CN114335820A - 一种铝空电源电解液变温运行系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝空电源电解液变温运行系统及运行方法，该系统包括：控制单元；温度检测单元，连接所述控制单元，用于检测环境温度和电解液温度；电解液低温加热单元，连接所述控制单元，用于当所述电解液的温度在电站运行的预设温度以下时，所述控制单元控制所述电解液低温加热单元对电解液进行加热；电解液热交换单元，连接所述控制单元，用于当所述电解液的温度在电站运行的预设温度以上时，所述控制单元控制所述电解液热交换单元对电解液进行冷却。本发明提出了一种铝空电源电解液变温运行策略并进行了相关系统设计，可以使铝空电源电解液在变温条件下也能保持在一定的温度范围内，保障铝空电源的正常运行。

Description

一种铝空电源电解液变温运行系统及运行方法

技术领域

本发明属于铝空电源技术领域，具体涉及一种铝空电源电解液变温运行系统及运行方法。

背景技术

铝空电源的电解液温度需要控制在合适的范围内，低温时，电解液无法可靠循环，影响电源的工作稳定性；高温时，电解液得不到及时通风散热，会使铝空电源温度过高或温度分布不均匀，最终将降低铝空电源的放电循环效率，影响铝空电源的功率和能量发挥。如若电解液的温度不能及时降低，还会导致更为严重的热失控，影响铝空电源的安全性与可靠性。

铝空电源作为一种备用电源，多应用于野外恶劣环境，昼夜温差大，且北方内陆地区的冬季和夏季温度变化更为剧烈，严重影响铝空电源使用的可靠性与安全性。

因此，如何将铝空电源的电解液温度控制在合适的范围内，成为了亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种铝空电源电解液变温运行系统及运行方法。

本发明的一个实施例提供了一种铝空电源电解液变温运行系统，

包括：

控制单元；

温度检测单元，连接所述控制单元，用于检测环境温度和电解液温度；

电解液低温加热单元，连接所述控制单元，用于当所述电解液的温度在电站运行的预设温度以下时，所述控制单元控制所述电解液低温加热单元对电解液进行加热；

电解液热交换单元，连接所述控制单元，用于当所述电解液的温度在电站运行的预设温度以上时，所述控制单元控制所述电解液热交换单元对电解液进行冷却。

在本发明的一个实施例中，所述温度检测单元包括：

环境温度检测模块，连接所述控制单元，用于检测所述环境温度；

电解液温度检测模块，连接所述控制单元，用于检测所述电解液温度。

在本发明的一个实施例中，所述电解液低温加热单元包括：

电加热棒，用于对所述电解液进行加热。

在本发明的一个实施例中，所述电解液热交换单元包括冷却水箱、离心泵、电解液热交换器、壳体热交换器和散热风机，其中，

冷却水箱，用于储存去离子水；

离心泵，连接所述冷却水箱，用于将所述冷却水箱中的去离子水输送至所述电解液热交换器；

电解液热交换器，连接所述冷却水箱，用于使所述电解液和所述去离子水完成热量交换；

壳体热交换器，连接所述电解液热交换器，用于接收所述电解液热交换器中经热量交换后的去离子水；

散热风机，用于将所产生的预设冷却风量送入至所述壳体热交换器，以降低所述壳体热交换器中的热量。

在本发明的一个实施例中，所述散热风机产生的预设冷却风量为：

当λ＜0.2时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.3-0.5倍，以提供预设冷却风量，当0.2≤λ＜0.4时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.6-0.8倍，以提供预设冷却风量，当0.4≤λ＜0.8时，所述散热风机全速运行，以提供预设冷却风量，当0.8≤λ时，使电源停止运行，其中，λ为过热系数。

在本发明的一个实施例中，所述过热系数的计算公式为：

λ＝(t-T)/(50-T)

其中，t为所述电解液的实时温度，T为所述电解液的最佳运行温度。

本发明的一个实施例还提供一种铝空电源电解液变温运行方法，利用上述任一项实施例所述的系统施行所述运行方法，所述运行方法包括以下步骤：

S1、对电站进行初始化，并对所述电站进行检测，以确定所述电站的正常运行；

S2、在电站启动和电站运行过程中，判断电解液的温度是否满足电站运行的预设温度，若不满足且所述电解液的温度在所述预设温度以下时，利用电解液低温加热单元对电解液进行加热，若不满足且所述电解液的温度在所述预设温度以上时，利用电解液热交换单元对所述电解液进行冷却；

S3、在电站结束运行时，对系统进行检测，以确定系统的最终状态。

在本发明的一个实施例中，利用电解液低温加热单元对电解液进行加热，包括：

储能电池释放的电能使电加热棒开始对电解液进行加热，当所述电解液的温度达到工作温度范围时，所述储能电池停止放电，所述电加热棒停止工作。

在本发明的一个实施例中，利用电解液热交换单元对所述电解液进行冷却，包括：

离心泵将冷却水箱中的去离子水输送至电解液热交换器，所述电解液热交换器使所述电解液和所述去离子水完成热量交换，所述壳体热交换器接收所述电解液热交换器中经热量交换后的去离子水，散热风机根据电解液的过热程度提供预设冷却风量至所述壳体热交换器，以降低所述壳体热交换器中的热量。

在本发明的一个实施例中，所述预设冷却风量的设定方法包括：

当λ＜0.2时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.3-0.5倍，以提供预设冷却风量，当0.2≤λ＜0.4时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.6-0.8倍，以提供预设冷却风量，当0.4≤λ＜0.8时，所述散热风机全速运行，以提供预设冷却风量，当0.8≤λ时，使电源停止运行，λ为过热系数，所述过热系数的计算公式为：

λ＝(t-T)/(50-T)

其中，t为所述电解液的实时温度，T为所述电解液的最佳运行温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提出了一种铝空电源电解液变温运行策略并进行了相关系统设计，可以使铝空电源电解液在变温条件下也能保持在一定的温度范围内，保障铝空电源的正常运行。

本发明进行了电解液加热和冷却系统设计，提高了铝空电源运行的安全性与可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种铝空电源电解液变温运行系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电解液热交换单元的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种壳体热交换器的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种铝空电源电解液变温运行方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

这里使用的术语仅为了描述具体实施例的目的，而不意图限制示例实施例。如这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一种”、“一个”、“该”、“所述”也意图包括复数形式。还将理解的是，如果在此使用术语“包含”和/或“包括”，则说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种铝空电源电解液变温运行系统的示意图。本发明实施例提供的一种铝空电源电解液变温运行系统，该铝空电源电解液变温运行系统包括：

控制单元；

温度检测单元，连接控制单元，用于检测环境温度和电解液温度；

电解液低温加热单元，连接控制单元，用于当电解液的温度在电站运行的预设温度以下时，控制单元控制电解液低温加热单元对电解液进行加热；

电解液热交换单元，连接控制单元，用于当电解液的温度在电站运行的预设温度以上时，所述控制单元控制所述电解液热交换单元对电解液进行冷却。

优选地，预设温度为-40～50℃。

在一个具体实施例中，温度检测单元主要包括环境温度检测模块和电解液温度检测模块，环境温度检测模块连接控制单元，环境温度检测模块用于检测环境温度；电解液温度检测模块连接控制单元，电解液温度检测模块用于检测电解液温度。

具体地，在电站启动时，环境温度检测模块对环境温度进行检测，判断环境温度是否满足电站启动条件，当不满足时进而发出相应报警信号并启动相应温度控制单元。电解液温度检测模块在电站运行全程进行电解液温度检测，根据电站运行状态发出相应的报警信号并做出相应控制。电解液温度检测模块比环境温度检测模块具有更高的优先级。

优选地，环境温度检测模块和电解液温度检测模块均为温度传感器。

在一个具体实施例中，电解液低温加热单元主要由电加热棒组成，该电加热棒的加热端设置在装有电解液的电解箱中，用于对电解液进行加热。当电解液的温度在电站运行的预设温度以下时，温度检测单元发出控制信号使该电解液低温加热单元工作，对电解液进行加热，使电站工作状态满足-40～50℃的正常范围。

一般地，电池低温启动的策略分为两个大的类别，分别为“保温”与“加热融冰”。

采用“保温”策略，一方面需要减少电堆与环境间的热交换，另一方面需要在停机以后向电堆补充热量以使电堆的温度维持在零度以上。“保温”策略对需要频繁启动且工作条件相对较好的电池比较适用，而“加热融冰”策略对需要满足更严苛工作条件的电池更为适用，可以减少不必要的能源消耗。

本实施例采用“加热融冰”策略，设计了一种用于低温环境的电解液低温加热单元。电站启动时首先进行环境温度和电解液温度检测，当检测到电解液的温度在电站运行的预设温度以下时，控制单元发出报警信号，6KW磷酸铁锂储能电池开始工作，6KW磷酸铁锂储能电池释放的电能使电加热棒开始对电堆电解液加热。当电解液的温度达到工作条件时，6KW磷酸铁锂储能电池停止放电，电加热棒停止工作，电站运行时一部分电量负责对储能电池进行充电，确保储能电池可以重复使用。

在一个具体实施例中，请参见图2，电解液热交换单元包括冷却水箱、离心泵、电解液热交换器、壳体热交换器，其中：

冷却水箱，用于储存去离子水；

离心泵，通过管路连接冷却水箱，离心泵用于将冷却水箱中的去离子水输送至电解液热交换器；

电解液热交换器，通过管路连接冷却水箱且电解液热交换器设置在电解液箱中，用于使电解液和去离子水完成热量交换；

壳体热交换器，通过管路连接电解液热交换器，用于接收电解液热交换器中经热量交换后的去离子水；

散热风机，用于将所产生的预设冷却风量送入至壳体热交换器，以降低壳体热交换器中的热量。

本实施例采用循环水冷却方式对大功率铝空电源进行降温冷却。首先以去离子水(不导电)作为冷却介质构成内循环，通过循环水泵强制水循环，将电堆内部电化学反应产生的热量带出，再通过热交换器来进一步完成冷却。

具体地，电解液热交换单元由电解液热交换器、壳体热交换器、散热风机、离心泵、冷却水箱等组成。当检测到电解液的温度在电站运行的预设温度以上时，控制单元控制循环水泵(即离心泵)带动冷却水箱内的去离子水进行内循环，将电堆内部电化学反应产生的热量送到壳体热交换器，壳体热交换器通过散热风机送入的预设冷却风量将热量带出。散热风机所提供的预设冷却风量可根据电解液的过热程度进行调节。

在本实施例中，当电解液的温度在电站运行的预设温度以上时，温度检测单元发出信号使该电解液热交换单元进行工作，对电解液进行冷却降温，以将电解液温度控制在30-50度范围内，铝空电源的电解液温度需要控制在合适的工作温度范围内，一般控制在30～50℃为宜，否则，其温度在高温下得不到及时散热，将会导致铝空电源温度过高或温度分布不均匀，最终将降低铝空电源放电效率，影响铝空电源的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响铝空电源的安全性与可靠性。一旦这些热量的产生和累积，最终可使单体反应温度达到90℃以上，甚至沸腾。

进一步地，电解液热交换器为循环水冷却，以去离子水构成内循环，使电解液和去离子水完成热量交换，电解液热交换器可以为冷却盘管，将冷却盘管布置在电解液箱中，通过管内的冷却水循环，将电解液降温，达到温控的目的，冷却盘管选为不锈钢管路，壳体热交换器为散热箱，具体结构如图3所示。

进一步地，散热风机产生的预设冷却风量为：

当λ＜0.2时，对电源进行1档降温，此时散热风机转速较慢，提供的冷却风量较少，具体地使散热风机的转速为最大转速的0.3-0.5倍，以提供预设冷却风量，当0.2≤λ＜0.4时，对电源进行2档降温，使散热风机的转速为最大转速的0.6-0.8倍，以提供预设冷却风量，当0.4≤λ＜0.8时，散热风机全速运行，以提供预设冷却风量，当0.8≤λ时，此时电解液热交换单元已无法对电解液进行有效降温，电源若继续运行可能引发严重后果，电气安全控制系统发出报警信号，中断电化学反应，并将电源上锁，使电源停止运行，待电解液冷却到安全状态时解除上锁，其中，λ为过热系数。

其中，过热系数的计算公式为：

λ＝(t-T)/(50-T)

其中，t为所述电解液的实时温度，T为所述电解液的最佳运行温度，最佳运行温度为30-50摄氏度，优选地为30摄氏度。

一般地，电站运行时允许电解液的最大温度为50℃。

电堆总辐射热Q_总所需的冷却风量V_冷，取决于电堆可允许的温度和环境温度的差值。设环境温度为25℃，而电堆内单体温度最高不能超过50℃，则温差为25℃。由Q_总＝cρV_冷Δt，可以计算出冷却风量V_冷，其中c为比热容(c＝1kJ/kg℃)，ρ为空气密度(设环境温度为25℃，300米海拔时，ρ＝1.07146kg/m³)，未知参数V_冷，Δt为温度的升高量(Δt＝25℃)，Q_总为电堆总辐射热，可根据铝空电源的电堆数目计算得出，根据此式可得到V_冷，即散热所需要的风量，然后可以根据散热风机规格计算风扇的最大转速。

本发明提出了一种铝空电源电解液变温运行系统，设计了电解液低温加热单元和电解液热交换单元对电解液的温度进行控制，可以有效保障铝空电源的正常运行。

本发明提出了一种铝空电源电解液变温运行系统，可以使铝空电源电解液在变温条件下也能保持在一定的温度范围内，保障铝空电源的正常运行，提高了铝空电源运行的安全性与可靠性。

实施例二

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种铝空电源电解液变温运行方法的流程示意图。本发明在实施例一的基础上提出了一种铝空电源电解液变温运行方法，该铝空电源电解液变温运行方法包括：

S1、对电站进行初始化，并对电站进行检测，以确定电站的正常运行。

具体地，首先对系统进行初始化和工作模式选择，进行系统自检。检验系统各个单元和模块是否处于正常待机状态，否则发出错误警报，直至各个单元和模块均处于正常待机状态，才启动电站。

S2、在电站启动和电站运行过程中，判断电解液的温度是否满足电站运行的预设温度，若不满足且电解液的温度在预设温度以下时，利用电解液低温加热单元对电解液进行加热，若不满足且电解液的温度在预设温度以上时，利用电解液热交换单元对所述电解液进行冷却。

也就是说，在启动电站时，首先对环境温度和电解液温度进行检测，判断电解液的温度是否适合电站正常运行。若温度过低，则电解液低温加热单元对电解液进行加热，若温度较高，则电解液热交换单元对电解液进行冷却。

然后，在电站运行全过程中，持续进行温度检测，根据电解液的温度及时发出报警信号并采取相应的策略对电源电解液的温度进行调整。

在一个具体实施例中，利用电解液低温加热单元对电解液进行加热，包括：

储能电池释放的电能使电加热棒开始对电解液进行加热，当电解液的温度达到工作温度范围时，储能电池停止放电，电加热棒停止工作。

在一个具体实施例中，利用电解液热交换单元对电解液进行冷却，包括：

离心泵将冷却水箱中的去离子水输送至电解液热交换器，电解液热交换器使电解液和去离子水完成热量交换，壳体热交换器接收电解液热交换器中经热量交换后的去离子水，散热风机根据电解液的过热程度提供预设冷却风量至壳体热交换器，以降低所述壳体热交换器中的热量。

在本实施例中，预设冷却风量的设定方法包括：

当λ＜0.2时，使散热风机的转速为最大转速的0.3-0.5倍，以提供预设冷却风量，当0.2≤λ＜0.4时，使散热风机的转速为最大转速的0.6-0.8倍，以提供预设冷却风量，当0.4≤λ＜0.8时，散热风机全速运行，以提供预设冷却风量，当0.8≤λ时，使电源停止运行，λ为过热系数，过热系数的计算公式为：

λ＝(t-T)/(50-T)

其中，t为电解液的实时温度，T为电解液的最佳运行温度。

S3、在电站结束运行时，对系统进行检测，以确定系统的最终状态。

具体地，在电站结束运行时，再次对电站进行自检，检测磷酸铁锂储能电池是否充满、电堆余量和其他单元和模块是否已经关闭。

本发明提出了一种铝空电源电解液变温运行方法，可以使铝空电源电解液在变温条件下也能保持在一定的温度范围内，保障铝空电源的正常运行，提高了铝空电源运行的安全性与可靠性。

本发明的方法通过对铝空电源的电解液温度、环境温度、电源运行状态等进行检测与控制，使铝空电源在恶劣温度下也能处于正常运行的状态，确保铝空电源的安全性与可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种铝空电源电解液变温运行系统，其特征在于，包括：

控制单元；

温度检测单元，连接所述控制单元，用于检测环境温度和电解液温度；

电解液低温加热单元，连接所述控制单元，用于当所述电解液的温度在电站运行的预设温度以下时，所述控制单元控制所述电解液低温加热单元对电解液进行加热；

电解液热交换单元，连接所述控制单元，用于当所述电解液的温度在电站运行的预设温度以上时，所述控制单元控制所述电解液热交换单元对电解液进行冷却。

2.如权利要求1所述的铝空电源电解液变温运行系统，其特征在于，所述温度检测单元包括：

环境温度检测模块，连接所述控制单元，用于检测所述环境温度；

电解液温度检测模块，连接所述控制单元，用于检测所述电解液温度。

3.如权利要求1所述的铝空电源电解液变温运行系统，其特征在于，所述电解液低温加热单元包括：

电加热棒，用于对所述电解液进行加热。

4.如权利要求1所述的铝空电源电解液变温运行系统，其特征在于，所述电解液热交换单元包括冷却水箱、离心泵、电解液热交换器、壳体热交换器和散热风机，其中，

冷却水箱，用于储存去离子水；

离心泵，连接所述冷却水箱，用于将所述冷却水箱中的去离子水输送至所述电解液热交换器；

电解液热交换器，连接所述冷却水箱，用于使所述电解液和所述去离子水完成热量交换；

壳体热交换器，连接所述电解液热交换器，用于接收所述电解液热交换器中经热量交换后的去离子水；

散热风机，用于将所产生的预设冷却风量送入至所述壳体热交换器，以降低所述壳体热交换器中的热量。

5.如权利要求4所述的铝空电源电解液变温运行系统，其特征在于，所述散热风机产生的预设冷却风量为：

当λ＜0.2时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.3-0.5倍，以提供预设冷却风量，当0.2≤λ＜0.4时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.6-0.8倍，以提供预设冷却风量，当0.4≤λ＜0.8时，所述散热风机全速运行，以提供预设冷却风量，当0.8≤λ时，使电源停止运行，其中，λ为过热系数。

6.如权利要求5所述的铝空电源电解液变温运行系统，其特征在于，所述过热系数的计算公式为：

λ＝(t-T)/(50-T)

其中，t为所述电解液的实时温度，T为所述电解液的最佳运行温度。

7.一种铝空电源电解液变温运行方法，其特征在于，利用权利要求1至6中任一项所述的系统施行所述运行方法，所述运行方法包括以下步骤：

S1、对电站进行初始化，并对所述电站进行检测，以确定所述电站的正常运行；

S2、在电站启动和电站运行过程中，判断电解液的温度是否满足电站运行的预设温度，若不满足且所述电解液的温度在所述预设温度以下时，利用电解液低温加热单元对电解液进行加热，若不满足且所述电解液的温度在所述预设温度以上时，利用电解液热交换单元对所述电解液进行冷却；

S3、在电站结束运行时，对系统进行检测，以确定系统的最终状态。

8.如权利要求7所述的铝空电源电解液变温运行方法，其特征在于，利用电解液低温加热单元对电解液进行加热，包括：

储能电池释放的电能使电加热棒开始对电解液进行加热，当所述电解液的温度达到工作温度范围时，所述储能电池停止放电，所述电加热棒停止工作。

9.如权利要求7所述的铝空电源电解液变温运行方法，其特征在于，利用电解液热交换单元对所述电解液进行冷却，包括：

离心泵将冷却水箱中的去离子水输送至电解液热交换器，所述电解液热交换器使所述电解液和所述去离子水完成热量交换，所述壳体热交换器接收所述电解液热交换器中经热量交换后的去离子水，散热风机根据电解液的过热程度提供预设冷却风量至所述壳体热交换器，以降低所述壳体热交换器中的热量。

10.如权利要求9所述的铝空电源电解液变温运行方法，其特征在于，所述预设冷却风量的设定方法包括：

当λ＜0.2时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.3-0.5倍，以提供预设冷却风量，当0.2≤λ＜0.4时，使所述散热风机的转速为最大转速的0.6-0.8倍，以提供预设冷却风量，当0.4≤λ＜0.8时，所述散热风机全速运行，以提供预设冷却风量，当0.8≤λ时，使电源停止运行，λ为过热系数，所述过热系数的计算公式为：

λ＝(t-T)/(50-T)

其中，t为所述电解液的实时温度，T为所述电解液的最佳运行温度。

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