CN114815927A - 一种配电站大型电源温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于配电站配套辅助设施结构设计领域,尤其涉及一种配电站大型电源温度控制系统。用于由多个独立的电源模块组合形成的联合电源,包括二氧化碳压缩泵、储存罐、四通阀、空气换热器、第一节流阀、外部热交换器、第二节流阀、内部热交换器;还包括:通过四通阀的第二接口引出的外部回路、通过四通阀的第三接口引出的内部回路、通过四通阀的第四接口引出的回流回路;本申请的配电站大型电源温度控制系统整体机构简单,控制方便,通过利用超临界二氧化碳介质自身放热吸热特性以及配合流量以及热交换结构的控制配合,同时结合四通阀进行换向调节,实现利用较为简单的结构和控制方式进行制冷制热双模式的快速切换和稳定运行。
Description
技术领域
本申请属于配电站配套辅助设施结构设计领域,尤其涉及一种配电站大型电源温度控制系统。
背景技术
出于各种功能和目的需求,配电网设施内配备有各种类型的交流或直流电源,包括各类大型电源,受工艺材料以及单电池电压等级的限制,大多数大型电源往往采用多个小型电源组网形式来构成,在电池充放电过程中,电源内部氧化还原反应以及极化反应会产生大量反应热,特别是电源内部中心位置,温度会快速上升,不同类型的电源最佳的工作温度并不相同,温度过高或者过低都会影响电源的整体性能。
现有的温度调节系统主要利用换热结构来实现冷热量的控制和传递,但收到传递戒指以及结构特点的限制,不仅结构体积庞大,且对于电源整体的温度控制效果并不好,无法对电源的特定工况进行快速反应,不利于维持电源长期稳定运行。
发明内容
本申请的目的在于,基于实际需求,提供一种温度控制速度快,结构简单,控制方便,能够提高电源整体以及局部温度控制效果的配电站大型电源温度控制系统。
为实现上述目的,本申请采用如下技术方案。
本申请的配电站大型电源温度控制系统,用于由多个独立的电源模块组合形成的联合电源,包括二氧化碳压缩泵1、储存罐2、四通阀3、空气换热器4、第一节流阀7、外部热交换器8、第二节流阀9、内部热交换器10;
所述外部换热器2设置于电源外部空间或与电源外部散热结构进行热交换,所述内部热交换器10设于电源内部的电源模块之间进行热交换;
所述二氧化碳压缩泵1将二氧化碳压缩至高温超临界态并存储至储存罐2中,高压存储罐2中的超临界二氧化碳经过第二节流阀9后连接至四通阀3的第一接口3a;
还包括:通过四通阀3的第二接口3b引出的外部回路、通过四通阀3的第三接口3c引出的内部回路、通过四通阀3的第四接口3d引出的回流回路;
外部回路依次连通空气换热器4、第一节流阀7;
内部回路依次连通内部热交换器10、外部热交换器8后经第一节流阀7与外部回路连通;
回流回路连接至二氧化碳压缩泵1二氧化碳入口;
制冷模式下:四通阀3控制第一接口3a与第二接口3b连通,同时第三接口3c与第四接口3d连通;高温超临界二氧化碳经由空气热交换器4散热经第一节流阀7节流后转换至二相态二氧化碳依次进入外部热交换器8、内部热交换器10从电源吸热后转换为二氧化碳气体后经过四通阀3返回至二氧化碳压缩泵1;
制热模式下:四通阀3控制第一接口3a与第三接口3c连通,同时第二接口3b与第四接口3d连通使系统切换至制热模式;高温超临界二氧化碳依次经过内部热交换器10、外部热交换器8向电源模块散热转换为二相态二氧化碳,之后经过第一节流阀7节流泄压后经过空气换热器4吸热转换为二氧化碳,最后经四通阀3返回至二氧化碳压缩泵1。
对前述配电站大型电源温度控制系统的进一步改进或者优选实施方案,所述第二节流阀3控制高温超临界二氧化碳的流量以控制热交换总量;所述第一节流阀7控制路径流量,以使两侧二氧化碳保持相应的相态。
对前述配电站大型电源温度控制系统的进一步改进或者优选实施方案,还包括快速预热结构,所述快速预热结构包括设置于空气换热器4和第一节流阀7之间的三通管14,设置于三通管14与空气换热器4之间的第三控制阀5、设置于三通管14与二氧化碳压缩泵1之间的第四控制阀6。
对前述配电站大型电源温度控制系统的进一步改进或者优选实施方案,还包括设于第四接口3d后侧的单向阀11,所述单向阀11用于限制流体仅可由第四接口3d流出。
对前述配电站大型电源温度控制系统的进一步改进或者优选实施方案,还包括设于二氧化碳压缩泵1前侧的气液分离器12和干燥器13。
对前述配电站大型电源温度控制系统的进一步改进或者优选实施方案,所述内部热交换器10包括多个分别连接至不同电源模块之间的换热支路,还包括用于控制不同换热支路内部流量的控制阀,以及用于检测不同电源模块温度的温度传感器。
对前述配电站大型电源温度控制系统的进一步改进或者优选实施方案,还包括设于空气换热器4附近的外部风机15。
对前述配电站大型电源温度控制系统的进一步改进或者优选实施方案,还包括设于第一节流阀7和外部热交换器8之间、内部热交换器10和四通阀3之间的温度传感器和压力传感器。
其有益效果在于:
本申请的配电站大型电源温度控制系统整体机构简单,控制方便,通过利用超临界二氧化碳介质自身放热吸热特性以及配合流量以及热交换结构的控制配合,同时结合四通阀进行换向调节,实现利用较为简单的结构和控制方式进行制冷制热双模式的快速切换和稳定运行。
本申请的温度控制系统传递通道简洁紧凑,需要的控制机构和控制方式简单高效,在充分保证两种温度控制功能和效果的前提下有效降低电源内外部热交换结构的复杂性,降低结构成本和使用维护的难度,提高电池性能,同时能够充分利用二氧化碳介质自身的阻燃绝缘特性,有效提升电源自身安全性。
附图说明
图1是配电站大型电源温度控制系统的结构示意图
其中附图标记包括:
二氧化碳压缩泵1、储存罐2、四通阀3、空气换热器4、第一节流阀7、外部热交换器8、第二节流阀9、内部热交换器10、单向阀11、分离器12、干燥器13、三通管14、外部风机15。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作详细说明。
本申请提供的配电站大型电源温度控制系统,主要用用于由多个独立的电源模块组合形成的联合电源,包括二氧化碳压缩泵1、储存罐2、四通阀3、空气换热器4、第一节流阀7、外部热交换器8、第二节流阀9、内部热交换器10;
外部换热器2设置于电源外部空间或与电源外部散热结构进行热交换,内部热交换器10设于电源内部的电源模块之间进行热交换;在传统散热结构中,散热系统一般仅有电源外部设置的散热翅片等而结构进行热交换,通过导热板等结构将内部热量引出,但随着电源容量和尺寸的增大,传统的导热散热结构存在导热散热效率低下,无法实现快速准确的温度控制等问题,同时对于出于不同工作模式下的电源模块往往具有不同的最佳工作温度区间,因此采用整体温控的方式也无法保证新型电源整体性能的稳定发挥,因此本申请中设置内外部两种换热结构,在制热阶段,利用压缩机制备的高温高压超临界二氧化碳的分段散热过程配合电源自内向外的热传导过程,提升整个电源的温度变化的均匀性,在低温工作环境下维持电源内外部温度的均衡变化,在实际实施过程中,外部换热结构一般是由盘管配合翅片等形式,内部换热器则采用导热板以及导热板内部的内部通道构成,结构成熟。在此不予赘述。
二氧化碳压缩泵1将二氧化碳压缩至高温超临界态并存储至储存罐2中,高压存储罐2中的超临界二氧化碳经过第二节流阀9后连接至四通阀3的第一接口3a;
还包括:通过四通阀3的第二接口3b引出的外部回路、通过四通阀3的第三接口3c引出的内部回路、通过四通阀3的第四接口3d引出的回流回路;
外部回路依次连通空气换热器4、第一节流阀7;
内部回路依次连通内部热交换器10、外部热交换器8后经第一节流阀7与外部回路连通;
回流回路连接至二氧化碳压缩泵1二氧化碳入口;
具体实施过程中,气态可能含有极少量的液态在二氧化碳压缩泵1的强压>7.38MPa作用下在必要时设置加热装置使其温度上升,形成高温>31℃超临界态二氧化碳并存储至储存罐2中,在低于前述温度或者压强下,高温超临界二氧化碳会持续散热,且散热过程呈现分段特点,温度越高散热效率越高,随着散热温度下降后二氧化碳会进入气体液体并存的二相态,通过节流阀进一步控制其密度通过控制管道内流量,使二氧化碳在管道内自然膨胀气化减压下会由二相态转变为气态同时吸收热量,基于超临界二氧化碳在相态变化过程的吸热放热过程,以及其相态转换温度与电池工作温度,在合理的控制方式下能够和环境温度能够较好的匹配,可以用于实现在常见环境温度下对电源的温度调节,具体而言:
制冷模式下:四通阀3控制第一接口3a与第二接口3b连通,同时第三接口3c与第四接口3d连通;由储存罐输出的高温超临界二氧化碳经由空气热交换器4散热后温度持续下降,再经过第一节流阀7节流控压之后,温度压力持续下降,最终进入二相态二氧化碳,二相态二氧化碳依次进入外部热交换器8、内部热交换器10之后从电源吸热实现对电源的降温处理,由于二相态二氧化碳首先进入外部换热器8因此其主要冷量将作用于外部交换器,保证电源外部环境的相对低温,能够保证电池能够快速向外部环境散热,提高散热系统的散热效率,同时相对高温相对于外部热交换器内的温度的二氧化碳进入内部热交换器10之后以相对较慢的速率持续冷却内部环境,同时不至于使电池内部温度进入过低状态,保持电源正常工作温度在合理区间内,进而在不需要过于复杂的控制调节方式下实现合理的温度控制,由于二氧化碳自身的阻燃以及稳定特性,系统安全性极高,对于大型电源的适配性远远优于各类液态制冷或空气制冷。完全吸热后的二氧化碳气体后经过四通阀3返回至二氧化碳压缩泵1进入下一循环;
制热模式用于在低温严寒环境下保持电源的稳定性,由于电源自身工作时会持续发热,因此实际实施过程中,制热模式一般在开机后快速制热,之后则以相对较低的制热模式运行,保持稳定均衡的制热过程,具体实施时:通过四通阀3控制第一接口3a与第三接口3c连通,同时第二接口3b与第四接口3d连通使系统切换至制热模式;此时高温超临界二氧化碳依次经过内部热交换器10、外部热交换器8向电源模块散热,同时高温超临界二氧化碳吸收热量并转换为二相态二氧化碳,之后经过第一节流阀7节流泄压后经过空气换热器4吸热转换为二氧化碳,最后经四通阀3返回至二氧化碳压缩泵1。
其中,第二节流阀3控制高温超临界二氧化碳的流量以控制热交换总量;第一节流阀7控制路径流量,以使两侧二氧化碳保持相应的相态。
特别的,在实际使用过程中,为保证电池的稳定运行,在冬天等低温环境下,可能需要对电池进行短时间的快速预热以使其进入稳定状态,此时只需要提供较小流量的超临界二氧化碳,同时经过内外部热交换器之后的二氧化碳会较快的到达气态,有时候不需要再次经过吸热过程即可进入循环,为提高能效,减少不必要的流通过程,本实施例中还包括快速预热结构,快速预热结构包括设置于空气换热器4和第一节流阀7之间的三通管14,设置于三通管14与空气换热器4之间的第三控制阀5、设置于三通管14与二氧化碳压缩泵1之间的第四控制阀6。
特别的,本申请中还包括设于第四接口3d后侧的单向阀11,单向阀11用于限制流体仅可由第四接口3d流出,以保证热传递过程整体的正确传递。
为保证二氧化碳压缩泵1稳定运行,同时减少不利影响,本实施例中,还包括设于二氧化碳压缩泵1前侧的气液分离器12和干燥器13。
进一步的,为实现不同工作模式下电源模块的独立温控,本申请中的内部热交换器10包括多个分别连接至不同电源模块之间的换热支路,还包括用于控制不同换热支路内部流量的控制阀,以及用于检测不同电源模块温度的温度传感器。温度传感器用于获取不同电源模块的实际温度,已根据其工作模式的变化和发热状态的变化进行区别性温度处理,实现更加灵活多变的温控策略。
作为一般的其他补充条件,本系统还可以包括设于空气换热器4附近的外部风机15,外部风机用于保证空气换热器的换热效率,促进电源外部气体循环。
进一步的,为便于监测和管理系统内部的温度气压状态,以便于更准确的控制热传导进程,在第一节流阀7和外部热交换器8之间,内部热交换器10和四通阀3之间均设置有温度传感器和压力传感器,在必要时,二氧化碳压缩泵的前侧以及存储罐2上以及空气换热器4的后侧也应当设置对应传感器以获取相应的循环状态数据,以便于进行进一步高效准确的控制。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对本申请保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本申请技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种配电站大型电源温度控制系统,用于由多个独立的电源模块组合形成的联合电源,其特征在于,包括二氧化碳压缩泵(1)、储存罐(2)、四通阀(3)、空气换热器(4)、第一节流阀(7)、外部热交换器(8)、第二节流阀(9)、内部热交换器(10);
所述外部换热器(2)设置于电源外部空间或与电源外部散热结构进行热交换,所述内部热交换器(10)设于电源内部的电源模块之间进行热交换;
所述二氧化碳压缩泵(1)将二氧化碳压缩至高温超临界态并存储至储存罐(2)中,高压存储罐(2)中的超临界二氧化碳经过第二节流阀(9)后连接至四通阀(3)的第一接口(3a);
还包括:通过四通阀(3)的第二接口(3b)引出的外部回路、通过四通阀(3)的第三接口(3c)引出的内部回路、通过四通阀(3)的第四接口(3d)引出的回流回路;
外部回路依次连通空气换热器(4)、第一节流阀(7);
内部回路依次连通内部热交换器(10)、外部热交换器(8)后经第一节流阀(7)与外部回路连通;
回流回路连接至二氧化碳压缩泵(1)二氧化碳入口;
制冷模式下:四通阀(3)控制第一接口(3a)与第二接口(3b)连通,同时第三接口(3c)与第四接口(3d)连通;高温超临界二氧化碳经由空气热交换器(4)散热经第一节流阀(7)节流后转换至二相态二氧化碳依次进入外部热交换器(8)、内部热交换器(10)从电源吸热后转换为二氧化碳气体后经过四通阀(3)返回至二氧化碳压缩泵(1);
制热模式下:四通阀(3)控制第一接口(3a)与第三接口(3c)连通,同时第二接口(3b)与第四接口(3d)连通使系统切换至制热模式;高温超临界二氧化碳依次经过内部热交换器(10)、外部热交换器(8)向电源模块散热转换为二相态二氧化碳,之后经过第一节流阀(7)节流泄压后经过空气换热器(4)吸热转换为二氧化碳,最后经四通阀(3)返回至二氧化碳压缩泵(1)。
2.根据权利要求1所述的一种配电站大型电源温度控制系统,其特征在于,所述第二节流阀(3)控制高温超临界二氧化碳的流量以控制热交换总量;所述第一节流阀(7)控制路径流量,以使两侧二氧化碳保持相应的相态。
3.根据权利要求1所述的一种配电站大型电源温度控制系统,其特征在于,还包括快速预热结构,所述快速预热结构包括设置于空气换热器(4)和第一节流阀(7)之间的三通管(14),设置于三通管(14)与空气换热器(4)之间的第三控制阀(5)、设置于三通管(14)与二氧化碳压缩泵(1)之间的第四控制阀(6)。
4.根据权利要求1所述的一种配电站大型电源温度控制系统,其特征在于,还包括设于第四接口(3d)后侧的单向阀(11),所述单向阀(11)用于限制流体仅可由第四接口(3d)流出。
5.根据权利要求1所述的一种配电站大型电源温度控制系统,其特征在于,还包括设于二氧化碳压缩泵(1)前侧的气液分离器(12)和干燥器(13)。
6.根据权利要求1所述的一种配电站大型电源温度控制系统,其特征在于,所述内部热交换器(10)包括多个分别连接至不同电源模块之间的换热支路,还包括用于控制不同换热支路内部流量的控制阀,以及用于检测不同电源模块温度的温度传感器。
7.根据权利要求1所述的一种配电站大型电源温度控制系统,其特征在于,还包括设于空气换热器(4)附近的外部风机(15)。
8.根据权利要求1所述的一种配电站大型电源温度控制系统,其特征在于,还包括设于第一节流阀(7)和外部热交换器(8)之间、内部热交换器(10)和四通阀(3)之间的温度传感器和压力传感器。
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