用于集装箱储能电池的热管理方法和系统与流程

1.本发明涉及电池热管理，具体是一种用于集装箱储能电池的热管理方法和系统。

背景技术：

2.目前，集装箱储能系统具有容量大，建设周期短，可靠性高以及环境适应性强等特点，是新能源的一个新的发展方向。由于集装箱储能系统中含有较多的电芯，在电芯充放电过程中，电芯中会产生大量的热量，这些热量会导致集装箱中电芯温度升高。由于集装箱内部电芯排列紧密，内部气流循环不畅，再加上不同电芯充放电程度不同，这会导致集装箱内电芯温度不均匀，最终影响集装箱内电芯的使用寿命，甚至出现热失控等现象。由于集装箱储能系统尺寸进一步扩大，电芯数量增多，电芯能量密度进一步提高，这导致电芯的散热量更多，依靠空气流动与储能电池进行热交换的自然冷却和风冷方式不能满足电芯的散热需求。目前已由风冷散热逐渐转为液冷散热方式，液冷散热系统中的换热介质是冷却液，冷却液具有热容量大，换热系数高以及冷却速度快等有点，应用在集装箱储能电池的热管理系统中可以有效降低电芯的最高温度，改善电芯间的温度差。

3.液冷散热方式需要通过管道内低温液体将电池包内的热量带出集装箱，再将与电池进行热交换之后的高温液体在集装箱外进行冷却，然后循环回集装箱中，周而复始对电池包进行降温。现有的热管技术由于不需要使用压缩机，就能将集装箱外的高温液体进行冷却降温，能在一定程度上降低能耗，但由于热管系统的需要室内外存在较大的温差，才能产生制冷效果，且室内外温差越小，制冷效果越差，节能效果越差。热管技术应用在低温天气占比较大的北方，节能效果较好，在我国南方较难推广，而制冷循环系统能够很好解决制冷效果差的问题，但却增加了能耗。

技术实现要素：

4.为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种用于集装箱储能电池的热管理方法和系统，本发明解决现有的技术中储能电池制冷时产生的能耗大，节能效果差等问题。

5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种用于集装箱储能电池的热管理方法，包括三条不同运行模式的热管理支路；

6.所述方法包括以下步骤：

7.获取环境温度数据，并根据所述环境温度数据打开其中一条热管理支路，同时关闭另外两条热管理支路。

8.进一步地，三条不同运行模式的热管理支路包括：

9.第一条热管理支路是液冷散热器制冷支路，利用ats散热系统进行降温；

10.第二条热管理支路是节能热管制冷支路，利用液冷蒸发器和第二冷媒回路进行热交换；

11.第三条热管理支路是压缩机制冷支路，利用液冷蒸发器和第三冷媒回路进行热交换。

12.进一步地，根据所述环境温度数据打开其中一条降温支路，同时关闭另外两条热管理支路包括以下子步骤：

13.所述环境温度数据小于等于第一温度时，打开所述第一条热管理支路，同时关闭所述第二条热管理支路和所述第三条热管理支路。

14.进一步地，根据所述环境温度数据打开其中一条降温支路，同时关闭另外两条热管理支路包括以下子步骤：

15.所述环境温度数据大于第一温度且小于第二温度时，打开所述第二条热管理支路，同时关闭所述第一条热管理支路和所述第三条热管理支路。

16.进一步地，根据所述环境温度数据打开其中一条降温支路，同时关闭另外两条热管理支路包括以下子步骤：

17.所述环境温度数据大于等于第二温度时，打开所述第三条热管理支路，同时关闭所述第一条热管理支路和所述第二条热管理支路。

18.进一步地，所述第一温度为5℃，所述第二温度为15℃。

19.一种用于集装箱储能电池的热管理系统，包括

20.水泵，用于将集装箱储能电池包中电芯热交换后的液体泵入其中一条热管理支路；

21.温度传感器，用于检测环境的温度；

22.第一电子三通阀，设于三条不同运行模式的热管理支路的入口处，并连接至所述水泵；

23.第二电子三通阀，设于三条不同运行模式的热管理支路的出口处，并连接至所述集装箱储能电池包；

24.控制主机，用于根据所述环境温度数据控制所述第一电子三通阀和所述第二电子三通阀的开闭以打开其中一条热管理支路，同时关闭另外两条热管理支路。

25.进一步地，所述第一条热管理支路包括ats散热系统和风扇，所述ats散热系统的入口连接至所述第一电子三通阀的第一出口，所述ats散热系统的出口连接至所述第二电子三通阀的第一入口；

26.所述第二条热管理支路包括液冷蒸发器，所述液冷蒸发器的入口连接至所述第一电子三通阀的第二出口，所述液冷蒸发器的出口连接至所述第二电子三通阀的第二入口；同时，所述第二条热管理支路配合有第二冷媒回路，所述第二冷媒回路包括依次顺序连接的氟泵、电子膨胀阀、所述液冷蒸发器、第三电子三通阀、冷凝器、第四电子三通阀、氟泵，所述第四电子三通阀与所述氟泵并联连接；

27.所述第三条热管理支路与所述第二条热管理支路重合；同时，所述第三条热管理支路配合有第三冷媒回路，所述第三冷媒回路包括依次顺序连接的氟泵、电子膨胀阀、所述液冷蒸发器、第三电子三通阀、压缩机、冷凝器、第四电子三通阀、氟泵，所述第四电子三通阀与所述氟泵并联连接。

28.综上所述，本发明取得了以下技术效果：

29.1、本发明采用液冷散热方式对集装箱储能电池内部进行散热，能够使散热更均匀，储能电池内部温差更小；

30.2、本发明根据集装箱外界环境温度的不同，设置了三种模式，液冷散热器模式、节

能热管模式以及压缩机制冷模式，在秋冬室外环境温度较低时采用液冷散热器模式或节能热管模式，在夏季外部环境温度较高时采用压缩机制冷模式，可使该散热形式更加节能环保；

31.3、本发明采用的节能热管模式以及压缩机制冷模式两种模式，都是通过冷媒将储能集装箱电芯中的热量带走，再利用液冷换热器将热量交换出去，整个过程受外界环境干扰的程度较小，更可靠；

32.4、本发明主要包含储能电池组以及集装箱外冷却设备，可针对集装箱外部环境温度的不同，采取不同的制冷循环策略已到达提高节能效果的目的。

附图说明

33.图1是本发明实施例提供的集装箱储能电池外部的冷却设备原理图。

具体实施方式

34.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

35.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

40.实施例：

41.如图1所示，一种用于集装箱储能电池的热管理方法，包括三条不同运行模式的热管理支路，三条不同运行模式的热管理支路包括：

42.第一条热管理支路是液冷散热器制冷支路，利用ats散热系统进行降温；

43.第二条热管理支路是节能热管制冷支路，利用液冷蒸发器和第二冷媒回路进行热交换；

44.第三条热管理支路是压缩机制冷支路，利用液冷蒸发器和第三冷媒回路进行热交换。

45.其中，第一条热管理支路是独立于集装箱储能电池包回路的一条支路，第二条热管理支路是独立于集装箱储能电池包回路以及独立于第一条热管理支路的一条支路，第三条热管理支路是在第二条热管理支路的基础上改变了冷媒回路的一条支路，第三条热管理支路是在第二条热管理支路在一定程度上是重合的，下文会叙述。

46.热管理方法方法包括以下步骤：获取环境温度数据，并根据环境温度数据打开其中一条热管理支路，同时关闭另外两条热管理支路。即：如果温度环境满足一定的条件，则将满足该条件的一条支路打开，将另外两条不满足条件的支路关闭，使得同一时段内有且仅有一条支路是工作的。

47.在判断是否满足条件时，包括以下子步骤：

48.环境温度数据小于等于第一温度t1时，打开第一条热管理支路，同时关闭第二条热管理支路和第三条热管理支路；以及，

49.环境温度数据大于第一温度t1且小于第二温度t2时，打开第二条热管理支路，同时关闭第一条热管理支路和第三条热管理支路，以及，

50.环境温度数据大于等于第二温度t2时，打开第三条热管理支路，同时关闭第一条热管理支路和第二条热管理支路。

51.本实施例中，为了解决不同环境温度对电池热管理的影响，将环境温度划分为三个阶段，第一温度t1以下为第一个阶段，在该阶段时打开第一条支路，第一温度t1和第二温度t2之间为第二个阶段，在该阶段时打开第二条支路，第一温度t2以上为第三个阶段，在该阶段时打开第三条支路。以环境温度来作为启动某一条支路的因素，环境温度好测量、无需转换、安装方便，只需在电池包的外部放置一个温度传感器即可得知温度数据，相较于既需要环境温度又需要电池包温度的方法来说，后者不仅要要测量环境温度，还要测量电池包内部的温度，再由环境温度和电池包温度的比较、转化、计算才能控制某一条热管理支路工作，而本发明简单方便，无需复杂的温度计算。

52.在实验以及实际使用时，工作人员发现将第一温度为5℃、第二温度为15℃，会获得更好的降温效果、节能效果。

53.本方法所对应的系统包括：

54.水泵2，用于将集装箱储能电池包1中电芯热交换后的液体泵入其中一条热管理支路；

55.温度传感器3，用于检测环境的温度；

56.第一电子三通阀4，设于三条不同运行模式的热管理支路的入口处，并连接至水泵2；

57.第二电子三通阀12，设于三条不同运行模式的热管理支路的出口处，并连接至集装箱储能电池包1；

58.控制主机，用于根据环境温度数据控制第一电子三通阀4和第二电子三通阀12的

开闭以打开其中一条热管理支路，同时关闭另外两条热管理支路。

59.第一条热管理支路包括ats散热系统6和风扇7，ats散热系统6的入口连接至第一电子三通阀4的第一出口，ats散热系统6的出口连接至第二电子三通阀12的第一入口；

60.第二条热管理支路包括液冷蒸发器11，液冷蒸发器11的入口连接至第一电子三通阀4的第二出口，液冷蒸发器11的出口连接至第二电子三通阀12的第二入口；同时，第二条热管理支路配合有第二冷媒回路，第二冷媒回路包括依次顺序连接的氟泵9、电子膨胀阀10、液冷蒸发器11、第三电子三通阀13、冷凝器8、第四电子三通阀14、氟泵9，第四电子三通阀14与氟泵9并联连接；

61.第三条热管理支路与第二条热管理支路重合；同时，第三条热管理支路配合有第三冷媒回路，第三冷媒回路包括依次顺序连接的氟泵9、电子膨胀阀10、液冷蒸发器11、第三电子三通阀13、压缩机5、冷凝器8、第四电子三通阀14、氟泵9，第四电子三通阀14与氟泵9并联连接。

62.因此，该热管理方法还包括以下子步骤：

63.(1)当环境温度小于等于5℃时，第一条热管理支路即液冷散热器制冷支路工作：控制主机控制第一电子三通阀4的第一出口打开、ats散热系统6打开、第二电子三通阀12的第一入口打开、水泵2打开，其余关闭，与电芯热交换后的液体流出集装箱外，温度较高的液体经第一电子三通阀4流经ats散热系统6进行降温，最后将低温液体经过第二电子三通阀12输送至集装箱内与电芯进行热交换。由于环境温度较低，此时无需进行热管单元与压缩机制冷，也就是无需开启第二热管理支路和第三热管理支路，仅靠环境温度与ats散热系统便可将从管路内的流体降到到适宜温度；

64.同时，打开风扇7，用于给ats散热系统6散热。

65.(2)当环境温度大于5℃且小于15℃时，第二条热管理支路即节能热管制冷支路工作：控制主机控制第一电子三通阀4的第二出口打开、第二电子三通阀12的第二入口打开、水泵2打开、液冷蒸发器11打开、氟泵9打开、电子膨胀阀10打开、第三电子三通阀13打开、冷凝器8打开、第四电子三通阀14打开，其余关闭，与电芯热交换后的液体流出集装箱外，温度较高的液体流经第一电子三通阀4与液冷蒸发器11进行热交换，对管路内液体进行降温，以得到低温液体，随后将低温液体经过第二电子三通阀12输送至集装箱内与电芯进行热交换。当启用节能热管制冷模式时，冷媒传递路线为：氟泵9

→

exv电子膨胀阀10

→

液冷蒸发器11

→

第三电子三通阀13

→

冷凝器8

→

第四电子三通阀14

→

氟泵9，此时压缩机5是关闭的，液体经过第三电子三通阀13直接到冷凝器8。

66.同时，打开ats散热系统6和风扇7，用于给冷凝器8散热。

67.在环境温度处于5℃

?

15℃时，ats散热系统对冷凝器8进行散热，此时的冷凝器8的温度足够使从液冷蒸发器11流出的高温高压制冷剂蒸汽冷凝成液态制冷剂。液态制冷剂由管道流经电子膨胀阀10，温度和压力较高的液态制冷剂通过电子膨胀阀10装置后体积变大，压力和温度急剧下降，以雾状排出电子膨胀阀10。电子膨胀阀10横截面积可作动态调节，以控制制冷剂的量，确保制冷剂在蒸发器内完全蒸发。

68.(3)当环境温度大于等于15℃是，第三条热管理支路即压缩机制冷支路工作：控制主机控制第一电子三通阀4的第二出口打开、第二电子三通阀12的第二入口打开、水泵2打开、液冷蒸发器11打开、氟泵9打开、电子膨胀阀10打开、第三电子三通阀13打开、压缩机5打

开、冷凝器8打开、第四电子三通阀14打开，其余关闭，与电芯热交换后的液体流出集装箱外，温度较高的液体流经第一电子三通阀4与液冷蒸发器11进行热交换，对管路内液体进行降温，以得到低温液体，随后将低温液体经过第二电子三通阀12输送至集装箱内与电芯进行热交换。

69.压缩机制冷模式(第三条热管理支路)与节能热管制冷模式(第二条热管理支路)所不同的是冷媒的传递路线有所不同，冷媒传递路线为：氟泵9

→

exv电子膨胀阀10

→

液冷蒸发器11

→

第三电子三通阀13

→

压缩机5

→

冷凝器8

→

第四电子三通阀14

→

氟泵9。在环境温度高于15℃的情况下，冷凝器8的温度不足以将由液冷蒸发器11流出的冷媒液化，此时需要电动压缩机的参与。压缩机5运转，吸入液冷蒸发器11出口处的低温低压的气态制冷剂，将其压缩成高温高压的气态制冷剂排出压缩机5，随后高温高压的制冷剂蒸汽进入冷凝器8，压力与温度均降低，制冷剂经冷凝器8由气态变为液态,液态制冷剂由管道流经电子膨胀阀10，温度和压力较高的液态制冷剂通过电子膨胀阀10装置后体积变大，压力和温度急剧下降，以雾状排出电子膨胀阀10。电子膨胀阀10横截面积可作动态调节，以控制制冷剂的量，确保制冷剂在蒸发器内完全蒸发。

70.在第二条热管理支路和第三条热管理支路上，二者共用同一条回路，在节省元器件的同时，能够减少占用的空间，提高安装和使用的便捷性，同时重量也是相应的减小，便于使用。

71.冷凝器8正对面是安装电机和扇叶，其主要目的是通过风吹方式让冷凝器8能够与外界进行换热，也就是说，风扇7置于ats散热系统6和冷凝器8之间，风扇工作时能够兼顾ats散热系统6和冷凝器8，也一定程度上减轻重量和减小占用空间。

72.ats散热系统6采用散热器。

73.本发明针对外部环境温度不同，采用三种制冷模式进行液冷散热，可有效降低能量消耗，采用该热管理系统，能达到全年空调节能50％以上的效果。

74.在第二条热管理支路和第三条热管理支路中，电子膨胀阀10的开度也尤其重要，开度也即是膨胀阀的流通液体的横截面积a，根据公式：

75.可知流量m与横截面积a之间的关系；

76.其中，m是膨胀阀的流量，c

d

是电子膨胀阀流量系数，p1是膨胀阀出口压力，p2是膨胀阀进口压力，ρ是制冷剂的密度。

77.另外，在液冷蒸发器工作时，其单位时间内需要消耗的热量为：

78.q＝(t1?

t2)cv,

79.其中，q是1单位时间内的液冷蒸发器消耗的热量，t1和t2是液体冷却后和冷却前的温度，c是制冷剂的比热，v是1单位时间内制冷剂的体积；

80.另外，v也同时是膨胀阀流出制冷剂的体积，也即m＝v*t，t是时间，因此，在单位时间内m就等于v，可以得出：

81.q＝(t1?

t2)c*m，

82.推导得出：

[0083][0084]

可以得到q和a之间的关系；

[0085]

又由于：q＝pt，p是液冷蒸发器的额定功率，t是时间，在单位时间内q和p数值相等，因此：

[0086][0087]

其中，p、c、c

d

、ρ、p1、p2是已知的，t1、t2、p1、p2采集得到的，因此，可以计算得出此时的横截面积a。

[0088]

本发明利用控制主机自主计算膨胀阀的开度，实现自动调节的功能。

[0089]

本发明采用液冷蒸发器与冷媒进行热交换，目前普遍采用的液冷换热和风冷换热在应用过程中都存在一定的缺点：风冷换热方式，换热量小，换热效率低，遇到极端高温天气，冷凝器冷凝温度升高，管路压力升高，导致制冷系统效率降低。部分情况下，甚至会导致制冷系统停机；本发明采用液冷方式与冷媒进行热交换，换热效率高，冷却效果好。相比风冷换热方式，对恶劣环境的适应性更强，可靠性更好。

[0090]

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。技术特征：

1.一种用于集装箱储能电池的热管理方法，其特征在于：包括三条不同运行模式的热管理支路；所述方法包括以下步骤：获取环境温度数据，并根据所述环境温度数据打开其中一条热管理支路，同时关闭另外两条热管理支路。2.根据权利要求1所述的一种用于集装箱储能电池的热管理方法，其特征在于：三条不同运行模式的热管理支路包括：第一条热管理支路是液冷散热器制冷支路，利用ats散热系统进行降温；第二条热管理支路是节能热管制冷支路，利用液冷蒸发器和第二冷媒回路进行热交换；第三条热管理支路是压缩机制冷支路，利用液冷蒸发器和第三冷媒回路进行热交换。3.根据权利要求2所述的一种用于集装箱储能电池的热管理方法，其特征在于：根据所述环境温度数据打开其中一条降温支路，同时关闭另外两条热管理支路包括以下子步骤：所述环境温度数据小于等于第一温度时，打开所述第一条热管理支路，同时关闭所述第二条热管理支路和所述第三条热管理支路。4.根据权利要求3所述的一种用于集装箱储能电池的热管理方法，其特征在于：根据所述环境温度数据打开其中一条降温支路，同时关闭另外两条热管理支路包括以下子步骤：所述环境温度数据大于第一温度且小于第二温度时，打开所述第二条热管理支路，同时关闭所述第一条热管理支路和所述第三条热管理支路。5.根据权利要求4所述的一种用于集装箱储能电池的热管理方法，其特征在于：根据所述环境温度数据打开其中一条降温支路，同时关闭另外两条热管理支路包括以下子步骤：所述环境温度数据大于等于第二温度时，打开所述第三条热管理支路，同时关闭所述第一条热管理支路和所述第二条热管理支路。6.根据权利要求5所述的一种用于集装箱储能电池的热管理方法，其特征在于：所述第一温度为5℃，所述第二温度为15℃。7.一种用于集装箱储能电池的热管理系统，其特征在于：包括水泵(2)，用于将集装箱储能电池包(1)中电芯热交换后的液体泵入其中一条热管理支路；温度传感器(3)，用于检测环境的温度；第一电子三通阀(4)，设于三条不同运行模式的热管理支路的入口处，并连接至所述水泵(2)；第二电子三通阀(12)，设于三条不同运行模式的热管理支路的出口处，并连接至所述集装箱储能电池包(1)；控制主机，用于根据所述环境温度数据控制所述第一电子三通阀(4)和所述第二电子三通阀(12)的开闭以打开其中一条热管理支路，同时关闭另外两条热管理支路。8.根据权利要求7所述的一种用于集装箱储能电池的热管理系统，其特征在于：所述第一条热管理支路包括ats散热系统(6)和风扇(7)，所述ats散热系统(6)的入口连接至所述第一电子三通阀(4)的第一出口，所述ats散热系统(6)的出口连接至所述第二电子三通阀(12)的第一入口；

所述第二条热管理支路包括液冷蒸发器(11)，所述液冷蒸发器(11)的入口连接至所述第一电子三通阀(4)的第二出口，所述液冷蒸发器(11)的出口连接至所述第二电子三通阀(12)的第二入口；同时，所述第二条热管理支路配合有第二冷媒回路，所述第二冷媒回路包括依次顺序连接的氟泵(9)、电子膨胀阀(10)、所述液冷蒸发器(11)、第三电子三通阀(13)、冷凝器(8)、第四电子三通阀(14)、氟泵(9)，所述第四电子三通阀(14)与所述氟泵(9)并联连接；所述第三条热管理支路与所述第二条热管理支路重合；同时，所述第三条热管理支路配合有第三冷媒回路，所述第三冷媒回路包括依次顺序连接的氟泵(9)、电子膨胀阀(10)、所述液冷蒸发器(11)、第三电子三通阀(13)、压缩机(5)、冷凝器(8)、第四电子三通阀(14)、氟泵(9)，所述第四电子三通阀(14)与所述氟泵(9)并联连接。

技术总结

本发明公开了一种用于集装箱储能电池的热管理方法和系统，包括三条不同运行模式的热管理支路；所述方法包括以下步骤：获取环境温度数据，并根据所述环境温度数据打开其中一条热管理支路，同时关闭另外两条热管理支路。本发明解决现有的技术中储能电池制冷时产生的能耗大，节能效果差等问题。节能效果差等问题。节能效果差等问题。

技术研发人员：马长年 李紫娟 周禛 吴寿辉 孔潇 刘印

受保护的技术使用者：江苏佰睿安新能源科技有限公司

技术研发日：2021.08.11

技术公布日：2021/11/16