一种混合储能热管理方法及混合储能装置

技术领域

本申请涉及电池热管理技术领域，具体涉及一种混合储能热管理方法及混合储能装置。

背景技术

目前，液流电池是一类新型电化学储能体系，其由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成。液流电池是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，为了保证参与反应的物质的稳定性，并尽量提高运行效率，需要将液流电池的运行温度以及电解液温度控制在合理的范围内。

而锂电池储能电站由锂离子电池包及管理系统、变流系统、能量监控系统和包括温控、消防在内的辅助系统组成。锂电池的优势在于自放电小，充放电反应速度快。通常锂电池的使用是通过将一个或多个电芯与换热板集成以后打包成一个锂电池包进行使用，通过换热板来控制电芯的位置和温度。

如果能将液流电池和锂电池结合形成混合储能电站，则兼具液流电池的大容量以及锂电池的快速充放电反应速度两种优势，但是现有的混合储能电站，仅仅是将液流电池和锂电池通过功率分配器分配充放电功率，两者是互相独立的电站组件。也就导致了两者需要各自独立的散热系统，对于液流电池，其具有较大的表面积，散热较为容易，而对于锂电池包，还需要架设大量换热设备。两种电池的冷却系统互相独立运行导致额外能耗，对于混合储能时的能量利用率非常不利，还不可避免地占用了大量空间，降低了单位土地面积的电量积蓄量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种混合储能热管理方法及混合储能装置，以提升混合储能系统的空间与能量的利用率。

为达到以上目的，一方面，采取的技术方案是：

本申请提供一种混合储能热管理方法，用于混合储能电站，所述混合储能电站包括液流电池和锂电池包，包括如下步骤：

在液流电池中的电解液储罐、液流电池中的电堆、锂电池包的换热板以及锂液换热器之间构建不同回路，使得混合储能电站进入暖机模式和均热模式；

其中，所述锂液换热器被配置于液流电池的每一极，所述锂液换热器用于将液流电池一极的电解液与预设数量的锂电池包的换热介质换热。

在一些更优的改进中，当所述混合储能电站进入暖机模式时，所述回路如下：

电解液储罐、锂液换热器和电堆之间依次连通构成回路；或者，电解液储罐和锂液换热器之间构成回路；

所述换热板和锂液换热器之间构成回路。

在低温状态时，液流电池的电解液粘度大，流速低，容易因为反应放热使得局部剧烈升降温，进而导致电堆内流道变形损坏，同时锂电池的库伦效率也会大幅降低。通过采用上述技术方案，可以在混合储能电站在低温冷启动时，利用锂电池自身发热特性加热换热介质，换热介质不断循环隔绝外部环境，使得锂电池包内各个电芯之间温度均匀提高，同时提高锂电池包内部局部环境温度，降低电芯热损失。另一方面，通过锂液换热器，还可以加热液流电池，使得整个混合储能电站的温度迅速升高到合适的温度区间内，提高混合储能电站的运行效率，同时，在环境温度适中的时候启动电堆一起加热。在环境温度较低，例如冬天的时候，防止损害电堆，先用锂电池发热加热自身以及电解液储罐内的电解液，待到电解液储罐内电解液达到适宜流动的温度后，再启动电堆共同加热，可以大幅降低液流电池低温冷启动时间，极大提高了混合储能电站的启动速度。

在一些更优的改进中，当所述混合储能电站进入均热模式时，所述回路如下：

电解液储罐和电堆之间构成回路，同时电解液储罐和锂液换热器之间构成回路；

所述换热板和锂液换热器之间构成回路。

上述技术方案中，均热模式是在液流电池和锂电池都达到合适温度后启动的，其主要作用是将换热板的热量通过锂液换热器传递到电解液内，再通过液流电池自身较强的散热能力将热量散发，节省了能耗

在一些更优的改进中，所述混合储能热管理方法还包括如下步骤：

根据锂电池包温度、环境温度、电堆温度和每个电解液储罐的温度来判断液流电池和锂电池包所处状态；

根据液流电池和锂电池包所处状态，在电解液储罐、电堆、换热板、锂液换热器以及冷液源构成不同回路，使得混合储能热管理方法进入冷却模式和深冷模式；

其中，冷液源用于接收热的换热介质并放出冷却后的换热介质。

在一般情况中，在常规功率的充放电的作用下，利用常规风冷以及液流电池散热足够锂电池使用，但是在较为炎热的天气、或者处于充放电功率高峰的时候，风冷和液流电池的冷却都无法满足锂电池的散热需求，就需要引入外来冷源进行冷却。通过采用上述技术方案，通过监测环境温度、电堆温度、电解液储罐温度以及锂电池包的温度，如果判断锂电池包的温度超过预设的预警值时，就表明混合储能电站的散热效果已经无法跟上锂电池包的发热能力，需要进入冷却模式降温，而电堆温度超过预警值则表示液流电池自身散热能力不足，同样需要进入冷却模式降温，而锂电池包的温度超过了预设的告警值时，就表明锂电池包有安全风险，需要进入深冷模式全力冷却锂电池包，而液流电池安全风险很低，依靠自身散热即可。

在一些更优的改进中，当所述混合储能电站进入冷却模式时，所述回路如下：

所述电解液储罐、锂液换热器和电堆之间依次连通构成回路；

所述换热板、锂液换热器和冷液源之间依次连通构成回路。

通过采用上述技术方案，主要是在环境温度过高，锂电池和液流电池的风冷散热能力不能满足需求的时候，需要引入外来冷源，本申请引入冷液源来获得额外的冷却能力，以满足混合储能电站的冷却需要。当液流电池温度过高需要冷却时，换热介质有限经过锂液换热器冷却电解液后再进入换热板冷却锂电池包内的电芯，而冷却过后的电解液以较低的温度进入电堆反应，降低电堆温度。当判断锂电池包温度过高需要优先冷却时，换热介质流向反向，先经过换热板冷却电芯，再进入锂液换热器冷却电解液，最后回到冷液源。

一些更优的改进中，当所述混合储能电站进入深冷模式时，所述回路如下：

所述电解液储罐和电堆之间构成回路；

所述换热板、锂液换热器和冷液源之间构成回路。

通过上述技术方案，深冷模式主要是在锂电池包过热可能产生安装隐患的情况下引入外来冷源对锂电池包快速冷却，而液流电池部分逐步降低流量，在将功率需求分配给其他电站后停止电解液储罐的运行，停止液流电池，防止事故扩大。

一些更优的改进中，还包括如下步骤：

根据锂电池包温度、环境温度、电堆温度和每个电解液储罐的温度判断液流电池和锂电池包所处状态；

根据液流电池和锂电池包所处状态在液流电池中的电解液储罐、液流电池中的电堆、锂电池包的换热板以及锂液换热器之间构建不同回路，使得混合储能电站进入暖机模式和均热模式。

本申请还提供一种混合储能装置，包括：

锂液换热器，其被配置于液流电池的每一极，所述锂液换热器用于将液流电池一极的电解液与预设数量的锂电池包的换热介质换热；

第一水泵，其连接于电解液储罐；

第二水泵，其连接于锂液换热器；

所述电解液储罐、锂液换热器和电堆之间通过第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀构成第一回路、第二回路和第三回路；

所述锂液换热器、第二水泵和换热板依次连通构成第四回路；

所述电解液储罐、第一水泵、第一三通阀和锂液换热器构成第一回路；

所述电解液储罐、第一水泵、第一三通阀、第三三通阀和电堆依次连通构成第二回路；

所述电解液储罐、第一水泵、第一三通阀、锂液换热器、第二三通阀、第三三通阀和电堆依次连通构成第三回路。

在一些更优的改进中，还包括冷液源、第四三通阀和第五三通阀，所述冷液源用于接收热的换热介质并放出冷却后的换热介质；

所述锂液换热器、第二水泵、第四三通阀、第五三通阀和换热板依次连通构成第四回路；

所述锂液换热器、第二水泵、第四三通阀、冷液源、第五三通阀和换热板构成第五回路。

在一些更优的改进中，还包括：

机架，其包括罐区和锂电池包区，所述罐区位于锂电池包区的上方，所述电解液储罐安装于罐区，所述锂电池包安装于锂电池包区内；

所述电解液储罐的底部设置有喷淋头。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请的混合储能热管理方法，由于将液流电池的电解液和锂电池的换热介质进行热量耦合，使得液流电池和锂电池在冷启动以及运行状态下的热量得到充分利用，提高了混合储能的能量利用率，并且还在正常运行的过程中借助液流电池本身的强散热能力对锂电池换热介质降温，减少对外界冷源的依赖，降低了混合储能电站自身能量损耗，降低了冷却设备的规模，提高了混合储能电站的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请中一个实施例的管路结构示意图。

图2为图1所示实施例处于暖机状态时的一种管路结构示意图。

图3为图1所示实施例处于暖机状态时的另一种管路结构示意图。

图4为图1所示实施例处于均热状态时的管路结构示意图。

图5为图1所示实施例处于冷却状态时的管路结构示意图。

图6为图1所示实施例处于深冷状态时的管路结构示意图。

图7为液流电池的管路结构示意图。

图8为电池包的结构示意图。

附图标记：

1、锂液换热器；11、第一水泵；12、第二水泵；13、第一三通阀；14、第二三通阀；15、第三三通阀；16、第四三通阀；17、第五三通阀；2、锂电池包；21、电芯；22、换热板；3、液流电池；31、电解液储罐；32、电堆；4、冷液源。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为方便理解，下面对本申请实施例中提及的部分技术要素进行简要地说明介绍，应当注意的是，被介绍的技术要素为常见的实施方式，仅用作帮助理解本申请的实施例，并非限制技术要素的实现形式，本领域技术人员也可以根据本领域的公知常识选择其他的实现形式，不妨碍本申请的具体实施。

本申请中，参见图7，液流电池3通常包括互相独立的三个部分，其一是电解液储罐31，上述电解液储罐31通常包括用来供给正极电解液的正极电解液储罐和用来供给负极电解液的负极电解液储罐。其二是电堆32，电堆32是正负极电解液反应的场所。其三是控制装置，用来调节供给电解液的速度。

参见图8，对于锂电池来说，通常是多个锂电池电芯21和相应的换热板22封装形成一个锂电池包2，锂电池包2作为一个充放电的基础单元，换热板22中流通换热介质，来对电芯进行热交换，锂电池包2的换热介质本领域技术人员可以根据需要选择，本申请所提供的实施例中换热介质具体为水。其他可选的实施例中存在乙二醇溶液、甘油溶液等液体作为换热介质的方案，本领域技术人员可以根据换热介质的需要调节相应的参数，并不影响本申请的实施。

相关技术中的混合储能电站只是简单将锂电池包2和液流电池3放置在一个集装箱内作为电站使用，没有考虑热量管理，造成了大量的能量浪费，同时由于没有有效利用热量，还需要额外的冷却加热设备，同样加剧了能量损失。

为了解决上述技术问题，本申请提供一个实施例，详细可以参见图1，液流电池3的正负极电解液是相互隔离的，都需要进行热管理，本实施例以及图1仅以负极侧的混合储能装置为例进行说明，正极侧与负极侧对称设置，本领域技术人员可以根据负极侧的混合储能装置得到正极侧的混合储能装置管路布置，文中不再赘述。

如图1所示，本实施例包括锂液换热器1、第一水泵11、第二水泵12、第一三通阀13、第二三通阀14和第三三通阀15。

而其中的液流电池3包括装载有负极电解液的电解液储罐31和电堆32，锂电池包2数量有多个，每个锂电池包2的换热板22都与锂液换热器1连通，本实施例中连通的是锂液换热器1的壳程。而锂液换热器1壳程中的冷却水经过第二水泵12加压从另一个管道回到换热板22中，这个回路被称为第四回路。

而在液流电池3部分，电解液储罐31利用第一水泵11将电解液泵出，然后送到第一三通阀13，第一三通阀13一个出口通向锂液换热器1的管程，另一个出口通向第三三通阀15，锂液换热器1的管程出口通向第二三通阀14，第二三通阀14的一个出口通向电解液储罐31，另一个出口通向第三三通阀15。而第三三通阀15的出口通向电堆32的负极，电解液在电堆32的负极反应完成后回流到负极电解液储罐31。其中从电解液储罐31出发，依次通过第一水泵11、第一三通阀13和锂液换热器1后回到电解液储罐31的这条通路被称为第一回路。而从电解液储罐31出发，依次经过第一水泵11、第一三通阀13、第三三通阀15和电堆32后回到电解液储罐31的这条回路被称为第二回路。从电解液储罐31出发经过第一水泵11、第一三通阀13、锂液换热器1、第二三通阀14、第三三通阀15和电堆32后回到电解液储罐31的这个通路被称为第三回路。

本实施例中，锂液换热器1的外壳为长方体，内部具体为管板式换热器，长方体外形比较规整，方便安排在锂电池包和液流电池管路之间，锂液换热器1底部两侧排列有与锂液换热器1连接的锂电池包2，锂电池包2的换热介质从底部灌入锂液换热器1内，从顶部流出。而液流电池3的电解液从锂液换热器1的顶部进入锂液换热器1内的管程中，与壳程的换热介质换热后流出锂液换热器1。

在混合储能电站经常需要面对低温冷启动状态，例如夜间蓄谷电直至蓄满电停止蓄电后，还需要等待数个小时到十数个小时才到白天的用电高峰期开始放电，在较为寒冷的天气中，液流电池3和锂电池通常温度会低于10℃乃至到达零下，造成液流电池3启动困难，同时不利于保持锂电池的库伦效率。此时就需要进入暖机模式。

在进入暖机模式时，分为两步，首先如图2所示，多个锂电池包2的换热介质在循环流动，随着锂电池包2内电芯21反应放热对换热介质加热，而换热介质在锂液换热器1内对负极电解液加热，而负极电解液从电解液储罐31内泵出在锂液换热器1内加热后回流到电解液储罐31内。

在纬度较高的地域，液流电池3会长期处于较低的环境温度下，在液流电池3启动初期，由于温度过低，导致电解液粘度增大，电解液流动阻力随之增大，而电解液循环流动所产生的热量不足以使电解液温度快速升高到适宜的运行温度，导致液流电池3的浓差极化和电极极化大幅度增加，以上因素的存在严重影响了电池快速启动能力以及稳定、持续、高效的运行，甚至可能导致液流电池3无法充放电，损害电堆32的安全。本实施例中需要先将电解液通过如图2所示的流道加热到容易电解液容易流动的流动状态时，再进入图3所示的状态。

在进入如图3所示的流道状态时，是依靠第一三通阀13和第二三通阀14来切换流动状态的，此时电解液已经加热到合适电堆32反应的状态，可以启动电堆32，通过电堆32的反应来加快加热电解液直到最合适的电解液温度。而电解液达到流动状态的具体温度需要根据选用的电解液进行测定。

而当锂电池包2和液流电池3都达到合适的温度时，开始进入均热模式。可以参见图4，均热模式主要是利用锂液换热器1将锂电池包2的发热量转移到液流电池3中，而液流电池3本身具有较为复杂的管路，以及表面积相对较大的电堆32，使得散热面积非常大，可以轻松散发掉锂电池包2产生的热量。一些可选的实施例中，还在电解液储罐31内或者电解液储罐31旁设置加强散热的散热器，进一步提高液流电池3的散热能力。

而本实施例在进行均热模式时，如图4所示，其中电解液流通路径为电解液储罐31和电堆32之间构成回路，同时电解液储罐31和锂液换热器1之间构成回路，所述换热板22和锂液换热器1之间构成回路。具体到本实施例中电解液储罐31利用第一水泵11将电解液泵出，通过第一三通阀13分为两部分，其中一部分直接流向电堆32进行反应，构成一个回路，此部分温度适中，使得液流电池3的库伦效率较高。另一部分从第一三通阀13流向锂液换热器1，并从锂液换热器1回流到电解液储罐31，构成另一个回路。本实施例中，流向电堆32的电解液流量是根据充放电需求确定的，而流向锂液换热器1的流量是根据换热量需求确定的，所以需要通过第一水泵11提供的流量足够高，再通过第一三通阀13分配两个支路的流量，使得两个支路的流量都能满足需求。

在夏季气温达到一定程度时，环境温度过高，风冷散热能力急剧下降，同时锂液换热器1内温差急剧缩小，液流电池3本身散热能力不足以负担锂电池散热，锂液换热器1也无法有效地将锂电池包2的热量传递给液流电池3。此时需要一定的额外的冷源帮助冷却，防止产生安全事故。

因此在可选的实施例中，如图5、图6所示，将锂液换热器1回流到换热板22的支路截断，而在其中加入冷液源4。冷液源4可以是冷却塔、冷机等常见的工业冷源，在本实施例中是采用经过水冷塔冷却后的水源，也即将水通过冷却塔冷却后送入换热板22，在换热板22冷却后送回到冷却塔内将换热介质温度降下来。而具体的运行模式有冷却模式和深冷模式。而为了接入冷液源4，还在第二水泵12到换热板22之间设置了第四三通阀16和第五三通阀17，此时在第四三通阀16和第五三通阀17之间形成两条支路，一条直连第四三通阀16和第五三通阀17，这条支路实质上等同于前述实施例中的第四回路。另一条是从第四三通阀16或者第五三通阀17导向冷液源4，再从另一个三通阀内回流，这一条回路构成第五回路。

在进入冷却模式时，可以参见图5，此时冷液源4、第五三通阀17、液冷板、锂液换热器1、第二水泵12和第四三通阀16之间构成一条回路。因为通常锂电池包2的发热功率和需求散热量较大，所以在本实施例中布置流向为第二水泵12从锂液换热器1的壳程抽水，从第四三通阀16流向作为冷液源4的冷却水塔，在冷水水塔降温和补水后，从第五三通阀17回流到换热板22降温后流向锂液换热器1为电解液降温。在一些其他实施例中，液流电池3发热功率更大，需要更强的散热，此时在冷液源4提供足够大的水压时也可以回路中的调整介质流向，例如冷液源4为高压水塔或者工业冷机。此时冷液源4从第四三通阀16进入，流经第二水泵12，此时第二水泵12停转，再去往锂液换热器1为电解液降温，然后送往换热板22为电芯21降温，最后通过第五三通阀17流回冷液源4冷却。

而在混合储能电站的储能安全中，液流电池3几乎不会发生燃烧等各种情况，热失控最大的危害不过是电堆32损坏。而锂电池中非常容易因为高温起火燃烧，造成严重损失。因此在温度都过高的情况下，优先保证锂电池包2的散热，此时进入深冷状态。

深冷状态时，可以参见图6，此时锂液换热器1停止工作，冷液源4为换热板22供冷，专门降低锂电池的温度，以减少事故的发生。而在液流电池3一侧，连接与锂液换热器1完全断开，同时本身电解液流量逐渐降低，直至电解液完全停止流动，避免事故恶化。

一般情况下，具体进入哪种模式，需要判断液流电池3和锂电池包2的状态，液流电池3和锂电池的具体的工作模式主要是依靠锂电池温度、电堆32温度、电解液储罐31温度和环境温度四个参数来确定。

其中锂电池包2的状态根据选取的锂电池种类进行调整的，一般是以充放电效率95%以上的温度区间作为常温状态的区间。温度低于常温状态的区间的作为低温状态的温度区间。常温状态的上限直至选取的锂电池的最高温度上限的区间内，画出位于70%处作为预警点，高于常温状态且低于预警点的温度区间作为高温状态，高于高温状态的温度区间作为过热状态的温度区间。

而液流电池3以电堆32的温度作为标准，电解液储罐31的温度作为参考。以充放电效率大于90%的电堆32温度区间作为常温状态的温度区间，温度低于这个温度的温度区间作为低温状态的温度区间。常温状态的上限直至选取的锂电池的最高温度上限的区间内，画出位于80%处作为预警点，高于常温状态且低于预警点的温度区间作为高温状态。以高于高温状态作为过热状态。而在实际使用过程中，因为电堆32不一定开启甚至不一定有电解液流通，电堆32温度不能很好的表示液流电池3的状态。因此在电堆32开启时，以电堆32温度作为判断的标准，而电堆32未启动时，以电解液储罐31加上一个修正值当做预估开启电堆32时的温度作为判断的标准。修正值主要是电极反应放热对温度的影响，可以通过试验测试出来。

而环境温度是用来预估散热效率是否能够满足需求，通常在环境温度高于第一预警值，且环境温度和锂电池温度的差值、或者环境温度和电堆32温度的差值小于第二预警值时，说明本身风冷散热功能严重不足，此时将液流电池3状态以及锂电池包2状态直接调整为高温状态。在本实施例中，第一预警值设置为35℃，第二预警值设置为5℃。

而液流电池和锂电池的状态以及选用的模式参考下表1：

表1 状态模式对应表

本实施例处于正常运行状态时，整个装置处于均热模式，热流向主要为锂电池包2产热，而锂电池包2的热量通过锂液换热器1传递给液流电池3的电解液，然后通过液流电池3将热量散发出去。进而节省了锂电池包2自身原有的散热管路，提高了整个装置的集成度，提高了效率。

本实施例中还将液流电池3和锂电池包2集成为一个储能单元，利用机架进行安装，其中机架分为上下两部分，上部分作为罐区安装电解液储罐31，下方为锂电池区，当做锂电池包2的安装区域，同时在电解液储罐31的底部设置喷淋头，这样当锂电池包2失控起火后可以放出同一极的电解液储罐31内的电解液，迅速浇灭火焰。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。