Способ терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии Российский патент 2021 года по МПК B60L53/302 F28F27/00 

Изобретение относится к области разработки и эксплуатации аккумуляторных накопителей энергии для нужд электроэнергетики и может применяться для охлаждения или нагрева аккумуляторной батареи и полупроводниковых модулей силовой электроники накопителя энергии.

Аккумуляторные накопители энергии применяются в большом числе областей техники в качестве источников бесперебойного питания, поэтому к ним предъявляют высокие требования по надежности и отказоустойчивости. В качестве аккумуляторных батарей таких устройств могут использоваться различные типы аккумуляторов, такие как свинцово-кислотные и никель-кадмиевые, однако одними из наиболее перспективных типов на данный момент являются литиевые и, в том числе литий-ионные, литий-полимерные и литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Опыт эксплуатации литий-ионных аккумуляторов показывает, что наибольший ресурс аккумуляторной батареи достигается при ее эксплуатации в узком диапазоне температур от 10 до 25°С. При этом заряд аккумуляторной батареи должен проводиться при температуре не ниже 0°С.

Передача электроэнергии между аккумуляторной батареей и сетью переменного тока осуществляется благодаря силовым полупроводниковым устройствам, таким как преобразователи напряжения постоянного и переменного тока. В процессе работы в полупроводниковых устройствах возникают потери энергии, приводящие к их нагреву. Не допускается превышение температуры полупроводниковых модулей выше максимально допустимой температуры порядка 95°С.

Регулирования температуры аккумуляторной батареи и полупроводниковых модулей может осуществляться системой терморегулирования, позволяющей отвести излишки тепла во внешнюю среду, а также обеспечить подогрев аккумуляторной батареи при эксплуатации на холоде. Последнее особенно важно для обеспечения экономичной и безопасной эксплуатации аккумуляторного накопителя энергии в холодных климатических зонах при температурах ниже нуля градусов Цельсия.

Поэтому с целью увеличения срока службы аккумуляторной батареи и полупроводниковых модулей в составе накопителя энергии необходимо применение эффективных систем терморегулирования, позволяющих расширить диапазон температур и климатических условий эксплуатации аккумуляторных накопителей энергии.

Данная система позволяет регулировать температуру аккумуляторной батареи и полупроводниковых модулей силовой электроники накопителя энергии, в случае их изменения от окружающей среды в различных режимах работы накопителя энергии, таких как заряд, разряд и хранение аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, с целью сохранения работоспособности и увеличения срока службы аккумуляторной батареи и полупроводниковых модулей силовой электроники накопителя энергии.

Из уровня техники известна модульная система терморегулирования состояния тяговых аккумуляторных батарей (RU 174819 U1, 03.11.2017). Указанная модульная система терморегулирования состояния тяговых аккумуляторных батарей содержит теплообменники, установленные внутри контейнеров аккумуляторной батареи, охлаждающе-подогревающий теплообменник, теплообменник ускоренного подогрева, радиатор, обдуваемый с помощью электровентилятора. Циркуляцию охлаждающей жидкости в системе осуществляет циркуляционный насос переменной производительности с электроприводом, который соединен с напорным трубопроводом. Изменение направления потока охлаждающей жидкости осуществляет распределитель с электроуправлением. Теплообменник конструктивно расположен внутри воздуховода климатической системы поддержания микроклимата внутри салона. Была решена задача повышения эффективности работы системы охлаждения тяговых батарей.

К недостаткам представленной системы следует отнести то, что для ее функционирования необходимо использование предварительно охлажденного или подогретого климатической установкой воздуха, предназначенного для поддержания микроклимата внутри салона транспортного средства, или потока наружного воздуха. В том числе она не предназначена для охлаждения полупроводниковых модулей силовой электроники в составе аккумуляторного накопителя энергии. Кроме того, данная система за счет своей конструкции обладает невысокой эффективностью надежностью

Из уровня техники известна установка для размещения аккумуляторной батареи с системой подогрева (RU 190391 U1, 01.07.2019). Указанная установка выполнена в виде трубки подогрева охлаждающей жидкости и содержит неподвижный корпус, в котором размещен фальшподдон и поддон. Корпус крепится к раме при помощи болтового соединения. Для удержания фальшподдона от опрокидывания установлены кронштейны. Трубка подогрева охлаждающей жидкости одним концом связана с трубопроводом подачи теплоносителя в двигатель, а другим - с трубопроводом отвода охлаждающего теплоносителя от двигателя в подогреватель. Трубка подогрева охлаждающей жидкости размещена в фальшподдоне и закреплена на его стенках через кронштейны при помощи болтового соединения. Для удобства демонтажа трубка подогрева охлаждающей жидкости интегрирована через патрубки. Поддон выполнен выдвижным. На выдвижном поддоне установлена аккумуляторная батарея, которая фиксируется с помощью кронштейна и рамки крепления. Выполнение поддона выдвижным под установку аккумуляторной батареи позволяет снизить трудоемкость при техобслуживании и замены аккумуляторной батареи в случае ее неисправности, тем самым в целом повысить и эксплуатационную технологичность.

К недостаткам представленной установки следует отнести:

- отсутствие возможности отключения аккумуляторной батареи от системы подогрева в случае чрезмерного нагрева аккумуляторной батареи;

- отсутствие возможности охлаждения аккумуляторной батареи и силовых полупроводниковых устройств, так как охлаждающая жидкость постоянно циркулирует от подогревателя через двигатель в системе охлаждения по трубке подогрева, которые нагревают аккумуляторные батареи за счет теплоотдачи от охлаждающей жидкости, нагревающейся при поездках автомобиля и во время работы подогревателя;

- отсутствие возможности регулирования температуры аккумуляторной батареи из-за отсутствия возможности управления температурой охлаждающей жидкости, используемой для нагрева аккумуляторной батареи.

Из уровня техники известна зарядная станция для электрических транспортных средств (RU 2520616 С1, 27.06.2014), в которой применяется система охлаждения. Указанная охлаждающая система основывается на работе воздуха или жидкости и включает систему теплового насоса или теплообменную систему, чтобы отводить тепло от силовых преобразователей или нагревать системы внутри кондиционируемой комнаты, если температура падает ниже определенного порога. Охлаждающая система может быть вентилятором, который вдувает или выдувает воздух кондиционируемой комнаты. Также охлаждающая система может быть двухкомпонентной системой, такой как система теплового насоса. Тепло может быть выделено из силовых преобразователей или комнаты, и может передаваться (например, с помощью жидкости или воздуха) ко второй части охлаждающей системы, находящейся снаружи относительно кондиционируемой комнаты. Такая вторая часть системы служит для того, чтобы совершать теплообмен с наружным окружающим пространством.

К недостаткам представленной системы охлаждения следует отнести то, что охлаждение силовых преобразователей или нагрев систем внутри кондиционируемых комнат осуществляется за счет кондиционирования всего помещения с оборудованием и не позволяет проводить терморегулирование аккумуляторной батареи или силовых преобразователей независимо друг от Друга.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является система охлаждения, применяемая в гибридных устройствах накопления энергии для станций быстрой зарядки электромобилей (статья "Hybrid Energy Storage Devices for Rapid Charge Stations of Electric Vehicles", N.A. Khripach, F.A. Shustrov, V.G. Chirkin, LA. Papkin, R.V. Stukolkin, опубликованная в Мае 2019 г., "International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE)", найдено в интернет: https://www.ijitee.org/wp-content/uploads/papers/v8i7/G5817058719.pdf).

Указанная система охлаждения имеет вентиляторы охлаждения и охлаждающие плиты, которые подключены к контуру жидкостного охлаждения. Вентиляторы служат для организации принудительной циркуляции воздуха для отвода тепла из отсека аккумуляторных батарей, отсека суперконденсаторов и силовой электроники, позволяя обеспечить допустимую температуру аккумуляторов (в случае нахождения в отсеке аккумуляторных батарей) и длительный срок их эксплуатации. Жидкостное охлаждение служит для эффективного охлаждения полупроводниковых ключей двунаправленного инвертора, преобразователя напряжения аккумуляторов и преобразователя напряжения суперконденсаторов. Для этого полупроводниковые ключи закреплены на охлаждающих плитах, которые подключены к контуру жидкостного охлаждения. Охлаждающие плиты закреплены на монтажных опорах. Жидкостное охлаждение позволяет отводить тепло наиболее эффективно и таким образом позволяет увеличить выходную мощность гибридного накопителя энергии и обеспечить оптимальные условия эксплуатации полупроводниковых ключей. Кроме того, при таком способе охлаждения не происходит нагрева аккумуляторных батарей и суперконденсаторов тепловыми потоками от двунаправленного инвертора, преобразователя напряжения модуля аккумуляторов и преобразователя напряжения модуля суперконденсаторов.

К недостаткам указанной системы охлаждения следует отнести:

- один контур жидкостного охлаждения, используемый для охлаждения полупроводниковых модулей, что не позволяет проводить терморегулирование аккумуляторного накопителя энергии вне зависимости от температуры окружающей среды;

- нет возможности подогрева аккумуляторной батареи при низкой температуре аккумуляторной батареи или при низкой температуре окружающего воздуха из-за того, что охлаждение производится окружающим воздухом без применения теплообменников (то есть кондиционирования);

- при отрицательной температуре окружающей среды при обдуве нагретых частей в составе накопителя энергии на них будет происходить конденсация влаги из воздуха, что приведет к коррозии и выходу из строя этих элементов и всего накопителя.

Таким образом указанная система обладает недостаточной надежностью.

Задача, решаемая изобретением, направлена на разработку способа терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии, включающего аккумуляторную батарею и полупроводниковые модули силовой электроники, способного обеспечивать оптимальный тепловой режим в широком диапазоне температур эксплуатации, позволяющего повысить надежность и увеличить срок службы аккумуляторного накопителя энергии.

Технический результат заключается в повышении надежности аккумуляторного накопителя энергии, включающего аккумуляторную батарею и полупроводниковые модули силовой электроники, обеспечении оптимального теплового режима при расширении диапазона температур окружающей среды, увеличении срока службы аккумуляторного накопителя энергии.

Технический результат достигается тем, что способ терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии, характеризующий работу контура жидкостного охлаждения с магистралью, подключенной к плитам охлаждения, работу вентилятора охлаждения аккумуляторной батареи, блока управления, причем в зависимости от окружающей температуры воздуха и режима эксплуатации накопителя энергии, система терморегулирования будет работать в одном из трех режимов работы, при этом будет задействована работа теплообменника, связанного с магистралью контура движения теплоносителя и магистралью контура жидкостного охлаждения, при этом когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха составляет менее нуля градусов Цельсия, а средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная посредством датчика температуры охлаждающей жидкости составляет менее 30 градусов Цельсия, то осуществляют первый режим работы терморегулирования, заключающийся в преднагреве аккумуляторной батареи до нуля градусов Цельсия, для чего блоком управления производят закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, открытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, включают питание насоса, которым перемещают охлаждающую жидкость контура жидкостного охлаждения к нагревательному элементу, включают питание нагревательного элемента, где охлаждающая жидкость дополнительно нагревается и поступает в радиатор аккумуляторной батареи, включают питания вентилятора аккумуляторной батареи, который сдувает тепло с радиатора аккумуляторной батареи, осуществляя таким образом нагрев аккумуляторной батареи воздухом, циркулирующим вблизи аккумуляторной батареи, переключают четырехходовой реверсивный клапана в режим «нагрев», включают питания компрессора, включают питания вентилятора внешнего теплообменника, после чего блоком управления получают данные о средней температуре аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха и в случае ее достижения 0 градусов Цельсия производят с помощью блока управления отключение нагревательного элемента, насоса, компрессора, вентилятора аккумуляторной батареи и вентилятора внешнего теплообменника, при этом когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха находится в диапазоне от нуля до 30 градусов Цельсия, и средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная по датчику температуры охлаждающей жидкости превышает 30 градусов Цельсия, то осуществляют второй режим работы терморегулирования, заключающийся осуществлении охлаждения полупроводниковых модулей силовой электроники до температуры не выше чем 95 градусов Цельсия, для чего блоком управления производят открытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, включают насос для перемещения охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения к нагревательному элементу, переключают четырехходовой регулирующий реверсивный клапана в положение «охлаждение», включают компрессор, который сжимает теплоноситель, в результате чего он нагревается и поступает во внешний теплообменник, выполняющего в этом режиме функцию конденсатора, включают вентилятор аккумуляторной батареи и вентилятор внешнего теплообменника, причем под воздействием вентилятора внешнего теплообменника теплоноситель остывает и переходит из газообразной фазы в жидкую с выделением тепла, причем под действием насоса охлаждающая жидкость контура жидкостного охлаждения поступает из теплообменника через вентиль, перекрывающий циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, в плиты охлаждения полупроводниковых модулей, где отбирает тепло с полупроводниковых модулей силовой электроники, таким образом остужая их, далее нагретый теплоноситель проходит через датчик температуры охлаждающей жидкости и вновь возвращается в насос, после чего блоком управления получают данные измеренные датчиком температуры и давления теплоносителя на выходе из теплообменника, и на основе измеренных данных рассчитывают перегрев теплоносителя и осуществляя управление терморегулируемым вентилем для обеспечения дозирования теплоносителя, при этом когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха составляет более 30 градусов Цельсия, и средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная по датчику температуры охлаждающей жидкости, не превышает 30 градусов Цельсия, то осуществляют третий режим работы терморегулирования, заключающийся осуществлении охлаждения аккумуляторной батареи до 30 градусов Цельсия и полупроводниковых модулей силовой электроники до температуры не выше чем 95 градусов Цельсия, для чего блоком управления производят закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, отключают нагревательный элемента, включают насос, под действием которого охлаждающая жидкость контура жидкостного охлаждения поступает из теплообменника через нагревательный элемент в радиатор аккумуляторной батареи, переключают четырехходовой регулирующий реверсивный клапан в положение «охлаждение», включают компрессор, включают вентилятор аккумуляторной батареи и вентилятор внешнего теплообменника, причем охлаждающая жидкость протекает через датчик температуры охлаждающей жидкости и затем в плиты охлаждения полупроводниковых модулей, где отбирает тепло с полупроводниковых модулей силовой электроники, таким образом остужая их, далее нагретый теплоноситель проходит через датчик температуры охлаждающей жидкости и вновь возвращается в насос, после чего блоком управления получают данные измеренные на выходе из теплообменника посредством датчика температуры теплоносителя и датчика давления теплоносителя, и на основе измеренных данных рассчитывают перегрев теплоносителя и осуществляют управление терморегулируемым вентилем для обеспечения дозирования теплоносителя.

Способ терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии имеет следующие дополнительные отличия:

- вентилятором аккумуляторной батареи и вентилятором теплообменника регулируют частоту вращения для изменения интенсивности охлаждения или нагрева;

- через промышленный канал связи блока управления передают информацию о состоянии системы и ее элементов блоку управления накопителем энергии или удаленному пульту управления и принимают команды управления от них;

Изобретение иллюстрируется чертежами (фиг. 1, 2, 3), на которых представлены режимы терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии.

Для способа терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии используется система терморегулирования, которая включает в себя теплообменник 1, контур жидкостного охлаждения, образованный магистралью 2, контур движения теплоносителя, образованный магистралью 3, блок управления 4, вентилятор аккумуляторной батареи 5 и вентилятор внешнего теплообменника 6.

Теплообменник 1, связанный гидравлически с магистралью контура жидкостного охлаждения 2 и с магистралью контура движения теплоносителя 3, предназначен для передачи тепла между этими магистралями.

Магистраль контура жидкостного охлаждения 2 соединяет между собой теплообменник 1, расширительный бак 7, насос 8, нагревательный элемент 9, радиатор аккумуляторной батареи 10, датчик температуры охлаждающей жидкости 11, расположенный на выходе радиатора аккумуляторной батареи, три плиты охлаждения полупроводниковых модулей 12 для полупроводниковых модулей 13, датчик температуры охлаждающей жидкости 14, расположенный на выходе плит охлаждения полупроводниковых модулей 12, вентиль 15, перекрывающий циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, вентиль 16, перекрывающий циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику.

Расширительный бак 7 предназначен для компенсации давления в контуре жидкостного охлаждения при нагреве охлаждающей жидкости и предотвращения образования воздушных пробок в магистрали контура жидкостного охлаждения 2 в результате охлаждения и сжатия охлаждающей жидкости.

Насос 8 служит для перемещения охлаждающей жидкости по магистрали контура жидкостного охлаждения 2.

Нагревательный элемент 9 предназначен для нагрева охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения.

Радиатор аккумуляторной батареи 10 предназначен для осуществления теплообмена между охлаждающей жидкостью контура жидкостного охлаждения и воздухом, продуваемым через него вентилятором радиатора аккумуляторный батареи 5, направленным на аккумуляторную батарею 17 для обеспечения необходимого температурного режима посредством нагрева и охлаждения.

Датчик температуры охлаждающей жидкости 11 осуществляет измерение температуры охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения на выходе радиатора аккумуляторной батареи 10.

Плиты охлаждения полупроводниковых модулей 12 служат для отвода тепла от полупроводниковых модулей 13 к охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения.

Датчик температуры охлаждающей жидкости 14 осуществляет измерение температуры охлаждающей жидкости на выходе плит охлаждения полупроводниковых модулей 12.

Вентиль 15 осуществляет отключение циркуляции охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения через нагревательный элемент 9 и радиатор аккумуляторной батареи 10.

Вентиль 16 осуществляет отключение циркуляции охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения через плиты охлаждения полупроводниковых модулей 12.

Магистраль контура движения теплоносителя 3 соединяет между собой теплообменник 1, компрессор 18, датчик температуры теплоносителя 19 и датчик давления теплоносителя 20, четырехходовой реверсивный клапан 21, внешний теплообменник 22, терморегулирующий вентиль 23.

Компрессор 18 служит для сжатия и нагрева теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя 3.

Датчик температуры теплоносителя 19 осуществляет измерение температуры теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя 3 в точке между теплообменником 1 и четырехходовой реверсивным клапаном 21.

Датчик давления теплоносителя 20 осуществляет измерение давления теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя 3 в точке между теплообменником 1 и четырехходовым реверсивным клапаном 21.

Четырехходовой реверсивный клапан 21 предназначен для изменения направления движения теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя 3.

Внешний теплообменник 22 служит для осуществления теплообмена между теплоносителем контура движения теплоносителя и окружающим воздухом, продуваемым через внешний теплообменник 22 вентилятором внешнего теплообменника 6.

Вентилятор теплообменника 6 выполнен с регулировкой частоты вращения для осуществления плавного выхода системы охлаждения на рабочий режим, исключая пульсации давления хладагента.

Терморегулирующий вентиль 23 предназначен для регулирования подачи теплоносителя контура движения теплоносителя для обеспечения условий его испарения.

Блок управления 4 имеет электрическое подключение к насосу 8, вентилям 15, 16, вентилятору аккумуляторной батареи 5, компрессору 18, четырехходовому регулирующему клапану 21, вентилятору внешнего теплообменника 6 и терморегулирующему вентилю 23, для управления ими, а также электрическое подключение к датчикам температуры охлаждающей жидкости 11, 14, датчику температуры теплоносителя 19 и датчика давления теплоносителя 20, для считывания сигналов с этих датчиков. Блок управления 4 осуществляет измерение температуры и давления теплоносителя на выходе из теплообменника 1 посредством датчика температуры теплоносителя 19 и датчика давления теплоносителя 20, и на основе измеренных данных рассчитывает перегрев теплоносителя и осуществляет управление терморегулируемым вентилем 23 для обеспечения дозирования теплоносителя.

Перед началом работы системы происходит заполнение охлаждающей жидкостью магистрали контура жидкостного охлаждения 2 через расширительны бак 7 и газообразным теплоносителем магистраль контура движения теплоносителя 3 через сервисный порт наружного теплообменника (на рисунке не показан). Кроме того, происходит настройка блока управления и проверка функционирования всех датчиков. В процессе хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии осуществляется мониторинг температуры воздуха в трех точках возле аккумуляторной батареи с помощью терморезистивных датчиков температуры воздуха (на рисунке не показаны). Кроме того, осуществляется мониторинг температуры и давления теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя 3 в точке между теплообменником 1 и четырехходовой реверсивный клапан 21. Блок управления осуществляет постоянный мониторинг показаний датчиков 11, 14, 19 и 20. Система готова к работе.

В зависимости от окружающей температуры воздуха и режима эксплуатации накопителя энергии, система терморегулирования будет работать в определенном режиме работы, что будет рассмотрено далее.

1) Температура окружающего воздуха составляет менее нуля градусов.

Когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха составляет менее нуля градусов Цельсия, а средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная посредством датчика температуры охлаждающей жидкости 12 составляет менее 30 градусов Цельсия, то должен осуществляться преднагрев аккумуляторной батареи 17 до нуля градусов Цельсия.

Для этого блок управления 4 производит закрытие вентиля 15, открытие вентиля 16, включение питания насоса 8, включение питания нагревательного элемента 9, включение питания вентилятора аккумуляторной батареи 5, переключение четырехходового реверсивного клапана 21 в режим «нагрев», включение питания компрессора 18, включение питания вентилятора внешнего теплообменника 6.

В режиме «нагрев» компрессор 18 всасывает холодный газообразный теплоноситель низкого давления, поступающий из теплообменника 1 (выполняющего в этом режиме функцию испарителя), и сжимает его под высоким давлением, увеличивая его температуру. Перегретый теплоноситель контура движения теплоносителя поступает в теплообменник 1 (выполняющий в этом режиме функцию конденсатора), где отдает тепло охлаждающей жидкости жидкостного управления и конденсируется. Далее теплоноситель поступает в терморегулирующий вентиль 23. В вентиле 23 происходит резкое снижение давления вследствие расширения объема, который занимает теплоноситель. Уменьшение давления приводит к частичному испарению теплоносителя и снижению его температуры ниже температуры окружающей среды. В теплообменнике 22 давление теплоносителя продолжает снижаться, он продолжает испаряться, забирая тепло из окружающей среды. В полностью газообразном состоянии теплоноситель снова поступает в компрессор 18.

Насос 8 перемещает охлаждающую жидкость контура жидкостного охлаждения к нагревательному элементу 9, где охлаждающая жидкость дополнительно нагревается и поступает в радиатор аккумуляторной батареи 10. Вентилятор аккумуляторной батареи 5 сдувает тепло с радиатора аккумуляторной батареи 10, осуществляя таким образом нагрев аккумуляторной батареи 17 воздухом, циркулирующим вблизи аккумуляторной батареи 17. После радиатора аккумуляторной батареи 10 теплоноситель проходит датчик температуры охлаждающей жидкости 14 и через вентиль 16 возвращается в теплообменник 1. Из теплообменника 1 нагретая охлаждающая жидкость снова поступает в насос 8.

Когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха достигнет 0 градусов Цельсия, то блок управления 4 получает эти данные температур с датчиков температуры аккумуляторной батареи (на рисунке не показаны) и производит отключение нагревательного элемента 9, насоса 8, компрессора 18, вентилятора аккумуляторной батареи 5 и вентилятора внешнего теплообменника 6.

Таким образом, преднагрев аккумуляторной батареи 17 завершается и аккумуляторная батарея 17 может быть использована в процессе зарядки или разрядки аккумуляторного накопителя энергии.

2) Температура окружающего воздуха составляет более минус 40 градусов и в процессе работы полупроводниковые модули силовой электроники 13 выделяют тепло, которое отводят в окружающую среду.

Когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха (на схеме не показаны) находится в диапазоне от нуля до 30 градусов Цельсия,

и средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная по датчику температуры охлаждающей жидкости 14 превышает 30 градусов Цельсия, то

должно осуществляться охлаждение полупроводниковых модулей силовой электроники 13 до температуры не выше чем 95 градусов Цельсия.

Для этого блок управления 4 производит открытие вентиля 15, закрытие вентиля 16, включение насоса 9, переключение четырехходового регулирующего реверсивного клапана 21 в положение «охлаждение», включение компрессора 18, включение вентилятора аккумуляторной батареи 5 и вентилятора внешнего теплообменника 6.

В режиме «охлаждение» газообразный теплоноситель контура движения теплоносителя поступает на вход компрессора 18 из теплообменника 1 (выполняющего в этом режиме функцию испарителя) под низким давлением.

Компрессор 18 сжимает теплоноситель, в результате чего он нагревается и поступает во внешний теплообменник 22 (выполняющего в этом режиме функцию конденсатора).

Благодаря интенсивному обдуву внешнего теплообменника 22 (конденсатора) вентилятором 6 теплоноситель остывает и переходит из газообразной фазы в жидкую с выделением тепла. В результате, воздух, проходящий через теплообменник 22, нагревается. На выходе теплообменника 22 теплоноситель находится в жидком состоянии под высоким давлением и с более высокой температурой.

После терморегулирующего вентиля 23 смесь жидкого и газообразного теплоносителя с низким давлением поступает в теплообменник 22 (испаритель). В нем жидкий теплоноситель переходит в газообразную фазу с поглощением тепла от теплоносителя первого контура. Далее газообразный теплоноситель с низким давлением вновь поступает на вход компрессора 18.

Под действием насоса 8 охлаждающая жидкость контура жидкостного охлаждения поступает из теплообменника 1 через вентиль 15 в плиты охлаждения полупроводниковых модулей 12, где отбирает тепло с полупроводниковых модулей силовой электроники 13, таким образом остужая их. Нагретый теплоноситель проходит через датчик температуры охлаждающей жидкости 14 и вновь возвращается в насос 8.

Блок управления осуществляет измерение температуры и давления теплоносителя на выходе из теплообменника 1 посредством датчика температуры теплоносителя 19 и датчика давления теплоносителя 20, и на основе измеренных данных рассчитывает перегрев теплоносителя и осуществляет управление терморегулируемым вентилем 23 для обеспечения дозирования теплоносителя.

3) Когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха (на схеме не показаны) составляет более 30 градусов Цельсия, и средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная по датчику температуры охлаждающей жидкости 11 не превышает 30 градусов Цельсия, то должно осуществляться охлаждение аккумуляторной батареи (поз) до 30 градусов Цельсия и полупроводниковых модулей силовой электроники 5 до температуры не выше чем 95 градусов Цельсия.

Для этого блок управления 4 производит закрытие вентиля 15, закрытие вентиля 16, отключение нагревательного элемента 9, включение насоса 8, переключение четырехходового регулирующего реверсивного клапана 21 в положение «охлаждение», включение компрессора 18, включение вентилятора аккумуляторной батареи 5 и вентилятора внешнего теплообменника 6.

Под действием насоса 8 охлаждающая жидкость контура жидкостного охлаждения поступает из теплообменника 1 через нагревательный элемент 9 (в этом режиме выключен) в радиатор аккумуляторной батареи 10, протекает через датчик температуры охлаждающей жидкости 11 и затем в плиты охлаждения полупроводниковых модулей 12, где отбирает тепло с полупроводниковых модулей силовой электроники 5, таким образом остужая их. Нагретый теплоноситель проходит через датчик температуры охлаждающей жидкости 11 и вновь возвращается в насос 8.

Вентилятор аккумуляторной батареи 5 сдувает тепло с радиатора аккумуляторной батареи 10, осуществляя таким образом нагрев аккумуляторной батареи 17 воздухом, циркулирующим вблизи аккумуляторной батареи 17.

Также блок управления осуществляет измерение температуры и давления теплоносителя на выходе из теплообменника 1 посредством датчика температуры теплоносителя 19 и датчика давления теплоносителя 20, и на основе измеренных данных рассчитывает перегрев теплоносителя и осуществляет управление терморегулируемым вентилем 23 для обеспечения дозирования теплоносителя.

Таким образом, достигается повышении надежности и увеличение срока службы аккумуляторного накопителя энергии, включающего аккумуляторную батарею и полупроводниковые модули силовой электроники, способной обеспечивать оптимальный тепловой режим в широком диапазоне температур эксплуатации.

Изобретение относится к системам терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии. Способ терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии, характеризует работу контура жидкостного охлаждения с магистралью, подключенной к плитам охлаждения, работу вентилятора охлаждения аккумуляторной батареи, блока управления. В зависимости от окружающей температуры воздуха и режима эксплуатации накопителя энергии система терморегулирования будет работать в одном из трех режимов работы. При этом будет задействована работа теплообменника, связанного с магистралью контура движения теплоносителя и магистралью контура жидкостного охлаждения. Технический результат заключается в повышении надежности аккумуляторного накопителя энергии, включающего аккумуляторную батарею и полупроводниковые модули силовой электроники, обеспечение оптимального теплового режима при расширении диапазона температур окружающей среды, увеличении срока службы аккумуляторного накопителя энергии. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии, характеризующий работу контура жидкостного охлаждения с магистралью, подключенной к плитам охлаждения, работу вентилятора охлаждения аккумуляторной батареи, блока управления, отличающийся тем, что в зависимости от окружающей температуры воздуха и режима эксплуатации накопителя энергии, система терморегулирования будет работать в одном из трех режимов работы, при этом будет задействована работа теплообменника, связанного с магистралью контура движения теплоносителя и магистралью контура жидкостного охлаждения, при этом когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха составляет менее нуля градусов Цельсия, а средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная посредством датчика температуры охлаждающей жидкости, составляет менее 30 градусов Цельсия, то осуществляют первый режим работы терморегулирования, заключающийся в преднагреве аккумуляторной батареи до нуля градусов Цельсия, для чего блоком управления производят закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, открытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, включают питание насоса, которым перемещают охлаждающую жидкость контура жидкостного охлаждения к нагревательному элементу, включают питание нагревательного элемента, где охлаждающая жидкость дополнительно нагревается и поступает в радиатор аккумуляторной батареи, включают питание вентилятора аккумуляторной батареи, который сдувает тепло с радиатора аккумуляторной батареи, осуществляя таким образом нагрев аккумуляторной батареи воздухом, циркулирующим вблизи аккумуляторной батареи, переключают четырехходовой реверсивный клапан в режим «нагрев», включают питание компрессора, включают питание вентилятора внешнего теплообменника, после чего блоком управления получают данные о средней температуре аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха и в случае ее достижения 0 градусов Цельсия производят с помощью блока управления отключение нагревательного элемента, насоса, компрессора, вентилятора аккумуляторной батареи и вентилятора внешнего теплообменника, при этом когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха находится в диапазоне от нуля до 30 градусов Цельсия и средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная по датчику температуры охлаждающей жидкости превышает 30 градусов Цельсия, то осуществляют второй режим работы терморегулирования, заключающийся в осуществлении охлаждения полупроводниковых модулей силовой электроники до температуры не выше чем 95 градусов Цельсия, для чего блоком управления производят открытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, включают насос для перемещения охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения к нагревательному элементу, переключают четырехходовой регулирующий реверсивный клапан в положение «охлаждение», включают компрессор, который сжимает теплоноситель, в результате чего он нагревается и поступает во внешний теплообменник, выполняющий в этом режиме функцию конденсатора, включают вентилятор аккумуляторной батареи и вентилятор внешнего теплообменника, причем под воздействием вентилятора внешнего теплообменника теплоноситель остывает и переходит из газообразной фазы в жидкую с выделением тепла, причем под действием насоса охлаждающая жидкость контура жидкостного охлаждения поступает из теплообменника через вентиль, перекрывающий циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, в плиты охлаждения полупроводниковых модулей, где отбирает тепло с полупроводниковых модулей силовой электроники, таким образом остужая их, далее нагретый теплоноситель проходит через датчик температуры охлаждающей жидкости и вновь возвращается в насос, после чего блоком управления получают данные, измеренные датчиком температуры и давления теплоносителя на выходе из теплообменника, и на основе измеренных данных рассчитывают перегрев теплоносителя, осуществляя управление терморегулируемым вентилем для обеспечения дозирования теплоносителя, при этом когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха составляет более 30 градусов Цельсия и средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная по датчику температуры охлаждающей жидкости, не превышает 30 градусов Цельсия, то осуществляют третий режим работы терморегулирования, заключающийся осуществлении охлаждения аккумуляторной батареи до 30 градусов Цельсия и полупроводниковых модулей силовой электроники до температуры не выше чем 95 градусов Цельсия, для чего блоком управления производят закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, закрытие вентиля, перекрывающего циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, отключают нагревательный элемент, включают насос, под действием которого охлаждающая жидкость контура жидкостного охлаждения поступает из теплообменника через нагревательный элемент в радиатор аккумуляторной батареи, переключают четырехходовой регулирующий реверсивный клапан в положение «охлаждение», включают компрессор, включают вентилятор аккумуляторной батареи и вентилятор внешнего теплообменника, причем охлаждающая жидкость протекает через датчик температуры охлаждающей жидкости и затем в плиты охлаждения полупроводниковых модулей, где отбирает тепло с полупроводниковых модулей силовой электроники, таким образом остужая их, далее нагретый теплоноситель проходит через датчик температуры охлаждающей жидкости и вновь возвращается в насос, после чего блоком управления получают данные, измеренные на выходе из теплообменника посредством датчика температуры теплоносителя и датчика давления теплоносителя, и на основе измеренных данных рассчитывают перегрев теплоносителя и осуществляют управление терморегулируемым вентилем для обеспечения дозирования теплоносителя.

2. Способ терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии по п. 1, отличающийся тем, что вентилятором аккумуляторной батареи и вентилятором теплообменника регулируют частоту вращения.

3. Способ терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии по п. 1, отличающийся тем, что через промышленный канал связи блока управления передают информацию о состоянии системы и ее элементов блоку управления накопителем энергии или удаленному пульту управления и принимают команды управления от них.