直冷式的储能电池的热管理系统

948 编辑：中冶有色技术网来源：华涧新能源科技(上海)有限公司

2024-01-09 15:37:30

权利要求书： 1.一种直冷式的储能电池的热管理系统，其特征在于，包括：气浮离心压缩机，其被配置为对制冷剂进行压缩，以形成第一状态的制冷剂；

冷凝器，其入口连接至所述气浮离心压缩机的排气口，且被配置为对所述第一状态的制冷剂进行降温，以形成第二状态的制冷剂，所述第二状态的温度低于所述第一状态，但压力相同；以及直冷板，其设置于电芯的一侧或双侧表面处，其入口与冷凝器的出口连通，出口与所述气浮离心压缩机的进气口连通，且所述直冷板的入口处设置有节流元件。

2.如权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述直冷板包括：第一直冷板，设置于所述电芯的第一表面处，包括第一入口及第一出口，且所述第一入口处设置有第一节流元件；以及第二直冷板，设置于与所述第一表面相对的电芯的第二表面处，包括第二入口及第二出口，且所述第二入口处设置有第二节流元件。

3.如权利要求2所述的热管理系统，其特征在于，所述第二直冷板中的流体流向被配置为与所述第一直冷板中的流体流向相反。

4.如权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述节流元件包括电子膨胀阀。

5.如权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，还包括至少一个温度传感器以及至少一个压力传感器。

6.如权利要求5所述的热管理系统，其特征在于，所述温度传感器设置于所述直冷板的出口和/或所述气浮离心压缩机的排气口处。

7.如权利要求5所述的热管理系统，其特征在于，所述压力传感器设置于所述直冷板的出口和/或所述气浮离心压缩机的排气口处。

8.如权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，还包括风扇，设置于所述冷凝器处，其被配置为将常温空气引入所述冷凝器以实现热交换。

9.如权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，所述气浮离心压缩机包括：电机，其包括：

壳体，其内部两端分别设置有第一腔室及第二腔室；以及转子，其上设置有气浮径向轴承，所述转子的端部设置有推力盘，所述推力盘的一侧或两侧设置有气浮推力轴承；

叶轮，布置于所述转子的端部，且位于所述第一腔室和/或第二腔室内；

进气口，其与所述第一腔室的进气口连通；

排气口，其与所述第二腔室的出气口连通；

连接管，其两端分别与所述第一腔室的出气口以及第二腔室的进气口连通。

10.如权利要求9所述的热管理系统，其特征在于，所述气浮离心压缩机还包括级间补气口，所述级间补气口设置于所述连接管上。

说明书：一种直冷式的储能电池的热管理系统技术领域[0001] 本实用新型涉及热管理技术领域，特别涉及一种直冷式的储能电池的热管理系统。背景技术[0002] 热管理是指对总系统、分立部件或其环境的温度进行管理和控制，其目的是维护各部件的正常运行或提高其性能或寿命。当前，在诸如电化学储能等领域中通常都需要进行热管理，热管理对储能系统的性能、寿命、安全性都有显著影响。对于储能电池而言，其可采用风冷或液冷的方式。[0003] 风冷及液冷方式都是采用制冷剂通过中间介质与储能电池进行热交换，一方面来说这种方式必然存在热交换损失，对于高充放电倍率的储能电池，其难以满足快速冷却的效果。另一方面，在现有的热管理系统中，制冷剂的循环通常通过传统涡旋或转子压缩机实现，同样存在一定的缺陷。具体而言，传统涡旋或转子压缩机总成通常具有较大的体积，在一些热管理系统中甚至需要采用两套压缩机制冷系统进行制冷。同时，传统涡旋或转子压缩机的内部零件在运行时存在摩擦的缺陷，因此对系统中的其他零件的清洁度要求高，且系统运行的可靠性差。此外，为了提升可靠性，传统涡旋或转子压缩机还需要用到压缩机油来进行润滑和密封，既增加了压缩机油成本，而且压缩机油进入系统后，会与制冷剂进行互溶，影响制冷剂的换热，直接导致系统制冷量下降5％以上。实用新型内容

[0004] 针对现有技术中的部分或全部问题，本实用新型提供一种直冷式的储能电池的热管理系统，包括：[0005] 气浮离心压缩机，其被配置为对制冷剂进行压缩，以形成第一状态的制冷剂；[0006] 冷凝器，其入口连接至所述气浮离心压缩机的排气口，且被配置为对所述第一状态的制冷剂进行降温，以形成第二状态的制冷剂，所述第二状态的温度低于所述第一状态，但压力相同；以及[0007] 直冷板，其设置于电芯的一侧或双侧表面处，其入口与冷凝器的出口连通，出口与所述气浮离心压缩机的进气口连通，且所述直冷板的入口处设置有节流元件。[0008] 进一步地，所述直冷板包括：[0009] 第一直冷板，设置于所述电芯的第一表面处，包括第一入口及第一出口，且所述第一入口处设置有第一节流元件；以及[0010] 第二直冷板，设置于与所述第一表面相对的电芯的第二表面处，包括第二入口及第二出口，且所述第二入口处设置有第二节流元件。[0011] 进一步地，所述第一直冷板中的流体流向与所述第二直冷板中的流体流向相反。[0012] 进一步地，所述第一节流元件和/或第二节流元件为电子膨胀阀。[0013] 进一步地，所述热管理系统还包括至少一个温度传感器以及至少一个压力传感器。[0014] 进一步地，所述温度传感器设置于所述直冷板的出口和/或所述气浮离心压缩机的排气口处。[0015] 进一步地，所述压力传感器设置于所述直冷板的出口和/或所述气浮离心压缩机的排气口处。[0016] 进一步地，所述热管理系统还包括风扇，设置于所述冷凝器处，用于将常温空气引入所述冷凝器以实现热交换。[0017] 进一步地，所述气浮离心压缩机包括：[0018] 电机，其包括：[0019] 壳体，其内部两端分别设置有第一腔室及第二腔室；[0020] 转子，其上设置有气浮径向轴承，所述转子的端部设置有推力盘，所述推力盘的一侧或两侧设置有气浮推力轴承；以及[0021] 定子；[0022] 叶轮，布置于所述转子的端部，且位于所述第一腔室和/或第二腔室内；[0023] 进气口，其与所述第一腔室的进气口连通；[0024] 排气口，其与所述第二腔室的出气口连通；[0025] 连接管，其两端分别与所述第一腔室的出气口以及第二腔室的进气口连通。[0026] 进一步地，所述气浮离心压缩机还包括级间补气口，所述级间补气口设置于所述连接管上。[0027] 本实用新型提供的一种直冷式的储能电池的热管理系统，首先采用了电芯直冷的结构，进而有效地避免了传统系统的换热损失，提升了系统的能效。其次，在储能电池中设置有节流元件，使得制冷剂节流后再进入冷板，进而能够更快的产生冷量，以更好地满足储能电池在快速充放电时产出的瞬间散热需求，同时，上下冷板采用对向流动的结构，能够更好地实现储能电池的温度均匀性。而在热管理系统中，采用了电动高速气浮离心压缩机作为制冷剂循环的核心部件，相对传统汽车空调系统的电动涡旋压缩机，电动高速气浮离心压缩机体积小、重量轻、无压缩机油，压缩机与系统可靠性高，系统制冷量大。具体而言，电动高速气浮离心压缩机在运行时轴承与电机轴无接触，因此轴承磨损小，寿命长。此外电动高速气浮离心压缩机为高速永磁同步电机，压缩机功率密度大，体积与质量小。同时，采用内循环动压气浮轴承，无需额外补气管路，结构简单可靠，且可额外设置中间管补气孔，方便实现级间冷却，降低压缩机功耗。此外，所述电动高速气浮离心压缩机采用了闭式叶轮，且压壳内壁面设置有密封齿，还能减小泄漏及回流损失，进一步提升压缩机气动效率。附图说明[0028] 为进一步阐明本实用新型的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本实用新型的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本实用新型的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。[0029] 图1示出本实用新型一个实施例的一种储能电池的结构示意图；[0030] 图2示出本实用新型一个实施例的一种直冷式的储能电池的热管理系统的结构示意图；以及[0031] 图3a?3e示出本实用新型不同实施例中的气浮离心压缩机的结构示意图。具体实施方式[0032] 以下的描述中，参考各实施例对本实用新型进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本实用新型的实用新型点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本实用新型的实施例的全面理解。然而，本实用新型并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。[0033] 在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本实用新型的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。[0034] 针对现有储能热管理产品存在的缺点，本实用新型采用高速气浮离心压缩机取代涡旋或转子压缩机，以高速气浮离心压缩机作为制冷剂回路的动力源，同时，对储能电池采用直接式的冷却方式，搭建一套储能热管理系统。[0035] 具体而言，储能电池采用了电芯直冷的方式，即在电芯的外表面处或距离其外表面一定位置处设置有直冷板，制冷剂从直冷板的入口进入所述直冷板，并从出口流出，在此过程中吸收电芯散发的热量。在本实用新型的一个实施例中，所述入口处还可以设置节流元件，诸如膨胀阀、毛细管、节流管等，以对制冷剂进行节流，节流后的制冷剂在直冷板内迅速进行膨胀、蒸发，并直接与电芯进行热交换，制冷剂吸收储能电池，尤其是其电芯中产生的热量，从而使储能电池降到预期的温度，实现冷却的效果。经测试，将制冷剂通过直冷板直接引入储能电池内部，制冷剂直接吸热电芯产生的热量，可将换热效率提升5％以上。[0036] 下面结合实施例附图，对本实用新型的方案作进一步描述。[0037] 图1示出本实用新型一个实施例的一种储能电池的结构示意图。如图1所示，一种储能电池001，包括电芯011、第一直冷板012以及第二直冷板013。其中，所述第一直冷板012设置于所述电芯011的第一表面或距离第一表面一定距离处，且其包括第一入口及第一出口，如前所述，在本实用新型的一个实施例中，所述第一入口处还设置有第一节流元件014。其中所述第一节流元件是指用于降低气体压力以达到蒸发目的的装置或元件，例如可以为：膨胀阀、毛细管、节流管等。所述第二直冷板013设置于所述电芯011的第二表面或距离第二表面一定距离处，其中所述第二表面是指与所述第一表面相对一侧表面。类似地，所述第二直冷板013包括第二入口及第二出口，如前所述，在本实用新型的一个实施例中，所述第二入口处还设置有第二节流元件015。其中所述第二节流元件是指用于降低气体压力以达到蒸发目的的装置或元件，例如可以为：膨胀阀、毛细管、节流管等。

[0038] 为了避免储能电池散热不均匀的问题，在本实用新型的一个实施例中，所述储能电池采用了上下冷板反向进出的结构，即使得所述第一直冷板012中的流体流向与所述第二直冷板013中的流体流向相反。这可以通过将第一、第二直冷板的进出口完全相反设置来实现，也就是说，将第二直冷板的第二出口设置于与第一直冷板的第一入口相同的一侧，二第二入口设置于与第一出口相同的一侧。[0039] 图2示出本实用新型一个实施例的一种直冷式的储能电池的热管理系统的结构示意图。其用于为如前所述的储能电池提供热管理，具体而言是循环提供压缩、冷凝后的制冷剂。如图2所示，一种热管理系统包括气浮离心压缩机002以及冷凝器003。其中所述气浮离心压缩机002的进气口与所述储能电池001的第一出口及第二出口连通，其主要用于对制冷剂进行压缩，以形成第一状态的制冷剂。所述冷凝器003的入口连接至所述气浮离心压缩机002的排气口，出口则与所述储能电池001的第一入口及第二入口连通，以用于对所述第一状态的制冷剂进行降温，以形成第二状态的制冷剂，所述第二状态的温度低于所述第一状态，但压力相同。

[0040] 如图2所示，与储能电池完成热交换后的高温低压制冷剂进入所述气浮离心压缩机002内进行压缩，形成第一状态的制冷剂。在本实用新型的一个实施例中，所述气浮离心压缩机002包括电机、叶轮、进气口、排气口以及连接管。所述电机包括转子系统、定子以及壳体。[0041] 图3a?3e示出本实用新型不同实施例中的气浮离心压缩机的结构示意图。如图所示，所述电机的转子系统包含有径向的气浮轴承111，当电机转轴旋转时，所述径向的气浮轴承吸入气体，形成气膜支撑转子高速旋转，同时推力轴承(若有)也形成气膜，使得推力转轴与轴承无接触，轴承几乎无磨损，且能大幅地降低甚至消除机械损失及噪声。如图所示，所述叶轮200设置于所述转子101的端部处，用于压缩来自蒸发器的低温低压制冷剂气体，以形成高温高压的制冷剂气体排入冷凝器。在此，术语“径向”和“轴向”是指转子或其旋转轴的径向和轴向。在本实用新型的实施例中，所述转子系统101中包含两个径向轴承，所述两个径向轴承之间存在一定间距，且可对称地分布于所述转子上。在本实用新型的一个实施例中，所述径向轴承采用箔片式动压气浮轴承，当有气体引入轴承位置时，可形成气膜，进而达到气浮效果。[0042] 为了承受在压缩机工作过程中产生的轴向推力，在本实用新型的一个实施例中，所述转子系统中还设置有推力盘112及推力轴承113。推力盘112及推力轴承113是可选的。所述推力盘112可以设置于所述转子的任意一端，也可以在转子的两端分别设置一个推力盘112。当仅设置一个推力盘时，可在所述推力盘112的两侧分别设置一个推力轴承113，两个推力轴承113的作用面均朝向所述推力盘112，因此可分别承受不同方向的轴向推力，具体而言，所述两个推力轴承113可承受的轴向推力方向相反。当设置有两个推力盘时，可在所述两个推力盘112相对的两侧，或者相远离的两侧分别设置一个推力轴承113，两个推力轴承113的作用面均朝向所述推力盘112，因此可分别承受不同方向的轴向推力，具体而言，所述两个推力轴承113可承受的轴向推力方向相反。在本实用新型的一个实施例中，所述推力轴承采用箔片式动压气浮轴承，当有气体引入轴承位置时，可形成气膜，进而达到气浮效果。

[0043] 此外，在本实用新型的不同实施例中，可根据实际需求，设置单级、双级或多级叶轮。具体而言，仅设置单级叶轮时，所述叶轮200可设置于所述转子的任意一端，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。当设置有两级叶轮时，所述两个叶轮可以分别设置于所述转子的两端，也可以全部设置于所述转子的任意一端，当分别设置于所述转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于所述转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。类似地，当设置有多级叶轮时，所述多个叶轮可以等分或不等分地分别设置于所述转子的两端，也可以全部设置于所述转子的任意一端，当分别设置于所述转子的两端时，可将设置有前一级叶轮的一侧记为低压侧，而设置有后一级叶轮的一侧记为高压侧，当全部设置于所述转子的一端时，则可将设置有叶轮的一侧记为高压侧，而未设置叶轮的一侧记为低压侧。基于此，如图所示，当转子转动时，主气路中经所述叶轮压缩过的高压气体的一部分会在压力作用下，进入高压侧的径向轴承，然后经过电机定子与转子之间的气隙进入低压侧的径向轴承，并回到主气路中。当设置有推力盘及推力轴承时，所述高压气体还会经过所述推力轴承形成气膜，承受轴向推力。为了有效降低所述推力轴承所受到的轴向推力，在本实用新型的一个实施例中，所述低压侧的叶轮与高压侧的叶轮采用背靠背的方式设置，进而使得高压侧与低压侧的叶轮的轴向推力方向相反，以互相抵消。在本实用新型的一个实施例中，所述叶轮采用闭式叶轮。在本实用新型的一个实施例中，所述叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。[0044] 所述壳体的内部的两端分别设置有第一腔室及第二腔室，所述叶轮设置于所述第一腔室和/或第二腔室内。其中，所述第一腔室的进气口与所述压缩机的进气口连通，也可理解为，所述进气口即为所述第一腔室的进气口。所述第一腔室与第二腔室之间设置有连接管，气体从所述第一腔室的出气口流出进入所述连接管后，经所述第二腔室的进气口进入第二腔室内。所述第二腔室的出气口与所述压缩机的排气口连通，也可理解为，所述排气口即为所述第二腔室的出气口。在本实用新型的实施例中，所述第一腔室及第二腔室的出气口处还分别设置有第一端盖及第二端盖，所述第一端盖及第二端盖与所述转子、叶轮之间存在间隙，气体可经由这些间隙从主气路进入气浮轴承或从气浮轴承回到主气路中。此外，所述电机的两端的外侧还分别设置有压壳，所述压壳与所述叶轮之间设置有密封圈，所述密封圈可显著降低叶轮出口到进口的回流效应，可进一步提升压缩机效率。为了降低所述叶轮的压缩功耗，在本实用新型的一个实施例中，在所述连接管上还设置有级间补气孔，以接入来自经济器的排气，对气体进行冷却，进而达到降低叶轮的压缩功耗、提升系统的效率的目的。[0045] 如图2所示，所述冷凝器003的入口连接至所述气浮离心压缩机002的排气口，用于对所述第一状态的制冷剂进行降温，以得到第二状态的制冷剂，所述第二状态的制冷剂的温度低于所述第一状态的制冷剂，但压力基本不变。在本实用新型的一个实施例中，为了提高制冷效率，在所述冷凝器003的翅片处还设置有风扇004，所述风扇004将常温空气引入所述冷凝器003的翅片，使得所述冷凝器003内部的高温制冷剂的热量与空气进行热交换，进而达到冷凝的目的。[0046] 为了计算系统制冷需求进而控制各个器件或模块的工作状态，以及保护系统运行，在本实用新型的一个实施例中，在所述热管理系统中还设置有温度传感器T及压力传感器P。如图所示，所述温度传感器T及压力传感器P例如可设置于所述储能电池的第一、第二出口和/或所述气浮离心压缩机的排气口处。[0047] 所述热管理系统工作时，首先通过所述气浮离心压缩机对制冷剂采用离心的方式进行压缩，压缩后的高温制冷剂通过管路到达冷凝器，风扇将常温的空气吸入冷凝器翅片，冷凝器将内部高温制冷剂的热量与空气进行热交换，冷凝后的制冷剂经过管路直接流入储能电池，在储能电池内部，制冷剂到达节流元件，节流元件对制冷剂进行节流，节流后的制冷剂在直冷板内迅速进行膨胀进行蒸发，经过节流膨胀的制冷剂直接与储能电池进行热交换，制冷剂吸收储能电池中产生的热量，从而使电池降到预期的温度，实现冷却的效果，经过电池吸热后的制冷剂再次回到气浮离心压缩机。同时，在储能电池内部，流入的制冷剂会根据电芯的数量和排布分为多个分支，每个分支在进入直冷板前会安装一个节流元件，如电子膨胀阀等，根据每个电芯的散热需求，自动调节所述电子膨胀阀的开度。[0048] 尽管上文描述了本实用新型的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本实用新型的精神和范围。因此，此处所公开的本实用新型的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。