CN117276757A - 一种储能电源液冷系统均温控制结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种储能电源液冷系统均温控制结构及其控制方法，其包括水冷机组；含多个储能器件的储能电源，各储能器件周边布设冷却管路，冷却管路的Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端分别设置进出水口，各进出水口分别通过换向阀与水冷机组的进水口及出水口连接，且各进出水口的储能器件上安装温度检测器；储能电源管理系统实时采集冷却管路Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端附近储能器件的温度数据，并将相关数据通过网络与水冷机组控制系统共享；热管理系统与水冷机组、换向阀连接，对储能器件温度数据进行实时计算，并根据得到的储能器件温度数据计算结果对水冷机组及换向阀进行实时控制。本发明能调节冷却管路中冷却介质的流向，使储能电源的不同位置都能实现均温。

Description

一种储能电源液冷系统均温控制结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及储能电源液冷系统，特别是一种储能电源液冷系统均温控制结构及其控制方法。
背景技术
储能电源(如：锂电池、超级电容、锂离子电容器和电池电容等)，由于其在工作过程中会产生大量的热，因此需要单独为其配置冷却系统。当前，普遍应用于储能电源的散热冷却方式主要有水冷和风冷两种，其中由于空气的比热容和导热系数都很低，因此风冷主要适用于产热率较低的应用场景，对于能量密度高、容量大以及充放电倍率较高的储能电源应用，则更多采用散热速率和效率更高的水冷。当前储能领域内，大多采用液冷介质直接或间接与储能器件接触散热，此散热方法主要存在如下问题：a)不同位置储能器件的散热效果与冷却介质流场分布直接相关；b)水冷介质流经路径越长，散热均匀性效果越差；c)水冷机组在均温模式下无法同时制冷。
因此有必要研究一种新型的储能电源液冷系统均温控制结构及控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有储能电源液冷系统不能对不同位置储能器件实现均温控制的不足，本发明提供一种能根据储能电源不同位置的温差，对液冷介质路径、流向和冷却模式进行实时调节，以降低不同位置储能电源的温差，提升了不同位置储能电源温度均匀性，延长储能系统整体全寿命周期时长，同时实现水冷机组全时间段制冷工作的储能电源液冷系统均温控制结构及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种储能电源液冷系统均温控制结构，其包括：
水冷机组，用于提供冷却介质；
储能电源，包括多个储能器件，各储能器件周边布设冷却管路，所述冷却管路的Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端分别设置进出水口，各进出水口分别通过换向阀与所述水冷机组的进水口及出水口连接，且各进出水口附近的储能器件上安装温度检测器，其中Ⅰ端为所述冷却管路的首端，Ⅱ端为所述冷却管路的尾端，Ⅲ端位于所述冷却管路的中部；
储能电源管理系统，用于实时采集冷却管路Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端附近储能器件的温度数据，并将相关数据通过网络与水冷机组控制系统共享；
热管理系统，与水冷机组、换向阀连接，用于对储能器件温度数据进行实时计算，并根据得到的储能器件温度数据计算结果对水冷机组及换向阀进行实时控制。
一具体实施例中，所述水冷机组包括顺序连接的换热器和水泵。
优选地，所述换向阀为三位四通电磁阀。
优选地，所述冷却管路集成在水冷板上。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种所述储能电源液冷系统均温控制结构的控制方法，如图1、图2所示，包括：
(1)当储能器件平均温度T0超过热管理系统启动温度阈值K0，水冷机组进入待机状态，同时对比冷却管路Ⅰ端、Ⅱ端附近的储能器件温度，选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口后，水冷机组进入工作模式；
(2)热管理系统实时对比Ⅰ端和Ⅱ端附近储能器件温度情况，当温差超过温升阶段系统允许最大温差值K1时，进入均温模式1：热管理系统通过换向阀调整冷却介质流向，使冷却介质反向流入冷却管路工作；
(3)进入均温模式1后，热管理系统实时对比Ⅰ端和Ⅱ端附近储能器件温度情况，当温差为0时，进入均温模式2：将Ⅰ端和Ⅱ端储能器件的平均温度与Ⅲ端的储能器件温度对比，a)当温差超过温度平衡时系统允许最大温差值K2，冷却介质从冷却管路Ⅲ端进入，同时从Ⅰ端和Ⅱ端流出，并回流至水冷机组，直至温差小于温度平衡时系统理想最大温差值K3，退出均温模式2，重新判断Ⅰ端和Ⅱ端储能器件温度情况，并选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口进行冷却作业；b)当温差小于温度平衡时系统允许最大温差值K2，退出均温模式2，重新判断Ⅰ端和Ⅱ端储能器件温度情况，并选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口进行冷却作业。
本发明储能电源液冷系统均温控制策略及方法的工作原理为：
(1)储能电源管理系统实时采集各储能器件温度信息，并将相关数据通过网络与热管理系统共享，热管理系统对储能器件温度数据进行实时计算和判断。
(2)当储能器件平均温度T0超过热管理系统启动温度阈值K0时，热管理系统进入待机状态，同时热管理系统通过对比水冷介质流场(冷却水管)两端的温度，选取温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口，以提升储能电源系统整体的温度均匀性。
(3)热管理系统启动后，实时对比冷却介质入口和出口储能电源的温度差，在温度差大于温升阶段系统允许最大温差值K1时，系统进入均温模式1：水冷机组制冷工作模式不变，逆转冷却介质流向以降低冷却介质入口和出口温差，提升整体温度均匀性。
(4)热管理系统进入均温模式1后，实时对比冷却介质入口和出口储能电源的温度差，在温度差为0时，系统进入均温模式2：对比冷却介质进口和中间位置储能电源温度差，a)当温度差大于温度平衡时系统允许最大温差值K2时，改变水路结构，采用中间(Ⅲ端)单进，两端(Ⅰ端和Ⅱ端)双出并汇总后回流至水冷机组，直至中间位置储能电源温度与两端平均温度差小于温度平衡时系统理想最大温差值K3时，退出均温模式2，热管理系统进入待机模式，重新开始新一轮热管理系统工作策略判断；b)当温度差小于温度平衡时系统允许最大温差值K2时，退出均温模式2，热管理系统持续判断水冷介质入口和出口位置储能器件温差，进入新一轮循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过对冷却介质入口、出口及中间位置储能器件温度的比对，对整个储能电源的水冷介质进行均温模式分级控制，解决了现有储能器件水冷系统不同位置储能器件与冷却介质流场分布差异导致的散热均匀性差的问题，同时实现了均温时水冷机组持续制冷为系统整体散热；
(2)本发明通过改变冷却介质水路流向和结构，实现了水冷机组全时间段制冷模式不停机的均温工作模式，在保证系统均温性能的同时提升了水冷机组整体冷却效果；
(3)本发明在扬程较长的水冷结构中，水路从两端单进单出且出现首末两端储能器件温差较大时，通过改变水冷介质流向，解决了冷却管路两端储能器件温差过大问题；
(4)本发明在扬程较长的水冷结构中，水路从两端单进单出且出现首末两端与中间位置储能器件温差较大时，通过改变水路结构，水路改为从中间单进两端双出的工作模式，解决了长水路中间位置储能器件与水路两端储能器件温差过大问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明储能电源液冷系统均温控制结构的原理框图。
图2为本发明储能电源液冷系统均温控制结构的控制策略图。
图3为本发明储能电源液冷系统均温控制结构一实施例的处于均温模式1的工作原理图一(冷却介质A端进B端出)。
图4为本发明储能电源液冷系统均温控制结构一实施例的处于均温模式1的工作原理图二(冷却介质B端进A端出)。
图5为本发明储能电源液冷系统均温控制结构一实施例的处于均温模式2(冷却介质C端进A、B端出)的工作原理图。
图6为本发明储能电源液冷系统均温控制结构一实施例的控制策略图。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
请参阅图1、图2，本发明储能电源液冷系统均温控制结构包括：
水冷机组，用于提供冷却介质；
储能电源，包括多个储能器件，各储能器件周边布设冷却管路，所述冷却管路的Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端分别设置进出水口，各进出水口分别通过换向阀(图中未示)与所述水冷机组的进水口及出水口连接，且各进出水口附近的储能器件上安装温度检测器(图中未示)，其中Ⅰ端为所述冷却管路的首端，Ⅱ端为所述冷却管路的尾端，Ⅲ端位于所述冷却管路的中部；
储能电源管理系统，用于实时采集冷却管路Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端附近储能器件的温度数据，并将相关数据通过网络与水冷机组控制系统共享；
热管理系统，与水冷机组、换向阀连接，用于对储能器件温度数据进行实时计算，并根据得到的储能器件温度数据计算结果对水冷机组及换向阀进行实时控制：
(1)当储能器件平均温度T0超过热管理系统启动温度阈值K0，水冷机组进入待机状态，同时对比冷却管路Ⅰ端、Ⅱ端附近的储能器件温度，选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口后，水冷机组进入工作模式；
(2)热管理系统实时对比Ⅰ端和Ⅱ端附近储能器件温度情况，当温差超过温升阶段系统允许最大温差值K1时，进入均温模式1：热管理系统通过换向阀调整冷却介质流向，使冷却介质反向流入冷却管路工作；
(3)进入均温模式1后，热管理系统实时对比Ⅰ端和Ⅱ端附近储能器件温度情况，当温差为0时，进入均温模式2：将Ⅰ端和Ⅱ端储能器件的平均温度与Ⅲ端的储能器件温度对比，a)当温差超过温度平衡时系统允许最大温差值K2，冷却介质从冷却管路Ⅲ端进入，同时从Ⅰ端和Ⅱ端流出，并回流至水冷机组，直至温差小于温度平衡时系统理想最大温差值K3，退出均温模式2，重新判断Ⅰ端和Ⅱ端储能器件温度情况，并选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口进行冷却作业；b)当温差小于温度平衡时系统允许最大温差值K2，退出均温模式2，重新判断Ⅰ端和Ⅱ端储能器件温度情况，并选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口进行冷却作业。
请参阅图3、图4、图5，在一具体实施例中，所述水冷机组包括顺序连接的换热器和水泵，所述换向阀为三位四通电磁阀，所述冷却管路集成在水冷板上，所述Ⅰ端为A端，所述Ⅱ端为B端，所述Ⅲ端为C端。
请参阅图3－图5，本发明储能电源液冷系统均温控制结构上述具体实施例的工作原理为：储能器件管理系统实时采集各储能器件温度信息，通过通信网络传递至热管理系统，热管理系统通过各储能器件平均温度T0、A点储能器件温度TⅠ、B点储能器件温度TⅡ和C点储能器件温度TⅢ实时调节冷却介质的流向实现均温，具体为：
(1)系统处于均温模式1时，通过调节换向阀控制冷却管路中冷却介质流向：a)请参图3，当四通阀1的1点、2点连通，3点、4点连通，四通阀2的1、4点连通，四通阀3的1点、2点连通，3点、4点连通时，冷却介质从冷却管路的A端进，B端出；b)请参图4，当四通阀1的1点、3点连通，2点、4点连通，四通阀2的1、4点连通，四通阀3的1点、2点连通，3点、4点连通时，冷却介质从冷却管路的B端进，A端出；
(2)系统处于均温模式2时，通过调节换向阀改变水冷板上冷却介质进出方式，当四通阀1的1点、3点连通，2点、4点连通，四通阀2的1、3点连通，四通阀3的1点、2点、4点连通时，冷却介质从冷却管路的C端进，A端、B端出。
请参阅图6，本发明储能电源液冷系统均温控制结构上述具体实施例的详细控制策略的主要控制逻辑如下：
1)系统启动阶段，判断储能器件平均温度T0是否＞35℃(热管理系统启动温度阈值K0示例)，若是，控制热管理系统进入待机模式；
2)热管理系统启动待机后，确定水路结构，判断A、B两端储能器件温差△T1，选择温度较高一侧的进出水口作为冷却介质入口；
3)持续判断A、B两端储能器件温差，当温差△T1＞8℃(温升阶段系统允许最大温差值K1示例)时，进入均温模式1，此时水路结构不变，通过调节水泵及换向阀逆转冷却介质流向，以降低A、B两端储能器件温差；
4)当A、B两端储能器件温差△T1为0时，判断A端储能器件和B端储能器件平均温度与C端温差△T2：
5)当温差△T2＞5℃(温度平衡时系统允许最大温差值K2示例)时，进入均温模式2，改变水路结构(冷却介质从C端单进，从A端和B端双出，汇总后回流至水冷机组)，以缩小温差，持续判断A端和B端平均温度与C端温差△T2，当温差△T2＜3℃(温度平衡时系统理想最大温差值K2示例)时，退出均温模式2，重新进入新一轮判断；
6)当温差＜5℃时，退出均温模式1，重新进入新一轮判断。
以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种储能电源液冷系统均温控制结构，其特征在于包括：
水冷机组，用于提供冷却介质；
储能电源，包括多个储能器件，各储能器件周边布设冷却管路，所述冷却管路的Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端分别设置进出水口，各进出水口分别通过换向阀与所述水冷机组的进水口及出水口连接，且各进出水口附近的储能器件上安装温度检测器，其中Ⅰ端为所述冷却管路的首端，Ⅱ端为所述冷却管路的尾端，Ⅲ端位于所述冷却管路的中部；
储能电源管理系统，用于实时采集冷却管路Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端附近储能器件的温度数据，并将相关数据通过网络与水冷机组控制系统共享；
热管理系统，与水冷机组、换向阀连接，用于对储能器件温度数据进行实时计算，并根据得到的储能器件温度数据计算结果对水冷机组及换向阀进行实时控制。
2.根据权利要求1所述的储能电源液冷系统均温控制结构，其特征在于，所述水冷机组包括顺序连接的换热器和水泵。
3.根据权利要求1所述的储能电源液冷系统均温控制结构，其特征在于，所述换向阀为三位四通电磁阀。
4.根据权利要求1所述的储能电源液冷系统均温控制结构，其特征在于，所述冷却管路集成在水冷板上。
5.一种权利要求1－4中任一项所述储能电源液冷系统均温控制结构的控制方法，其特征在于包括：
(1)当储能器件平均温度T0超过热管理系统启动温度阈值K0，水冷机组进入待机状态，同时对比冷却管路Ⅰ端、Ⅱ端附近的储能器件温度，选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口后，水冷机组进入工作模式；
(2)热管理系统实时对比Ⅰ端和Ⅱ端附近储能器件温度情况，当温差超过温升阶段系统允许最大温差值K1时，进入均温模式1：热管理系统通过换向阀调整冷却介质流向，使冷却介质反向流入冷却管路工作；
(3)进入均温模式1后，热管理系统实时对比Ⅰ端和Ⅱ端附近储能器件温度情况，当温差为0时，进入均温模式2：将Ⅰ端和Ⅱ端储能器件的平均温度与Ⅲ端的储能器件温度对比，a)当温差超过温度平衡时系统允许最大温差值K2，冷却介质从冷却管路Ⅲ端进入，同时从Ⅰ端和Ⅱ端流出，并回流至水冷机组，直至温差小于温度平衡时系统理想最大温差值K3，退出均温模式2，重新判断Ⅰ端和Ⅱ端储能器件温度情况，并选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口进行冷却作业；b)当温差小于温度平衡时系统允许最大温差值K2，退出均温模式2，重新判断Ⅰ端和Ⅱ端储能器件温度情况，并选择温度较高的一端作为冷却介质入口，另一端作为冷却介质出口进行冷却作业。
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