CN117154283A - 热交换式防凝露冷却系统及控制方法、储能柜 - Google Patents
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Abstract
提供一种热交换式防凝露冷却系统，包括电池包冷却回路、PCS冷却回路以及热交换组件，电池包冷却回路内有第一冷却流体；PCS冷却回路内有第二冷却流体；热交换组件用于可启闭地实现第一冷却流体和第二冷却流体之间的热交换。还提供一种储能柜、热交换式防凝露冷却系统控制方法及计算机可读存储介质。上述系统及方法能够在保证PCS冷却效果的同时避免产生冷凝现象，实现双重效用。
Description
技术领域
本发明涉及冷却散热领域，具体涉及PCS的冷却散热。
背景技术
现有的户外柜液冷系统通过图1所示的串联方式为PCS和电池包提供冷却，电池包的工作温度范围在20度左右，串联冷却方式会使得电池包也一同冷却至20℃，这将导致较高的能耗。此外，串联的冷却方式使得冷却电池包后的冷却液温度较低，如将该部分冷却液体直接用于冷却PCS，则容易造成PCS提供液冷的液冷管路与PCS相接触的位置出现凝露，如在PCS功率单元的散热板接口处产生冷凝水，冷凝水流至PCS中，使得PCS出现故障。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种热交换式防凝露冷却系统，能够保证对PCS的冷却效果，且避免产生冷凝现象。
为实现上述目的的热交换式防凝露冷却系统用于冷却电池包和PCS，该系统包括电池包冷却回路、PCS冷却回路以及热交换组件，电池包冷却回路内有第一冷却流体；PCS冷却回路内有第二冷却流体；热交换组件用于可启闭地实现第一冷却流体和第二冷却流体之间的热交换。
在一个或多个实施例中，所述PCS冷却回路内设有驱动所述第二冷却流体自循环的泵。
在一个或多个实施例中，所述电池包冷却回路上还设有液冷机组，用于向所述第一冷却流体提供冷量。
在一个或多个实施例中，所述电池包冷却回路包括冷却去路和冷却回路，所述热交换组件包括设置在所述冷却回路上的阀，所述阀设置成将所述冷却回路分为两支路，其中一条支路通过所述热交换组件。
在一个或多个实施例中，该系统还包括设置在热交换组件进出口侧的第一温度传感器和第二温度传感器，以及设置在PCS上下游的第三温度传感器和第四温度传感器。
在一个或多个实施例中，所述热交换组件包括间壁式换热器。
本发明的另一个目的是提供一种储能柜，储能柜包括壳体、电池包、PCS以及上述热交换式防凝露冷却系统。
本发明的再一个目的是提供一种热交换式防凝露冷却系统控制方法，该方法使用上述热交换式防凝露冷却系统，包括如下步骤：确定第二冷却流体的温度，确定环境温度；当第二冷却流体的温度低于所述环境温度下的露点温度时，运行热交换组件，使第二冷却流体与第一冷却流体进行热交换；当第二冷却流体的温度高于所述环境温度下的露点温度，且当第二冷却流体的温度高于第一冷却流体的温度时，运行热交换组件，使第二冷却流体与第一冷却流体进行热交换。
在一个或多个实施例中，该方法还包括第二冷却流体流速控制步骤：获得PCS冷却回路内的第二冷却流体的温度变化量确定PCS壳体的目标温度梯度值/>依据公式和第二冷却流体的温度变化量/>所述PCS壳体的目标温度梯度值/>计算PCS冷却回路中所需冷却流体流速V，其中ρ是流体密度，g是重力加速度，h是高度，C是常数，/>是单位体积流体速度，k是PCS壳体的导热率；调节泵的输出参数，以使第二冷却流体流速等于计算出的所述所需冷却流体流速。
本发明的又一个目的是提供一种计算机可读存储介质，包括计算机程序代码指令，所述计算机程序代码指令用于执行上述热交换式防凝露冷却系统控制方法。
上述热交换式防凝露冷却系统及方法通过增加热交换组件实现电池包冷却回路内的第一冷却流体和PCS冷却回路内第二冷却流体的热交换，保证PCS冷却回路内的冷却液始终高于露点温度，避免冷凝；同时也可以在PCS冷却回路制冷量不够的情况下利用热交换组件提供来自电池包冷却回路的冷量。上述系统及方法在保证PCS冷却效果的同时避免产生冷凝现象，实现双重效用。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是传统串联式冷却系统的原理示意图；
图2是热交换式防凝露冷却系统的一个实施例的原理示意图；
图3是热交换式防凝露冷却系统控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，不表示各部件必然的设定位置，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
具备一定湿度的空气，当温度降低至一定值后，空气中水蒸气的分压力达到对应于当前空气温度的饱和压力，该条件下的空气中水汽就达到饱和，如果再进一步降低空气温度，水汽就会从空气中冷凝析出，形成露滴。
露点是指在水蒸气分压力不变的情况下，冷却到饱和状态时的温度，也就是在含湿量不变的情况下冷却到饱和状态时的温度。如果温度低于露点温度，空气中的水分就会在表面冷凝(Condensation)析出，形成凝露。露点温度(Dew-Point Temperature)可通过当地空气压力与空气湿度利用公式计算得出。在本公开所述的实施例中，露点温度大体上为24℃。
液冷系统散热原理是冷却流体与热源进行间接热交换，将热量通过流动的方式带走，而热量带走得太多时，就会在管路接口处冷凝形成凝露。
为避免出现冷凝问题，本公开所述的热交换式防凝露冷却系统包括电池包冷却回路10、PCS冷却回路20以及热交换组件30。参照图2所示，电池包冷却回路10内流有第一冷却流体，用于冷却电池包101，且电池包冷却回路10处于持续运行的状态；PCS冷却回路20内流有第二冷却流体，用于冷却PCS102。
热交换组件30用于可启闭地实现电池包冷却回路10内的第一冷却流体和PCS冷却回路20内第二冷却流体的热交换。
具体而言，热交换组件包括热交换器和开关，开关使得第一冷却流体和第二冷却流体在特定工况下进行热交换。在一些实施例中，电池包冷却回路10包括冷却去路11和冷却回路12，电池包101位于冷却去路11上，接受第一冷却流体持续供给的冷量，热交换组件设置在冷却回路12上。开关可以为设置在冷却回路12上的阀103，阀103优选为三通阀，阀103的所在位置将冷却回路12分为两支路，其中一条支路通过热交换组件30，实现可启闭的热交换关系。
在一些实施例中，热交换组件30的热交换器为间壁式换热器，冷、热两种介质被固体间壁隔开，通过间壁进行热量交换。
术语“流体”包括液体，具体而言，可以为诸如水等常见冷却液。
使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
由于电池包的工作温度在20℃左右，PCS的工作温度接近60℃也可以正常工作，因此，若冷却电池包后的冷却液直接对PCS进行冷却，不仅增加能量损耗，也容易造成PCS过度冷却，出现冷凝现象，影响PCS的运行。通过设置热交换组件，使PCS冷却回路20内流动的第二冷却流体经过热交换组件与电池包冷却回路10内流动的第一冷却流体进行热交换，能够适度的增加PCS冷却回路20内流动的第二冷却流体的温度，保证PCS冷却回路20内流动的第二冷却流体的温度大于露点温度，进而在有效冷却PCS的基础上避免出现冷凝问题。
此外，当PCS冷却回路20内的第二冷却流体温度高于第一冷却流体时，第一冷却流体也可以对第二冷却流体提供相对的冷量，进而提高PCS冷却效果。
优选的，PCS冷却回路20的长度在综合考虑体积空间、成本以及耗能等因素下，在可选择范围内设置的尽可能长，以延长冷却PCS后的流体与外部环境之间的对流、导热时间。
在一些具体的实施例中，PCS冷却回路20的换热面积范围大体上在0.18～0.22平方米，优选0.2平方米，但本领域技术人员可以知晓，换热面积可根据实际工况和设备尺寸等参数进行具体修改。
继续参照图2所示，电池包冷却回路10上还设有液冷机组5，液冷机组5用于向第一冷却流体提供冷量，以冷却电池包101。
PCS冷却回路20内设有驱动所述第二冷却流体自循环的泵104，优选的，泵104与PCS串联设置。泵104为PCS冷却回路内的第二冷却流体的持续流动提供驱动力，使PCS冷却回路中的冷却变为自循环主动冷却。
该系统还包括设置在热交换组件30进出口侧的第一温度传感器1071和第二温度传感器1072，以及设置在PCS上下游的第三温度传感器1073和第四温度传感器1074。第一温度传感器1071测量的温度为流经电池包后的第一冷却流体温度，第二温度传感器1072测量的温度为流经热交换组件30后的第一冷却流体温度，第三温度传感器1073测量的温度为PCS102的温度，第四温度传感器1074测量的温度为流经PCS102后的第二冷却流体温度。
为进一步保障系统的安全，该系统还包括设置在PCS冷却回路20上的排气阀113和/或膨胀箱114和/或加压阀108和/或压力传感器。
为实现自动化控制，该系统还包括控制器109，控制器109与第一温度传感器1071、第二温度传感器1072、第三温度传感器1073、第四温度传感器1074、阀103、排气阀113、膨胀箱114、加压阀108、压力传感器等部件双向信号连接。
当第二冷却流体在PCS冷却回路首次流通时，控制器109控制排气阀113打开，第二冷却流体经由管路通过排气阀113将管路中的气体排出，气体排出后，控制器109控制排气阀113关闭。
整个PCS循环回路中，第一压力传感器1061与第二压力传感器1062用于检测PCS冷却回路在工作时，管内实际压力是否等于此状况下管内正常压力。如果检测出的管内实际压力与此状况下管内正常压力相差大于要求差值，如800Pa则发出警告。
优选的，第一压力传感器1061、第二压力传感器1062设置在PCS的上下游，在各自位置检测液压并将液压信息传输至控制器109，若第一压力传感器1061、第二压力传感器1062输出的液压数据异常：当液压数据过高时，控制器109控制膨胀箱114进行泄压调节；当液压数据过低时，控制器109控制加压阀108进行加压调节。
热交换式防凝露冷却系统的运行逻辑如下述。
液冷机组5对液冷流体制冷后，通过出口输送至电池包冷却回路10，经冷却去路11输送至电池包101，对电池包101进行冷却。流经电池包101后的冷却流体流入冷却回路12，输送至阀103。第一冷却流体通过阀103的控制，或者沿一支路直接流回液冷机组，或沿另一支路流向热交换组件30，经过热交换组件30后回流至液冷机组5。
结合上述介绍，可以理解到一种热交换式防凝露冷却系统控制方法，该方法包括如下步骤。
首先，确定第二冷却流体的温度，确定环境温度：当第二冷却流体的温度低于环境温度下的露点温度时，运行热交换组件，使第二冷却流体与第一冷却流体进行热交换；当第二冷却流体的温度高于环境温度下的露点温度，且当第二冷却流体的温度高于第一冷却流体的温度时，运行热交换组件，使第二冷却流体与第一冷却流体进行热交换。
具体而言，当第二冷却流体的温度低于环境温度下的露点温度时，此时第二冷却流体的温度低于第一冷却流体，第二冷却流体接收来自第一冷却流体的热量；当第二冷却流体的温度高于环境温度下的露点温度，且当第二冷却流体的温度高于第一冷却流体的温度时，第二冷却流体的温度高于第一冷却流体，此时第二冷却流体接收来自第一冷却流体的冷量。
请参照下述热交换式防凝露冷却系统控制方法的具体实施例理解。
当环境温度T≤10℃时，不运行PCS冷却回路，泵不工作，PCS自然降温，此时第一将冷却电池包后的冷却流体送回液冷机组，热交换组件也不运行。
当环境温度＞10℃且≤15℃时，第三温度传感器与第四温度传感器检测到的温度均＞60℃时，第二冷却液体温度在15℃左右，热交换组件不运行，泵以12％占空比运行，此时PCS冷却回路内的第二冷却流体的流速为0.6L/min，PCS冷却回路和电池包冷却回路各自独立冷却PCS和电池包。
当环境温度＞15℃且≤22℃，第三温度传感器与第四温度传感器检测到的温度均＞60℃时，第二冷却流体的温度在20℃左右，热交换组件不运行，泵以46％占空比运行，此时PCS冷却回路流速为2.3L/min。
当环境温度＞22℃且≤26℃，第三温度传感器与第四温度传感器检测到的温度均＞60℃时，第二冷却流体的温度在露点温度24℃左右，在此温度下，液冷管道上极易产生冷凝。此时，开启阀103，使电池包冷却回路里的第一冷却流体流入热交换组件，与PCS冷却回路中的第二冷却流体进行热交换。此时，相对的，PCS冷却回路中的第二冷却流体接收来自电池包冷却回路中的第一冷却流体的热量。由于电池包冷却回路里面的第一冷却流体刚吸收过来自电池包的热量，经过热交换组件时，第一冷却流体的温度达到大约29℃，所以经过热交换后，PCS冷却回路中的第二冷却流体温度升至大约27℃，此温度高于凝露点温度，所以不会产生凝露。泵以50％占空比运行，PCS循环回路流速优选为2.5L/min。
当环境温度＞26℃且≤30℃，第三温度传感器与第四温度传感器检测到的PCS温度均＞70℃时，第二冷却流体的温度在27℃左右，阀关闭，热交换组件不工作，泵以80％占空比运行，此时PCS冷却回路内的流速为4L/min。
当环境温度＞30℃，第三温度传感器与第四温度传感器检测到的PCS温度均温度＞75℃时，此时第二冷却流体的温度过热，无法通过自循环方式为PCS提供足够的冷量。阀打开，电池包冷却回路的第一冷却液体流入热交换组件进行热交换。此时，相对的，PCS冷却回路中的第二冷却流体接收来自电池包冷却回路中的第一冷却流体的冷量，PCS冷却回路中的第二冷却流体温度降低，如在一些实施例中至32℃左右，泵以80％占空比运行，此时PCS冷却回路内的流速优选为4L/min。
液冷系统主要通过控制液冷液的流速来控制其散热效率，因此需要知道热量或能量与流速的关系。PCS冷却回路中的流速通过下述过程计算。
设冷却流体为不可压缩流，流体密度ρ为常数，流场的主要变量包括压强p和速度但冷却流体同时又在与外部环境和PCS进行热交换，所以需另外两个流场变量：冷却流体内能e和冷却流体温度T。
假设外界环境传给系统单位体积热量δq，同时外界环境对单位体积冷却流体系统做功δw。热量和功都是能量的表现形式，所以当外界环境对冷却流体系统传热或做功时，系统的内能将发生变化，内能的变化用de表示，根据能量守恒定律有δq+δw＝de。
在单位时间内，该公式也表示外界环境传递给冷却流体单位控制域内流体热量的传热率B1与外界环境对冷却流体控制域内的流体做功的功率B2之和等于冷却流体控制体内流体能量的变化率B3。
计算外界环境传递给控制域内流体热量的传热率B1。设单位时间内单位质量流体的传热量为(W/Kg)，有限控制体元内包含的质量是ρdv，ρ是有限控制体元的密度，dv是单位体积。整个控制体内热传导功率B1为/>其中，/>是假设由于流体粘性作用导致控制体热量增加的功率。
计算外界环境对控制域内的流体做功的功率B2。假设控制面上一个单位面元是ds，单位面元所受的压力为p是单位面元的压强(N/m2)，当流体以速度/>穿过ds时，压力p对穿过单位面元ds的流体做功的功率为/>此外，取控制体内的一个体元dv，设/>是单位质量的彻体力，则彻体力对体元dv做功的功率是/>得到控制体内流体做功的总功率B2为：/>其中，/>是假设由于流体粘性作用，流体对控制面上剪切应力做功的功率。
计算控制体内流体能量的变化率B3。内能e是系统内的原子和分子的随机运动的能量，控制体内的流体并非静止，而按照当地速度运动，因此单位质量运动流体的能量E是其内能和动能之和，即/>也即/>通过面元ds的质量流量是/>如果流动是非定常的，由于流场变量的瞬时振荡，控制体内的总能存在随时间的变化率，因此控制体内流体能量的变化率B3为/>
则，根据热力学第一定律可以得出：
从上式积分形式的能量方程可以推导出微分形式的能量方程。对上式的面积分运用散度定理，并把所有项都整理到同一个体积分，令被积分函数为0，得到：
假设上式中，流动是定常的忽略粘性，并且忽略彻体力/>可以将上式简化成：/>
其中，为单位质量冷却流体的传热量，单位质量冷却流体内能e为/>cv是冷却流体比定容热容，/>是冷却流体的温度变化量(K)。
考虑流体单位质量点的流体密度ρ(常数)、单位质量点的压力p与单位质量点的速度可以由伯努利方程得出/>其中C是常数，g为重力加速度，h为该单位点的高度。
将压力p使用伯努利方程替换，代入流体内能e和单位质量流体传热量的计算公式，获得管道内流体总流速V与冷却流体的温度变化量/>为变量下的流体能量方程：
考虑PCS冷却时冷却回路中单位质量的冷却流体接收到的外界热量主要为PCS的发热量，忽略对外的辐射量以及传播至空气中的热量，可以令单位面积PCS发热量具体而言，/>其中，k是PCS壳体的导热率(W/m·K)，/>是沿PCS壳体的温度梯度(K/m)。
因此，上述流体能量方程可以转化为带有PCS壳体的温度梯度的计算公式：
根据此式，该方法还可以对第二冷却流体的流速进行控制。
获知PCS壳体的温度梯度所代表的温升的变化与第二冷却流体的温度变化量借助两数值可以计算出第二冷却流体的流速V，进而反向指导泵的运行工况，控制PCS冷却回路内第二冷却流体的流速V，准确控制PCS的散热。
本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (10)
1.热交换式防凝露冷却系统，用于冷却电池包和PCS，该系统包括：
电池包冷却回路，内有第一冷却流体；
PCS冷却回路，内有第二冷却流体；以及
热交换组件，用于可启闭地实现第一冷却流体和第二冷却流体之间的热交换。
2.如权利要求1所述的热交换式防凝露冷却系统，其特征在于，所述PCS冷却回路内设有驱动所述第二冷却流体自循环的泵。
3.如权利要求1所述的热交换式防凝露冷却系统，其特征在于，所述电池包冷却回路上还设有液冷机组，用于向所述第一冷却流体提供冷量。
4.如权利要求1所述的热交换式防凝露冷却系统，其特征在于，所述电池包冷却回路包括冷却去路和冷却回路，所述热交换组件包括设置在所述冷却回路上的阀，所述阀设置成将所述冷却回路分为两支路，其中一条支路通过所述热交换组件。
5.如权利要求1所述的热交换式防凝露冷却系统，其特征在于，该系统还包括设置在热交换组件进出口侧的第一温度传感器和第二温度传感器，以及设置在PCS上下游的第三温度传感器和第四温度传感器。
6.如权利要求1所述的热交换式防凝露冷却系统，其特征在于，所述热交换组件包括间壁式换热器。
7.储能柜，包括壳体、电池包和PCS，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一项所述的热交换式防凝露冷却系统。
8.热交换式防凝露冷却系统控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一项所述的热交换式防凝露冷却系统，该方法包括如下步骤：
确定第二冷却流体的温度，确定环境温度；
当第二冷却流体的温度低于所述环境温度下的露点温度时，运行热交换组件，使第二冷却流体与第一冷却流体进行热交换；
当第二冷却流体的温度高于所述环境温度下的露点温度，且当第二冷却流体的温度高于第一冷却流体的温度时，运行热交换组件，使第二冷却流体与第一冷却流体进行热交换。
9.如权利要求8所述的热交换式防凝露冷却系统控制方法，其特征在于，该方法还包括第二冷却流体流速控制步骤：
获得PCS冷却回路内的第二冷却流体的温度变化量确定PCS壳体的目标温度梯度值/>
依据公式和第二冷却流体的温度变化量/>所述PCS壳体的目标温度梯度值/>计算PCS冷却回路中所需冷却流体流速V，其中ρ是流体密度，g是重力加速度，h是高度，C是常数，/>是单位体积流体速度，k是PCS壳体的导热率；
调节泵的输出参数，以使第二冷却流体流速等于计算出的所述所需冷却流体流速。
10.一种计算机可读存储介质，包括计算机程序代码指令，所述计算机程序代码指令用于执行根据权利要求8-9任一项所述的方法。
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