一种风冷电池储能集装箱及热管理方法与流程

1.本发明属于高压电气设备的技术领域，具体涉及一种风冷电池储能集装箱及热管理方法。


背景技术：

2.近年来储能行业快速发展，集装箱式电池储能系统是当前以及未来电池储能系统建设的主要方式。集装箱储能系统电池层级和集装箱层级的热管理水平一直都是衡量储能系统好坏的一个重要标准，也是限制储能系统能量转换效率的一个短板。
3.目前储能集成厂商的热管理系统基本采用电池簇竖直布置、电池包加小风扇抽风以及电池包单面回风设计，竖直布置的电池簇内电芯间的温差较大，往往达到10℃以上，严重制约了储能系统效率的提高；数量庞大的小风扇增加了系统复杂性和控制难度，同时整体可靠性也大幅下降；单面回风必然导致出风口的风速过大，电池包前后端散热差异过大，恶化了电池包内电芯间的均温性；
4.而针对热管理大部分采用控制模块根据电池监测点温度控制空调和轴流风扇的启停，大量的轴流风扇增加了系统运行功耗、失效率和控制保护策略的复杂度，同时空调和轴流风扇的运行时间长，造成了系统能耗高；少部分采用无控制模块，空调根据设备投运前设定的温度区间自动运行，无法根据电池温度和储能系统待机/运行状态调节工作模式，系统的能耗过大。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种风冷电池储能集装箱及热管理方法，通过将水平风道的气流均匀分配至各个竖直风道，再从各个电池包的两侧进入电池包内部，最后从各个电池包的前后端面流出，实现对内部电芯的热管理，其实用性强，便于推广应用。
6.本发明可通过以下技术方案实现：
7.一种风冷电池储能集装箱，在集装箱内部设置有温湿度检测模块和多排风道支架，每排所述风道支架均包括水平风道，所述水平风道的一端与工业空调的出风口连通，在其底面均匀间隔连通有多个竖直风道，每相邻的两个竖直风道之间均设置有多层电池包，它们上下排列，每层电池包的左右两个侧面均分别与对应的竖直风道连通，前后两个侧面上均开设有出风口，并且所有多层电池包的同一层电池包构成电池簇，
8.所述工业空调、温湿度检测模块均与处理器相连，所述处理器用于根据温湿度检测模块采集的电池包内部的各个电芯的温度信息以及集装箱内部的环境温湿度信息，控制工业空调执行强制工作模式或者自动工作模式，以调节各个电芯所处的环境温湿度情况。
9.进一步，每个所述竖直风道对应每层电池包左右两个侧面的位置均采用镂空结构，其镂空结构的周边与对应电池包的壳体位置之间设置有密封结构，所述水平风道与对应竖直风道的位置之间均设置有密封结构。
10.进一步，每层所述电池包均采用方体结构，包括前盖板、后盖板、底板和顶板，在所
述前、后盖板的中央位置设置有出风口。
11.进一步，在所述水平风道的底面对应竖直风道的位置均设置有开口，在所述开口处设置有开度调节机构，所述开度调节机构用于调节从水平风道进入竖直风道的风量。
12.一种基于上文所述的风冷电池储能集装箱的热管理方法，包括以下步骤：
13.步骤一、根据温湿度模块的检测结果，对电芯的温度进行统计，将最低温度记作tmin，最高温度记作tmax；计算各个竖直风道内部的电芯的平均温度，最低平均温度记作tbmin，最高平均温度记作tbmax；
14.步骤二、风冷电池储能集装箱的储能系统处于充放电运行状态，则按照如下控制流程执行，
15.s1、若tmax》预设值1，则工业空调进入强制工作模式进行强制制冷直至tmax≤预设值2，持续一段时间后，停机；否则，执行s2；
16.s2、若tmax》预设值2，则工业空调进入强制制冷直至tmax≤预设值3，储能系统执行降功率运行；否则，执行s3；
17.s3、若tmax》预设值3，则工业空调进入强制制冷直至tmax≤预设值4；否则，执行s4；
18.s4、若tmax≤预设值4且tmin》预设值5，则工业空调退出强制工作模式进入自动工作模式；否则，执行s5；
19.s5、若tmin≤预设值6，则工业空调退出自动工作模式进入强制工作模式进行强制制热直至tmin》预设值5，
20.风冷电池储能集装箱的储能系统处于待机运行状态，则按照如下控制流程执行，
21.s
ⅰ
、若tmax》预设值7，则工业空调进入强制工作模式进行强制制冷直至tmax≤预设值4；否则，执行s
ⅱ
；
22.s
ⅱ
、若tmax≤预设值4且tmin》预设值5，则判断温湿度检测模块检测的湿度值是否大于预设值9，若是，执行工业空调执行除湿操作，否则，判断此时的湿度值是否不大于预设值8，若是，工业空调进入强制工作模式进行强制待机；否则，执行s
ⅲ
；
23.s
ⅲ
、若tmin≤预设值6，则工业空调进入强制工作模式进行强制制热直至tmin》预设值10；
24.同时控制开度调节机构，使进入tbmin所在电芯对应的竖直风道的风量微量增大，使进入tbmax所在电池芯片对应的竖直风道的风量减小。
25.进一步，所述预设值1》预设值2》预设值3》预设值4》预设值5》预设值6，所述预设值7》预设值4》预设值5》预设值10，所述预设值9》预设值8。
26.进一步，所述自动工作模式包括制冷、制热、送风和除湿，所述强制工作模式包括强制制冷、强制制热、强制送风和强制待机。
27.本发明有益的技术效果如下：
28.1、能够取消电池包风扇和电池簇风扇，显著降低了系统复杂度、控制难度和装置故障率，进一步促进系统的能耗降低；
29.2、水平风道与各个竖直风道、每个竖直风道与对应的电池包之间均采用密封设计，确保水平风道的气流能够尽可能地进入各个竖直风道，再经由各个竖直风道从电池包的两侧同时进行各层电池簇，从而能够有效提升工业空调的风机冷却效率，降低电池包的
整体温升；
30.3、采用横向布置的电池簇，水平风道的风量分配相对简单，仅需经由各个竖直风道，就能够从电池包的左右两侧快速有效地进入各层电池簇，而电池簇内部的各个电池包均采用独立的双向回风设计，进入每个电芯的风量都很均匀，使得每个电芯的均温性更好；
31.4、本发明提供的热管理方法智能化地调控工业空调的工作模式，使其与储能系统的工作状态配合，能够满足储能系统运行、待机等多状态下的温湿度控制，并且能够在只控制较少调节机构的前提下自迭代优化风量均匀性和簇内均温性，满足热管理需求，显著降低了热管理能耗，同时将电芯温度控制在较大的温度区间、显著降低温控能耗的同时对集装箱内湿度进行控制，降低了凝露风险。
附图说明
32.图1为从纵向结构上看，本发明的气流在水平风道、竖直风道的流向示意图一；
33.图2为从横向结构上看，本发明的气流在水平风道、竖直风道的流向示意图二；
34.图3为本发明的气流在电池包内部的流向示意图；
35.图4为本发明的电池包的结构示意图；
36.图5为本发明的热管理流程示意图；
37.其中，1-水平风道，2-工业空调，3-竖直风道，4-电池包，41-出风口，42-电芯，5-开度调节机构。
具体实施方式
38.下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
39.如图1-3所示，本发明提出了一种风冷电池储能集装箱，在集装箱内部设置有温湿度检测模块和多排风道支架，每排风道支架均包括水平风道1，该水平风道1的一端与工业空调2的出风口连通，在其底面均匀间隔连通有多个竖直风道3，每相邻的两个竖直风道3之间均设置有多层电池包4，它们上下排列，每层电池包4的左右两个侧面均分别与对应的竖直风道3连通，前后两个侧面上均开设有出风口41，并且所有多层电池包4的同一层电池包构成电池簇，该工业空调2、温湿度检测模块均与处理器相连，该处理器用于根据温湿度检测模块采集的电池包4内部的各个电芯的温度信息以及集装箱内部的环境温湿度信息，控制工业空调2执行强制工作模式或者自动工作模式，以调节各个电芯所处的环境温湿度情况。借助均匀间隔设计的竖直风道，将水平风道内部的气流集中均匀地分配到各个竖直风道中，再经由竖直风道从电池包的左右两侧同时进入各层的电池包内部，最后经由每个电池包前后两侧的出风口流出，如图4所示，构成双向回风设计，这样借助腔体大小之差形成气压差，使得气流快速有效地经由大腔体即水平风道-小腔体即竖直风道-电芯间隙-外部，大大提高了进入竖直风道、各个电池包的风量，有效提高电池包的制冷或者制热，并且以同一层即同一水平面的电池包作为一个电池簇，而非同一列的电池包为同一电池簇，更有利于保证电池簇内各个电池包的均温性，提高储能系统的整体性能。
40.同时，依据风冷电池储能集装箱的储能系统所处的工作状态，处理器控制工业空调执行不同的工作模式，包括强制工作模式、自动工作模式，从而能够执行更加细致的热管理，提升热管理的智能化水平，更好地满足实际应用需要。
41.具体如下：
42.在水平风道1的底面对应竖直风道3的位置均设置有开口，对应的连接部位均设置有密封结构，每个竖直风道3对应每层电池包4左右两个侧面的位置均采用镂空结构，其镂空结构的周边与对应电池包4的壳体位置之间设置有密封结构，该密封结构可以胶水黏贴连接处、也可以是密封圈填充连接处等等，在竖直风道3的镂空位置可以设置承接板，用于承接对应的电池包4，同时也方便密封，这样整个风道可以实现完整密封，从而可显著减少系统风量损失，提高能量利用效率。
43.如图4所示，该电池包4采用方体结构，包括前盖板、后盖板、底板和顶板，包裹设置在均匀间隔排列成方体结构的电芯集合的周围，可以是两排，每排均包括多个电芯42，该电芯集合的左右两侧可以不设置侧面，以便与竖直风道连通，同时在前、后盖板的中央位置设置有出风口41，这样气流经由竖直风道3从电池包4的两侧同时进入电芯间隙，冷却电芯42的大面，再经由电池包4的前后盖板上的出风口流入外部，一方面，气流在电池包4内的流通路径相比行业主流设计方案可显著缩短，有利于提升不同电池周围的气流量均匀性，降低对风机风压的需求；另一方面，电池包前后端面出风的设计相对于行业内普遍采用的单面出风可显著降低出风口风速，进而使电池包内不同电池的散热条件更趋于一致，进而提升不同电池的温度均匀性。
44.在每个开口处均设置有开度调节机构5，该开度调节机构5用于根据各个竖直风道3内部电池包的温度情况，调节从水平风道1进入竖直风道3的风量，从而使水平风道1的气流能够更加智能化地分配到各个竖直风道3，给需求量大的竖直风道分配多点，给需求量小的竖直风道分配少点，提升能量的利用率。
45.该工业空调2可选用更大风量和风压的蒸发侧风机，通过增加系统供风量以降低电芯温度对风量的敏感性，从而更有助于改善电芯均温性。
46.综上，整体风道的构成包括水平风道即大腔体、竖直风道即小腔体以及电芯间隙，其气流流过的腔体从大到小依次锐减，最后它们通过电池包前后端面的出风口与外界连通，在设备运行时，大小腔体、电芯间隙之间由于空间锐减会形成气压差，促使工业空调产生于大腔体的气流能够快速有效地通过小腔体、电芯间隙进入电池包，再由前后端面的出风口流入外部，加之各个连接位置的密封结构设计能够充分提高气流的利用率，减小系统的能量损失，提升储能系统的热管理效果，以便可以取消行业主流设计方案中电池包风扇和电池簇风扇的设计，这样不仅可以显著降低系统故障率，也可显著降低接线难度、系统复杂度和控制难度。
47.如图5所示，本发明还提供了一种基于上文所述的风冷电池储能集装箱的热管理方法，包括以下步骤：
48.步骤一、根据温湿度模块的检测结果，对电芯的温度进行统计，将最低温度记作tmin，最高温度记作tmax；计算各个竖直风道内部的电芯的平均温度，最低平均温度记作tbmin，最高平均温度记作tbmax；
49.步骤二、风冷电池储能集装箱的储能系统处于充放电运行状态，则按照如下控制流程执行，
50.s1、若tmax》预设值1，则工业空调进入强制工作模式进行强制制冷直至tmax≤预设值2，持续一段时间后，停机；否则，执行s2；
51.s2、若tmax》预设值2，则工业空调进入强制制冷直至tmax≤预设值3，储能系统执行降功率运行；否则，执行s3；
52.s3、若tmax》预设值3，则工业空调进入强制制冷直至tmax≤预设值4；否则，执行s4；
53.s4、若tmax≤预设值4且tmin》预设值5，则工业空调退出强制工作模式进入自动工作模式；否则，执行s5；
54.s5、若tmin≤预设值6，则工业空调退出自动工作模式进入强制工作模式进行强制制热直至tmin》预设值5，
55.风冷电池储能集装箱的储能系统处于待机运行状态，则按照如下控制流程执行，
56.s
ⅰ
、若tmax》预设值7，则工业空调进入强制工作模式进行强制制冷直至tmax≤预设值4；否则，执行s
ⅱ
；
57.s
ⅱ
、若tmax≤预设值4且tmin》预设值5，则判断温湿度检测模块检测的湿度值是否大于预设值9，若是，执行工业空调执行除湿操作，否则，判断此时的湿度值是否不大于预设值8，若是，工业空调进入强制工作模式进行强制待机；否则，执行s
ⅲ
；
58.s
ⅲ
、若tmin≤预设值6，则工业空调进入强制工作模式进行强制制热直至tmin》预设值10；
59.同时控制开度调节机构，使进入tbmin所在电芯对应的竖直风道的风量微量增大，使进入tbmax所在电池芯片对应的竖直风道的风量减小。
60.其中，预设值1》预设值2》预设值3》预设值4》预设值5》预设值6，预设值7》预设值4》预设值5》预设值10，预设值9》预设值8；
61.自动工作模式包括制冷、制热、送风和除湿，强制工作模式包括强制制冷、强制制热、强制送风和强制待机。
62.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

技术特征：
1.一种风冷电池储能集装箱，其特征在于：在集装箱内部设置有温湿度检测模块和多排风道支架，每排所述风道支架均包括水平风道，所述水平风道的一端与工业空调的出风口连通，在其底面均匀间隔连通有多个竖直风道，每相邻的两个竖直风道之间均设置有多层电池包，它们上下排列，每层电池包的左右两个侧面均分别与对应的竖直风道连通，前后两个侧面上均开设有出风口，并且所有多层电池包的同一层电池包构成电池簇，所述工业空调、温湿度检测模块均与处理器相连，所述处理器用于根据温湿度检测模块采集的电池包内部的各个电芯的温度信息以及集装箱内部的环境温湿度信息，控制工业空调执行强制工作模式或者自动工作模式，以调节各个电芯所处的环境温湿度情况。2.根据权利要求1所述的风冷电池储能集装箱，其特征在于：每个所述竖直风道对应每层电池包左右两个侧面的位置均采用镂空结构，其镂空结构的周边与对应电池包的壳体位置之间设置有密封结构，所述水平风道与对应竖直风道的位置之间均设置有密封结构。3.根据权利要求2所述的风冷电池储能集装箱，其特征在于：每层所述电池包均采用方体结构，包括前盖板、后盖板、底板和顶板，在所述前、后盖板的中央位置设置有出风口。4.根据权利要求1所述的风冷电池储能集装箱，其特征在于：在所述水平风道的底面对应竖直风道的位置均设置有开口，在所述开口处设置有开度调节机构，所述开度调节机构用于调节从水平风道进入竖直风道的风量。5.一种基于权利要求1所述的风冷电池储能集装箱的热管理方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、根据温湿度模块的检测结果，对电芯的温度进行统计，将最低温度记作tmin，最高温度记作tmax；计算各个竖直风道内部的电芯的平均温度，最低平均温度记作tbmin，最高平均温度记作tbmax；步骤二、风冷电池储能集装箱的储能系统处于充放电运行状态，则按照如下控制流程执行，s1、若tmax>预设值1，则工业空调进入强制工作模式进行强制制冷直至tmax≤预设值2，持续一段时间后，停机；否则，执行s2；s2、若tmax>预设值2，则工业空调进入强制制冷直至tmax≤预设值3，储能系统执行降功率运行；否则，执行s3；s3、若tmax>预设值3，则工业空调进入强制制冷直至tmax≤预设值4；否则，执行s4；s4、若tmax≤预设值4且tmin>预设值5，则工业空调退出强制工作模式进入自动工作模式；否则，执行s5；s5、若tmin≤预设值6，则工业空调退出自动工作模式进入强制工作模式进行强制制热直至tmin>预设值5，风冷电池储能集装箱的储能系统处于待机运行状态，则按照如下控制流程执行，s
ⅰ
、若tmax>预设值7，则工业空调进入强制工作模式进行强制制冷直至tmax≤预设值4；否则，执行s
ⅱ
；s
ⅱ
、若tmax≤预设值4且tmin>预设值5，则判断温湿度检测模块检测的湿度值是否大于预设值9，若是，执行工业空调执行除湿操作，否则，判断此时的湿度值是否不大于预设值8，若是，工业空调进入强制工作模式进行强制待机；否则，执行s
ⅲ
；s
ⅲ
、若tmin≤预设值6，则工业空调进入强制工作模式进行强制制热直至tmin>预设值
10；同时控制开度调节机构，使进入tbmin所在电芯对应的竖直风道的风量微量增大，使进入tbmax所在电池芯片对应的竖直风道的风量减小。6.根据权利要求5所述的风冷电池储能集装箱的热管理方法，其特征在于：所述预设值1>预设值2>预设值3>预设值4>预设值5>预设值6，所述预设值7>预设值4>预设值5>预设值10，所述预设值9>预设值8。7.根据权利要求5所述的风冷电池储能集装箱的热管理方法，其特征在于：所述自动工作模式包括制冷、制热、送风和除湿，所述强制工作模式包括强制制冷、强制制热、强制送风和强制待机。

技术总结
本发明公开了一种风冷电池储能集装箱，在集装箱内部设置有温湿度检测模块和多排风道支架，每排风道支架均包括水平风道，所述水平风道的一端与工业空调的出风口连通，在其底面均匀间隔连通有多个竖直风道，每相邻的两个竖直风道之间均设置有多层电池包，它们上下排列，每层电池包的左右两个侧面均分别与对应的竖直风道连通，前后两个侧面上均开设有出风口，并且所有多层电池包的同一层电池包构成电池簇，所述工业空调、温湿度检测模块均与处理器相连，所述处理器用于根据温湿度检测模块采集的电池包内部的各个电芯的温度信息以及集装箱内部的环境温湿度信息，控制工业空调执行强制工作模式或者自动工作模式，以调节各个电芯所处的环境温湿度情况。芯所处的环境温湿度情况。芯所处的环境温湿度情况。


技术研发人员：王硕 王凯 张飞 徐鹏程 王翰君 连建阳 李小兵 张亚林 张秀娟 谢加民
受保护的技术使用者：思源电气股份有限公司
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/31