CN114221062B - 一种电化学储能系统及热管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电化学储能系统及热管理方法，包括箱体、设置在箱体内部的电化学储能电池载体，电化学储能电池载体内部中空，其中竖直间隔布置有多个电池存储单元，多个电池存储单元中均设置有电池组，箱体顶部设置有风扇，底部设置有进风百叶窗，风扇和进风百叶窗配合使用，箱体外部设置有配水箱，配水箱的进水口通过补水管路与外部水源相连，配水箱的出水口与电化学储能电池载体的进水口连接，配水箱与地热循环管路和热泵循环系统连通，配水箱底部设置有集水槽；本发明的系统及热管理方法具有结构简单、经济性高、换热效果好、低能耗、易于安装检修，并能够同时满足储能电池及外界用户的温控需求。

Description

一种电化学储能系统及热管理方法
技术领域
本发明属于电化学储能技术领域，具体属于一种电化学储能系统及热管理方法。
背景技术
温度是影响储能电池性能的关键因素，电池的过热和过冷现象均会对储能电池的容量、寿命和能量效率造成影响。
在现有的储能电池热管理系统中，主要采用空冷和液冷两种方式。空冷热管理系统通常采用强迫风冷，容易造成电池冷却不均匀以及冷却效果较差大的现象；由于液体具有的较高的换热系数，液冷热管理系统可以有效地控制储能电池温度。液冷系统可分为直接接触式和非直接接触式两种方式，其中直接接触式液冷系统往往容易造成电池短路、检修不便等问题，同样，非直接接触式液冷系统需增添套筒等换热设施，在一定程度上降低了换热效率。
同时，现有的空冷和液冷热管理系统多依赖工质显热换热以及所采用空调制冷以及电阻加热方式，系统功耗较大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种电化学储能系统及热管理方法，该系统及热管理方法具有结构简单、经济性高、换热效果好、低能耗、易于安装检修，并能够同时满足储能电池及外界用户的温控需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电化学储能系统，包括箱体、设置在箱体内部的电化学储能电池载体，所述电化学储能电池载体内部中空，其中竖直间隔布置有多个电池存储单元，所述电池存储单元中设置有电池组，所述箱体顶部设置有风扇，底部设置有进风百叶窗，所述风扇和进风百叶窗配合使用用于在多个电池存储单元之间形成空气流道，所述箱体外部设置有配水箱，所述配水箱的进水口通过补水管路与外部水源相连，所述配水箱的出水口与所述电化学储能电池载体的进水口连接用于为电池组进行冷却或加热，所述配水箱与地热循环管路和热泵循环系统连通用于为配水箱中的工质进行冷却或加热，所述配水箱底部设置有集水槽。
进一步的，所述集水槽顶部开口，所述集水槽通过上水管路与配水箱连通用于将箱体中的工质回收，所述上水管路上设置止回阀和第二水泵，其中第二水泵位于集水槽底部，上水管路的进口通过第二水泵与集水槽连通，上水管路的出口与配水箱的进口连通。
进一步的，所述箱体还包括配水管、和集流板，所述配水管的进水端与配水箱的出水口连通，配水管的出水端与电化学储能电池载体的进水口连通，集流板设置在箱体底部，进风百叶窗对称设置在集流板与电化学储能电池载体之间的箱体底部侧壁上，所述集流板为一倾斜平板，其低端朝向集水槽设置用于收集电化学储能电池载体出水口处的工质。
进一步的，所述配水箱中的液位高于电化学储能电池载体的高度。
进一步的，所述电化学储能电池载体包括上盖板和下底板，以及将上盖板和下底板连接在一起的侧板，其中，上盖板上开有多条与电池存储单元一一对应的配水通道，所述配水通道两侧开有排气口，所述下底板上开有排水口和进气口，所述排水口与电池存储单元一一对应且位于电池存储单元正下方，所述进气口与上盖板上的排气口一一对应。
进一步的，所述电池存储单元包括两端开口的金属薄板空腔、平铺在金属薄板空腔外壁面上的金属丝网以及设置在金属薄板空腔内部的支撑隔板，所述金属薄板空腔顶部为拱形突起，底部为矩形，所述支撑隔板将金属薄板空腔分为若干电池腔，所述电池腔中设置有电池组。
进一步的，所述地热循环管路包括埋于地下的地源换热管、第一水泵，所述地热循环管路的进口通过第一水泵与配水箱出水口连接，地源换热管的出口与配水箱的进水口连接，所述地源换热管位于地下五米以下。
进一步的，所述热泵循环系统包括膨胀阀、换热器、压缩机、两位四通阀以及第二换热管，所述压缩机的出口和入口分别与两位四通阀的第一开口、第三开口相连通，所述换热器的进口与两位四通阀的第四开口连通，换热器的出口经膨胀阀、第二换热管与两位四通阀的第二开口相连通，所述第二换热管设置在配水箱内部并处于配水箱中液面之下。
进一步的，热泵循环系统和地热循环管路均包括供热模式和制冷模式。
本发明还提供一种电化学储能系统的热管理方法，具体步骤如下：
电池组降温时，地热循环管路切换为制冷模式，配水箱中的工质进入地热循环管路，通过地下土壤的冷却作用将地热循环管路中的工质冷却，冷却的工质重新进入配水箱中，将冷却的工质从配水箱中通入电化学储能电池载体中为电池组降温，同时风扇与进风百叶窗开启，空气在电池存储单元两侧形成空气流道，对电池组进一步冷却；当上述冷却过程不足以满足电池组的冷却要求时，热泵循环系统切换为制冷模式，进一步降低配水箱中工质的温度为电池组降温；
电池组加热时，地热循环管路切换为制热模式，配水箱中的工质进入地热循环管路，通过地热的加热作用将地热循环管路中的工质加热，加热的工质重新进入配水箱中，将加热的工质从配水箱中通入电化学储能电池载体中为电池组加热，同时风扇与进风百叶窗关闭；当上述加热过程不足以满足电池组的加热要求时，热泵循环系统切换为制热模式，进一步升高配水箱中工质的温度为电池组加热。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种电化学储能系统，利用配水箱为电池存储单元中的电池组降温或加热，同时配水箱与地热循环管路连接可以通过利用地热能对配水箱中工质的温度进行控制，仅有少部分电能用于压缩机耗能，有效地减少原本用于电池温度控制的电能，降低了功耗；
热泵循环系统的设置能够主动地进一步提高或降低配水箱水温，从而确保电池组正常工作的温度需求，避免了地热能不足时，配水箱水温不足以保证电池组正常工作温度进而造成电池组过冷或过热现象的出现，提高了系统可靠性，同时可以满足外界用户的冷热负荷需求；
风扇以及进风百叶窗的配合开启，强化了箱体内空气扰动，进一步强化了电池组与工质间的换热；
进一步的，电池存储单元的支撑隔板与金属薄板形成电池腔，电池组与工质间换热采用间接接触换热方式，避免了电池组与工质的直接接触，减小了电池短路、损坏的可能性，同时便于安装检修；
进一步的，本发明还设置有集流板和集水槽，能有效地保证了循环工质的回收，同时，补水管路的设置使得配水箱中的水可由外界水源补充，上水管路中的水泵仅在集水槽水位达到一定程度后间歇性工作，保证工质回收的同时减少了水泵耗能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图中：1为箱体、101为风扇、102为配水管、103为进风百叶窗、104为集流板、2为电化学储能电池载体、201为上盖板、202为侧板、203为下底板、3为电池存储单元、301为支撑隔板、302为金属丝网、303为电池组、304为金属薄板空腔、4为集水槽、5为地热循环管路、501为地源换热管、502为第一水泵、6为上水管路、601为止回阀、602为第二水泵、7为热泵循环系统、701为膨胀阀、702为换热器、703为压缩机、704为两位四通阀、705为第二换热管、8为补水管路、801为闸阀、802为浮球阀、9为配水箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
参考图1，本发明提供一种电化学储能系统，包括箱体1、电化学储能电池载体2、电池存储单元3、地热循环管路5、热泵循环系统7、补水管路8和配水箱9，其中，箱体1中设置有内部中空的电化学储能电池载体2，电化学储能电池载体2中竖直间隔布置有若干数量的电池存储单元3，电池存储单元3内部设置有电池组303，箱体1顶部设置有风扇101，底部设置有进风百叶窗103，风扇101和进风百叶窗103配合使用用于在多个电池存储单元3之间形成空气流道；箱体1外部设置有配水箱9，配水箱9的出水口与电化学储能电池载体2的进水口连接用于为电池组303进行冷却或加热，配水箱9的进水口通过补水管路8与外部水源相连，配水箱9与地热循环管路5和热泵循环系统7连通用于为配水箱9中的工质进行冷却或加热，配水箱9底部设置有顶部开口的集水槽4，集水槽4通过上水管路6与配水箱9连通。
箱体1中还设置有配水管102和集流板104，配水管102的进水端与配水箱9的出水口连通，配水管102的出水端与电化学储能电池载体2连通用于为电池组303进行冷却或加热，配水箱9中的工质可在重力作用下通过配水管102导入箱体1中，配水管102还设置有电磁阀以控制工质流量；集流板104设置在箱体1底部，进风百叶窗103对称设置在集流板104与电化学储能电池载体2之间的箱体1底部侧壁上，集流板104为一倾斜平板，低端朝向集水槽4设置用于收集电化学储能电池载体2出水口处的工质。
优选的，配水箱9中的液位高于电化学储能电池载体2的上盖板201的高度；
电化学储能电池载体2包括上盖板201、侧板202和下底板203，其中，上盖板201上设置有多条与电池存储单元3一一对应的配水通道，配水通道两侧开有排气口，侧板202上下两端分别与上盖板201和下底板203相连，下底板203上开有与电池存储单元3一一对应且位于电池存储单元3正下方的排水口以及与上盖板201排气口相对应的进气口，空气从进风百叶窗103进入箱体1中，并通过下底板203的进气口进入电化学储能电池载体2中在电池存储单元3之间形成空气流道，空气流道通过上盖板201上的排气口和风扇101排出箱体1。
电池存储单元3包括两端开口的金属薄板空腔304、平铺在金属薄板空腔304外壁面上的金属丝网302以及设置在金属薄板空腔304内部的支撑隔板301，金属薄板空腔304与支撑隔板301之间形成若干电池腔，电池腔中设置有若干数量的电池组303。
优选的，金属薄板空腔304顶部设置拱形突起，底部为矩形，金属丝网302紧贴于金属薄板空腔304，从上盖板201上配水通道滴落的工质可在金属丝网302与金属薄板空腔304间形成均匀工质液膜通道为电池存储单元3中的电池组303换热。
地热循环管路5包括埋于地下的地源换热管501和第一水泵502，其中，地热循环管路5的进口以及出口均与配水箱9连接，地源换热管501的进口通过第一水泵502与配水箱9的出水口连接，地源换热管至少位于地下五米以获取更好的地热资源。
上水管路6上设置有防止流体倒流的止回阀601、第二水泵602，其中第二水泵602位于集水槽4底部，上水管路6的进口通过第二水泵602与集水槽4连通，上水管路6的出口与配水箱9内部连通，其中上水管道6为单向通道，工质仅从集水槽4向配水箱9流动，第二水泵602处于间歇性工作模式，仅在集水槽4中水位达到一定程度后才开启，上水管路6中的第二水泵602间歇性的开启以及补水管路8的加入进一步减少了水泵所消耗的电能。
热泵循环系统7包括有膨胀阀701、换热器702、压缩机703、两位四通阀704以及第二换热管705，其中压缩机703的出口、入口分别与两位四通阀704的第一开口、第三开口相连通，换热器702的进口与两位四通阀704的第四开口相连通，换热器702的出口经膨胀阀701、第二换热管705与两位四通阀704的第二开口相连通；
热泵循环系统7存在供热模式和制冷模式两种工作模式，工作状态取决于第二换热管705的工作状态，同时热泵循环系统7中的换热器702可相应地用于给外界用户制冷或供热，第二换热管705布置于配水箱9内部的液面之下；
优选的，补水管路8上设置有闸阀801、浮球阀802，浮球阀802布置于配水箱9内部以控制配水箱水位，外部水源采用自带水压的自来水。
优选的，热泵循环系统7中的循环工质为有机工质，如HFE-7000，HFO-1336mzz(Z)；集水槽4、上水管道5、地热循环管道6和配水箱9中的工质为水。
优选的，地源换热管501和第二换热管705为蛇形管或者带翅片的管。
优选的，第一水泵502为普通的离心式水泵，第二水泵602为潜水泵。
本发明的一种电化学储能系统的热管理方法，具体如下：
当电池组303需要冷却时，地热循环管路5开始工作，配水箱9中的水在第一水泵502的推动下进入地源换热管501，经过地下土壤的冷却作用后重新进入配水箱9中，配水箱9的水温降低，配水箱9中温度降低后的水在重力作用下经由配水管102进入上盖板201的配水通道内，从配水通道出来的液体滴落在电池存储单元3上并在金属丝网302与金属薄板空腔304间形成均匀液膜，在金属薄板的导热作用下对电池组303进行冷却，同时风扇101与进风百叶窗103开启，空气经进风百叶窗103由下底板203的进气口进入并在电池存储单元3两侧形成与液膜流动方向相反的空气流道，在液膜的蒸发作用下电池组303进一步地得到冷却，另外，在电池存储单元3表面形成的液膜在重力作用下经由下底板203的排水口落至集流板104上，最终返回至集水槽4中，并在上水管路6的作用下进入配水箱9；
当上述冷却过程不足以满足电池组303冷却需求或者热泵循环系统7的换热器702需要对外供热时，则热泵循环系统7启动，两位四通阀704处于制冷位置，即两位四通阀704的第一开口与第四开口相连通，第二开口与第三开口相连通，热泵循环系统7中的工质循环流动方向为：工质从压缩机703出口经由两位四通阀704的第一开口和第四开口进入换热器702，从换热器702经膨胀阀701进入第二换热管705中，第二换热管705中的工质换热后经由两位四通阀704的第二开口和第三开口再到压缩机703中，此时，热泵循环系统7的第二换热管705为蒸发器位于配水箱9内部，蒸发器内部工质蒸发吸热，使配水箱9中的水进一步得到冷却以满足电池组303冷却需求；在此工作模式下，热泵循环系统7的换热器702内部工质凝结放热，可满足外界热负荷需求。
当电池组303需要加热时，地热循环管路5开始工作，配水箱9中的水在第一水泵502的推动下进入地源换热管501，经过地热的加热作用后重新进入配水箱9中，配水箱9中温度升高后的水在重力作用下经由配水管102进入上盖板201的配水通道内，从配水通道出来的液体滴落在电池存储单元3上并在金属丝网302与金属薄板空腔304间形成均匀液膜，在金属薄板的导热作用下对电池组303进行加热，同时风扇101与进口百叶窗103关闭以减小空气流动带来的不必要的热量损失，另外，在电池存储单元3表面形成的液膜在重力作用下经由下底板203的排水口落至集流板104上，最终返回至集水槽4中，并在上水管路6的作用下进入配水箱9；
当上述加热过程不足以满足电池组303的加热需求或者热泵循环系统7的换热器702需要对外供应冷量时，热泵循环系统7启动，两位四通阀704处于制热位置，即两位四通阀704的第一开口与第二开口相连通，第三开口与第四开口相连通，热泵循环系统7中的工质循环流动方向为：从压缩机703出口经两位四通阀704的第一开口和第二开口进入第二换热管705，与配水箱9中的水换热后经膨胀阀701到换热器702，工质在换热器702换热后经由两位四通阀704的第四开口和第三开口进入压缩机703中，此时，热泵循环系统7的第二换热管705为冷凝器位于配水箱9内部，冷凝器内部工质凝结放热，使配水箱9中的水进一步得到加热以满足电池组303加热需求；在此工作模式下，热泵循环系统7的换热器702内部工质蒸发吸热，可满足外界冷负荷需求。

Claims (8)

1.一种电化学储能系统，其特征在于，包括箱体（1）、设置在箱体（1）内部的电化学储能电池载体（2），所述电化学储能电池载体（2）内部中空，其中竖直间隔布置有多个电池存储单元（3），所述电池存储单元（3）中设置有电池组（303），所述箱体（1）顶部设置有风扇（101），底部设置有进风百叶窗（103），所述风扇（101）和进风百叶窗（103）配合使用用于在多个电池存储单元（3）之间形成空气流道，所述箱体（1）外部设置有配水箱（9），所述配水箱（9）的进水口通过补水管路（8）与外部水源相连，所述配水箱（9）的出水口与所述电化学储能电池载体（2）的进水口连接用于为电池组（303）进行冷却或加热，所述配水箱（9）与地热循环管路（5）和热泵循环系统（7）连通用于为配水箱（9）中的工质进行冷却或加热，所述配水箱（9）底部设置有集水槽（4）；
所述集水槽（4）顶部开口，所述集水槽（4）通过上水管路（6）与配水箱（9）连通用于将箱体（1）中的工质回收，所述上水管路（6）上设置止回阀（601）和第二水泵（602），其中第二水泵（602）位于集水槽（4）底部，上水管路（6）的进口通过第二水泵（602）与集水槽（4）连通，上水管路（6）的出口与配水箱（9）的进口连通；
所述箱体（1）还包括配水管（102）、和集流板（104），所述配水管（102）的进水端与配水箱（9）的出水口连通，配水管（102）的出水端与电化学储能电池载体（2）的进水口连通，集流板（104）设置在箱体（1）底部，进风百叶窗（103）对称设置在集流板（104）与电化学储能电池载体（2）之间的箱体（1）底部侧壁上，所述集流板（104）为一倾斜平板，其低端朝向集水槽（4）设置用于收集电化学储能电池载体（2）出水口处的工质。
2.根据权利要求1所述的一种电化学储能系统，其特征在于，所述配水箱（9）中的液位高于电化学储能电池载体（2）的高度。
3.根据权利要求1所述的一种电化学储能系统，其特征在于，所述电化学储能电池载体（2）包括上盖板（201）和下底板（203），以及将上盖板（201）和下底板（203）连接在一起的侧板（202），其中，上盖板（201）上开有多条与电池存储单元（3）一一对应的配水通道，所述配水通道两侧开有排气口，所述下底板（203）上开有排水口和进气口，所述排水口与电池存储单元（3）一一对应且位于电池存储单元（3）正下方，所述进气口与上盖板（201）上的排气口一一对应。
4.根据权利要求1所述的一种电化学储能系统，其特征在于，所述电池存储单元（3）包括两端开口的金属薄板空腔（304）、平铺在金属薄板空腔（304）外壁面上的金属丝网（302）以及设置在金属薄板空腔（304）内部的支撑隔板（301），所述金属薄板空腔（304）顶部为拱形突起，底部为矩形，所述支撑隔板（301）将金属薄板空腔（304）分为若干电池腔，所述电池腔中设置有电池组（303）。
5.根据权利要求1所述的一种电化学储能系统，其特征在于，所述地热循环管路（5）包括埋于地下的地源换热管（501）、第一水泵（502），所述地热循环管路（5）的进口通过第一水泵（502）与配水箱（9）出水口连接，地源换热管（501）的出口与配水箱（9）的进水口连接，所述地源换热管（501）位于地下五米以下。
6.根据权利要求1所述的一种电化学储能系统，其特征在于，所述热泵循环系统（7）包括膨胀阀（701）、换热器（702）、压缩机（703）、两位四通阀（704）以及第二换热管（705），所述压缩机（703）的出口和入口分别与两位四通阀（704）的第一开口、第三开口相连通，所述换热器（702）的进口与两位四通阀（704）的第四开口连通，换热器（702）的出口经膨胀阀（701）、第二换热管（705）与两位四通阀（704）的第二开口相连通，所述第二换热管（705）设置在配水箱（9）内部并处于配水箱（9）中液面之下。
7.根据权利要求1所述的一种电化学储能系统，其特征在于，热泵循环系统（7）和地热循环管路（5）均包括供热模式和制冷模式。
8.一种电化学储能系统的热管理方法，其特征在于，具体步骤如下：
电池组（303）降温时，地热循环管路（5）切换为制冷模式，配水箱（9）中的工质进入地热循环管路（5），通过地下土壤的冷却作用将地热循环管路（5）中的工质冷却，冷却的工质重新进入配水箱（9）中，将冷却的工质从配水箱（9）中通入电化学储能电池载体（2）中为电池组（303）降温，同时风扇（101）与进风百叶窗（103）开启，空气在电池存储单元（3）两侧形成空气流道，对电池组（303）进一步冷却；当上述冷却过程不足以满足电池组（303）的冷却要求时，热泵循环系统（7）切换为制冷模式，进一步降低配水箱（9）中工质的温度为电池组（303）降温；
电池组（303）加热时，地热循环管路（5）切换为制热模式，配水箱（9）中的工质进入地热循环管路（5），通过地热的加热作用将地热循环管路（5）中的工质加热，加热的工质重新进入配水箱（9）中，将加热的工质从配水箱（9）中通入电化学储能电池载体（2）中为电池组（303）加热，同时风扇（101）与进风百叶窗（103）关闭；当上述加热过程不足以满足电池组（303）的加热要求时，热泵循环系统（7）切换为制热模式，进一步升高配水箱（9）中工质的温度为电池组（303）加热。
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