热器循环，此时，辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路不工作；
冷却工作状态：当电池柜位于高温区域或电池模组充放电产生热量，电池模组不能满足高温充电或持续放电的要求时，第一电加热器和第二电加热器不工作，液体介质从电池柜进液口流入，通过对流换热后变为高温液体从电池柜出液口流出，液体依次经过冷凝器和压缩机，当温度降低后再经过水泵进入进液口完成循环；
余电储热工作状态：有过多电能时，第一电加热器利用电能转化成热能将水加热，被加热的水存放到具有长效保温的储液装置中供水循环系统；
选择性制冷工作状态：液体依次经过冷凝器、压缩机以及蒸发器，液体冷却后经过水泵进入进液口完成循环。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
温度控制板分布于电池模组外部电池柜内壁，温度控制板的内部充满液体介质用来调控温度，若干电池柜的温度控制板通过进液支管与出液支管连接，进液支管汇总于进液母线，出液支管汇总于出液母线，能有效调控柜内电池模组工作温度，用于降温或应用于严寒地区维持电池模组稳定的工作温度，从而提高现有储能技术的全性；温度控制板置于电池柜内壁位置，均匀布置的液体通道更有利于液体介质进行热量交换，基于此热管理系统有助于实现所有电池柜的电池模组工作在合理高效安全温度范围內，从而大大提升工作效率，具有灵活分散布置、直接合理管控、高效加热和散热、长效保温性能、结构简单稳定、能量效率高的优点，
进一步的，水热能源自光伏发电、风力发电或火电厂，其中光伏发电、风力发电优先供电，火电厂作为补充性电能获取方式，当光伏发电、风力发电电能供过于求时，余下的电能通过电能转化成热能将水加热，被加热的水存放到具有长效保温的储液装置中供水循环系统，起到升温的作用，将原本要弃掉的电能储存起来，做到节能环保，而且在光伏发电、风力发电电能不足时，火力发电提供电能，提高系统的可靠性。
本发明所述分散式大规模电池储能热管理系统能够实现：加热工作状态、冷却工作状态、辅助储热工作状态、选择性制冷工作状态四种工况，通过控制加热回路、辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路工作方式来进一步实现，可有效调控电池模组的温度；实现最高效的温控，能替代以往的空调控温管理，克服了能耗大、效率低、成本高等问题；采用液体管路将电池箱和外部循环系统进行连接的控制方法，有利于实现分散式大规模电池储能热管理，降低了能耗并提高电池热管理系统和其它子系统的协同；基于本发明所述分散式大规模电池储能热管理系统控制方法能满足储能系统中的所有电池柜的电池模组工作在合理高效安全温度范围，从而大大提升工作效率，并且延长储能系统使用年限。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明电池柜内温度控制板布置图。
附图中，1-储液装置、2-电加热器、3-电加热器、4-第一阀门、5-第二阀门、6-若干电池柜、7-水泵、8-第三阀门、9-第四阀门、10-蒸发器、11-第五阀门、12-冷凝器、13-压缩机、14-第六阀门，15-第七阀门，16-第八阀门，104-电池柜外壳、105-温度控制板、106-电池柜支管进液口、107-电池柜支管出液口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，电池热管理系统有风冷、液体冷却、自然冷却等，总而言之都是为了更好的电池使用状态。因此拥有一个优良的分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法是至关重要的。
如图1所示，本发明所述的一种分散式大规模电池储能热管理系统，包括若干电池柜6和外部循环控制装置；其中，电池柜6的结构由外到内分别为外壳、温度控制板、电池模组，外壳采用具有保温性能的材质制成，温度控制板布置在电池模组外部电池柜6内壁，每个电池柜6中设置三块连通的温度控制板，温度控制板的内部充满液体介质用来调控温度，电池模组是由若干单节电池串联或并联组成；电池柜6连接进液支管与出液支管，进液支管连通进液母线，出液支管连通出液母线；外部循环控制装置包括第一电加热器2、第二电加热器3、水泵7、制冷系统(压缩机13、冷凝器12、节流阀11、蒸发器10)、储液装置1、三通控制节流阀8、第一阀门4、第二阀门5以及第四阀门9；所述，电池柜6设计进液口与出液口，进液口和出液口均与外部液体循环控制装置接通；设置有加热回路、辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路。
如图1所示，温度控制板设置在电池柜6内壁与电池模组之间，每个电池柜设置进液支管和出液支管，所述进液支管和出液支管分别连通进液母管和出液母管；温度控制板中填充有循环液体，温度控制板之间相互连通，温度控制板开设进液口和出液口，进液口连通进液支管，出液口连通出液支管；液体循环控制回路包括加热回路、辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路；
液体循环控制回路中：储液装置1和第二电加热器3的出口均连通进液母管，出液母管连通冷凝器12入口，冷凝器12的出口连通压缩机13的入口，压缩机13的出口连通蒸发器10和水泵7的进水口，蒸发器10的出口连通水泵7的进水口，水泵7的出口分别连通第一电加热器2的入口、第二电加热器3的入口以及温度控制板的进液口，第一电加热器2的出口连通储液装置1的入口。
冷凝器12的入口和出口分别设置第七阀门15和第八阀门16，压缩机13的出口设置第四阀门9，蒸发器的入口设置节流阀11，水泵7的入口和出口分别设置第三阀门8和第六阀门14，水泵7至温度控制板的管路上设置安全阀。
加热回路具体为：第二电加热器3通过管道连接电池柜6的进液口，按照液体流动方向，液体依次经过第二电加热器3、电池柜的温度控制板、第三阀门8、水泵7以及第一阀门4，经第一阀门4进入第二电加热器3中；冷却回路具体为：按照液体流动方向，液体依次经过第七阀门15、冷凝器12、第八阀门16、压缩机13、第四阀门9、第三阀门8、水泵7和第六阀门14，再回流至电池柜的温度控制板；选择性冷却回路具体为：按照液体流动方向，液体依次经过第七阀门15、冷凝器12、第八阀门16、压缩机13、第四阀门9、第五阀门11、蒸发器10、第三阀门8、水泵7和第六阀门14，再回流至电池柜的温度控制板；辅助加热回路具体为：第一电加热器2通过管道连接电池柜6的进液口，按照液体流动方向，液体依次经过电加热器2、储液装置1、电池柜温度控制板、第三阀门8、水泵7和第二阀门5，再回流至电加热器2；辅助加热回路中水加热的热能是通过光伏发电、风力发电或火力发电获取，其中光伏发电和风力发电作为优选电能来源，火力发放点作为补充性电能获取方式。当电能供过于求时，多出的电能转化成热能将水加热，被加热的水存放到具有长效保温的储液装置1中供水循环系统，用于为水循环系统升温。可以将原本要弃掉的电能储存起来，即消纳多出的电能还不降低资源利用率。管线内流通的液体介质可以为水，也可以为防冻液。
其中，第一阀门4、第二阀门5、第三阀门8、第四阀门9、第五阀门11、第六阀门14、第七阀门15以及第八阀门16均可采用节流阀。
作为可选的实时方式，温度控制板的出液口设置第一三通阀，所述第一三通阀的两个出口分别连通水泵7和冷凝器12，压缩机13的出口设置第二三通阀，所述第二三通阀的两个出口分别连通蒸发器10和水泵7。
电池模组位于电池柜6中，电池柜6选用具有防火、防雨、防沙、防风、保温应用于严寒地区的材料；电池柜6内的电池模组由若干电池单体构成；各电池单体的容量不超过300kWh；每一个电池柜6中电池单体数均大于等于4；储液装置1为具有长效保温的储高温液体装置，储液装置1用于收集多余电能加热的水；第一阀门4、第二阀门5、第四阀门9用于控制各液体循环控制回路的路径。
一种分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法具有四种工作状态：
加热工作状态：当电池柜6位于低温严寒地区时，电池模组不能满足低温充电或持续放电的要求时，为满足电池模组工作在适宜的温度，能够有效提高电池模组的工作效率以及延长电池模组的使用寿命，将加热器3开启对加热回路中的液体介质进行加热，加热回路工作，被加热的液体介质被送入电池柜6进液口，此时第二三液体循环控制回路均不工作。
冷却工作状态：当电池柜6位于高温地区或电池模组充放电产生热量时，电池模组不能满足高温充电或持续放电的要求时，为满足电池模组的使用寿命，电池模组需进行降温处理，此时第一电加热器2和第二电加热器3不工作，液体介质从电池柜6进液口流入，通过对流换热后变为高温液体从电池柜6出液口流出，液体介质由水泵7输送到三通控制节流阀8处，此时第二液体循环控制回路开始工作，液体依次经过冷凝器12、压缩机13和水泵7；当温度降低后再进入进液口完成循环；
余电储热工作状态：光伏发电、风力发电或火力发电为水加热提供电能，其中光伏发电、风力发电作为主要电能来源，火力发电作为补充性电能获取方式。当电能供过于求时，此时辅助加热回路开始工作，第一电加热器2利用电能转化成热能将水加热，被加热的水存放到具有长效保温的储液装置1中供水循环系统，起到升温的作用，实现将原本要弃掉的电能转化为热能储存起来，做到节能环保。
选择性制冷工作状态：选择性冷却回路作为辅助或选择性工作状态。
在本申请所提供的实施例中，所揭露的技术内容，主要是基于分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法，未包含电池储能系统中其他总成及管理控制单元，应理解到，所有基于分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法，都包括在本发明的专利保护范围内。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可以通过其他的方式实现。其中以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元可以通过硬件的形式实现，也可以通过软件功能单元的形式实现。
参考图2，电池模组位于电池柜中，电池柜的材料设计具有防火、防雨、防沙、防风、保温应用于严寒地区等作用，电池柜由外及内的结构分别为电池柜外壳104、温度控制板105、电池模组，电池柜外壳104是由具有保温性能的材质制成，温度控制板105分布于电池模组外部电池柜外壳104内壁，每个电池柜采用三块连通的温度控制板105调控温度，温度控制板的内部充满液体介质用来调控温度，若干电池柜通过进液支管与出液支管连接，进液支管汇总于进液母线，出液支管汇总于出液母线。
在本申请所提供的实施例中，所揭露的技术内容，主要是一种分散式大规模电池储能热管理系统及其运行方法，以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，包括温度控制板、液体循环控制回路以及电池柜(6)；温度控制板设置在电池柜(6)内壁与电池模组之间，每个电池柜设置进液支管和出液支管，所述进液支管和出液支管分别连通进液母管和出液母管；温度控制板中填充有循环液体，温度控制板之间相互连通，温度控制板开设进液口和出液口，进液口连通进液支管，出液口连通出液支管；液体循环控制回路包括加热回路、辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路；
液体循环控制回路中：储液装置(1)和第二电加热器(3)的出口均连通进液母管，出液母管连通冷凝器(12)入口，冷凝器(12)的出口连通压缩机(13)的入口，压缩机(13)的出口连通蒸发器(10)和水泵(7)的进水口，蒸发器(10)的出口连通水泵(7)的进水口，水泵(7)的出口分别连通第一电加热器(2)的入口、第二电加热器(3)的入口以及温度控制板的进液口，第一电加热器(2)的出口连通储液装置(1)的入口。
2.根据权利要求1所述的分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，加热回路中，加热介质依次经过第二电加热器(3)、电池柜的温度控制板和水泵(7)，经水泵(7)进入第二电加热器(3)循环。
3.根据权利要求1所述的分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，辅助储能回路中，加热介质依次经过第一电加热器(2)、储液装置(1)、电池柜温度控制板以及水泵(7)，经水泵(7)进入第一电加热器(2)；第一电加热器(2)的电能来自光伏发电或风力发电，火力发电作为备用电能。
4.根据权利要求1所述的分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，冷却回路中，冷却介质依次经过电池柜温度控制板、冷凝器(12)、压缩机(13)以及水泵(7)，经水泵(7)进入电池柜温度控制板。
5.根据权利要求1所述的分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，选择性制冷回路中冷却介质依次经过电池柜温度控制板、冷凝器(12)、压缩机(13)、蒸发器(10)以及水泵(7)，经水泵(7)进入电池柜温度控制板。
6.根据权利要求1所述的分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，液体循环控制回路中的加热介质和冷却介质为水。
7.根据权利要求1所述的分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，温度控制板的出液口设置第一三通阀，所述第一三通阀的两个出口分别连通水泵(7)和冷凝器(12)，压缩机(13)的出口设置第二三通阀，所述第二三通阀的两个出口分别连通蒸发器(10)和水泵(7)。
8.根据权利要求1所述的分散式大规模电池储能热管理系统，其特征在于，储液装置(1)以及液体通道设置保温层。
9.分散式大规模电池储能热管理系统的运行方法，其特征在于，加热工作状态：当电池柜(6)位于低温严寒地区，电池模组不能满足低温充电或持续放电的要求时，将加热器(3)开启对加热回路中的液体介质进行加热，加热回路工作，加热介质依次经过第二电加热器(3)、电池柜的温度控制板和水泵(7)，经水泵(7)进入第二电加热器(3)循环，此时，辅助储热回路、冷却回路以及选择性冷却回路不工作；
冷却工作状态：当电池柜(6)位于高温区域或电池模组充放电产生热量，电池模组不能满足高温充电或持续放电的要求时，第一电加热器(2)和第二电加热器(3)不工作，液体介质从电池柜(6)进液口流入，通过对流换热后变为高温液体从电池柜(6)出液口流出，液体依次经过冷凝器(12)和压缩机(13)，当温度降低后再经过水泵(7)进入进液口完成循环；
余电储热工作状态：有过多电能时，第一电加热器(2)利用电能转化成热能将水加热，被加热的水存放到具有长效保温的储液装置(1)中供水循环系统；
选择性制冷工作状态：液体依次经过冷凝器(12)、压缩机(13)以及蒸发器(10)，液体冷却后经过水泵(7)进入进液口完成循环。
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