储能电站浸没式相变冷却方法、系统和装置

1.本发明属于储能电站热管理技术领域，具体涉及一种储能电站浸没式相变冷却方法、系统和装置。


背景技术：

2.储能系统是现代电力系统和智能电网的重要组成部分，也是实现可再生能源并网消纳及分布式发电高效应用的重要环节。相比于其它储能方式，电化学储能具有相应时间短、能量密度高、场地受限小等优势，尤其适用于城市储能系统。相比铅酸、钠酸等电化学储能系统而言，锂离子电池储能系统具有能量密度高、转换效率高、自放电率低、适用寿命长等优势。近年来随着电池技术的不断进步及其成本的降低，以锂离子电池为主的电化学储能系统得到了迅速发展和工程应用。然而，锂离子电池采用易燃的有机电解液，且材料体系热值高。在电池本体或电气设备发生故障后，电池温度失控引发链式分解反应，进而演化为储能系统燃烧爆炸等重大安全事故。
3.温度对于锂离子电池的容量、功率和安全性都有很大的影响。电化学储能系统出现性能下降甚至安全事故的一个重要原因就是热管理系统设计不合理。现有储能电站大多采用空气冷却方式，以空调冷风作为冷源给电池降温。然而，储能系统在一个较为狭小的空间内聚集了大量锂离子电池，电池排列紧密，运行工况复杂多变；基于空气冷却的热管理系统虽然简单、可靠性高，但其热容低、换热系数有限，不足以应对储能系统日益提高的热管理需求；同时，空气冷却缺乏控制局部热失控蔓延的能力。现有储能电站冷却方式设计独立的消防安全系统，采用液态全氟己酮作为灭火剂，以蒸发潜热吸收热量。这无疑提高了储能电站建设成本和系统复杂性。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的上述问题，即空气冷却电池热管理系统散热效果差、换热效率低，缺乏控制局部热失控蔓延和应急冷却能力的问题，本发明提供了一种储能电站浸没式相变冷却方法，包括：
5.步骤s100，将储能电站的电池组浸没于液态相变工质中，实时获取电池温度t、系统内部压力pa及时刻t；
6.步骤s200，基于所述系统内部压力pa处于预设的系统压力限值区间，保持系统运行或停止系统运行并启动自检；
7.步骤s300，基于所述电池温度t处于预设的循环温度判断区间，进行冷凝器水侧循环泵的开启、保持或关闭；
8.步骤s400，通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，回到电池组位置，完成储能电站浸没式相变冷却。
9.在一些优选的实施方式中，所述步骤s200，具体包括：
10.所述系统压力限值pa
limit
设定为0.15mpa
11.若系统压力pa小于系统压力限值pa
limit
时，判断为处于系统低压区间，保持系统运行；
12.若系统压力pa不小于系统压力限值pa
limit
时，判断为处于系统高压区间，停止系统运行并启动自检。
13.在一些优选的实施方式中，所述步骤s300，具体包括：
14.所述第一判断阈值t
set，high
设定为30℃，所述第二判断阈值t
set，low
设定为25℃；
15.若所述电池温度t高于第一判断阈值t
set，high
时，判断为处于第一循环温度判断区间，开启冷凝器水侧循环泵；
16.若所述电池温度t处于第二判断阈值t
set，low
≤t≤第一判断阈值t
set，high
时，判断为处于第二循环温度判断区间，保持冷凝器水侧循环泵；
17.若所述电池温度t低于第二判断阈值t
set，low
时，判断为处于第三循环温度判断区间，关闭冷凝器水侧循环泵。
18.在一些优选的实施方式中，所述冷凝器水侧循环泵，开启时，根据电池产热功率p控制冷凝器水流量vf：
19.p表示电池组总产热功率，c表示水的比热容，p表示水的密度，t
im
表示平均换热温差，η表示冷凝器效率。
20.在一些优选的实施方式中，所述电池组总产热功率p，其计算方法为：p＝n
×
i2(r0(t，soc)+r
p
(t，soc))
21.其中，n表示电池数量，i表示电池电流值，r0(t，soc)表示电池等效内阻，r
p
(t，soc)表示电池等效极化内阻。
22.在一些优选的实施方式中，所述步骤s400，替换为：通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，将相变工质向高温点喷射，完成储能电站浸没式相变事故应急处理。
23.在一些优选的实施方式中，所述相变工质选取r1233zd、r245fa、r123、hfe7000及hfo-1336mzzz中的一种低压制冷剂。
24.本发明的第二方面，提出一种储能电站浸没式相变冷却系统，所述系统包括：
25.参数获取模块，将储能电站的电池组浸没于液态相变工质中，实时获取电池温度t、系统内部压力pa及时刻t；
26.压力限制模块，基于所述系统压力pa处于预设的系统压力限值区间，保持系统运行或停止系统运行并启动自检；
27.开关判断模块，基于所述电池温度t处于预设的循环温度判断区间，进行冷凝器水侧循环泵的开启、保持或关闭；
28.循环冷却模块，通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，回到电池组位置，完成储能电站浸没式相变冷却。
29.本发明的第三方面，提出一种储能电站浸没式相变冷却装置，所述装置包括：电池柜1、电池箱2、绝缘隔热填充物3、分液管4、集气管5、冷凝器6、储液罐7、压力表9、循环泵10、电池管理系统11、电池单体12、进液口13和出气口14；
30.所述电池柜1，用于放置多个电池箱2；
31.每个电池箱2中，存放多个电池单体12；电池箱2之间，添加绝缘隔热填充物3；每个电池箱2均设置至少1个进液口13和1个出气口14，进液口13设置于电池箱2侧面下方，出气口14设置于电池箱2中相变工质液面上方空隙处；
32.电池箱2、集气管5、冷凝器6、储液罐7、分液管4和电池箱2通过冷却管道形成循环回路；
33.冷凝器6和储液罐7安装于电池柜1上方；
34.压力表9安装于冷凝器6上方；
35.循环泵10设置于冷凝器6的水侧；
36.电池管理系统11通过导线与循环泵10和各电池单体12连接。
37.在一些优选的实施方式中，所述装置还包括喷射孔8，设置于储液罐7下方，用于在发生异常事故时，通过喷射孔8将放热后的相变工质向高温点喷射。
38.本发明的有益效果：
39.(1)现有储能电站空气冷却方法需要空调制冷提供冷空气，并且需要风扇形成空气强迫对流循环，冷却过程耗功高。本发明浸没式相变冷却系统采用无泵自循环的冷却策略，在保证电池温度安全的同时可有效降低冷却功耗。
40.(2)现有空气冷却方法存在换热系数低、空气热容低的问题，造成控温效果不佳和温度分布不均匀。本发明将电池组浸没于相变工质中，利用工质相变过程吸热，具有换热系数高、相变过程温度不变等优势，可以有效控制电池温度、保证温度分布均匀性。
41.(3)现有冷却方法不具备对局部热失控的控制能力，存在很大的安全隐患。本发明一方面使用绝缘、阻燃的冷媒作为相变系统的工质，能够有效抑制局部热点的出现。另一方面，采用带有喷射孔的储液罐，在热失控发生时，能提供应急喷射冷却功能，有效降低事故风险。
附图说明
42.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
43.图1是本发明实施例中储能电站相变冷却方法的流程示意图；
44.图2是本发明实施例中储能电站浸没式相变冷却系统结构示意图；
45.图3是本发明实施例中电池箱结构示意图；
46.图4是本发明实施例中电池箱内电池排布示意图。
47.在附图中，电池柜1、电池箱2、绝缘隔热填充物3、分液管4、集气管5、冷凝器6、储液罐7、压力表9、循环泵10、电池管理系统11、电池单体12、进液口13和出气口14。
具体实施方式
48.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
49.根据储能电站运行情况与电网实际需求，重点满足削峰填谷、促进能源消纳两个
方面的需求。储能电站一般在夏季期间，执行“一充一放”运行策略，充电时段为00:00～08:00，充电时间约为8小时；放电时段为20:30～22:00或12:00～13:30，放电时间约为1.5小时。春、秋季节执行“两充两放”运行策略，针对风力发电机的反调峰特性和光伏发电午间出力最大的特点，储能电站的充电时段为03:30～05:30和13:30～16:30；放电时段为电网高峰负荷时段，分别为10:00～12:00和18:00～21:00。由储能电站的运行策略可知：1、夏季充电时间长、电流倍率较低，而放电时间短、电流倍率较高，导致夏季放电期间产热功率更高。2、春秋季节充、放电时间相同，电流变化相对稳定，产热功率相对稳定。储能电站的产热特性要求热管理系统具有较宽的调节范围，并且具备响应时间短、应对短时热冲击的能力。对比不同冷却方式发现：相变冷却方法具备响应时间短、应对短时热冲击的能力，通过合理设计能够实现较宽的调节范围，可以很好的满足储能电站的冷却需求。
50.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
51.本发明第一实施例的一种储能电站浸没式相变冷却方法，包括步骤s100-s400，各步骤详细描述如下：
52.步骤s100，将储能电站的电池组浸没于液态相变工质中，实时获取电池温度t、系统内部压力pa及时刻t。
53.在本实施例中，所述相变工质选取r1233zd、r245fa、r123、hfe7000及hfo-1336mzzz中的一种低压制冷剂。
54.步骤s200，基于所述系统内部压力pa处于预设的系统压力限值区间，保持系统运行或停止系统运行并启动自检；
55.在本实施例中，所述步骤s200，具体包括：
56.所述系统压力限值pa
limit
设定为0.15mpa；
57.若系统压力pa小于系统压力限值pa
limit
时，判断为处于系统低压区间，保持系统运行；
58.若系统压力pa不小于系统压力限值pa
limit
时，判断为处于系统高压区间，停止系统运行并启动自检。
59.步骤s300，基于所述电池温度t处于预设的循环温度判断区间，进行冷凝器水侧循环泵的开启、保持或关闭。
60.在本实施例中，所述步骤s300，具体包括：
61.所述第一判断阈值t
set,high
设定为30℃，所述第二判断阈值t
set,low
设定为25℃。判断阈值依据电池的舒适工作温度区间10℃至35
°
c设置；
62.若所述电池温度t高于第一判断阈值t
set,high
时，判断为处于第一循环温度判断区间，开启冷凝器水侧循环泵；
63.若所述电池温度t处于第二判断阈值t
set,low
≤t≤第一判断阈值t
set,high
时，判断为处于第二循环温度判断区间，保持冷凝器水侧循环泵；
64.若所述电池温度t低于第二判断阈值t
set,low
时，判断为处于第三循环温度判断区间，关闭冷凝器水侧循环泵。
65.在本实施例中，所述冷凝器水侧循环泵，开启时，根据电池产热功率p控制冷凝器水流量vf：
66.p表示电池组总产热功率，c表示水的比热容，p表示水的密度，t
im
表示平均换热温差，η表示冷凝器效率。
67.在本实施例中，所述电池组总产热功率p，其计算方法为：p＝n
×
i2(r0(t，soc)+r
p
(t，soc))
68.其中，n表示电池数量，i表示电池电流值，r0(t，soc)表示电池等效内阻，r
p
(t，soc)表示电池等效极化内阻。当储能电站开始工作时，电池产热导致电池温度升高。电池管理系统11采集电池电流、soc状态和电池温度，以电池等效电路模型计算电池产热率p。
69.步骤s400，通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，回到电池组位置，完成储能电站浸没式相变冷却。在本实施例中，通过电池箱2中的液态相变工质吸收电池热量，降低电池温度，液态相变工质相变为气态相变工质，同时产生密度差和压力差驱动工质在系统中循环流动，气态相变工质向高出的冷凝器处聚集，被冷凝为液态；未发生火灾事故时，液态工质回流至电池组；发生火灾事故时，储液罐中的液态相变工质向高温点喷射，作为应急冷却的安防措施。
70.本发明的第二实施例，储能电站浸没式相变冷却方法用于执行事故应急的方法，具体为：当发生异常事故时，所述步骤s400，替换为：通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，将相变工质向高温点喷射，完成储能电站浸没式相变事故应急处理。
71.本发明的第三实施例，公开了一种储能电站浸没式相变冷却系统，所述系统包括：
72.参数获取模块，将储能电站的电池组浸没于液态相变工质中，实时获取电池温度t、系统内部压力pa及时刻t；
73.压力限制模块，基于所述系统压力pa处于预设的系统压力限值区间，保持系统运行或停止系统运行并启动自检；
74.开关判断模块，基于所述电池温度t处于预设的循环温度判断区间，进行冷凝器水侧循环泵的开启、保持或关闭；
75.循环冷却模块，通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，回到电池组位置，完成储能电站浸没式相变冷却。
76.本发明的第四实施例，公开了一种储能电站浸没式相变冷却装置，所述装置通过上述的储能电站浸没式相变冷却方法进行控制，所述装置如图2所示包括：
77.电池柜1、电池箱2、绝缘隔热填充物3、分液管4、集气管5、冷凝器6、储液罐7、压力表9、循环泵10、电池管理系统11、电池单体12、进液口13和出气口14；
78.所述电池柜1，用于放置多个电池箱2；
79.每个电池箱2中，存放多个电池单体12；电池箱2之间，添加绝缘隔热填充物3；每个电池箱2均设置至少1个进液口13和1个出气口14，进液口13设置于电池箱2侧面下方，出气口14设置于电池箱2中相变工质液面上方空隙处；电池12浸没于液态相变工质中，如图3所示，液态相变工质的液面高度为h。液态工质的液面高度h低于电池箱2高度h。为增大电池12与液态相变工质的接触面积，电池并不是紧贴排布，而设定电池之间的间距为l。如图4所示，电池箱2中安装了a行b列，共a*b节电池。
80.电池箱2、集气管5、冷凝器6、储液罐7、分液管4和电池箱2通过冷却管道形成循环回路；分液管4用于向并联的电池先2分配液态相变工质，而集气管5用于汇集各个电池箱2中产生的气态相变工质。
81.冷凝器6和储液罐7安装于电池柜1上方；储液罐7中设置了冷却盘管对介质二次冷却，有效防止因冷凝器6冷凝不充分而造成系统升压风险。储液罐7中的绝缘、绝燃相变工质通过喷射孔8自上而下向电池柜喷射，作为应急冷却的消防设备，减少安防系统建设成本。
82.压力表9安装于冷凝器6上方，用于显示系统压力，判断系统是否运行正常；
83.循环泵10设置于冷凝器6的水侧；
84.电池管理系统11通过导线与循环泵10和各电池单体12连接。
85.所述装置还设置了温度传感器、压力传感器，温度传感器设置于电池模组内部，监测电池温度；所述压力传感器布置于冷凝器，监测系统压力。
86.在本实施例中，所述装置还包括喷射孔8，设置于储液罐7下方，用于在发生异常事故时，通过喷射孔8将放热后的相变工质向高温点喷射。
1.上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
2.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
3.需要说明的是，上述实施例提供的一种储能电站浸没式相变冷却系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
4.术语“包括”或者任何其它类似用语旨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/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
5.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种储能电站浸没式相变冷却方法，其特征在于，所述方法包括：步骤s100，将储能电站的电池组浸没于液态相变工质中，实时获取电池温度t、系统内部压力pa及时刻t；步骤s200，基于所述系统内部压力pa处于预设的系统压力限值区间，保持系统运行或停止系统运行并启动自检；步骤s300，基于所述电池温度t处于预设的循环温度判断区间，进行冷凝器水侧循环泵的开启、保持或关闭；步骤s400，通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，回到电池组位置，完成储能电站浸没式相变冷却。2.根据权利要求1所述的储能电站浸没式相变冷却方法，其特征在于，所述步骤s200，具体包括：所述系统压力限值pa
limit
设定为0.15mpa；若系统压力pa小于系统压力限值pa
limit
时，判断为处于系统低压区间，保持系统运行；若系统压力pa不小于系统压力限值pa
limit
时，判断为处于系统高压区间，停止系统运行并启动自检。3.根据权利要求1所述的储能电站浸没式相变冷却方法，其特征在于，所述步骤s300，具体包括：所述第一判断阈值t
set,high
设定为30℃，所述第二判断阈值t
set,low
设定为25℃；若所述电池温度t高于第一判断阈值t
set,high
时，判断为处于第一循环温度判断区间，开启冷凝器水侧循环泵；若所述电池温度t处于第二判断阈值t
set,low
≤t≤第一判断阈值t
set,high
时，判断为处于第二循环温度判断区间，保持冷凝器水侧循环泵；若所述电池温度t低于第二判断阈值t
set,low
时，判断为处于第三循环温度判断区间，关闭冷凝器水侧循环泵。4.根据权利要求1所述的储能电站浸没式相变冷却方法，其特征在于，所述冷凝器水侧循环泵，开启时，根据电池产热功率p控制冷凝器水流量v
f
：p表示电池组总产热功率，c表示水的比热容，ρ表示水的密度，t
im
表示平均换热温差，η表示冷凝器效率。5.根据权利要求4所述的储能电站浸没式相变冷却方法，其特征在于，所述电池组总产热功率p，其计算方法为：p＝n
×
i
2(r0(t,soc)+r
p
(t,soc))其中，n表示电池数量，i表示电池电流值，r0(t,soc)表示电池等效内阻，r
p
(t,soc)表示电池等效极化内阻。6.根据权利要求1所述的储能电站浸没式相变冷却方法，其特征在于，所述相变工质选取r1233zd、r245fa、r123、hfe7000及hfo-1336mzzz中的一种低压制冷剂。7.根据权利要求1所述的储能电站浸没式相变冷却方法，其特征在于，当发生异常事故
时，所述步骤s400，替换为：通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，将相变工质向高温点喷射，完成储能电站浸没式相变事故应急处理。8.一种储能电站浸没式相变冷却系统，其特征在于，所述系统包括：参数获取模块，将储能电站的电池组浸没于液态相变工质中，实时获取电池温度t、系统内部压力pa及时刻t；压力限制模块，基于所述系统压力pa处于预设的系统压力限值区间，保持系统运行或停止系统运行并启动自检；开关判断模块，基于所述电池温度t处于预设的循环温度判断区间，进行冷凝器水侧循环泵的开启、保持或关闭；循环冷却模块，通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，回到电池组位置，完成储能电站浸没式相变冷却。9.一种储能电站浸没式相变冷却装置，其特征在于，所述装置通过如权利要求1至7任一项所述的储能电站浸没式相变冷却方法进行控制，所述装置包括：电池柜(1)、电池箱(2)、绝缘隔热填充物(3)、分液管(4)、集气管(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)、压力表(9)、循环泵(10)、电池管理系统(11)、电池单体(12)、进液口(13)和出气口(14)；所述电池柜(1)，用于放置多个电池箱(2)；每个电池箱(2)中，存放多个电池单体(12)；电池箱(2)之间，添加绝缘隔热填充物(3)；每个电池箱(2)均设置至少1个进液口(13)和1个出气口(14)，进液口(13)设置于电池箱(2)侧面下方，出气口(14)设置于电池箱(2)中相变工质液面上方空隙处；电池箱(2)、集气管(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)、分液管(4)和电池箱(2)通过冷却管道形成循环回路；冷凝器(6)和储液罐(7)安装于电池柜(1)上方；压力表(9)安装于冷凝器(6)上方；循环泵(10)设置于冷凝器(6)的水侧；电池管理系统(11)通过导线与循环泵(10)和各电池单体(12)连接。10.根据权利要求9所述的储能电站浸没式相变冷却装置，其特征在于，所述装置还包括喷射孔(8)，设置于储液罐(7)下方，用于在发生异常事故时，通过喷射孔(8)将放热后的相变工质向高温点喷射。

技术总结
本发明属于储能电站热管理技术领域，具体涉及一种储能电站浸没式相变冷却方法、系统和装置，旨在解决空气冷却电池热管理系统散热效果差、换热效率低。本发明包括：将储能电站的电池组浸没于液态相变工质中，实时获取电池温度T、系统内部压力Pa及时刻t；基于所述系统内部压力Pa处于预设的系统压力限值区间，保持系统运行或停止系统运行并启动自检；基于所述电池温度T处于预设的循环温度判断区间，进行冷凝器水侧循环泵的开启、保持或关闭；通过相变工质的吸收电池热量，并将所述电池热量携带至冷凝器处放热后，回到电池组位置，完成储能电站浸没式相变冷却。本发明采用无泵自循环的冷却策略，在保证电池温度安全的同时可有效降低冷却功耗。却功耗。却功耗。


技术研发人员：阮琳 王军
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/5