CN114267907A - 一种电池储能的热安全管理系统、控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

电池储能的热安全管理系统、控制方法及其应用，包括循环冷却系统、电池管理系统等，根据电池管理系统监测到的电池运行状态情况进行分级热安全管理：正常运行时，以空冷的方式进行热管理，控制电池机组的运行温度；当某个电池模组运行状态出现异常时，控制中心控制浸没冷却系统的注液通路的阀门，利用重力排液，仅对运行异常电池及电池模组进行及时的浸没冷却处理；当浸没冷却过程中电池温度仍上升明显时，冷却液持续注入并从溢流口流出进入循环冷却系统；当电池模组温度进一步升高时，冷却液出现蒸发现象，对电池模组进行蒸发冷却；当电池模组内部压力达到泄压阀阈值时，气态冷却剂排出至舱体内部，降低舱内氧含量，提高运行安全。

Description

一种电池储能的热安全管理系统、控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及集装箱或预制舱式储能电池的热管理领域。主要针对集装箱式电池的布置特点，设计并建立了一种电池储能的热安全管理系统及控制方式，采用一套循环冷却系统对电池储能系统进行分级热管理，以保障电池处于最佳运行温度范围，最大程度降低运行异常电池的温度，抑制热失控行为，阻隔热蔓延，保障储能系统的安全运行。

背景技术

集装箱储能系统以其高集成度、可移动性和高环境适应性等优势成为关注的焦点。预制舱作为集装箱的升级形式，也逐渐成为大规模储能系统的主流方式。在储能系统容量的增加的需求下，储能箱体中电池排布的密集程度也逐渐提高，使得电池产生的大量热量很难快速排出，电池之间、电池模组之间、电池包之间都会出现热量积聚的现象，导致电池温度和温差较大。在长时间尺度的运行要求下，将对储能系统的工作效率、安全性能和循环寿命产生极大的影响，严重情况下发生热失控，造成严重的安全事故。 所以电池热管理系统必须满足结构紧凑、安全性高、适用性强等要求。

集装箱及预制舱式储能系统的热管理系统与动力电池的热管理系统在结构上相近，主要有空冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却等。现有电池储能的热安全管理系统仍然存在全电池运行状态下针对性和适用性不足的问题。

（1）风冷技术具有制造成本低、结构简单等优点，目前的储能系统大多采用该方式进行热管理。但是该方式受限于使用的环境温度以及电池的生热率，当环境温度升高或者电池高倍率充放电时，由于空气的传热系数较低，不能满足短时间内降低电池温度的热管理要求。所以需要采用混合热管理技术，与其他冷却方式结合，以弥补单一热管理技术的缺陷性，满足储能系统日益增长的热管理要求，保障储能系统运行热安全性和热可靠性。总之，风冷方式下电池储能系统单个或多个电池包运行温度过高时降温效果差，速度慢。

（2）阻隔电池热蔓延行为的设计环节缺失，抑制热失控措施单一。

电池储能系统的容量不断增大，系统内电池排列越来越密集，容易导致电池在运行过程中产生的热量很难快速排出，出现电池组之间热量积聚的现象。长时间保持该状态运行大大提高了电池热失控的概率。目前储能系统内部已经安装了热探测器、感烟探测器和感烟热探测器等部件用以探测电池热失控现象，部署主动灭火装置用以热防护。但是靠近已发生热失控单体电池的电池和电池模组更容易以高功率放电，导致其温度迅速升高，造成热蔓延现象。现有技术主要集中于对热失控的监测和防护，但是对于热蔓延阻隔技术却很少考虑，存在该热量传递环节的热管理技术缺失。

（3）单体电池或单个电池包缺乏精准化针对性的热处理手段

电池储能系统在运行过程中发生事故往往是由于少数电池或电池模组的运行异常导致的，然而现有技术针对该种事故采取的方式是往往是整体加大送风量或者增加冷却液流量，而不是精准化的对运行异常电池或电池模组采取针对性的热处理。这极大的造成了运营成本的增加，使得储能系统的经济效益降低，且后期整体维护技术难度加大。此外，还存在对电池包采用单独风扇组进行冷却，这虽然可以调控局部温度，但是由于风冷本身换热系数的限制，无法具有抑制热失控的能力。所以精准定位运行异常的少数电池或电池模组，并对其采用针对性的热管理方式具有必要性。

（4）电池储能系统的送风系统难以兼顾散热效率与不同电池模组间的温度均衡。

目前集装箱或预制舱式电池储能系统多以空调作为散热器件，空调的进出风方式主要分为前部进风顶部出风、前部进风后部出风、前部进风底部出风三种，但是无论哪种模式都很难兼顾散热效率与不同电池模组间的温度均衡。所以改进系统的风道设计对于改善系统的散热效率和温度均衡是尤为必要的。

现有技术如专利申请号CN201822187949.3的名为基于氟化液的密封浸没式电池包及其冷却系统，使用了氟化液作为冷却剂，电池模组部分或全部浸没与氟化液中，在浸没电池包壳体外表面设置换热器，壳体内部安装压力传感器和温度传感器用于实时检测。此专利缺乏对氟化液冷却剂的循环调控，主要是通过外界冷媒进入换热器进行换热，系统结构较为复杂。同时该专利进行全局浸没冷却，但是电池在不同的运行状态下的温度表现不同所匹配的散热能力需求不同，全部使用浸没冷却大大增加了系统的质量，大大降低了集装箱和预制舱式储能系统的可移动性。

专利申请号CN202022085492.2的名为浸没式液冷储能系统，电池模组浸没于冷却液，设置在冷却箱中，第一换热器的进液端与冷却箱的出液端通过管路相连，第一换热器内部设置有压缩机制冷机组与换热器内液体进行换热，然而该专利缺乏对储能电池系统采用浸没冷却的整体布置设计，仅仅关注于单电池包的应用方案，在系统中对所有电池包都采用同样的浸没冷却方式大大增加了系统的质量，减小了系统集成度，制约其移动灵活性。现有技术，如中国专利，其申请号：CN2021213082594，公告号：CN214706082U，公开一种，包括多个相互隔离的电池舱舱体、空调和与空调连通的空调冷却风道，电池舱舱体上端敞开，电池舱舱体内安装有支架，支架包括安装于顶部的横板，支架内安装有电池簇，电池簇分两列，每一列电池簇包括若干个上下排列的电池，横板上安装有散热风扇，空调冷却风道的下端设有出风口，每个电池舱舱体对应一个出风口，出风口正对散热风扇，电池簇中间设有供冷风流动的内部冷却风道。包括浸没式水冷却系统，所述浸没式水冷却系统包括溢流管(6)、消防母管(7)和消防支管(8)，所述消防母管(7)从外部接入冷却水，所述消防母管(7)和消防支管(8)相通，每个所述消防支管(8)对应一个电池(42)，所述溢流管(6)的顶端安装于电池舱舱体(1)外侧；所述溢流管(6)位于电池舱舱体(1)外侧部分的最低点高于最上端的电池。该系统中采用空冷和浸没冷却相结合的热管理方式，但是浸没冷却系统在该专利中作用相当于消防系统，仅仅在热失控导致火灾事故后对电池进行迅速降温，针对场景是热失控已经发生以后，目的是避免复燃或爆炸事故。然而电池运行出现异常到热失控之间仍存在一段可调控的失控预警时间，该系统缺乏对电池出现运行异常情况下的即时高功率冷却方式设计，不能起到抑制热失控发生的作用。专利申请号 CN109449528A，主要采用相变储能液冷板通过导热胶与电池相接触，通过冷却液将相变材料吸收的热量传导出去，并通过外部散热器对冷却液进行散热，来完成电池热量的导出。该专利提出散热系统的四种模式划分，根据预测到的电池包产热情况调节水泵流量和散热器的风速，以此提高电池包的散热效率。但是该专利提出的相变储能液冷板的散热结构由于相变材料的导热性的限制，导致其散热能力十分有限，同时采用该液冷板与电池包贴合接触，之间不可避免的有接触热阻，大大限制了其散热能力，所以该专利在电池处于高温状态或高倍率运行情况下的散热能力有限，且能耗大大提高，并且由于其结构和散热能力的限制，导致其在抑制电池热失控的发生和阻隔热蔓延的方面仍有很大不足。

此外，诸如现有技术，如中国专利，其申请号：CN2020213308740，公告号：CN212434717U，公开一种多模组共用一个冷凝腔的两相浸没式冷却系统，利用氟化液在工质表面的汽化带走电池在工作过程中所产生的热量，汽化的氟化液在换热器内进行凝结，凝结所放出的热量直接被冷却管路中的冷却工质吸收，使得电池模组最高温度以及不同电池单体之间的温差得到了有效控制。现有技术，如中国专利，其申请号：CN2019100362274，公开号：CN109860947A，公开一种动力电池包可变流道主动热管理控制方法及系统，包括温度传感器、相变储能导热板、电池管理系统、换向阀、水泵、水箱、散热器、蓄电池、循环水管；平面热管放置在电池单体两两之间紧密贴合，平面热管嵌在相变储能导热板中，相变储能导热板伸入到循环水管中，循环水管中的冷却液通过进/出水管与外界散热器相连；温度传感器贴在动力电池包上，温度传感器与电池管理系统通过温度传感器信号线束相连；电池管理系统根据温度传感器传来的信息，通过PID算法控制水泵、散热器以及换向阀，进而调整循环水道中的冷却液流向以及流速，用以控制动力电池包的整体温升，增加动力电池包温度一致性。该专利存在的不足之处是：采用平面热管与方形电池进行贴合，热管的冷端与相变储能导热板结合，液冷板又与相变储能导热板结合的结构将电池的热量散出，该结构较为复杂，同时由于各部分贴合导致接触热阻较大不可忽略，从而导致散热能力降低，难以满足电池在较高温度和较高倍率下运行的散热需求，且该系统中没有对阻隔热蔓延技术进行考虑。与此同时热管理系统的控制方式是通过改变整体冷却液流向分布和流速，调整整体温度情况，但是缺乏对运行过程中出现异常的电池进行针对性精准化热管理。现有技术，如中国专利，其申请号：CN2020106544531，公告号：CN111786049A，公开一种用于电池冷却的多模组共用一个冷凝腔的两相浸没式冷却系统，包括氟化液循环模块、传感器模块、电池控制模块以及冷却模块；氟化液循环模块包括：箱体1、冷凝腔7、储液罐6以及电子阀门5供制氟化液循环，且依次通过管路连接成环；其中：箱体1，其内部填充氟化液3；风机8，固定于冷凝腔7内部；箱体1与冷凝腔7通过储液罐6和电子阀门5进行连接；当电池模组工作时开始发热，温度逐渐升高，电池模组所产生的热量被填充的氟化液带走，当氟化液温度没有达到沸点时，氟化液利用显热吸收电池模组所产生的热量；当电池模组表面温度升高到氟化液沸点以上时，氟化液开始沸腾，沸腾产生的氟化液蒸汽进入冷凝腔7并将热量传递给冷却模块，该热量随后被冷却模块传递给外界环境；遇冷液化的氟化液流入储液罐6；随着氟化液的持续沸腾，当箱体1内氟化液3的液位低于所设定的下液位限时，电子阀门5开启，储液罐6对箱体1进行补液，直至氟化液3的液位高于所设定的上液位限时，电子阀门5关闭，完成氟化液的循环。中国专利，其申请号：CN202022085492，公告号：CN212783590U，公开一种浸没式液冷储能系统，包括：冷却箱，内部容纳有冷却液；电池模组，电池模组设置在冷却箱内、且浸入于冷却液，电池模组设置有用于将电池模组与冷却液隔离开的密闭隔离层；第一换热器，第一换热器的进液端与冷却箱的出液端通过第一管路相连，第一换热器的出液端与冷却箱的进液端通过第二管路相连，第二管路上设置有用于将第一换热器内的液体泵入冷却箱内的水泵；压缩机制冷机组，压缩机制冷机组的换热部件设置在第一换热器内、以与第一换热器内的液体进行换热。其申请号：CN2021206894357，公告号：CN214625171U，公开一种基于氟化液的新型高密度储能电池热管理液冷系统，包括电池模块(1)，所述电池模块(1)包括电池壳体以及处在电池壳体内并排分布的电池芯体(11)，其特征在于：所述电池模块(1)内注入有用于浸没所述电池芯体(11)的氟化液(12)；所述热管理液冷系统包括蒸汽压缩制冷回路、氟化液循环回路以及用于蒸汽压缩制冷回路和氟化液循环回路耦合换热的板式换热器；该系统具有以下模式，分别为自循环模式、制冷模式；自循环模式：循环泵2开启，冷凝风机8不开，压缩机6不开，管道加热器4不开；制冷模式：在开启制冷模式时，蒸汽压缩制冷回路中的压缩机6开启，冷凝风机8开启；氟化液循环回路的循环泵2开启，管道加热器4关闭，氟化液12经过板式换热器5降温，进入电池模块1中对电池芯体11进行降温，氟化液12在吸收电池芯体11的发热量后温度升高，然后进入板式换热器5进行再次降温后进入电池模块1进行冷却换热，完成电池降温循环。 还有诸如CN112886093A（一种主动控制型全浸没式液冷动力电池热管理系统）、CN112820980A（一种多级冷却式电池包及其冷却方法）、CN109546203A（基于氟化液的密封浸没式电池包、冷却系统及其制作方法）等上述现有的电池储能热安全管理系统大多仅仅采用风冷方式，降温能力有限，无法满足电池出现运行异常情况的散热需求；或仅仅采用浸没液冷方式，大多针对全局浸没，缺乏对运行异常电池的局部浸没调控，大大增加了系统质量，制约其灵活性；即便采用风液耦合的方式，针对电池不同运行状态，所实施的分级热安全管理措施仍较为简单，以增加风量或调节冷却液流量为主。与此同时，现有热安全管理系统普遍缺乏对电池出现运行异常到发生热失控这一过程中不同阶段的针对性热管理技术。由于不同冷却方式和热安全管理方式的差异显著，目前尚无通过较为简单的系统设计实现热管理及热安全性不同阶段细分管理的合理技术方案。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明公开一种电池储能的热安全管理系统及控制方式，其采用的技术方案如下：

结构方面：一种电池储能的热安全管理系统，所述热安全管理系统包括循环冷却系统，其特征为：循环冷却系统进一步包括用于对电池风冷的空调送风冷却系统、用于对电池液冷的浸没冷却系统以及用于冷却工质蒸发后的蒸汽排出系统；通过上述循环冷却系统使电池或电池模组外表面的热量由冷却流体通过对流、传导及蒸发进行冷却，热能通过空气、冷却液循环或蒸发的方式传出。

热控制方式：采用分级热安全管理策略：当电池储能系统正常运行时，通过空调送风冷却系统以空冷的方式进行热管理，控制电池机组的运行温度；当电池管理系统监测到电池机组中某个电池模组运行状态出现异常时，将该电池模组的位置信息定位信号下发至控制中心，控制中心根据定位信号控制浸没冷却系统的注液通路的阀门开闭，利用被动重力排液，仅对运行异常电池及电池模组进行及时的精准化浸没冷却处理；当浸没冷却过程中电池温度仍上升明显时，浸没冷却液持续注入并从溢流口流出进入循环冷却系统；当电池模组温度进一步升高时，浸没冷却液出现蒸发现象，对电池模组进行蒸发冷却，冷却能力进一步提高；随着气态冷却剂增多，当电池模组内部压力达到泄压阀阈值时，气态冷却剂排出至舱体内部，降低舱内氧含量，提高运行安全。

优选为：包括浸没冷却系统，借助被动的重力排液，实现仅对异常电池模组的局部浸没冷却处理；该系统包括顶部储液箱、入液管道、管道阀门、出液管道、冷凝器、底部储液箱、水泵、回液管道；其中，顶部储液箱内填充满冷却液，通过管道与浸没冷却系统和消防灭火系统相连接，当达到浸没冷却系统启动条件时，借助被动的重力排液，其底部与入液管道相连，入液管道上安装有多个管道阀门，通过控制中心控制管道阀门的开闭，入液管道中冷却液由电池模组的侧下部注入，电池模组的侧上部与出液管道相连，达到溢流口高度的冷却液由出液管道依次进入冷凝器、底部储液箱，并通过水泵将冷却液由回液管道送回至顶部储液箱，以此循环冷却。

优选为：所述空调送风系统包括引风机、送风机、送风管道、回风管道，电池机柜；其中空调送风通过送风机，经过送风管道将冷风送入电池机柜的内嵌风道，通过回风管道和引风机将与电池模组进行过热交换的热风排出。

优选为：所述电池管理系统对储能系统中的不同位置处的电池单体及模组的电压、电流、温度、内阻及内部压力等信息进行监测，同时将监测到的数据信息进行处理，识别储能系统中电池运行状态；同时所述系统能够得到与电池运行状态相匹配的风量和冷却液流量数据。

优选为: 所述控制中心对电池管理系统反馈的运行异常状态的电池位置定位信号进行识别和处理，控制浸没冷却系统中管道阀门3的开闭，精准地将冷却液注入运行异常的电池模组；同时，对电池管理系统反馈的与电池运行状态相匹配的风量和冷却液流量数据进行处理，通过所述控制中心对空调送风系统的风量和浸没冷却系统的冷却液流量进行调控。

优选为：顶部储液箱1借助被动的重力排液，使得冷却液流入异常运行状态（温度过高）的电池模组内部，仅对该模组进行浸没冷却，当冷却液水位达到电池模组的溢流口时，冷却液从出液管道4流出，流入位于储能系统底部的冷凝器5，进行降温处理后进入底部储液箱6，并通过水泵7将冷却液重新送回顶部储液箱1，进行循环冷却。

优选为：在电池模组顶部设置有散热器15对其进行冷凝，为了避免冷却液在浸没过程中温度上升过快，蒸发导致大量气态冷却剂从出液管道4溢出；气态冷却剂经散热器15冷凝后，回流至电池模组。

优选为：电池机柜14布局的水平风道与垂直风道相结合的分层设计，实现空调到电池模组的精准送风。

优选为：浸没冷却液选择具有绝缘性、阻燃性、较好导热性和流动性的低沸点工质，包括但不限于氟化液FC-72、FC-3284、Novec7000、Novec7100、全氟己酮等。

优选为：位于系统顶部的送风机9将风沿着水平风道、垂直风道送入各层电池模组所在位置，引风机10也设置于系统顶部，使得电池机柜内部形成了由送风管道11和回风管道12形成的“U”型风道。

本发明还公开一种电池储能的热安全管理控制方法，包括上述的电池储能的热安全管理系统。

本发明还公开一种将上述一种电池储能的热安全管理系统及控制方法应用于集装箱或预制舱式电池储能系统中。

有益效果：

（1）单一风冷或单一浸没冷却的热管理方式，其换热能力受到技术方案的制约，如风冷其换热系数在20 W/(m²*K)到300 W/(m²*K)之间，浸没冷却其换热系数在200 W/(m²*K)到1000 W/(m²*K)之间，难以实现冷却能力的连续和跨量级调节。本发明结合风冷与浸没冷却循环系统，并根据电池运行状态采用分级热安全管理的方式能够精准控制储能系统的电池温度，在不同运行工况对储能系统的散热能力进行风冷→风冷+浸没→风冷+浸没+对流→风冷+浸没+对流+蒸发的分阶段调整，换热系数跨度从20 W/(m²*K)到15000 W/(m²*K)，能够保障储能系统的安全运行，减小事故发生的概率。

（2）相比于现有技术采用的全局浸没冷却以及局部浸没冷却方式，本发明将浸没冷却液储液箱装于舱体顶部，利用重力排液和冷却液循环系统结合实现针对模组和电池的局部浸没冷却，具有如下优点：

1)提高了对电池储能系统中对异常运行电池模组的精准化热管理能力，减少浸没冷却液存储量从而减轻了系统的质量提高了系统的紧凑性；

2)在保证轻量化的基础上，采用被动的重力排液方式能够提高系统运行和控制响应的可靠性，并减小能耗；

3)选取低沸点、具有绝缘性和阻燃性的液态冷却剂，除了提高散热能力以外，能够抑制热失控行为的发生，起到了阻隔热蔓延的作用，同时当冷却剂沸腾蒸发变为气态，排出至舱体内部后能够迅速降低舱体内的氧气含量，抑制火灾发生，提高运行安全，该设计无需复杂设备，系统结构简化；

4）装于顶部的浸没冷却液储水箱也可同灭火系统连接，共用浸没冷却液作为灭火剂，使系统结构简化；

5）相较于电池热失控后采用浸没冷却作消防用途，在电池管理系统监测到电池包运行异常时就及时启动该系统能够更及时更高效的抑制热失控的发生。

附图说明

图1 为本申请实施例1一种电池储能的热安全管理系统及控制方式的系统图，其中浸没冷却液在电池模组中进行循环冷却。

图2 集装箱式电池储能系统控制框图。

图3 为图1所示热安全管理系统中电池模组浸没冷却细节示意图（a）浸没冷却液在电池模组中循环冷却；（b）浸没冷却液在电池模组中不循环，灌满即止。

图4为本申请实施例2一种电池储能的热安全管理系统及控制方式，其中同层相邻两个电池模组共用同一个入水管道，且三通阀控制液体流向。

图5为本申请实施例3集装箱式储能系统浸没冷却热管理系统，其中浸没冷却液在电池模组中不循环。

1-顶部储液箱；2-入液管道；3-控制阀门（a-l）；4-出液管道；5-冷凝器；6-底部储液箱；7-水泵；8-回液管道；9-送风机；10-引风机；11-送风管道；12-回风管道；13-电池包；14-电池机柜；15-散热器（电池包顶部）；16-泄压阀；17-液位压力传感器；18-电池管理系统；19-三通阀。

具体实施方式

一种电池储能的热安全管理系统及控制方式，其特征为：用于热安全管理的循环冷却系统，包括用于对电池风冷的空调送风冷却系统、用于对电池液冷的浸没冷却系统，以及用于冷却工质蒸发后的蒸汽排出系统。通过上述循环冷却系统使电池或电池模组外表面的热量由冷却流体通过对流、传导及蒸发进行冷却，热能通过空气、冷却液循环或蒸发的方式传出。根据电池管理系统监测到的电池运行状态情况进行分级热安全管理，其特征为：当电池储能系统正常运行时，通过空调送风冷却系统以空冷的方式进行热管理，控制电池机组的运行温度；当电池管理系统监测到电池机组中某个电池模组运行状态出现异常时，将该电池模组的位置信息定位信号下发至控制中心，控制中心根据定位信号控制浸没冷却系统的注液通路的阀门开闭，利用被动重力排液，仅对运行异常电池及电池模组进行及时的精准化浸没冷却处理；当浸没冷却过程中电池温度仍上升明显时，浸没冷却液持续注入并从溢流口流出进入循环冷却系统；当电池模组温度进一步升高时，浸没冷却液出现蒸发现象，对电池模组进行蒸发冷却，冷却能力进一步提高；随着气态冷却剂增多，当电池模组内部压力达到泄压阀阈值时，泄压阀开启，气态冷却剂排出至舱体内部，降低舱内氧含量，提高运行安全。

实施例1

如图1所示，本申请实施例提供一种电池储能的热安全管理系统及控制方式的系统图。该热安全管理系统的功能主要通过循环冷却系统和分级热管理控制方式实现。电池储能系统中的电池管理系统内部集成电池采集管理单元，可以对不同区域位置电池处安装的温度传感器、电流电压测点、压力传感器等监测组件传输的实时信号数据（如电池的电压、电流、温度、内阻和压力等信息）进行采集并上传。通过CAN通信接口将以上信息传递给该系统的主控单元，进行实时数据与历史数据的对比分析处理，同时将在此单元进行参数识别，确定电池的运行状态，同时进行分级热安全管理运行策略的判断，并将指令传递给控制中心。其中电池采集管理单元以电池所在电池模组的位置坐标进行分类记录，如电压 U(A,B,C,D,t)=3.75V，表示第A行，第B列，第C层,第D块电池在t时刻的电压为3.75V，温度、电流和内阻等数据信息以此类推。

当监测到电池运行过程中的温度保持在15℃至35℃之间，电池模组间的温差＜5℃，且电压电流数据均在设定运行值范围内时，认为其处于正常运行状态，将电池的运行状态数据反馈至控制中心，由控制中心调控空调送风系统的运行。控制中心将根据电池储能系统的电池功率，调节空调送风系统运行时的空调功率，使得储能系统保持在适宜的运行温度范围内。

当监测到某电池运行过程中的温度长时间高于35℃，且逐渐升高，同时某电池模组间的温差明显增大，监测到电池电压出现急剧上升或下降等异常情况时，电池处于异常运行状态。电池管理系统将监测到的异常电池所在的电池模组的位置定位信号，即坐标(A,B,C)传输至控制中心，由控制中心控制开启该坐标对应匹配的管道阀门3的打开。例如，当监测到图中标注坐标（A,B,C）的电池模组出现异常时，控制中心控制浸没冷却系统启动，注液通路管道上的l,j,i阀门打开，使得顶部储液箱1进行重力排液，精准地对该异常电池模组进行浸没冷却。当浸没冷却过程中电池温度仍上升明显时，浸没冷却液持续注入并从溢流口流出进入循环冷却系统。

当电池的温度进一步升高时，冷却液达到沸点，沸腾蒸发上升，由上部散热器进行冷凝，回流入冷却液；但是当冷却液吸热量越来越大，电池内部的气态冷却剂越来越多，达到泄压阀的阈值时，开始泄压，内部气态冷却剂排入预制舱。该过程中将预制舱内的部分氧气挤出，降低了预制舱内的氧气含量，有利于保障运行安全。

该系统可以根据储能系统中电池的运行状态，采用分级热管理措施，特别地对运行异常的电池及电池模组进行重力排液的精准化的局部浸没冷却，快速高效的降低电池及电池模组的温度，同时起到抑制热失控、阻隔热蔓延的作用，配合空调风冷系统进行热管理，降低功耗，大大提升经济效益。

该系统主要包括：1-顶部储液箱 2-入液管道 3-控制阀门(a-l) 4-出液管道 5-冷凝器 ；6-底部储液箱 7-水泵 8-回液管道 9-送风机 10-引风机 11-送风管道 12-回风管道 13-电池包 14-电池机柜等。

在该实施例中，电池模组中水位达到溢流位置时，通过出液管道流入系统底部的冷凝器进行冷却后进入储能系统的底部储液箱，通过水泵重新送回顶部储液箱，以此循环冷却。由于储液箱的位置处在系统的顶部和底部，并未占用系统内部电池布置空间，一定程度上增大了系统的集成度和紧凑性，同时顶部储液箱依靠重力排液，大大减小能耗。

图3为精准化浸没冷却电池及电池模组的细节图。（a）为循环浸没冷却的示意图，正常运行状态下，将9-送风机送风通过11-送风管道和12-回风管道对电池进行冷却，该风道与电池排布的机柜集成，形成U型风冷回路，大大提高冷却效率；异常运行状态时，除了空调送风系统外，连通电池模组的3-控制阀门打开，冷却液从顶部储液箱沿管道流入电池及电池模组。随着注液过程的进行，液位上升，电池及电池模组浸没于冷却液中。当达到液位达到溢流口高度时，冷却液通过4出液管道流出，并经过5冷凝器，将吸收了电池热量的冷却液进行冷却，冷却后进入6底部储液箱，然后通过7水泵将冷却后的冷却液送回顶部储液箱，再次进行循环。

特别地，由于储能系统的冷却液大多选择氟化液、全氟己酮等具有低沸点，电气绝缘性、阻燃性、低粘度、稳定化学惰性的介质，将电池浸没在该类冷却液中能够起到抑制热失控的作用。同时，由于电池的浸没，使得电池及电池模组之间的热蔓延行为被阻隔，保障系统安全。除此之外，由于以上提及的冷却液的沸点较低，在大量吸收电池热量的同时，可能出现蒸发等现象，所以电池模组上部设置15散热器，当冷却液吸收热量过多蒸发时对其进行冷却，防止过多气体冷却剂进入出水管道，影响循环冷却性能。此外电池模组中设有16泄压阀，当出现冷却液蒸发现象加剧，内部压力过大的情况时，及时打开16泄压阀进行泄压，将气态冷却剂排至舱体内，舱体内的部分氧气被挤出，一定程度上降低了舱体内的氧气含量，极大的提高了安全性。

（b）为冷却液不循环的浸没冷却示意图。与（a）不同的是，当电池异常运行时，控制阀门3打开，开始注液过程，当电池模组中注满冷却液时，液位压力传感器17将信号传递给数据处理中心，随即通过控制中心将控制阀门3关闭。此运行模式下，冷却液在电池包中灌满即止，随后停机，进行抽液检修，必要时更换电池包。

实施例2

图4为图3（a）所示循环浸没冷却的实施例2，由图中可以看出，与实施例1不同，同一层相邻的两个电池模组共用一个入液管道和送风管道，控制阀门改用19三通阀，除此之外，运行原理及运行方式与实施例1相同。该实施例提供了一种不同管路和风道的布置方式，相较实施例1节省了部分管道布置空间，可提高系统的集成度。可以根据集装箱及预制舱式电池储能系统的实际运行需求进行选择，也可将实施例1和实施例2的管道布置配合使用。

实施例3

图4为图3（b）所示的不循环的浸没冷却系统的实施例3，由图中可以看出，与前两个实施例不同，该方案中没有冷却液的循环冷却回路，对异常运行的电池包进行精准化浸没冷却时，注满即止。该实施例提供了另一种运行方案，可根据实际系统需求进行选择。

本发明结合空调送风冷却系统、浸没冷却系统和蒸汽排出系统构成了一套循环冷却系统，实现了电池储能系统的分级热安全管理：当电池储能系统正常运行时，通过空调送风冷却系统以空冷的方式进行热管理，控制电池机组的运行温度；当电池管理系统监测到电池机组中某个电池模组运行状态出现异常时，将该电池模组的位置信息定位信号下发至控制中心，控制中心根据定位信号控制浸没冷却系统的注液通路的阀门开闭，利用被动重力排液，仅对运行异常电池及电池模组进行及时的精准化浸没冷却处理；当浸没冷却过程中电池温度仍上升明显时，浸没冷却液持续注入并从溢流口流出进入循环冷却系统；当电池模组温度进一步升高时，浸没冷却液出现蒸发现象，对电池模组进行蒸发冷却，冷却能力进一步提高；随着气态冷却剂增多，当电池模组内部压力达到泄压阀阈值时，气态冷却剂排出舱体，降低舱内氧含量，提高运行安全。从现有专利、产品的技术方案看，目前尚无类似的结构构成方案和分级控制策略方法。通过该发明的结构方案和分级控制策略解决并实现了：（1）根据电池运行状态，分阶段采用主被动结合的冷却方式对系统的热管理能力进行调节，使得换热能力具有连续和跨量级可调性；（2）充分利用重力、浸没、蒸发等被动控制，减少主动控制环节，提高系统运行和控制相应可靠性，减少能耗，同时保障系统安全运行，减小事故发生概率；（3）提高了对系统中运行异常电池模组进行精准化热管理的能力，减少浸没冷却液存储量，减轻系统质量，提高系统紧凑性；（4）系统结构简化的同时可以更及时高效地抑制热失控行为发生，具有阻隔热蔓延的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种电池储能的热安全管理系统，包括循环冷却系统、电池管理系统；其特征为：所述循环冷却系统包括用于对电池风冷的空调送风冷却系统、用于对电池液冷的浸没冷却系统以及用于冷却工质蒸发后的蒸汽排出系统；通过上述循环冷却系统使电池或电池模组外表面的热量由冷却流体通过对流、传导及蒸发进行冷却，热能通过空气、冷却液循环或蒸发的方式传出；所述电池管理系统对监测到的电池运行状态情况进行分级热安全管理。

2.根据权利要求1所述的一种电池储能的热安全管理系统，其特征为：所述分级热安全管理采用分级管理策略：当电池储能系统正常运行时，通过空调送风冷却系统以空冷的方式进行热管理，控制电池机组的运行温度；当电池管理系统监测到电池机组中某个电池模组运行状态出现异常时，将该电池模组的位置信息定位信号下发至控制中心，控制中心根据定位信号控制浸没冷却系统的注液通路的阀门开闭，利用被动重力排液，仅对运行异常电池及电池模组进行及时的精准化浸没冷却处理；当浸没冷却过程中电池温度仍上升明显时，浸没冷却液持续注入并从溢流口流出进入循环冷却系统；当电池模组温度进一步升高时，浸没冷却液出现蒸发现象，对电池模组进行蒸发冷却，冷却能力进一步提高；随着气态冷却剂增多，当电池模组内部压力达到泄压阀阈值时，气态冷却剂排出至舱体内部，降低舱内氧含量，提高运行安全。

3.根据权利要求1所述的一种电池储能的热安全管理系统，其特征为：所述浸没冷却系统借助被动的重力排液，实现仅对异常电池模组的局部浸没冷却处理；该浸没冷却系统包括顶部储液箱、入液管道、管道阀门、出液管道、冷凝器、底部储液箱、水泵、回液管道；其中，顶部储液箱内填充满冷却液，通过管道与浸没冷却系统和消防灭火系统相连接，当达到浸没冷却系统启动条件时，借助被动的重力排液，其底部与入液管道相连，入液管道上安装有多个管道阀门，通过控制中心控制管道阀门的开闭，入液管道中冷却液由电池模组的侧下部注入，电池模组的侧上部与出液管道相连，达到溢流口高度的冷却液由出液管道依次进入冷凝器、底部储液箱，并通过水泵将冷却液由回液管道送回至顶部储液箱，以此循环冷却。

4.根据权利要求1所述的一种电池储能的热安全管理系统，其特征为：所述空调送风冷却系统包括引风机、送风机、送风管道、回风管道，电池机柜；其中空调送风通过送风机经过送风管道将冷风送入电池机柜的内嵌风道，通过回风管道和引风机将与电池模组进行过热交换的热风排出，以此循环冷却。

5.根据权利要求2所述的一种电池储能的热安全管理系统，其特征为：所述冷却液为具有绝缘性、阻燃性、较好导热性和流动性的低沸点工质，包括但不限于氟化液FC-72、FC-3284、Novec7000、Novec7100、全氟己酮；采用该类冷却工质，除了具有较强的散热能力以外，由于其阻燃性，能够抑制热失控的发生，同时阻隔热蔓延。

6.根据权利要求1所述的一种电池储能的热安全管理系统，其特征为：所述蒸汽排出系统利用冷却液的低沸点，当浸没冷却系统启动后，电池温度仍进一步升高时，冷却液由于其低沸点，开始蒸发，当电池模组内压力达到泄压阀的启动阈值时，泄压阀打开，气态冷却剂排入舱体中，尽可能将舱体内部的氧气排出，降低氧气含量，提高安全性，直至压力达到正常阈值，泄压阀关闭。

7.根据权利要求1所述的一种电池储能的热安全管理系统，其特征为：在电池模组顶部设置有散热器，为了避免冷却液在浸没过程中温度上升过快，蒸发导致大量气态冷却剂从出液管道溢出；气态冷却剂经散热器冷凝后，回流至电池模组。

8.根据权利要求1所述的一种电池储能的热安全管理系统，其特征为：电池机柜布局为水平风道与垂直风道相结合的分层设计，实现空调到电池模组的精准送风。

9.电池储能的热安全管理控制方法，包括权利要求1-8任一所述的电池储能的热安全管理系统，其特征为：控制中心对电池管理系统反馈的电池运行状态进行处理，当电池运行正常时，控制调节空调送风冷却系统以实现风冷控温；当电池运行异常时，所述控制中心对电池管理系统反馈的运行异常状态的电池位置定位信号进行识别和处理，控制浸没冷却系统中管道阀门的开闭，精准地将冷却液注入运行异常的电池模组。

10.将权利要求1-8任一所述的一种电池储能的热安全管理系统应用于电池集装箱或预制舱式储能系统中。

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