Система терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии
THERMAL REGULATION SYSTEM FOR BATTERY ENERGY STORAGE

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, I.A. 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. Жидкостное охлаждение служит для эффективного охлаждения полупроводниковых ключей двунаправленного инвертора, преобразователя напряжения аккумуляторов и преобразователя напряжения 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 системы терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии, включающего аккумуляторную батарею и полупроводниковые модули силовой электроники, способной обеспечивать оптимальный тепловой режим в широком диапазоне температур эксплуатации, позволяющей 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, при расширении диапазона температур окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что система терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии, включающая в себя магистраль контура жидкостного охлаждения, подключенную к плитам охлаждения, вентилятор охлаждения аккумуляторной батареи, блок 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 система включает в себя магистраль контура движения теплоносителя, соединяющая между собой теплообменник, компрессор, сжимающий и нагревающий теплоноситель внутри магистрали контура движения теплоносителя, четырехходовой реверсивный клапан, изменяющий направление движения теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя, датчик температуры теплоносителя, осуществляющий измерение температуры теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя в точке между теплообменником и четырехходовым реверсивным клапаном, датчик давления теплоносителя, осуществляющий измерение давления теплоносителя внутри магистрали контура движения теплоносителя в точке между теплообменником и четырехходовым реверсивным клапаном, внешний теплообменник, осуществляющий теплообмен между теплоносителем контура движения теплоносителя и окружающим воздухом, продуваемым через внешний теплообменник вентилятором внешнего теплообменника, выполненным с регулировкой частоты вращения исключающий пульсации давления хладагента, терморегулирующий вентиль, регулирующий подачу теплоносителя контура движения теплоносителя, также включает в себя теплообменник, гидравлически связанный с магистралью контура жидкостного охлаждения и с магистралью контура движения теплоносителя, причем магистраль контура жидкостного охлаждения соединяет между собой теплообменник, расширительный бак, предназначенный для компенсации давления в контуре жидкостного охлаждения при нагреве охлаждающей жидкости и предотвращения образования воздушных пробок в магистрали контура жидкостного охлаждения в результате охлаждения и сжатия охлаждающей жидкости, насос, служащий для перемещения охлаждающей жидкости по магистрали контура жидкостного охлаждения, нагревательный элемент, предназначенный для нагрева охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения, радиатор аккумуляторной батареи, датчик температуры охлаждающей жидкости, расположенный на выходе радиатора аккумуляторной батареи, три плиты охлаждения полупроводниковых модулей, отводящие тепло от полупроводниковых модулей к охлаждающей жидкости контура жидкостного охлаждения, датчик температуры охлаждающей жидкости, расположенный на выходе плит охлаждения полупроводниковых модулей, вентиль, перекрывающий циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей, вентиль, перекрывающий циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, причем блок управления имеет электрическое подключение к насосу, вентилям, перекрывающему циркуляцию охлаждающей жидкости к плитам охлаждения полупроводниковых модулей и перекрывающему циркуляцию охлаждающей жидкости к теплообменнику, вентилятору радиатора аккумуляторной батареи, компрессору, четырехходовому регулирующему клапану, вентилятору внешнего теплообменника и терморегулирующему вентилю, для управления ими, а также электрическое подключение к датчикам температуры охлаждающей жидкости, датчику температуры теплоносителя и датчика давления теплоносителя, для считывания сигналов с этих датчиков, причем первый режим работы системы терморегулирования заключается в осуществлении преднагрева аккумуляторной батареи до нуля градусов Цельсия в момент, 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, причем второй режим работы системы терморегулирования заключается в осуществлении охлаждения полупроводниковых модулей силовой электроники до температуры не выше чем 95 градусов Цельсия в момент, 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, причем третий режим работы системы терморегулирования заключается в осуществлении охлаждения аккумуляторной батареи до 30 градусов Цельсия и полупроводниковых модулей силовой электроники до температуры не выше, чем 95 градусов Цельсия в момент, 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.
Система терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии имеет следующие дополнительные отличия:
- вентилятор аккумуляторной батареи выполнен с регулировкой частоты вращения для изменения интенсивности охлаждения и нагрева аккумуляторной батареи;
- блок управления имеет промышленный канал связи для передачи информации о состоянии системы и ее элементов блоку управления накопителем энергии.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема системы терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии (фиг. 1).
Система терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии 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 7.
Вентилятор теплообменника 7 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.
Система терморегулирования для аккумуляторного накопителя энергии работает в трех режимах, и выступает в качестве нагревателя и охладителя.
Когда средняя температура аккумуляторной батареи по датчикам температуры воздуха (на схеме не показаны) составляет менее нуля градусов Цельсия, а средняя температура охлаждающей жидкости, измеренная посредством датчика температуры охлаждающей жидкости 11, составляет менее 30 градусов Цельсия, то осуществляется преднагрев аккумуляторной батареи до нуля градусов Цельсия.
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 осуществляется охлаждение полупроводниковых модулей силовой электроники 13 до температуры не выше, чем 95 градусов Цельсия.
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 14, не превышает 30 градусов Цельсия, то должно осуществляется охлаждение аккумуляторной батареи (до 30 градусов Цельсия и полупроводниковых модулей силовой электроники 13 до температуры не выше, чем 95 градусов Цельсия).
Таким образом достигается повышение надежности аккумуляторного накопителя энергии, включающего аккумуляторную батарею и полупроводниковые модули силовой электроники, при расширении диапазона температур окружающей среды.