一种相变直冷式电池包

摘要

本发明属于电池降温技术领域，具体公开了一种相变直冷式电池包，包括控制装置以及设置在PACK箱内的若干个电池模组，所述电池模组之间填充有相变材料；所述PACK箱内部设置有温度传感器，用于测量电池模组的温度；所述电池模组底部设置有冷板，所述PACK箱外侧设置有冷源组件，所述冷源组件与所述冷板通过管路连接，用于主动降温；所述控制装置获取温度传感器的实测温度，并基于该实测温度下发不同的降温策略指令。本发明采用多种降温方式对电池模组进行降温，在保证降温效果的同时还可以有效阻止压缩机的频繁启停，并根据电池模组快速发送预警信息，便于及时维修。

权利要求

1.一种相变直冷式电池包，其特征在于，包括控制装置以及设置在PACK箱内的若干个电池模组，所述电池模组之间填充有相变材料；

所述PACK箱内部设置有温度传感器，用于测量电池模组的温度；

所述电池模组底部设置有冷板，所述PACK箱外侧设置有冷源组件，所述冷源组件与所述冷板通过管路连接，用于主动降温；

所述控制装置包括：

采集模块，与所述温度传感器连接，用于获取所述电池模组的当前温度；

比较模块，用于比较所述当前温度、预设的第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值，所述第三阈值大于所述第二阈值；

被动降温模块，用于在所述当前温度不大于所述第一阈值时，执行被动降温；所述被动降温为相变材料与电池模组的被动热交换；

冷源控制模块，用于在所述当前温度大于所述第一阈值且小于第二阈值时，执行冷源控制和旁通减压控制，以及在所述当前温度大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，关闭旁通减压；所述冷源控制包括：控制冷源和冷板之间的管路开闭以及管路流量；所述旁通减压控制包括：控制旁通管路的开合；

高温预警模块，用于判断电池模组的温度辅助参数是否超过阈值，若是，则向用户端发送预警信息，所述温度辅助参数包括超过第三阈值温度次数以及次数间隔；

所述冷板内部设置有若干个并排布置的冷剂铜管，所述冷剂铜管为n形结构；

所述冷源组件包括储液罐、压缩机和冷凝器；所述储液罐与所述冷剂铜管的两端分别通过入口管道连通，所述入口管道上设置有比例电磁阀；所述压缩机的进气端与所述冷剂铜管的中部通过出口管道连通，所述出口管道靠近所述冷剂铜管的中部的一端设置有出口电磁阀，出口管道靠近所述压缩机的一端设置有气液分离器；所述比例电磁阀和出口电磁阀分别与所述冷源控制模块连接；

所述压缩机的出气端与所述冷凝器连接，所述冷凝器与所述储液罐通过回流管路连通；

所述压缩机与所述回流管路之间设置有旁通管路，所述旁通管路的一端与所述压缩机的出气端连接，旁通管路的另一端与所述回流管路连通；

所述旁通管路上设置有手动阀和旁通电磁阀，所述手动阀为常开阀，所述旁通电磁阀与所述冷源控制模块连接；

所述回流管路上还设置有电子膨胀阀，所述电子膨胀阀的感温包设置在所述压缩机的进气端；

所述冷源控制模块包括：

管路开闭控制单元，所述当前温度大于所述第一阈值且小于第二阈值时，所述管路开闭控制单元控制所述出口电磁阀打开，并根据所述当前温度控制所述比例电磁阀的开度，以及所述管路开闭控制单元控制所述旁通电磁阀打开；

旁通管路控制单元，所述当前温度大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，所述旁通管路控制单元控制所述旁通电磁阀关闭；

压缩机变频单元，所述感温包实时监测压缩机进口端的温度，建立学习模型并将进口端温度输入至学习模型以得到对应频率，基于所述对应频率控制所述压缩机的工作频率；

所述学习模型的建立过程为：

设置电池模组的温度阈值为25‑35℃；

在电池模组的充放电过程中对电池模组进行升温至第一温度值，所述第一温度值大于所述第一阈值，管路开闭控制单元控制出口电磁阀和比例电磁阀打开，冷源进入冷剂铜管对电池模组进行降温至25‑35℃的过程中实时获取所述压缩机进口端的温度T1以及压缩机的工作频率F1，重复该操作获取压缩机进口端温度集合Tn和对应的压缩机工作频率集合Fn，基于Tn和Fn利用神经网络模型进行迭代训练得到学习模型。

2.根据权利要求1所述的一种相变直冷式电池包，其特征在于，所述相变材料为有机相变材料。

3.根据权利要求1所述的一种相变直冷式电池包，其特征在于，所述预警模块包括：次数判断单元，用于判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数是否大于预设次数阈值；

间隔判断单元，用于判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔是否大于预设间隔阈值；

信息发送单元，用于在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数大于预设次数阈值的情况或者在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔大于预设间隔阈值的情况，通过互联网向与用户终端发送提示信息。

说明书

一种相变直冷式电池包

技术领域

[0001] 本发明属于电池降温技术领域，特别涉及一种相变直冷式电池包。

背景技术

[0002] 近些年来基于“电池+电力电子技术”的储能技术得到了快速的发展，能源问题受到了国际的密切关注。随着风电光伏产业的迅速发展，储能在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性等问题，起到了“以峰填谷”的作用。而储能的性能在很大程度上取决于电池的性能，储能电池应用电化学原理，进行充放电操作，化学能转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果。在这个化学反应过程中会产生热量，电池的最佳工作为25‑35℃之间，电池受温度的影响较大，电池在过高或过低温度下会产生安全隐患，如过高温度会导致电池发生热失控现象，过低温度则会导致电池内部结构损坏或电池性能下降，这样就会影响电池的充放电循环次数，降低电池的使用寿命。所以储能行业中对电池进行热管理就显的尤为重要。

[0003] 目前，储能行业对电池热管理的系统通常采用：风冷、液冷和直冷。

[0004] 储能行业风冷式热管理系统，一般用于面积能量密度小，根据换热量选用自然冷却和强迫冷却方式，强迫风冷系统通常选用工业空调将储能柜体内的热量搬运到柜体外，风冷系统对风道的设计依赖性较大，风道设计不好，电池的温差比较大，影响电池的使用寿命，同时受外界环境温度比较大；目前储能行业广泛应用是液冷式，电池模组和液冷板内的乙二醇水溶液进行换热，液冷系统的缺点是冷板进口处的电池温度低于冷板出口处的电池温度，单个电池箱体内电池的温差较大，同时液冷板内的乙二醇水溶液有泄漏的风险，液冷板还存在凝露的问题。直冷式系统的缺点是因为制冷剂分布不均会导致表面温差很大，结果导致电芯的温差较大。同时直冷式直接受负载的变化，压缩机的启停频繁，系统能效比小。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种相变直冷式电池包及其温控方法。

[0006] 本发明提供了一种相变直冷式电池包，包括控制装置以及设置在PACK箱内的若干个电池模组，所述电池模组之间填充有相变材料；

[0007] 所述PACK箱内部设置有温度传感器，用于测量电池模组的温度；

[0008] 所述电池模组底部设置有冷板，所述PACK箱外侧设置有冷源组件，所述冷源组件与所述冷板通过管路连接，用于主动降温；

[0009] 所述控制装置包括：

[0010] 采集模块，与所述温度传感器连接，用于获取所述电池模组的当前温度；

[0011] 比较模块，用于比较所述当前温度、预设的第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值，所述第三阈值大于所述第二阈值；

[0012] 被动降温模块，用于在所述当前温度不大于所述第一阈值时，执行被动降温；所述被动降温为相变材料与电池模组的被动热交换；

[0013] 冷源控制模块，用于在所述当前温度大于所述第一阈值且小于第二阈值时，执行冷源控制和旁通减压控制，以及在所述当前温度大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，关闭旁通减压；所述冷源控制包括：控制冷源和冷板之间的管路开闭以及管路流量，所述旁通减压控制包括：控制旁通管路的开合；

[0014] 高温预警模块，用于判断电池模组的温度辅助参数是否超过阈值，若是，则向用户端发送预警信息，其中，所述温度辅助参数包括超过第三阈值温度次数以及次数间隔。

[0015] 进一步的方案为，所述冷板内部设置有若干个并排布置的冷剂铜管，所述冷剂铜管为n形结构；

[0016] 所述冷源组件包括储液罐、压缩机和冷凝器；所述储液罐与所述冷剂铜管的两端分别通过入口管道连通，所述入口管道上设置有比例电磁阀；所述压缩机的进气端与所述冷剂铜管的中部通过出口管道连通，所述出口管道靠近所述冷剂铜管的中部的一端设置有出口电磁阀，出口管道靠近所述压缩机的一端设置有气液分离器；所述比例电磁阀和出口电磁阀分别与所述冷源控制模块连接；

[0017] 所述压缩机的出气端与所述冷凝器连接，所述冷凝器与所述储液罐通过回流管路连通。

[0018] 进一步的方案为，所述压缩机与所述回流管路之间设置有旁通管路，所述旁通管路的一端与所述压缩机的出气端连接，旁通管路的另一端与所述回流管路连通；

[0019] 所述旁通管路上设置有手动阀和旁通电磁阀。

[0020] 进一步的方案为，所述回流管路上还设置有电子膨胀阀，所述电子膨胀阀的感温包设置在所述压缩机的进气端。

[0021] 进一步的方案为，所述相变材料为有机相变材料。

[0022] 进一步的方案为，所述冷源控制模块包括：

[0023] 管路开闭控制单元，所述当前温度大于所述第一阈值且小于第二阈值时，所述管路开闭控制单元控制所述出口电磁阀打开，并根据所述当前温度控制所述比例电磁阀的开度，以及所述管路开闭控制单元控制所述旁通电磁阀打开；

[0024] 旁通管路控制单元，所述当前温度大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，所述旁通管路控制单元控制所述旁通电磁阀关闭；

[0025] 压缩机变频单元，所述感温包实时监测压缩机进口端的温度，建立学习模型并将进口端温度输入至学习模型以得到对应频率，基于所述对应频率控制所述压缩机的工作频率。

[0026] 进一步的方案为，所述学习模型的建立过程为：

[0027] 设置电池模组的温度阈值为25‑35℃；

[0028] 在电池模组的充放电过程中对电池模组进行升温至第一温度值，所述第一温度值大于所述第一阈值，管路开闭控制单元控制出口电磁阀和比例电磁阀打开，冷源进入冷剂铜管对电池模组进行降温至25‑35℃的过程中实时获取所述压缩机进口端的温度T1以及压缩机的工作频率F1，重复该操作获取压缩机进口端温度集合Tn和对应的压缩机工作频率集合Fn，基于Tn和Fn利用神经网络模型进行迭代训练得到学习模型。

[0029] 进一步的方案为，所述预警模块包括：

[0030] 次数判断单元，用于判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数是否大于预设次数阈值；

[0031] 间隔判断单元，用于判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔是否大于预设间隔阈值；

[0032] 信息发送单元，用于在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数大于预设次数阈值的情况或者在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔大于预设间隔阈值的情况，通过互联网向与用户终端发送提示信息。

[0033] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用多种降温方式对电池模组进行降温，当电池模组的当前温度低于预设的第一阈值时，利用相变材料进行被动降温，当电池模组的当前温度大于第一阈值且小于第二阈值时，打开控制冷源和冷板之间的管路，利用制冷剂进行主动降温，并且打开旁通管路，可将压缩机高压端的高温气态制冷剂旁通到回流管路的低压端，从而保证系统始终保持在一个给定的最小回气压力状态下运行，可以有效阻止压缩机频繁地开停以及冷剂铜管结霜；当电池模组的温度辅助参数超过阈值时，还可以向用户端发送预警信息，具体的，预警模块可用于判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数是否大于预设次数阈值以及判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔，若在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数大于预设次数阈值，或者在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔大于预设间隔阈值，可通过互联网向与用户终端发送提示信息。

附图说明

[0034] 以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

[0035] 图1：本发明电池包结构示意图；

[0036] 图2：本发明直冷系统结构示意图；

[0037] 图3：本发明控制装置结构组成及连接示意图；

[0038] 图4：本发明冷源控制模块结构组成示意图；

[0039] 图5：本发明高温预警模块结构组成示意图；

[0040] 图中：1、PACK箱；2、电池模组；3、相变材料；4、冷板；5、冷剂铜管；6、比例电磁阀；7、出口电磁阀；8、储液罐；9、气液分离器；10、压缩机；11、手动阀；12、冷凝器；13、电子膨胀阀；14、旁通电磁阀；15、感温包；16、比较模块；17、采集模块；18、温度传感器；19、被动降温模块；20、冷源控制模块；21、高温预警模块；22、管路开闭控制单元；23、旁通管路控制单元；
24、压缩机变频单元；25、次数判断单元；26、间隔判断单元；27、信息发送单元。

具体实施方式

[0041] 为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

[0042] 如图1和图2所示，本发明提供了一种相变直冷式电池包，包括控制装置以及设置在PACK箱1内的若干个电池模组2，所述电池模组2之间填充有相变材料3；所述PACK箱1内部设置有温度传感器18，用于测量电池模组2的温度；所述电池模组2底部设置有冷板4，所述PACK箱1外侧设置有冷源组件，所述冷源组件与所述冷板4通过管路连接，用于主动降温。其中，所述冷板4内部设置有若干个并排布置的冷剂铜管5，所述冷剂铜管5为n形结构；所述冷源组件包括储液罐8、压缩机10和冷凝器12；所述储液罐8与所述冷剂铜管5的两端分别通过入口管道连通，所述入口管道上设置有比例电磁阀6；所述压缩机10的进气端与所述冷剂铜管5的中部通过出口管道连通，所述出口管道靠近所述冷剂铜管5的中部的一端设置有出口电磁阀7，出口管道靠近所述压缩机10的一端设置有气液分离器9；所述比例电磁阀6和出口电磁阀7分别与冷源控制模块20连接；所述压缩机10的出气端与所述冷凝器12连接，所述冷凝器12与所述储液罐8通过回流管路连通。所述压缩机10与所述回流管路之间设置有旁通管路，所述旁通管路的一端与所述压缩机10的出气端连接，旁通管路的另一端与所述回流管路连通；所述旁通管路上设置有手动阀11和旁通电磁阀14，所述手动阀11为常开阀，在维修时可关闭手动阀11，所述旁通电磁阀14与冷源控制模块20连接。所述回流管路上还设置有电子膨胀阀13，所述电子膨胀阀13的感温包15设置在所述压缩机10的进气端。

[0043] 本发明在电子膨胀阀13后设置了储液罐8，在每个电池模组2的制冷剂进液口安装一个比例电磁阀6，通过采集每节电池的温度，然后反馈给比例电磁阀6，比例电磁阀6通过控制装置的控制，调节比例电磁阀6的开启度，可以精准的调节制冷剂的流量，进而控制电池的温度。具体的实现是形式是：温度传感器18采集电池模组2的温度，当温度大于设定温度时，比例电磁阀6开大，当电池温度达到设定值时，比例电磁阀6开启度达到稳定，保证制冷剂的供液流量稳定，比例电磁阀6调整开关比例，实现流量精确控制，其中比例电磁阀6和控制装置的最小相应精度为100：1，因此最大流量调节精度可达1%。在制冷系统中增加储液罐8和旁通管路，可以减少压缩机10的频繁启动，在每个电池模组2前加个比例电磁阀6可以根据电池的温度，通过比例电磁阀6调节制冷剂流量，精确的控制电池温度，提高系统的能效比。

[0044] 在上述中，所述相变材料3为有机相变材料，固液相变储能材料在温度高于材料的相变温度时，吸收热量，物相由固态变为液态；当温度下降至低于相变温度时，物相由液态变成固态，放出热量。该过程为可逆过程，因此材料可重复多次使用。

[0045] 如图3所示，为了实现上述相变直冷式电池包的自动降温，本发明还基于相变直冷式电池包配套设置了控制装置，该控制装置包括：

[0046] 采集模块17，与所述温度传感器18连接，用于获取所述电池模组2的当前温度；

[0047] 比较模块16，用于比较所述当前温度、预设的第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值，所述第三阈值大于所述第二阈值；

[0048] 被动降温模块19，用于在所述当前温度不大于所述第一阈值时，执行被动降温；所述被动降温为相变材料3与电池模组2的被动热交换；

[0049] 冷源控制模块20，用于在所述当前温度大于所述第一阈值且小于第二阈值时，执行冷源控制和旁通减压控制，以及在所述当前温度大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，关闭旁通减压；所述冷源控制包括：控制冷源和冷板4之间的管路开闭以及管路流量，所述旁通减压控制包括：控制旁通管路的开合；

[0050] 高温预警模块21，用于判断电池模组2的温度辅助参数是否超过阈值，若是，则向用户端发送预警信息，其中，所述温度辅助参数包括超过第三阈值温度次数以及次数间隔。

[0051] 在上述中，如图4所示，所述冷源控制模块20包括：

[0052] 管路开闭控制单元22，所述当前温度大于所述第一阈值且小于第二阈值时，所述管路开闭控制单元22控制所述出口电磁阀7打开，并根据所述当前温度控制所述比例电磁阀6的开度，以及所述管路开闭控制单元22控制所述旁通电磁阀14打开；

[0053] 旁通管路控制单元23，所述当前温度大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，所述旁通管路控制单元23控制所述旁通电磁阀14关闭；

[0054] 压缩机变频单元24，所述感温包15实时监测压缩机10进口端的温度，建立学习模型并将进口端温度输入至学习模型得到对应频率，基于所述对应频率控制所述压缩机10的工作频率。

[0055] 其中，所述学习模型的建立过程为：

[0056] 设置电池模组2的温度阈值为25‑35℃；

[0057] 在电池模组2的充放电过程中对电池模组2进行升温至第一温度值，所述第一温度值大于所述第一阈值，管路开闭控制单元22控制出口电磁阀7和比例电磁阀6打开，冷源进入冷剂铜管5对电池模组2进行降温至25‑35℃的过程中实时获取所述压缩机10进口端的温度T1以及压缩机10的工作频率F1，重复该操作获取压缩机10进口端温度集合Tn和对应的压缩机10工作频率集合Fn，基于Tn和Fn利用神经网络模型进行迭代训练得到学习模型。

[0058] 在上述中，如图5所示，预警模块包括：

[0059] 次数判断单元25，用于判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数是否大于预设次数阈值；

[0060] 间隔判断单元26，用于判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔是否大于预设间隔阈值；

[0061] 信息发送单元27，用于在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数大于预设次数阈值的情况或者在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔大于预设间隔阈值的情况，通过互联网向与用户终端发送提示信息。

[0062] 基于上述的相变直冷式电池包，对PACK箱1内的电池模组2进行降温时，先通过采集模块17获取温度传感器18的测温结果，在本实施例中，温度传感器18设置在PACK箱1内部，用于测量电池模组2的电芯温度。由于电池模组2的最佳工作为25‑35℃之间，因此，需要降温组件将电池模组2的温度保持在25‑35℃之间，避免过热或过冷。采集模块17获取到电池模组2的电芯温度后，与预设的第一阈值、第二阈值和第三阈值进行比较，若电池模组2的当前温度不大于第一阈值，进行被动降温，即通过相变材料3的固液态变化进行调整电池模组2温度。但是相变材料3的控温范围有限，在电池模组2充放电过程中，温度可能会持续升高，因此，还需要将电池模组2的当前温度继续与预设的第二阈值进行比较，电池模组的当前温度大于第一阈值且小于第二阈值时，通过管路开闭控制单元22控制出口电磁阀7打开，并根据所述当前温度控制所述比例电磁阀6的开度，此时储液罐8内的制冷剂通过出口电磁阀7流进冷剂铜管5，冷剂铜管5内的液态制冷剂受热气化，一部分气液混合的制冷剂从出口电磁阀7溢出流至气液分离器9，气态制冷剂经压缩机10加压后进入冷凝器12液化最终流入储液罐8进行循环制冷。由于电池模组2位于冷剂铜管5顶部，因此，可通过冷剂铜管5继续对电池模组进行降温，需要注意的是，此过程中需要实时监测温度传感器18的实测温度，若实测温度低于第二阈值，为了避免压缩机10频繁地开停以及冷剂铜管5结霜，可通过管路开闭控制单元22控制所述旁通电磁阀14打开，从而保证系统始终保持在一个给定的最小回气压力状态下运行。如果监测到电池模组2的当前温度高于第二阈值，则需要关闭旁通电磁阀14，以保证电池模组2的降温效果。除此之外，还在压缩机10的进气端设置感温包15，在回流管路上设置电子膨胀阀13，将感温包15的温度参数输入至学习模型后输出对应频率，通过对应频率控制所述压缩机10的工作频率。以上过程可保证电池包温度始终在25‑35℃的温度区间内，保证电池包的正常工作。

[0063] 但是，电池包在长时间使用后，难免由于线路老化等其他原因导致其出现异常温升，因此，本发明还增设了高温预警模块21，该高温预警模块21的工作机理是：

[0064] 预设温升上限即第三阈值，在预设周期内当电池模组2的当前温度高于第三阈值时，记录温升峰值以及在该周期内电池模组2当前温度大于第三阈值的次数，并将其与预设次数进行比较，如果大于预设次数，则通过信息发送单元27向用户端发送提示信息，该提示信息至少包括该周期内的温升峰值以及电池模组2当前温度大于第三阈值的次数，用户端基于温升峰值和次数进行制定针对性的维修方案。除此之外，还需要对该周期内电池模组2当前温度大于第三阈值次数的间隔时间进行统计判断，即通过间隔判断单元26判断在预设周期内获取到的所述当前温度大于所述第三阈值的次数间隔是否大于预设间隔阈值，如果大于预设的间隔阈值，则提示信息还应当包括该周期内电池模组当前温度大于第三阈值次数的间隔时间。

[0065] 以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。