一种集成式光伏储能保温柜及其蓄电池热管理方法

本发明属于温控设备，涉及于一种保温柜，尤其涉及一种集成式带有光伏发电与储能功能的保温柜及其蓄电池热管理方法。

背景技术：

1、目前，保温柜的作用是维持内部物品在特定温度范围内，例如食品保温、药品保存等，目前现行的保温柜的制冷系统及柜内照明均靠市政电网供电，对于户外商用保温柜而言，其24小时连续运转碳排放高，为了推进“双碳”政策，实现减碳乃至零碳目标，太阳能等清洁能源受到越来越多的关注，将光伏技术融入保温柜部分或全部替代市电驱动柜体正常运行，成为未来发展的重要方向。

2、光伏保温柜的储能设备、控制设备和柜体采用集成式设计，可提高系统一致性、便于一体化维护，同时将控制系统、蓄电池设置在保温柜的柜体内，可以避免二者受到太阳直射、降低过热风险、提升系统工作稳定性。

3、储能设备中的蓄电池温度稳定性十分重要，温度过高或过低都会影响蓄电池的性能甚至寿命，蓄电池过热可能导致安全问题如热失控会引发电池爆炸或火灾等危险情况，蓄电池温度过低会产生电池容量降低、电能转化效率降低、电池内阻增加等不利影响。

4、储能设备的过冲、过放都会对设备本身和系统产生不良影响，过冲指的是在充电期间提供超过储能设备额定电压的电能，可能导致电池内部的化学反应不稳定，加速电极材料的磨损，并缩短电池的寿命。与此相对，过放是指在放电期间将储能设备的电压降至低于其安全电压范围的水平，可能导致电池中的化学反应逆转，损害电极材料，并减少容量。

5、在保温柜体中多温度区域控制技术已经较为成熟，允许不同区域内的温度独立调控，以满足不同物品的温度控制需求。

技术实现思路

1、为了推进双碳目标的实现，减少甚至完全替代保温柜的市电消耗，本发明提出一种光伏保温柜，而且是一种新型集成式带有光伏发电与储能功能的保温柜及其蓄电池热管理方法，通过将储能设备、控制设备与保温柜集成一体化设计，能够有效提高系统紧凑性，便于一体化维护，同时利用柜体本身的冷媒循环结合多温度区域控制技术保证蓄电池温度稳定性。

2、为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案：

3、一种集成式光伏储能保温柜，所述的集成式光伏储能保温柜包括保温柜体2、蓄电池箱4、风机17、太阳能光伏发电储能系统和冷媒循环系统。保温柜体2可提供物品保温存放空间，同时可以避免控制系统和蓄电池6受到太阳直射；冷媒循环系统通过冷媒的循环过程将保温柜体2内热量与蓄电池箱4内热量分别与环境热量做交换，以达到调节温度的目的；太阳能光伏发电储能系统通过光伏效应可以将太阳能转换成电能，然后将电能供应系统自身运行并提供给冷媒循环系统，同时也可以选择性地将多余的电能储存于蓄电池6中；冷媒循环系统与除去光伏组件1外的太阳能光伏发电储能系统采用集成式设计，与保温柜体2相结合，以提高空间利用率和系统一致性。

4、所述的太阳能光伏发电储能系统包括光伏组件1、控制箱3、蓄电池6。所述光伏组件1位于保温柜体2外部，其通过电缆与控制箱3连接。所述控制箱3和蓄电池6位于保温柜体2内部。所述蓄电池6通过电缆与控制箱3连接。所述控制箱3包括市电接入口22、48v直流输出口20、12v直流输出口21、蓄电池接口19、光伏组件接口37、48v开关电源25、12v开关电源26、负极端子排27、正极端子排28、控制器29、第一直流空气开关30、第二直流空气开关31、第一接触器23、第二接触器24；所述控制器29设有负载开关32、市电开关33、光伏电能输入口38、蓄电池电能输入口39。具体的：

5、所述的光伏组件1的输出端正负极与控制箱3中的光伏组件接口37输入端连接；所述的蓄电池6的输出端正负极与控制箱3中的蓄电池接口19输入端连接，蓄电池接口19输出端的正极与正极端子排28连接，负极与负极端子排27连接；所述的光伏组件接口37输出端与第一直流空气开关30的第一接口连接，第一直流空气开关30的第二接口与控制器29的光伏电能输入口38连接；所述控制器29的蓄电池电能输入口39与第二直流空气开关31的第二接口连接，第二直流空气开关31第一接口的正极与正极端子排28连接，负极与负极端子排27连接；所述48v直流输出口20的正极与正极端子排28连接，负极与第一接触器23的第一主触点输出口连接，第一接触器23的第一主触点输入口与负极端子排27连接；所述12v直流输出口21的正极与12v开关电源26输出端正极相连，12v直流输出口21的负极与第一接触器23的第二主触点输出口连接，第一接触器23的第二主触点输入与口12v开关电源26输出端负极相连；所述12v开关电源26输入端的正极与正极端子排28连接，负极与负极端子排27连接；所述市电接入口22的火线接口与第二接触器24的第一主触点输入口连接，零线接口与第二接触器24的第二主触点输入口连接，地线接口与第二接触器24的第三主触点输入口连接；所述第二接触器24的第一主触点输出口与48v开关电源25火线接口连接，第二主触点输出口与48v开关电源25零线接口连接，第三主触点输出口与48v开关电源25地线接口连接；所述48v开关电源25输出端的正极与正极端子排28连接，负极与负极端子排27连接；所述第一接触器23的控制线圈第一触点2301与负极端子排27连接，控制线圈第二触点2302与负载开关32第一接口连接，负载开关32第二接口与正极端子排28连接；所述第二接触器24的控制线圈第三触点2401与负极端子排27连接，控制线圈第四触点2402与市电开关33第一接口连接，市电开关33第二接口与正极端子排28连接。

6、所述控制器29的蓄电池电能输入口39可用于实时检测负极端子排27和正极端子排28之间的电压。

7、所述保温柜的冷媒循环系统包括冷媒控制系统、柜内冷媒循环系统和蓄电池冷媒循环系统。具体的：

8、所述柜内冷媒循环系统，包括直流压缩机8、四通阀9、换热器组10、贮液干燥器11、第一三通阀18、第一膨胀阀14、柜内换热器16、第二三通阀40；具体的：所述四通阀9的第一开口901与直流压缩机8的出气口801连接，第二开口902与换热器组10的第一开口连接，第三开口903与直流压缩机8的回气口802连接，第四开口904与第二三通阀40的第三开口连接；所述换热器组10的第二开口依次与贮液干燥器11和第一三通阀18的第一开口连接，第一三通阀18的第三开口依次与第一膨胀阀14、柜内换热器16的第一开口和第二开口、第二三通阀40的第二开口连接。

9、所述蓄电池冷媒循环系统，包括第二膨胀阀13、第一蓄电池传热板5、第二蓄电池传热板7；具体的：所述的第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7设置于蓄电池两侧，二者内部冷媒流通通道形成并联排列，使得冷媒在通过所述冷媒流通通道时同时流经所述两个传热板，以实现蓄电池两侧温度一致性；所述第二膨胀阀13的第一开口连接第一三通阀18的第二开口，第二膨胀阀13的第二开口依次连接第一蓄电池传热板5、第二蓄电池传热板7与第二三通阀40的第一开口。

10、所述冷媒控制系统，包括温度控制器34、柜内温度探头35、蓄电池温度探头36、第二调节阀12、第一调节阀15；具体各元件的位置与作用如下：所述第一调节阀15串联在第一膨胀阀14与柜内换热器16之间，用于调节冷媒在柜内换热器16中的流量大小。所述第二调节阀12串联在第一三通阀18的第二开口与第二膨胀阀13之间，用于调节冷媒在第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7中的流量大小。所述柜内温度探头35位于保温柜体2内部，用于实时检测保温柜体2内的温度，并将温度数据反馈给温度控制器34。蓄电池温度探头36位于蓄电池箱4内部，用于实时检测蓄电池箱4内的温度，并将温度数据反馈给温度控制器34。

11、进一步的，由保温柜体2防止控制系统与蓄电池箱受到太阳直射。

12、进一步的，当保温柜体2处在制冷或制热工况时在柜内换热器16外部设置有风机17，用于将空气吹送到保温柜内部，形成空气流动，确保保温柜内部温度的均匀分布。

13、一种集成式光伏储能保温柜的蓄电池热管理方法，所述的蓄电池热管理方法在制冷或制热工况下均可实现，具体包括以下步骤：

14、第一，所述的蓄电池热管理方法可以在制冷工况下实现对蓄电池的热管理，当保温柜设定处于制冷工况时，气态冷媒从直流压缩机8的出气口801流出后通过四通阀9的第一开口901与第二开口902后在换热器组10中进行冷凝放热，液态冷媒从换热器组10中流出后流入贮液干燥器11进行过滤，过滤后的液态冷媒在第一三通阀18处进行分流，分流后一部分冷媒经过第一三通阀18的第三开口进入第一膨胀阀14进行节流降压，节流降压后的液态冷媒经过第一调节阀15后进入柜内换热器16进行蒸发吸热，蒸发吸热后的气态冷媒进入第二三通阀40的第二开口，另一部分冷媒依次经过第一三通阀18的第二开口、第二调节阀12、第二膨胀阀13后进入第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7进行蒸发吸热，蒸发吸热后的气态冷媒进入第二三通阀40的第一开口，混合后的气态制冷剂从第二三通阀40的第三开口流出后依次经过四通阀9的第四开口904与第三开口903后回到直流压缩机8的回气口802。

15、当柜内温度探头35测得的保温柜内温度高于第一预设温度阈值时，保温柜内温度过高，控制增大所述第一调节阀15的开度，并控制增加所述第一膨胀阀14的开度，使更多的冷媒流入柜内换热器16进行换热，提升制冷量，使保温柜内温度下降；

16、当柜内温度探头35测得的保温柜内温度低于第二预设温度阈值时，保温柜内温度过低，控制减小所述第一调节阀15的开度，并控制减小所述第一膨胀阀14的开度，减小流入柜内换热器16的冷媒流量，减少制冷量，使保温柜内温度上升；

17、当蓄电池温度探头36测得的蓄电池箱内温度高于第三预设温度阈值时，蓄电池箱内温度过高，控制增大所述第二调节阀12的开度，并控制增加所述第二膨胀阀13的开度，使更多的冷媒流入第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7进行换热，提升制冷量，使蓄电池箱内温度下降；

18、当蓄电池温度探头36测得的蓄电池箱内温度低于第四预设温度阈值时，蓄电池箱内温度过低，控制减小所述第二调节阀12的开度，并控制减小所述第二膨胀阀13的开度，减小流入第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7的流量，减少制冷量，使蓄电池箱内温度上升；

19、第二，所述的蓄电池热管理方法可以在制热工况下实现对蓄电池的热管理，当保温柜设定处于制热工况时，气态冷媒从直流压缩机8的出气口801流出后通过四通阀9的第一开口901与第四开口904后在第二三通阀40处进行分流，分流后一部分冷媒经过第二三通阀40的第二开口进入柜内换热器16中进行冷凝放热，冷凝放热后的液态冷媒经过第一调节阀15进入第一膨胀阀14进行节流降压，节流降压后的液态冷媒进入第一三通阀18的第三开口，另一部分冷媒经过第二三通阀40的第一开口进入第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7中进行冷凝放热，冷凝放热后的液态冷媒进入第二膨胀阀13进行节流降压，节流降压后的液态冷媒经过第二调节阀12进入第一三通阀18的第二开口，混合后的液态冷媒经过贮液干燥器11进入换热器组10中进行蒸发吸热，蒸发吸热后的气态冷媒依次经过四通阀9的第二开口902与第三开口903后回到直流压缩机8的回气口802。

20、当柜内温度探头35测得的保温柜内温度高于第五预设温度阈值时，保温柜内温度过高，控制减小所述第一调节阀15的开度，并控制减小所述第一膨胀阀14的开度，减小流入柜内换热器16的冷媒流量，减少制热量，使保温柜内温度下降；

21、当柜内温度探头35测得的保温柜内温度低于第六预设温度阈值时，保温柜内温度过低，控制增加所述第一调节阀15的开度，并控制增加所述第一膨胀阀14的开度，使更多的冷媒流入柜内换热器16进行换热，提升制热量，使保温柜内温度上升；

22、当蓄电池温度探头36测得的蓄电池箱内温度高于第三预设温度阈值时，蓄电池箱内温度过高，控制减小所述第二调节阀12的开度，并控制减小所述第二膨胀阀13的开度，减小流入第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7的冷媒流量，减少制热量，使蓄电池箱内温度下降；

23、当蓄电池温度探头36测得的蓄电池箱内温度低于第四预设温度阈值时，蓄电池箱内温度过低，控制增加所述第二调节阀12的开度，并控制增加所述第二膨胀阀13的开度，使更多的冷媒流入第一蓄电池传热板5和第二蓄电池传热板7的流量，提升制热量，使蓄电池箱内温度上升。

24、进一步的，所述第一预设温度阈值大于所述第二预设温度阈值，所述第三预设温度阈值大于第四预设温度阈值，所述第五预设温度阈值大于所述第六预设温度阈值；所述的第一预设温度阈值的范围为5℃-8℃。所述的第二预设温度阈值的范围为0℃-4℃。所述的第三预设温度阈值的范围为27℃-29℃。所述的第四预设温度阈值的范围为25℃-26℃。所述的第五预设温度阈值的范围为27℃-30℃。所述的第六预设温度阈值的范围为22℃-25℃。

25、一种基于集成式光伏储能保温柜实现的蓄电池电压稳定在额定电压范围内的控制方法，具体包括以下步骤：

26、蓄电池6的正负极通过蓄电池接口19并联在负极端子排27和正极端子排28之间，控制器29可实时检测到负极端子排27和正极端子排28之间的电压，即控制器29可实时检测蓄电池6的电压；控制器29可控制负载开关32与市电开关33的通断；在保温柜正常工作时负载开关32默认闭合，市电开关33默认断开；负载开关32闭合时第一接触器23的主触点自动吸合，可以给48v直流输出口20和12v直流输出口21正常供电，负载开关32断开时48v直流输出口20和12v直流输出口21没有电能输出；市电开关33闭合时第二接触器24的主触点自动吸合，市电接入系统，市电开关33断开时，市电无法接入系统。

27、控制器29实时通过检测负载开关32与市电开关33的开闭情况可识别当前所处控制状态；当负载开关32闭合，市电开关33断开时，识别为状态1；当负载开关32闭合，市电开关33闭合时，识别为状态2；当负载开关32断开，市电开关33闭合时，识别为状态3；当负载开关32断开，市电开关33断开时，识别为状态4。

28、当所处控制状态为状态1时，当控制器29检测到蓄电池电压低于第一预设电压值时控制闭合市电开关33；

29、当所处控制状态为状态2时，当控制器29检测到蓄电池电压低于第二预设电压值时控制断开负载开关32，当控制器29检测到蓄电池电压高于第三预设电压值时控制断开市电开关33；

30、当所处控制状态为状态3时，当控制器29检测到蓄电池电压高于第三预设电压值时控制断开市电开关33；

31、当所处控制状态为状态4时，当控制器29检测到蓄电池电压高于第四预设电压值时控制闭合负载开关32。

32、进一步的，所述第四预设电压值大于所述第三预设电压值，所述第三预设电压值大于所述第一预设电压值，所述第一预设电压值大于所述第二预设电压值；所述第一预设电压值的范围为46v-47v。所述第二预设电压值的范围为44v-45v。所述第三预设电压值的范围为48v-48.8v。所述第四预设电压值的范围为49v-49.2v。

33、本发明的有益技术效果体现在以下方面：

34、(1)本发明中光伏储能控制系统、保温柜与热处理系统的集成式设计提高空间利用率，提高系统一致性，同时避免控制系统、蓄电池受到太阳直射降低过热风险提升稳定性。

35、(2)通过多温度区域控制技术将保温柜的冷媒循环分出支路给蓄电池换热无需其他冷热源能够节省能耗简化结构，能让光伏储能保温柜的蓄电池具备温度稳定性，在低温环境下可以将蓄电池温度快速提升至合适的工作温度范围解决蓄电池冷启动的问题，延长电池寿命优化能量效率。

36、(3)通过控制器29、市电开关33、负载开关32的配合可以保证蓄电池的电压处在额定电压范围内，防止蓄电池过放。