CN118281434A - 储能系统的热管理装置及其方法、控制器和储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种储能系统的热管理装置及其方法、控制器和储能系统，该储能系统的热管理装置，包括由冷却支路、第一换热支路、第二换热支路和第三换热支路共同构成的换热回路，以及用于调控工作液在换热回路中流向的调节机构；冷却支路用于对工作液进行温度调节，第一换热支路用于对电池模块进行温度调节，第二换热支路用于对高压模块进行温度调节，第三换热支路用于对变流器模块进行温度调节；换热回路具有散热模式和余热回收模式在余热回收模式下，第二换热支路和第三换热支路通过调节机构并联后，再与第一换热支路串联。本发明的储能系统的热管理装置，能够实现系统废热的回收及利用，利于提高系统整体的温度调节效率及降低能耗。

Description

储能系统的热管理装置及其方法、控制器和储能系统
技术领域
本发明涉及技术领域，特别涉及一种储能系统的热管理装置，同时，本发明还涉及一种控制该储能系统的热管理装置的热管理方法，和执行该储能系统的热管理方法的控制器，以及应用有该储能系统的热管理方法的储能系统。
背景技术
储能系统是由电池系统(电池簇)、热管理系统、电气系统，以及控制系统等有序组合一起，受策略控制而运行。根据热管理工质的不同，储能系统主要分为风冷储能系统和液冷储能系统。风冷储能系统具有结构简单、易维护、成本低等优点，但是散热效率及均温性较差，且需要较大的风道空间，适合功率密度较小，产热率较低的场合。液冷储能系统的散热效率、均温性好，且结构紧凑能量密度高，适合能量密度高、充放电倍率高及环境温度变化大等场合。
液冷储能系统的制冷源头主要来源于水机，然后通过冷却系统将冷源运输到各个发热部件，从而保证整个储能系统的充放电能量效率及循环寿命。储能系统里最主要的发热部件有电池、PCS和高压箱，然而，目前行业内液冷集装箱的热管理系统，主要对电池进行液冷，PCS和高压箱还是保持风冷。同时，电池加热需要额外配备高功率的加热器，成本高、能耗大。对于已经有制冷源水机来说，这样半液冷半风冷的热管理系统虽然也可以起到散热效果，但是不够高效和经济。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种储能系统的热管理装置，以利于提高系统整体的温度调节效率及降低能耗。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种储能系统的热管理装置，包括由冷却支路、第一换热支路、第二换热支路和第三换热支路共同构成的换热回路，以及用于调控所述工作液在所述换热回路中流向的调节机构；
所述冷却支路用于对所述工作液进行温度调节，所述第一换热支路用于对电池模块进行温度调节，所述第二换热支路用于对高压模块进行温度调节，所述第三换热支路用于对所述变流器模块进行温度调节；
所述换热回路具有散热模式和余热回收模式，在所述散热模式下，所述第一换热支路、所述第二换热支路和所述第三换热支路通过所述调节机构并联后，再与所述散热支路串联；
在所述余热回收模式下，所述第二换热支路和所述第三换热支路通过所述调节机构并联后，再与所述第一换热支路串联。
进一步的，所述冷却支路包括并联的散热子支路和制冷子支路，所述散热模式包括主动散热模式和被动散热模式；所述主动散热模式下，所述第一换热支路和所述制冷子支路串联，所述第二换热支路和所述第三换热支路并联后与所述散热子支路串联；所述被动散热模式下，所述第一换热支路和所述第二换热支路先串联后，再与所述第三换热支路以并联形式与所述散热子支路串联。
进一步的，所述调节机构包括第一调节部件和第二调节部件；所述第一换热支路、所述第二换热支路、所述第三换热支路、所述散热子支路和所述制冷子支路中的第一进出液口均通过所述第一调节部件相连，所述第一换热支路、所述第二换热支路、所述第三换热支路、所述散热子支路和所述制冷子支路中的第二进出液口均通过所述第二调节部件相连。
进一步的，所述第一调节部件采用五通阀，所述第二调节部件包括第一三通接头、第二三通接头和三通阀；所述散热子支路的第二进出液口和所述制冷子支路的第二进出液口通过所述第一三通接头相连，所述第一换热支路的第二进出液口通过所述第二三通接头与所述第一三通接头、所述三通阀相连，且所述第二换热支路的第二进出液口和所述第三换热支路的第二进出液口分别连通所述三通阀。
进一步的，所述散热子支路上串联有散热器，所述制冷子支路上串联有制冷水机，所述第一换热支路上串联有用于与所述电池模块进行热交换的第一换热件，所述第二换热支路上串联有用于与所述高压模块进行热交换的第二换热件，所述第三换热支路上串联有用于与所述变流器模块进行热交换的第三换热件。
进一步的，所述散热器和所述第一调节部件之间串联有第一泵送单元，所述第一换热件与所述第二三通接头之间串联有第二泵送单元。
进一步的，所述散热器与所述第一三通接头之间串联有储液箱。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明所述的储能系统的热管理装置，可在散热模式下通过液冷的方式对电池模块、高压模块和变流器模块进行温度调节，利于提升温度调节效率，同时，也能够在余热回收模式下，将高压模块和变流器模块处的废热进行回收及利用，反向输送给电池模块，代替了传统液冷储能系统中对电池模块制热需要额外配备加热器，再利用耗电量转化成为热量给电池模块制热的设计，利于提高系统整体的温度调节效率及降低能耗。
此外，本发明的另一目的在于提出一种储能系统的热管理方法，采用如上所述的储能系统的热管理装置，包括以下步骤：
获取所述电池模块、所述高压模块和所述变流器模块的温度信息，并根据所述温度信息制定控制策略；
依据所述控制策略控制所述换热回路进入散热模式或余热回收模式；
其中，所述散热模式下，通过所述散热支路对所述第一换热支路、所述第二换热支路和所述第三换热支路中的所述工作液进行降温；所述余热回收模式下，将所述第二换热支路和所述第三换热支路中所述工作液的热量输送至所述第一换热支路中。
同时，本发明的再一目的在于提出一种控制器，包括存储器和处理器；
所述存储器内存储有程序指令，所述处理器调用所述存储器内的程序指令以执行上述的储能系统的热管理方法。
另外，本发明的又一目的在于提出一种储能系统，包括电池模块、高压模块、变流器模块、换热回路和控制器；
所述换热回路用于调节所述电池模块、所述高压模块和所述变流器模块的温度，所述控制器用于执行上述的储能系统的热管理方法。
本发明所述的储能系统及其热管理方法和控制器，相较于传统技术与上述储能系统的热管理装置具有相同的有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的储能系统的热管理装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例所述的换热回路处于主动散热模式时工作液的流向示意图；
图3为本发明实施例所述的换热回路处于被动散热模式时工作液的流向示意图；
图4为本发明实施例所述的换热回路处于余热回收模式时工作液的流向示意图；
附图标记说明：
11、冷却支路；111、散热子支路；1111、散热器；1112、第一泵送单元；1113、储液箱；112、制冷子支路；1121、制冷水机；
12、第一换热支路；121、第一换热件；122、第二泵送单元；
13、第二换热支路；131、第二换热件；
14、第三换热支路；141、第三换热件；
15、第一调节部件；16、第二调节部件；161、第一三通接头；162、第二三通接头；163、三通阀；
21、电池模块；22、高压模块；23、变流器模块。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
此外，在本发明的描述中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”“连接件”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明涉及一种储能系统的热管理装置，能够实现系统废热的回收及利用，进而利于提高系统整体的能效比，由此利于提升储能系统市场竞争力。
整体结构上，如图1至图4所示，本实施例的储能系统的热管理装置，包括由冷却支路11、第一换热支路12、第二换热支路13和第三换热支路14共同构成的换热回路，以及用于调控工作液在换热回路中流向的调节机构。
其中，冷却支路11用于对工作液进行温度调节，第一换热支路12用于对电池模块21进行温度调节，第二换热支路13用于对高压模块22进行温度调节，第三换热支路14用于对变流器模块23进行温度调节。
并且，换热回路具有散热模式和余热回收模式，在散热模式下，第一换热支路12、第二换热支路13和第三换热支路14通过调节机构并联后，再与散热支路串联。在余热回收模式下，第二换热支路13和第三换热支路14通过调节机构并联后，再与第一换热支路12串联。
值得提及的是，本实施例储能系统中未提及的相关结构部分，均可参照本领域技术人员所熟知的储能系统或储能集装箱等产品的各结构，例如电池模块21即为电池箱或电池簇，高压模块22即为高压箱(BMU)或高压柜，变流器模块23即为储能变流器(PCS)等。
本实施例的工作液可采用本领域技术人员所熟知的水或制动液等常用液体。同时，本实施例的各支路均可理解为由管路及串联在管路上的功能部件构成，例如第一换热支路12由第一换热管路及串联在第一换热管路上的第一换热件121(下文述及)构成，冷却支路11由冷却管路及串联在冷却管路上的储能系统的空调子系统(包括制冷水机1121及散热器1111等)构成等。
再者需提及的是，传统的储能系统中，变流器模块23和高压模块22的制冷均采用风冷，电池模块21制热则采用额外配备的辅助加热器(PTC)，其局限性比较明显，例如(1)风冷制冷能力较低，需要额外配备风扇，性能低成本高；(2)对于发热较大的PCS，当环境温度高于35℃时，容易限额保护；(3)、为满足低温下给电池模块21加热，需要额外配备高功率的水冷PTC；(4)水冷PTC能耗高，成本高，制热功率有限，最高15kw；(5)水冷PTC给电池模块21加热，温升速度很慢，约0.5℃/hr等。
而本发明正是基于换热回路的构建，既实现了对电池模块21、高压模块22与变流器模块23等发热部件的液冷设计，提升了散热效率，又能够将高压模块22与变流器模块23处的废热回收，并重新输送至第一换热支路12中对电池模块21进行加热，从而解决了传统储能系统中温度调节效率低、电池模块21加热效果差及温度保护限额低等问题。
基于如上整体介绍，具体来讲，本发明中，作为一种优选的实施形式，如图2及图3所示，冷却支路11包括并联的散热子支路111和制冷子支路112，散热模式包括主动散热模式和被动散热模式。
主动散热模式下，第一换热支路12和制冷子支路112串联，第二换热支路13和第三换热支路14并联后与散热子支路111串联。该模式更适用于夏季环境温度较高的工况下。
其次，被动散热模式下，第一换热支路12和第二换热支路13先串联后，再与第三换热支路14以并联形式与散热子支路111串联。该模式更适用于春秋季环境工况，且与空调子系统的强冷模式配合，以及在冬季独立运行。
仍参照图1所示，本发明中，作为一种优选的实施形式，调节机构包括第一调节部件15和第二调节部件16。
其中，第一换热支路12、第二换热支路13、第三换热支路14、散热子支路111和制冷子支路112中的第一进出液口均通过第一调节部件15相连，第一换热支路12、第二换热支路13、第三换热支路14、散热子支路111和制冷子支路112中的第二进出液口均通过第二调节部件16相连。
具体实施时，作为一种优选的实施形式，本发明中，第一调节部件15采用五通阀，第二调节部件16包括第一三通接头161、第二三通接头162和三通阀163。
散热子支路111的第二进出液口和制冷子支路112的第二进出液口通过第一三通接头161相连，第一换热支路12的第二进出液口通过第二三通接头162与第一三通接头161、三通阀163相连，且第二换热支路13的第二进出液口和第三换热支路14的第二进出液口分别连通三通阀163。
此处的第一三通接头161和第二三通接头162即可采用本领域技术人员所熟知的三通管接头，同时必要时两者也可采用三通阀163，且三通阀163可具体为电磁三通阀163，以利于实现远程控制。
此外，本发明中，作为一种优选的实施形式，散热子支路111上串联有散热器1111，制冷子支路112上串联有制冷水机1121，第一换热支路12上串联有用于与电池模块21进行热交换的第一换热件121，第二换热支路13上串联有用于与高压模块22进行热交换的第二换热件131，第三换热支路14上串联有用于与变流器模块23进行热交换的第三换热件141。
需注意的是，此处的制冷水机1121和散热器1111即可指上述的空调子系统中的制冷水机1121和散热器1111外，也可单独设置，具体来说，制冷子支路112具体与制冷水机1121通过板式换热器进行热交换。而且，第一换热件121、第二换热件131和第三换热件141可采用本领域技术人员所熟知的换热部件，例如第一换热件121采用冷板。
并且，本发明中，作为一种优选的实施形式，散热器1111和第一调节部件15之间串联有第一泵送单元1112，第一换热件121与第二三通接头162之间串联有第二泵送单元122。第一泵送单元1112和第二泵送单元122的设置，利于确保整体的液冷效率(也即温度调节效率)。
上述第一泵送单元1112和第二泵送单元122可采用常见的水泵，以节约成本。本发明具体实施时，作为一种优选的实施形式，散热器1111与第一三通接头161之间串联有储液箱1113，以进行工作液的临时存储。
本发明中，主动散热模式如图2所示，该模式下，通过控制五通阀、第一三通接头161、第二三通接头162和三通阀163，可使得第一换热支路12和制冷子支路112串联，第二换热支路13和第三换热支路14并联后与散热子支路111串联。也即工作液分两部分换热，一部分工作液在第一换热支路12和制冷子支路112构成的回路中循环，另一部分工作液在第二换热支路13和第三换热支路14分别换热后再被输送至散热子支路111中散热降温，且散热降温后的该部分工作液又被分成两路分别进入第二换热支路13和第三换热支路14中。
被动散热模式如图3所示，该模式下(制冷子支路112上串联的制冷水机1121不工作)，通过控制五通阀、第一三通接头161、第二三通接头162和三通阀163，可使得制冷子支路112、第一换热支路12和第二换热支路13先串联后，再与第三换热支路14以并联形式与散热子支路111串联。也即，工作液分两部分换热，一部分工作液的流动路径为：制冷子支路112-第一换热支路12-第二换热支路13-散热子支路111-制冷子支路112，另一部分工作液的流动路径为：第三换热支路14-散热子支路111-第三换热支路14。
余热回收模式如图4所示，该模式下(制冷子支路112和散热子支路111不工作)，通过控制五通阀、第一三通接头161、第二三通接头162和三通阀163，可使得第二换热支路13和第三换热支路14并联后，再与第一换热支路12串联。也即工作液分两部分换热，一部分工作液的流动路径为：第二换热支路13-第一换热支路12-第二换热支路13，另一部分工作液的流动路径为：第三换热支路14-第一换热支路12-第三换热支路14。
本发明的储能系统的热管理装置，可在散热模式下通过液冷的方式对电池模块21、高压模块22和变流器模块23进行温度调节，利于提升温度调节效率，同时，也能够在余热回收模式下，将高压模块22和变流器模块23处的废热进行回收及利用，反向输送给电池模块21，代替了传统液冷储能系统中对电池模块21制热需要额外配备加热器，再利用耗电量转化成为热量给电池模块21制热的设计，利于提高系统整体的温度调节效率及降低能耗。
本发明的储能系统的热管理装置，相比传统储能系统的热管理系统，制冷量更高，电池模块21温度控制更加精确及高效，并且，PCS脱离受限于环境温度的限制，不容易降额和热保护，使得整个储能系统在电网调度时更稳定可靠地提供电量补偿。
同时，能够充分实现各电气件(发热部件)的废热回收及利用，以进行电池模块21温度的补偿，而不必额外配备电加热器，大大降低热管理装置的耗电量，且为电池模块21提供更高的加热量(相较于加热器3倍以上的加热功率)，使得外界环境温度较低时，电池模块21(电芯)温度可以在较短的时间内达到目标最低电芯温度，减少电芯在低温下析锂的风险，使电芯更快满功率充放电工作，释放出更佳的充放电性能，且降低电芯能量衰减率，延长电芯的使用寿命。
再者，本发明可充分利用外界环境温度的冷量，不因为各发热部件的散热需求长期进行制冷系统(空调中的制冷水机1121)的开机运行，在春秋季和冬季尽量不启用制冷子系统(制冷水机1121)，使得整个热管理系统的耗电量极低，对整个储能系统能量转换效率的提高有明显的贡献，对能耗环境都十分友好，利于进一步提升产品可靠性及循环寿命。
总之，本发明基于各发热部件本体温度变化进行模式适配和切换，使得散热曲线与发热曲线跟随性更佳，温度控制更精准，模式切换更智能有效。
另外，本发明还涉及一种储能系统的热管理方法，采用上述的储能系统的热管理装置，包括以下步骤：
获取电池模块21、高压模块22和变流器模块23的温度信息，并根据温度信息制定控制策略；
依据控制策略控制换热回路进入散热模式或余热回收模式；
其中，散热模式下，通过散热支路对第一换热支路12、第二换热支路13和第三换热支路14中的工作液进行降温；余热回收模式下，将第二换热支路13和第三换热支路14中工作液的热量输送至第一换热支路12中。
上述温度信息的采集可直接采用电池模块21中的采集模块(由BMS及采集总成等构成)，也可通过单独设置温度传感器来实现，控制策略则可依据空调子系统中的控制器，同时，散热模式和余热回收模式的切换可通过控制上述的调节机构来实现。
并且，由于本发明的散热模式同样包括上述的主动散热模式和被动散热模式，以及上述关于本发明储能系统的热管理装置的介绍中，已涉及储能系统的热管理方法的各操作步骤，故在此不再进行赘述。
除此之外，本发明也涉及一种控制器，其包括存储器和处理器。存储器内存储有程序指令，处理器调用存储器内的程序指令以执行上述的储能系统的热管理方法。
与此同时，本发明又涉及一种储能系统，该储能系统即应用有上述储能系统的热管理装置及热管理方法，其具体包括电池模块21、高压模块22、变流器模块23、换热回路和控制器。
其中，换热回路用于调节电池模块21、高压模块22和变流器模块23的温度，控制器用于执行上述的储能系统的热管理方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种储能系统的热管理装置，其特征在于：
包括由冷却支路、第一换热支路、第二换热支路和第三换热支路共同构成的换热回路，以及用于调控所述工作液在所述换热回路中流向的调节机构；
所述冷却支路用于对所述工作液进行温度调节，所述第一换热支路用于对电池模块进行温度调节，所述第二换热支路用于对高压模块进行温度调节，所述第三换热支路用于对所述变流器模块进行温度调节；
所述换热回路具有散热模式和余热回收模式，在所述散热模式下，所述第一换热支路、所述第二换热支路和所述第三换热支路通过所述调节机构并联后，再与所述散热支路串联；
在所述余热回收模式下，所述第二换热支路和所述第三换热支路通过所述调节机构并联后，再与所述第一换热支路串联。
2.根据权利要求1所述的储能系统的热管理装置，其特征在于：
所述冷却支路包括并联的散热子支路和制冷子支路，所述散热模式包括主动散热模式和被动散热模式；
所述主动散热模式下，所述第一换热支路和所述制冷子支路串联，所述第二换热支路和所述第三换热支路并联后与所述散热子支路串联；
所述被动散热模式下，所述第一换热支路和所述第二换热支路先串联后，再与所述第三换热支路以并联形式与所述散热子支路串联。
3.根据权利要求2所述的储能系统的热管理装置，其特征在于：
所述调节机构包括第一调节部件和第二调节部件；
所述第一换热支路、所述第二换热支路、所述第三换热支路、所述散热子支路和所述制冷子支路中的第一进出液口均通过所述第一调节部件相连，所述第一换热支路、所述第二换热支路、所述第三换热支路、所述散热子支路和所述制冷子支路中的第二进出液口均通过所述第二调节部件相连。
4.根据权利要求3所述的储能系统的热管理装置，其特征在于：
所述第一调节部件采用五通阀，所述第二调节部件包括第一三通接头、第二三通接头和三通阀；
所述散热子支路的第二进出液口和所述制冷子支路的第二进出液口通过所述第一三通接头相连，所述第一换热支路的第二进出液口通过所述第二三通接头与所述第一三通接头、所述三通阀相连，且所述第二换热支路的第二进出液口和所述第三换热支路的第二进出液口分别连通所述三通阀。
5.根据权利要求4所述的储能系统的热管理装置，其特征在于：
所述散热子支路上串联有散热器，所述制冷子支路上串联有制冷水机，所述第一换热支路上串联有用于与所述电池模块进行热交换的第一换热件，所述第二换热支路上串联有用于与所述高压模块进行热交换的第二换热件，所述第三换热支路上串联有用于与所述变流器模块进行热交换的第三换热件。
6.根据权利要求5所述的储能系统的热管理装置，其特征在于：
所述散热器和所述第一调节部件之间串联有第一泵送单元，所述第一换热件与所述第二三通接头之间串联有第二泵送单元。
7.根据权利要求5所述的储能系统的热管理装置，其特征在于：
所述散热器与所述第一三通接头之间串联有储液箱。
8.一种储能系统的热管理方法，采用权利要求1至7中任一项所述的储能系统的热管理装置，其特征在于，包括以下步骤：
获取所述电池模块、所述高压模块和所述变流器模块的温度信息，并根据所述温度信息制定控制策略；
依据所述控制策略控制所述换热回路进入散热模式或余热回收模式；
其中，所述散热模式下，通过所述散热支路对所述第一换热支路、所述第二换热支路和所述第三换热支路中的所述工作液进行降温；所述余热回收模式下，将所述第二换热支路和所述第三换热支路中所述工作液的热量输送至所述第一换热支路中。
9.一种控制器，其特征在于：
包括存储器和处理器；
所述存储器内存储有程序指令，所述处理器调用所述存储器内的程序指令以执行权利要求8所述的储能系统的热管理方法。
10.一种储能系统，其特征在于：
包括电池模块、高压模块、变流器模块、换热回路和控制器；
所述换热回路用于调节所述电池模块、所述高压模块和所述变流器模块的温度，所述控制器用于执行权利要求8所述的储能系统的热管理方法。
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CN118514548A (zh) * 2024-07-19 2024-08-20 宁德时代新能源科技股份有限公司 一种储能设备和用于储能设备的调温方法
CN119009251A (zh) * 2024-07-31 2024-11-22 东莞市深合电气有限公司 储能系统用液冷机组及其运行方法
CN119225448A (zh) * 2024-09-25 2024-12-31 广东三瑞电源有限公司 具有温度补偿功能的光伏储能逆变器热管理系统

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