一种电池储能系统热管理方法与流程

本发明涉及储能系统领域，具体涉及一种基于液冷的电池储能系统热管理方法。

背景技术：

1、储能系统可为电网提供调峰、黑启动等多种服务，促进新能源消纳，而电化学储能是大规模储能技术的重要发展方向。预制舱式电池储能系统凭借突出的灵活便捷性正逐渐成为大规模电化学储能系统的一种主流形式。与传统固定式储能电站相比，预制舱式电池储能系统具有安装建设周期短、占地面积小、移动灵活等优点。但另一方面，预制舱空间密闭，随着系统容量越来越大，电池密集程度越来越高，对高效散热的要求也不断提升。锂电池运行温度以及电池之间的温度一致性对储能系统的整体寿命和安全运行有重要影响。

2、锂离子电池热管理系统的设计，要根据电池运行的要求以及锂离子电池工作期间所要经受的内、外热负荷的状况，采用一种或者多种热管理技术来控制电池内、外部的热交换。目前，锂离子电池的冷却方式主要包括空气冷却、液体冷却、相变冷却和热管冷却。空冷具有结构简单、成本低等优点，但散热速度和散热效率都不高，并且很难维持单体电池温度均一性。这使得空气冷却比较适用于电池产热率较低的场合。液冷的散热速度和散热效率较高，易于保证电池温度均匀性，其成本介于空气冷却和相变冷却/热管冷却之间。随着锂电池容量、能量密度以及工作倍率的提高，人们对电池系统散热有了更高的要求，液冷的技术经济优势凸显了出来。目前大部分的电动汽车都采用了液冷系统。在储能应用场合，尽管空冷仍是主要的冷却方式，但系统紧凑化、集约化发展带来了更高的散热需求，液冷正在开始推广应用。因此需要对储能系统的液冷热管理方案进行设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电池储能系统热管理方法，该方法可以改善电芯散热及温度均衡效果，提高电池包及其中电芯的温度均匀性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电池储能系统热管理方法，当电池温度超过设定范围时，通过电池管理系统控制液冷系统的液冷机组工作，将电池温度控制至20-25℃区间；该方法包括制冷和制热两种工作模式：

3、制冷工作模式：当单体电池最高温度tcell_max>t1时，电池管理系统给液冷机组下发指令，包括液温目标值tset1和回差δtmargin1；该指令一直维持至单体电池最高温度tcell_max降至25℃；在指令维持期间，若液冷机组出口实际液温比目标值高δtmargin1，启动制冷；若液冷机组出口实际液温比目标值低δtmargin1，停止制冷；通过回差的设置防止机组频繁启动和关闭；

4、制热工作模式：当单体电池最低温度tcell_min<t2时，电池管理系统给液冷机组下发指令，包括液温目标值tset2和回差δtmargin2；该指令一直维持至单体电池最高温度tcell_min升至20℃；在指令维持期间，与制冷过程同理，通过回差控制制热启停。

5、进一步地，对于制冷工作模式，t1＝30℃，tset1＝18℃，δtmargin1＝3℃，即当单体电池最高温度tcell_max>30℃时，电池管理系统给液冷机组下发指令，包括液温目标值tset1＝18℃和回差δtmargin1＝3℃；在指令维持期间，液冷机组出液温度高于21℃时启动制冷，液冷机组出液温度低于15℃时关闭制冷；

6、对于制热工作模式，t2＝15℃，tset2＝30℃，δtmargin2＝5℃，即当单体电池最低温度tcell_min<15℃时，电池管理系统给液冷机组下发指令，包括液温目标值tset2＝30℃和回差δtmargin2＝5℃；在指令维持期间，液冷机组出液温度低于25℃时启动制热，液冷机组出液温度高于35℃时关闭制热。

7、进一步地，所述液冷系统包括液冷板、液冷管路和液冷机组，所述液冷板的数量与电池储能系统中电池模组的数量相适应，各个液冷板分别设置于相应的电池模组下侧并与电芯底部接触，液冷板与电池模组集成在电池包内；所述液冷管路包括主进液管、电池柜进液支管、电池包进液支管、电池包出液支管、电池柜出液支管和主出液管，各个液冷板的进、出液口分别连接电池包进、出液支管，单个电池柜的所有电池包进、出液支管分别并联连接电池柜进、出液支管，所有电池柜进、出液支管分别并联连接主进、出液管，主进、出液管连接液冷机组。

8、进一步地，所述电池储能系统包括k个子系统，每个子系统由n个电池柜并联组成，所述n个电池柜沿横向并排设置，每个电池柜由m个电池包串联组成，所述m个电池包沿竖向层层叠放，每个电池包包括a×b个串联的电芯，所述a×b个串联的电芯按a排b列沿水平方向阵列设置；所述液冷系统对应k个子系统配设k套液冷管路和k台液冷机组。

9、进一步地，所述液冷板中开设有类u形流道，所述类u形流道由进液侧流道、底部流道和出液侧流道构成，进、出液侧流道分别连接电池包进、出液支管；所述进液侧流道包括若干进液支流道，所述出液侧流道包括若干出液支流道，各进液支流道汇流进入底部流道后分配至各出液支流道；所有进液支流道、底部流道及出液支流道与电池包中所有电芯底部接触，以与所有电芯换热，实现所有电芯的散热。

10、进一步地，如果电池包中设置奇数列电芯，即b为奇数，则所述进液侧流道还包括一流道宽度为进液支流道一半的进液半支流道，所述出液侧流道还包括一流道宽度为出液支流道一半的出液半支流道，所述进液半支流道和出液半支流道均与中间列电芯底部接触。

11、进一步地，所述进液支流道、底部流道及出液支流道的流道宽度通过如下公式计算：

12、

13、式中，d为流道宽度，w为单电芯厚度，a为换热面面积，其通过如下公式计算得到：

14、pcell＝h·δt·a

15、式中，pcell为单电芯换热功率，h为液冷板与冷却液的传热系数，δt为冷却液与液冷板壁面温差；

16、所述液冷板中的流道高度通过如下公式计算得到：

17、ppack＝cρvδtrise＝cρvh·zd·δtrise

18、式中，ppack为电池包最大发热功率，c为冷却液比热容，ρ为冷却液密度，v为冷却液流量，δtrise为冷却液温升，v为冷却液流速，h为流道高度，z为根据支流道数量确定的流道系数。

19、进一步地，所述主进液管和主出液管沿横向设置于电池柜上侧，各个电池柜进、出液支管均沿竖向延伸并分别通过三通与不同层上的电池包进、出液支管连接；不同层上的三通的水平方向接口孔径从上往下逐层增大或每隔若干层增大一次，以减小下层管道流阻，使不同高度上的电池包中的冷却液流量均衡。

20、进一步地，每个电池包下表面均喷涂保温涂层，以减小电池包下表面与空气温差，进而减少冷凝水产生；每个电池包前侧上方均布置一根排水槽，以防止顶部冷凝水滴落到电池包前侧的高低压接插件上；所有排水槽均由排水管连通并引至用于放置电池柜的电池舱外；所有电池柜在电池舱中紧密排列，以减少电池舱内空气含量，从而降低水蒸气量；所述电池舱的防水等级达ipx5，以减少外界空气与舱内空气对流，避免过多水汽进入电池舱；电池舱内配置除湿空调。

21、进一步地，对电池储能系统进行热管理过程中，按如下方法控制除湿空调运行：

22、1)当液冷机组制冷，且环境温度tambt＞25℃或湿度rh＞50％时，开启除湿空调；

23、2)将控制目标设置为环境温度目标tambt_set＝22℃，湿度目标rhset＜60％，即当环境温度tambt达到不高于22℃且湿度rh＜60％时，转步骤3)；

24、3)判断液冷机组是否待机，是则关闭除湿空调，否则继续执行步骤2)。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法提供了当电池温度超限时，通过电池管理系统控制液冷系统的液冷热管理方法，将电池温度控制至20-25℃区间，从而改善电芯散热及温度均衡效果，提高电池包及其中电芯的温度均匀性。此外，该方法还提供了相应的液冷系统，该系统通过液冷板及液冷管路的设计，使液冷板可以与电芯可靠、充分换热，并让冷却液在各电池包中的流量均衡，温升稳定，从而提高了预制舱式电池储能系统中液冷系统的散热速度和散热效率，保证了电池包及其中电芯的温度均匀性。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。