CN116058085A - 用于能量存储容器的热管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于能量存储容器(102)的热管理系统(100)，包括封闭隔室(108)，其包含能量存储单元(104)；空气温度控制单元(110)，其经配置冷却封闭隔室的内部；以及至少一个逆变器(138)，其连接到冷却剂电路，该冷却剂电路与空气温度控制单元分离，并且经配置由冷却剂电路中的冷却剂冷却。热管理系统还包括散热器(120)，其位于封闭隔室的外部，该散热器连接到冷却剂电路，其中冷却剂电路中的冷却剂流过散热器；以及至少一个风扇(136)，其位于封闭隔室的外部的散热器的旁边，该至少一个风扇经配置将空气吹过散热器以冷却流过散热器的冷却剂。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种热管理系统，并且具体地涉及一种用于管理能量存储容器内的电力电子器件的热负载的热管理系统。
背景技术
柴油燃料通常用于为陆地钻机提供电力。由于钻井现场生产的天然气排放更低、成本更低、具有广泛的可用性，因此天然气是一种赋有吸引力的替代品。然而，与柴油电力发电机组(发电机组)不同，天然气发电机组的瞬态响应不足以接受钻机上的大负载变化，除非与能量存储系统结合使用。备用能源可以用于其它应用中，诸如远程医疗设施或车辆中。在天然气发动机不能接受负载时，由例如锂离子电池制成的备用能源用于补充提供给钻机的电力。备用能源可以存储在外壳中，诸如20英尺的容器。电力电子器件，诸如逆变器，也可能需要存储在外壳中以防止内部部件由于潮湿的环境条件而腐蚀。备用能源和电力电子器件需要冷却系统来提供热管理，例如冷却能源和电力电子器件周围的空气或冷却剂，因为能源和/或电力电子器件在给定温度范围之外可能无法正常工作，并且如所指出的，在极端温度和湿度条件下，能源和/或电力电子器件可能会损坏。即，具有这种备用能源和电力电子器件的能量存储系统需要有效的热管理，以安全和可靠地操作能量存储系统。
作为用于电子电力单元的冷却系统的示例，国际专利申请公开第WO2018/038662号(“’662公开”)描述了一种用于混合动力车辆的冷却系统，该系统具有用于冷却电力电子器件的高温电路和用于在车辆操作期间冷却电能存储器的低温电路。在快速充电过程期间，在电能存储器中产生比在车辆操作期间更多的热能，并且因此，在快速充电过程期间，低温电路通常不能充分冷却电能存储器。由于电力电子器件在快速充电过程期间不需要冷却，因此除了改进的流动电路中的低温电路中的散热器之外，还可以使用高温电路的散热器，以将低温电路中的冷却剂冷却到必要的低温，从而冷却电能存储器，并且由此防止对电能存储器的损坏。因此这种改进的流动电路使用两个散热器来冷却冷却剂，以增加系统的冷却能力。因此，在’662公开中描述的系统提供了一种冷却系统，该冷却系统能够在快速充电过程期间切换改进的流动电路。
能量存储容器可以用于商业和工业应用中，用于调峰、负载转移、紧急备用和各种电网服务。与混合动力车辆的电能存储器相比，这种能量存储容器需要能够冷却尺寸更大的和能量输出的电能存储器的冷却系统。进一步地，这种能量存储容器可以位于并且在很宽的温度范围内操作，例如，在极端的温度条件下，因此，需要能够在这种条件下进行有效热管理的冷却系统。
本发明的热管理系统可以解决上述问题中的一个或多个和/或本领域中的其他问题。然而，本发明的范围由所附权利要求限定，而不是由解决任何特定问题的能力限定。
发明内容
在一方面，一种用于能量存储容器的热管理系统包括封闭隔室，其包含能量存储单元；空气温度控制单元，其经配置冷却封闭隔室的内部；以及至少一个逆变器，其连接到冷却剂电路，该冷却剂电路与空气温度控制单元分离，并且经配置由冷却剂电路中的冷却剂冷却。热管理系统还包括散热器，其位于封闭隔室的外部，该散热器连接到冷却剂电路，并且冷却剂电路中的冷却剂流过散热器；以及至少一个风扇，其位于封闭隔室的外部的散热器的旁边，该至少一个风扇经配置将空气吹过散热器以冷却流过散热器的冷却剂。
在另一方面，一种热管理系统包括外壳，其具有隔热隔室，其包含能量存储单元；空气温度控制单元，其经配置冷却隔热隔室的内部；以及电力电子器件机柜，其包含至少一个逆变器。电力电子器件机柜连接到冷却剂电路，该冷却剂电路与空气温度控制单元分离并且冷却电力电子器件机柜。该热管理系统进一步包括侧隔室，其位于隔热隔室的旁边，该侧隔室包含位于侧隔室中的散热器开口内的散热器；以及至少一个风扇，其位于散热器的旁边，该至少一个风扇经配置将空气吹过侧隔室。
在又一方面，一种用于电力电子器件存储单元的热管理的热管理系统包括封闭隔室，其包含电力电子器件存储单元，其包含至少一个逆变器；散热器，其位于封闭隔室的外部；至少一个风扇，其位于封闭隔室的外部的散热器的旁边，该至少一个风扇经配置将空气吹过散热器；以及冷却剂电路，其延伸穿过电力电子器件存储单元并且连接到散热器，其中该冷却剂电路中的冷却剂流动穿过散热器并且经至少一个风扇吹过散热器的空气冷却。
附图说明
图1示出了根据本发明的热管理系统的示意图，该热管理系统包括存储备用能量系统和电力电子器件的存储容器；
图2示出了图1所示的热管理系统的另一示意图；以及
图3示出了图1和2中所示的热管理系统的示意图。
具体实施方式
前面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的特征的限制。如本文所使用的，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”或其其它变型旨在覆盖非排他性的包含，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元素，而且可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或装置所固有的其它元素。此外，在本发明中，相对术语诸如“大约”、“总体上”、“基本上”和“近似地”用于表示所述值的±10％的可能变化。
图1示出了本发明的热管理系统100的示意图。热管理系统100包括能量存储容器102(以下称为存储容器102)，其在主隔室108中容纳能量存储单元104和电力电子器件机柜106。主隔室108还具有空气温度控制单元，诸如加热、通风和空气调节(HVA001C)单元110，其加热或冷却空气，并且使加热或冷却空气在整个主隔室108中循环。存储容器102还具有与主隔室108相邻的侧隔室112，其包括变压器间114。主隔室108和侧隔室112由壁116分离。
图2示出了热管理系统100的另一示意图。具体地，图2示出了侧隔室112的内部，包括变压器间114和散热器120，在变压器间114中安装有一个或多个变压器118(图3中示出)。变压器118可以包括例如降压变压器和岸电变压器，降压变压器将电压从600V降低到480V，岸电变压器输出208V。然而，变压器118不限于这些示例，并且可以是其它类型的变压器，诸如升压变压器。存储容器102还可以具有一个或多个门122，用于接近主隔室108和/或侧隔室112，用于维护和操作目的。
图3示出了图1和2中所示的热管理系统100的示意图。主隔室108可以具有围绕其外周的隔热层124。就冷却过程期间的使用而言，隔热层124减少了HVAC单元110上的负载，如下面更详细地讨论的。如图3所示，侧隔室112可以具有在容器102的一侧上的散热器开口126，以及在容器102的相对侧上的百叶窗式开口128(也在图2中示出)。百叶窗式开口128可以包括百叶窗和过滤器，空气可以通过它们而流动。
热管理系统100还包括具有导管132的冷却系统130。冷却剂流过导管132，其可以是例如50％-50％的水-乙二醇混合物，尽管可以使用其它类型的冷却剂。冷却系统130还包括泵134、散热器120和一个或多个风扇136，所有这些都位于侧隔室112中。冷却系统130连接到电力电子器件机柜106，电力电子器件机柜106可以存储一个或多个逆变器138，逆变器138将来自作为备用能源的电池140的直流(DC)电力转换为交流(AC)电力，以供应到与能量存储容器热管理系统100相关联的其它电力电子器件(未示出)。
参照图3，能量存储单元104存储电池140作为多个备用能源。电池140可以串联和/或并联布置和连接。电池140可以是例如锂离子电池，并且可以被额定为在120kPa的压力下在例如10℃至30℃的操作温度范围内操作。电池140可以是液体冷却的或空气冷却的。具体地，例如，电池140可以由存储容器102内的空气冷却，该存储容器102由HVAC单元110冷却。除了经由逆变器138向电力电子器件提供电力之外，电池140还经由电源线(未示出)向机器提供电力。
再次参照图3，详细描述冷却系统130的部件。泵134可以位于侧隔室112中，并且可以是离心泵，尽管可以使用其它类型的泵。泵134将冷却系统130中的冷却剂的压力保持在例如190kPa。电力电子器件机柜106位于泵134的下游，并且位于主隔室108内。并且，如上所述，例如，电力电子器件机柜106包含将来自电池140的DC电力转换为AC电力的一个或多个逆变器138。然而，一个或多个逆变器138不限于这种布置，并且可以将AC电力转换为DC电力。
散热器120位于电力电子器件机柜106的下游，并且位于侧隔室112中，以及存储容器102的主隔室108的外部。散热器120可以包括从通过散热器120的冷却剂吸收热量(即热能)的一个或多个翅片142。位于散热器120附近的风扇136迫使来自侧隔室112外部的空气(环境空气)通过散热器120，并穿过变压器间114以冷却变压器118。
工业实用性
本发明的热管理系统100提供存储容器102的有效冷却，特别是存储容器102内的电力电子器件机柜106的有效冷却，以在暴露于宽的环境温度范围时将电力电子器件机柜106及其内容物维持在例如80℃的最大温度阈值以下。具体地，借助于冷却包括能量存储单元104的存储容器102的HVAC单元110，以及借助于冷却电力电子器件机柜106及其内容物的包括散热器120的冷却系统130，本发明的热管理系统100在冷却过程期间的使用方面减少了HVAC单元110上的负载。HVAC单元110的负载的减少减少了热管理系统100的总电力消耗，并且增加了其效率。此外，通过将散热器120定位在存储容器102的主隔室108的外部，散热器120的尺寸不受存储容器102的尺寸的限制。因此，这种布置允许散热器120的尺寸增大，这允许从电力电子器件机柜106移除相对更多的热量，并且进而导致存储在电力电子器件机柜106中的一个或多个逆变器138和其它电力电子器件的效率提高。
当使用热管理系统100时，泵134使冷却剂在冷却系统130的导管132中循环。冷却剂从泵134流入主隔室108，到达电力电子器件机柜106，并从电力电子器件机柜106内的空气吸收热量，从而冷却逆变器138和存储在其中的其它电力电子器件。然后，加热的冷却剂从电力电子器件机柜106流出主隔室108，到达侧隔室112，并且进入散热器120。通过散热器120的冷却剂被散热器120的翅片142冷却，翅片142吸收来自冷却剂的热量，并且空气穿过翅片142。风扇136迫使空气从侧隔室112的外部穿过翅片142。然后冷却剂流回到泵134。并且，如上所述，因为散热器120位于侧隔室112中，所以散热器120的尺寸可以增加，这进而允许增大散热器的尺寸，并且因此增加散热器120的冷却能力。
风扇136迫使空气从侧隔室112的外部穿过散热器120，并穿过变压器间114。强制通过变压器间114的空气冷却变压器118以及伴随的高压电缆和布线系统(未示出)。然后，空气穿过百叶窗式开口128并且在侧隔室112的外部。利用这种布置，可以将流向电力电子器件机柜106的冷却系统130中的冷却剂的温度保持在30℃或更低，以确保逆变器138和存储在电力电子器件机柜106中的其它电力电子器件的充分冷却。流入散热器120的空气的温度可以是近似地25℃，并且从散热器120流出的空气的温度可以是近似地35℃。温度近似地为35℃的空气足以用于冷却变压器118。甚至更高温度下的空气也可以足以冷却变压器，因为整个北美的环境温度例如总体上不超过50℃。
本发明的热管理系统100以相对有效的方式并且在宽的环境温度范围内提供存储容器102内的部件的冷却，特别是电力电子器件机柜106内的部件的冷却。由于一个或多个逆变器138和其它电力电子器件被存储在存储容器102内的电力电子器件机柜106内，因此保护它们免受由污染和/或元件引起的损坏，例如由湿度引起的腐蚀。并且，因为冷却系统130冷却电力电子器件机柜106，所以可以防止电力电子器件机柜106内的高温。结果，可以优化一个或多个逆变器138和其它电力电子器件的性能。此外，借助于散热器120和风扇136，空气冷却冷却系统130中的冷却剂以及变压器间114中的一个或多个变压器118。由于空气用于冷却一个或多个变压器118(即，启用变压器118的强制空气冷却)，所以变压器118的尺寸不受限制，并且可以在不需要额外的冷却部件的情况下增加，这将产生更大的成本并降低热管理系统100的总效率。并且，由于空气用于冷却变压器118，所以可以减小由给定额定值的变压器所要求的总空间。进一步地，借助于散热器120位于隔热主隔室108的外部并用于冷却电力电子器件机柜106，所以可以减少HVAC单元110上的负载，因为电力电子器件机柜106内的暖空气不需要由HVAC单元110冷却。结果，可以减小HVAC单元110的尺寸，这降低了热管理系统100的总电力消耗，降低了与其使用相关的成本，并提高了其效率。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所公开的能量存储和热管理系统进行各种修改和变化。通过考虑说明书和附图，能量存储和热管理系统的其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书，特别是本文提供的示例仅被认为是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求及其等同物指示。
Claims (10)
1.一种用于能量存储容器(102)的热管理系统(100)，包括：
封闭隔室(108)，其包含：
能量储存单元(104)；
空气温度控制单元(110)，其经配置冷却所述封闭隔室的内部；以及
至少一个逆变器(138)，其连接到冷却剂电路，所述冷却剂电路与所述空气温度控制单元分离，并且经配置由所述冷却剂电路中的冷却剂冷却；
散热器(120)，其位于所述封闭隔室的外部，所述散热器连接到所述冷却剂电路，其中所述冷却剂电路中的所述冷却剂流过所述散热器；以及
至少一个风扇(136)，其位于所述封闭隔室的外部的所述散热器的旁边，所述至少一个风扇经配置将空气吹过所述散热器以冷却流过所述散热器的所述冷却剂。
2.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述封闭隔室是隔热的。
3.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述散热器和所述至少一个风扇位于所述封闭隔室旁边的变压器间(114)内，所述变压器间容纳至少一个电力变压器(118)。
4.根据权利要求3所述的热管理系统，其中所述至少一个风扇将空气吹过所述变压器间以冷却所述至少一个电力变压器。
5.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述散热器和所述至少一个风扇位于侧隔室(112)中，所述侧隔室(112)在一端具有开口(126)，所述散热器定位在所述开口(126)中，而在相对端具有百叶窗式开口(128)。
6.根据权利要求5所述的热量管理系统，其中所述至少一个风扇通过所述开口抽吸周围空气，并且通过所述百叶窗式开口迫使所述空气穿过所述侧隔室。
7.一种热管理系统(100)，包括：
外壳，其具有：
隔热隔室(108)，其包含：
能量储存单元(104)；
空气温度控制单元(110)，其经配置冷却所述隔热隔室的内部；以及
电力电子器件机柜(106)，其包含至少一个逆变器(138)并且连接到冷却剂电路，所述冷却剂电路与所述空气温度控制单元分离并且冷却所述电力电子器件机柜；以及
侧隔室(112)，其位于所述隔热隔室旁边，所述侧隔室包含：
散热器(120)，其位于所述侧隔室中的散热器开口(126)内；以及
至少一个风扇(136)，其位于所述散热器旁边，所述至少一个风扇经配置将空气吹过所述侧隔室。
8.根据权利要求7所述的热管理系统，其中所述侧隔室包括容纳至少一个电力变压器(118)的变压器间(114)。
9.根据权利要求8所述的热管理系统，其中所述至少一个风扇将空气吹过所述变压器间以冷却所述至少一个电力变压器。
10.根据权利要求7所述的热管理系统，其中所述侧隔室在一端具有开口(126)，所述散热器定位在所述开口(126)中，而在相对端具有百叶窗式开口(128)。
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