本发明属于电池热管理，更具体地，涉及一种储能电池混合式热管理系统及方法。
背景技术：
1、可充电锂离子电池作为一种二次能源，因其无记忆性、循环寿命长、自放电率低、能量密度高等特点，被广泛应用于电化学储能系统中。然而，锂离子电池的充放电性能与安全性在很大程度上受温度的影响。锂离子电池在工作过程中会产生大量热量，导致电池温度升高，过高的温度会使电池工作效率衰减，严重时甚至会引发热失控使电池自燃，导致有害物质的传播、排放、火灾或爆炸。基于此，有必要为储能电站中锂离子电池的安全可靠运行设计高效的热管理系统。
2、基于不同的冷却方法，现有热管理技术主要包括空气冷却、液体冷却、热管冷却和相变材料冷却。其中，相变材料冷却作为一种被动冷却方法，不仅能以潜热形式吸收热量，且其相变区间窄，还能提高电池温度一致性。但相变材料冷却也存在导热性差和热饱和的问题，限制了其在电池热管理系统中的应用。主动液体冷却作为常见的电池热管理方法，虽然具有冷却效率高的优点，但沿液体流动方向会增加温度不均匀性。将相变材料冷却与主动液冷结合成混合热管理系统，可以充分发挥每种冷却方式的优势，并弥补各自的劣势，从而提高整体的冷却能力。在这种混合式热管理系统中，被动相变材料冷却负责维持电池温度均匀分布，主动液体冷却负责恢复相变材料的潜热，以延缓热饱和。
3、目前，与相变材料冷却耦合的主动冷却技术多为单向液冷板，大多数对该混合式热管理系统的改进集中在相变材料的热物性质和液冷板的流道结构等方面上，但实际应用中需要考虑到多种运行环境中液冷板的液体流向对相变材料热量散失的影响，以及沿液体流动方向散热能力减弱的问题，单向液冷板对相变材料的热延缓能力不足。
4、此外，考虑到锂电池热失控的风险，常规的相变材料耦合主动液冷的混合热管理方式无法及时抑制电池热失控阶段温度快速上升等问题，在极端情况下易造成电池组自燃，对储能电池的正常运行带来潜在危害。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明针对上述问题，提供一种储能电池混合式热管理系统及方法，通过复合相变材料冷却耦合微流道液冷板对锂电池组进行高效热管理，并引入喷雾冷却系统抑制锂电池组在极端工况运行时潜在的热失控危害。
2、为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
3、本发明第一方面提供一种储能电池混合式热管理系统，包括电池箱和冷水机组，所述电池箱中安装有电池模块、相变材料模块、微流道液冷板和喷雾冷却装置，所述冷水机组包括液冷循环系统、换热器、制冷循环系统和喷雾冷却循环系统；
4、所述电池模块由多个电池单体串联或并联组成，电池单体表面设置有检测温度的温度采集装置；所述微流道液冷板嵌入电池模块的各单体电池之间；所述相变材料模块为均匀填充在所述电池模块与所述微流道液冷板之间；所述喷雾冷却装置位于电池组和相变材料模块的上方，用于将制冷剂喷雾向下喷出，散布在整个电池箱内；
5、所述冷水机组包括具有第一液冷循环管路和第二液冷循环管路的液冷循环系统、具有制冷循环管路的制冷循环系统；设于所述液冷循环管路和所述制冷循环管路之间的换热器，连接所述喷雾冷却装置和所述制冷循环管路的喷雾冷却循环系统。
6、所述电池箱包括电池模块、相变材料模块、微流道液冷板和喷雾冷却装置。其中，所述电池模块位于所述电池箱的底部，根据所述电池箱的体积大小，均匀分布一定数量锂电池单体，所述锂电池单体之间通过串联或并联的方式连接。所述锂电池单体的类型可以是圆柱形锂电池、棱柱形锂电池以及软包形锂电池。所述微流道液冷板嵌入电池模块的各单体电池之间，通过冷却剂液体主动流动吸收热量；所述相变材料模块为均匀填充在所述电池模块与所述微流道液冷板之间的复合相变材料，以显热和潜热的形式吸收电池组的热量；所述喷雾冷却装置位于电池组和复合相变材料的上方，可以将制冷剂喷雾向下喷出，散布在整个电池箱内，制冷剂产生相变后可吸收电池组和复合相变材料的热量。在所述混合式热管理系统中，相变材料冷却负责维持电池温度均匀分布，微流道液冷板负责恢复相变材料的潜热，以延缓热饱和，从而提高整体的冷却性能；喷雾冷却装置可在极端工况下，快速吸收电池组散发的大量热量，抑制电池热失控的风险。
7、作为本发明进一步改进，所述相变材料为柔性复合相变材料，以降低相变材料与电池之间的接触热阻，其组成成分包括石蜡、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯和膨胀石墨；所述微流道液冷板由垂直交错排布的第一微流道液冷板和第二微流道液冷板构成，一端具有入液口，另一端具有出液口；所述喷雾冷却装置含有1个或多个雾化喷嘴。
8、作为本发明进一步改进，所述微流道液冷板的微流道为直流圆形槽通道。相比于其它流道结构，直流圆形槽通道结构可以减小压降，提高换热系数，同时便于液冷板中微流道的设计和加工。
9、作为本发明进一步改进，所述电池箱中还包括温度采集单元，每个电池上布置有若干热电偶并实时测量电池温度。
10、所述液冷循环系统连接所述微流道液冷板和所述换热器，用于将所述微流道液冷板中吸收所述相变材料模块的热量通过所述换热器与所述制冷循环系统进行热交换；所述制冷循环系统通过系统中流通的制冷剂压缩、冷凝、膨胀和蒸发的热力学过程，在所述换热器处接受所述液冷循环系统传递的热量，进行散热；所述喷雾冷却循环系统连接所述喷雾冷却装置和所述制冷循环系统，用于将所述制冷循环系统中低温制冷剂液体导入喷雾冷却装置，与电池箱进行热交换后，将制冷剂气体再次导入制冷循环系统压缩冷凝。
11、作为本发明进一步改进，微流道液冷板包括第一微流道液冷板和第二微流道液冷板，第一微流道液冷板和第二微流道液冷板分别与冷水机组液冷循环系统的第一液冷循环管路和第二液冷循环管路连接；第一微流道液冷板和第二微流道液冷板的微流道互相交错，且彼此不互通。
12、作为本发明进一步改进，第一微流道液冷板的进液口与第一液冷循环管路的第一液冷流量调节阀连接，出液口与第一液冷循环回路的第一电动球阀连接；第二微流道液冷板的进液口与第二液冷循环管路的第二液冷流量调节阀，出液口与第二液冷循环回路的第二电动球阀连接。
13、作为本发明进一步改进，所述喷雾冷却装置包括进液软管、固定杆、升降螺杆、雾化喷嘴，雾化喷嘴通过升降螺杆与固定杆连接，雾化喷嘴包括一个或多个喷嘴，喷射方向均朝向电池模块；制冷剂液体通过水冷机组喷雾冷却循环系统的进液软管进入喷雾冷却装置，制冷剂蒸汽经电池箱出口与电池箱压力调节阀连接，导入喷雾冷却循环系统。
14、作为本发明进一步改进，所述第一液冷循环管路上依次串接第一电动球阀、第一循环泵、第一液冷压力调节阀、冷却剂过滤器和第一液冷流量调节阀；所述第二液冷循环管路上依次串接第二电动球阀、第二液冷压力调节阀、第二循环泵、第二液冷流量调节阀。
15、作为本发明进一步改进，所述换热器包括液冷循环系统输入端、液冷循环系统输出端、制冷循环系统输入端和制冷循环系统输出端，冷却剂和制冷剂分别通过所述液冷循环系统输入端和所述制冷循环系统输入端进入所述换热器中进行热交换，分别从所述液冷循环系统输出端和所述制冷循环系统输出端回到所述液冷循环系统和所述制冷循环系统。
16、作为本发明进一步改进，所述制冷循环系统包括气液分离器、压缩机、油气分离器、回油球阀、冷凝器、散热风机、液态制冷剂压力调节阀、制冷剂过滤器、第一电子膨胀阀和低压端球阀；所述压缩机出口经过油气分离器出气口与冷凝器入气口连接，油气分离器出液口通过回油球阀与压缩机入口连接，冷凝器出液口通过液态制冷剂压力调节阀与制冷剂过滤器连接，制冷剂过滤器通过第一电子膨胀阀与换热器的制冷循环系统输入端连接，换热器的制冷循环系统输出端与低压端球阀的一端连接，低压端球阀的另一端与气液分离器入口端连接，气液分离器的出气口与压缩机入口连接。
17、作为本发明进一步改进，所述喷雾冷却循环系统包括第三电动球阀、第三循环泵、流量计、第二电子膨胀阀、电池箱压力调节阀。所述第三电动球阀的一端与制冷循环系统中第一电子膨胀阀的一端连接构成第一公共端c，第三电动球阀另一端与第三循环泵的入液端连接，第三循环泵的出液端经流量计与第二电子膨胀阀的一端连接，第二电子膨胀阀的另一端连接电池箱中的喷雾冷却装置进液软管连接，电池箱的出口与电池箱压力调节阀的一端连接，电池箱压力调节阀的另一端与制冷循环系统中低压端球阀的另一端连接构成第二公共端；所述喷雾冷却循环系统通过第一公共端和第二公共端与制冷循环系统连接。
18、作为本发明进一步改进，所述液冷循环系统中循环流动有用于与待散热装置进行热交换以冷却待散热装置的冷却剂，包括：水和乙二醇的混合液体；进一步，所述液冷循环系统还包括冷却剂储液箱，用于补充液冷循环系统中流动的冷却剂；所述冷却剂储液箱中储存的冷却剂与液冷循环系统中循环流动的冷却剂种类相同。
19、作为本发明进一步改进，所述制冷循环系统中循环流动有用于与液冷循环系统通过所述换热器进行热交换以冷却所述冷却剂的制冷剂，包括：r134a或r410a；进一步，所述制冷循环系统还包括制冷剂储液箱，用于补充制冷循环系统中流动的制冷剂；所述制冷剂储液箱中储存的制冷剂与制冷循环系统中循环流动的制冷剂种类相同。
20、作为本发明进一步改进，所述冷水机组还包括控制系统、数据采集单元和调节部件，数据采集单元包括设置在所述液冷循环系统、所述制冷循环系统和所述喷雾冷却循环系统内的多组温度和压力传感器；各传感器参数连接采集设备连接控制系统；
21、调节部件包括设置在各循环系统中所有的电动调节阀和可调节装置，调节部件与控制系统输出端连接。
22、本发明第三方面提供一种使用上述储能电池混合式热管理系统的热管理方法，包括以下步骤：
23、s1，通过电池箱中温度采集单元获取储能电池的实时表面温度，将温度采集单元获取的数据输送到控制系统；
24、s2，控制系统对温度采集单元获取的数据进行分析，根据需要散热的电池组内部的最高温度和电池间的温差范围，判断是否需要对电池组进行热管理，计算热管理系统将采取的热管理模式并输出给调节部件；
25、s3，调节部件接收控制系统输出的热管理模式指令，控制水冷机组中对应的电动调节阀的开合以及水泵和压缩机的运行，进行所选热管理模式；
26、s4，数据采集单元获取水冷机组中各传感器参数并输入到控制系统，控制系统结合温度采集单元和数据采集单元输入的数据参数，计算所选热管理模式下冷水机组中各装置的最佳冷却参数，生成控制指令，并输送到调节部件；
27、s5，调节部件接收控制系统输入的控制指令，对水冷机组中相应电动调节阀进行控制，并调节冷水机组的制冷功率；
28、s6，通过温度采集部件实时检测电池温度变化，当所选热管理模式下无法满足电池组的散热需求时，重新选择热管理模式，直到识别极端工况下电池组进入热失控状态运行喷雾冷却。
29、进一步的是，s2具体包括：
30、当电池温度t<t0，不具备散热需求，电池组处于正常工作状态；
31、当t0≤电池温度t<t1，进而计算电池组温差δt，当0<δt<t1时，控制系统选择热管理模式一，冷水机组不工作，电池组通过相变材料模块进行冷却；当t1≤电池组温差δt<t2，控制系统选择热管理模式二，冷水机组开始工作，液冷循环系统中第一液冷循环管路开启和制冷循环系统中制冷循环管路开始运行；当t2≤电池组温差δt<t3，控制系统选择热管理模式三，液冷循环系统中第二液冷循环管路也开启；当不满足电池组温差δt<t3，电池组温差过大，控制系统选择热管理模式四，喷雾冷却循环系统启动，热管理系统发送报警；
32、当t1≤电池温度t<t2，进而计算电池组温差δt，t1≤电池组温差δt<t2，控制系统选择热管理模式二；当t2≤电池组温差δt<t3，控制系统选择热管理模式三；当不满足电池组温差δt<t3，控制系统选择热管理模式四，热管理系统发送报警；
33、当t2≤电池温度t<t3，进而计算电池组温差δt，当t2≤电池组温差δt<t3，控制系统选择热管理模式三；当不满足电池组温差δt<t3，控制系统选择热管理模式四，热管理系统发送报警；
34、当电池温度t≥t3或电池组温差δt≥t3，控制系统选择热管理模式四，热管理系统发送报警。
35、在一实施例中，s2中电池温度切换阈值t0、t1、t2、t3和电池温差切换阈值t1、t2、t3可以通过实验确定或根据实际情况需要自行确定，需要满足t0<t1<t2<t3，t1<t2<t3。
36、在一实施例中，所述热管理方法，还包括：通过数据采集单元实时检测液冷循环系统和制冷循环系统中管路换热介质的压力，当压力低于预设值时，控制系统向调节部件发送指令，控制冷却剂液冷箱或制冷剂液冷箱为管路补充换热介质。
37、在一实施例中，所述热管理方法，还包括：利用液冷循环系统和制冷循环系统中的冷却剂过滤器和制冷剂过滤器，分别过滤液冷循环管路和制冷循环管路中冷却剂和制冷剂液体中的杂质。
38、本发明的有益效果体现在：
39、本发明结合被动冷却和主动冷却的热管理方式，提出了可用于储能电池高效散热的复合相变材料冷却耦合微流道液冷板混合式热管理方法，复合相变材料冷却可有效维持电池温度分布，微流道液冷板可恢复复合相变材料的潜热以延缓热饱和，并采用喷雾冷却系统应对极端工况下潜在的电池热失控风险，喷雾冷却可实现电池组整体高热流密度散热并进一步延缓复合相变材料热饱和，适用于对锂电池高效均衡温差、高热流密度、高稳定性的热管理。
40、针对该储能电池混合式热管理系统提供的冷水机组和热管理方法，可以实现储能电池多种工况环境下采用合适的冷却方法，既能提高热管理系统对储能电池的冷却性能，将电池箱中电池温度和电池间温差控制在理想的范围内，又能对极端工况采取合适的紧急措施，保障储能系统的安全。
41、进一步，微流道液冷板包括第一液冷板和第二液冷板，可以增加主动液冷与相变材料模块的热交换能力，在此基础上，冷水机组中液冷循环系统包括第一液冷循环管路和第二液冷循环管路，可根据电池散热需要实现多级冷却。
42、进一步，冷水机组将液冷循环系统、制冷循环系统和喷雾冷却系统高度集成，简化了储能电池混合式热管理系统，并减少了系统能耗。
1.一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，包括电池箱(1)和冷水机组，所述电池箱(1)中安装有电池模块(2)、相变材料模块(3)、微流道液冷板和喷雾冷却装置(10)，所述冷水机组包括液冷循环系统(6)、换热器(7)、制冷循环系统(8)和喷雾冷却循环系统(9)；
2.根据权利要求1所述的一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，微流道液冷板包括第一微流道液冷板(4)和第二微流道液冷板(5)，第一微流道液冷板(4)和第二微流道液冷板(5)分别与冷水机组液冷循环系统(6)的第一液冷循环管路(a)和第二液冷循环管路(b)连接；第一微流道液冷板(4)和第二微流道液冷板(5)的微流道互相交错，且彼此不互通。
3.根据权利要求2所述的一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，第一微流道液冷板(4)的进液口与第一液冷循环管路(a)的第一液冷流量调节阀连接，出液口与第一液冷循环回路(a)的第一电动球阀连接；第二微流道液冷板(5)的进液口与第二液冷循环管路(b)的第二液冷流量调节阀，出液口与第二液冷循环回路(b)的第二电动球阀连接。
4.根据权利要求1所述的一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，所述喷雾冷却装置(10)包括进液软管(104)、固定杆(105)、升降螺杆(103)、雾化喷嘴(102)，雾化喷嘴(102)通过升降螺杆(103)与固定杆(105)连接，雾化喷嘴(102)包括一个或多个喷嘴，喷射方向均朝向电池模块；制冷剂液体通过水冷机组喷雾冷却循环系统(9)的进液软管(104)进入喷雾冷却装置，制冷剂蒸汽经电池箱出口与电池箱压力调节阀(907)连接，导入喷雾冷却循环系统(9)。
5.根据权利要求1所述的一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，所述第一液冷循环管路(a)上依次串接第一电动球阀(601)、第一循环泵(602)、第一液冷压力调节阀(603)、冷却剂过滤器(605)和第一液冷流量调节阀(606)；所述第二液冷循环管路(b)上依次串接第二电动球阀(608)、第二液冷压力调节阀(609)、第二循环泵(610)、第二液冷流量调节阀(612)。
6.根据权利要求1所述的一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，所述换热器包括液冷循环系统输入端(701)、液冷循环系统输出端(702)、制冷循环系统输入端(703)和制冷循环系统输出端(704)，冷却剂和制冷剂分别通过所述液冷循环系统输入端(701)和所述制冷循环系统输入端(703)进入所述换热器中进行热交换，分别从所述液冷循环系统输出端(702)和所述制冷循环系统输出端(703)回到所述液冷循环系统(6)和所述制冷循环系统(8)。
7.根据权利要求6所述的一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，所述制冷循环系统(8)包括气液分离器(803)、压缩机(804)、油气分离器(805)、回油球阀(806)、冷凝器(808)、散热风机(809)、液态制冷剂压力调节阀(810)、制冷剂过滤器(812)、第一电子膨胀阀(813)和低压端球阀(801)；所述压缩机(804)出口经过油气分离器(805)出气口与冷凝器(808)入气口连接，油气分离器(805)出液口通过回油球阀(806)与压缩机(804)入口连接，冷凝器(808)出液口通过液态制冷剂压力调节阀(810)与制冷剂过滤器(812)连接，制冷剂过滤器(812)通过第一电子膨胀阀(813)与换热器的制冷循环系统输入端(703)连接，换热器的制冷循环系统输出端(704)与低压端球阀(801)的一端连接，低压端球阀(801)的另一端与气液分离器(803)入口端连接，气液分离器(803)的出气口与压缩机(804)入口连接。
8.根据权利要求7所述的一种储能电池混合式热管理系统，其特征在于，所述喷雾冷却循环系统包括第三电动球阀(901)、第三循环泵(902)、流量计(903)、第二电子膨胀阀(905)、电池箱压力调节阀(907)；所述第三电动球阀(901)的一端与制冷循环系统中第一电子膨胀阀(813)的一端连接构成第一公共端c，第三电动球阀(901)另一端与第三循环泵(902)的入液端连接，第三循环泵(902)的出液端经流量计(903)与第二电子膨胀阀(905)的一端连接，第二电子膨胀阀的另一端连接电池箱中的喷雾冷却装置进液软管(104)连接，电池箱(1)的出口与电池箱压力调节阀(907)的一端连接，电池箱压力调节阀(907)的另一端与制冷循环系统中低压端球阀(801)的另一端连接构成第二公共端(b)；所述喷雾冷却循环系统(9)通过第一公共端(a)和第二公共端(b)与制冷循环系统(8)连接。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的储能电池混合式热管理系统的热管理方法，其特征在于，包括：
10.根据权利要求9所述的一种储能电池混合式热管理系统的热管理方法，其特征在于，所述s2步骤具体包括：
