一种浸没式双介质独立闭环储能冷水机系统及控制方法与流程

本发明涉及电池储能系统热管理，具体涉及适配液冷电池包与储能变流器（pcs）差异化热管理需求的双介质独立闭环冷水机系统及控制方法。

背景技术：

1、伴随新能源产业的迅猛发展，储能系统作为平抑电网波动、提升能源利用效率的核心装备，正朝着高倍率充放电、大容量集成及低能耗运行的方向迭代演进，相关技术指标持续升级。

2、液冷散热技术因具备散热效能高、温控精度准、运行噪声低的核心优势，已成为中大功率储能系统的核心技术配置。当前，集成液冷电池包、储能变流器（pcs）、高压配电模块、热管理单元及消防组件的储能液冷一体柜，已实现规模化应用，这一趋势对热管理系统的介质适配灵活性、能耗控制精准度、运行安全可靠性及极端环境适应能力提出了愈发严苛的要求。

3、现有储能液冷一体柜主流采用单循环回路或双循环回路两种设计方案，两类方案均以pcs冷却液冷却液作为单一换热介质。pcs冷却液冷却液凭借防冻性能优良、导热系数适中、成本可控及化学稳定性强的特点，成为储能热管理领域的常规选择。

4、然而，从负载端热管理需求来看，电池包与pcs的散热诉求存在显著差异，对换热介质的性能要求截然不同。

5、一方面，电池包内的高倍率电芯需维持25~35℃的最佳工作区间，温度波动需控制在±2℃以内，且电芯冷板流道窄、与高压极耳直接接触，对介质的绝缘性、热稳定性及渗透力提出极高要求。现有常用乙二醇介质冷水机在电池侧存在一定的短板：其一，乙二醇介质具有导电性，若管路或冷板密封失效发生泄漏，极易引发电芯短路、热失控等事故；其二，其长期使用温度上限低，易发生氧化分解生成油泥，堵塞窄流道导致局部散热失效；其三，低温流动性差，在- 30℃以下极端环境需额外添加防冻剂，仍存在结冰风险或增加特殊配置，无法适配高原、极端寒区场景。油冷介质（如酯类油等储能专用绝缘油）可以弥补上述缺陷：完全绝缘不导电，可彻底杜绝泄漏短路风险；化学稳定性强且更换周期长于乙二醇；同时粘度适中、渗透力强，可填充电芯窄流道保障散热均匀，天然具备防冻性能无需额外措施，是电池侧热管理的最优选择。

6、另一方面，pcs侧igbt散热的核心需求是 “高效导出局部集中热量”，而非“精准恒温”，供液温度控制在 60℃以下即可安全运行。pcs 侧回路的igbt散热冷板流道设计细密、管路布局紧凑，流阻大，流量小，且散热通道与高压部件通过密封结构隔离，对介质的绝缘性无刚性需求。若冷水机系统在 pcs侧使用油冷介质则存在明显性能冗余及适配缺陷：其一，油冷介质成本远高于乙二醇，且粘度更高，适配pcs侧高流阻、小流量工况需配置高功率专用油泵，既提升系统功耗，又因耐油管路、密封件选型增加设备成本；其二，现有pcs热管理系统已适配成熟冷却液方案，管路、冷板等均为水基兼容设计，无需重构即可联动，落地及维护便捷，全油冷则需重新匹配流道、泵体及密封系统，兼容性差、周期长。

7、综上，现有单介质储能冷水机的核心矛盾在于“用单一介质强行适配差异化需求”：全水基乙二醇方案无法保障电池侧高安全、高倍率散热需求，全油冷方案则在 pcs 侧存在适配性差、成本激增、能效下降的问题，两者均无法兼顾系统的安全性、经济性与可靠性。上述缺陷已成为制约储能系统向更高倍率、更大容量、更极端环境适配方向发展的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种浸没式双介质独立闭环储能冷水机系统及控制方法，通过构建电池侧油冷和pcs侧采乙二醇的双介质独立闭环架构，实现回路物理隔离、介质按需分配，既发挥油冷介质在电池侧的安全优势，又保留乙二醇介质在 pcs 侧的适配性与成本优势，解决现有单介质方案的核心痛点，以及克服现有储能冷水机无法兼顾电池包与储能变流器（pcs）差异化热管理需求的核心问题。

2、为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：一种浸没式双介质独立闭环储能冷水机系统，包括两独立运行的pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路，其创新点在于：

3、所述电池侧制冷回路分为压缩机制冷系统和冷却液循环回路，且二者之间通过蒸发器实现热量交换，所述冷却液循环回路与电池冷板密封连接形成独立闭环，

4、所述pcs侧制冷回路与pcs冷板密封连接形成独立闭环，

5、所述pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路各自制冷回路中的换热介质不同，所述pcs侧制冷回路采用pcs冷却液作为换热介质，所述电池侧制冷回路采用专用电池冷却液作为换热介质，所述pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路之间设置有换热器，且所述换热器作为两回路之间唯一的间接换热通道，两种不同换热介质在换热器的内部流道完全物理隔离，

6、所述pcs 侧制冷回路与换热器的pcs侧流道之间设有电磁三通阀，所述电磁三通阀与中央控制单元电连接，用于控制 pcs侧换热介质的流通路径，实现pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路的两回路独立换热或协同换热的模式切换，以及杜绝两种介质混合。

7、在上述第一个技术方案中，所述电池侧制冷回路中的换热介质采用的专用电池绝缘冷却液，可以是硅油、氟化液、碳氢冷却液中的任意一种。

8、在上述第一个技术方案中，所述pcs侧制冷回路中的换热介质是纯水或由水和乙二醇水溶液构成的混合液。

9、在上述第一个技术方案中，所述pcs侧制冷回路通过第一进液口和第一出液口与pcs冷板对应的接口密封式固定连接，并形成完整且独立的循环流道，持续为pcs冷板输送低温冷却液，实现pcs散热降温，所述pcs侧制冷回路设有pcs侧水泵、水风换热器、膨胀罐支路及第一压力温度监控组件，所述第一进液口通过pcs侧水泵与水风换热器的进口管路连接，所述电磁三通阀的第一阀口连接水风换热器的出口水路a，第二阀口连接换热器的进口水路b，第三阀口并联接入换热器的出口水路c，所述换热器的出口与第一出液口连通，所述膨胀罐支路并联接入pcs侧水泵的进水口，用来实现系统稳压，所述第一压力温度监控组件设置在pcs侧制冷回路与pcs冷板之间的循环流道中。

10、在上述第一个技术方案中，所述第一压力温度监控组件包括第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器和第二温度传感器，

11、所述第一进液口和pcs侧水泵进水口之间连接的管路上设有第一压力传感器和第一温度传感器，用来采集供液压力和温度，以及该管路上还设有第一注排液口，用于冷却液的加注、排放及定期补充，

12、所述第一出液口和换热器的出口水路c之间连接的管路上设有第二压力传感器和第二温度传感器，用来采集回液压力和温度。

13、在上述第一个技术方案中，所述电磁三通阀可调节至全关、全开或 0~180° 任意开度，实现 pcs 侧冷却液全走水路c、全走水路b或b、c流量分配，

14、当所述电磁三通阀处于全关状态，所述pcs侧制冷回路中的冷却液完全由水路a流至水路c，即pcs侧制冷回路与换热器断开，并独立运行，

15、当所述电磁三通阀处于全开状态，冷却液完全由水路a流至水路b，所述pcs侧制冷回路中的冷却液全部进入换热器，与电池侧冷却液进行换热，

16、当所述电磁三通阀处于0~180°任意角度时，水路b与水路c并联运行，即冷却液同时经过b水路和c水路，实现冷却液量的精准调控。

17、在上述第一个技术方案中，所述冷却液循环回路通过第二进液口和第二出液口与电池冷板密封式固定连接，并形成完整且独立的循环流道，持续为电池冷板提供低温冷却液，实现电池散热降温，所述冷却液循环回路包括油泵、膨胀水箱结构、温度补偿支路及第二压力温度监控组件，所述第二进液口通过膨胀水箱结构与油泵的进口相连通，所述油泵的出口与换热器的进口液路m相连通，所述换热器的出口液路n经蒸发器与第二出液口相连通，所述温度补偿支路并联接入蒸发器的冷却液进口d和冷却液出口e之间，所述第二压力温度监控组件设置在冷却液循环回路与电池冷板之间的循环流道中。

18、在上述第一个技术方案中，所述第二压力温度监控组件包括第三压力传感器、第三温度传感器、第四压力传感器和第四温度传感器，

19、所述第二进液口与膨胀水箱结构之间的连接的管路上设有第三压力传感器和第三温度传感器，用来采集供液压力和温度，以及该管路上还设有第二注排液口，用于冷却液的加注、排放及定期补充，

20、所述第二出液口与换热器之间连接的管路上设有第四压力传感器和第四温度传感器，用来采集回液压力和温度。

21、在上述第一个技术方案中，所述温度补偿支路由ptc加热器和节流阀串联组成，所述节流阀与中央控制单元电连接，可调节支路冷却液流量，构建成为主路换热和支路加热的双路径温度调控模式。

22、在上述第一个技术方案中，所述膨胀水箱结构内置液位计和液位开关，用于监测冷却液的液位，当液位低于预设阈值时，触发自动补液指令。

23、在上述第一个技术方案中，所述换热器的油侧流道串联接入电池侧冷却液循环回路的油泵出口端与蒸发器的冷却液进口d之间，且其pcs侧流道串联接入pcs侧制冷回路。

24、在上述第一个技术方案中，所述压缩机制冷系统包括压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述压缩机的出气口通过冷凝器和膨胀阀与蒸发器的制冷剂进口f密封连通，所述蒸发器的制冷剂出口g与压缩机的进气口密封连通，使蒸发器的制冷剂侧流道串联接入所述压缩机制冷系统中，并共同构成制冷剂闭环循环。

25、在上述第一个技术方案中，所述pcs侧制冷回路的水风换热器与压缩机制冷系统的冷凝器共用一组散热风机，该散热风机的出风端对应朝向水风换热器的换热面及冷凝器的换热面设置。

26、为了达到上述目的，本发明的第二个技术方案是：一种浸没式双介质独立闭环储能冷水机控制方法，包括上述的浸没式双介质独立闭环储能冷水机系统，其创新点在于：具体包括如下步骤：

27、预设电芯超温阈值为tb-max，电芯低温阈值为tb-min，电芯停止加热阈值tb-heat，电芯停止制冷阈值tb-cool，pcs超温阈值为tp-max，

28、s1，当液冷一体柜的运行状态为充放电阶段时，所述pcs 侧制冷回路处于运行，且根据电芯温度调控电池侧制冷回路的启停，

29、根据电芯实时温度tb、电芯温差δt b及pcs 侧供液温度tp，控制电池侧制冷回路切换至待机模式、自动模式、加热模式或自循环模式，

30、s2，当液冷一体柜的运行状态为静置时，所述pcs侧制冷回路处于待机模式，且根据电芯温度调控电池侧制冷回路的启停，

31、根据电芯实时温度tb、电芯温差δt b及pcs 侧供液温度tp，控制电池侧制冷回路切换至待机模式、自动模式、加热模式或自循环模式。

32、在上述第二个技术方案中，在步骤s1中，

33、s11：若电芯温度正常，tb-min

34、s12：若电芯温度过高，tb＞tb-max，则切换为自动模式，所述电池侧制冷回路的压缩机制冷系统启动，对电芯执行强制制冷，

35、s13：若电芯温度过低，tb＜tb-min，则切换为加热模式，启动电池侧制冷回路中温度补偿支路的加热器，对电芯执行强制加热。

36、在上述第二个技术方案中，在步骤s2中，

37、s21：若电芯温度处于正常区间，tb-min

38、s22：若电芯温度过高，tb＞tb-max，则电池侧制冷回路切换为自动模式，所述电池侧制冷回路的压缩机制冷系统启动，对电芯执行强制制冷，

39、s23：若电芯温度过低，tb＜tb-min，则电池侧制冷回路切换为加热模式，启动电池侧制冷回路中温度补偿支路的加热器，对电芯执行强制加热。

40、在上述第二个技术方案中，在步骤s12中，当所述电池侧制冷回路执行制冷时，若电芯实时温度降至tb＜tb-cool，立即停止制冷动作，及压缩机制冷系统停止运行。

41、在上述第二个技术方案中，当电池侧制冷回路处于加热模式执行升温时，若电芯实时温度升至tb>tb-heat，停止加热动作；

42、若电池侧制冷回路经过制冷或加热动作后，且电芯温差仍满足δtb大于δt，则电池侧切换到自循环模式；

43、电池侧制冷回路处于自循环模式后，若检测到电芯温差小于δt-2，则冷水机待机；若电芯温差仍大于δt-2，则继续运行自循环模式，仅电池侧制冷回路中的油泵启动运行，压缩机制冷系统中的压缩机、温度补偿支路的加热器同步锁定停机。

44、在上述第二个技术方案中，当环境温度在-10~50℃时，电磁三通阀处于全关状态，此时pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路的两个回路独立换热，pcs侧冷却液与电池侧冷却液不进行热交换，

45、当处于环境温度小于-10℃的低温工况时或环境温度大于50℃的高温工况时，所述电磁三通阀处于全开状态或0~180°任意开度，此时pcs侧制冷回路的冷却液通过换热器与电池侧制冷回路的冷却液进行热交换。

46、在上述第二个技术方案中，当环境温度＞50℃且tp>tp-max时，启动压缩机制冷系统，开启电磁三通阀，通过换热器实现低温电池冷却液与高温pcs冷却液的间接换热，达到降低pcs侧供液温度的目的；

47、当环境温度＜-10℃且tb＞tb-max时，开启电磁三通阀；

48、当液冷一体柜处于充放电阶段，通过换热器实现两回路间接换热降温；

49、当液冷一体柜处于静置阶段，所述pcs侧制冷回路由待机模式切换至运行模式，耦合压缩机制冷系统输出的冷源，对电池侧的电池冷却液进行双重降温调控，直至温度降至预设阈值。

50、在上述第二个技术方案中，在步骤s1中，若环境温度>50℃，且pcs侧供液温度tp超出预设上限阈值tp-max，即pcs侧供液超温，此时触发双回路协同换热机制，具体执行动作如下：

51、所述压缩机制冷系统切换至自动模式，同时开启电磁三通阀，使电池侧循环回路的低温电池冷却液与pcs侧循环回路的高温pcs冷却液，在换热器内通过互相独立隔绝的流道完成间接热交换，利用介质间的温差实现热量传递，对pcs冷却液降温，

52、在步骤s1中，若环境温度<-10℃，且电芯温度超出预设上限阈值tb＞tb-max，所述电池测制冷回路处于自动模式，此时触发双回路协同换热机制，具体执行动作如下：开启电磁三通阀，使电池侧循环回路的冷却液与pcs侧循环回路的冷却液，在换热器内通过互相独立隔绝的流道完成间接热交换，利用换热介质间的温差实现热量传递。

53、在上述第二个技术方案中，在步骤s2中，环境温度低于-10℃，且电芯温度超出预设上限阈值tb＞tb-max，所述电池侧压缩机制冷系统已处于自动控制模式，此时触发双回路协同强化换热机制，具体执行动作如下：

54、所述pcs侧制冷回路由待机模式切换至运行模式，同步开启电磁三通阀，与换热器形成通路，使电池侧循环回路的冷却液与 pcs 侧循环回路的冷却液，在换热器内通过互相独立隔绝的流道完成间接热交换，利用介质间的温差实现初步热量传递；同时耦合压缩机制冷系统输出的冷源，对电池侧冷却液进行双重降温调控，最终将电池侧冷却液温度精准降至预设阈值范围以内。

55、本发明所具有的积极效果是：采用本发明的浸没式双介质独立闭环储能冷水机系统及控制方法后，由于本发明系统所述电池侧制冷回路分为压缩机制冷系统和冷却液循环回路，且二者之间通过蒸发器实现热量交换，所述冷却液循环回路与电池冷板密封连接形成独立闭环，

56、所述pcs侧制冷回路与pcs冷板密封连接形成独立闭环，

57、所述pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路各自制冷回路中的换热介质不同，所述pcs侧制冷回路采用pcs冷却液作为换热介质，所述电池侧制冷回路采用专用电池冷却液作为换热介质，所述pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路之间设置有换热器，且所述换热器作为两回路之间唯一的间接换热通道，两种不同换热介质在换热器的内部流道完全物理隔离，

58、所述pcs 侧制冷回路与换热器的pcs侧流道之间设有电磁三通阀，所述电磁三通阀与中央控制单元电连接，用于控制 pcs侧换热介质的流通路径，实现pcs侧制冷回路和电池侧制冷回路的两回路独立换热或协同换热的模式切换，以及杜绝两种介质混合；

59、而控制方法的具体包括如下步骤：

60、预设电芯超温阈值为tb-max，电芯低温阈值为tb-min，电芯停止加热阈值tb-heat，电芯停止制冷阈值tb-cool，pcs超温阈值为tp-max，

61、s1，当液冷一体柜的运行状态为充放电阶段时，所述pcs 侧制冷回路处于运行，且根据电芯温度调控电池侧制冷回路的启停，

62、根据电芯实时温度tb、电芯温差δt b及pcs 侧供液温度tp，控制电池侧制冷回路切换至待机模式、自动模式、加热模式或自循环模式，

63、s2，当液冷一体柜的运行状态为静置时，所述pcs侧制冷回路处于待机模式，且根据电芯温度调控电池侧制冷回路的启停，

64、根据电芯实时温度tb、电芯温差δt b及pcs 侧供液温度tp，控制电池侧制冷回路切换至待机模式、自动模式、加热模式或自循环模式；

65、本发明设计的好处在于：

66、（1）本发明提供的浸没式双介质独立闭环储能冷水机系统，可精准适配电池包与pcs 侧的差异化工况，兼顾0.5c 及以上高倍率散热与系统高效运行需求：电池侧采用绝缘油介质，其渗透力优异，能稳定承受高倍率电芯热负荷，将电芯温度波动精准控制在±2℃以内，有效保障电芯一致性，延长电池循环寿命；pcs侧沿用低粘度乙二醇介质，适配其高流阻、小流量工况特点，无需配置高功率泵体即可快速导出igbt局部集中热量，规避单介质强行适配导致的冷量浪费或散热不足问题。pcs侧通过水风换热器进行热对流换热，可以削减压缩机制冷系统的制冷量供给需求，从而降低整体制冷功耗，显著提升系统综合换热效率。

67、（2）本发明通过双独立闭环架构与协同换热控制策略，大幅提升系统安全性、运行能效及极端环境适配能力：两套回路采用物理隔离设计，彻底杜绝不同介质相互干扰的风险；本发明通过换热器为两侧回路搭建了间接换热通道。常规工况下，两套回路独立运行，实现按需控温；极端高温环境中，电池侧低温冷却液作为额外冷源，通过该换热器对pcs侧冷却液进行进一步降温，解决了高环温工况下的散热瓶颈；极端低温环境中，则借助为pcs侧冷源，耦合压缩机制冷系统输出的冷量，为电池侧冷却液进行双重降温调控，确保系统供液温度稳定在预设阈值范围内。