CN117739538A - 一种储能直冷/直热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能直冷/直热泵系统，包括制冷控制系统、制热控制系统；通过制冷控制系统的制冷作业，通过压缩机实现对油分离器的分离，并将制冷剂进入室外换热器，可以实现对制冷剂均匀分配至储能电池所在的各个支路冷板上，以降低制冷剂温度变化；通过制热控制系统的制热作业，用于压缩机实现对油分离器的分离，并将过热的制冷剂气体进入室外换热器进行热交换降温，可以实现气态的制冷剂均匀分配至储能电池所在的各个支路冷板上，已实现温度的平稳升高。整个系统装置在提高热效率的同时，同步提高了整体装置系统运行的稳定性，并降低整个设备的生产/运行成本。

Description

一种储能直冷/直热泵系统

技术领域

本发明属于温控系统技术领域，具体涉及一种储能直冷/直热泵系统。

背景技术

储能系统是一种能够储存能源的设备或系统，它可以将多余的能源储存起来，并在需要时使用。储能系统通常用于提高能源利用效率、降低能源浪费、改善电网稳定性等方面。储能系统可以包括电池、超级电容器、飞轮、液压系统等设备或技术，其中电池是最常用的储能方式之一。储能系统可以用于各种应用场景，如电网调峰、可再生能源并网、电动汽车充电、家庭储能等。

但是储能系统在运行过程中，过冷或过热均会造成储能系统的故障，目前对于储能系统的制冷机构上主要是采用风冷和液冷两种方式，对于风冷机组在使用时，由于存在电池表面与空气换热系数低、储能能量密度低，另外储能柜体内部风场分布不均匀，电池芯体温度不均匀。另外对于液冷机组，需要通过两次换热，制冷剂到冷板，冷板到电池，换热效率低；同时换热效率低造成机组的能效低，并且系统中需要循环水泵，且为保持电芯温差≤3℃采用小温差大流量设计，水泵功耗高，约占10％左右，整个系统效率低，只有2.0～2.7@35℃；这种液冷管路分为一级管路、二极管路、三级管路，水系统连接点多，泄露风险高；且冷板进出口温度差一般为2.5℃以上，冷板表面温度不均；同时原风冷或者液冷机组加热方式为PTC电加热，考虑电加热内阻损耗，会造成加热效率较低。

在中国专利授权公告号为CN109556209B中，公开了一种超低温储能制冷和高温储能制热系统，在该装置中，能够让超低温储能箱储能介质加热或冷却到90℃到-180℃之间的任一一个设定的温度值，并将能量传递给低温储能箱中储能介质，保证低温储能箱中储能介质的温度为0℃以上的任一一个设定的温度值，从而满足用能场所的需要，这种设备虽然能够实现较大温差的温度调节，但是，对于储能电池而言，更重要的时对于制冷/制热环节温差较小，一但温差过大，就容易导致电池衰减的速度急剧降低，并且还存在一定的安全隐患。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种储能直冷/直热泵系统，解决了现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种储能直冷/直热泵系统，包括制冷控制系统、制热控制系统；

所述制冷控制系统：通过压缩机实现对油分离器的分离，并将制冷剂进入室外换热器，随后通过制热节流器进入到储液器内，再通过回热器进入到制冷节流器中，通过设置在制冷节流器上的制冷分配器，将制冷剂均匀分配至储能电池所在的各个支路冷板上，同时控制每个制冷剂回路的压降，使压降形成制冷剂温度变化＜0.5℃，随后通过制热分配器，被回流至回热器上，再次回至油分离器内完成一次循环，经过压缩机进行二次循环制冷；

所述制热控制系统：用于压缩机实现对油分离器的分离，并将过热的制冷剂气体进入室外换热器进行热交换降温，随后通过制热分配器，进入到储能电池所在的各个支路冷板上，并控制冷板的过冷度温度变化≤0.5℃，以实现对冷板上的储能电池进行加热，再通过制冷分配器进入到制冷节流器上，直至回流至回热器内，再通过回热器与储液器的连通，继续将制冷剂经过储液器进入到制热节流器上，在通过另一组的油分离器与前一组的油分离器进行热交换，随后回流至气液分离器内完成一次循环，再经过压缩机进行二次循环制热。

进一步的，所述储能直冷/直热泵系统中还包括除霜系统，

所述压缩机实现对油分离器的分离，进入到室外换热器，随后通过制热节流器进入到储液器内，通过热气除霜器重新回流到气液分离器中，再经过压缩机进行二次循环除霜。

进一步的，所述制冷控制系统、制热控制系统以及除霜系统中，油回路由所述压缩机释放后经过油分离器的分离，通过回油毛细管进行回收，随后通过经过吸气管重新回流到压缩机内作为一个循环动作。

进一步的，在所述制冷控制系统中，所述回热器制冷时使储能电池所在的冷板出来的冷媒为非饱和态。

进一步的，在所述制冷控制系统中，所述回热器作为制冷，使得冷板内部为两相区蒸发，出口仍然为带液状态，冷板内部温度均匀，出口的带液气体经过回热器之后，处于饱和过热状态。

进一步的，在所述制热控制系统中，将压缩排出的高温高压过热制冷剂气体，经过回流的另一组室外换热器预冷，使其预冷为饱和状态的高压中温的饱和状态的两相的制冷剂状态。

进一步的，在所述制热控制系统中，冷板内部为两相区冷凝，出口为气体状态，实现制冷剂气体通过冷板内部时温度均匀。

进一步的，所述制冷控制系统中，进行制冷作业时，关闭制热管道；所述制热控制系统中，进行制热作业时，关闭制冷管道。

进一步的，所述制冷控制系统中，还包括一级制冷剂回路、二级制冷剂回路、三级制冷剂回路。

本发明的有益效果：

1、本装置所采用的制冷/制热时采用的多组室外换热器进行换热作业，其效率比制冷机的单独作用提高30％的热效率，并同步实现了节能效率。

2、本装置采用分配器分配制冷剂，分配更均匀，实现了各回路之间温差接近，以达到节能的同时，实现装置系统运行的稳定性。

3、本装置采用大多数的管件连接，实现制冷或制热，因此各部件之间的连接点显著减少，也减少了再制冷或制热环节中制冷液的溢出可能，提高整体装置系统运行的稳定性。

4、本装置制冷过程中采用的冷板内为两相区换热，各支路内压力相同，冷板温度相同，冷板进出口温度小，可以使冷板内饱和蒸发温度限制偏差到0.5℃范围内，从而使电芯接触表面温度个点差异更小，有利于电芯温度一致性控制。

5、本装置减少系统中PTC的配置以及循环水泵的使用，可以减少成本支出。

6、本装置采用的一级制冷剂分配到二级制冷剂回路采用电子膨胀阀调节，可实现多回路控制，及回路间的制冷剂平均分配，从而实现多簇电池包温度管理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的制冷控制系统整体控制结构示意图；

图3是本发明实施例的制热控制系统整体控制结构示意图；

图4是本发明实施例的除霜系统整体控制结构示意图；

图5是本发明实施例的制冷运行系统温度分布图；

图6是本发明实施例的制热运行系统温度分布图；

图7是本发明实施例的液冷冷板进出口温度与直冷冷板进出口温度比对图；

图8是本发明实施例的效率提升-逆卡诺循环能效对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种储能直冷/直热泵系统，包括制冷控制系统、制热控制系统、以及除霜系统；

如图2所示，制冷控制系统：通过压缩机1实现对油分离器2的分离，并将制冷剂进入室外换热器3，随后通过制热节流器31进入到储液器4内，再通过回热器5进入到制冷节流器6中。

通过设置在制冷节流器6上的制冷分配器61，将制冷剂均匀分配至储能电池所在的各个支路冷板62上，同时控制每个制冷剂回路的压降，使压降形成制冷剂温度变化＜0.5℃，随后通过制热分配器7，被回流至回热器8上，再次回至油分离器2内完成一次循环，经过压缩机1进行二次循环制冷；制冷控制系统中，还包括一级制冷剂回路、二级制冷剂回路、三级制冷剂回路。

整个系统所经过的装置包括如下所示：

压缩机→油分离器→室外换热器+室外换热器→制热节流器+单向阀→储液器→回热器→制冷节流阀→制冷分配器→冷板→制热分配器→制冷阀→回热器→气液分离器→压缩机

油回路：

压缩机→油分离器→回油毛细管→吸气管→压缩机。

制热节流阀全开

二级管路制冷节流阀按照需求自动控制。

如图5所示，在电池冷板的入口和电池冷凝板的出口两个温度变化均匀，这种不会造成与冷板直接接触的电池因为温度变化较大，造成对电池本体的伤害从而影响了电池的使用寿命。在制冷过程中，对节流后的制冷剂通过制冷分配器分配，实现进入冷板各支路的制冷剂流量的均匀分配。

如图7所示，同时控制每个制冷剂回路的压降，使压降形成制冷剂温度变化＜0.5℃，从而控制制冷剂在冷板内部饱和蒸发温度范围＜0.5℃，保证冷板的各部分最大温度差异＜0.5℃。从而使电芯接触表面温度个点差异更小，有利于电芯温度一致性控制。而采用传统的液冷冷板进出口温度测量时，温度差能达到2.5℃，这种较大温差，很容易造成电池电芯内部的化学物质发生变化，影响了电池的使用寿命。

回热器：制冷，冷盘内部为两相区蒸发，出口仍然为带液状态，冷板内部温度均匀，出口的带液气体经过回热器之后，饱和过热状态，保护压缩机的稳定运行，同时和阀前的高温冷凝液体换热，降低液体温度。

如图3、图6所示，制热控制系统：用于压缩机1实现对油分离器2的分离，将压缩排出的高温高压过热制冷剂气体排出，并将过热的制冷剂气体进入室外换热器3进行热交换降温，随后通过制热分配器7，进入到储能电池所在的各个支路冷板62上，并控制冷板62的过冷度温度变化≤0.5℃，以实现对冷板62上的储能电池进行加热，再通过制冷分配器61进入到制冷节流器6上，直至回流至回热器5内，再通过回热器5与储液器4的连通，继续将制冷剂经过储液器4进入到制热节流器31上，在通过另一组的油分离器2与前一组的油分离器2进行热交换(预冷为饱和状态的高压中温的饱和状态的两相的制冷剂状态，从而保证进入冷板的制冷剂状态非高温状态，避免过热气体进入冷板使电芯的温度过高，具体参照如图6所示，此时电池冷板入口与电池冷板出口所在的温度变化较小)，随后回流至气液分离器9内完成一次循环，再经过压缩机1进行二次循环制热。

制热模式下，通过出口温度控制，实现高压中温的饱和状态的两相的制冷剂在冷板内冷凝，同时出冷凝器的制冷状态仍然为两相状态，或者具有较小的过冷度，过冷度限制≤0.5℃。从而实现制冷剂在冷板内为两相换热状态实现制冷剂温度的一致性，实现冷板的表面温度相同。从而使电芯接触表面温度个点差异更小，有利于电芯温度一致性控制。

回热器：冷板内部为两相区冷凝，出口仍然为带气状态，冷板内部温度均匀，出口的带液气体经过回热器之后被从室外换热器过来的低温气体进一步冷却，形成过冷状态的制冷剂液体，实现节流阀前的液体为过冷区，保护机组的稳定运行。

整个系统所经过的装置包括如下所示：

压缩机→油分离器→室外换热器→制热阀→制热分配器→冷板→制冷分配器→制冷节流阀+单向阀→回热器→储液器→制热节流阀→室外换热器→制热阀→回热器→气液分离器→压缩机；

油回路：

压缩机→油分离器→回油毛细管→吸气管→压缩机。

如图4所示，储能直冷/直热泵系统中还包括除霜系统，具体操作如下：

压缩机1实现对油分离器2的分离，进入到室外换热器3，随后通过制热节流器31进入到储液器4内，通过热气除霜器10重新回流到气液分离器9中，再经过压缩机1进行二次循环除霜。

制冷控制系统、制热控制系统以及除霜系统中，油回路由压缩机1释放后经过油分离器2的分离，通过回油毛细管21进行回收，随后通过经过吸气管重新回流到压缩机1内作为一个循环动作。

制冷控制系统中，进行制冷作业时，关闭制热管道；制热控制系统中，进行制热作业时，关闭制冷管道。

同时，本申请还能实现效率提升(减少中间热换)

即制冷模式换热效率提升：

传统的方式为：液冷换热过程为：电芯→冷板(水冷换热器)→载冷剂→板式换热器(蒸发器)→制冷剂。

如图8所示，本发明采用的方式为：直冷换热过程：电芯→冷板(蒸发器)→制冷剂。

制热效率换热效率提升：

传统的液冷换热过程为：电芯→冷板(水冷换热器)→载冷剂→板式换热器(蒸发器)→制冷剂。

本发明采用的方式为：

直冷换热过程：电芯→冷板(蒸发器)→制冷剂。

且原有的液冷PCT电加热也取消，提高效率的同时也进一步降低了设备的成本投入。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种储能直冷/直热泵系统，包括制冷控制系统、制热控制系统；其特征在于，

所述制冷控制系统：通过压缩机(1)实现对油分离器(2)的分离，并将制冷剂进入室外换热器(3)，随后通过制热节流器(31)进入到储液器(4)内，再通过回热器(5)进入到制冷节流器(6)中，通过设置在制冷节流器(6)上的制冷分配器(61)，将制冷剂均匀分配至储能电池所在的各个支路冷板(62)上，同时控制每个制冷剂回路的压降，使压降形成制冷剂温度变化＜0.5℃，随后通过制热分配器(7)，被回流至回热器(8)上，再次回至油分离器(2)内完成一次循环，经过压缩机(1)进行二次循环制冷；

所述制热控制系统：用于压缩机(1)实现对油分离器(2)的分离，并将过热的制冷剂气体进入室外换热器(3)进行热交换降温，随后通过制热分配器(7)，进入到储能电池所在的各个支路冷板(62)上，并控制冷板(62)的过冷度温度变化≤0.5℃，以实现对冷板(62)上的储能电池进行加热，再通过制冷分配器(61)进入到制冷节流器(6)上，直至回流至回热器(5)内，再通过回热器(5)与储液器(4)的连通，继续将制冷剂经过储液器(4)进入到制热节流器(31)上，在通过另一组的油分离器(2)与前一组的油分离器(2)进行热交换，随后回流至气液分离器(9)内完成一次循环，再经过压缩机(1)进行二次循环制热。

2.根据权利要求1所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，所述储能直冷/直热泵系统中还包括除霜系统，

所述压缩机(1)实现对油分离器(2)的分离，进入到室外换热器(3)，随后通过制热节流器(31)进入到储液器(4)内，通过热气除霜器(10)重新回流到气液分离器(9)中，再经过压缩机(1)进行二次循环除霜。

3.根据权利要求2所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，所述制冷控制系统、制热控制系统以及除霜系统中，油回路由所述压缩机(1)释放后经过油分离器(2)的分离，通过回油毛细管(21)进行回收，随后通过经过吸气管重新回流到压缩机(1)内作为一个循环动作。

4.根据权利要求1所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，在所述制冷控制系统中，所述回热器(8)制冷时使储能电池所在的冷板(62)出来的冷媒为非饱和态。

5.根据权利要求4所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，在所述制冷控制系统中，所述回热器(8)作为制冷，使得冷板(62)内部为两相区蒸发，出口仍然为带液状态，冷板(62)内部温度均匀，出口的带液气体经过回热器(8)之后，处于饱和过热状态。

6.根据权利要求1所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，在所述制热控制系统中，将压缩排出的高温高压过热制冷剂气体，经过回流的另一组室外换热器(3)预冷，使其预冷为饱和状态的高压中温的饱和状态的两相的制冷剂状态。

7.根据权利要求1所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，在所述制热控制系统中，冷板(62)内部为两相区冷凝，出口为气体状态，实现制冷剂气体通过冷板(62)内部时温度均匀。

8.根据权利要求1所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，所述制冷控制系统中，进行制冷作业时，关闭制热管道；所述制热控制系统中，进行制热作业时，关闭制冷管道。

9.根据权利要求1所述的储能直冷/直热泵系统，其特征在于，所述制冷控制系统中，还包括一级制冷剂回路、二级制冷剂回路、三级制冷剂回路。