CN113725504A - 一种应用于储能电池包的直冷系统及方法 - Google Patents

一种应用于储能电池包的直冷系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于储能电池包的直冷系统及方法，涉及新能源技术领域。该降温系统包括多个电池包、BMS控制器、控温系统，通过将电芯完全浸润于冷却液中，通过测温探头采集电池包内的温度，通过控温系统还可以实现加热的功能，当电池包的温度过低时，通过加热冷却液，并输入给电池包，控制电池包内部温度在最是工作温度范围内，使电芯各部分温度一致；通过冷却液带走电芯的热量，实现高效散热的效果，同时冷却液具有灭火、灭弧功能，可以防止火灾的发生。该系统能使得多个电池包工作在同一温度下，减少各个电池包的温差。这样提高了电芯性能一致性，有利于延长电池系统寿命。

Description

一种应用于储能电池包的直冷系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种应用于储能电池包的直冷方法。
背景技术
随着锂电池技术的不断发展，成本不断下降，锂电池的应用越来越广泛，大规模储能电站约来越多，但是电池的发热问题和燃烧问题一直是困扰大规模储能电站的痛点。部分厂家通过设置空调来调节电池室内温度，从而控制电芯温度，但是电芯位于电池包内部，冷空气不能直达电芯表面，由于电池包内部多个电芯聚集在一起，导致散热不均匀，中间热，周边冷，电芯温差较大；或者在每个电池包上配置独立风扇用于散热，风扇属于易损件，长期运行失效率高，且更换麻烦；系统内很多风扇运行功耗较大，拉低了储能系统的总体效率；有部分厂家采用液冷散热，在电池包内铺设液冷管道，通过导热材料在管道内流动来带走电池的热量，此方案结构复杂，成本较高。
发明内容
为了可以有效地提高电芯的散热效果，保持电芯温度一致性，同时能够防止电池起火，将明火抑制在初始阶段，本发明采用以下技术方案：
一种应用于储能电池包的直冷系统，包括多个电池包、BMS控制器、控温系统；
电池包包括电芯组、密封箱体、BMU、多个测温装置，多个测温装置固定安装于密封箱体内，密封箱体内部设置有冷却液，电芯组浸润于冷却液内，密封箱体外壁上设有冷却液进口、冷却液出口、正极输出接口、负极输出接口；电芯组固定安装于密封箱体内；BMU固定安装于密封箱体外侧壁上，BMU与电芯组电性连接；电芯组的总正极输出端与正极输出接口连接，电芯组的总负极输出端与负极输出接口连接；BMU与测温装置连接；控温系统的输出端与多个电池包的冷却液进口通过管道连接，且控温系统的输入端与多个电池包的冷却液出口通过管道，BMS控制器分别与控温系统的信号端、多个电池包的BMU通讯连接；多个电池包之间串联连接。
具体的，测温装置包括温度传感器，温度传感器有三个，三个温度传感器分别固定安装于冷却液进口处、冷却液出口处，电芯组中间。通过在不同位置处设置温度传感器，可以更加全面的监测电池包内的温度，保证电池包内温度调节的精确度。
具体的，冷却液进口和冷却液出口分别设置于密封箱体相对的两侧面，且呈斜对角设置。冷却液进口和出口斜对角设计，冷却液进入时温度较低，流入电池包底部，经过与电芯接触升温后，温度高的冷却液上升，通过后侧方的冷却液出口流出，从而带走电芯热量。
具体的，冷却液为氟化液或变压器油。氟化液或变压器油具有绝缘、阻燃特性，可以在电芯周围流动且不会引发短路问题，将电芯浸没在冷却液中，氟化液或变压器油直接带走电芯发出的热量，高效散热，同时具有灭火、灭弧功能，防止火灾。
具体的，控温系统包括换热器和冷却泵，换热器与冷却泵通过第一管道连接，冷却泵的输出端与多个电池包的冷却液进口通过管道连接，第一管道能控制流速；多个电池包的冷却液出口与冷却泵的输入端通过第二管道连接。
具体的，第一管道包括多个分管道、管道分叉接口、输出管道，管道分叉接口上开设有多个输入接口，一个输出接口，多个分管道与多个输入接口连接，输出管道与输出接口连接，每个分管道上设有控制阀。通过这种连接方式，并通过设置控制阀可以控制管道内的流速，控制流速可使得电池包内的温度进行高效调节。
一种应用于储能电池包的直冷方法，应用于上述一种应用于储能电池包的直冷系统，包括以下步骤：
步骤S1：温度传感器采集多个电池包内部的温度数据，并将温度数据传输至BMU中，BMU将温度数据传输至BMS控制器中，BMS控制器对多个电池包的温度进行判定，若多个电池包的温度都符合温度阈值范围，则温控系统不开启且控制阀门关闭，否则进入步骤S2，开启温控系统和控制阀门，对电池包的温度进行调节；
步骤S2：若多个电池包中至少有一个电池包的温度低于低温阈值，且其余电池包的温度符合温度阈值范围，则温控系统开启加热工作模式，且对应低于低温阈值的电池包的控制阀开启，其余电池包的控制阀关闭，当低于低温阈值的电池包的温度达到最适温度阈值时，对应的控制阀关闭，所有电池包的温度达到最适温度阈值时，温控系统停止工作；
若多个电池包中至少有一个电池包的温度高于高温阈值，且其余电池包的温度符合温度阈值范围，则温控系统开启降温工作模式，且高于高温阈值的电池包对应的控制阀开启，其余电池包的控制阀关闭，当高温阈值的电池包的温度达到最适温度阈值时，对应的控制阀关闭，所有电池包的温度达到最适温度阈值时，温控系统停止工作；否则进入步骤S3；
步骤S3：开启温控系统，调节温控系统输出的冷却液的温度为最适温度阈值，打开所有控制阀，使所有电池包内的冷却液与整个系统中的冷却液流动交互，进行热交换，当温控系统的冷却液与电池包内冷却液温度达到平衡并且温度都为最适温度阈值时，温控系统关闭，所有控制阀关闭。
从上面描述可得，该装置具有以下优点：
1.电池包中电芯完全浸润于冷却液中，可以将极柱处的温度也降下来，使电芯各部分温度一致；通过冷却液带走电芯的热量，实现高效散热的效果，同时冷却液具有灭火、灭弧功能，可以防止火灾的发生。
2.通过控温系统监控电池包中温度，并进行调节，实现多个电池包工作在同一温度下，减少各个电池包的温差。
3.通过控温系统还可以实现加热的功能，当电池包的温度过低时，通过加热冷却液，并输入给电池包，控制电池包内部温度在最是工作温度范围内，这样提高了电芯性能一致性，有利于延长电池系统寿命；
4.电池包还具有灭火功能，电芯外部短路打火可以在液体中被灭掉，电芯内部短路引起的火灾也可以在液体中被灭掉。
附图说明
图1是一种应用于储能电池包的直冷系统的结构示意图；
图2是一种应用于储能电池包的直冷系统中电池包的结构示意图；
附图标记：1冷却液进口；2冷却液出口；3航插；4电芯组；5密封箱体； 6正极输出接口；7负极输出接口。
具体实施方式
下面结合图1至图2对本发明做进一步说明。
一种应用于储能电池包的直冷系统，包括2个电池包、BMS控制器、换热器和冷却泵；
电池包包括电芯组4、密封箱体5、BMU、3个温度传感器。密封箱体5内部设置有冷却液，冷却液为氟化液，电芯组4浸润于冷却液内，氟化液具有绝缘、阻燃特性，可以在电芯周围流动不会引发短路问题，将电芯浸没在冷却液中，氟化液直接带走电芯发出的热量，高效散热，同时具有灭火、灭弧功能，防止火灾。为了将氟化液在密封箱内循环流通，带走热量，所以在密封箱体5外壁上设有冷却液进口1、冷却液出口2、正极输出接口6、负极输出接口7。冷却液进口1 和冷却液出口2分别设置于密封箱体5相对的两侧面，且呈斜对角设置。冷却液进口1和出口斜对角设计，这样设计，冷却液进入时温度较低，流入电池包底部，经过与电芯组4接触升温后，温度高的冷却液上升，通过后侧方的冷却液出口2 流出，从而带走电芯热量。电芯组4通过固定支架固定，固定支架与密封箱体5 固定连接。BMU固定安装于密封箱体5外侧壁上，BMU与电芯组4电性连接。电芯组4的总正极输出端与正极输出接口6连接，电芯组4的总负极输出端与负极输出接口7连接。BMU与3个温度传感器通讯连接。3个温度传感器固定安装于密封箱内，且分别设置于冷却液进口1处、冷却液出口2处以及电芯组4中间，这样放置温度传感器可以更准确地反应电池包内部不同区域的温度分布情况。密封箱采用铸铝材料，不易损坏且安全稳固。
2个电池包分别为第一电池包和第二电池包，两个电池包之间串联连接，即第一个电池包的正极输出端与下一个电池包的负极输出端之间、第一个电池包的负极输出端与下一个电池包的正极输出端之间通过动力线连接。
换热器与冷却泵组成的控温系统具有加热和制冷功能，为了使得冷却液的温度恒定为最适温度，所以将控温系统与电池包连接形成循环。其中控温系统中换热器与冷却泵通过第一管道连接，冷却泵的输出端与2个电池包的冷却液进口1 通过管道连接。2个电池包的冷却液出口2分别与冷却泵的输入端通过第二管道连接。其中第一管道包括多个分管道、管道分叉接口、输出管道，管道分叉接口上开设有2个输入接口，一个输出接口，2个分管道与2个输入接口连接，输出管道与输出接口连接，每个分管道上设有控制阀。控制阀采用无级调速，流动速度在0-10L/min。当电池包内温度升高较快时，控制冷却泵快速运转，加快冷却液流动；当电池包温度在设定的阈值范围时，冷却泵低速或停止运转。为了根据温度反馈进行自动控制，保持电池包的温度在一定范围内，所以将BMS控制器与冷却泵的信号端通过485通讯连接，这样BMS控制器能实时调控冷却泵。为了获取电池包内的温度数据，BMS控制器还与2个电池包的BMU通过485通讯连接。
由于目前主流的电池最佳工作温度为25±3℃，在此温度下电芯寿命可以最大化，所以为了实现控制电池包工作温度在25±3℃的目标，本发明设计了一种应用于储能电池包的直冷方法，应用于上述一种应用于储能电池包的直冷系统，包括以下步骤：
步骤S1：温度传感器采集2个电池包内部的温度数据，并将温度数据传输至BMU中，BMU将温度数据传输至BMS控制器中，BMS控制器对2个电池包的温度进行判定，若2个电池包的温度都在22℃～28℃之间，则温控系统不开启且控制阀门关闭，否则进入步骤S2。
步骤S2：若2个电池包中至少有一个电池包的温度低于22℃，且剩余的电池包的温度在22℃～28℃之间，则温控系统开启加热工作模式，且对应低于22℃的电池包的控制阀开启，对应22℃～28℃的电池包的控制阀关闭。温控系统与 22℃的电池包之间的冷却液循环换热，经过一段时间调温作用后，低于22℃的电池包内地温度达到25℃时，将对应的控制阀关闭，继续调温，当所有被调温的电池包的温度都达到25℃时，温控系统停止工作；
若2个电池包中至少有一个电池包的温度高于28℃，且其余电池包的温度在22℃～28℃之间，则温控系统开启降温工作模式，且对应于高于28℃的电池包的控制阀开启，对应22℃～28℃的电池包的控制阀关闭。经过一段时间调温作用后，高于28℃的电池包的温度降到25℃时，将对应的控制阀关闭，继续调温，当所有被调温的电池包的温度都达到25℃时，温控系统停止工作；否则进入步骤S3；
步骤S3：打开冷却泵，控制换热器内冷却液的液体温度在25℃，并使得阀门1和阀门2都打开，使2个电池包内的冷却液与整个系统中的冷却液流动交互，进行热交换。最终当整个系统的冷却液与电池包内冷却液温度达到平衡并控制在 25℃左右，温控系统停止工作，控制阀关闭。
从上面描述可得，该装置具有以下优点：
(1)电池包中电芯完全浸润于冷却液中，可以将极柱处的温度也降下来，使电芯各部分温度一致；通过冷却液带走电芯的热量，实现高效散热的效果，同时冷却液具有灭火、灭弧功能，可以防止火灾的发生。
(2)通过控温系统监控电池包中温度，并进行调节，实现多个电池包工作在同一温度下，减少各个电池包的温差。
(3)通过控温系统还可以实现加热的功能，当电池包的温度过低时，通过加热冷却液，并输入给电池包，控制电池包内部温度在最是工作温度范围内，这样提高了电芯性能一致性，有利于延长电池系统寿命；
(4)电池包还具有灭火功能，电芯外部短路打火可以在液体中被灭掉，电芯内部短路引起的火灾也可以在液体中被灭掉。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于储能电池包的直冷系统，其特征在于，包括多个电池包、BMS控制器、控温系统；
电池包包括电芯组、密封箱体、BMU、多个测温装置，所述多个测温装置固定安装于所述密封箱体内，所述密封箱体内部设置有冷却液，所述电芯组浸润于所述冷却液内，所述密封箱体外壁上设有冷却液进口、冷却液出口、正极输出接口、负极输出接口；所述电芯组固定安装于所述密封箱体内；所述BMU固定安装于所述密封箱体外侧壁上，所述BMU与所述电芯组电性连接；所述电芯组的总正极输出端与所述正极输出接口连接，所述电芯组的总负极输出端与所述负极输出接口连接；所述BMU与所述测温装置连接；
所述控温系统的输出端与所述多个电池包的冷却液进口通过管道连接，且所述控温系统的输入端与所述多个电池包的冷却液出口通过管道，所述BMS控制器分别与所述控温系统的信号端、所述多个电池包的BMU通讯连接；所述多个电池包之间串联连接。
2.根据权利要求1所述一种应用于储能电池包的直冷系统，其特征在于，所述测温装置包括温度传感器，所述温度传感器有三个，所述三个温度传感器分别固定安装于冷却液进口处、冷却液出口处，电芯组中间。
3.根据权利要求1所述一种应用于储能电池包的直冷系统，其特征在于，所述冷却液进口和所述冷却液出口分别设置于所述密封箱体相对的两侧面，且呈斜对角设置。
4.根据权利要求1所述一种应用于储能电池包的直冷系统，其特征在于，所述冷却液为氟化液或变压器油。
5.根据权利要求1所述一种应用于储能电池包的直冷系统，其特征在于，所述控温系统包括换热器和冷却泵，所述换热器与所述冷却泵通过第一管道连接，所述冷却泵的输出端与所述多个电池包的冷却液进口通过管道连接，所述第一管道能控制流速；所述多个电池包的冷却液出口与所述冷却泵的输入端通过第二管道连接。
6.根据权利要求5所述一种应用于储能电池包的直冷系统，其特征在于，所述第一管道包括多个分管道、管道分叉接口、输出管道，所述管道分叉接口上开设有多个输入接口，一个输出接口，所述多个分管道与所述多个输入接口连接，所述输出管道与所述输出接口连接，每个分管道上设有控制阀。
7.一种应用于储能电池包的直冷方法，其特征在于，应用于权利要求1-6所述一种应用于储能电池包的直冷系统，包括以下步骤：
步骤S1：温度传感器采集所述多个电池包内部的温度数据，并将所述温度数据传输至所述BMU中，所述BMU将温度数据传输至BMS控制器中，所述BMS控制器对所述多个电池包的温度进行判定，若所述多个电池包的温度都符合温度阈值范围，则温控系统不开启且控制阀门关闭，否则进入步骤S2，开启温控系统和控制阀门，对电池包的温度进行调节；
步骤S2：若所述多个电池包中至少有一个电池包的温度低于低温阈值，且其余电池包的温度符合所述温度阈值范围，则所述温控系统开启加热工作模式，且对应低于低温阈值的电池包的控制阀开启，其余电池包的控制阀关闭，当所述低于低温阈值的电池包的温度达到最适温度阈值时，对应的控制阀关闭，所有电池包的温度达到最适温度阈值时，所述温控系统停止工作；
若所述多个电池包中至少有一个电池包的温度高于高温阈值，且其余电池包的温度符合所述温度阈值范围，则所述温控系统开启降温工作模式，且高于所述高温阈值的电池包对应的控制阀开启，其余电池包的控制阀关闭，当所述高温阈值的电池包的温度达到所述最适温度阈值时，对应的控制阀关闭，所有电池包的温度达到最适温度阈值时，所述温控系统停止工作；否则进入步骤S3；
步骤S3：开启所述温控系统，调节所述温控系统输出的冷却液的温度为最适温度阈值，打开所有控制阀，使所有电池包内的冷却液与整个系统中的冷却液流动交互，进行热交换，当所述温控系统的冷却液与电池包内冷却液温度达到平衡并且温度都为最适温度阈值时，所述温控系统关闭，所有控制阀关闭。
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