一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统及方法

1.本发明涉及电池保温散热技术领域，特别涉及一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统及方法。


背景技术：

2.锂电池是集装箱储能系统的核心部件，对工作温度有严格要求。通常情况下，储能箱体中紧密排布的电池组在充、放电时会产生大量的热，若不能快速排出，电池组之间会出现热量聚集、运行温差大等问题，这就需要进行可靠的散热来维持系统正常运行；当系统处于低温环境且长时间未启用时，电池组温度达不到最低工作温度，需要采取措施使电池组升温；此外为维持系统在低温环境下正常工作，需要对系统控制柜进行保温。
3.目前，储能集装箱最常用的冷却方式是风冷，部分高端产品会采用液冷。风冷结构简单、便于安装、成本较低，但不能满足大电容量储能系统的散热需求，且进出口电池组之间的温差大，即电池散热不均匀；液冷散热优于风冷，但系统复杂、体积庞大、价格昂贵，并且安装维护难度大，无法广泛应用；已有的相变材料冷却技术将相变材料覆盖到电池表面或者夹合在相邻电池之间，在实验中表现出了良好的热效率，但相变材料本身不具备散热能力，需安装液冷装置配合散热。
4.因此，有必要提供一种将液冷装置与相变材料相结合的基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统及方法。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
6.一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统，包括：
7.电池舱，所述电池舱内部设置有电池模块；
8.控制室，所述控制室内部设置有第一相变材料回收腔、第二相变材料回收腔、系统控制柜和材料罐，所述第一相变材料回收腔和所述第二相变材料回收腔分别连接于所述控制室内壁上，所述系统控制柜连接于所述第一相变材料回收腔一侧，所述第二相变材料回收腔底端设置有第三液体管路，所述第二相变材料回收腔通过所述第三液体管路与所述材料罐连接，所述电池舱底端分别通过管路与所述材料罐和所述第一相变材料回收腔连接；
9.温控机构，所述温控机构设置于所述电池舱和所述控制室之间，所述温控机构通过管路分别与所述第一相变材料回收腔、第二相变材料回收腔、所述材料罐和所述电池舱连接，所述温控机构与所述系统控制柜电连接。
10.进一步的，所述电池模块包括多个电池组密封腔，所述电池组密封腔内壁上安装有雾化装置和电池架，所述电池架下方安装有倾斜挡板，所述倾斜挡板下方与所述电池组密封腔的内壁相连形成液体收集槽。
11.进一步的，所述电池组密封腔设置有内密封门和外密封门，所述内密封门底端与所述倾斜挡板连接，所述内密封门顶端与所述电池组密封腔顶端连接，所述外密封门连接
于所述电池组密封腔外侧，所述电池组密封腔、所述倾斜挡板和所述内密封门形成内侧换热空间，所述电池组密封腔、所述倾斜挡板、所述外密封门和所述内密封门形成外侧空间，所述外侧空间用于放置接线盒。
12.进一步的，所述雾化装置包括雾化喷头和旋转盘，所述雾化喷头连接于所述电池组密封腔内部顶端，所述旋转盘连接于所述电池组密封腔远离所述电池架的侧壁上。
13.进一步的，所述电池舱内部顶端设置有第一液体管路和第二气体管路，底端设置有第二液体管路，所述第一液体管路、所述第二气体管路和所述第二液体管路均与所述电池组密封腔连通，所述第二液体管路通过第一支路与所述材料罐连接，所述第一支路上设置有第二液泵，所述第二液体管路通过第二支路与所述第一相变材料回收腔连接。
14.进一步的，所述电池组密封腔顶端与所述第一液体管路之间设置有液压调节装置，所述雾化喷头与所述液压调节装置相连接。
15.进一步的，所述温控机构包括气泵和加热装置，所述气泵和所述加热装置设置于所述电池舱和所述控制室之间，所述材料罐通过第三支路与所述加热装置连接，所述第三支路上设置有第一液泵，所述第三支路通过第四支路与所述第一液体管路连接，所述第四支路与所述加热装置之间的所述第三支路上设置有第二阀门，所述第四支路上设置有第一阀门，所述第二相变材料回收腔一侧设置有第一气体管路，所述第一气体管路上设置有第三阀门，所述第三阀门用于控制所述第一气体管路的开闭，所述第一气体管路通过第五支路与所述加热装置连接，所述第五支路上设置有第六阀门，所述第一相变材料回收腔顶端一侧设置有第三气体管路，所述第一气体管路通过第六支路与所述第三气体管路的中间段连接，所述第三气体管路一端与所述气泵连接，所述气泵远离所述第三气体管路的一端与所述第二气体管路通过第七支路管路连接，所述第七支路上设置有第七阀门，所述气泵远离所述第三气体管路的一端通过第八支路与所述第三气体管路连接，所述第八支路上设置有第四阀门，所述第八支路和所述第六支路之间的所述第三气体管路上设置有第五阀门。
16.进一步的，所述气泵一侧连接有气压调节装置，所述气压调节装置用于调整改变系统内部气压并保证密封。
17.进一步的，所述加热装置为双层矩形箱体，内层为密封腔且分别与所述第三支路和所述第五支路连通，外层为保温层，内层和外层之间安装有加热板。
18.一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控方法，包括以下步骤：
19.当电池温度过高时，进入散热模式，处于散热模式时，打开第一阀门、第三阀门和第七阀门，关闭第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，材料罐内的相变材料在第一液泵的作用下进入电池组密封腔内对电池进行降温，相变材料受热后汽化并通过第二气体管路流入气泵内，在气泵的作用下相变材料流入第二相变材料回收腔，第二相变材料回收腔与材料罐连通形成散热循环；
20.当电池温度过低时，进入保温模式，处于保温模式时，打开第二阀门、第六阀门和第七阀门，关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门，材料罐内的相变材料在第一液泵的作用下进入加热装置内加热，加热汽化后的相变材料进入气泵，在气泵的作用下通过第二气体管路进入电池组密封腔内对电池进行保温，相变材料降温后液化并在第二液泵的作用下流回材料罐，形成保温循环。
21.本发明的有益效果在于：
22.1.设置雾化装置使液态相变材料充分扩散，雾化的液体相变材料在腔体内充分扩散并产生热对流，利用热对流与相变原理对电池进行冷却，能够满足更大的散热需求，保证散热效果。
23.2.设置多个电池组密封腔使每组电池独立散热，不仅能减小电池组间的温差，而且能使结构模块化，相比于液冷，在保证可靠散热的前提下能够减轻质量、简化结构，便于安装维护。
24.3.处于散热模式时，液态相变材料在低压的电池组密封腔内汽化吸热，由气泵吸入高压的相变材料回收腔液化放热，能够直接转移从电池吸收的热量，不需要其他方式配合散热。
25.4.低温环境下，能够利用电池组工作时排出的热量对控制元件进行保温，降低能量消耗，经济性好。
26.5.系统保温和散热两种模式共用多处管道，可通过改变气泵抽气方向和阀门开闭转换系统运行模式，简化结构，便于安装维护。
27.6.系统处于保温模式时，利用气态相变材料液化放热使电池组升温，电池组在加热过程中温度一致，不会局部过热，安全系数好。
28.7.采用相变冷却方式，相比于风冷冷却效果更好，能够满足更大的散热需求；相比于液冷，在可靠散热的前提下又能够减轻质量、简化结构，以便于安装维护。
附图说明
29.图1为本发明一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统的示意图。
30.图2为图1的a-a部分放大图。
31.图3为本发明一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统的仰视图。
32.图4为本发明一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统的电池模块外部示意图。
33.图5为本发明一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统的电池模块内部结构示意图。
34.图6为为本发明一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统的工作流程图。
35.其中，图中：
36.10-电池舱；11-电池模块；12-电池组密封腔；13-雾化装置；131-雾化喷头；132-旋转盘；14-电池架；15-倾斜挡板；16-内密封门；17-外密封门；101-第一液体管路；102-第二气体管路；103-第二液体管路；104-第一气体管路；105-第三气体管路；2-控制室；21-第一相变材料回收腔；22-第二相变材料回收腔；221-第三液体管路；23-系统控制柜；24-材料罐；3-温控机构；31-气泵；32-加热装置；33-第一液泵；34-第二液泵；41-第一支路；42-第二支路；43-第三支路；44-第四支路；45-第五支路；46-第六支路；47-第七支路；48-第八支路；51-第一阀门；52-第二阀门；53-第三阀门；54-第四阀门；55-第五阀门；56-第六阀门；57-第七阀门；6-液压调节装置；7-气压调节装置。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例一
39.结合图1本实施例提供了一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统，包括电池舱10、控制室2和温控机构3，所述电池舱10内部设置有电池模块11，所述控制室2内部设置有第一相变材料回收腔21、第二相变材料回收腔22、系统控制柜23和材料罐24，所述第一相变材料回收腔21和所述第二相变材料回收腔22分别连接于所述控制室2内壁上，所述系统控制柜23连接于所述第一相变材料回收腔21一侧，所述第二相变材料回收腔22底端设置有第三液体管路221，所述第二相变材料回收腔22通过第三液体管路221与所述材料罐24连接，所述电池舱10底端分别通过管路与所述材料罐24和所述第一相变材料回收腔21连接，所述温控机构3设置于所述电池舱10和所述控制室2之间，所述温控机构3通过管路分别与所述第一相变材料回收腔21、第二相变材料回收腔22、所述材料罐24和所述电池舱10管路连接，所述温控机构3与所述系统控制柜23电连接。
40.所述电池模块11包括多个电池组密封腔12，所述电池组密封腔12内壁上安装有雾化装置13和电池架14，所述电池架14上安装有电池，所述电池架14下方安装有倾斜挡板15，所述倾斜挡板15下方与所述电池组密封腔12的内壁相连形成液体收集槽，液体收集槽的设置更方便收集电池组密封腔底端的液态相变材料；所述电池组密封腔12设置有内密封门16和外密封门17，所述内密封门16底端与所述倾斜挡板15连接，所述内密封门16顶端与所述电池组密封腔12顶端连接，所述外密封门17连接于所述电池组密封腔12外侧，所述电池组密封腔12、所述倾斜挡板15和所述内密封门16形成内侧换热空间，所述电池组密封腔12、所述倾斜挡板15、所述外密封门17和所述内密封门16形成外侧空间，所述外侧空间用于放置接线盒，方便装置的电连接。
41.所述雾化装置13包括雾化喷头131和旋转盘132，所述雾化喷头131连接于所述电池组密封腔12内部顶端，雾化喷头131可将相变材料雾化，对电池的作用效果更加均匀，所述旋转盘132连接于所述电池组密封腔12远离所述电池架14的侧壁上，本实施例中所述旋转盘132通过电机驱动旋转，旋转盘132工作保证雾化后的液态相变材料充分扩散并产生热对流的散热效果，提高系统的散热性能。
42.所述电池舱10内部顶端设置有第一液体管路101和第二气体管路102，底端设置有第二液体管路103，所述第一液体管路101、所述第二气体管路102和所述第二液体管路103均与所述电池组密封腔12连通，所述第二液体管路103一端通过第一支路41与所述材料罐24连接，另一端与所述液体收集槽连通，所述第一支路41上设置有第二液泵34，所述第二液体管路103通过第二支路42与所述第一相变材料回收腔21连接。
43.所述电池组密封腔12顶端与所述第一液体管路101之间设置有液压调节装置6，所述雾化喷头131与所述液压调节装置6相连接，实现雾化喷头131内的液压调节。
44.所述温控机构3包括气泵31和加热装置32，所述气泵31和所述加热装置32设置于所述电池舱10和所述控制室2之间，所述材料罐24通过第三支路43与所述加热装置32连接，所述第三支路43上设置有第一液泵33，所述第三支路43通过第四支路44与所述第一液体管路101连接，所述第四支路44与所述加热装置32之间的所述第三支路43上设置有第二阀门
52，所述第四支路44上设置有第一阀门51，所述第二相变材料回收腔22一侧设置有第一气体管路104，所述第一气体管路104上设置有第三阀门53，所述第三阀门53用于控制所述第一气体管路104的开闭，所述第一气体管路104通过第五支路45与所述加热装置32连接，所述第五支路45上设置有第六阀门56，所述第一相变材料回收腔21顶端一侧设置有第三气体管路105，所述第一气体管路104通过第六支路46与所述第三气体管路105的中间段连接，所述第三气体管路105一端与所述气泵31连接，所述气泵31远离所述第三气体管路105的一端与所述第二气体管路102通过第七支路47管路连接，所述第七支路47上设置有第七阀门57，所述气泵31远离所述第三气体管路105的一端通过第八支路48与所述第三气体管路105连接，所述第八支路48上设置有第四阀门54，所述第八支路48和所述第六支路46之间的所述第三气体管路105上设置有第五阀门55。
45.作为优化，所述气泵31一侧连接有气压调节装置7，所述气压调节装置7用于调整改变系统内部气压并保证密封；所述加热装置32为双层矩形箱体，内层为密封腔且分别与所述第三支路43和所述第五支路45连通，外层为保温层，内层和外层之间安装有加热板，双层结构方便加热和保温，实用性更强。
46.实施例二
47.一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控方法，通过实施例一公开的一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统来实现，包括以下步骤：
48.当电池温度过高时，进入散热模式，处于散热模式时，打开第一阀门、第三阀门和第七阀门，关闭第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，材料罐内的相变材料在第一液泵的作用下进入电池组密封腔内对电池进行降温，相变材料受热后汽化并通过第二气体管路流入气泵内，在气泵的作用下相变材料流入第二相变材料回收腔，第二相变材料回收腔与材料罐连通形成散热循环；
49.当电池温度过低时，进入保温模式，处于保温模式时，打开第二阀门、第六阀门和第七阀门，关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门，材料罐内的相变材料在第一液泵的作用下进入加热装置内加热，加热汽化后的相变材料进入气泵，在气泵的作用下通过第二气体管路进入电池组密封腔内对电池进行保温，相变材料降温后液化并在第二液泵的作用下流回材料罐，形成保温循环。
50.进一步地，本实施例公开的一种基于相变冷却的集装箱储能装置温控方法共包括第一相变材料回收路径、第二相变材料回收路径、第三相变材料回收路径和第四相变材料回收路径，其中第一相变材料回收路径和第二相变材料回收路径用于散热过程，第三相变材料回收路径和第四相变材料回收路径用于保温过程。
51.液体相变材料输入路径：第一阀门开启，第二阀门关闭，材料罐内的相变材料输入至第一液体管路。
52.气体相变材料输入路径：第一阀门关闭，第二阀门开启，材料罐内的相变材料经过加热装置加热输入气泵。
53.第一相变回收路径：打开第一阀门、第三阀门和第七阀门，关闭第四阀门、第五阀门和第六阀门；以第一相变回收路径运行时，回收气态相变材料，电池组为散热状态。
54.第二相变回收路径：打开第一阀门、第三阀门、第五阀门和第七阀门，关闭第四阀门和第六阀门；以第二相变回收路径运行时，回收气态相变材料，在电池组为散热状态的同
时对系统控制柜进行保温。
55.第三相变回收路径：打开第二阀门、第四阀门、第六阀门和第七阀门，关闭第一阀门、第三阀门和第五阀门；以第三相变回收路径运行时，回收气态相变材料，对电池组和系统控制柜进行保温。
56.第四相变回收路径：打开第二阀门、第四阀门和第六阀门，关闭第一阀门、第三阀门、第五阀门和第七阀门；以第四相变回收路径运行时，回收气态相变材料，不再对电池组保温，只对系统控制柜进行保温。
57.基于相变冷却的集装箱储能装置温控系统具体工况如图6所示。
58.具体的，工况过程包括：
59.s101：采集环境温度t。
60.s102：判断环境温度t与一次判别温度t1的关系，当t＞t1时，系统进入散热模式。
61.s103：设定二次判别温度为t2，若t＜t2，则开启第二相变回收路径；若t＞t2，则开启第一相变回收路径。
62.s104：气泵抽气，降低电池组密封腔内的气压。
63.s105：采集电池温度t，判断电池温度t与三次判别温度t3的关系，若t＜t3，则进行下一步温度判别；若t＞t3，则开启液体相变材料输入路径，并控制雾化喷头和旋转盘工作，工作结束后进行下一步温度判别。
64.s106：判断电池温度t与四次判别温度t4的关系，若t＜t4，则系统进入待机状态；若t＞t4，则控制雾化喷头和旋转盘工作对电池进行降温，重复此步骤直至t＜t4，最终系统进入待机状态。
65.s202：在s101步骤后，判断环境温度t与t1的关系，当t＜t1时，系统进入保温模式。
66.s203：采集电池温度t，判断电池温度t与三次判别温度t3的关系，若t＜t3，则开启第三相变材料回收路径；若t＞t3，则系统进入散热模式并开始s102步骤及后续步骤。
67.s204：开启第三相变材料回收路径后，气泵进气，提高电池组密封腔内气压。
68.s205：气态相变材料输入路径开启。
69.s206：再次判定t与四次判别温度t4的关系，若t＜t4，则关闭第三相变材料回收路径，开启第四相变材料回收路径；若t＞t4，则重新进行s203步骤。
70.本实施例中，t1代表电池组能启动的最低温度；t2代表控制系统能正常工作的最低温度；t3代表电池最佳工作区间的最高温度；t4代表电池最佳工作区间的最低温度；电池的最佳工作温度区间为t4～t3，具体数值与制作电池的材料相关。
71.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。