CN116231167B - 一种分布式液冷储能系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种分布式液冷储能系统，包括分为冷启动组和启动组的多个储能单元、均与每一个储能单元组成回路的冷却模组和加热模组、与多个储能单元组成电路的控制模组以及与控制模组电连接的冷启动电控模组，多个储能单元与控制模组的连接关系为并联，冷启动电控模组将冷启动组的直流输出转为交流输出并将交流输出输入至启动组。本申请公开的分布式液冷储能系统，可以在低温环境中使用电池自发热与放电过程产生的热量对电池进行加热，该过程不需要外部能量输入，在缩短反应时间的同时能够使电池在温度上升后再进行充放电，兼顾性能与经济性。

Description

一种分布式液冷储能系统

技术领域

本申请涉及绿色能源技术领域，尤其是涉及一种分布式液冷储能系统。

背景技术

新能源发电具备波动性较大、调节能力较差等特点，电力系统对于平滑输出、调峰调频等电力辅助服务的需求明显增长。随着新能源发电占比提升，电力能源结构将明显变化，储能需求加速释放。电化学储能储存的能量可以用做应急能源，也可以用于在电网负荷低的时候储能，在电网高负荷的时候输出能量，用于削峰填谷，减轻电网波动。配合太阳能发电、水利发电和风能发电等发电方式，有助于可以降低弃电率。

电化学储能在低温环境下的效率下降明显，因为低温下充电时，由于动力学条件变差，不仅仅会导致电池容量的下降，还会因为石墨嵌锂速度降低，而在负极表面析出金属锂，这些析出的金属锂还会直接影响电能存储量。

考虑到电化学储能的户外应用场景，低温环境下启动存在一定难度，如果仅使用小电流充电等待温度上升，那么势必会大幅度延长反应时间，导致应用场景受限，而大电流的起始充电又会直接影响电池的使用寿命，导致经济性下降。

发明内容

本申请提供一种分布式液冷储能系统，可以在低温环境中使用电池自发热与放电过程产生的热量对电池进行加热，该过程不需要外部能量输入，在缩短反应时间的同时能够使电池在温度上升后再进行充放电，兼顾性能与经济性。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

本申请提供了一种分布式液冷储能系统，包括：

多个储能单元，包括冷启动组和启动组；

冷却模组和加热模组，均与每一个储能单元组成回路：

控制模组，与多个储能单元组成电路，多个储能单元与控制模组的连接关系为并联；以及

冷启动电控模组，与控制模组电连接，配置为将冷启动组的直流输出转为交流输出并将交流输出输入至启动组；

其中，启动组的温度达到第二温度后，启动组的功率输出至加热模组，同时冷却模组启动，将启动组产生的热量与加热模组产生的热量输送至冷启动组。

在本申请的一种可能的实现方式中，加热模组满负荷运行时，启动组的多余输出功率输送至电网。

在本申请的一种可能的实现方式中，储能单元包括：

储能仓；

多个电池模组，顺序设在储能仓内；

温度调节管道，第一端伸入到储能仓内；

温度调节笼，与温度调节管道连接；

第一换向阀，与温度调节管道的第二端连接；以及

第二换向阀，与储能仓连接；

其中，第一换向阀和第二换向阀均与冷却模组和加热模组连接；

每一个温度调节笼内均存在一个电池模，温度调节笼的顶端或者底端为开放端。

在本申请的一种可能的实现方式中，温度调节笼包括：

笼体，与温度调节管道连接；

空腔，设在笼体内并与温度调节管道连通；以及

通孔，均布在笼体的内壁上并与空腔连通。

在本申请的一种可能的实现方式中，冷启动电控模组包括逆变器和连接电路，连接电路配置为将逆变器和冷启动组与启动组接入回路。

在本申请的一种可能的实现方式中，启动组的温度达到第二温度后，启动组的功率同时输出至冷启动电控模组；

冷启动电控模组对冷启动组进行预加热，冷启动组温度达到第一温度后，冷启动电控模组与冷启动组断开连接；

第一温度小于第二温度。

在本申请的一种可能的实现方式中，多个储能单元还包括使用组；

使用组的启动序列位于冷启动组和启动组的启动序列之后。

在本申请的一种可能的实现方式中，启动组的温度达到设定温度后，启动组的功率同时输出至冷启动电控模组；

冷启动电控模组对启动组进行预加热，冷启动组温度达到第一温度后，冷启动电控模组与冷启动组断开连接；

第一温度小于第二温度。

在本申请的一种可能的实现方式中，使用组启动时，冷启动电控模组对使用组进行预加热，使用组的温度达到第一温度后，转为由加热模组对使用组进行加热；

第一温度小于第二温度。

在本申请的一种可能的实现方式中，使用组的温度达到第二温度后，转入启动组。

附图说明

图1是本申请提供的一种储能单元和冷却模组与加热模组的连接性示意图。

图2是本申请提供的一种储能单元的分组示意图。

图3是本申请提供的一种使用冷启动组加热启动组的原理性示意图。

图4是本申请提供的一种对部分储能单元进行加热时冷却液的流动路径示意图。

图5是本申请提供的一种储能单元与控制模组的连接性示意图。

图6是本申请提供的一种启动组的功率输出示意图。

图7是本申请提供的一种不同加热方式的升温过程对比示意图。

图8是本申请提供的另一种使用冷启动组加热启动组的原理性示意图。

图9是本申请提供的一种储能单元内部的结构性示意图。

图10是本申请提供的一种温度调节笼的结构性示意图。

图11是本申请提供的一种冷启动电控模组的电路连接示意图。

图中，1、储能单元，2、冷却模组，3、加热模组，6、控制模组，7、冷启动电控模组，11、储能仓，12、电池模组，13、温度调节管道，14、温度调节笼，15、第一换向阀，16、第二换向阀，71、逆变器，72、连接电路，101、冷启动组，102、启动组，103、使用组，141、笼体，142、空腔，143、通孔。

具体实施方式

以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

本申请公开了一种分布式液冷储能系统，系统由储能单元1、冷却模组2、加热模组3、控制模组6和冷启动电控模组7等组成。在低温环境下，部分储能单元1可以进行自加热，温度上升后，该部分储能单元1驱动加热模组3对剩余储能单元1进行加热，同时将这部分储能单元1在放电过程中产生的热量输送至剩余储能单元1。

整个加热过程中本申请公开的分布式液冷储能系统不需要外部能量输入，储能单元1在温度上升后参与到充电或者放电过程，参与到电网的削峰填谷或者配套新能源发电的能量存储过程。

请参阅图1和图2，分布式液冷储能系统中储能单元1的数量为多个（图1中使用四个举例），这些储能单元1分为冷启动组101和启动组102。在初始阶段的升温过程，冷启动组101中储能单元1的直流输出经过冷启动电控模组7的转化后变为交流输出，如图3所示，图中箭头表示电流方向。

该交流输出给到启动组102中的储能单元1，启动组102中储能单元1开始升温。此处需要理解，储能单元1在低温环境下，内阻会增大，这也是电化学储能在低温环境下性能下降的主要原因。给储能单元1输入交流电时，交流电经过内阻很大的电芯，会使该储能单元1内部产生大量的热量，最终让储能单元1的温度升高。

还应理解，如果使用直流加热的方式，很容易让电池中的锂离子，在负极上还原过程中形成树枝状金属锂单质，也就是“锂枝晶”。“锂枝晶”生长到一定程度轻则影响电池容量，重则造成锂电池内部短路。

因此为了避免由于频繁的过电造成储能单元1中的电池负极出现锂枝晶的情况，本申请选择用交流电给电池组产生电流加热。因为需要喘息时间的电池负极，面对直流电恒定的输出，很容易到达极限，之后就容易出现“锂枝晶”，所以为了减弱这种“一成不变”，需要给负极一些喘息空间，而在单位时间内电流的大小和方向不断发生周期性变化的交流电就较为合适负责这项工作。

交流电并不像直流电一样一直保持恒定数值，它会一直保持正值-0-负值-0-正值的周期性变化，也正是因为交流电这种非恒定的特性，能够让电池负极减少负担，从而减轻产生锂枝晶的几率。

请参阅图4，图中的箭头表示冷却液的流动方向，启动组102的温度达到第二温度后，启动组102的功率输出至加热模组3，加热模组3开始对管路中的冷却液进行加热，并同时将高温度的冷却液输送至冷启动组101。

此时的启动组102处于放电状态，同样会产生热量，这部分热量同样通过冷却模组2送至冷启动组101，冷启动组101的温度开始上升。冷启动组101的温度达到第二温度后，储能单元1由低温状态转为常温状态。

至此加热模组3停止运行，冷却模组2开始对全部的储能单元1进行温度管理。因为在该阶段，储能单元1不论是处于充电状态还是放电状态，均会产生热量，这些热量需要通过冷却模组2进行转移，使全部的储能单元1的温度在要求范围内波动。

请参阅图5，冷却模组2和加热模组3均与每一个储能单元1组成回路，用以对每一个储能单元1进行单独的加热和降温处理。控制模组6与多个储能单元1组成电路，这些储能单元1与控制模组6的连接关系为并联。

图5中箭头表示储能单元1向电网输送电能时的电流方向。此处储能单元1输出直流电，经过控制模组6的直流转交流后输送至电网。当然，电网向储能单元1输送电能时，电网输出的交流电会经过控制模组6的交流转直流后输送至储能单元1。

在一些例子中，控制模组6由PCS变流器系统、能量管理系统及监控系统等组成，PCS变流器系统可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。

PCS变流器系统通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS变流器系统还可以通过 CAN 接口与 BMS 通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

能量管理系统主要实现能量的安全优化调度。监控系统负责收集综合数据（功率数据、充放电量数据、节能减排数据）、当前运行模式（峰谷模式、计划曲线、平滑出力、最大出力）、电量与收益等实时数据，同时将数据发送至云端，供用户查看。

在前述启动过程中，启动组102的输出功率可能大于加热模组3的最大功率，此时这部分多余的输出功率会输出至电网，这部分输出至电网的功率由电网进行调节。此处不对启动组102的输出功率进行限制的原因是需要使用启动组102产生的热量来对冷启动组101进行加热。

请参阅图6，在一些例子中，启动组102的温度达到第二温度后，开始转为功率输出状态，此时启动组102的功率输出分为两个部分，第一个部分的功率输出至加热模组3，第二部分的功率输出至冷启动电控模组7。

冷启动电控模组7对冷启动组101进行预加热，冷启动组101温度达到第一温度后，冷启动电控模组7与冷启动组101断开连接，此处的第一温度小于第二温度。

请参阅图7，使用冷启动电控模组7对冷启动组101进行预加热可以使冷启动组101的内部温度升高，相比于直接使用加热模组3的外部温度升高方式，这种组合的升温方式可以缩短冷启动组101的升温时间。

在一些例子中，请参阅图8，对于储能单元1的划分，采用冷启动组101、启动组102和使用组103的划分方式，这种划分方式增加了使用组103，使用组103不参与初期的交流电加热升温过程，也就是使用组103的启动序列位于冷启动组101和启动组102的启动序列之后。

这种方式限制了冷启动组101和启动组102的数量。举例说明，此处假设储能单元1的数量为八个，冷启动组101中储能单元1的数量为一个，启动组102中储能单元1的数量为一个，冷启动组101与启动组102启动完成后，能够产生热量和功率输出的储能单元1为两个。此时可以以这两个储能单元1为基础去启动使用组103中的储能单元1。四个储能单元1启动后，这四个储能单元1还可以作为基础去启动剩余的四个储能单元1。

相比于冷启动组101中储能单元1的数量为五个，启动组102中储能单元1的数量为五个这种方式，增加使用组103可以控制启动组102中储能单元1的数量，限制参与初始阶段交流升温的储能单元1数量。

这种方式有助于延长储能单元1的使用寿命。

同时这种方式还能够根据启动时间要求来调整冷启动组101、启动组102和使用组103中储能单元1的数量。因为根据前述内容可以推导出，冷启动组101和启动组102中的储能单元1的数量越多，本申请公开的分布式液冷储能系统的启动时间就越短。

在不同的场景中，就可以根据要求启动时间来调整冷启动组101和启动组102中的储能单元1的数量。例如在计划场景中，可以通过减少冷启动组101和启动组102中的储能单元1数量的方式来延长启动时间；在突发的削峰填谷场景中，可以通过增加冷启动组101和启动组102中的储能单元1数量的方式来缩短启动时间，甚至取消使用组103。

在使用组103的情况下，启动组102的温度达到第二温度后，开始转为功率输出状态，此时启动组102的功率输出分为两个部分，第一个部分的功率输出至加热模组3，第二部分的功率输出至冷启动电控模组7，参考图7，

冷启动电控模组7对冷启动组101进行预加热，冷启动组101温度达到第一温度后，冷启动电控模组7与冷启动组101断开连接，此处的第一温度小于第二温度。

进一步地，使用组103启动时，冷启动电控模组7对使用组103进行预加热，使用组103的温度达到第一温度后，转为由加热模组3对使用组103进行加热。

使用冷启动电控模组7对使用组103进行预加热可以使使用组103的内部温度升高，相比于直接使用加热模组3的外部温度升高方式，这种组合的升温方式可以缩短使用组103的升温时间。

请参阅图7，当使用组103的温度达到第二温度后，转入启动组102并参与到对剩余使用组103中的储能单元1升温过程。这种方式可以将启动完成的储能单元1产生的热量集中起来对剩余储能单元1进行升温，相比于将热量分散的启动方式，热量集中启动方式的启动速度更快。

请参阅图9，储能单元1由储能仓11、电池模组12、温度调节管道13、温度调节笼14、第一换向阀15和第二换向阀16等组成，电池模组12的数量为多个，这些电池模组12顺序安装在储能仓11内。

温度调节管道13的第一端伸入到储能仓11内，第二端位于储能仓11外。温度调节管道13的第二端上安装有一个第一换向阀15，第一换向阀15与冷却模组2和加热模组3连接，用于切换流入到储能仓11内的冷却液（冷却模组2产生低温冷却液，加热模组3产生高温冷却液）。

第二换向阀16与储能仓11、冷却模组2和加热模组3连接，用于组成回路，使冷却液在回路中循环流动。

储能仓11内还安装有多个温度调节笼14，温度调节笼14与温度调节管道13连接，并且每一个温度调节笼14内均存在一个电池模组12。也就是电池模组12与温度调节笼14一一对应，这种布置方式可以使储能仓11内每一个电池模组12周围的冷却液温度趋于一致，从而实现对储能仓11内多个电池模组12的小幅度温差控制。

应理解，如果直接将冷却液送入到储能仓11内，会导致冷却液的分布均匀，当储能仓11内的电池模组12处于工作状态时，电池模组12间的温度差值会比较大，这样会导致部分电池模组12长期处于高温下工作。

随着使用时间的增加，储能仓11内多个电池模组12的一致性差异会更加明显，电池模组12的寿命与容量估计也会愈发困难。使用温度调节笼14对冷却液进行引导后，可以使输送至每一个电池模组12处的冷却液温度趋于一致。

同时由于温度调节笼14的隔离，从其他温度调节笼14中流出的冷却液也不会与剩余温度调节笼14内的电池模组12接触，这种方式可以将一个储能仓11内多个电池模组12的温度控制在小范围内，有助于提高多个电池模组12的一致性。

温度调节笼14的顶端或者底端为开放端。

在一些例子中，请参阅图10，温度调节笼14由笼体141、空腔142和通孔143组成，空腔142设在笼体141内并与温度调节管道13连通，通孔143均布在笼体141的内壁上并与空腔142连通。

从温度调节管道13流出的冷却液首先流入到空腔142内，然后再通过通孔143流出，对于冷却液的流速控制，可以使用调整通孔143直径的方式实现。

在一些例子中，请参阅图11，冷启动电控模组7包括逆变器71和连接电路72两部分，连接电路72配置为将逆变器71和冷启动组101与启动组102接入回路。图11中的电路连接电路72，由开关和连接电线组成。

还需要说明的是，冷却模组2、加热模组3和冷启动电控模组7的控制权限可以单独使用控制器进行控制，例如可编程逻辑控制器，也可以全部集成至控制模组6。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式液冷储能系统，其特征在于，包括：

多个储能单元（1），包括冷启动组（101）和启动组（102）；

冷却模组（2）和加热模组（3），均与每一个储能单元（1）组成回路：

控制模组（6），与多个储能单元（1）组成电路，多个储能单元（1）与控制模组（6）的连接关系为并联；以及

冷启动电控模组（7），与控制模组（6）电连接，配置为将冷启动组（101）的直流输出转为交流输出并将交流输出输入至启动组（102）；

其中，启动组（102）的温度达到第二温度后，启动组（102）的功率输出至加热模组（3），同时冷却模组（2）启动，将启动组（102）产生的热量与加热模组（3）产生的热量输送至冷启动组（101）。

2.根据权利要求1所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，加热模组（3）满负荷运行时，启动组（102）的多余输出功率输送至电网。

3.据权利要求1或2所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，储能单元（1）包括：

储能仓（11）；

多个电池模组（12），顺序设在储能仓（11）内；

温度调节管道（13），第一端伸入到储能仓（11）内；

温度调节笼（14），与温度调节管道（13）连接；

第一换向阀（15），与温度调节管道（13）的第二端连接；以及

第二换向阀（16），与储能仓（11）连接；

其中，第一换向阀（15）和第二换向阀（16）均与冷却模组（2）和加热模组（3）连接；

每一个温度调节笼（14）内均存在一个电池模组（12），温度调节笼（14）的顶端或者底端为开放端。

4.根据权利要求3所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，温度调节笼（14）包括：

笼体（141），与温度调节管道（13）连接；

空腔（142），设在笼体（141）内并与温度调节管道（13）连通；以及

通孔（143），均布在笼体（141）的内壁上并与空腔（142）连通。

5.根据权利要求1所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，冷启动电控模组（7）包括逆变器（71）和连接电路（72），连接电路（72）配置为将逆变器（71）和冷启动组（101）与启动组（102）接入回路。

6.根据权利要求1所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，启动组（102）的温度达到第二温度后，启动组（102）的功率同时输出至冷启动电控模组（7）；

冷启动电控模组（7）对冷启动组（101）进行预加热，冷启动组（101）温度达到第一温度后，冷启动电控模组（7）与冷启动组（101）断开连接；

第一温度小于第二温度。

7.根据权利要求1所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，多个储能单元（1）还包括使用组（103）；

使用组（103）的启动序列位于冷启动组（101）和启动组（102）的启动序列之后。

8.根据权利要求7所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，启动组（102）的温度达到设定温度后，启动组（102）的功率同时输出至冷启动电控模组（7）；

冷启动电控模组（7）对启动组（102）进行预加热，冷启动组（101）温度达到第一温度后，冷启动电控模组（7）与冷启动组（101）断开连接；

第一温度小于第二温度。

9.根据权利要求8所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，使用组（103）启动时，冷启动电控模组（7）对使用组（103）进行预加热，使用组（103）的温度达到第一温度后，转为由加热模组（3）对使用组（103）进行加热；

第一温度小于第二温度。

10.根据权利要求9所述的分布式液冷储能系统，其特征在于，使用组（103）的温度达到第二温度后，转入启动组（102）。