ES2747856B2 - METHOD AND REFRIGERATION EQUIPMENT FOR THE ULTRA-RAPID CHARGING OF BATTERIES OF HYBRID OR ELECTRIC PROPULSIVE SYSTEMS - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

MÉTODO Y EQUIPO DE REFRIGERACIÓN PARA LA CARGA ULTRARRÁPIDA DE REFRIGERATION METHOD AND EQUIPMENT FOR THE ULTRA-FAST CHARGING OF

BATERÍAS DE SISTEMAS PROPULSIVOS HÍBRIDOS O ELÉCTRICOSBATTERIES OF HYBRID OR ELECTRIC PROPULSIVE SYSTEMS

OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un método y a un equipo de refrigeración destinado a ser usado en la carga ultrarrápida de baterías de sistemas propulsivos híbridos o eléctricos, debido principalmente a la gran cantidad de energía calorífica que es necesario evacuar en un corto periodo de tiempo.The present invention refers to a method and a refrigeration equipment intended to be used in the ultra-fast charging of batteries of hybrid or electric propulsion systems, mainly due to the large amount of heat energy that must be evacuated in a short period of time.

Un objeto de la invención es proveer un método que permita la refrigeración eficiente de un líquido refrigerante que circula por un circuito de refrigeración de un sistema propulsivo híbrido o eléctrico, por un circuito de refrigeración de un supercargador o ambos.An object of the invention is to provide a method that allows the efficient cooling of a coolant circulating in a cooling circuit of a hybrid or electric propulsion system, in a cooling circuit of a supercharger or both.

Un segundo objeto de la invención consiste en proveer un equipo de refrigeración que permita extraer una gran cantidad de energía calorífica con un ciclo eficiente que minimice las pérdidas de energía, para ser usado en la refrigeración de baterías de un sistema propulsivo híbrido o eléctrico, en la refrigeración de un supercargador o ambos.A second object of the invention is to provide a refrigeration equipment that allows extracting a large amount of heat energy with an efficient cycle that minimizes energy losses, to be used in the cooling of batteries of a hybrid or electric propulsion system, in the cooling of a supercharger or both.

Otro objeto de la presente invención consiste en proveer un dispositivo que permita la refrigeración de baterías durante un proceso de carga.Another object of the present invention is to provide a device that allows batteries to be cooled during a charging process.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

En el mundo de la automoción los motores eléctricos son una de las alternativas existentes. Pese a su larga historia, ha sido recientemente cuando están empezando a conquistar un nicho de mercado relevante en los países más desarrollados. Sin embargo, las dos mayores desventajas de éstos frente a los motores de combustión interna alternativos (MCIA), que se vienen usando tradicionalmente de forma masiva, son: la poca densidad de energía de las baterías frente al combustible líquido, unas cien veces menos energía disponible para el mismo peso; y el tiempo necesario para la reposición de esta energía. In the automotive world, electric motors are one of the existing alternatives. Despite their long history, it has been recently when they are beginning to conquer a relevant market niche in the most developed countries. However, the two major disadvantages of these compared to alternative internal combustion engines (ICAM), which have traditionally been used massively, are: the low energy density of batteries compared to liquid fuel, about a hundred times less energy available for the same weight; and the time needed to replenish this energy.

En el caso de los MCIA el tiempo para recargar unos 50 litros de combustible en el vehículo es del orden de unos 2 minutos, mientras que en el caso de las baterías puede ser de unas 12 horas (si la carga de la batería es lenta), de entre 3 y 6 horas (si la carga es rápida) y de entre 10 y 60 minutos si el sistema de carga y la propia batería permiten realizar la carga de manera ultrarrápida.In the case of MCIAs, the time to recharge about 50 liters of fuel in the vehicle is around 2 minutes, while in the case of batteries it can be about 12 hours (if the battery charge is slow) , between 3 and 6 hours (if the charge is fast) and between 10 and 60 minutes if the charging system and the battery itself allow ultra-fast charging.

En este último caso, la carga de la batería solamente llega entre el 50% y el 70% de su capacidad total y, además, el tamaño y el peso del sistema de carga son considerables y, por tanto, no puede instalarse integrado en el vehículo ya que el aumento de su peso sería inadmisible. Por ese motivo, estos sistemas de carga se ubican habitualmente fuera del vehículo, generalmente en estaciones de recarga.In the latter case, the battery charge only reaches between 50% and 70% of its total capacity and, furthermore, the size and weight of the charging system are considerable and, therefore, it cannot be installed integrated into the vehicle since the increase in its weight would be unacceptable. For this reason, these charging systems are usually located outside the vehicle, generally in charging stations.

Uno de los factores limitantes al realizar la carga ultrarrápida en las baterías es que, debido a la cantidad de energía que se suministra en un periodo de tiempo limitado, provoca el aumento de la temperatura de éstas. Esta temperatura acorta de manera drástica la vida de las baterías frente a la vida útil que tendrían las mismas si la carga se realizase siempre de manera lenta, con una temperatura controlada. Además, hay que regular la temperatura para evitar el riesgo de incendio de las baterías. Para poder utilizar este sistema de recarga sin peligro de incendio y sin afectar tan drásticamente a la vida útil de las baterías es necesario disponer de un sistema que permita controlar y mantener la temperatura de la batería bajo unos umbrales aceptables y seguros.One of the limiting factors when carrying out ultra-fast charging in batteries is that, due to the amount of energy that is supplied in a limited period of time, it causes an increase in their temperature. This temperature drastically shortens the life of the batteries compared to the useful life they would have if the charge were always carried out slowly, with a controlled temperature. In addition, the temperature must be regulated to avoid the risk of fire from the batteries. In order to be able to use this recharging system without the danger of fire and without drastically affecting the useful life of the batteries, it is necessary to have a system that allows the battery temperature to be controlled and maintained below acceptable and safe thresholds.

Actualmente, los sistemas de refrigeración de las baterías más habituales se basan en la utilización de un circuito de refrigeración con líquido que, finalmente evacúa el calor extraído de las baterías al circuito de aire acondicionado del vehículo, basado en fluidos refrigerantes orgánicos, como hidrocarburos de cadenas muy larga, con cambio de fase, o al aire ambiente de diferentes formas posibles, como, por ejemplo, a través de grandes baterías de intercambiadores con ventilación forzada.Currently, the most common battery cooling systems are based on the use of a liquid cooling circuit that finally evacuates the heat extracted from the batteries to the vehicle's air conditioning circuit, based on organic cooling fluids, such as hydrocarbons. very long chains, with phase change, or to the ambient air in different possible ways, such as, for example, through large batteries of exchangers with forced ventilation.

El uso de fluido/s refrigerante/s orgánicos con cambio de fase o vectores refrigerantes en estado líquido tiene varios inconvenientes, entre los que caben destacar cuatro. Primero, suelen ser poco respetuosos con el medio ambiente ya que tienen un elevado potencial de calentamiento atmosférico (GWP). Segundo, debido al uso de compresores y ventiladores, suelen ser ruidosos con el consiguiente malestar por parte del usuario. The use of organic coolant fluid(s) with phase change or coolant vectors in liquid state has several drawbacks, four of which should be highlighted. First, they tend to be unfriendly to the environment as they have a high global warming potential (GWP). Second, due to the use of compressors and fans, they are usually noisy with the consequent discomfort on the part of the user.

Tercero, acoplar y desacoplar conexiones de líquidos a presión en el vehículo supone problemas de entrada de aire, purgado de aire, fugas de líquidos e incomodidades para el usuario. Y cuarto, la inercia térmica, es decir, el tiempo que tarda el sistema en llegar a las temperaturas de trabajo, de estos sistemas es muy grande debido a las características de los fluidos empleados, lo que los hace poco atractivos para esta aplicación.Third, coupling and uncoupling pressurized fluid connections on the vehicle poses problems of air intake, air bleeding, fluid leaks, and user discomfort. And fourth, the thermal inertia, that is, the time it takes for the system to reach working temperatures, of these systems is very large due to the characteristics of the fluids used, which makes them unattractive for this application.

Se ha localizado en el estado de la técnica el documento US2013029193A1 “Rapid charging electric vehicle and method and apparatus for rapid charging” que describe un sistema para soplar, con el ventilador del vehículo, aire hacia las baterías o de proporcionar un fluido refrigerado externo y líquido. Sin embargo, esta solución conlleva dificultades en el sistema de acople como las comentadas anteriormente. También, al estar conectado con el circuito de refrigeración por líquido del vehículo puede provocar fallos, como, por ejemplo, infiltraciones de aire o daños en el mismo. Finalmente, el documento no describe cómo se consigue enfriar el fluido usado como vector del frío.Document US2013029193A1 “Rapid charging electric vehicle and method and apparatus for rapid charging” has been located in the state of the art, which describes a system for blowing, with the vehicle fan, air towards the batteries or providing an external refrigerated fluid and liquid. However, this solution entails difficulties in the coupling system such as those mentioned above. Also, as it is connected to the vehicle's liquid cooling circuit, it can cause failures, such as air infiltration or damage to it. Finally, the document does not describe how the fluid used as a vector of cold is cooled.

El documento US2014292260A1 “Electric battery rapid recharging system and method for military and other applications” describe la refrigeración de una batería con aire, donde el aire se obtiene de la Engine Cooling Unit (ECU). La ECU es el sistema de refrigeración del vehículo que transporta el sistema de carga de la batería. Sin embargo, no se presenta ningún sistema dedicado a obtener el aire frió. Asimismo, se interacciona con la refrigeración de la batería cuando el vehículo está en marcha, lo que da la posibilidad de producir fallos y dificulta el diseño de la batería.Document US2014292260A1 “Electric battery rapid recharging system and method for military and other applications” describes the cooling of a battery with air, where the air is obtained from the Engine Cooling Unit (ECU). The ECU is the vehicle's cooling system that carries the battery charging system. However, no system dedicated to obtaining cold air is presented. It also interacts with the battery cooling when the vehicle is running, giving it the potential for failure and making battery design difficult.

El documento US2013294890A1 “Reverse Brayton cycle with bladeless turbo compressor for automotive environmental cooling” se refiere a un sistema de aire acondicionado de pasajeros en un vehículo, donde la energía necesaria para producir compresión proviene de gases de escape de un motor de combustión. Asimismo, se instala un regenerador para atemperar el aire refrigerado (cooled air) recalentándolo con aire ambiente.Document US2013294890A1 "Reverse Brayton cycle with bladeless turbo compressor for automotive environmental cooling" refers to a passenger air conditioning system in a vehicle, where the energy needed to produce compression comes from exhaust gases from a combustion engine. Likewise, a regenerator is installed to temper the refrigerated air (cooled air) by reheating it with ambient air.

El documento US2011239659A1 “Cooling for hybrid electric vehicle”, se refiere a la refrigeración del habitáculo del pasajero y presenta para ello un ciclo de Brayton inverso a vacío (CBIV). Document US2011239659A1 "Cooling for hybrid electric vehicle", refers to the cooling of the passenger compartment and presents for this purpose a vacuum inverse Brayton cycle (IVBC).

El documento US2002043413A1 “Vehicle battery cooling apparatus”, revela el uso adicional que se puede hacer para refrigerar baterías durante su carga, de un ciclo convencional Rankine inverso usado para el aire acondicionado de los pasajeros del vehículo, el cual tiene una potencia que no es compatible con las necesidades de disipación de potencia de los sistemas ultrarrápidos de carga de baterías.The document US2002043413A1 “Vehicle battery cooling apparatus”, reveals the additional use that can be made to cool batteries during their charge, of a conventional inverse Rankine cycle used for the air conditioning of the passengers of the vehicle, which has a power that is not compatible with the power dissipation needs of ultra-fast battery charging systems.

El documento US2013086927A1 “Integrated air-cycle refrigeration and power generation system”, revela un ciclo de Brayton inverso no a vacío con un regenerador, que utiliza la energía térmica residual de un motor para su funcionamiento. Asimismo, la energía residual del ciclo de Brayton inverso se disipa al ambiente en un intercambiador gas-gas.Document US2013086927A1 "Integrated air-cycle refrigeration and power generation system", discloses a non-vacuum reverse Brayton cycle with a regenerator, which uses the residual thermal energy of an engine for its operation. Likewise, the residual energy of the inverse Brayton cycle is dissipated into the environment in a gas-gas exchanger.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

La invención se refiere a un método de refrigeración destinado a reducir la temperatura de un líquido refrigerante que circula por un circuito de refrigeración que rodea baterías y componentes electrónicos de sistemas de propulsión híbridos o eléctricos de un vehículo, y/o un circuito de refrigeración de un supercargador, mediante un equipo de refrigeración.The invention relates to a cooling method intended to reduce the temperature of a cooling liquid that circulates through a cooling circuit that surrounds batteries and electronic components of hybrid or electric propulsion systems of a vehicle, and/or a cooling circuit of a supercharger, by means of a refrigeration equipment.

El vehículo, por tanto, comprende un sistema de propulsión eléctrico o híbrido, el cual, a su vez, comprende baterías y otros componentes electrónicos y un puerto de carga. En torno a las baterías y los componentes electrónicos, circula un circuito de refrigeración, que, cuando las baterías están en operación o en proceso de carga, permite refrigerarlas.The vehicle therefore comprises an electric or hybrid propulsion system, which, in turn, comprises batteries and other electronic components and a charging port. A refrigeration circuit circulates around the batteries and electronic components, which, when the batteries are in operation or in the process of charging, allows them to be cooled.

El puerto de carga permite conectar el vehículo a un supercargador, que comprende un conjunto de componentes electrónicos. El supercargador también puede contar con un circuito de refrigeración.The charging port allows the vehicle to be connected to a supercharger, which comprises a set of electronic components. The supercharger may also have a cooling circuit.

El equipo de la invención está destinado a conectarse a uno o ambos circuitos de refrigeración, del vehículo o del supercargador, a través de un intercambiador de calor montado en uno o ambos circuitos de refrigeración. Así, el líquido refrigerante que circula por uno o ambos circuitos de refrigeración es refrigerado en el intercambiador de calor por el equipo de la invención. The equipment of the invention is intended to be connected to one or both of the cooling circuits, of the vehicle or of the supercharger, through a heat exchanger mounted on one or both of the cooling circuits. Thus, the refrigerant liquid that circulates through one or both refrigeration circuits is cooled in the heat exchanger by the equipment of the invention.

El equipo de la invención permite proporcionar un fluido a baja temperatura para enfriar el líquido refrigerante de una manera rápida y adaptable, ya que permite obtener un amplio rango de temperaturas sin necesidad de modificar el número de componentes del equipo o el tamaño de éste. Además, el equipo de la invención es prácticamente independiente de las condiciones ambientales, pudiendo operar en una amplia variedad de condiciones medioambientales.The equipment of the invention makes it possible to provide a low-temperature fluid to cool the coolant in a fast and adaptable manner, since it allows a wide range of temperatures to be obtained without the need to modify the number of components of the equipment or its size. In addition, the equipment of the invention is practically independent of environmental conditions, being able to operate in a wide variety of environmental conditions.

El líquido refrigerante puede circular por un circuito de refrigeración que rodea las baterías y componentes electrónicos de un sistema propulsivo eléctrico o híbrido, mientras que el equipo de la invención enfría dicho líquido refrigerante, sin necesidad de extraer el líquido refrigerante del circuito de refrigeración del sistema de propulsión eléctrico o híbrido. El método de la invención, en este caso, está destinado a refrigerar las baterías durante su carga. En este caso, el circuito de refrigeración es equipado con al menos una bomba de impulsión para mover el líquido refrigerante y un intercambiador de calor embarcado en el vehículo, que permitirá el intercambio de energía calorífica entre dicho líquido refrigerante y el fluido de trabajo.The coolant liquid can circulate through a cooling circuit that surrounds the batteries and electronic components of an electric or hybrid propulsion system, while the equipment of the invention cools said coolant liquid, without the need to extract the coolant liquid from the system's cooling circuit. electric or hybrid propulsion. The method of the invention, in this case, is intended to cool the batteries during their charging. In this case, the cooling circuit is equipped with at least one impulsion pump to move the cooling liquid and a heat exchanger on board the vehicle, which will allow the exchange of heat energy between said cooling liquid and the working fluid.

Asimismo, el líquido refrigerante puede circular por un circuito de refrigeración que se extiende por el interior de un supercargador, y permite refrigerarlo durante el proceso de carga de baterías de un vehículo con un sistema de propulsión híbrido o eléctrico. El circuito de refrigeración del supercargador también es equipado con al menos una bomba de impulsión para mover el líquido refrigerante y un intercambiador de calor, que permitirá el intercambio de energía calorífica entre dicho líquido refrigerante y el fluido de trabajo.Likewise, the coolant liquid can circulate through a cooling circuit that extends inside a supercharger, and allows it to be cooled during the process of charging the batteries of a vehicle with a hybrid or electric propulsion system. The supercharger cooling circuit is also equipped with at least one delivery pump to move the coolant and a heat exchanger, which will allow the exchange of heat energy between said coolant and the working fluid.

El método de refrigeración de la invención hace uso de una corriente de aire como fluido de trabajo. El aire se obtiene a presión y temperatura atmosféricas, y pasará por múltiples etapas con el fin de reducir su temperatura de forma eficiente y, posteriormente, recoger energía calorífica del líquido refrigerante del circuito de refrigeración, enfriando el mismo. La baja inercia térmica del aire permite reducir el tiempo necesario para que el equipo alcance condiciones de trabajo y empezar a enfriar el líquido de refrigeración. Asimismo, el uso de aire reduce el coste de las pérdidas por fugas, facilita la conexión y desconexión de forma limpia y sencilla y evita el uso de otros fluidos refrigerantes que pueden ser contaminantes, corrosivos o incluso tóxicos; todo esto en un circuito que en algún momento quedará abierto a la atmósfera.The cooling method of the invention makes use of an air stream as the working fluid. The air is obtained at atmospheric pressure and temperature, and will go through multiple stages in order to reduce its temperature efficiently and, subsequently, collect heat energy from the refrigerant liquid in the refrigeration circuit, cooling it. The low thermal inertia of the air makes it possible to reduce the time required for the equipment to reach working conditions and to start cooling the cooling liquid. Also, the use of air reduces the cost of leakage losses, facilitates clean and easy connection and disconnection, and avoids the use of other refrigerant fluids that can be polluting, corrosive or even toxic; all this in a circuit that at some point will be open to the atmosphere.

La corriente de aire pasa en primer lugar por una etapa de compresión en un primer compresor mecánico, preferiblemente, accionado por un motor eléctrico, para aumentar la presión de la corriente. Este aumento de presión conlleva un aumento de la temperatura de la corriente de aire.The air stream first passes through a compression stage in a first mechanical compressor, preferably driven by an electric motor, to increase the pressure of the stream. This increase in pressure leads to an increase in the temperature of the air stream.

Posteriormente, la corriente de aire es enfriada en una etapa de regeneración.Subsequently, the air stream is cooled in a regeneration stage.

El método de la invención también comprende una etapa de expansión que reduce aún más la temperatura de la corriente de aire por medio de la expansión de ésta, reduciendo la presión de la corriente de aire y extrayendo, gracias a esa reducción de presión, energía mecánica que se aporta a la etapa de compresión con el fin de hacerla más eficiente. La reducción de temperatura mediante la expansión de la corriente de aire permite alcanzar temperaturas más bajas de forma casi instantánea, evitando la inercia térmica que se produce en los procesos de transferencia de calor en un intercambiador de calor convencional, que requieren de más tiempo.The method of the invention also comprises an expansion stage that further reduces the temperature of the air stream by means of its expansion, reducing the pressure of the air stream and extracting, thanks to this pressure reduction, mechanical energy. that is supplied to the compression stage in order to make it more efficient. The temperature reduction through the expansion of the air current allows lower temperatures to be reached almost instantaneously, avoiding the thermal inertia that occurs in the heat transfer processes in a conventional heat exchanger, which require more time.

A continuación, la corriente de aire, cuya temperatura ya ha sido reducida en las etapas de regeneración y expansión, se pone en contacto térmico por medio de un intercambiador de calor aire-refrigerante, con el líquido refrigerante del circuito de refrigeración, de modo que dicho líquido refrigerante cede energía calorífica a la corriente de aire. El intercambiador de calor puede incorporarse en el circuito de refrigeración del sistema propulsivo y/o en el circuito de refrigeración del supercargador. La corriente de aire, por tanto, aumenta su temperatura, aunque la temperatura de la corriente será menor que la temperatura de ésta tras la etapa de regeneración.Next, the air current, whose temperature has already been reduced in the regeneration and expansion stages, is put into thermal contact by means of an air-refrigerant heat exchanger, with the refrigerant liquid of the refrigeration circuit, so that said cooling liquid transfers heat energy to the air current. The heat exchanger can be incorporated in the propulsion system cooling circuit and/or in the supercharger cooling circuit. The air stream therefore increases in temperature, although the temperature of the stream will be lower than the temperature of the stream after the regeneration step.

La corriente de aire que ha sido usada para enfriar el líquido refrigerante del circuito de refrigeración en la etapa de refrigeración pasa a la etapa de regeneración, donde es usada para reducir la temperatura de la corriente de aire que sale de la etapa de compresión. Así se produce una transferencia de la energía calorífica entre la misma corriente de aire, pero en dos etapas del ciclo diferentes, por un lado, la corriente de aire que sale de la etapa de compresión cede energía calorífica mientras que la corriente de aire que sale de la etapa de refrigeración recibe dicha energía calorífica. The air current that has been used to cool the refrigerant liquid of the refrigeration circuit in the refrigeration stage passes to the regeneration stage, where it is used to reduce the temperature of the air current that leaves the compression stage. Thus, there is a transfer of heat energy between the same air stream, but in two different stages of the cycle, on the one hand, the air stream that leaves the compression stage gives up heat energy while the air stream that leaves from the cooling stage it receives said heat energy.

Preferentemente, la corriente de aire de la que hace uso el equipo de refrigeración tiene una humedad baja, ya que la humedad excesiva puede llevar a la condensación de agua al disminuir la temperatura de la corriente de aire, lo que daría lugar a pérdidas de eficiencia energética, e incluso a problemas de corrosión. Por ello, el método de la invención puede comprender, previa a la etapa de compresión, una etapa de secado, para reducir la humedad de la corriente de aire ambiente. La etapa de secado puede realizarse preferentemente mediante el uso de un filtro secador, que, entre otros, puede ser de gel de sílice.Preferably, the air stream used by the refrigeration equipment has low humidity, since excessive humidity can lead to water condensation by lowering the temperature of the air stream, which would lead to efficiency losses. energy, and even corrosion problems. For this reason, the method of the invention may comprise, prior to the compression stage, a drying stage, to reduce the humidity of the ambient air stream. The drying stage can preferably be carried out by using a filter dryer, which, among others, can be made of silica gel.

Por otro lado, tras la etapa de expansión la corriente de aire puede ser recirculada, preferiblemente mediante una válvula de 3 vías sin pasar por el intercambiador de calor para volver a la etapa de regeneración y compresión, iniciando nuevamente el ciclo descrito en el método de la invención. Esto permite mantener el aire y el resto de los componentes usados en la invención atemperados a la temperatura de trabajo entre un primer uso y un uso subsiguiente de la instalación. En caso de que además se incluya la etapa de secado, la recirculación de la corriente de aire evita la necesidad de volver a reducir la humedad de la corriente de aire, que sólo se ha de realizar en el caso de introducir aire ambiente nuevamente, si existieran perdidas de aire debido a fugas.On the other hand, after the expansion stage, the air current can be recirculated, preferably by means of a 3-way valve without going through the heat exchanger to return to the regeneration and compression stage, starting again the cycle described in the method of the invention. This makes it possible to keep the air and the rest of the components used in the invention tempered at the working temperature between a first use and a subsequent use of the installation. In the event that the drying stage is also included, the recirculation of the air current avoids the need to reduce the humidity of the air current again, which only has to be done in the case of introducing ambient air again, if there were air losses due to leaks.

De forma preferente, las etapas de compresión y expansión son llevadas a cabo mediante turbomáquinas, que pueden ser compresores, para compresión, y turbinas, para expansión. El uso de turbomáquinas, en lugar de máquinas volumétricas; como podrían ser: compresores de pistón, de paletas o de tornillos; proporciona una alta potencia específica y una inercia mecánica muy reducida. De modo que la regulación del sistema es más rápida y el tiempo necesario para que el equipo alcance condiciones de trabajo estables se reduce. Asimismo, las etapas de refrigeración y regeneración son llevadas a cabo preferentemente por medio de intercambiadores de calor, que pueden ser: de placas, de carcasa-tubo o de flujo cruzado, entre otros.Preferably, the compression and expansion stages are carried out by means of turbomachines, which can be compressors, for compression, and turbines, for expansion. The use of turbomachines, instead of volumetric machines; such as: piston, vane or screw compressors; It provides a high specific power and a very low mechanical inertia. So the regulation of the system is faster and the time required for the equipment to reach stable working conditions is reduced. Likewise, the cooling and regeneration stages are preferably carried out by means of heat exchangers, which can be: plate, shell-tube or cross-flow, among others.

La etapa de compresión, de forma preferente, puede realizarse por fases, en lugar de hacer uso de una etapa única. De ese modo, se puede provocar un aumento de presión más acentuado con una alta eficiencia. Asimismo, entre cada fase de la etapa de compresión, se puede incluir una fase de enfriamiento, destinada a reducir la temperatura de la corriente de aire que sale de la etapa de compresión, incrementándose además la eficiencia del proceso de compresión.The compression stage can preferably be carried out in stages, instead of using a single stage. Thus, a more pronounced pressure increase can be caused with high efficiency. Likewise, between each phase of the compression stage, a cooling phase can be included, intended to reduce the temperature of the air stream leaving the compression stage, also increasing the efficiency of the compression process.

Las fases de enfriamiento pueden ser llevadas a cabo preferentemente mediante un enfriador, es decir, un intercambiador de calor que permite la transferencia de calor entre la corriente de aire y un fluido refrigerante, que preferentemente es de muy bajo potencial de calentamiento atmosférico (GWP), en especial, amoniaco o dióxido de carbono. Cada una de las fases de enfriamiento extraen de la corriente de aire una energía calorífica determinada.The cooling phases can preferably be carried out by means of a cooler, that is, a heat exchanger that allows heat transfer between the air current and a cooling fluid, which preferably has a very low global warming potential (GWP). especially ammonia or carbon dioxide. Each of the cooling phases extracts a certain amount of heat energy from the air current.

Los enfriadores, por su parte, pueden funcionar como los recuperadores de calor y los evaporadores de un ciclo de eyección que hace uso de un fluido refrigerante de bajo GWP. El ciclo de eyección se incluye en lugar de un ciclo con compresor volumétrico y comprende: un eyector, que se encarga de aumentar la presión del fluido refrigerante, de bajo GWP, en estado gas; una bomba; un condensador y además hace uso de los enfriadores, haciendo el proceso más eficiente.The chillers, on the other hand, can function as the heat recoverers and evaporators of an ejection cycle that makes use of a low GWP refrigerant fluid. The ejection cycle is included instead of a volumetric compressor cycle and comprises: an ejector, which is responsible for increasing the pressure of the refrigerant fluid, with low GWP, in the gas state; a bomb; a condenser and also makes use of coolers, making the process more efficient.

La invención también se refiere al equipo de refrigeración para la carga ultrarrápida de baterías de sistemas propulsivos eléctricos o híbridos destinado a enfriar un líquido refrigerante que circula en un circuito de refrigeración.The invention also refers to the refrigeration equipment for the ultra-fast charging of batteries of electric or hybrid propulsion systems intended to cool a refrigerant liquid that circulates in a refrigeration circuit.

El equipo de refrigeración de la invención hace uso de una corriente de aire del ambiente como fluido de trabajo. El equipo comprende un primer compresor, que es accionado por medio de una corriente eléctrica, preferiblemente del supercargador al que se conecta el sistema propulsivo. El primer compresor absorbe la corriente de aire ambiente, que se introduce en el equipo de refrigeración a través de una entrada con una presión ambiente, la cual es incrementada por efecto de la acción del compresor sobre la corriente de aire.The refrigeration equipment of the invention makes use of a current of ambient air as the working fluid. The equipment comprises a first compressor, which is driven by means of an electrical current, preferably from the supercharger to which the propulsive system is connected. The first compressor absorbs the ambient air current, which is introduced into the refrigeration equipment through an inlet with an ambient pressure, which is increased by the effect of the action of the compressor on the air current.

La compresión del aire por medio del compresor también provoca un aumento en la temperatura de la corriente de aire que pasa a través del compresor. La corriente de aire introducida por el compresor en el equipo puede contar con una humedad excesiva, que puede llevar a la condensación de agua al disminuir la temperatura de la corriente de aire, lo que daría lugar a pérdidas de eficiencia energética. Por esta razón, en la entrada del equipo, previo al primer compresor, se puede colocar, de forma preferente, un filtro secador, destinado a reducir la humedad de la corriente de aire. Este filtro secador puede estar preferentemente hecho de gel de sílice.The compression of the air by the compressor also causes an increase in the temperature of the air stream passing through the compressor. The air stream introduced by the compressor into the equipment may contain excessive humidity, which can lead to water condensation by lowering the temperature of the air stream, resulting in energy efficiency losses. For this reason, at the entrance of the equipment, before the first compressor, it is possible to place, preferably, a filter drier, intended to reduce the humidity of the air stream. This filter drier may preferably be made of silica gel.

Con el fin de aumentar la eficiencia del equipo, puede comprender además un conjunto de compresores y un conjunto de enfriadores, intercalados con los compresores, de modo que la compresión de la corriente de aire no se realiza en una sola fase, sino en múltiples fases de compresión y enfriamiento.In order to increase the efficiency of the equipment, it can also comprise a set of compressors and a set of coolers, interspersed with the compressors, so that the compression of the air stream is not carried out in a single phase, but in multiple phases. compression and cooling.

Así, una vez que la corriente de aire ha sido comprimida, su presión ha sido aumentada, por efecto de la acción del primer compresor, la corriente de aire puede pasar por un primer enfriador, que reduce la temperatura de la corriente de aire, extrayendo una cantidad de calor determinada por transferencia de calor con un fluido refrigerante, que preferiblemente es de muy bajo potencial de calentamiento atmosférico (GWP).Thus, once the air current has been compressed, its pressure has been increased, due to the action of the first compressor, the air current can pass through a first cooler, which reduces the temperature of the air current, extracting a quantity of heat determined by heat transfer with a cooling fluid, which preferably has a very low global warming potential (GWP).

La corriente de aire una vez que ha pasado por el primer enfriador, puede pasar a una segunda etapa de compresión, en la que un segundo compresor vuelve a aumentar la presión de la corriente de aire. Asimismo, el aumento de presión en el segundo compresor lleva asociado un aumento de temperatura en la corriente de aire debido al proceso termodinámico de compresión y sus pérdidas asociadas, que determinarán su eficiencia.Once the air stream has passed through the first cooler, it can pass to a second compression stage, in which a second compressor increases the pressure of the air stream again. Likewise, the increase in pressure in the second compressor is associated with an increase in temperature in the air stream due to the thermodynamic compression process and its associated losses, which will determine its efficiency.

A continuación, la corriente de aire podría pasar por un conjunto variable de enfriadores y compresores que aumenten la presión de la corriente de aire de un modo eficiente. Preferentemente, se hace uso de dos compresores con dos enfriadores intercalados entre ellos.The air stream could then pass through a variable set of coolers and compressors that increase the pressure of the air stream in an efficient way. Preferably, use is made of two compressors with two coolers interspersed between them.

El equipo de la invención también puede comprender un ciclo de eyección, conectado con los enfriadores.The equipment of the invention may also comprise an ejection cycle, connected to the coolers.

El ciclo de eyección hace uso de un fluido refrigerante de bajo GWP a alta presión y comprende una bomba, destinada a dirigir un flujo primario de fluido refrigerante hacia el primer enfriador, que actúa como recuperador de calor del ciclo de eyección, y una válvula de laminación, destinada a dirigir un flujo secundario de fluido refrigerante hacia el segundo enfriador, que actúa como evaporador del ciclo de eyección. The ejection cycle makes use of a low-GWP refrigerant fluid at high pressure and comprises a pump designed to direct a primary flow of refrigerant fluid towards the first cooler, which acts as heat recovery for the ejection cycle, and a check valve. lamination, intended to direct a secondary flow of refrigerant fluid towards the second cooler, which acts as an evaporator for the ejection cycle.

El ciclo de eyección además comprende un eyector, que comprende una tobera, por la que se introduce el flujo primario de fluido refrigerante que se acelera, una toma que absorbe el flujo secundario de fluido refrigerante debido a la depresión del flujo primario que se ha acelerado en la tobera, mezclándose el flujo primario y secundario de fluido refrigerante en una corriente de fluido refrigerante de bajo GWP, y un difusor que aumenta la presión de la corriente de fluido refrigerante.The ejection cycle also comprises an ejector, comprising a nozzle, through which the primary flow of cooling fluid is introduced that is accelerated, an intake that absorbs the secondary flow of cooling fluid due to the depression of the primary flow that has been accelerated at the nozzle, the primary and secondary flow of cooling fluid mixing into a low GWP cooling fluid stream, and a diffuser increasing the pressure of the cooling fluid stream.

Asimismo, el ciclo de eyección comprende también un condensador que reduce la temperatura de la corriente de fluido refrigerante de modo que cambia de fase gaseosa a fase líquida.Likewise, the ejection cycle also comprises a condenser that reduces the temperature of the coolant fluid stream so that it changes from the gaseous phase to the liquid phase.

Además, el ciclo de eyección comprende un divisor de flujo, destinado a dividir la corriente de fluido refrigerante, y dirigir el flujo primario de fluido refrigerante hacia la bomba y el flujo secundario de fluido refrigerante hacia la válvula de laminación, volviendo a iniciarse el ciclo de eyección. Preferentemente, el divisor de flujo consiste en una bifurcación de un conducto que contiene la corriente de fluido refrigerante, de modo que una primera parte de dicha corriente forma el flujo primario de fluido refrigerante y una segunda parte de dicha corriente forma el flujo secundario de fluido refrigerante.In addition, the ejection cycle comprises a flow divider, intended to divide the cooling fluid current, and direct the primary flow of cooling fluid towards the pump and the secondary flow of cooling fluid towards the lamination valve, restarting the cycle ejection. Preferably, the flow divider consists of a fork in a conduit containing the coolant fluid stream, so that a first part of said stream forms the primary coolant fluid flow and a second part of said stream forms the secondary fluid flow. refrigerant.

Tras alcanzar el último de los compresores o enfriadores, la corriente de aire pasa a un regenerador, es decir, un intercambiador de calor, destinado a reducir la temperatura de la corriente de aire.After reaching the last of the compressors or coolers, the air stream passes to a regenerator, ie a heat exchanger, designed to reduce the temperature of the air stream.

Posteriormente, la corriente de aire pasa por una turbina destinada a producir una expansión de la corriente de aire, gracias a la cual, la temperatura y la presión de la corriente de aire se reducen. Preferentemente, la turbina está conectada mecánicamente con uno de los compresores con el fin de transmitir la energía cinética rotativa generada en el eje de la turbina a dicho compresor y así reducir el consumo de energía externa, formando compresor y turbina un turbogrupo.Subsequently, the air current passes through a turbine designed to produce an expansion of the air current, thanks to which the temperature and pressure of the air current are reduced. Preferably, the turbine is mechanically connected to one of the compressors in order to transmit the rotary kinetic energy generated in the turbine shaft to said compressor and thus reduce external energy consumption, the compressor and turbine forming a turbogroup.

A continuación, se coloca un intercambiador de calor, en el que la corriente de aire se pone en contacto térmico con el líquido refrigerante del vehículo y/o del supercargador, y recoge energía calorífica de dicho líquido refrigerante. De ese modo, el líquido refrigerante es enfriado y la corriente de aire aumenta su temperatura. Next, a heat exchanger is placed, in which the air stream comes into thermal contact with the coolant of the vehicle and/or the supercharger, and collects heat energy from said coolant. In this way, the refrigerant liquid is cooled and the air current increases its temperature.

Entonces, la corriente de aire vuelve al regenerador, donde recibe energía calorífica, enfriando así la corriente de aire que sale del último de los compresores o enfriadores.The air stream then returns to the regenerator, where it receives heat energy, thereby cooling the air stream leaving the last of the compressors or chillers.

Preferentemente, la relación de expansión de la turbina es 3 o mayor, con el fin de producir una elevada reducción de la temperatura de la corriente de aire, la cual preferentemente, es de 125 grados centígrados bajo 0.Preferably, the expansion ratio of the turbine is 3 or greater, in order to produce a high reduction in the temperature of the air stream, which preferably is 125 degrees Celsius below 0.

El equipo también puede comprender una válvula de 3 vías situada justo detrás de la turbina, de modo que al ser activada redirige el aire que sale de la turbina directamente hacia el regenerador sin pasar previamente por el intercambiador de calor. Esta válvula permite mantener la circulación de la corriente de aire por el equipo aun cuando no se está enfriando el líquido refrigerante del equipamiento eléctrico del vehículo y/o del propio supercargador. Así se mantiene la temperatura de la corriente de aire para cuando se vuelva a necesitar enfriar el líquido refrigerante, en lugar de volver a acondicionar el aire ambiente.The equipment may also include a 3-way valve located just behind the turbine, so that when it is activated, it redirects the air coming out of the turbine directly to the regenerator without previously passing through the heat exchanger. This valve allows the circulation of the air current to be maintained through the equipment even when the coolant of the vehicle's electrical equipment and/or of the supercharger itself is not being cooled. This maintains the temperature of the air stream for when the coolant needs to be cooled again, rather than reconditioning the ambient air.

Asimismo, las turbomáquinas que comprende el equipo pueden funcionar de manera intermitente para consumir menos energía, actuando sobre la corriente de aire sólo cuando es necesario.Likewise, the turbomachines that comprise the equipment can work intermittently to consume less energy, acting on the air current only when necessary.

El equipo de la invención permite generar aire a una temperatura muy baja, para enfriar de forma continua el líquido refrigerante del circuito de refrigeración. En estado de carga ultrarrápida de la batería la cantidad de calor a evacuar es muy grande, por lo que la potencia del equipo deberá ser acorde a esas necesidades. El equipo de la invención permite obtener una potencia de refrigeración muy elevada sin necesidad de aumentar el tamaño del equipo.The equipment of the invention allows air to be generated at a very low temperature, to continuously cool the refrigerant liquid of the refrigeration circuit. In a state of ultra-fast charge of the battery, the amount of heat to be evacuated is very large, so the power of the equipment must be in accordance with these needs. The equipment of the invention allows a very high cooling power to be obtained without the need to increase the size of the equipment.

En el caso de que se refrigere el líquido refrigerante que circula por el circuito de refrigeración del vehículo, dicho circuito puede comprender dos conjuntos de tuberías conectadas cada una con una bomba de impulsión del refrigerante. Una se accionará cuando el vehículo esté circulando y las baterías en operación suministrando energía al motor eléctrico y la otra, con mayor capacidad de refrigeración, se accionará cuando el vehículo está estacionado en modo de recarga de baterías. In the event that the coolant circulating in the vehicle's cooling circuit is cooled, said circuit may comprise two sets of pipes each connected to a coolant delivery pump. One will be activated when the vehicle is circulating and the batteries are in operation, supplying energy to the electric motor, and the other, with greater cooling capacity, will be activated when the vehicle is parked in battery recharging mode.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of its practical embodiment, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, by way of illustration and not limitation, the following has been represented:

Figura 1 Muestra una vista esquemática de una realización del equipo de refrigeración de la invención.Figure 1 Shows a schematic view of an embodiment of the refrigeration equipment of the invention.

Figura 2.- Muestra un diagrama del ciclo Brayton inverso que representa las etapas de una realización preferente del método de la invención.Figure 2.- Shows a diagram of the inverse Brayton cycle that represents the stages of a preferred embodiment of the method of the invention.

Figura 3.- Muestra un diagrama del ciclo de eyección que representa las etapas de una realización preferente del método de la invención.Figure 3.- Shows a diagram of the ejection cycle that represents the stages of a preferred embodiment of the method of the invention.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un método y a un equipo de refrigeración, que hace uso de una corriente de aire ambiental como fluido de trabajo, destinado a enfriar un líquido refrigerante que circula en un circuito de refrigeración (109) de un vehículo y/o de un supercargador.The present invention relates to a cooling method and equipment, which makes use of a current of ambient air as a working fluid, intended to cool a cooling liquid that circulates in a cooling circuit (109) of a vehicle and/or of a supercharger.

La figura 1 muestra una realización preferente del equipo de refrigeración de la invención, en el que se hace uso de un ciclo Brayton inverso para refrigerar el líquido refrigerante que circula por un circuito de refrigeración que rodea las baterías y componentes electrónicos de un sistema propulsivo eléctrico o híbrido embarcado en un vehículo. El equipo de la figura 1 comprende un primer compresor (100), que es accionado preferentemente por un primer motor eléctrico, alimentado por una corriente eléctrica. El primer compresor (100) absorbe la corriente de aire ambiente, que se introduce en el equipo de refrigeración, y se aumenta la presión de dicha corriente de aire por efecto de la acción del primer compresor (100). La compresión del aire por medio del primer compresor (100) también provoca un aumento en la temperatura de la corriente de aire. Figure 1 shows a preferred embodiment of the cooling equipment of the invention, in which an inverse Brayton cycle is used to cool the coolant that circulates through a cooling circuit that surrounds the batteries and electronic components of an electric propulsive system. or hybrid embedded in a vehicle. The equipment of figure 1 comprises a first compressor (100), which is preferably driven by a first electric motor, powered by an electric current. The first compressor (100) absorbs the current of ambient air, which is introduced into the refrigeration equipment, and the pressure of said air current is increased due to the action of the first compressor (100). The compression of the air by the first compressor (100) also causes an increase in the temperature of the air stream.

Una vez que la corriente de aire ha sido comprimida, la corriente de aire pasa por un primer enfriador (103), que reduce la temperatura de la corriente de aire, extrayendo una cantidad de calor determinada por transferencia de calor con un fluido refrigerante, en este caso dióxido de carbono.Once the air stream has been compressed, the air stream passes through a first cooler (103), which reduces the temperature of the air stream, extracting a certain amount of heat by heat transfer with a cooling fluid, in this case carbon dioxide.

La corriente de aire una vez que ha pasado por el primer enfriador (103), pasa a una segunda etapa de compresión, en la que un segundo compresor (101), accionado por una turbina (106), que forma un turbogrupo con el segundo compresor (101), vuelve a aumentar la presión de la corriente de aire. Asimismo, el aumento de presión en el segundo compresor (101) lleva asociado un aumento de temperatura en la corriente de aire, por lo que se dispone un segundo enfriador (104), similar al primer enfriador (103), destinado a reducir la temperatura de la corriente de aire.Once the air stream has passed through the first cooler (103), it passes to a second compression stage, in which a second compressor (101), driven by a turbine (106), which forms a turbogroup with the second compressor (101), the pressure of the air stream increases again. Likewise, the increase in pressure in the second compressor (101) is associated with an increase in temperature in the air stream, for which a second cooler (104) is arranged, similar to the first cooler (103), intended to reduce the temperature of the air stream.

El primer (103) y el segundo enfriador (104) se conectan con un circuito de eyección. El circuito de eyección hace uso de un fluido refrigerante de bajo potencial de calentamiento atmosférico (GWP), al que se aplica un ciclo de eyección. El fluido refrigerante del ciclo de eyección se divide en un flujo primario de fluido refrigerante y un flujo secundario de fluido refrigerante.The first (103) and the second cooler (104) are connected with an ejection circuit. The ejection circuit makes use of a low global warming potential (GWP) refrigerant fluid, to which an ejection cycle is applied. The cooling fluid from the ejection cycle is divided into a primary flow of cooling fluid and a secondary flow of cooling fluid.

El flujo primario de fluido refrigerante se dirige hacia una bomba (112), que aumenta su presión, a continuación, pasa por el primer enfriador (103) que funciona como recuperador de calor del ciclo de eyección, donde aumenta la energía térmica del flujo primario de fluido refrigerante, que pasa a estado gaseoso. Este gas circula luego por el eyector (102).The primary flow of refrigerant fluid is directed towards a pump (112), which increases its pressure, then passes through the first cooler (103) that functions as a heat recovery unit for the ejection cycle, where the thermal energy of the primary flow increases of refrigerant fluid, which passes into a gaseous state. This gas then circulates through the ejector (102).

Por otro lado, el flujo secundario de fluido refrigerante se dirige a una válvula de laminación (111). A continuación, pasa por el segundo enfriador (104), que funciona como evaporador del ciclo de eyección, donde aumenta de manera isobárica la energía térmica del flujo secundario de fluido refrigerante, que pasa a estado gaseoso y, continúa hacia el eyector (102).On the other hand, the secondary flow of cooling fluid is directed to a lamination valve (111). Next, it passes through the second cooler (104), which functions as an evaporator for the ejection cycle, where the thermal energy of the secondary flow of refrigerant fluid increases isobarically, which passes into a gaseous state and continues towards the ejector (102). .

En el eyector (102), el flujo primario de fluido refrigerante pasa por una tobera, se acelera aumentando su velocidad y reduciendo su presión, y se mezcla con el flujo secundario de fluido refrigerante que, es succionado debido a la depresión del flujo principal, forzando la mezcla del flujo primario y el secundario en una corriente de fluido refrigerante de bajo GWP.In the ejector (102), the primary flow of cooling fluid passes through a nozzle, is accelerated by increasing its speed and reducing its pressure, and mixes with the secondary flow of cooling fluid that is sucked due to the depression of the main flow, forcing the mixing of the primary and secondary flows in a low GWP cooling fluid stream.

La corriente de fluido refrigerante pasa por un difusor para aumentar la presión de la corriente de fluido refrigerante, y se dirige hacia un condensador (108), que reduce de manera isobárica la energía térmica de la corriente de fluido refrigerante de modo que cambia de fase gaseosa a fase líquida. Entonces, la corriente de fluido refrigerante se dirige hacia una bifurcación en la que se divide en el flujo primario y el flujo secundario de fluido, volviendo a iniciar el ciclo de eyección.The coolant fluid stream passes through a diffuser to increase the pressure of the coolant fluid stream, and is directed towards a condenser (108), which isobarically reduces the thermal energy of the coolant fluid stream so that it changes phase gas to liquid phase. The cooling fluid stream is then directed to a fork where it splits into the primary flow and secondary fluid flow, restarting the ejection cycle.

En un regenerador (105) la corriente de aire que sale del segundo enfriador (104) disipa energía calorífica. La corriente de aire que sale del regenerador (105) tiene una temperatura mucho más baja, que se reduce aún más en la expansión realizada por una turbina (106) colocada tras el regenerador (105). La turbina (106) de la invención extrae energía de la corriente en forma de energía mecánica en el eje de la turbina (106), y transmite dicha energía al segundo compresor (101), de modo que no es necesario aportar energía externa para mover dicho compresor.In a regenerator (105) the air stream leaving the second cooler (104) dissipates heat energy. The air current leaving the regenerator (105) has a much lower temperature, which is further reduced by the expansion carried out by a turbine (106) placed after the regenerator (105). The turbine (106) of the invention extracts energy from the current in the form of mechanical energy in the turbine shaft (106), and transmits said energy to the second compressor (101), so that it is not necessary to provide external energy to move said compressor.

El aire que sale de la turbina (106) se usa para enfriar el líquido refrigerante que circula por el circuito de refrigeración (109) del vehículo, por medio de un intercambiador de calor (107), embarcado en dicho vehículo. Así, el líquido refrigerante cede energía calorífica a la corriente de aire, que aumenta su temperatura. La corriente de aire pasa entonces nuevamente por el regenerador (105), donde absorbe la energía calorífica que desprende la corriente de aire que sale del segundo enfriador (104).The air that comes out of the turbine (106) is used to cool the refrigerant liquid that circulates through the cooling circuit (109) of the vehicle, by means of a heat exchanger (107), on board said vehicle. Thus, the cooling liquid transfers heat energy to the air current, which increases its temperature. The air stream then passes through the regenerator (105) again, where it absorbs the heat energy given off by the air stream leaving the second cooler (104).

Finalmente, la corriente de aire es recirculada nuevamente hacia el primer compresor Finally, the air stream is recirculated back to the first compressor

( 100). ( 100 ).

La figura 1 también muestra que justo detrás de la turbina (106) se coloca una válvula de tres vías (113) que dirige el flujo en dos configuraciones posibles. Una primera configuración en la que se conecta el equipo de la invención al circuito de refrigeración (109) del vehículo a través del intercambiador de calor (107). Y una segunda configuración, en la que no se conecta el equipo de la invención al circuito de refrigeración de las baterías, más bien, en este caso, la válvula (113) se configura de modo que la corriente de aire que sale de la turbina (106) no se dirige hacia el intercambiador de calor (107), sino que se dirige directamente al regenerador (105), saltándose dicho intercambiador de calor (107).Figure 1 also shows that just behind the turbine (106) a three-way valve (113) is placed which directs the flow in two possible configurations. A first configuration in which the equipment of the invention is connected to the cooling circuit (109) of the vehicle through the heat exchanger (107). And a second configuration, in which the equipment of the invention is not connected to the battery cooling circuit, rather, in this case, the valve (113) is configured so that the air current coming out of the turbine (106) is not directed towards the heat exchanger (107), but goes directly to the regenerator (105), skipping said heat exchanger (107).

La segunda configuración, permite mantener una corriente de aire a baja temperatura con un consumo bajo de energía eléctrica, en lugar de tener que volver a regular la temperatura del aire ambiente y del resto de equipos de la invención cuando se conecte al intercambiador de calor (107) del circuito de refrigeración (109) de unas baterías (110) y se vuelva a la primera configuración.The second configuration allows maintaining a low-temperature air current with low electrical energy consumption, instead of having to re-regulate the temperature of the ambient air and the rest of the equipment of the invention when it is connected to the heat exchanger ( 107) of the cooling circuit (109) of some batteries (110) and returns to the first configuration.

La figura 2 muestra el diagrama del ciclo Brayton inverso del equipo mostrado en la figura 1, donde en el eje de abscisas se representa la entropía y en el eje de ordenadas se representa la temperatura. El diagrama del ciclo representa además una realización preferente del método de la invención.Figure 2 shows the diagram of the inverse Brayton cycle of the equipment shown in Figure 1, where the entropy is represented on the abscissa axis and the temperature is represented on the ordinate axis. The cycle diagram further represents a preferred embodiment of the method of the invention.

El punto 1, representa el estado termodinámico del aire que entra en el equipo absorbido por el primer compresor (100), antes de entrar en la etapa de compresión del método de la invención, que en el caso mostrado en la figura 2 es una compresión por fases con fases de enfriamiento intercaladas. La acción del primer compresor (100) sobre la corriente de aire se muestra en la línea que une el punto 1 con el punto 2, de modo que, el compresor aumenta la temperatura, en el caso de la figura de 20 grados centígrados a 160 grados centígrados, y aumenta la entropía de la corriente de aire. El aumento de la temperatura de la corriente de aire se debe a las pérdidas de proceso y a la termodinámica del proceso de aumento de presión, en este caso de 1 bar a 2.7 bar. Dicha compresión implica la necesidad de introducir energía en el equipo, que en este caso se obtiene preferentemente de un motor eléctrico.Point 1 represents the thermodynamic state of the air that enters the equipment absorbed by the first compressor (100), before entering the compression stage of the method of the invention, which in the case shown in Figure 2 is a compression by phases with intercalated cooling phases. The action of the first compressor (100) on the air current is shown on the line that joins point 1 with point 2, so that the compressor increases the temperature, in the case of the figure from 20 degrees Celsius to 160 degrees Celsius, and the entropy of the air stream increases. The increase in temperature of the air stream is due to process losses and the thermodynamics of the pressure increase process, in this case from 1 bar to 2.7 bar. Said compression implies the need to introduce energy into the equipment, which in this case is preferably obtained from an electric motor.

Entre el punto 2 y el punto 3, que se muestran en la figura 2, se refleja la acción del primer enfriador (103), la cual implica una disminución de la entropía y de la temperatura de la corriente de aire a presión constante, en este caso de 160 grados centígrados a 60 grados centígrados. Entre el punto 3 y el 4 se produce la segunda fase de compresión realizada por el segundo compresor (101), cuya acción sobre el fluido es similar a la del primer compresor (100), pero elevando la presión a un nivel superior, en este caso a 3 bar, quedando la temperatura en torno a 85 grados centígrados. El segundo enfriador (104) repite la misma acción que el primer enfriador (103) y reduce la temperatura de la corriente de aire, en este caso de 85 grados centígrados en el punto 4 a 30 grados centígrados en el punto 5. De modo que el efecto global de las fases de compresión y enfriamiento de la etapa de compresión es un aumento de la presión de 1 bar a 3 bar con un aumento en la temperatura de 20 a 30 grados centígrados, que se alcanza en el punto 5 de la figura 2.Between point 2 and point 3, shown in Figure 2, the action of the first cooler (103) is reflected, which implies a decrease in the entropy and temperature of the air stream at constant pressure, in this case from 160 degrees centigrade to 60 degrees centigrade. Between points 3 and 4, the second compression phase is produced by the second compressor (101), whose action on the fluid is similar to that of the first compressor (100), but raising the pressure to a higher level, in this case at 3 bar, leaving the temperature around 85 degrees centigrade. The second cooler (104) repeats the same action as the first cooler (103) and reduces the temperature of the air stream, in this case from 85 degrees centigrade at point 4 to 30 degrees centigrade at point 5. So the overall effect of the compression and cooling phases of the compression stage is an increase in pressure from 1 bar to 3 bar with an increase in temperature of 20 to 30 degrees centigrade, which is reached at point 5 in Figure 2.

Luego, la corriente de aire pasa a la etapa de regeneración, donde mediante el regenerador (105) se enfría a presión constante desde 30 grados centígrados hasta unos 100 grados centígrados bajo cero, produciendo en este proceso una disminución de la entropía, tal y como se muestra en el punto 6 de la figura 2.Then, the air current goes to the regeneration stage, where by means of the regenerator (105) it is cooled at constant pressure from 30 degrees centigrade to about 100 degrees centigrade below zero, producing in this process a decrease in entropy, just as It is shown at point 6 in figure 2.

A continuación, la corriente de aire pasa a la etapa de expansión, donde la turbina (106) expande la corriente de aire reduciendo la presión con un alto coeficiente de expansión, en este caso 3, y extrayendo energía mecánica en forma de rotación del eje de la turbina (106). Además, la expansión de la corriente de aire también produce una disminución de la temperatura, en este caso de 100 grados centígrados bajo cero a 125 grados centígrados bajo cero, en el punto 7 de la figura 2.Next, the air stream goes to the expansion stage, where the turbine (106) expands the air stream by reducing the pressure with a high coefficient of expansion, in this case 3, and extracting mechanical energy in the form of rotation of the axis of the turbine (106). In addition, the expansion of the air current also produces a decrease in temperature, in this case from 100 degrees Celsius below zero to 125 degrees Celsius below zero, at point 7 in Figure 2.

Seguidamente, la corriente de aire pasa por el intercambiador de calor (107) donde recibe energía calorífica procedente del líquido refrigerante que circula por el circuito de refrigeración (109) de las baterías (110), hasta alcanzar los 110 grados centígrados bajo cero en el punto 8 de la figura 2.Next, the air stream passes through the heat exchanger (107) where it receives heat energy from the coolant that circulates through the cooling circuit (109) of the batteries (110), until it reaches 110 degrees Celsius below zero in the point 8 of figure 2.

Entonces, la corriente de aire pasa nuevamente por el regenerador (105), para recibir la energía calorífica que desprende la corriente de aire que sale del segundo enfriador (104). En este proceso, aumenta la temperatura de la corriente de aire, hasta alcanzar nuevamente los 20 grados centígrados en el punto 1 de la figura 2, a presión constante, aumentando la entropía.Then, the air stream passes through the regenerator (105) again, to receive the heat energy released by the air stream that leaves the second cooler (104). In this process, the temperature of the air current increases, until it reaches 20 degrees Celsius again at point 1 of figure 2, at constant pressure, increasing the entropy.

La figura 3 muestra el diagrama del ciclo de eyección en el que se representan la presión del fluido refrigerante en ordenadas y la entalpia en abscisas. Los datos de presión y temperatura de trabajo que se presentan a continuación se han obtenido para el ciclo de eyección trabajando con R1234yf que es un fluido de trabajo de última generación con bajo impacto medioambiental. No obstante, estos valores podrían cambiar en función del fluido de trabajo utilizado. En el punto E de la figura 3, la corriente de fluido refrigerante se divide en un flujo primario de fluido refrigerante y un flujo secundario de fluido refrigerante. El flujo primario pasa a través de una bomba (112), que lo impulsa y aumenta su presión hasta alcanzar 27.7 bar en el punto F de la figura 3.Figure 3 shows the diagram of the ejection cycle in which the pressure of the cooling fluid is represented on the ordinate and the enthalpy on the abscissa. The working pressure and temperature data presented below have been obtained for the ejection cycle working with R1234yf, which is a state-of-the-art working fluid with low environmental impact. However, these values could change depending on the working fluid used. At point E in Figure 3, the coolant fluid stream splits into a primary coolant fluid flow and a secondary coolant fluid flow. coolant fluid. The primary flow passes through a pump (112), which drives it and increases its pressure until it reaches 27.7 bar at point F in Figure 3.

A continuación, el flujo primario pasa al primer enfriador de aire (103), que es el recuperador de calor del ciclo de eyección, donde aumenta su temperatura a presión constante y pasa a estado gaseoso, alcanzando 1100C en el punto G de la figura 3. Luego, el flujo primario se introduce en el eyector (102).Next, the primary flow passes to the first air cooler (103), which is the heat recovery unit of the ejection cycle, where its temperature increases at constant pressure and it passes into a gaseous state, reaching 1100C at point G in figure 3. The primary flow is then introduced into the ejector (102).

Por su parte, el flujo secundario pasa a través de una válvula de laminación (111), donde se produce una pérdida de presión que hace que el flujo secundario de fluido refrigerante alcance una presión de 3.5 bar en el punto A de la figura 3.For its part, the secondary flow passes through a lamination valve (111), where a pressure loss occurs that causes the secondary flow of refrigerant fluid to reach a pressure of 3.5 bar at point A in Figure 3.

Seguidamente, el flujo secundario pasa por el segundo enfriador (104), que es el evaporador del ciclo de eyección, de modo que aumenta su energía térmica a presión constante y pasa a estado gaseoso en el punto B de la figura 3. Tras lo cual, el flujo secundario se introduce en el eyector (102).Next, the secondary flow passes through the second cooler (104), which is the evaporator of the ejection cycle, so that its thermal energy increases at constant pressure and it passes into a gaseous state at point B in Figure 3. After which , the secondary flow is introduced into the ejector (102).

En el interior del eyector (102), el flujo primario pasa a través de una tobera, aumentando su velocidad y disminuyendo su presión hasta el punto C de la figura 3. Por su parte, el flujo secundario es succionado hacia el interior del eyector (102), debido a la depresión causada por el flujo primario a la salida de la tobera, de modo que en el punto C de la figura 3 el flujo primario y el secundario se mezclan formando de nuevo una corriente única de fluido refrigerante. Esta corriente de fluido refrigerante pasa por un difusor aumentando su presión hasta alcanzar los 8.3 bar en el punto D de la figura 3.Inside the ejector (102), the primary flow passes through a nozzle, increasing its speed and decreasing its pressure to point C in Figure 3. For its part, the secondary flow is sucked into the interior of the ejector ( 102), due to the depression caused by the primary flow at the nozzle outlet, so that at point C in figure 3 the primary and secondary flows are mixed, again forming a single stream of cooling fluid. This current of refrigerant fluid passes through a diffuser, increasing its pressure until it reaches 8.3 bar at point D in figure 3.

Tras salir del eyector (102), la corriente de fluido refrigerante pasa por un condensador (108), que disminuye la energía térmica de dicha corriente de fluido refrigerante a presión constante hasta los 320C pasando la corriente de fluido refrigerante a estado líquido y volviendo al punto E de la figura 3. After leaving the ejector (102), the cooling fluid current passes through a condenser (108), which reduces the thermal energy of said cooling fluid current at constant pressure to 320C, passing the cooling fluid current to a liquid state and returning to point E of figure 3.

Claims (11)

REIVINDICACIONES 1. Método de refrigeración para la carga ultrarrápida de baterías de sistemas propulsivos eléctricos o híbridos destinado a enfriar un líquido refrigerante que circula por un circuito de refrigeración (109) que rodea unas baterías (110) y unos componentes electrónicos de un vehículo con un sistema propulsivo eléctrico o híbrido, y/o por un circuito de refrigeración de un supercargador para las baterías del sistema propulsivo, que hace uso de una corriente de aire ambiental como fluido de trabajo y que comprende las etapas de:1. Cooling method for ultra-fast charging of batteries of electric or hybrid propulsion systems intended to cool a coolant that circulates through a cooling circuit (109) that surrounds batteries (110) and electronic components of a vehicle with a system electric or hybrid propulsive, and/or by a cooling circuit of a supercharger for the batteries of the propulsive system, which makes use of an ambient air current as working fluid and which comprises the steps of: a. compresión, para aumentar la presión de la corriente de aire,a. compression, to increase the pressure of the air stream, b. expansión, para reducir la temperatura de la corriente de aire previamente comprimida, al mismo tiempo que se obtiene energía mecánica mediante la reducción de la presión de dicha corriente de aire,b. expansion, to reduce the temperature of the previously compressed air current, at the same time that mechanical energy is obtained by reducing the pressure of said air current, c. refrigeración, para permitir un intercambio de energía calorífica entre la corriente de aire que sale de la etapa de expansión, y el líquido refrigerante del circuito de refrigeración (109),c. refrigeration, to allow an exchange of heat energy between the air current that leaves the expansion stage, and the refrigerant liquid of the refrigeration circuit (109), d. regeneración, para permitir un intercambio de energía calorífica entre la corriente de aire que sale de la etapa de compresión y la que sale de la etapa de refrigeración, aumentando la temperatura de la corriente de aire que sale de la etapa de refrigeración y reduciendo la temperatura de la corriente que sale de la etapa de compresión.d. regeneration, to allow an exchange of heat energy between the air stream leaving the compression stage and the one leaving the refrigeration stage, increasing the temperature of the air stream leaving the refrigeration stage and reducing the temperature of the stream leaving the compression stage. 2. Método de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1, donde la etapa de compresión se realiza por fases, alternando una fase de compresión con una fase de enfriamiento del aire de trabajo, en la que uno o más enfriadores extraen calor de la corriente de aire.2. Cooling method according to claim 1, where the compression stage is carried out in phases, alternating a compression phase with a cooling phase of the working air, in which one or more coolers extract heat from the cooling current. air. 3. Método de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 2, donde la fase de enfriamiento comprende el uso de al menos dos enfriadores (103, 104) conectados con un circuito de eyección, en el cual los enfriadores funcionan como recuperador de calor o evaporador.Cooling method according to claim 2, wherein the cooling phase comprises the use of at least two coolers (103, 104) connected to an ejection circuit, in which the coolers function as heat recovery or evaporator. 4. Método de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 3, donde el primer (103) y el segundo enfriador (104) funcionan con un líquido refrigerante seleccionado de entre los de más bajo potencial de calentamiento atmosférico (GWP), como el amoniaco o el dióxido de carbono.4. Cooling method according to claim 3, wherein the first (103) and the second cooler (104) work with a selected cooling liquid among those with the lowest global warming potential (GWP), such as ammonia or carbon dioxide. 5. Método según la reivindicación 1, donde la etapa de expansión comprende el uso de una turbina (106) con una relación de presiones de3 o mayor que 3.5. Method according to claim 1, wherein the expansion stage comprises the use of a turbine (106) with a pressure ratio of 3 or greater than 3. 6. Método según la reivindicación 1, donde la temperatura del aire tras la etapa de expansión es del entorno de 125 grados centígrados bajo 0.6. Method according to claim 1, wherein the air temperature after the expansion stage is around 125 degrees Celsius below 0. 7. Método según la reivindicación 1, donde la etapa de compresión se realiza mediante al menos un compresor (100, 101) que funciona de manera intermitente para consumir menos energía.7. Method according to claim 1, wherein the compression stage is carried out by means of at least one compressor (100, 101) that works intermittently to consume less energy. 8. Equipo de refrigeración para la carga ultrarrápida de baterías de sistemas propulsivos eléctricos o híbridos destinado a enfriar un líquido refrigerante que circula por un circuito de refrigeración (109) que rodea unas baterías (110) y unos componentes electrónicos de un vehículo con un sistema propulsivo eléctrico o híbrido, y/o por un circuito de refrigeración de un supercargador para las baterías del sistema propulsivo, que hace uso de una corriente de aire ambiental como fluido de trabajo y comprende:8. Refrigeration equipment for ultra-fast battery charging of electric or hybrid propulsion systems intended to cool a coolant that circulates through a cooling circuit (109) that surrounds batteries (110) and electronic components of a vehicle with a system electric or hybrid propulsive, and/or by a cooling circuit of a supercharger for the batteries of the propulsive system, which makes use of a current of ambient air as working fluid and comprises: - al menos un primer compresor (100), configurado para absorber aire ambiente y aumentar su presión, produciendo una corriente de aire comprimido,- at least one first compressor (100), configured to absorb ambient air and increase its pressure, producing a stream of compressed air, - un regenerador (105), conectado con el primer compresor (100), para recibir la corriente de aire comprimido,- a regenerator (105), connected to the first compressor (100), to receive the compressed air stream, - una turbina (106), conectada con el regenerador (105), para recibir la corriente de aire del regenerador y producir una expansión de ésta,- a turbine (106), connected to the regenerator (105), to receive the air current from the regenerator and produce an expansion thereof, - un intercambiador de calor (107), conectado con la turbina (106), con el circuito de refrigeración (109) y con el regenerador, para recibir la corriente de aire expandida en la turbina (106), permitir la transferencia de calor entre el líquido refrigerante del circuito de refrigeración (109) y dicha corriente de aire expandida y, entonces, entregar la corriente de aire al regenerador (105), que la recircula hacia el primer compresor (100),- a heat exchanger (107), connected to the turbine (106), to the cooling circuit (109) and to the regenerator, to receive the air current expanded in the turbine (106), allowing heat transfer between the refrigerant liquid of the refrigeration circuit (109) and said expanded air current and, then, deliver the air current to the regenerator (105), which recirculates it towards the first compressor (100), donde el regenerador recibe la corriente de aire comprimido del primer compresor, para reducir su temperatura, y la corriente de aire del intercambiador de calor, para calentarla, mediante el intercambio de calor entre ambas, y donde el equipo además comprende:where the regenerator receives the compressed air current from the first compressor, to reduce its temperature, and the air current from the exchanger of heat, to heat it, through the exchange of heat between both, and where the equipment also includes: - un primer enfriador (103), conectado al primer compresor (100) y destinado a reducir la temperatura de la corriente de aire comprimido por el primer compresor (100),- a first cooler (103), connected to the first compressor (100) and intended to reduce the temperature of the air stream compressed by the first compressor (100), - al menos un segundo compresor (101), configurado para absorber aire procedente del primer enfriador (103) y aumentar su presión, y- at least one second compressor (101), configured to absorb air from the first cooler (103) and increase its pressure, and - al menos un segundo enfriador (104), conectado al segundo compresor (101) y al regenerador, para reducir la temperatura de la corriente de aire comprimido por el segundo compresor (101) y entregarla al regenerador, donde la turbina (106) está conectada mecánicamente al segundo compresor (102), de modo que transfiere energía mecánica al mismo;- at least one second cooler (104), connected to the second compressor (101) and to the regenerator, to reduce the temperature of the air stream compressed by the second compressor (101) and deliver it to the regenerator, where the turbine (106) is mechanically connected to the second compressor (102), so as to transfer mechanical energy thereto; y donde el equipo además comprende un ciclo de eyección que comprende:and where the equipment further comprises an ejection cycle comprising: - una bomba, destinada a dirigir un flujo primario de fluido refrigerante en estado líquido hacia el primer enfriador, para recibir energía calorífica de la corriente de aire, de modo que pasa a estado gaseoso,- a pump, intended to direct a primary flow of refrigerant fluid in liquid state towards the first cooler, to receive heat energy from the air current, so that it passes into a gaseous state, - una válvula de laminación, destinada a dirigir un flujo secundario de fluido refrigerante hacia el segundo enfriador, para recibir energía calorífica de la corriente de aire, de modo que pasa a estado gaseoso,- a lamination valve, intended to direct a secondary flow of refrigerant fluid towards the second cooler, to receive heat energy from the air current, so that it passes into a gaseous state, - un eyector, que comprende una tobera, que recibe el flujo primario del primer enfriador y acelera dicho flujo primario hasta la zona de mezclado; una toma, conectada al segundo enfriador para recibir el flujo secundario, que es succionado hacia la zona de mezcla del eyector debido a la depresión del flujo principal, mezclándose el flujo primario y secundario de fluido refrigerante en una única corriente de fluido refrigerante; y un difusor que decelera y aumenta la presión de la corriente de fluido refrigerante a la salida del eyector,- an ejector, comprising a nozzle, receiving the primary flow from the first cooler and accelerating said primary flow to the mixing zone; an intake, connected to the second cooler to receive the secondary flow, which is sucked towards the mixing zone of the ejector due to the depression of the main flow, mixing the primary and secondary flow of refrigerant fluid in a single stream of refrigerant fluid; and a diffuser that decelerates and increases the pressure of the cooling fluid current at the outlet of the ejector, - un condensador (107) que reduce la temperatura de la corriente de fluido refrigerante de modo que cambia de fase gaseosa a fase líquida, y un divisor de flujo, destinado a dividir la corriente de fluido refrigerante condensada, dirigiendo el flujo primario hacia la bomba y el flujo secundario hacia la válvula de laminación.- a condenser (107) that reduces the temperature of the coolant fluid stream so that it changes from gas phase to liquid phase, and a flow divider, intended to divide the condensed coolant fluid stream, directing the primary flow towards the pump and the secondary flow to the lamination valve. 9. Equipo según la reivindicación 8, que además comprende un filtro secador, adaptado para reducir la humedad del aire ambiente absorbido por el primer compresor (100), y conectado al primer compresor (100) para suministrar al mismo una corriente de aire seco.9. Equipment according to claim 8, further comprising a drying filter, adapted to reduce the humidity of the ambient air absorbed by the first compressor (100), and connected to the first compressor (100) to supply a stream of dry air thereto. 10. Equipo según la reivindicación 9, donde el filtro secador está fabricado con gel de sílice.10. Equipment according to claim 9, where the dryer filter is made of silica gel. 11. Equipo según la reivindicación 8, que además comprende una válvula (113) de 3 vías conectada a la turbina (106), de modo que al ser activada redirige el aire que sale de la turbina (106) directamente hacia el regenerador (105) sin pasar previamente por el intercambiador de calor (107). 11. Equipment according to claim 8, further comprising a 3-way valve (113) connected to the turbine (106), so that when activated it redirects the air coming out of the turbine (106) directly to the regenerator (105). ) without previously passing through the heat exchanger (107).
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