用于全钒液流电池的热量管理方法与流程

一种用于全钒液流电池的热量管理方法

1.分案说明

2.本分案申请的原始基础是申请号为202110116179.7，申请日为2021年1月27日，发明名称为“一种用于全钒液流电池储能模块装置的电压均衡控制方法”的专利申请，其要求了申请号为202011532890.2的专利申请的优先权，优先权日为2020年12月21日。

技术领域

3.本发明涉及液流电池技术领域，尤其涉及一种用于全钒液流电池的热量管理方法。

背景技术：

4.全钒液流电池是一种以钒为活性物质呈循环流动态的氧化还原电池。钒电池电能以化学能的方式储存在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外界泵把电解液压入电池反应堆内，在机械力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解液溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。

5.现有的全钒液流电池在进行充、放电反应过程中由于化学变化产生热量将导致电解液的温度升高，其温度过高会使溶液蒸发增大，环境恶化和能耗升高从而影响电池的使用性能，温度若过低则其渗透力降低，电解液的内阻增大，扩散程序降低，电化学反应变缓，从而降低电池容量。

6.cn109841927a公开了一种适用于高寒地区的电动汽车动力电池热管理装置，其包括保温箱体、冷却装置、电池温度检测元件和控制处理器模块：在使用时，将电池安置到保温箱体内的电池放置部，使得冷却装置的吸热部和电池温度检测元件贴在电池上；当工作时，电池的温度高过预设值时，电池温度检测元件将信号传递给控制处理器模块，然后控制处理器模块控制冷却装置开始冷却工作，冷却装置的吸热部将热量吸收，并将废热传递给散热部，然后散热部将废热挥散到保温箱体外界；当电池温度低于预设值时，电池温度检测元件将信号传递给控制处理器模块，然后控制处理器模块控制冷却装置停止冷却工作，那么电池持续发热所产生的热量积累在保温箱体。

7.该专利的设计仍然存在以下几个技术问题中的至少一个：

8.1.该方式虽然实现了对电解液温度的控制，并作了简单的热量回收，但热量利用途径单一；

9.2.没有根据电池充放电阶段的实际运行工况及运行环境作针对性地温度调节及控制，可能会造成不必要的调控过程及更多的资源浪费；

10.3.在一些特殊地域或大温差环境条件下，没有依据储能电池系统反应过程中的热量变化对电量作相应的调整以满足各工况下适宜的电量需求。

11.cn107819140a公开了一种全钒液流电池系统及其冷却方法，属于液流电池领域，为了解决现有液流电池在放电阶段进行电解液冷却占用调峰负荷的问题，技术要点是：包

括用于监测全钒液流电池充放状态的监测装置，及于监测装置发出全钒液流电池为充电状态的信号以启动的冷却装置，所述冷却装置用于对电解液储罐中的电解液冷却，效果是：可降低热泵机组功率及投资。但是该系统在一些特殊地域或大温差环境条件下，没有依据储能电池系统反应过程中的热量变化对电量作相应的调整以满足各工况下适宜的电量需求。同时，该发明的冷却方法不适用于高温高载荷的工况，且该冷却方法的换热效率低，不能有效降低全钒液流电池的自损伤程度。

12.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

技术实现要素：

13.针对现有技术之不足，本发明提供了一种用于全钒液流电池储能模块装置及其电压均衡控制方法，其中钒液流可选择性通断地连接于反应电堆，所述方法的具体装置除反应装置外，包含检测装置、对电解液进行温度调节并作热量管理的热量管理装置以及用于调节整个系统运行方式的控制器。通过检测装置检测电池反应装置的充放电状态，将检测装置采集到的信息传递给外部控制器，外部控制器基于检测装置提供的充放电信号来控制热量管理装置的启动与停止，所述热量管理装置中设有用于储存并利用电解液热量的储热罐，其中，所述储热罐中预设有用于与电解液间接接触而不互溶的方式交换热量的液态储热介质，所述承装用于储存电解液热量的液态储热介质的热储罐通过非液流混流方式的物理接触实现对从电解液中获取的热量集中管理及多向利用，同时外部控制器根据热量与电量间的非线性关系来确定各工况下合适的电量，进而确保储能系统高效且独立的运转。

14.本发明还涉及一种用于全钒液流电池储能装置的电压均衡控制方法。优选地，所述方法能够通过外部控制器来控制全钒液流电池储能装置的工况，其中所述控制器被编程以执行至少以下步骤：

15.s1.所述用于控制全钒液流电池储能装置工况的外部控制器借助于电池储能装置自身的测温装置实时确定电池正负极反应区域内至少一侧的电解液温度；

16.s2.所述用于控制全钒液流电池储能装置工况的外部控制器借助于控制器自身的测温装置实时判断储能装置的外界环境温度；

17.s3.所述用于控制全钒液流电池储能装置工况的外部控制器将结合实时电流和/或电压值判断系统用电负荷；

18.所述用于控制全钒液流电池储能装置工况的外部控制器将依照上述步骤确定系统的实时发电量，并依据所得发电量计算同时期的系统产热量，外部控制器依据产热量对不同工况下的储能装置实行轮作式的换热调节，其次，外部控制器在提前规划热量管理，利用负反馈机制调整温度的基础上参照热量与电量间的非线性关系来确立对应工况下的合适电量。

19.此技术方案的优点在于：本发明中外部控制器依据产热量对不同工况下的储能装置实行轮作式的换热调节，一定程度上减少了额外资源的浪费，节约了成本，且此种调节方式能在维持用于控制整个储能电站和/或调峰基站稳步运行的其余电子电力设备保证自身

功率功能稳定输出的同时，确保整个储能系统中作为主要能量来源的全钒液流电池反应装置的平稳运行，从而实现对整个储能系统产生的热量多途径的利用，此外，利用热量与电量间的非线性关系对储能系统进行调节，能够保证在任意工况下储能装置平稳运行的同时输出适宜的电量，即利用两者间的非线性关系相互制约从而保证储能系统处于最佳的运行状态。

20.优选地，位于负极半电池反应区域内的一测温装置被设置于负极半电池反应电堆或负极电解液储存罐或负极电解液循环管路中以直接测得所述负极电解液温度，位于正极半电池反应区域内的一测温装置被设置于正极半电池反应电堆或正极电解液储存罐或正极电解液循环管路中以直接测得所述正极电解液温度和/或依据测得的所述负极电解液温度值通过公式计算求得。

21.其优点在于：所述电池两侧正、负电极测量结果虽各自独立，但保持数学关系上的非线性关联性，因此通过一侧的实时温度变化值能够直接和/或间接地反应出另一侧的温度变化范围，有利于控制器及时对储能系统的温度作出调整。特别是由于例如温度传感器一类的测温装置容易因为电解质析出或沉淀而导致随时间使用而发生误测，通过非线性关联性计算可以预测出电解液老化情况，有利于电解液更换时机的预测；此外，电池两侧正、负电极各自独立的测量结果能够用以定期校验测温装置，在单侧测温装置故障时，能够根据非线性关联性计算给出至少两个预测性故障结果，便于维护人员决策维护策略，尤其可避免出现极端运行工况。

22.优选地，所述外界环境温度由所述外部控制器自身的测温装置直接测得，且外部控制器通过比较正、负极电解液温度值和电池系统适宜启动温度的差异，确定电池系统所需的启动时间及温度调节方式。

23.其优点在于：外部控制器启动相应换热设备将由储存于储热罐内的储热介质回收来的热量以换热流体的形式在不进入全钒液流电池反应装置内的条件下输送到装置的外侧来对整个反应装置进行温度调节并作阶梯式的可调节加热，根据实时的温度变化情况，其可适应性地调整每一阶段的温升调控速率及时间，在所述全钒液流电池反应装置的温度值达到该反应装置稳定运行时所需的温度值时便通过外部控制器关断储热装置并由此切断与全钒液流电池反应装置连接的热量循环管路以停止对该装置持续性的可调节式的加热过程，在保证储能系统正常启动及稳步运行的同时，有选择性地利用热量管理系统所回收的热量，减少资源的进一步浪费，并提高整个储能系统的运行效率。

24.优选地，所述外部控制器将根据储能系统实时输出的电流和/或电压值计算出非线性变化的用电负荷值，同时对应与其相关的电解液温度、外界环境温度等参数并形成数据集。

25.其优点在于：所述数据集中各参数间的关系将是一一对应，便于后续热量与电量的计算并以此作为结果核算的依据。

26.优选地，依据所述数据集，所述外部控制器通过公式计算各工况下系统的发电量，同时求得对应工况下的热量以此建立热量与电量间的非线性关系并形成经验数值表，所述经验数值表可通过有限次数实验结合本领域现有知识获得，甚至可通过编辑程序进行数据模拟或拟合从而进一步提高其准确性。

27.其优点在于：通过建立热量与电量间的非线性关系并以此形成具体的经验数值

表，可简化储能系统运行过程中将热量和电量间的复杂关系联系起来并对其进行定性的描述，即依照相对简单的经验数值曲线和/或公式便可将热量与电量的关系较为直观的表现出来，并以此作为利用储能系统产生的热量去调节同时期电量的依据，可显著提高维持储能系统运行的易操作性且减少维护人员的工作量。

28.优选地，所述外部控制器将依据所述热量启动相应的换热设备对不同反应工况下的液流电池作针对性的热量调节及回收利用，并依照所述经验数值表来确立对应产热工况下储能系统合适的电量。

29.优选地，若外部控制器依据参数判定全钒液流电池处于低温和/或低载荷工作态时，将启动相应换热设备进行反应体系内部正极半电池反应区域的电解液和负极半电池反应区域间的电解液的自换热循环过程且不进行热量回收，同时依据此阶段计算出的热量与电量间的非线性关系，结合经验数值表来确定合适的电量。

30.其优点在于：由于外界环境温度较低，此时整个热量管理系统中热量循环管路上各换热设备的运行环境较差，若在此时启动相应的换热设备将较为困难，且设备启动后的功耗较大、换热及热量回收效率相对较差，启动后的发电情况也不乐观，此种换热方式无需引入外界换热介质参与换热过程，不需启动热量循环管路中的所有换热设备便能实现电解液的自热利用，且不进行热量回收，避免入不敷出进一步增加系统的能耗，实现热量回收的经济价值意义，此外，在提高资源利用率的同时进一步提升储能系统的电力输出效率。

31.优选地，若外部控制器依据参数判定全钒液流电池处于高温和/或高载荷工作态时，将启动相应换热设备对正极半电池反应区域和/或负极半电池反应区域中至少一部分区域内的电解液作冷却循环及热量管理，同时依据此阶段计算出的热量与电量间的非线性关系，结合经验数值表来确定合适的电量。

32.其优点在于：由于此时储能系统处于高温高载荷工作态，其运行时的能耗较大，具有高发电量的同时伴随着较高的热量产生，因此需要进行适宜的温度调节及热量回收过程，此种轮作式的换热调节能够满足高温高负荷情况下储能系统所需的适宜的运行温度条件，针对正、负电极不同的温度变化情况选择对其中至少一侧进行温度调节，并对调节过程中产生的热量作具体的热量回收及后续利用，避免热量的损耗的同时提供给储能系统适宜的运行环境，以此提升储能系统的电力输出效率。

33.优选地，若外部控制器依据参数判定全钒液流电池处于常温中低载荷和/或正常载荷工作态时，只需启动热泵机组中的至少一个换热设备或无需启动而采用自然降温的方式来满足全钒液流电池反应装置所需的运行条件且不进行热量回收，，同时依据此阶段计算出的热量与电量间的非线性关系，结合经验数值表来确定合适的电量。

34.其优点在于：由于此时储能系统处于常温中低载荷工作态，则不需要启动过多的设备对储能系统的冷却及热量回收作过多的干预，利用外接的诸如风机一类的设备或自然降温的方式以满足全钒液流电池反应装置所需的正常运行条件即可，此举能够降低整个储能系统的输入功率及能量损耗，从而提升储能系统的电力输出效率。

35.一种用于全钒液流电池储能装置的电压均衡控制方法的系统，优选地，所述系统包括液流电池反应装置、检测装置、对电解液进行温度调节并作热量管理的热量管理装置以及用于调节整个系统运行方式的控制装置，其中，

36.优选地，所述热量管理装置，还包括至少一个电解液循环泵，所述至少一个电解液

循环泵一端法兰连接于所述反应电堆，相应地所述至少一个电解液循环泵另一端分别与所述正极电解液储存罐或所述负极电解液储存罐在各自循环管路内相连，其用于整个钒液流电池系统氧化还原反应过程中正极电解液储存室和负极电解液储存室内的电解液与反应电堆间的循环输送。

37.优选地，所述热量管理装置，还包括冷凝器，所述冷凝器的下游端与在传热流体向蒸发器流动方向上的止逆阀一侧管路连接，所述冷凝器的上游端与通过控制装置控制的压缩机管路连接，其用于将从饱和液体中获取的热量提供给储热系统中的储热罐，通过储热罐中预先承装有的液体储热介质与电解液热量间的非直接接触方式，实现对电解液热量的回收管理。

38.优选地，所述热量管理装置，还包括换热器，所述换热器的位于从反应电堆出发的电解液循环流动下游处的输出端与沿电解液流回储存罐的方向上的正极电解液储存罐连接，所述换热器的位于传热流体循环流动上游的输入端与反应电堆连接，其中，所述换热器中将发生电解液冷却过程中的首次热量交换过程，该热量将通过传热流体的形式传递到传热管路的蒸发器中作进一步处理。

39.优选地，所述热量管理装置，还包括蒸发器，所述蒸发器的位于从换热器释放出的传热流体循环流动下游处的输出端与通过控制装置控制的压缩机连接，所述蒸发器的位于热流体循环流动上游的输入端与换热器连接，所述正极电解液储存罐的第一电解液循环管道与所述负极电解液储存罐的第二电解液循环管道是在所述蒸发器处并行，该蒸发器主要用于吸收电解液冷却循环过程中从换热器中释放出的热量，并将该热量以低压蒸气的形式传递给压缩机作进一步处理。

40.优选地，所述热量管理装置，还包括一设置在所述蒸发器和冷凝器相连的循环管道上的压缩机，所述压缩机的位于从蒸发器释放出的传热流体循环管路上游处的输入端与蒸发器连接，所述压缩机的位于传热流体循环管路下游处的输出端与冷凝器连接，该压缩机作为储热系统中制冷装置的动力核心，将在钒液流电池充电阶段全面启动，通过将由蒸发器输送来的低温和/或低压制冷剂蒸气压缩提高其温度和压力，将该高温蒸汽输送到冷凝器中从而实现热功转换的目的，当钒液流电池进入放电阶段后该压缩机将停止运行。

41.优选地，所述控制装置，还包括一设置在所述蒸发器和冷凝器相连的循环管道上的控制阀，所述控制阀的位于从冷凝器释放出的传热流体循环流动上游处的输入端与止逆阀连接，所述控制阀的位于循环流动下游处的输出端与膨胀阀连接，其用于控制所述电解液换热器的启动与停止并就整个运行工况调节其输出功率，以实现整个热交换过程中对电解液的冷却及对产出热量的后续存储及利用。

42.优选地，所述控制装置，还包括一设置在所述蒸发器和控制阀间的膨胀阀，所述膨胀阀的位于从冷凝器释放出的传热流体循环流动上游处的输入端与控制阀连接，所述膨胀阀的位于循环流动下游处的输出端与蒸发器连接，其用于将冷凝器或储液器中处于冷凝压力下的饱和流体或过冷流体的压力和温度降至对应工况下所需的蒸发压力及蒸发温度后，依据实际用电负载的变化情况，对从制冷剂入口阀沿管路进入蒸发器内部的制冷剂的流量进行调节，从而达到节流的目的。

43.优选地，所述控制装置，还包括一设置在所述冷凝器和控制阀间的止逆阀，所述止逆阀的位于从冷凝器释放出的传热流体循环流动上游处的输入端与冷凝器连接，所述止逆

阀的位于循环流动下游处的输出端与控制阀连接，其主要用于防止冷却系统运行过程中制冷介质的倒流，且避免压缩机驱动电动机反转。

44.优选地，所述热量管理系统中设置于蒸发器与冷凝器循环管路间的控制阀，其与全钒液流电池系统外部的一控制器电路连接，该控制器将依据检测装置上传的温度信号操纵控制阀的启动与停止，进而实现循环管路中传热流体的流通。

45.优选地，所述检测装置包括以测温装置，所述测温装置固定连接于所述正极电解液储存罐出口处与电解液循环泵入口处的循环管路之间，且同外部的控制器电路连接，该测温装置负责采集流经该装置的由电解液储存罐流向反应电堆内部的循环电解液的温度变化数据，并以此数据作为外部控制器控制热量管理装置中相关设备启动的依据。

附图说明

46.图1是一种用于全钒液流电池储能模块装置的电压均衡控制方法的系统连接示意图。

47.附图标记列表

48.1、反应电堆

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2、正极电解液储存罐

49.3、负极电解液储存罐

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4、电解液循环泵

50.5、热泵机组

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6、换热器

51.7、测温装置

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8、控制阀

52.9、止逆阀

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10、蒸发器

53.11、冷凝器

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12、压缩机

54.13、膨胀阀

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14、储热装置

55.15、外部控制器

具体实施方式

56.下面结合附图对本发明进行详细说明。

57.本发明涉及一种用于全钒液流电池储能模块装置及其电压均衡控制方法，所述方法的具体装置除钒液流电池反应装置外，包括：用于检测全钒液流电池充放电状态的检测装置和对电解液进行温度调节并作热量管理的热量管理装置以及用于调节整个系统运行方式的外部控制器。具体地，该系统包括反应电堆1、正极电解液储存罐2、负极电解液储存罐3、电解液循环泵4、测温装置7、热泵机组5、储热装置14以及一些必要的阀门和管路等。

58.根据一种优选实施方式，该热量管理系统中的反应装置，除主要进行氧化还原反应的钒液流电池反应电堆1之外，还包括在正极电解液循环管道中段利用法兰管道结构焊接有电解液循环泵的正极电解液储存罐2和在负极电解液循环管道中段利用法兰管道结构焊接有电解液循环泵的负极电解液储存罐3，其通过复合材质的循环管道连接于所述钒液流电池反应电堆1的两侧，该正极电解液储存罐2和负极电解液储存罐3用于分别预先承装参与钒液流电池氧化还原反应的正、负极电解液。

59.在钒液流电池运行过程中，同电解液储存罐通过循环管道以焊接方式连接的电解液循环泵4以诸如法兰管道连接的方式分别设置在用于承装电解液并作为电解液热量来源的正极电解液储存罐2和负极电解液储存罐3与钒液流电池反应电堆1连接的循环管道中

段，该电解液循环泵用于整个钒液流电池系统氧化还原反应过程中位于钒液流电池反应电堆1两侧的正极电解液储存室和负极电解液储存室内的电解液与钒液流电池反应电堆1间的循环输送。

60.所述用于承装正极电解液并作为热量来源的正极电解液储存罐2，其通过焊接方式与一和外部控制器电路连接的测温装置7固定设置在正极半电池反应区域下游处位于电解液循环泵入口和正极电解液储存罐之间连接的且靠近正极电解液储存罐一侧循环管路上，该测温装置用于实时测量整个钒液流电池系统氧化还原反应过程中流经该装置的循环输送管路中的电解液的温度变化情况，并以此作为后续储热系统中冷却装置核心组件进行功率调控以及热量管理利用的依据。

61.在该热量管理系统中，作为冷却装置核心组件的换热器6通过管路焊接被固定设置在位于正极半电池反应区域上游处正极电解液储存罐2与钒液流电池反应电堆1之间连接的循环管路上，其换热器类型优选为管壳式换热器。该管壳式换热器外壳部液体为待处理的电解液组分，内管部液体为制冷剂，若干组承装有制冷剂的换热器内管并联。该换热器作为整个热量管理系统中冷却装置的主要热量处理单元，其主要用于电解液的冷却，即释放从电解液循环冷却过程中所吸收的热量以提供给整个热泵机组5中的蒸发器10。

62.进一步地，位于正极半电池反应区域上游处正极电解液储存罐2与钒液流电池反应电堆1连接管路上的换热器6，与冷却系统5中热泵系统组件的一蒸发器10通过循环管道固定连接，该蒸发器主要用于吸收电解液冷却循环过程中从换热器6中释放出的热量。

63.在本发明所描述的具体实施例中，除钒液流电池所必需的反应机构之外，对于整个钒液流电池氧化还原反应过程中热量的处理主要依靠热泵机组5和储热装置14两部分，通过冷却系统5和蓄热系统14之间的热量交换过程，以实现对钒液流电池系统电解液热量的持续有效的管理及利用。

64.所述冷却系统5具体地包括：蒸发器10、膨胀阀13、控制阀8、止逆阀9、冷凝器11以及压缩机12。

65.所述用于吸收电解液冷却循环过程中从换热器6所释放出的热量的蒸发器10，与位于热泵系统组件中以热交换方式提供热量给储热系统14的冷凝器11通过循环管道以焊接方式连通。

66.一方面，当热量管理系统中的冷却系统处于运行工况时，一通过控制装置控制的压缩机12通过诸如法兰管道的结构被设置在位于冷却循环系统上游处蒸发器10和冷凝器11连接且靠近冷凝器11一侧的循环管道上。具体地，该压缩机作为制冷系统的动力核心，将在钒液流电池充电阶段全面启动，通过压缩机将低温和/或低压制冷剂蒸气压缩提高其温度和压力，从而实现热功转换并达到制冷的目的，当钒液流电池进入放电阶段后该压缩机将停止运行。

67.另一方面，位于整个冷却系统下游处的蒸发器10和冷凝器11间连接循环管路上，相应地设置有多个(例如三个)不同结构及功能作用的阀门，其共同构成热泵机组的控制组件，该系统控制组件用于控制整个热量管理过程中各核心组件的启停、输出并就具体运行工况作相应调节等。

68.根据一种优选实施方式，所述冷却系统控制组件中有一与外部控制器电路连接的控制阀8通过诸如法兰管道结构的方式被设置在所述蒸发器10和冷凝器11焊接相连的循环

管道中段，并分别与换热器制冷工质侧和冷凝器加热工质侧通过循环管道相连。作为冷却系统控制组件的核心元件，该控制阀用于控制所述电解液换热器的启动与停止并就整个运行工况调节其输出功率，以实现整个热交换过程中对电解液的冷却及对产出热量的处理和利用。

69.此外，所述冷却系统控制组件中有一膨胀阀13通过诸如法兰管道结构的方式被设置在所述蒸发器10和控制阀8相连的循环管道之间，该膨胀阀通过将冷凝器或储液器中处于冷凝压力下的饱和流体或过冷流体的压力和温度降至对应工况下所需的蒸发压力及蒸发温度后，依据实际用电负载的变化情况，对从制冷剂入口阀沿管路进入蒸发器内部的制冷剂的流量进行调节，从而达到节流的目的。

70.进一步地，所述冷却系统控制组件中有一止逆阀9通过诸如法兰管道结构的方式被设置在所述冷凝器11和控制阀8相连的循环管道之间，该止逆阀主要防止冷却系统运行过程中制冷介质的倒流，且避免压缩机驱动电动机反转。

71.优选地，在所述止逆阀9和控制阀8连接的循环管路之间相应地可通过法兰管道结构增加一关断阀，此处需特别说明的是，被设置在蒸发器10和冷凝器11相连的循环管路间的控制阀虽能够起到控制循环管路关断的作用，但由于其关断作用有限不能保证管路的完全切断，加设该关断阀能够辅助所述控制阀启动或停止冷却系统中的换热器，以确保系统安全并实现节流、节能的目的。

72.根据一种优选实施方式，所述位于冷却系统上游处与压缩机12管路连接的冷凝器11通过焊接方式与一含有蓄热介质的热储罐相连，该热储罐作为热量管理系统中储热系统的主要单元，能够将冷凝器中所释放出的热量通过储热介质集中收集起来，以实现热量管理做后续它用。

73.对所述系统的具体运行过程作阐述，具体地，当整个系统中的反应装置开始工作，即将位于钒液流电池反应电堆两侧且设置在用于承装电解液并作为热量来源的电解液储存罐与钒液流电池反应电堆以焊接方式连接的电解液循环管道上的电解液循环泵启动后，正极电解液储存罐和负极电解液储存罐内的反应电解液通过电解液循环泵被缓慢输送到循环管道中，并沿管道进入钒液流电池反应电堆内部，整个反应装置连通开始正常运行。

74.进一步地，该系统中的检测装置将实时检测全钒液流电池的工作状态，其中，所属检测装置为本领域中电池系统中常用的电池管理系统bms，当检测装置判断整个钒液流电池反应装置处于充电状态时，位于正极半电池反应区域下游处通过管路焊接方式设置于正极电解液储存罐与电解液循环泵连接的循环管路上的测温装置7将采集流经该测温装置的由正极电解液储存罐经循环管道流向反应电堆内部的电解液的温度信息，并将采集到的电解液温度信息传输给通过电连接方式连接的一外部控制器，所述外部控制器将依据采集到的温度信息启动相应的冷却装置对充电阶段的电解液进行冷却处理。相反地，当检测装置判定钒液流电池反应装置处于放电状态时，外部控制器将控制压缩机停止运行以中断对电解液的冷却行为。

75.当外部控制器接收到来自于测温装置采集到的温度数据后，将启动热泵机组中通过法兰管道结构设置于电解液换热器和冷凝器焊接相连的循环管道中段的与外部控制器电路连接的换热器控制阀，该控制阀将进一步启动冷却装置中位于循环管路下游处的电解液换热器，具体地，该电解液换热器壳侧流体为电解液，管侧流体为制冷剂，通过从靠近换

热器控制阀一侧的制冷剂入口将制冷剂输入到管侧，进而以热交换的方式实现对壳侧电解液的冷却作用。此外，所述电解液换热器与热泵机组中位于循环管路下游处的一蒸发器连接，该蒸发器主要用于吸收电解液冷却循环过程中从换热器中释放出的热量，并将该热量以低温和/或低压蒸气的形式输送给位于循环管路上游处的压缩机作升温和/或升压处理。

76.在钒液流电池充电状态下，通过外部控制装置将位于热量循环管路上游处通过法兰管道结构设置于电解液换热器和冷凝器焊接相连的循环管道中段且靠近冷凝器一侧的压缩泵启动，具体地，压缩机将由蒸发器输送进来的低温和/或低压制冷剂蒸气压缩提高其温度和压力，所述低温和/或低压蒸气经升温和/或升压后转换为相对高温和/或高压的蒸气并沿热量循环管路进入冷凝器，冷凝器中的低温流体与高温蒸气进行非直接接触式的热量交换，并将此过程产生的热量以蒸气形式传递到储热装置的热储罐中，所述热储罐内的液态储热介质通过非液流混流方式的物理接触实现对电解液热量的回收进一步的热量管理。

77.本实施例中所提出的一种用于全钒液流电池储能模块装置的电压均衡控制方法，将液流电池运行过程中电解液冷却后产生的热量进行了回收处理，同时将主要的冷却阶段从钒液流电池放电态调整为充电态，以降低钒液流电池放电冷却阶段所占用的电池本身的调峰负荷，将其更多地转移于电网谷电上从而提高钒液流电池储能系统的调峰能力。在系统中，通过冷却装置与电解液进行初次热量交换后，所产生的热量进一步地通过蒸发器、压缩机及冷凝器等一系列热量处理单元以传热流体的形式储存于储热装置中含有液态储热介质的热储罐中，从而实现对电解液热量的集中储存及转用，且通过计算热量，结合热量与电量间的非线性关系，确定所对应工况下储能电池系统适宜的电量。

78.优选地，本发明所提供的一种用于全钒液流电池储能模块装置的电压均衡控制方法，其可应用于建立在地理位置特殊、地形奇特且四季温差及昼夜温差较大等场合的储能电站、ups电源等电力系统中去，该全钒液流电池热量管理系统中的储热系统将回收自整个热泵机组中来自于电解液循环冷却阶段的热量，所述被回收的热量除防止资源浪费外，将进一步用作对与全钒液流电池系统和/或储能电站、调峰基站连接的用于控制和调节整个系统启停和/或输出功率的外部其他电子电力设备的温度调节，同所述全钒液流电池装置连接后协同作用控制整个储能电站和/或调峰基站稳步运行的其余电子电力设备能够在保证自身功率功能稳定输出的同时，进而确保整个储能系统中作为主要能量来源的全钒液流电池反应装置的平稳运行，从而实现整个储能系统正常的电力运行。

79.进一步的，所述系统中的储热装置也可通过配置与全钒液流电池反应装置热量循环管路相同和/或具有相似作用的换热设备来回收除来自热泵机组中产生于电解液循环冷却阶段的热量之外的产生于同所述全钒液流电池反应装置连接后协同作用用于控制整个储能电站和/或调峰基站稳步运行的其余电子电力设备的热量，且所述产自于电子电力设备的热量可与产生于电解液循环冷却阶段的热量通过相同或相似的应用方式作相同的热量利用，即所述热量管理系统中的储热装置可回收来自于整个全钒液流电池储能系统中包含但不仅限于全钒液流电池反应装置中产生于电解液的热量之外的至少一个和/或多个与全钒液流电池反应装置电路连接的作为储能系统的控制、输出及调节等逻辑控制单元且用于保证储能系统稳步运行的电子电力设备的热量，从而将所述回收的热量用于对整个全钒液流电池储能系统和外部控制、调节等输入和/或输出设备作温度调控管理。

80.根据一种优选实施方式，全钒液流电池反应装置的启停及运行均需一定的适宜的外界环境温度，以保证整个全钒液流电池反应装置的稳定运行，所述全钒液流电池储能系统中的储热装置可通过与其电路连接的外部控制装置针对处于休眠状态的全钒液流电池反应装置作适应性的温度调节以满足全钒液流电池所允许的必要启动条件，具体地，外部控制器通过诸如温度计一类的外界环境温度测量装置测得一初始外界温度并结合全钒液流电池反应装置的内部工况来确立全钒液流电池反应装置的运行状态，若判定全钒液流电池反应装置处于低温或非正常启动温度下时，则外部控制器将有选择性地决定是否启动储热装置并将与全钒液流电池反应装置连接的热量循环管路联通，对全钒液流电池反应装置施行温度调节以满足适应的启动条件。

81.进一步的，其温升调节过程是根据全钒液流电池反应装置的内部温度与外界环境温度的实时变化值并结合电力运行状态下的电流电压和/或功率值作阶梯式的可调节加热，即当全钒液流电池反应装置启动并处于正常运行状态时，所述储热装置通过热量循环管路将所述由储存于储热罐内的储热介质回收来的热量以换热流体的形式在不进入全钒液流电池反应装置内的条件下输送到装置的外侧来对整个反应装置进行温度调节，根据实时的温度变化情况，每一阶段的温升或温度调控速率及时间是显著不同的，即全钒液流电池反应装置在低温状态下初次启动时，需要利用较大流量的来自于储热罐中的热流体对反应装置进行较长时间的加热过程，待通过测温装置检测到反应装置温度达到一定数值时结合全钒液流电池适应的工作温度，可适应性地降低由储热罐输送来的热流体的流量并相应地调整加热时间，在所述全钒液流电池反应装置的温度值达到该反应装置稳定运行时所需的温度值时便通过外部控制器关断储热装置并由此切断与全钒液流电池反应装置连接的热量循环管路以停止对该装置持续性的可调节式的加热。

82.根据一种优选实施方式，本发明所提供的一种用于全钒液流电池储能模块装置及其电压均衡控制方法，能够依据动态确定的正极半电池区域侧的正极区实时反应温度和利用位于负极半电池区域设置在负极电解液储存罐内或负极反应室或电解液循环管道内的测温装置测定的负极区实时反应温度两者间的温差变化情况作针对性的换热调节，并计算换热过程中产生的热量并以此负反馈调整温度，进而得到合适的电量，同时实现整个储能系统在外部电子电力设备输入功率和/或实际电力运行工况中各电力设备损耗功率尽可能低的情况下实现对正极半电池反应区域和负极半电池反应区域内产生的热量的回收利用，在避免整个储能系统处于大功率高负荷运行工况下，其储热装置热量回收效率低的同时，也实现了对热量有选择性的回收，防止资源的进一步浪费，导致能量的输入与输出间的巨大差异，从而实现热量回收方面的实际经济价值意义。

83.进一步的，随着正极半电池反应室内反应深度的加深，其内部由于副反应产生的难溶沉淀会持续累积，并随着储存于正极电解液储存罐内的电解液在电解液储存罐与反应电堆正极半电池反应室间的循环流动而逐渐附着于循环管路附近和/或正极半电池反应室内，由于沉淀的累积正极半电池反应区域在实际反应过程中的温度变化情况是动态变化不易确定的，通过该波动温度作换热调节可能会存在较大偏差；另一方面由于负极半电池反应区域随着反应的持续进行未产生类似的沉淀物质，因此可通过将测温装置设置于负极半电池反应区域的负极电解液储存罐或负极反应室或电解液循环管道内来预先测得一个相较于正极半电池反应区域更为直观准确的反应温度值，其次，依据所测得的负极半电池反

应区域的实际温度值结合全钒液流电池反应系统的实时测量的电力运行载荷、充放电循环阶段的电流和/或电压值、反应系统中参与氧化还原反应并经电解液循环冷却阶段的电解液体积及比热等相关必要参数通过由有限次数实验得出的经验公式和/或对照实验数据曲线来求得正极半电池反应区域的实际反应温度值，通过该经验公式和/或对照实验数据曲线能够判断热量与温度间的数学关系，最终可参考负极半电池反应区域的实际温度值与通过计算求得的正极半电池反应区域的实际反应温度值，对整个全钒液流电池反应装置实施针对性的温度调节及热量回收。

84.根据一种优选实施方式，由于存在地域环境温度和/或设备因素等客观原因及人为操作控制等主观原因，全钒液流电池反应装置在实际运行时可能存在多种工况，那么依据不同的运行工况作针对性的换热调节得到合适的电量值显然是很有必要的，具体地，根据负极半电池反应区域的实测温度值通过计算求得正极半电池反应区域的实际反应温度值，并结合全钒液流电池反应系统运行时的电流和/或电压值确定全钒液流电池反应系统的实际运行载荷情况，外部控制器将根据电解液温度、外界环境温度、功率和/或负载情况判定全钒液流电池反应装置的运行状态来确定具体的换热过程并通过热泵机组5中相关的换热设备对所述储能系统中的反应装置进行温度调控，并根据热量与电量间的非线性关系，通过外部控制器来确定合适的电量。因此，本发明中需要预先提供必要的经验数值表，根据经验数值表来进行控制。

85.根据一种优选实施方式，当外部控制器接收到外界环境低温和电解液实时温度信息并结合实时的电流电压和/或功率及负载值判定此时的全钒液流电池反应装置处于低温低载荷运行态时，由于外界环境温度较低，此时整个热量管理系统中热量循环管路上各换热设备的运行环境较差，若在此时启动相应的换热设备将较为困难，且设备启动后的功耗较大、换热及热量回收效率相对较差，启动后的发电情况也不乐观，考虑到正极半电池反应区域与负极半电池反应区域在低载荷情况下的温差范围较小，则可通过外部控制器操纵位于热量循环管路中的控制阀8的启动，进而启动换热器6并将位于换热器两侧的分别与正极电解液储存罐和负极电解液储存罐可通断连接的电解液循环管路联通，以实现全钒液流电池反应体系内部的正极电解液储存室与负极电解液储存室内的电解液相互冷却换热，即正极电解液与负极电解液中温度相对较高的一方进入壳侧，温度较低的另一方则进入管侧，换热结束后分别经由各自的循环管路回到各自的电解液储存罐内以继续参与液流电池氧化还原反应所需的电解液循环过程，此种换热方式无需引入外界换热介质参与换热过程，不需启动热量循环管路中的所有换热设备便能实现电解液的自热利用，避免入不敷出且导致进一步的资源浪费，同时根据电解液温度、功率及运行时间等参数计算热量，并利用热量确定该工况下合适的发电量。

86.根据一种优选实施方式，当外部控制器接收到外界环境高温和电解液实时温度信息并结合实时的电流电压和/或功率及负载值判定此时的全钒液流电池反应装置处于高温高载荷运行态时，此时正极半电池反应区域与负极半电池反应区域所测得的温差较大，可根据两者的具体温差值结合环境温度通过外部控制器驱动热泵机组中的相应换热设备对整个全钒液流电池反应装置中正极半电池反应区域和负极半电池反应区域实施个性化的冷却循环换热及热量回收管理过程，当正极半电池反应区域和负极半电池反应区域其中一方的反应温度显著高于另一方时，可先通过外部控制器启动热泵机组中的换热设备针对高

温方实行所述的冷却循环换热及及热量回收过程，同时实时检测另一方的温度值，在高温方实时反应温度值达到适应温度范围之前或之时，可依据所述另一方的实时温度值通过外部控制器有选择性地决定是否将所述位于换热器6不同于高温方一侧的同电解液储存罐连接的电解液循环管路或热量循环管路联通以实施冷却循环换热及热量回收过程，仍以全钒液流电池适应的反应温度值为标准，若所述另一方的温度值较高且与适宜温度偏差较大则将热量循环管路联通并进行同高温方相同的冷却循环换热及热量回收过程，即可以对正极半电池反应区域和/或负极半电池反应区域中至少一部分区域内的电解液作冷却循环及热量管理，同时根据电解液温度、功率及运行时间等参数计算热量，并利用热量确定该工况下合适的发电量。

87.根据一种优选实施方式，当外部控制器接收到外界环境常温和电解液温度信息并结合实时的电流电压和/或功率及负载值判定此时的全钒液流电池反应装置处于常温中低载荷或正常载荷运行态时，此时正极半电池反应区域与负极半电池反应区域的实际反应态差别不大，且反应装置所处的外界运行环境温度尚可，则通过外部控制器操纵位于热量循环管路中的控制阀8的启动进而启动换热器6并将位于换热器两侧的分别与正极电解液储存罐和负极电解液储存罐可通断连接的电解液循环管路联通以实现全钒液流电池反应体系内部的正极电解液储存室与负极电解液储存室内的电解液相互冷却换热，且在后续热量回收过程中，无需启动热泵机组中的其他换热设备而利用外接的诸如风机一类的设备或自然降温的方式以满足全钒液流电池反应装置所需的正常运行条件即可，此举能够降低整个储能系统的输入功率及能量损耗，且该过程交换的热量较少不利于回收，故针对此工况仅作电解液的温度调节即可，无需进行热量回收，同时根据电解液温度、功率及运行时间等参数计算热量，并利用热量确定该工况下合适的发电量。

88.根据一种优选实施方式，提供一种用于全钒液流电池储能模块装置的电压均衡控制方法中热量的计算方法：

89.s1.电池充电开始前，确定电解液初始温度t1、热储罐初始温度t1；

90.s2.电池充电结束放电开始前，确定电解液的实际温度t2；

91.s3.电池放电结束时，确定电解液最终温度t3、热储罐最终温度t3；

92.s4.根据热量计算公式，分别求得电池充放电过程中产生的热量q1、热储罐内回收的热量q2以及最终产生的热量差

△

q，公式如下：

93.q＝cv

△

t；

94.s5：根据热量差值

△

q判断储热系统的回收效率，并由此通过控制装置调节热泵机组中各热量循环装置的功率；

95.s6：根据热量与电量间的非线性关系，结合经验数值表并参考相关参数确定各工况下合适的电量。

96.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。技术特征：

1.一种用于全钒液流电池的热量管理方法，所述方法能够通过外部控制器来控制所述全钒液流电池的工况，其特征在于，所述外部控制器依据产热量对高温和/或高载荷工况下的所述全钒液流电池实行轮作式的换热调节，所述外部控制器驱动热泵机组中的相应换热设备对整个所述全钒液流电池中正极半电池反应区域和负极半电池反应区域实施冷却循环换热及热量回收管理过程。2.根据权利要求1所述的热量管理方法，其特征在于，当所述正极半电池反应区域和所述负极半电池反应区域其中一方的反应温度高于另一方时，能够先通过所述外部控制器启动热泵机组中的所述换热设备针对高温方实行所述的冷却循环换热及热量回收过程，同时实时检测所述另一方的温度值。3.根据权利要求2所述的热量管理方法，其特征在于，在所述高温方实时反应温度值达到适应温度范围之前或之时，所述热量管理方法依据所述另一方的实时温度值通过所述外部控制器选择性地决定是否将位于换热器(6)不同于所述高温方一侧的同电解液储存罐连接的电解液循环管路或热量循环管路联通以实施所述冷却循环换热及热量回收过程。4.根据权利要求3所述的热量管理方法，其特征在于，所述换热器(6)通过管路焊接被固定设置在位于所述正极半电池反应区域上游处正极电解液储存罐(2)与钒液流电池反应电堆(1)之间连接的循环管路上，所述换热器(6)用于电解液的冷却。5.根据权利要求3所述的热量管理方法，其特征在于，若所述另一方的温度值高且与适宜温度偏差大则将所述热量循环管路联通并进行同所述高温方相同的所述冷却循环换热及热量回收过程，即能够对所述正极半电池反应区域和/或所述负极半电池反应区域中至少一部分区域内的电解液作冷却循环及热量管理。6.一种用于全钒液流电池的热量管理方法，所述方法能够通过外部控制器来控制所述全钒液流电池的工况，其特征在于，所述外部控制器依据产热量对常温中低载荷和/或正常载荷工况下的所述全钒液流电池实行轮作式的换热调节，所述外部控制器启动热泵机组中的至少一个换热设备或无需启动而采用自然降温的方式来满足所述全钒液流电池所需的运行条件且不进行热量回收。7.根据权利要求6所述的热量管理方法，其特征在于，当所述外部控制器接收到外界环境常温和电解液温度信息并结合实时的电流电压和/或功率及负载值判定此时的所述全钒液流电池处于常温中低载荷或正常载荷运行态时，通过所述外部控制器操纵位于热量循环管路中的控制阀(8)的启动进而启动换热器(6)并将位于所述换热器(6)两侧的分别与正极电解液储存罐(2)和负极电解液储存罐(3)可通断连接的电解液循环管路联通以实现全钒液流电池反应体系内部的正极电解液储存室与负极电解液储存室内的电解液相互冷却换热。8.根据权利要求7所述的热量管理方法，其特征在于，所述热量管理方法在后续热量回收过程中，无需启动所述热泵机组中的其他换热设备而利用外接的设备或自然降温的方式以满足所述全钒液流电池所需的正常运行条件。9.根据权利要求7所述的热量管理方法，其特征在于，所述外界环境温度由所述外部控制器自身的测温装置直接测得，且所述外部控制器通过比较正、负极电解液温度值和电池

系统适宜启动温度的差异，确定所述电池系统所需的启动时间及温度调节方式。10.根据权利要求9所述的热量管理方法，其特征在于，位于负极半电池反应区域内的一所述测温装置被设置于负极半电池反应电堆或负极电解液储存罐(3)或负极电解液循环管路中以直接测得所述负极电解液温度，位于正极半电池反应区域内的一测温装置被设置于正极半电池反应电堆或正极电解液储存罐(2)或正极电解液循环管路中以直接测得所述正极电解液温度和/或依据测得的所述负极电解液温度值通过公式计算求得。

技术总结

本发明涉及一种用于全钒液流电池的热量管理方法，方法能够通过外部控制器来控制全钒液流电池的工况，外部控制器依据产热量对高温和/或高载荷工况下的全钒液流电池实行轮作式的换热调节，外部控制器驱动热泵机组中的相应换热设备对整个全钒液流电池中正极半电池反应区域和负极半电池反应区域实施冷却循环换热及热量回收管理过程。当正极半电池反应区域和负极半电池反应区域其中一方的反应温度高于另一方时，能够先通过外部控制器启动热泵机组中的换热设备针对高温方实行的循环换热及热量回收过程，同时实时检测另一方的温度值。本发明能够有效提高全钒液流电池在高温高载荷工况下的换热效率从而延长全钒液流电池的使用寿命。使用寿命。使用寿命。

技术研发人员：李鑫 魏达 于良中 杨国宇

受保护的技术使用者：佛山市思正能源技术有限公司

技术研发日：2021.01.27

技术公布日：2022/8/9