CN116014285A - 一种集成化储能热管理系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成化储能热管理系统，其包括冷却模块、第一制冷模块以及第二制冷模块，其中冷却模块用于冷却剂循环，以对储能设备进行冷却，且其通过三通阀与中间换热器及第二制冷模块连通，第一制冷模块用于提供制冷剂循环，以通过中间换热器采用制冷剂对冷却剂进行冷却，第二制冷模块则对所述冷却剂进行直接冷却。通过在常规的散热系统中增加一套辅助散热系统，以在储能设备低热负荷时可采用实现空气直接换热，可以在降低能耗的同时，还能有效地提升压缩机和电子膨胀阀的可靠性和使用寿命。

Description

一种集成化储能热管理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，特别涉及一种集成化储能热管理系统及其控制方法。

背景技术

热管理，是指对总系统、分立部件或其环境的温度进行管理和控制，其目的是维护各部件的正常运行或提高其性能或寿命。当前，在诸如电化学储能等领域中通常都需要进行热管理，热管理对储能系统的性能、寿命、安全性都有显著影响。由于液冷的热管理系统的换热能力较强，电芯温差可以做到3℃以内，因此，相对于风冷系统而言，液冷可以显著提升储能系统的寿命。鉴于此，目前在储能领域多采用液冷系统。

现有的用于储能的热管理系统中，通常采用制冷剂冷却这一方式对冷却液进行冷却。但是这一方式存在一定的缺陷。具体而言，在中低负荷时，若采用压缩机制冷循环对电池进行冷却，则此时压缩机运行在低效区间，同时，热量需要通过板换与制冷系统进行交换，这就使得系统效率较低。而在低负荷时，电池冷却需求较小，但是电池进水又要求一定的温度，还会出现压缩机不断起停的情况，而频繁起停将降低压缩机和电子膨胀阀的可靠性。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明第一方面提供一种集成化储能热管理系统，其在原有制冷系统集成上增加了一套自然冷却的结构，进而克服现有储能热管理系统中存在的制冷方式单一的问题，所述集成化储能热管理系统包括：

冷却模块，用于冷却剂循环，以对储能设备进行冷却，其通过三通阀与中间换热器及第二制冷模块连通；

第一制冷模块，其用于制冷剂循环，以通过中间换热器采用制冷剂对冷却剂进行冷却；以及

第二制冷模块，用于对所述冷却剂进行直接冷却。

在本发明中，“直接冷却”是指不采用中间换热的情况下由冷源直接对带冷却部件(如储能部件、例如电池)进行冷却。

进一步地，所述冷却模块包括水泵，所述水泵的出口与所述三通阀的第一支路连通，所述三通阀的第二支路及第三支路分别连接至所述第二制冷模块及所述中间换热器。

进一步地，所述第一制冷模块包括：

压缩机，其用于对制冷剂进行压缩，以形成第一状态的制冷剂；

冷凝器，其入口连接至所述压缩机的排气口，用于对所述第一状态的制冷剂进行降温，以形成第二状态的制冷剂，所述第二状态的温度低于所述第一状态，但压力相同；以及

节流装置，连接至所述冷凝器的出口，以对所述第二状态的制冷剂进行节流，使其膨胀至第三状态，所述第三状态的压力低于所述第二状态，但温度相同。

进一步地，所述第一制冷模块还包括风扇，设置于所述冷凝器的第一侧，用于将空气引入所述冷凝器以实现热交换。

进一步地，所述中间换热器包括：

制冷剂管路，包括第一入口及第一出口，分别与所述第一制冷模块的出口及入口连通；以及

冷却剂管路，其设置于所述制冷剂管路的周围，使得冷却剂与制冷剂能够进行热交换，且与冷却模块的管路连通，包括第二入口及第二出口。

进一步地，所述第一入口与第二出口设置于所述中间换热器的第一侧，以及所述第二入口与第一出口设置于所述中间换热器的相对于第一侧的第二侧。

进一步地，所述第二制冷模块包括低温散热器，所述低温散热器设置于所述冷凝器相对于第一侧的第二侧，所述风扇运行时，空气经由所述低温散热器到达所述冷凝器。

基于如前所述的集成化储能热管理系统，本发明第二方面提供一种集成化储能热管理系统的控制方法，包括：

采集储能设备的温度，并计算其温度变化率；

根据所述冷却模块的出口及入口的温差、及冷却液的质量流量计算所述储能设备的发热量；

根据所述温度变化率、发热量及环境温度选择制冷模块：

若所述温度变化率大于等于第一预设值，或所述储能设备的发热量大于等于所述第二制冷模块的散热功率，或环境温度大于等于第二预设值，则开通所述压缩机，关闭所述三通阀与所述第二制冷模块连通的支路；以及

若所述温度变化率小于第一预设值，且所述储能设备的发热量小于所述第二制冷模块的散热功率，且环境温度大于等于第二预设值，则关闭所述三通阀与所述中间换热器连通的支路，并关闭压缩机。

进一步地，所述第一预设值及第二预设值通过标定得到。

进一步地，所述第二制冷模块的散热功率根据所述压缩机制冷效率小于1时，所述储能设备的散热需求确定。

进一步地，所述控制方法还包括：

根据所述储能设备的发热量控制所述水泵、和/或风扇、和/或压缩机的转速。

本发明提供的一种集成化储能热管理系统及其控制方法，在常规的散热系统中增加了一套辅助散热系统，以在储能设备低热负荷时可采用实现空气直接换热，可以在降低能耗的同时，还能有效地提升压缩机和电子膨胀阀的可靠性和使用寿命。所述系统可通过一种基于系统设计的简化控制方案来控制，所述控制方案原理简单、易实现，经过简单的标定之后，即可实现精准的控制，能够高效的实现模式切换，从而提升系统效率。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种集成化储能热管理系统的结构示意图；以及

图2示出本发明一个实施例的一种集成化储能热管理系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对方法步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据实际需求的调节来调整各步骤的先后顺序。

针对现有储能热管理系统存在制冷方式单一的缺点，本发明在现有的常规制冷系统集成上，增加了一套自然冷却的结构，使得其能够根据储能设备，尤其是电池系统的不同的制冷负荷，通过控制策略选择冷却方式，具体而言，是在有大负荷制冷需求时，启动压缩机循环进行冷却，而在中小负荷时，使用低温散热器进行直接冷却，进而大大地提升系统在全工况的效率。同时，由于在使用低温散热器进行冷却时，压缩机循环处于停止状态，因此还能避免压缩机的频繁起停，进而提升压缩机和膨胀阀的可靠性，也大大提升压缩机和电子膨胀阀的使用寿命。

下面结合实施例附图，对本发明的方案作进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种集成化储能热管理系统的结构示意图。如图1所示，一种集成化储能热管理系统，包括冷却模块、第一制冷模块以及第二制冷模块。其中冷却模块用于冷却剂循环，以对储能设备进行冷却，且其通过三通阀102与中间换热器400及第二制冷模块连通，第一制冷模块用于提供制冷剂循环，以通过中间换热器400采用制冷剂对冷却剂进行冷却，第二制冷模块则对所述冷却剂进行直接冷却。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述冷却模块的核心部件为水泵101，所述水泵101用于为冷却剂循环提供动力。所述水泵101的出口与所述三通阀102的第一支路连通，所述三通阀102的第二支路及第三支路分别连接至所述第二制冷模块及所述中间换热器。在冷却液循环中，经过所述水泵101的冷却液通过水管到达所述三通阀102，所述三通阀102将冷却液分成两路，一路送入中间换热器400，另一路则送入第二制冷模块，经中间换热器和/或第二制冷模块散热后的冷却液通过管路进入储能设备，所述储能设备产生的热量再次传递给冷却液，冷却液再次回到所述水泵101。在本发明的一个实施例中，所述冷却模块中还设置有除气补液模块，其包括膨胀壶、储气管以及补水管。其中所述储气管通过三通连接至所述中间换热器的第二入口处，以及补水管通过三通连接至所述水泵的入口处，所述膨胀壶包括壶体及壶盖，且所述壶盖处设置有泄压阀，当压力达到设定值时，压力阀开启，系统向外泄压。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述第一制冷模块及冷却模块通过所述中间换热器400进行耦合。如图1所示，所述第一制冷模块的核心组件为压缩机201。所述压缩机201的进气口与中间换热器400连通，在所述中间换热器中与冷却剂完成热交换后的高温低压制冷剂进入所述压缩机201内进行压缩，形成第一状态的制冷剂。

在本发明的一个实施例中，所述压缩机采用气浮离心压缩机，其包括电机、叶轮、进气口、排气口以及连接管。所述电机包括转子系统、定子以及壳体。所述电机的转子系统包含有径向的气浮轴承，当电机转轴旋转时，所述径向的气浮轴承吸入气体，形成气膜支撑转子高速旋转，同时推力轴承(若有)也形成气膜，使得推力转轴与轴承无接触，轴承几乎无磨损，且能大幅地降低甚至消除机械损失及噪声。所述叶轮设置于所述转子的端部处，用于压缩来自蒸发器的低温低压制冷剂气体，以形成高温高压的制冷剂气体排入冷凝器。在此，术语“径向”和“轴向”是指转子或其旋转轴的径向和轴向。在本发明的实施例中，所述转子系统中包含两个径向轴承，所述两个径向轴承之间存在一定间距，且可对称地分布于所述转子上。在本发明的一个实施例中，所述径向轴承采用箔片式动压气浮轴承，当有气体引入轴承位置时，可形成气膜，进而达到气浮效果。为了承受在压缩机工作过程中产生的轴向推力，在本发明的一个实施例中，所述转子系统中还设置有推力盘及推力轴承。所述推力盘可以设置于所述转子的任意一端，也可以在转子的两端分别设置一个推力盘。当仅设置一个推力盘时，可在所述推力盘的两侧分别设置一个推力轴承，两个推力轴承的作用面均朝向所述推力盘，因此可分别承受不同方向的轴向推力。当设置有两个推力盘时，可在所述两个推力盘相对的两侧，或者相远离的两侧分别设置一个推力轴承，两个推力轴承的作用面均朝向所述推力盘，因此可分别承受不同方向的轴向推力。在本发明的一个实施例中，所述推力轴承采用箔片式动压气浮轴承，当有气体引入轴承位置时，可形成气膜，进而达到气浮效果。此外，在本发明的不同实施例中，可根据实际需求，设置单级、双级或多级叶轮。具体而言，仅设置单级叶轮时，所述叶轮可设置于所述转子的任意一端，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。当设置有两级叶轮时，所述两个叶轮可以分别设置于所述转子的两端，也可以全部设置于所述转子的任意一端，当分别设置于所述转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于所述转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。类似地，当设置有多级叶轮时，所述多个叶轮可以等分或不等分地分别设置于所述转子的两端，也可以全部设置于所述转子的任意一端，当分别设置于所述转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于所述转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。基于此，如图所示，当转子转动时，主气路中经所述叶轮压缩过的高压气体的一部分会在压力作用下，进入高压侧的径向轴承，然后经过电机定子与转子之间的气隙进入低压侧的径向轴承，并回到主气路中。当设置有推力盘及推力轴承时，所述高压气体还会经过所述推力轴承形成气膜，承受轴向推力。为了有效降低所述推力轴承所受到的轴向推力，在本发明的一个实施例中，所述低压侧的叶轮与高压侧的叶轮采用背靠背的方式设置，进而使得高压侧与低压侧的叶轮的轴向推力方向相反，以互相抵消。在本发明的一个实施例中，所述叶轮采用闭式叶轮。在本发明的一个实施例中，所述叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。在本发明的一个实施例中，所述电机的壳体的内部的两端分别设置有第一腔室及第二腔室，所述叶轮设置于所述第一腔室和/或第二腔室内。其中，所述第一腔室的进气口与所述压缩机的进气口连通，也可理解为，所述进气口即为所述第一腔室的进气口。所述第一腔室与第二腔室之间设置有连接管，气体从所述第一腔室的出气口流出进入所述连接管后，经所述第二腔室的进气口进入第二腔室内。所述第二腔室的出气口与所述压缩机的排气口连通，也可理解为，所述排气口即为所述第二腔室的出气口。在本发明的实施例中，所述第一腔室及第二腔室的出气口处还分别设置有第一端盖及第二端盖，所述第一端盖及第二端盖与所述转子、叶轮之间存在间隙，气体可经由这些间隙从主气路进入气浮轴承或从气浮轴承回到主气路中。此外，所述电机的两端的外侧还分别设置有压壳，所述压壳与所述叶轮之间设置有密封圈，所述密封圈可显著降低叶轮出口到进口的回流效应，可进一步提升压缩机效率。为了降低所述叶轮的压缩功耗，在本发明的一个实施例中，在所述连接管上还设置有级间补气孔，以接入来自经济器的排气，对气体进行冷却，进而达到降低叶轮的压缩功耗、提升系统的效率的目的。

如图1所示，所述第一制冷模块还包括冷凝器202以及节流装置203。其中所述冷凝器202的入口连接至所述压缩机201的排气口，用于对所述第一状态的制冷剂进行降温，以得到第二状态的制冷剂，所述第二状态的制冷剂的温度低于所述第一状态的制冷剂，但压力基本不变。在本发明的一个实施例中，为了提高制冷效率，在所述冷凝器202的翅片处还设置有风扇204，所述风扇204将空气引入所述冷凝器202的翅片，使得所述冷凝器202内部的高温制冷剂的热量与空气进行热交换，进而达到冷凝的目的。所述节流装置203连接至所述冷凝器202的出口，以对所述第二状态的制冷剂进行节流，节流后的制冷剂迅速进行膨胀，形成第三状态，所述第三状态的制冷剂的压力低于所述第二状态的制冷剂，但温度基本不变。所述第三状态的制冷剂进入中间换热器以与冷却剂进行热交换。在本发明的实施例中，所述节流装置是指用于降低气体压力以达到蒸发目的的装置或元件，例如可以为：膨胀阀、毛细管、节流管等。

所述中间换热器包括两个入口以及两个出口，进而形成制冷剂管路以及冷却剂管路。其中，所述制冷剂管路的出入口记为第一入口及第一出口，所述第一入口与所述节流装置203连通，第一出口则与所述压缩机201的进气口连通。所述冷却剂管路的出入口记为第二入口及第二出口，分别通过三通阀与所述冷却模块中管路的出入口连通，所述冷却剂管路设置于所述制冷剂管路的周围，使得冷却剂与制冷剂能够进行热交换。在本发明的一个实施例中，为了提升换热效率，在所述中间换热器中，冷却液流入方向和制冷剂流入方向正好相反，例如可将所述中间换热器第一入口与第二出口设置于所述中间换热器的第一侧，以及所述第二入口与第一出口设置于所述中间换热器的相对于第一侧的第二侧。在本发明的一个实施例中，采用板式换热器作为中间换热器。

如图1所示，所述第二制冷模块包括低温散热器300，所述低温散热器300设置于所述冷凝器202相对于第一侧的第二侧，进而使得所述风扇204在运行时，空气会首先经过所述低温散热器300，而从所述低温散热器流出的空气会再次进入所述冷凝器202，再由所述风扇204的扇叶吸出，流向风扇后部。

可根据如下的采集参数，对如前所述的集成化储能热管理系统的控制参数进行控制。其中，所述采集参数包括：环境温度、储能设备温度，例如储能电池的电芯温度、储能设备冷却液进口温度、以及储能设备冷却液出口温度等。所述控制参数包括压缩机转速、电子膨胀阀开度、三通阀开度、水泵转速、及风扇转速等。具体而言，是可以根据储能设备热负荷、环境温度等条件，选择制冷剂冷却或低温散热器冷却作为冷却方式。其中制冷剂冷却时，控制三通阀位置、水泵转速、压缩机的转速、电子风扇转速和电子膨胀阀的开度，以及低温散热器冷却时，控制三通阀位置、水泵转速和电子风扇转速。

图2示出本发明一个实施例的一种集成化储能热管理系统的控制方法的流程示意图。如图2所示，如前所述的集成化储能热管理系统的控制方法包括：

首先，在步骤201，计算温度变化率。采集储能设备的温度，例如储能电池的电芯温度等，并计算其温度变化率，在本发明的一个实施例中，将所述温度变化率定义为每间隔10s所述储能设备的温度变化，即△t＝T_+10S-T；

接下来，在步骤202，计算发热量。根据所述冷却模块的出口及入口的温差，即储能设备的进出水口的温差、以及冷却液的质量流量计算所述储能设备的发热量：W_电池＝C_冷却液*m_质量流量*(T_出-T_进)；以及

最后，在步骤203，选择制冷模块。根据所述温度变化率△t、发热量W_电池及环境温度T_环境选择制冷模块：

若所述温度变化率大于等于第一预设值△t≥A，或所述储能设备的发热量大于等于所述第二制冷模块的散热功率W_电池≥W_散热器，或环境温度大于等于第二预设值T_环境≥B，则选择第一制冷模块，即开通所述压缩机，关闭所述三通阀与所述第二制冷模块连通的支路。同时，在本发明的一个实施例中，还可以根据储能设备的散热需求控制压缩机转速、水泵转速以及风扇转速，实现制冷剂制冷，冷却液通过中间换热器进行换热，对储能设备进行散热；以及

若所述温度变化率小于第一预设值△t≤A，且所述储能设备的发热量小于所述第二制冷模块的散热功率W_电池≤W_散热器，且环境温度大于等于第二预设值T_环境≥B，则选择第二制冷模块，即关闭所述三通阀与所述中间换热器连通的支路，并关闭压缩机，根据储能设备的散热需求控制水泵转速和电子风扇转速进行散热。

在本发明的一个实施例中，所述第一预设值A及第二预设值B均通过标定得到。

所述系统中各零件的选型根据储能设备的最大制冷需求确定。在本发明的一个实施例中，所述第二制冷模块的散热功率根据所述压缩机制冷效率小于1时的临界点工况所对应的所述储能设备的散热需求确定。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (11)

1.一种集成化储能热管理系统，其特征在于，包括：

冷却模块，其被配置为提供冷却剂循环，以对储能设备进行冷却，其通过三通阀与中间换热器及第二制冷模块连通；

第一制冷模块，其被配置为提供制冷剂循环，以通过中间换热器采用制冷剂对冷却剂进行冷却；以及

第二制冷模块，其被配置为对所述冷却剂进行直接冷却。

2.如权利要求1所述的集成化储能热管理系统，其特征在于，所述冷却模块包括水泵，所述水泵的出口与所述三通阀的第一支路连通，所述三通阀的第二支路及第三支路分别连接至所述第二制冷模块的入口及所述中间换热器。

3.如权利要求1所述的集成化储能热管理系统，其特征在于，所述第一制冷模块包括：

压缩机，其被配置为对制冷剂进行压缩，以形成第一状态的制冷剂；

冷凝器，其入口连接至所述压缩机的排气口，且被配置为对所述第一状态的制冷剂进行降温，以形成第二状态的制冷剂，所述第二状态的温度低于所述第一状态，但压力相同；以及

节流装置，连接至所述冷凝器的出口，以对所述第二状态的制冷剂进行节流，使其膨胀至第三状态，所述第三状态的压力低于所述第二状态，但温度相同。

4.如权利要求3所述的集成化储能热管理系统，其特征在于，所述第一制冷模块还包括风扇，所述风扇设置于所述冷凝器的第一侧，且被配置为将空气引入所述冷凝器以实现热交换。

5.如权利要求1所述的集成化储能热管理系统，其特征在于，所述中间换热器包括：

制冷剂管路，包括第一入口及第一出口，分别与所述第一制冷模块的出口及入口连通；以及

冷却剂管路，其设置于所述制冷剂管路的周围，使得冷却剂与制冷剂能够进行热交换，且与冷却模块的管路连通，包括第二入口及第二出口。

6.如权利要求5所述的集成化储能热管理系统，其特征在于，所述第一入口与第二出口设置于所述中间换热器的第一侧，以及所述第二入口与第一出口设置于所述中间换热器的相对于第一侧的第二侧。

7.如权利要求4所述的集成化储能热管理系统，其特征在于，所述第二制冷模块包括低温散热器，所述低温散热器设置于所述冷凝器相对于第一侧的第二侧，所述风扇运行时，空气经由所述低温散热器到达所述冷凝器。

8.一种集成化储能热管理系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：

采集储能设备的温度，并计算其温度变化率；

根据所述冷却模块的出口及入口的温差、及冷却液的质量流量计算所述储能设备的发热量；

根据所述温度变化率、发热量及环境温度选择制冷模块：

若所述温度变化率大于等于第一预设值，或所述储能设备的发热量大于等于所述第二制冷模块的散热功率，或环境温度大于等于第二预设值，则开通所述压缩机，关闭所述三通阀与所述第二制冷模块连通的支路；以及

若所述温度变化率小于第一预设值，且所述储能设备的发热量小于所述第二制冷模块的散热功率，且环境温度大于等于第二预设值，则关闭所述三通阀与所述中间换热器连通的支路，并关闭压缩机。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第一预设值及第二预设值通过标定得到。

10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述第二制冷模块的散热功率根据所述压缩机制冷效率小于1时，所述储能设备的散热需求确定。

11.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括步骤：

根据所述储能设备的发热量控制所述水泵、和/或风扇、和/或压缩机的转速。

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