CN116799355A - 一种浸没式储能电站热管理***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浸没式储能电站热管理***，包括液冷模块、换热模块和制冷制热模块；还公开了浸没式储能电站热管理***的控制方法，包括：判断储能电站运行状态，当处于充电或放电状态时检测储能电站的环境温度；对比环境温度与预设温度，并控制制冷制热模块为制冷模式、制热模式或维持原状；在不同模式下检测电池包温度、电芯温度和电池包的进出口液温度，并根据预设的阈值判断条件控制压缩机和泵的运行频率。本发明将电池直接浸没在冷却液中，通过冷却液冷却电池，不需要预留散热通道节约占地空间，同时也能降低储能***的自耗电成本，还可以抑制电池热失控后的连锁反应，提升储能电站的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及储能热管理技术领域，尤其是涉及一种浸没式储能电站热管理***及其控制方法。
背景技术
在新一轮能源革命中，如何有效抑制新能源发电的间歇性、波动性，提高新能源大规模并网发电稳定性成为关键性问题。为了实现以可再生能源为主体的电力***的负荷平衡，储能将成为其关键支撑技术。储能技术的发展应用有利于平抑新能源电网波动，促进可再生能源消纳，推动主体能源由化石能源向可再生能源更替。但随着储能电站的快速发展，其安全性问题日益突出，储能热管理和消防重要性日益显著。储能电站需要更多聚焦储能电站的安全性，消除电池的热失控，提供更优的电池均匀性散热。现有技术往往采用风冷冷却，随着电池容量和功率的提升，在大功率充放电场景或复杂工况下，风冷技术方案难以解决电池散热问题，其需要预留散热通道增大了大型储能项目的占地空间，且风冷***通过冷却空气间接冷却电芯，整个储能***将产生很大的自耗电。
在中国专利文献上公开的“一种高效风冷散热的电池储能***”，其公开号为CN113140829A，公开日期为2021-07-20，每个电池模组分别与一个DC-DC模块连接，所有DC-DC模块相互并联后与电池管理模块连接，电池管理模块与DC-AC模块连接，DC-AC模块连接至外部电网；电池模组包括设置在储能集装箱内的若干电池小组，每个电池小组包括若干电池单体，每个电池小组设置在一个风冷箱体中；风冷箱体内设有若干温度传感器，温度传感器与电池管理模块连接，风冷箱体上设有进风口和出风口，空调装置通过送风管道与各进风口连接，送风管道上设有送风装置，各出风口均连接至出风管道。该技术能够提升储能***内电池单体温度的一致性，但是仍然存在风冷技术的缺点，即需要预留散热通道增大了大型储能项目的占地空间，且风冷***通过冷却空气间接冷却电芯，整个储能***的自耗电大。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中采用风冷冷却储能***占地空间大且通过冷却空气检测冷却电芯使得储能***自耗电高的问题，提供了一种浸没式储能电站热管理***及其控制方法，将电池直接浸没在冷却液中，通过冷却液冷却电池，不需要预留散热通道节约占地空间，同时也能降低储能***的自耗电成本，还可以抑制电池热失控后的连锁反应，提升储能电站的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种浸没式储能电站热管理***，包括液冷模块，所述液冷模块包括浸没在冷却液内的若干电池包，每个电池包包括若干电芯；所述液冷模块与换热模块的一端通过液泵进行冷却液的循环，所述换热模块的另一端与制冷制热模块通过水泵进行冷却水的循环；所述制冷制热模块包括压缩机，通过压缩机频率的调节改变冷却水和冷却液的温度；还包括控制模块，监测***内各个模块的温度并控制***的工作。
本发明中通过三级温控***，先是通过调节制冷制热模块的压缩机运行频率来提升热交换效率间接地改变冷却水温度从而改变冷却液的温度，或者又通过调节水泵的运行频率来提升冷却水和冷却液的热交换速率进一步改变冷却液的温度，最后通过调节液泵的运行频率来调节冷却液的流量实现对电池温度的更细化调节；将电池沉浸在冷却液中，让液体直接冷却电池可以很好的对电池散热，同时抑制电池热失控后的连锁反应，消除电池储能着火***等风险，提升储能电站的安全性，真正做到储能的安全性。
作为优选，每个所述电池包都设置有温度监测装置；所述液冷模块与换热模块的一端通过冷却液出液管和冷却液回液管形成回路；所述换热模块的另一端和制冷制热模块的第一换热器通过冷却水出水管和冷却水回水管形成回路。
本发明中在每个电池包上都设置有温度监测装置用来检测电池包温度、电池包内的电芯温度以及电池包的进出口液温度等，便于控制模块根据采集到的温度数据进行压缩机和液泵的运行频率调节；换热模块处用于进行冷却液和冷却水之间的热交换。
作为优选，所述制冷制热模块的第一换热器分别连通膨胀阀的一端和四通换向阀的第一端，所述膨胀阀的另一端连通第二换热器的一端，第二换热器的另一端连通四通换向阀的第三端，四通换向阀的第二端和第四端之间连接有压缩机。
本发明中制冷制热模块存在制冷模式和制热模式两种情况，可能根据实际情况选择制冷或制热来改变冷却水的温度，第一换热器用于冷却水与制冷制热模块之间的热交换从而改变冷却水温度，第二换热器用于制冷制热模块内循环液与外界的热交换。
一种浸没式储能电站热管理***的控制方法，包括：
判断储能电站运行状态，当处于充电或放电状态时检测储能电站的环境温度；
对比环境温度与预设温度，并控制制冷制热模块为制冷模式、制热模式或维持原状；
在不同模式下检测电池包温度、电芯温度和电池包的进出口液温度，并根据预设的阈值判断条件控制压缩机和泵的运行频率。
本发明中首先通过检测储能电站的环境温度来判断选择何种模式，若环境温度小于或等于第一预设温度时说明温度较低，因此进行制热，若环境温度大于或等于第二预设温度时说明温度较高，因此进行制冷，若环境温度介于两者之间时则不需要改变运行方式；在确定热管理***的运行模式后再进一步根据冷却液中的电池温度进行逐级调节，通过比例调节压缩机、泵(包括液泵和水泵)的运行频率，实现电池温度和各电池温差的精准调节控制。
作为优选，当环境温度Th大于或等于第二预设温度TM时进入制冷模式，比较电池包最高温度对应的压缩机运行频率与压缩机制冷频率阈值fm的大小；
当时，压缩机进行升频/>f0为压缩机额定运行频率；
当时，判断是否同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件；若满足则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
本发明中在正常工作情况下一般的压缩机运行在舒适频率上，在制冷模式下，当电池包最高温度对应的压缩机运行频率小于等于压缩机制冷频率阈值时说明需要升频，则在舒适频率的基础上按照比例调节进行升频，本发明中的温度单位采用摄氏度，同时升频后存在最高运行频率限制，若超出最高运行频率限制则说明可能存在故障需要人工检测；而当压缩机不需要升频时可以进行对电池包进出口液和电芯温度的进一步判断；通过压缩机运行频率的调节可以间接地改变冷却液的温度实现温度的初步调节。
作为优选，当环境温度Th小于或等于第一预设温度TN时进入制热模式，比较电池包最低温度对应的压缩机运行频率fmin(An)与压缩机制热频率阈值fn的大小；
当时，压缩机进行升频/>f0为压缩机额定运行频率；
当时，判断是否同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件；若满足则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
本发明中制热模式下当电池包最低温度对应的压缩机运行频率小于等于压缩机制热频率阈值时说明需要升频，与制冷模式下的情况相同都是从舒适频率开始按照比例调节进行升频；在本发明中制热模式和制冷模式下频率调节控制的过程中区别在于频率阈值的判断条件以及升频频率的计算方式存在差异，之后对电池包进出口液和电芯温度的进一步判断步骤相同。
作为优选，所述电芯温度差判断条件为：同一个电池包内的电芯的最高温度和最低温度之差小于或等于电芯温度差阈值；所述电池包温度差判断条件为：电池包的最高温度与最低温度之差小于或等于电池包温度差阈值。
本发明中设置电芯温度差判断条件和电池包温度差判断条件的目的在于检查在冷却液中的各个电池包以及电池包中各个电芯的冷却效果是否均匀一致，若存在某个电池包或者某个电芯的温度远高于其他电池包或电芯也会使得储能***存在潜在故障风险，因此需要进行进一步检测发生温度差异的原因并进行处理。
作为优选，当无法同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件时，判断任意一个电池包的进口液温度Ax,in与出口液温度Ax,out的差异是否大于或等于进出液温度差阈值Tt；
若是则提升泵的运行频率f0 ′为泵的额定运行频率；
若否则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
本发明中通过判断电池包的进出口液温度差异来确定是否需要通过调节泵的运行频率进行进一步的温度控制，当进出口液温度差异较大时说明电池包与冷却液之间的热量交换速率较高，在泵的当前运行频率下可能不满足电池包的散热要求，因此需要提升泵的运行频率来提升冷却液流量从而间接地提高热交换速率增大散热速度；在提升泵的运行频率后可以间隔一定时间再次检测电池包内的电芯温度情况，并进一步根据温度调节泵的运行频率。
本发明具有如下有益效果：将电池直接浸没在冷却液中，通过冷却液冷却电池，不需要预留散热通道节约占地空间，同时也能降低储能***的自耗电成本，还可以抑制电池热失控后的连锁反应，消除电池储能着火***等风险，提升储能电站的安全性；热管理***中可随环境温度和运行过程中监测到的电池温度灵活调整运行模式和压缩机、泵的运行频率，大幅降低液冷***运行的能耗。
附图说明
图1是本发明中浸没式储能电站热管理***的示意图；
图2是本发明中制冷制热模块的示意图；
图3是本发明中浸没式储能电站热管理***的控制方法的流程图
图中：1、液冷模块；11、电池包；111、电芯；12、冷却液出液管；13、冷却液回液管；2、换热模块；22、冷却水出水管；23、冷却水回水管；3、制冷制热模块；31、压缩机；32、第一换热器；33、第二换热器；34、膨胀阀；35、四通换向阀；36、储液罐；37、过滤器；38、温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，一种浸没式储能电站热管理***，包括液冷模块1，液冷模块1包括浸没在冷却液内的若干电池包11，每个电池包11包括若干电芯111；液冷模块1与换热模块2的一端通过液泵进行冷却液的循环，换热模块2的另一端与制冷制热模块3通过水泵进行冷却水的循环；制冷制热模块3包括压缩机31，通过压缩机31频率的调节改变冷却水和冷却液的温度；还包括控制模块(图中未出示)，监测***内各个模块的温度并控制***的工作。
每个电池包11都设置有温度监测装置；液冷模块1与换热模块2的一端通过冷却液出液管12和冷却液回液管13形成回路；换热模块2的另一端和制冷制热模块3的第一换热器32通过冷却水出水管22和冷却水回水管23形成回路。在冷却液出液管12和冷却液回液管13上可以设置液泵、温度传感器、手动阀或电磁阀以及压力传感器等，在冷却水出水管22和冷却水回水管23上可以设置水泵、温度传感器、止回阀、手动阀或电磁阀以及压力传感器等。
制冷制热模块3的第一换热器32分别连通膨胀阀34的一端和四通换向阀35的第一端，膨胀阀35的另一端连通第二换热器33的一端，第二换热器33的另一端连通四通换向阀35的第三端，四通换向阀35的第二端和第四端之间连接有压缩机31。第一换热器32与膨胀阀34之间串接有储液罐36和一个过滤器37，膨胀阀34与第二换热器33之间串接有另一个过滤器37，第二换热器33处设置有风机加速热交换，在第一换热器32处分别连接冷却水出水管22和冷却水回水管23，并设置有温度传感器38检测温度。
本发明中通过三级温控***，先是通过调节制冷制热模块的压缩机运行频率来提升热交换效率间接地改变冷却水温度从而改变冷却液的温度，或者又通过调节水泵的运行频率来提升冷却水和冷却液的热交换速率进一步改变冷却液的温度，最后通过调节液泵的运行频率来调节冷却液的流量实现对电池温度的更细化调节；将电池沉浸在冷却液中，让液体直接冷却电池可以很好的对电池散热，同时抑制电池热失控后的连锁反应，消除电池储能着火***等风险，提升储能电站的安全性，真正做到储能的安全性。
本发明中在每个电池包上都设置有温度监测装置用来检测电池包温度、电池包内的电芯温度以及电池包的进出口液温度等，便于控制模块根据采集到的温度数据进行压缩机和液泵的运行频率调节；换热模块处用于进行冷却液和冷却水之间的热交换。
本发明中制冷制热模块存在制冷模式和制热模式两种情况，可能根据实际情况选择制冷或制热来改变冷却水的温度，第一换热器用于冷却水与制冷制热模块之间的热交换从而改变冷却水温度，第二换热器用于制冷制热模块内循环液与外界的热交换。
如图3所示，一种浸没式储能电站热管理***的控制方法，包括：
判断储能电站运行状态，当处于充电或放电状态时检测储能电站的环境温度。
对比环境温度与预设温度，并控制制冷制热模块为制冷模式、制热模式或维持原状。
当环境温度Th小于或等于第一预设温度TN时进入制热模式；
当环境温度Th大于或等于第二预设温度TM时进入制冷模式；
当环境温度Th介于第一预设温度TN和第二预设温度TM之间时维持原状。
在不同模式下检测电池包温度、电芯温度和电池包的进出口液温度，并根据预设的阈值判断条件控制压缩机和泵的运行频率。
在本发明中以一簇电池为例进行说明，如电池簇A中包括有若干电池包，则第一个电池包的温度为A1，第二个电池包的温度为A2，以此类推得到第n个电池包的温度为An；而第n个电池包的进口液温度和出口液温度分别为An,in和An,out；第n个电池包内的第i个电芯的温度为An,i。
当环境温度Th大于或等于第二预设温度TM时进入制冷模式，比较电池包最高温度对应的压缩机运行频率与压缩机制冷频率阈值fm的大小；
当时，压缩机进行升频/>f0为压缩机额定运行频率；压缩机的额定运行频率可以选择常用的50Hz，同时一般选择舒适频率30Hz作为压缩机的初始运行频率，在此基础上进行升频。
当时，判断是否同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件；若满足则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
电芯温度差判断条件为：同一个电池包内的电芯的最高温度和最低温度之差小于或等于电芯温度差阈值；电池包温度差判断条件为：同一电池簇内的电池包的最高温度与最低温度之差小于或等于电池包温度差阈值。
当无法同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件时，判断所有电池包中，任意一个电池包的进口液温度Ax,in与出口液温度Ax,out的差异是否大于或等于进出液温度差阈值Tt；
若是则提升泵的运行频率f0′为泵的额定运行频率；泵的额定运行频率通常情况下也为50Hz，泵包括液泵和水泵；
若否则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
在完成泵的升频后，等待运行设定时间(可以选择为3分钟)后再次检测电芯温度，并判断同一个电池包内的电芯的最高温度和最低温度之差与电芯温度差阈值之间的关系，若最高温度和最低温度之差小于或等于电芯温度差阈值则返回继续检测电池包温度和电芯温度；若最高温度和最低温度之差大于电芯温度差阈值的设定倍数时(如电芯温度差阈值的1.3倍)则将液泵/水泵升到额定运行频率(50Hz)运行，然后返回继续检测电池包温度和电芯温度。
当环境温度Th小于或等于第一预设温度TN时进入制热模式，比较电池包最低温度对应的压缩机运行频率fmin(An)与压缩机制热频率阈值fn的大小；
当fmin(An)≤fn时，压缩机进行升频f0为压缩机额定运行频率；压缩机的额定运行频率可以选择常用的50Hz，同时一般选择舒适频率30Hz作为压缩机的初始运行频率，在此基础上进行升频。
当时，判断是否同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件；若满足则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
电芯温度差判断条件为：同一个电池包内的电芯的最高温度和最低温度之差小于或等于电芯温度差阈值；电池包温度差判断条件为：电池包的最高温度与最低温度之差小于或等于电池包温度差阈值。
当无法同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件时，判断所有电池包中，任意一个电池包的进口液温度Ax,in与出口液温度Ax,out的差异是否大于或等于进出液温度差阈值Tt；
若是则提升泵的运行频率f0 ′为泵的额定运行频率；泵的额定运行频率通常情况下也为50Hz，泵包括液泵和水泵；
若否则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
在完成泵的升频后，等待运行设定时间(可以选择为3分钟)后再次检测电芯温度，并判断同一个电池包内的电芯的最高温度和最低温度之差与电芯温度差阈值之间的关系，若最高温度和最低温度之差小于或等于电芯温度差阈值则返回继续检测电池包温度和电芯温度；若最高温度和最低温度之差大于电芯温度差阈值的设定倍数时(如电芯温度差阈值的1.3倍)则将液泵/水泵升到额定运行频率(50Hz)运行，然后返回继续检测电池包温度和电芯温度。
本发明中首先通过检测储能电站的环境温度来判断选择何种模式，若环境温度小于或等于第一预设温度时说明温度较低，因此进行制热，若环境温度大于或等于第二预设温度时说明温度较高，因此进行制冷，若环境温度介于两者之间时则不需要改变运行方式；在确定热管理***的运行模式后再进一步根据冷却液中的电池温度进行逐级调节，通过比例调节压缩机、泵(包括液泵和水泵)的运行频率，实现电池温度和各电池温差的精准调节控制。
本发明中在正常工作情况下一般的压缩机运行在舒适频率上，在制冷模式下，当电池包最高温度对应的压缩机运行频率小于等于压缩机制冷频率阈值时说明需要升频，则在舒适频率的基础上按照比例调节进行升频，本发明中的温度单位采用摄氏度，同时升频后存在最高运行频率限制，若超出最高运行频率限制则说明可能存在故障需要人工检测；而当压缩机不需要升频时可以进行对电池包进出口液和电芯温度的进一步判断；通过压缩机运行频率的调节可以间接地改变冷却液的温度实现温度的初步调节。
本发明中制热模式下当电池包最低温度对应的压缩机运行频率小于等于压缩机制热频率阈值时说明需要升频，与制冷模式下的情况相同都是从舒适频率开始按照比例调节进行升频；在本发明中制热模式和制冷模式下频率调节控制的过程中区别在于频率阈值的判断条件以及升频频率的计算方式存在差异，之后对电池包进出口液和电芯温度的进一步判断步骤相同。
本发明中设置电芯温度差判断条件和电池包温度差判断条件的目的在于检查在冷却液中的各个电池包以及电池包中各个电芯的冷却效果是否均匀一致，若存在某个电池包或者某个电芯的温度远高于其他电池包或电芯也会使得储能***存在潜在故障风险，因此需要进行进一步检测发生温度差异的原因并进行处理。
本发明中通过判断电池包的进出口液温度差异来确定是否需要通过调节泵的运行频率进行进一步的温度控制，当进出口液温度差异较大时说明电池包与冷却液之间的热量交换速率较高，在泵的当前运行频率下可能不满足电池包的散热要求，因此需要提升泵的运行频率来提升冷却液流量从而间接地提高热交换速率增大散热速度；在提升泵的运行频率后可以间隔一定时间再次检测电池包内的电芯温度情况，并进一步根据温度调节泵的运行频率。
上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种浸没式储能电站热管理***，其特征在于，包括液冷模块，所述液冷模块包括浸没在冷却液内的若干电池包，每个电池包包括若干电芯；所述液冷模块与换热模块的一端通过液泵进行冷却液的循环，所述换热模块的另一端与制冷制热模块通过水泵进行冷却水的循环；所述制冷制热模块包括压缩机，通过压缩机频率的调节改变冷却水和冷却液的温度；还包括控制模块，监测***内各个模块的温度并控制***的工作。
2.根据权利要求1所述的一种浸没式储能电站热管理***，其特征在于，每个所述电池包都设置有温度监测装置；所述液冷模块与换热模块的一端通过冷却液出液管和冷却液回液管形成回路；所述换热模块的另一端和制冷制热模块的第一换热器通过冷却水出水管和冷却水回水管形成回路。
3.根据权利要求1或2所述的一种浸没式储能电站热管理***，其特征在于，所述制冷制热模块的第一换热器分别连通膨胀阀的一端和四通换向阀的第一端，所述膨胀阀的另一端连通第二换热器的一端，第二换热器的另一端连通四通换向阀的第三端，四通换向阀的第二端和第四端之间连接有压缩机。
4.一种浸没式储能电站热管理***的控制方法，适用于如权利要求1-3任一项所述的热管理***，其特征在于，包括：
判断储能电站运行状态，当处于充电或放电状态时检测储能电站的环境温度；
对比环境温度与预设温度，并控制制冷制热模块为制冷模式、制热模式或维持原状；
在不同模式下检测电池包温度、电芯温度和电池包的进出口液温度，并根据预设的阈值判断条件控制压缩机和泵的运行频率。
5.根据权利要求4所述的一种浸没式储能电站热管理***的控制方法，其特征在于，
当环境温度Th大于或等于第二预设温度TM时进入制冷模式，比较电池包最高温度对应的压缩机运行频率与压缩机制冷频率阈值fm的大小；
当时，压缩机进行升频/>f0为压缩机额定运行频率；
当时，判断是否同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件；若满足则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
6.根据权利要求4所述的一种浸没式储能电站热管理***的控制方法，其特征在于，
当环境温度Th小于或等于第一预设温度TN时进入制热模式，比较电池包最低温度对应的压缩机运行频率与压缩机制热频率阈值fn的大小；
当时，压缩机进行升频/>f0为压缩机额定运行频率；当/>时，判断是否同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件；若满足则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
7.根据权利要求5或6所述的一种浸没式储能电站热管理***的控制方法，其特征在于，所述电芯温度差判断条件为：同一个电池包内的电芯的最高温度和最低温度之差小于或等于电芯温度差阈值；所述电池包温度差判断条件为：电池包的最高温度与最低温度之差小于或等于电池包温度差阈值。
8.根据权利要求5或6所述的一种浸没式储能电站热管理***的控制方法，其特征在于，当无法同时满足电芯温度差判断条件以及电池包温度差判断条件时，判断任意一个电池包的进口液温度Ax,in与出口液温度Ax,out的差异是否大于或等于进出液温度差阈值Tt；
若是则提升泵的运行频率f0 ′为泵的额定运行频率；
若否则返回继续检测电池包温度和电芯温度。
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| CN (1) | CN116799355A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117254157A (zh) * | 2023-09-26 | 2023-12-19 | 福建时代星云科技有限公司 | 一种液冷热管理方法及*** |
| CN117423930A (zh) * | 2023-10-25 | 2024-01-19 | 广州高澜节能技术股份有限公司 | 一种储能冷却装置及其控制方法、*** |
-
2023
- 2023-05-24 CN CN202310589245.1A patent/CN116799355A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117254157A (zh) * | 2023-09-26 | 2023-12-19 | 福建时代星云科技有限公司 | 一种液冷热管理方法及*** |
| CN117423930A (zh) * | 2023-10-25 | 2024-01-19 | 广州高澜节能技术股份有限公司 | 一种储能冷却装置及其控制方法、*** |
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