基于浸没式气液相变技术的储能电池系统及电池模块技术方案

本发明专利技术涉及一种基于浸没式气液相变技术的储能电池系统及电池模块，电池模块包括箱体、电池本体、感应模块，以及补液控制组件；电池本体设置在箱体内，包括若干电池单体；箱体内设有绝缘液体，电池本体浸泡于所述绝缘液体中，在电池本体上方设有蒸发空间，容纳绝缘液体气液相变后产生的蒸汽；感应模块位于箱体内，并与补液控制组件通信连接，感应模块用于监控箱体内绝缘液体的液位高度，在绝缘液体的液位高度降低时，打开补液控制组件向箱体内补充绝缘液体。基于绝缘液体的浸没式气液相变冷却与补液式消防相结合的工作模式，可做到电池单体级的消防保护，方案易实施，能量密度高，冷却效果好，杜绝起火爆炸，运行寿命长，成本可控，安全可靠性高。安全可靠性高。安全可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
基于浸没式气液相变技术的储能电池系统及电池模块


[0001]本专利技术涉及储能电池领域，更具体地说，涉及一种基于浸没式气液相变技术的储能电池系统及电池模块。

技术介绍

[0002]据国家能源局的数据显示，全国已投运大量的新型储能项目，其中锂离子电池占绝大多数，因此锂离子电池储能在新型储能项目中占有极为重要的地位。
[0003]随着锂电池储能的发展，安全事故也随之而来。据不完全统计，近年来全球共发生多余起储能电站起火爆炸事故，造成很大的经济和社会损失。
[0004]锂电池起火爆炸等安全问题的原因在于电池发生的热失控现象。当电池内部的产热速率高于散热速率的时候会引起电池内部发生连锁反应，导致起火和爆炸，故障继而影响到周边的电池相继发生热失控，最终导致整个储能设备都由于热失控及其扩散而被损毁。
[0005]导致热失控有内部和外部两类因素，内部因素：电池缺陷导致内短路；使用不当导致内部产生锂枝晶引发正负极短路。外部因素：挤压和针刺等导致短路；外部温度过高导致SEI膜和正极材料等分解。
[0006]储能电站锂离子电池由热失控演化为火灾爆炸的过程，一般可分为4个阶段：
①
电池在滥用条件下释放热量，产生可燃有毒气体；
②
热量和可燃气体在电池壳密闭空间内形成较大压力，打开安全阀后泄气；
③
高温泄气经过安全阀形成喷射火或形成大量高温可燃有毒混合气；
④
高温混合气在预制仓储式结构中积聚，最后遇到点火源后引发爆炸。
[0007]发生燃烧需要满足几个条件，分别是可燃物、氧气和起火源，以及可连续的化学反应。锂电池在热失控时内部产生可燃气体(H2，CH4，C2H4和C2H6等)、O2、高温或火花，加上外部可能的电气问题，使得热失控过程满足燃烧的条件，因此锂电池热失控时很容易发生起火爆炸现象。
[0008]为了预防储能电站发生火灾爆炸事故，基于热失控演化过程中提出防控措施是必要且关键的。灭火的原理则基于阻断燃烧的其中一个或几个条件，具体针对锂电池易燃易爆和内部存储大量电化学能量的特点，一方面需要及时隔离外部氧气从而使得燃烧停止，同时又要做到迅速冷却降温，防止电池复燃。
[0009]随着锂电池储能规模的增大类似事故可能会更多，安全问题更加突出，将严重影响电池储能行业的健康发展，因此锂电池储能的安全性越来越得到国家层面的关注。2022年5月25日，国家能源局发布《国家能源局综合司关于加强电化学储能电站安全管理的通知》，2022年12月30日，国家标准GB/T42288
‑
2022《电化学储能电站安全规程》发布，将于2023年7月1日起实施。适用于锂离子电池、铅酸(炭)电池等储能电站，规定了电化学储能电站设备设施安全技术要求、运行、维护、检修、试验等方面的安全要求。电池室/舱应配置自动灭火系统，与电池管理系统、火灾探测器或可燃气体探测装置、空调、排风系统联动，具备远程被动指令启动和应急机械启动功能。自动灭火系统的最小保护单元应为电池模块，每
个电池模块宜单独配置探测器和灭火介质喷头。灭火介质应具体有良好的绝缘性和降温性能，能扑灭电池和电气设备火灾，且防止复燃。
[0010]锂电池储能系统的热管理部分在系统造价中的比例虽然不大，约占3
‑
5％，但其重要性是不忽视的，它是保证电池正常工作和寿命的关键技术之一。目前的热管理技术包括风冷、液冷(液冷板和浸没式)、热管冷却、相变冷却(气液相变和固液相变)等四种，其中热管和相变冷却技术尚未成熟，主流技术路线是风冷和采用液冷板结构的液冷技术，浸没式液冷技术正在逐步兴起。
[0011]风冷:通过空气的强迫对流换热来降低电池温度。结构简单、易维护、成本低，但温升较高和均温性较差，适用于产热率较低的场合。液冷板液冷:通过与电池接触的冷板内部流道液体(水乙二醇冷却液)的对流换热来降低电池温度，散热效果比风冷好，但目前成本较高且存在液体泄漏导致绝缘问题的风险。浸没式液冷：把绝缘液体通入到电池模块内部，液体与电池表面直接接触，在循环泵的作用下以单相对流换热的形式来冷却电池，冷却效果比液冷板式液冷要好一些，目前的实施方案成本过高。两种形式的液冷适用于能量密度高，充放电速度较快，环境温度变化大的场合。热管&相变:分别通过介质在热管中的蒸发吸热和固液相变材料(PCM)的相态转换来实现散热，目前研究或应用较少。
[0012]气液相变冷却技术是利用高绝缘性、适当沸点、环保安全的液体通过气液相变换热的原理来实现对发热部件的冷却，是一种高效经济的新型冷却技术，具有冷却效果好，防火灭弧的特点。相变冷却技术经过多年的发展，技术已经成熟，已经在大型水轮发电机、风力发电机、大型电力电子设备、电磁选矿设备和电子信息设备(超级计算机和数据中心等)等领域得到应用，取得了良好的经济和社会效益。
[0013]锂电池作为一类电气设备，其也可能成为相变冷却技术的应用对象。学术界和企业界于近年对相变冷却技术在锂电池储能热管理和消防上的应用开展了一些工作。
[0014]目前绝大多数情况下锂电池储能系统的热管理和消防是独立的两套子系统，二者之间没有支撑相互支撑作用。虽然热管理和消防在系统成本中的占比都比较小(加起来约占总价的6％)，从成本控制的角度考虑，如果一套系统同时解决热管理和消防的问题，有可能为储能系统的成本下降做出贡献，更有利于锂电池储能产品的推广应用。

技术实现思路

[0015]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于浸没式气液相变技术的储能电池系统及电池模块，助力解决锂电池储能系统的安全问题。
[0016]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电池模块，包括箱体、电池本体、感应模块，以及补液控制组件；
[0017]所述电池本体设置在箱体内，包括若干电池单体；
[0018]所述箱体内设有气液相变的绝缘液体，所述电池本体浸泡于所述绝缘液体中，所述箱体内在所述电池本体上方形成有蒸发空间，以容纳所述绝缘液体受热气液相变产生的蒸汽；
[0019]所述感应模块位于所述箱体内，并与所述补液控制组件通信连接，所述感应模块用于监控所述箱体内所述绝缘液体的液位高度，在所述绝缘液体的液位高度降低时，通过所述补液控制组件向所述箱体内补充所述绝缘液体。
[0020]在一些实施例中，所述电池单体竖直布置，电极位于电池单体的上部，所述绝缘液体的液位高度不低于所述电池本体高度的一半。
[0021]在一些实施例中，所述感应模块包括位于所述电池本体上至少两个位于不同高度的温度传感器，以通过不同高度的温度传感器监测的温度，得到所述绝缘液体的液位高度。
[0022]在一些实施例中，所述箱体上设有至少一个补液口，所述补液控制组件包括设置在所述补液口的常闭控制阀，通过控制所述常闭控制阀的开闭来通过所述补液口向所述箱体内补充绝缘液体。
[0023]在一些实施例中，所述电池模块还包括对所述蒸发空间内的蒸汽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池模块，其特征在于，包括箱体(111)、电池本体(112)、感应模块(113)，以及补液控制组件(114)；所述电池本体(112)设置在箱体(111)内，包括若干电池单体；所述箱体(111)内设有绝缘液体，所述电池本体(112)浸泡于所述绝缘液体中；所述箱体(111)内在所述电池本体(112)上方设有蒸发空间，以容纳所述绝缘液体受热气液相变后产生的蒸汽；感应模块(113)位于所述箱体(111)内，并与所述补液控制组件(114)通信连接，所述感应模块(113)用于监控所述箱体(111)内所述绝缘液体的液位高度，在所述绝缘液体的液位高度降低时，通过所述补液控制组件(114)向所述箱体(111)内补充所述绝缘液体。2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述电池单体竖直布置，电极位于电池单体的上部，所述绝缘液体的液位高度不低于所述电池本体(112)高度的一半。3.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述感应模块(113)包括位于所述电池本体(112)上至少两个位于不同高度的温度传感器，以通过不同高度的温度传感器监测的温度，得到所述绝缘液体的液位高度。4.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述箱体(111)上设有至少一个补液口(1111)，所述补液控制组件(114)包括设置在所述补液口(1111)的常闭控制阀，通过控制所述常闭控制阀的开闭来通过所述补液口(1111)向所述箱体(111)内补充绝缘液体。5.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块(11)还包括对所述蒸发空间内的蒸汽进行冷却的冷凝装置；所述冷凝装置包括设置在所述箱体(111)外壁的散热翅片；或者，所述冷凝装置包括设置在所述蒸发空间内的冷凝装置(115)。6.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，所述冷凝装置(115)包括位于所述电池本体(112)上方的冷凝器(1151)、以及位于所述电池本体(112)和所述冷凝器(11...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彪，
申请(专利权)人：北京华升宜能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：