一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統及方法，包括太陽能供電模塊和電池儲能系統，太陽能供電模塊通過供電裝置為電池儲能系統內熱管理模塊的液冷循環水泵提供動力，電池儲能系統由兩個以上電池組模塊構成，電池組模塊之間用圓柱狀金屬粗管道相連；每個電池組模塊包括電池組以及熱管理模塊，電池組內至少包含三個單體電池，熱管理模塊包含液冷通道以及相變材料。本發明將空冷、液冷以及相變材料耦合的熱管理系統與不間斷電池儲能系統相配合，熱管理系統的控溫能力與不間斷電池儲能系統的儲能能力優勢互補，即能夠解決不間斷電池儲能系統儲放電過程中的產熱現象，又能夠實現不間斷電池儲能系統的儲能和供能能力。
【專利說明】
一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及不間斷電池儲能系統，具體涉及一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統及方法。
【背景技術】
[0002]電能是綠色環保的二次能源，電能的大規模、大范圍存儲，有利于減輕化石能源的消耗，緩解環境壓力。
[0003]但就目前而言，電能的存儲，一直是全球亟待解決的問題。常用的電能存儲方式分為物理儲能和化學儲能。物理儲能主要包括:抽水蓄能、飛輪蓄能和壓縮空氣蓄能。化學儲能主要為電池儲能。電池儲能，能夠實現電能的雙向流動，綠色環保，潛力巨大。目前常用的儲能電池有鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池和鈉硫電池等。其中鋰離子電池具有能量密度大、自放電小、沒有記憶效應、工作溫度范圍大、能快速充放電、使用壽命長、無環境污染等優勢，因此目前鋰離子電池在電能存儲方向上最具潛力。但是，目前電池儲能系統的發展有待突破，一方面由于鋰離子電池具有相對大的能量密度，故鋰離子電池在儲放電的過程中存在明顯的產熱現象，產生的熱量在有限時間內的積累，可造成鋰離子電池內部熱量分布不均，進而引起電池效率下降，更有甚者嚴重損害電池使用壽命、危及人身安全，另一方面由于大容量電池儲能系統的相關技術尚不成熟，單體電池的儲能容量有限，不足以滿足大動力設備的不間斷使用，而常規大容量電池組儲能系統在儲放電過程中產生的熱量不能得到有效處理，總的能效以及安全性難以得到保證，因此電池儲能系統的推廣應用受到嚴重的制約。
[0004]基于空冷、水冷以及相變材料耦合熱管理的不間斷電池儲能系統旨在以現有電池儲能技術作為技術支撐，以高效能的鋰離子電池作為載體，集電池儲能系統與熱管理系統為一體，拓展電能在時間和空間上的彈性利用范圍，提高電能使用廣泛性，實現電能的可移動、全天候、高效率供應，同時能夠較好的與傳統行業融合，實現傳統行業的升級優化。就控溫系統而言，目前最常使用的是簡單的空氣冷卻技術和液冷技術，新型技術主要是以相變材料為載體的儲散熱技術。空冷系統結構簡單，操作性好，但是空冷技術存在與電池壁面換熱系數低，冷卻速度慢，效率低等問題，散熱效果相對較差。液冷技術的散熱效率高，可循環性強，工作設備以及工作方式成熟，目前仍然是高效散熱系統的首選，但液冷技術也面臨著密封性要求高，質量相對較大，維護保養及結構復雜等弊端。以相變材料為載體的新型熱管理技術雖然結構緊湊簡單，但對工作環境的要求較高，工作穩定性差。所以這三種種技術都無法單獨的解決電池儲能系統的熱管理問題。

【發明內容】

[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統及方法，將多種介質耦合的熱管理技術與不間斷電池儲能系統進行優勢互補，提高電池儲能系統的安全性以及儲能效率，實現了一種新型電池儲能系統，解決了現有技術的不足。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統;其特征在于，包括太陽能供電模塊、電池儲能系統和支撐結構；
[0007]所述太陽能供電模塊固定在支撐結構上，太陽能供電模塊包括太陽能電池板、供電裝置、固定底板及其支撐結構；
[0008]所述電池儲能系統固定在支撐結構上，電池儲能系統包括若干電池組模塊和循環水栗;所述電池組模塊包括電池組、電池組外封裝和熱管理模塊;所述電池組包括若干單體電池，所述單體電池正負極交替放置，所述電池組外封裝為圓柱狀絕緣高導熱材料;所述熱管理模塊包括若干圓柱狀金屬匯流板、若干液體循環通道以及填充在電池組外封裝內的相變材料;所述圓柱狀金屬匯流板置于電池組正負極兩側，所述液體循環通道包括圓柱狀金屬細管道及圓柱狀金屬粗管道;所述圓柱狀金屬細管道均勻布置于單體電池間的相變材料內，所述圓柱狀金屬粗管道連接于圓柱狀金屬匯流板間，所述循環水栗放置于太陽能供電模塊一側；
[0009]所述電池儲能系統的熱管理模塊工作模式可調，液冷系統可進行間斷性工作。
[0010]所述支撐結構包括底板、電池組模塊底座及其支撐柱。
[0011]進一步的，所述電池儲能系統具有控溫、均溫的能力。
[0012]進一步的，所述電池儲能系統的儲能載體包括鋰離子電池。本發明將空冷、液冷以及相變材料耦合熱管理系統與不間斷電池儲能系統相配合，以具有高能量密度的鋰離子電池作為儲能載體，通過熱管理系統將電池儲能系統的溫度控制在電池的最佳工作環境溫度范圍內，本系統儲能潛力巨大，儲能效率高，控溫、均溫能力強。
[0013]進一步的，所述控溫相變材料可以是有機相變材料、無機相變材料、有機復合相變材料、無機復合相變材料和微膠囊相變材料。本發明所使用的相變材料種類多樣，相變材料的選用以電池最佳工作環境溫度作為參考，旨在將電池的環境溫度控制在其最佳的工作溫度范圍內，以提高電池的儲能效率，延長電池壽命。
[0014]進一步的，所述熱管理模塊液冷系統的動力來源為新能源;所述新能源包括采用太陽能供電模塊的太陽能。本發明對熱管理系統采用新能源供能，一方面可達到節能環保的目的，另一方面實現了儲能系統的熱管理模塊工作模式的可控可調，可根據實際情況間斷性工作，體現了能源的綜合利用效益。
[0015]進一步的，所述熱管理模塊內的冷卻液在金屬匯流板內通過空氣散熱。本發明采用金屬匯流板，將電池組模塊內部金屬細管道內的冷卻液在電池正、負極兩端匯聚，一方面均衡整個電池儲能系統的液冷通道的壓力，另一方面增加冷卻液與空氣的接觸面積，提高散熱效率。
[0016]進一步的，所述熱管理模塊由金屬匯流板均衡系統壓力，平衡液冷系統的工作情況。
[0017]本發明在單體電池與液冷通道之間采用高導熱和高潛熱的相變材料進行緩沖，緩解散熱壓力，在低溫環境中，相變材料釋放熱量加熱電池，使之保持適宜恒定溫度范圍內；液冷通道采用導熱系數相對較高的金屬管道，換熱效率高。
[0018]一種基于耦合式熱管理的電池儲能方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:太陽能電池板通過供電設備給循環水栗提供動力，圓柱狀金屬粗管道自循環水栗引出后，在電池組模塊陣列前以并行的方式分別進入各個電池組模塊，多層電池組模塊陣列由圓柱狀金屬粗管道連接，冷卻液歷經所有電池組模塊后，在進入水栗之前匯流，通過單一的管路進入水栗循環管路；圓柱狀金屬細管道與圓柱狀金屬匯流板相通，冷卻液通過圓柱狀金屬細管道匯聚入金屬匯流板進行散熱、均衡液冷系統壓力，再通過連接于兩個金屬匯流板之間的圓柱狀金屬粗管道進入下一電池組模塊，進行下一個電池組模塊的熱處理。電池儲能系統在進行儲放電的過程中，電池產生熱量，電池組內部溫度升高；當溫度升高到電池組內相變材料的相變溫度時，填充于單體電池之間的相變材料發生相變，吸收電池產生的熱量，緩沖電池組內的溫升速率；當由太陽能供電系統驅動的液冷系統與相變材料進行換熱，將儲存在相變材料中的熱量帶走，在電池模塊正負極兩側的金屬匯流板內匯聚，空氣橫掠金屬匯流板進行散熱;此方法耦合了空冷、液冷以及相變材料冷卻，以達到均衡電池儲能系統內部溫度、控制電池組內溫度在其最佳工作溫度范圍的目的。
[0019]有益效果:本發明具有效率高、節能環保、結構簡單、使用壽命長、運行穩定可靠的優點，基于空冷、液冷以及相變材料耦合的熱管理系統與不間斷電池儲能系統相配合，一方面通過對電池儲能系統進行高效熱管理，提高儲能效率以及電池儲能系統的安全性，另一方面不間斷電池儲能系統的推廣應用，對與緩解化石能源急劇消耗的壓力，實現節能減排，具有深遠的意義，且基于空冷、液冷以及相變材料耦合熱管理的不間斷電池儲能系統適用于各種依靠動力電池驅動的電動設備，具有廣闊的市場前景。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的結構不意圖；
[0021 ]圖2為本發明電池組模塊陣列示意圖；
[0022]圖3為太陽能供電模塊的結構示意圖；
[0023]圖4為電池組模塊的結構示意圖；
[0024]圖5為電池組模塊的橫剖面示意圖；
[0025]圖6為電池組模塊的縱剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0027]針對現有技術不足，為確保電池儲能系統在各種工作環境與狀態中保持溫度的分布均勻與穩定，以獨特的方式將三種冷卻方式耦合并應用于不間斷電池儲能系統，將三種冷卻方式優勢互補，達到特定的控溫要求。就不間斷電池儲能系統而言，多個單體電池以首尾互接的方式組合在一起，形成具有大容量的電池儲能系統，以便于與動力系統的配合使用。多種冷卻方式耦合的熱管理系統與不間斷電池儲能系統的配合使用為電池儲能技術的發展提供了新的突破口，并且以新能源供能的方式弱化控溫系統的能量消耗，以達到節能的目的。
[0028]如圖1所示，一種基于空冷、液冷以及相變材料耦合熱管理的電池儲能系統，包括太陽能供電模塊101、電池儲能系統108和支撐結構121。所述太陽能供電模塊包括太陽能電池板111、供電設備113、固定底板114及其支撐結構112，所述電池儲能系統包括若干電池組模塊107和循環水栗103，所述電池組模塊107固定在電池組底座105上，若干電池組模塊107列陣排列，立體式分布，由上中下底板104分隔，采用支撐柱106支撐，所述循環水栗103放置于太陽能供電模塊101—側，便于液冷循環系統的動力供應。
[0029]如圖2所示，所述液冷循環通道102包括圓柱狀金屬細管道117以及圓柱狀金屬粗管道116，所述圓柱狀金屬粗管道116自循環水栗103引出后，在電池組模塊107陣列前以并行的方式分別進入各個電池組模塊107，所述多層電池組模塊107陣列由圓柱狀金屬粗管道116連接，冷卻液歷經所有電池組模塊107后，在進入水栗之前匯流，通過單一的管路進入水栗循環管路。
[0030]如圖3所示，所述太陽能電池板111由支撐結構112支撐，在固定底板114上裝有供電設備113，所述太陽能電池板111通過供電設備113給循環水栗103提供動力，新能源形式多樣，供能方式靈活，通過新能源供能的方式，減少能源消耗，綠色環保。
[0031]如圖4所示，所述電池組模塊107包括電池組110、電池組外封裝115和熱管理模塊109，所述電池組110包括若干單體電池120，所述電池組外封裝115為圓柱形絕緣高導熱材料，所述熱管理模塊109包括若干圓柱狀金屬匯流板118、若干液體循環通道102以及填充在電池組外封裝115內的相變材料119，所述圓柱狀金屬匯流板118置于電池組110正負極兩側，所述圓柱狀金屬粗管道116連接于兩圓柱狀金屬匯流板118間。
[0032]如圖5所示，所述電池組110包括若干單體電池120，所述電池組外封裝115為圓柱形絕緣高導熱材料，所述圓柱狀金屬細管道117呈分布式均勻布置于單體電池120間的相變材料119內，所述相變材料119填充于單體電池120和圓柱狀金屬細管道117之間，緩解散熱壓力。
[0033]如圖6所示，所述圓柱狀金屬細管道117與圓柱狀金屬匯流板118相通，冷卻液通過圓柱狀金屬細管道117匯聚入金屬匯流板118進行散熱、均衡液冷系統壓力，再通過連接于兩個金屬匯流板118之間的圓柱狀金屬粗管道116進入下一電池組模塊107，進行下一個電池組模塊107的熱處理。
[0034]上述電池儲能系統中，單體電池120的正負及之間用鎳片連接，并用絕緣高導熱材料包覆，使電池組模塊的產熱均勻，熱管理模塊的相變材料的選用以電池最佳工作環境溫度作為參考，旨在將電池的環境溫度控制在其最佳的工作溫度范圍內，以保持熱管理系統的最佳工作狀態。
[0035 ]上述的電池儲能系統儲能容量可調，儲能形式以及能源的供能方式靈活，儲能效率高、使用壽命長、節能環保、運行穩定可靠。基于空冷、液冷以及相變材料耦合的熱管理系統保證電池儲能系統處于最佳的工作溫度，安全性得以保證，在無需額外消耗電池電量的情況下，維持電池儲能系統高效穩定工作，在電池儲能領域具有廣闊的市場前景。
[0036]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統；其特征在于，包括太陽能供電模塊(101)、電池儲能系統(108)和支撐結構(121); 所述太陽能供電模塊(101)固定在支撐結構(121)上，太陽能供電模塊包括太陽能電池板(111)、供電裝置(113)、固定底板(114)及其支撐結構(112); 所述電池儲能系統(I 08)固定在支撐結構(I 21)上，電池儲能系統(I 08)包括若干電池組模塊(107)和循環水栗(103);所述電池組模塊(107)包括電池組(110)、電池組外封裝(115)和熱管理模塊(109);所述電池組(110)包括若干單體電池(120)，所述單體電池(120)正負極交替放置，所述電池組外封裝(115)為圓柱狀絕緣高導熱材料；所述熱管理模塊(109)包括若干圓柱狀金屬匯流板(118)、若干液體循環通道(102)以及填充在電池組外封裝(115)內的相變材料(119);所述圓柱狀金屬匯流板(118)置于電池組(110)正負極兩側，所述液體循環通道(102)包括圓柱狀金屬細管道(117)及圓柱狀金屬粗管道(116);所述圓柱狀金屬細管道(117)均勻布置于單體電池(120)間的相變材料(119)內，所述圓柱狀金屬粗管道(116)連接于圓柱狀金屬匯流板(118)間，所述循環水栗(103)放置于太陽能供電模塊(101)—側； 所述電池儲能系統(108)的熱管理模塊(109)工作模式可調，液冷系統可進行間斷性工作。 所述支撐結構(121)包括底板(104)、電池組模塊底座(105)及其支撐柱(106)。2.如權利要求1所述的一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統，其特征在于:所述電池儲能系統具有控溫、均溫的能力。3.如權利要求1所述的一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統，其特征在于:所述電池儲能系統的儲能載體包括鋰離子電池。4.如權利要求2所述的一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統，其特征在于:所述控溫相變材料可以是有機相變材料、無機相變材料、有機復合相變材料、無機復合相變材料和微膠囊相變材料。5.如權利要求1所述的一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統，其特征在于:所述熱管理模塊(109)液冷系統的動力來源為新能源;所述新能源包括采用太陽能供電模塊(101)的太陽能。6.如權利要求1所述的一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統，其特征在于:所述熱管理模塊(109)內的冷卻液在金屬匯流板(118)內通過空氣散熱。7.如權利要求1所述的一種基于耦合式熱管理的電池儲能系統，其特征在于:所述熱管理模塊(109)由金屬匯流板(118)均衡系統壓力，平衡液冷系統的工作情況。8.—種基于耦合式熱管理的電池儲能方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:太陽能電池板通過供電設備給循環水栗提供動力，圓柱狀金屬粗管道自循環水栗引出后，在電池組模塊陣列前以并行的方式分別進入各個電池組模塊，多層電池組模塊陣列由圓柱狀金屬粗管道連接，冷卻液歷經所有電池組模塊后，在進入水栗之前匯流，通過單一的管路進入水栗循環管路；圓柱狀金屬細管道與圓柱狀金屬匯流板相通，冷卻液通過圓柱狀金屬細管道匯聚入金屬匯流板進行散熱、均衡液冷系統壓力，再通過連接于兩個金屬匯流板之間的圓柱狀金屬粗管道進入下一電池組模塊，進行下一個電池組模塊的熱處理。9.如權利要求8所述的一種基于耦合式熱管理的電池儲能方法，其特征在于，電池儲能系統在進行儲放電的過程中，電池產生熱量，電池組內部溫度升高；當溫度升高到電池組內相變材料的相變溫度時，填充于單體電池之間的相變材料發生相變，吸收電池產生的熱量，緩沖電池組內的溫升速率；當由太陽能供電系統驅動的液冷系統與相變材料進行換熱，將儲存在相變材料中的熱量帶走，在電池模塊正負極兩側的金屬匯流板內匯聚，空氣橫掠金屬匯流板進行散熱。
【文檔編號】H01M10/6561GK105932367SQ201610289105
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】饒中浩, 呂培召, 王興明, 趙佳騰
【申請人】中國礦業大學