冷却系统和方法与流程

本发明涉及一种用于蓄能模块的冷却系统和方法，尤其是用于包括向终端用户提供电能的电化学电池单元或电池单元的蓄能模块的冷却系统和方法。

背景技术：

在许多应用中，尤其在用于涉及与敏感环境中的排放相关的环境问题或公共健康问题的应用中，各种类型的存储电能模块或功率单元变得日益普遍。为了避免在设备的使用地点处的排放，通常用储存电能的单元来提供电能以操作设备，那些储存的能量可能已经以很多不同的方式生成。所存储的电能也可以用于在由电网或由各种类型的发电系统(包括柴油发电机、燃气轮机或可再生能源)来供电的系统中提供调峰。飞机、车辆、船舶、海上钻井平台或钻井平台及远程设置的其它功率设备是使用大规模存储电能的用户的示例。车辆驾驶员可以在城市中心使用储能功率单元，并在干道上通过内燃机充电，以减少在城镇和城市中的有害排放，或者车辆驾驶员也可以通过电源充电。大部分航程在相对靠近居住区域或在敏感环境中进行的渡轮被设计为具有混合驱动系统或全电驱动系统。当靠近岸边时，渡轮可以利用所存储的能量工作以向船舶提供功率，并在离岸时使用柴油发电机来给电池充电。在一些国家，可以使用来自可再生能源的电力给蓄能单元充电，这意味着在完全不必使用柴油或其它不可再生能源的情况下，只要储能单元对于所行进的距离是足够可靠的，就可以使用全电动船舶。无论是混合动力还是全电动，储能单元均可以在停靠时从岸上电源充电。随着技术的发展，实现了能够长期用作主功率源的足够可靠的储能单元，这必将解决某些技术问题。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，一种用于供电系统的蓄能模块冷却系统，供电系统包括并排布置的一个或多个蓄能模块；该冷却系统包括冷却单元，冷却单元包括冷却流体容器、共用冷却流体入口管道和共用冷却流体出口管道；其中每个蓄能模块包括一个或多个蓄能装置；以及用于每个蓄能装置的、与该蓄能装置接触的冷却器；其中冷却器包括用于使冷却流体循环的一个或多个冷却流体通道，该通道与蓄能装置的表面直接接触，每个冷却流体通道适于接收冷却流体、从蓄能装置提取热量，并且将冷却流体返回至冷却单元；并且其中共用冷却流体入口管道和共用流体出口管道包括每个蓄能装置冷却器之间的管道连接件；其中共用冷却流体出口管道的管道连接件具有比共用冷却流体入口管道的管道连接件更低的熔点。

在正常工作时，冷却通道与电池单元的直接接触使电池单元保持在其正确工作温度，并且如果热事件导致出口管道连接件超过其熔点并且失效，则冷却流体以高得多的速率在冷却器中流动，其中管道连接件已经熔化以向过热电池单元提供附加冷却。

共用冷却流体入口管道的管道连接件的熔点可以被选择为大于400℃。

出口管道连接件可以被选择为具有略高于安全工作温度的熔点，对于锂离子来说，该温度为约60℃，但优选地，共用冷却流体出口管道的管道连接件的熔点在130℃至180℃的范围内。

在一个实施例中，冷却器用作底座或承载件，为蓄能装置提供支撑。替代地，冷却系统可以设置有单独的底座或承载件，其中每个蓄能装置及其冷却器被装配在模块中。

冷却器可以通过层压、增材制造技术或焊接形成。

冷却流体通道可以包括具有圆形或方形横截面的管道。

冷却流体通道可以包括聚合物材料。

通常，对于聚合物材料，冷却流体通道的壁厚为1mm至5mm，但优选地，冷却流体通道的壁厚不超过3mm。

蓄能装置的一个表面的至少30％可以与冷却器的冷却流体通道直接接触。

蓄能装置的一个表面的至少75％可以与冷却器的冷却流体通道直接接触。

冷却流体通道还可以包括一个或多个破裂段，破裂段具有比冷却流体通道的熔点更低的熔点，由此，在温度超过该更低的熔点的情况下，冷却流体被直接提供给蓄能装置。

蓄能装置可以包括电化学电池单元、电池单元、燃料电池单元、电容器、超电容器(ultracapacitor)或超级电容器(supercapacitor)中的一个。

蓄能装置可以包括锂离子电池、nimh电池或碱性电池。

冷却流体可以包括水或水乙二醇。

根据本发明的第二方面，一种向根据第一方面的冷却系统的蓄能模块提供附加冷却的方法，该方法包括提供共用冷却流体出口管道的管道连接件，管道连接件具有比共用冷却流体入口管道的管道连接件更低的熔点；使得在使用中，如果管道连接件经受高温或火灾，则共用流体出口管道的管道连接件在共用流体入口管道的管道连接件失效之前失效，以引起压降，由此显著增加流体通过管道连接件已经失效的蓄能模块的冷却器的流速。

该方法还可以包括在冷却单元中检测封闭系统中的压降，以及从冷却流体容器切换至附加冷却流体源，以使冷却流体的供应维持更长的时间段。

附加冷却流体源可以在预定时间段之后关闭。

附图说明

现在将参照附图描述根据本发明的冷却系统和方法的示例，其中：

图1是用于模块化储能系统的根据本发明的冷却系统示例的框图；

图2a和图2b示出使用图1所示冷却系统的蓄能装置的冷却器的更多细节；

图3a和图3b示出图1和图2所示的示例的冷却器的更多细节；

图4示出在本发明的冷却系统中，多个蓄能装置冷却器如何堆叠在一起；并且

图5提供了示出多个蓄能装置的堆叠的另一视图；

图6示出图4和图5的堆叠的一部分的更多细节；并且

图7示出图4或图5的堆叠中的一个冷却器的示例的横截面。

具体实施方式

早期的大规模电池是铅酸电池，但是最近，已经针对大规模应用的电能存储开发了锂离子电池。锂离子电池通常是加压的，并且电解质易燃，因而在使用和存储锂离子电池时需要非常小心。锂离子电池可能出现的一个问题是热失控，这可能是在制造期间因电池单元的内部短路引起的。诸如机械损坏、过充电或不受控电流的其它原因也可能会导致热失控，但电池系统设计通常会适合于避免这些情况。不能被完全排除电池单元的制造问题，因此，需要采取预防措施以使发生热失控时的影响最小化。在大规模锂离子电池系统中，抑制热失控期间释放的能量的量具有挑战性。热事件可能会使单个电池单元中的温度从20℃至26℃范围内的标准工作温度上升至700℃至1000℃。而安全工作温度低于60℃，因此，这是一个值得注意的问题。

在海洋和离岸工业中，对于船舶或钻井平台的风险有严格规定，一个要求就是超温不应从一个电池单元传递到另一电池单元。如果发生过热，则过热应当被抑制在单个电池单元中并且不允许扩散。另外，对于海洋和离岸应用，任何设备的重量和体积都受到严格限制，这使得紧凑轻量的轻系统成为优选。生产紧凑轻量的系统来实现所需热隔离并快速且有效地冷却发生过热的电池单元具有挑战性。另一个问题是，在热事件中，也可能释放大量可燃气体，这些可燃气体在温度升高时可能自燃。

该问题可以通过允许整个模块进入热失控并简单地用外部灭火系统控制所产生的火苗和火焰来解决。在这种情况下，电池空间内存在明火，并且控制所产生的火苗和火焰不能确保安全运输和存储。替代地，可以使用可能比较昂贵的绝缘材料来将电池单元彼此热隔离，但这会损害冷却系统性能并增加体积。传统方法是在每个电池单元之间使用厚铝翅片来提供冷却，但是，这增加了重量和体积，并且仍然不能确保安全运输和存储，因为热量通过铝(＞300w/mk)被非常好地传导，并且如果不冷却的话，会快速加热相邻电池单元。在运输和存储期间，可能无法冷却。可燃气体的释放问题可以通过在模块壳体中设置压力阀、将在一定压力的气体释放至电池空间中或单独的排气系统中来处理。然而，传统的泄压阀被设计为在压力下爆裂，这会造成其它问题。另外，可以在模块外部的废气中提供主动冷却以避免自燃。

在锂离子电池系统中，电池单元的温度不超过规定工作温度并且整个系统中的电池单元温度是均衡的是非常重要的。在规定工作温度窗之外持续工作可能会严重影响电池单元的寿命，并且增加发生热失控的风险。

对于海洋应用，由于安装成本和模块在船舶或离岸平台上占据的重量和空间，需要特别关注以其最大充电或放电速率来使用诸如电池的电化学蓄能模块。此外，与储能系统的基于陆地的使用相比，维护和修理或更换是非常复杂且昂贵的，因此，延长储能模块的寿命是尤其重要的。对于锂离子电池的示例，这些电池对高温敏感，因此确保控制锂离子电池系统的所有电池单元的工作温度和环境温度对于确保满足设计寿命而言非常重要。单个电池单元上的局部变化或热点也会损害可能达到的总寿命。

用于大规模海洋或离岸储能系统的常见方法是使用空气冷却，其中空气在电池系统的电池单元之间流动。另一个选择是使用水冷却与铝冷却翅片的组合。水冷却是通过在热交换器和冷却器块上流动来进行的，而铝冷却翅片则被设置在电池系统的每个电池单元之间。然而，这种系统在散热方面并不是特别有效，而且还显著增加了蓄能系统的重量。选择铝是因为其导热性和相对低的成本，并不是因为其重量轻。来自电池的热量必须传递至铝冷却翅片，并且这些翅片继而由液体冷却，液体在热交换器处损失其热量并且再循环。

这些系统对于正常操作来说是可以接受的，但无法对突然的温度增加(例如热失控期间可能发生的温度增加)做出反应。

us20100136391描述了一种用于汽车应用的冷却系统，其中电池组中的电池单元附近的冷却流体导管被设置有断裂点，该断裂点在比导管其它部分的更低温度断裂，以允许冷却流体被直接排放到电池单元上来缓解热失控。

jp2008251263描述了一种用于向过热电池提供灭火剂或冷却剂的系统。在设置有多个电池的电源中，对电池进行堆叠，其中电池之间存在间隙，灭火剂或冷却剂能够被引导到电池之间的间隙中，由于管道的热熔部分在温度超过规定温度的点处熔化，使得灭火剂或冷却剂优先通过熔化的热熔部分从管道中出来而进入电池之间的间隙中。

然而，在这两种情况下，冷却效果都是有限的，并且不是特别针对热事件开始的电池的特定部分。本发明通过形成具有冷却单元的层压层的每个电池单元来解决这一问题，在热事件的情况下，冷却单元的层压层在电池单元的整个表面上提供冷却通道(而不是仅从电池单元上方供应冷却剂)，并且继而操作冷却系统，使得对发生热事件的电池单元的冷却效果的显著增加。在电池的所有电池单元的整个表面上的分布式冷却、以及快速增加冷却速率的组合允许以有针对性的方式快速且容易地采取行动。

图1示出根据本发明的用于冷却蓄能模块的蓄能模块冷却系统的示例。蓄能模块4通常包括蓄能装置—在该示例中为电池单元(未示出)，蓄能装置被与承载件或底座一体地或与承载件或底座分离地装配在冷却器上，并且与下一冷却器上的相邻蓄能装置或下一承载件中的相邻蓄能装置串联地电连接在一起。模块通常包括10至30个蓄能装置，不过每个模块也可以有更多或更少的电池单元。模块可以进一步包括大体气密外壳，大体气密外壳的一部分包括非磁性材料。电池单元优选为棱柱形电池单元或袋型电池单元，以获得良好的封装密度。典型地，单个电池单元的容量为20ah至100ah之间，60ah至80ah是最常见的，但不排除仅几ah或100ah以上的容量。多个蓄能模块可以在蓄能单元2或小室内串联或并联地电连接在一起。冷却单元1经由入口管道3向蓄能单元2的模块4提供冷却流体。在该示例中，蓄能单元包括多个模块4，冷却流体通过入口管5向每个模块并行地供应。通常，该单元包括9至21个模块，不过这取决于应用，并且在一些情况下每个小室可以具有多达30个、或40个、或50个模块。热的冷却流体通过出口管6排出，并经由出口管道7而返回至冷却单元1。通常，热的流体在冷却单元中被再次冷却，并在封闭系统中再循环。

图2a和图2b示出了模块4的一个示例的更多细节。每个模块可以包括冷却器20，蓄能装置(未示出)被装配在冷却器20上。冷却器可以是与承载件或壳体一体的或与承载件或壳体分离，诸如电池单元的蓄能装置(未示出)被适配在承载件或壳体中。蓄能模块10通常包括一个或多个例如电池单元的蓄能装置(未示出)的堆叠，每个蓄能装置被装配在冷却器20上，如图4、图5和图6中更详细地示出的，冷却器20也用作电池单元的支承件或承载件，并且每个蓄能装置与下一冷却器上的相邻蓄能装置串联地电连接在一起。在示例中，冷却器是支撑件的一体部分，但替代方案是具有单独的支撑架，冷却器被装配在支撑架中，其中蓄能装置被装配在冷却器的表面上。

为了减轻重量和降低成本，冷却器或承载件通常由聚合物塑料材料制成。如图2b所示(图2b是图2a的分解图)，冷却器20的通道22可以通过提供凸起部分并通过将板21层压或焊接至一系列凸起部分23上而形成。凸起部分可以通过用同一聚合物塑料材料的另一块模制而被形成，并且板21将凸起部分封闭以形成冷却通道23或导管，冷却流体可以通过冷却通道23或导管从一端流动至另一端。替代地，冷却通道22可以通过增材制造技术或其它技术形成为冷却器壳体的一体部分，例如如图7中穿过一个模块4的横截面所示。电池单元可以被安装在每个冷却器20中，或者被安装在冷却器的外表面27上。冷却器20的冷却通道22的外表面27可以与电池单元的一个表面直接接触，以在大表面积上提供有效冷却，而不需要冷却流体与蓄能装置或电池单元直接接触。

冷却流体从入口管道3流经冷却器20的通道22或导管，通过从电池单元表面通过薄管23到冷却流体的热传递来冷却电池单元。对于聚合物塑料材料，冷却流体通道或管道的总厚度通常在5mm至20mm的范围内，其中壁厚在1mm至5mm的范围内，并且优选不超过3mm。冷却流体被带走进入出口管道7中并返回至冷却单元1以被再次冷却。板21下方形成的管23覆盖其接触侧的大部分电池单元表面，即，电池单元的该侧的电池单元表面积的30％至75％。

通过使用冷却液体管道使冷却流体直接邻近电池单元表面流动，而不是使用传统的冷却器块、热交换器设计，整个设计显著降低了总材料重量和成本。此外，这种冷却是为正常工作而提供的，以将电池单元保持在对性能和工作寿命有益的温度范围内，而不是仅在热事件的情况下一次性使用。冷却流体通道22可以被形成为任意适当形式，经由管5、6而被连接在入口管道3和出口管道7之间。优选地，通道的横截面为正方形，以使冷却流体和蓄能装置之间的接触最大化并使冷却流体和蓄能装置之间的塑料材料量最小化。然而，也可以使用其它横截面，例如圆形横截面管。管道23可以是连接在入口管5和出口管6之间的连续蛇形管11的形式(如图3a和图2b的示例所示)、或者可以有多个平行管排12，多个平行管排12由来自被连接至入口管5的入口管道3的共用供给而被馈送并通过出口管6离开而到达出口管道7，如图3b所示。

管23可以是金属管，但更典型地是合成材料管，合成材料诸如是聚合物塑料，例如聚乙烯、诸如pa66塑料的聚酰胺，或诸如tce2、tce5的热塑性塑料，或其它适当材料，合成材料可以被模制或被挤出为所需形状，并且能够承受蓄能模块的正常工作温度。电池单元通过使冷却流体以非常小的热阻流经与电池单元表面的大部分接触的冷却流体通道22而被直接冷却。对于在电池单元的远离冷却器块或热交换器的区域，传统的冷却装置会出现热点，但是，本文的层压的冷却器和电池单元模块避免了这个问题。层压的冷却器和电池单元模块具有减缓电池老化过程并进而提高电池单元寿命的效果。

蓄能模块4由在其冷却器上或在其承载件20中堆叠在一起的多个电池单元形成，每个冷却器被设置有一体的冷却通道22，如图4和图5所示。冷却流体从沿堆叠延伸的共用入口管道3中的开口70进入每个冷却器的管，并通过沿堆叠延伸的共用出口管道7中的开口71离开。在封闭系统中，冷却流体被加压，并经由共用管道3、7和模块4的每个电池单元的各个冷却器22而围绕模块中的电池单元的堆叠循环。

该堆叠的共用入口管道3和共用出口管道7在堆叠的每个相邻承载件之间形成有管道连接件(被示出为垫圈30、31)。入口管道3的垫圈29、30包括阻燃材料，阻燃材料可以被选择为在高达至少400℃下维持至少10秒有效，优选在高达500℃下维持至少10秒有效，从而在电池单元热失控和着火的情况下，垫圈保持完好，确保冷却水继续从冷却单元1沿着入口管道供应。然而，出口管道7出口侧上的垫圈28、31可以由当受到热或火焰时在相对低的温度下熔化的材料制成，该温度高于电池单元的安全工作温度，即，高于60℃，但通常在130℃至180℃的范围内，并且优选低于150℃。在正常工作时，在流入侧和流出侧的管道连接件30、31都是完整的，因此，冷却流体以相同流速或相同体积并行地流经所有电池单元的所有冷却器。由于流经冷却通道的流，点30和31之间可能存在压力差。在该示例中，封闭系统的压力被设置为高于环境压力。

然而，如果多个流出口中的一个流出口上的管道连接件31失效，例如当管道连接件由于发生热失控而熔化时，则在该接件失效处的低得多的压力使得最小阻力路径和所有水流试图朝向该开口行进，而不是在所有电池单元的所有冷却器之间共享。其结果是，在短时间内，非常大体积的水在相对短的时间内通过该电池单元的冷却器提供，以比标准操作更快地带走更多热量，直到不再封闭的系统用完水为止。与上述现有技术系统不同，本发明通过冷却通道与电池单元表面的紧密接触而保留了冷却电池单元表面的优点，即使是在管道连接件失效时也是如此。因此，在整个电池单元表面上(而不是在靠近电源的有限部分上)实现热量移除的显著增加。此外，一旦火已经得到控制，则可以更换电池单元承载件之间的管道连接件，从而允许电池堆叠更快地恢复工作。通常，虽然管道连接件随后在移除的模块中被更换，但是移除模块以进行维护以及一开始就用全新的模块来更换也是更有效的。

本发明保持了下述优点：在电池单元的至少一侧上，用于模块的每个电池单元的冷却器22通过整个电池单元表面将产生的热量直接传递至冷却液体，同时允许短期但显著的冷却增加(如果需要的话)。所产生的热量通过整个电池单元表面直接传递至冷却液体，从而提供了非常有效的冷却，减小了电池单元和冷却剂之间的温差。由于在模块中存在一定的压力，在系统的给定点被打开的情况下，本发明确保了冷却器中的水流动。

可以添加至根据本发明的冷却器的另一特征是，在冷却器通道自身内提供破裂段，破裂段在承受高于预定温度的、持续预定时间段的温度时破裂，以在破裂点向电池单元表面直接提供冷却流体。破裂段被选择为具有比冷却流体通道的其它部分更低的熔点，从而在温度超过该更低的熔点的情况下，将冷却流体直接提供给蓄能装置。这为防止热量从遭受热事件的电池单元传递至相邻电池单元提供了附加保护，但是在事件已经得到控制之后，该模块需要被移除以进行修理。

在图6中示出了形成模块的承载件和蓄能装置的堆叠的更多细节。蓄能装置40(在该示例中为电池单元)被装配至冷却器20的一个表面27，其中电池单元40的一个表面与冷却器20的冷却通道22的外表面接触。电池单元40的另一表面可以被设置有柔性片32，柔性片32被设置在电池单元40的该表面与图4或图5所示类型的堆叠中的相邻冷却器20a的表面之间。柔性片32允许电池单元随着时间膨胀，但同时也允许承载件或冷却器20保持对安装在其中或其上的电池单元的压缩。当被放置在电池单元和一侧上的冷却器之间时，柔性材料片增加电池单元与其冷却器20的表面27之间的热接触。这种材料在电池单元壁上施加通常低于0.2bar的低压，以提高性能和寿命，并承担由于正常工作引起的膨胀和电池单元的整个寿命期间的劣化。冷却器20被彼此装配，并通过配件(例如配件24、25中的螺栓)而被固定在一起。每个冷却器20上的每个进水段3和出水段7之间可以设置垫片或垫圈29、28。

冷却系统可以以下述方式工作：对于其中出口管道连接件已经失效的冷却器，在简单地从闭合回路系统的冷却流体容器可获得的时间的基础上增加了提供用于附加冷却的时间。在正常工作时，冷却流体经由入口和出口管道3、7而被循环至蓄能模块4的每个电池单元的冷却器20的冷却通道22。在出口管道连接件31熔化并且冷却单元1的控制器检测到随之发生的压降的情况下，并且如果闭合回路冷却单元能够接入诸如自来水供应或消防栓的替代冷却流体源，则冷却单元中的控制器可以对系统中检测到的压降做出响应。例如，在冷却流体容器被清空的预定时间之后，冷却单元可将容器或冷却单元连接至替代冷却流体。控制器可以被设置为仅在有限时间段内连接至替代供应，以防止所有蓄能单元被通过失效管道连接器流出的冷却流体淹没。

模块中冷却器与电池单元的直接接触使得这种冷却比空气冷却或具有水的导热翅片冷却更有效，从而减小了电池单元与冷却剂在正常工作时的温差。这种冷却方法用于非对称冷却，非对称冷却意味着仅一侧被冷却并且热绝缘可以用于防止另一侧上的热传播，从而在热失控的情况下，另一侧被完全热隔离。该方法还用于堆叠如图4和图5所示的一体式电池单元和冷却器，而无需一侧上的热绝缘，从而允许电池单元的相对表面被堆叠中相邻电池单元的冷却器冷却。在这种情况下，可以使用额外的冷却器或一端的单层热绝缘来满足没有两个相邻电池单元的电池单元。电池单元表面和冷却流体之间的低温差是由于冷却流体和电池单元之间的低热阻。唯一的热阻是在塑料材料上，塑料材料通常包括热导率高达1w/mk的热塑性塑料。使用一个冷却器来冷却两个相邻电池单元的堆叠布置有助于降低重量和材料成本。

直接接触电池单元的表面的另一个好处是，这允许提高冷却液的工作温度，从而降低了在系统内部发生冷凝的可能性。冷却器使用聚合物塑料材料而不是金属，这使得重量和成本降低至传统解决方案的一小部分。此外，模块不再需要常规的空气或水冷却系统所要求的冷却器块或热交换器，因而可以减小体积占用。这对于空间十分宝贵的海洋和离岸应用特别有用。通过用聚合物材料管构造冷却通道，使得从电池单元到冷却流体的直接热传递成为可能，管具有足够薄的壁，使得材料的热导率不是重要的考虑因素。这允许所使用材料具有更大的选择范围，从而也能够减轻重量和降低成本。

虽然具体实施方式已经参照诸如电池(例如li离子、碱性电池或nimh电池等)的电化学电池进行了描述，但本发明还适用于其它类型的储能单元，尤其是非圆柱形电容器、超电容器(ultracapacitor)或超级电容器(supercapacitor)、燃料电池或具有可由冷却器冷却的表面、并且在蓄能单元的模块的温度经常超过优选工作范围时可能遭受损害从而减少总寿命并增加维护成本的其它类型的蓄能器。对于依靠所存储的能量作为其主要或唯一功率源的船舶或系统来说，可靠性尤其重要，并且希望优化工作条件。