一种储能电站电池综合温控系统及方法

1.本发明涉及一种储能电站电池综合温控系统，属于储能电站散热技术领域。


背景技术：

2.储能电站的热管理是保证储能系统持续安全运行的关键。电池作为电化学储能的核心部件，具有较大的热失控风险。2018年至今，锂电池热失控引发的储能电站火灾事故达70起以上。
3.目前储能电站散热技术路线主要分为风冷、液冷、热管冷却、相变冷却，其中热管冷却技术尚未成熟，风冷散热存在换热效率低下，降温速度较慢的问题，无法保障电池包温度的一致性。而液冷系统存在漏液风险，会导致电池模组内短路，进而引发火灾危险事故。故而储能电站温控系统趋向风冷、液冷一体化及其他散热方式集成化设计。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种储能电站电池综合温控系统及方法。
5.一种储能电站电池综合温控系统，包括涡旋强迫风冷系统、液冷系统、相变冷却系统、辐射制冷系统及热电紧急制冷系统；涡旋强迫风冷系统位于储能电站中部，包括无动力风帽、风冷管道和涡旋进风口，所述无动力风帽、所述风冷管道和所述涡旋进风口按顺序从上到下依次刚性连接；液冷系统包括导热板和汇流管道，所述导热板内含水冷管道，所述导热板位于储能电站的两侧面和上部，汇流管道位于电站中部风冷管道内，所述汇流管道上有涡旋状翅片协助散热，导热板和汇流管道在电站顶部和底部交汇连接；相变冷却系统包括相变材料盒和相变材料，所述相变材料盒位于储能电站顶部，相变材料置于所述相变材料盒中；辐射制冷系统包括辐射制冷涂层，辐射制冷涂层涂布在所述相变材料盒的顶部；热电紧急制冷系统包括半导体制冷片，半导体制冷片的制冷面粘接在导热板一侧，半导体的制热面将热量传导至相变材料中。
6.可选的，所述导热板（410）与储能电池包（16）接触。
7.可选的，液冷系统（4）中电站顶部导热板浸没在相变材料中进行散热。
8.可选的，所述导热板包括第一导热板和第二导热板，所述第一导热板位于储能电站的侧面；所述第二导热板位于储能电站的上部；所述第二导热板设置于相变材料盒内。
9.可选的就，所述汇流管包括散热管，散热管的一端连接所述第一导热板；散热管的另一端连接所述第二导热板；所述汇流管还包括回流管，所述回流管一端与第二导热板连接，另一端与第一导热板连接；所述回流管内还设置有水泵。
10.储能电站电池综合温控方法，所述温控方法包括储能电站电池综合温控系统，所述方法还包括：汇流管道散热加热风冷管道内空气，使风冷管道内气体膨胀形成负压，该负压使得无动力风帽旋转抽气，进而管底部涡旋进风口向内吸气，在风冷管管内形成了涡旋风形式的强迫对流，对风冷管道内部的汇流管道进行散热可选的，所述水冷管道内的冷却液吸收电池热量后汇流到汇流管道内，在水泵的
驱动下冷却液流向风冷管道进行散热。
11.本发明所达到的有益效果：1、创造性地设计出了涡旋强迫风冷系统取代空调等高能耗制冷装置.利用自然风能和电池余热使风冷管道内部产生负压，通过底部的旋转进风口控制进风方向，使冷空气从底部旋转进入，在汇流管道周围形成涡旋风，有效增大了汇流管道上涡旋状翅片与冷空气的换热时间与换热面积，达到五倍于自然风冷的换热系数；2、涡旋强迫风冷系统不消耗能源，完全由自然风能与电池余热提供能量，具有节能减排的有益效果。
12.3、设计了新型液冷系统，创新了导热板的吸热结构，呈锯齿状伸入每一部分电池包底部进行导热。同时去掉了已有液冷系统中成本较高、占地面积较大的冷却塔、冷水机组等部分，将冷却端改为多个散热系统的有效耦合，大幅降低成本的同时保障冷却效果基本相同。
13.4、将半导体制冷片引入储能电站热失控管理中，有效发挥了半导体制冷片快速高效制冷的特性，迅速将冷却液冷却，保证储能电池包的安全运行；
附图说明
14.图1为储能电站电池综合温控系统立体图；图2为储能电站电池综合温控系统侧面图；图3为风冷系统结构示意图；图4为热电tec紧急制冷系统结构图；图5为液冷系统结构示意图；图6为相变冷却系统及辐射制冷系统的结构示意图；图7为储能电站电池综合温控系统截面图图8为包括集装箱外壳的储能电站电池综合温控系统立体图
实施方式
15.本发明提出的储能电站综合温控系统创造性地设计了涡旋强迫风冷系统，利用自然风以及风冷管道内外温差驱动，可以实现零能耗散热。汇流管道通过管壁上的涡旋状翅片加速散热，使风冷管道内部气体温度上升、气体膨胀形成负压，同时外界自然风在集装箱顶部吹动无动力风帽，风帽将水平方向的空气流动加速转变为垂直方向的空气流动，风冷管道底部的涡旋进风口会限制进风方向，使管内形成了小型龙卷风形式的强迫对流，可以对汇流管道进行有效散热，换热系数高达自然换热的五倍以上。风冷管道内部的温升来源于汇流管道上涡旋状翅片的散热，而风冷管道内外的温差驱动了涡旋风冷系统的运行，实现了有效的余热利用。同时无动力风帽转动的动力主要来源于各个方向的水平自然风，本发明有效利用了自然风能，提高对流换热系数。
16.本发明同时有效耦合了自主设计的液冷系统。液冷系统的导热板内设有u型的液冷管道，导热板伸入储能电池包底部进行有效吸热，保障储能电池包在正常工作时的有效散热。相比于已有液冷系统而言，本系统创新了导热板的结构，呈锯齿状伸入每一部分电池包底部进行导热。同时去掉了已有液冷系统中成本较高、占地面积较大的冷却塔、冷水机组
等部分，将冷却端改为多个散热系统的有效耦合。已有液冷系统每 gwh 投入成本在 0.8 到 1 亿元左右，本发明经初步计算，投入成本约为3400万元，大幅降低成本的同时保障冷却效果基本相同。
17.本发明巧妙地利用储能电站集装箱顶部的大面积空间，设计了相变冷却系统。以35号石蜡作为冷却介质，可以维持浸没在石蜡中的导热板的温度在35℃左右。相变材料盒顶部涂布了全天辐射制冷材料，可以辅助相变材料向周围散热。当冷却液进一步回流至储能电池包底部的导热板中时，可以完成下一轮散热。
18.此外，为应对储能电池包的热失控情况，本发明提出利用半导体制冷片tec29在电池出现热失控时紧急制冷。将半导体制冷片tec29的制冷面贴在位于储能电站顶部的导热板410上方。当电池发热异常时，通过向半导体制冷片tec29通电使其快速制冷，高效降温，从而有效避免因电池热失控引发的储能电站安全事故，进一步提高散热系统的安全性。
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
20.如图1所示，一种储能电站电池综合温控系统，包括涡旋强迫风冷系统5、液冷系统4、相变冷却系统3、辐射制冷系统1及热电tec紧急制冷系统2；如图3所示，涡旋强迫风冷系统5位于储能电站中部，包括无动力风帽56、风冷管道57和涡旋进风口58，三者按顺序从上到下依次刚性连接。
21.如图2所示，液冷系统4包括导热板和汇流管道415，内含水冷管道（图中未示出）的导热板包括位于储能电站的两侧面的第一导热板410和上部的第二导热板418，第一导热板410还包括侧向伸出部417；侧向伸出部上设置储能电池包16；汇流管道415位于电站中部风冷管道57内，上有涡旋状翅片411协助散热。第一导热板410和汇流管道415的一端在电站底部连通；第二导热板418和汇流管道415的另一端在电站顶部连通。
22.第二导热板418设置于相变材料盒314内。相变材料盒314和第二导热板418之间设置有相变材料。
23.如图6所示，相变冷却系统3包括相变材料盒314和相变材料（相变材料图中未示出），相变材料盒314位于储能电站顶部，相变材料置于盒中；辐射制冷系统1包括辐射制冷涂层113构成，辐射制冷涂层113涂布在相变材料盒314的顶部；如附图4所示，热电tec紧急制冷系统2包括半导体制冷片29构成，半导体制冷片tec29的制冷面粘接在第二导热板418上，半导体制冷片29的制冷面与第二导热板粘结，半导体制冷片29的制热面与相变材料盒314粘结。
24.如附图7所示，汇流管415包括散热管，散热管将第一导热板中的冷却管道内的冷却液收集，冷却液在散热管内沿风冷管道57流动；冷却液在电站顶部流入第二导热板418；冷却液通过风冷管道57以及第二导热板418散热后，冷却液流入回流管，回流管一端与第二导热板连接，另一端与第一导热板连接。在回流管内还设置有水泵412。
25.上述系统的工作过程如下：液冷系统4导热板410呈锯齿状插在每层储能电池包16底部进行导热，在水泵412的驱动下，电池包的热量被导热板410中水冷管道里的冷却液带走，流入汇流管道415，进入涡旋强迫风冷系统5。汇流管道415通过管壁上的涡旋状翅片411加速散热，使风冷管道57内部气体温度上升、气体膨胀形成负压，同时外界自然风在集装箱顶部吹动无动力风帽56，风
帽将水平方向的空气流动加速转变为垂直方向的空气流动，风冷管道57底部的涡旋进风口58会限制进风方向，使管内形成了旋转风，从而形成强迫对流，可以对汇流管道进行有效散热，换热系数高达自然换热的五倍。
26.经过涡旋强迫风冷系统后，汇流管道415内的冷却液进一步流入电站顶部第二导热板418内的水冷管道中，将热量传递到包裹第二导热板418的相变材料中，维持浸没在石蜡中的导热板的温度在一定温度范围内，比如35℃左右。相变材料可以是35号石蜡。涂布于相变材料盒314顶部的辐射制冷材料对相变材料进行辐射散热，促进相变材料向周围空气散热。
27.当电池出现热失控的紧急情况时，热电tec紧急制冷系统2可以实现电池在紧急情况下的快速降温，保证电池安全。将半导体制冷片tec29的制冷面贴在位于储能电站顶部的导热板410上方。当电池发热异常时，通过向半导体制冷片tec29通电使其快速制冷，高效降温，从而有效避免因电池热失控引发的储能电站安全事故，进一步提高散热系统的安全性。
28.通过对涡旋强迫风冷系统5、液冷系统4、相变冷却系统3、辐射制冷系统1及热电tec紧急制冷系统2等多个冷却系统的单独或联合控制，可将柜内所有电池的温差精准控制在3℃以内。
29.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种储能电站电池综合温控系统，其特征在于：包括涡旋强迫风冷系统（5）、液冷系统（4）、相变冷却系统（3）、辐射制冷系统（1）及热电紧急制冷系统（2）；涡旋强迫风冷系统（5）位于储能电站中部，包括无动力风帽（56）、风冷管道（57）和涡旋进风口（58），所述无动力风帽（56）、所述风冷管道（57）和所述涡旋进风口（58）按顺序从上到下依次刚性连接；液冷系统（4）包括导热板（410）和汇流管道（415），所述导热板内含水冷管道，所述导热板位于储能电站的两侧面和上部，汇流管道（415）位于电站中部风冷管道（57）内，所述汇流管道上有涡旋状翅片（411）协助散热，导热板（410）和汇流管道（415）在电站顶部和底部交汇连接；相变冷却系统（3）包括相变材料盒（314）和相变材料，所述相变材料盒（314）位于储能电站顶部，相变材料置于所述相变材料盒中；辐射制冷系统（1）包括辐射制冷涂层（113），辐射制冷涂层（113）涂布在所述相变材料盒（314）的顶部；热电紧急制冷系统（2）包括半导体制冷片（29），半导体制冷片（29）的制冷面粘接在导热板一侧，半导体的制热面将热量传导至相变材料中。2.根据权利要求1所述的储能电站电池综合温控系统，其特征在于：所述导热板（410）与储能电池包（16）接触。3.根据权利要求1所述的储能电站电池综合温控系统，其特征在于：液冷系统（4）中电站顶部导热板浸没在相变材料中进行散热。4.根据权利要求3所述的储能电站电池综合温控系统，其特征在于：所述导热板包括第一导热板和第二导热板，所述第一导热板位于储能电站的侧面；所述第二导热板位于储能电站的上部；所述第二导热板设置于相变材料盒内。5.根据权利要求1-4所述的任一储能电站电池综合温控系统，其特征在于：所述汇流管包括散热管，散热管的一端连接所述第一导热板；散热管的另一端连接所述第二导热板；所述汇流管还包括回流管，所述回流管一端与第二导热板连接，另一端与第一导热板连接；所述回流管内还设置有水泵。6.根据权利要求1-5所述的储能电站电池综合温控方法，其特征在于：所述温控方法包括储能电站电池综合温控系统，所述方法还包括：汇流管道（415）散热加热风冷管道（57）内空气，使风冷管道（57）内气体膨胀形成负压，该负压使得无动力风帽（56）旋转抽气，进而管底部涡旋进风口（58）向内吸气，在风冷管管内形成了涡旋风形式的强迫对流，对风冷管道（57）内部的汇流管道（415）进行散热。7.根据权利要求6所述的储能电站电池综合温控方法，其特征在于：所述水冷管道内的冷却液吸收电池热量后汇流到汇流管道（415）内，在水泵的驱动下冷却液流向风冷管道进行散热。

技术总结
本发明公开了一种储能电站电池综合温控系统及方法，有效耦合了涡旋强迫风冷系统（5）、液冷系统（4）、相变冷却系统（3），辐射制冷系统（1）及热电（TEC）紧急制冷系统（2）五大散热系统。本发明利用电池散发的热量和无动力风帽（56）的抽气作用，驱动风冷系统内形成强迫对流散热。本发明合理利用储能电站顶部的大面积进行相变冷却和辐射制冷。本发明中采用热电（TEC）紧急制冷系统实现电池在紧急情况下的快速降温，保证电池安全。保证电池安全。保证电池安全。


技术研发人员：姜昕 罗海静 唐斌尧 陆规 张冬月
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/20