基于地源热泵的充换电站热管理系统的制作方法

1.本发明涉及热管理领域，尤其涉及一种基于地源热泵的充换电站热管理系统。


背景技术：

2.目前，大多数充换电站的换电功能模块，充电桩，操作间的热管理系统是相互独立的，换电模块的电池采用自然冷却和加热，冬季和夏季充电时间较长，且热安全性较低，充电桩一般采用独立的风冷系统冷却，针对大功率充电下的高发热量问题应对不足，操作间的冷暖舒适性一般通过安装家用空调解决。各系统之间相互独立，整个系统的制冷采暖能力不足，且夏季冬季各系统之间的余热无法相互利用，整个系统运行能耗偏高。
3.现有的采暖制冷系统多采用空气源热泵空调，在极端高温低温情况下制冷采暖能力不足，系统的全面应用有环境局限性。


技术实现要素：

4.本发明主要目的在于提供一种实现将地下水作为主要冷/热源，供整个综合系统加热和制冷的充换电站热管理系统，从而克服极低温极高温工况下制冷制热能力不足的问题。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.提供一种基于地源热泵的充换电站热管理系统，包括：
7.地源水循环子系统，为整个充换电站热管理系统提供地源循环水，进行热交换；
8.充电模块冷却子系统，与地源水循环子系统之间进行换热，为充电功能区的多个充电桩进行加热或者冷却；
9.热泵制冷剂子系统，通过阀组的组合控制，实现热泵和制冷两种模式切换，并与地源水循环子系统进行热交换，同时还与控制间采暖子系统、换电模块加热制冷子系统进行热交换；
10.控制间采暖子系统，用于调节控制间的温度，当通过热泵制冷剂子系统的水暖制热不足时，由电加热器进行补充加热；
11.换电模块加热制冷子系统，用于为换电功能区的多个电池包加热或者冷却。
12.接上述技术方案，其中：
13.地源水循环子系统包括取水井、回水井、除砂器、第一水泵、水冷凝/蒸发器、水-水换热器，均通过绝热管路连接，由第一水泵驱动，通过水-水换热器和水冷凝/蒸发器进行换热；
14.充电模块冷却子系统包括第二水泵、第一流量调节阀组，还包括安装在充电功能区多个充电桩上的绝热水管，第一流量调节阀组安装在绝热水管上，控制不同充电桩处的水流量；通过第二水泵与水-水换热器连通，并与地源水循环子系统换热；
15.热泵制冷剂子系统包括压缩机、水冷凝器、蒸发器、3个有截止功能的电子膨胀阀、两个截止阀，由压缩机驱动，通过阀组的组合控制，实现系统的热泵和制冷两种模式切换，
并通过水冷凝/蒸发器与地源水循环子系统进行热交换，通过水冷凝器与控制间采暖子系统、换电模块加热制冷子系统进行热交换；
16.控制间采暖子系统包括第三水泵、比例三通阀、暖芯、电加热器，由第三水泵驱动热水实现对控制间的采暖，当通过水暖制热不足时，由电加热器进行补充加热，比例三通阀实现与换电模块加热制冷子系统的水流量分配；
17.换电模块加热制冷子系统包含第四水泵、三通阀、第二流量调节阀组、水-制冷剂换热器，还包括安装在换电功能区多个电池包上的换热水管，第二流量调节阀组安装在换热水管上，控制不同电池包处的水流量；由第四水泵驱动热/冷水通过水-制冷剂换热器对电池包进行加热冷却，三通阀控制换电模块加热制冷子系统自循环冷却及与控制间采暖子系统进行耦合加热。
18.接上述技术方案，当高温环境下控制间、换电功能区电池包、充电功能区充电桩需要冷却时，第一水泵从取水井取低温地下水，经过除沙器除沙，在水-水换热器对充电桩冷却水进行冷却，在水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂进行冷凝换热并回到回水井；
19.控制热泵制冷剂子系统中的阀组，使制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝/蒸发器冷凝，一路制冷剂在蒸发器放热对控制间进行降温，另一路制冷剂通过水-制冷剂换热器吸热，对换电功能区换热水管中的冷却液进行冷却；
20.换电模块加热制冷子系统的三通阀一路接通，第四水泵将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过第二流量调节阀组控制对不同电池包进行冷却；
21.充电模块冷却子系统中的冷却液经过第一流量调节阀组对不同充电桩进行冷却，并通过水-水换热器进行放热。
22.接上述技术方案，当低温环境下控制间需要采暖，电池包充电需要加热，充电桩需要无冷却需求时，地源水循环子系统水泵从取水井取高温地下水，经过除沙器除沙，在水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂进行蒸发换热并回到回水井；
23.控制热泵制冷剂子系统中的阀组，使制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝器冷凝，在水冷凝/蒸发器蒸发吸热，最终回到压缩机；
24.换电模块加热制冷子系统的三通阀一路接通，第四水泵将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过第二流量调节阀组控制对不同电池包进行加热；
25.控制间采暖子系统的第三水泵驱动冷却液与水冷凝器热交换吸热，通过比例三通阀控制进入控制间暖芯和电池包的流量，实现同时对电池包和控制间的加热。
26.接上述技术方案，当低温环境下控制间需要采暖，电池包充电需要加热，充电桩需要冷却时，地源水循环子系统第一水泵从取水井取高温地下水，经过除沙器除沙，在水-水换热器蒸发吸热，水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂进行二次蒸发吸热并回到回水井；
27.控制热泵制冷剂子系统中的阀组，使制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝器冷凝，在水冷凝/蒸发器蒸发吸热，最终回到压缩机；
28.换电模块加热制冷子系统的三通阀一路接通，第四水泵将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过流量调节阀控制对不同电池包进行加热；
29.控制间采暖子系统的第三水泵驱动冷却液与水冷凝器热交换吸热，通过比例三通
阀控制进入控制间暖芯和电池包的流量，实现同时对电池和控制间的加热；
30.充电模块冷却子系统中的冷却液经过第一流量调节阀组对不同充电桩进行冷却，并通过水-水换热器进行放热，将充电功能区余热回收利用。
31.接上述技术方案，当低温环境下控制间需要采暖，电池包充电需要冷却，充电桩需要冷却时，地源水循环子系统水泵从取水井取高温地下水，经过除沙器除沙，在水-水换热器蒸发吸热，水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂进行二次蒸发吸热并回到回水井；
32.控制热泵制冷剂子系统中的阀组，使制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝器冷凝，在水冷凝/蒸发器蒸发吸热，在水-制冷剂换热器二次蒸发吸热，最终回到压缩机；
33.换电模块加热制冷子系统的三通阀一路接通，第四水泵将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过第二流量调节阀控制对不同电池包进行冷却，将电池包的废热通过热泵回收利用；
34.充电模块冷却子系统中的冷却液经过第一流量调节阀组对不同充电桩进行冷却，并通过水-水换热器进行放热，将充电功能区的余热通过热泵回收利用。
35.接上述技术方案，热泵制冷剂子系统还包括气液分离器，将压缩机进气口的液态制冷剂进行分离，防止压缩机液击。
36.接上述技术方案，换电模块加热制冷子系统的其中一个三通阀连接在比例三通阀和第四水泵之间，另一个三通阀连接在电池包和控制间空调的暖芯之间。
37.本发明还提供一种基于地源热泵的充换电站热管理方法，其基于上述技术方案的地源热泵的充换电站热管理系统对整个充换电站进行一体化热管理，为在充电功能区换下的电池包充电时进行加热或者冷却，为充电功能区的充电桩在大功率快充时进行冷却，且同时调节控制间操作人员的空调加热或制冷。
38.本发明产生的有益效果是：本发明为解决电动汽车补能问题提出一种同时满足充电和换电的补能一体化解决方案，该方案的热管理系统需要同时满足换电站在给换下的电池充电时进行加热和冷却功能，直流快充桩在大功率充电时的冷却需求，且需要满足操作间操作人员的空调加热制冷需求。同时为了降低整个充换电站的能耗，降低冬季采暖的耗电，需要使用地源热泵系统，并将几个子系统耦合，充分利用了各系统的余热。
附图说明
39.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
40.图1是本发明实施例基于地源热泵的充换电站热管理系统的结构示意图；
41.图2是本发明实施例高温环境下基于地源热泵的充换电站热管理系统的工作示意图；
42.图3是本发明实施例低温环境下基于地源热泵的充换电站热管理系统的工作示意图；
43.图4是本发明实施例低温环境下基于地源热泵的充换电站热管理系统的另一种情形的工作示意图；
44.图5是本发明实施例低温环境下基于地源热泵的充换电站热管理系统的第三种情形的工作示意图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.本发明采用的热管理系统可以分为地源水循环子系统、充电模块冷却子系统、热泵制冷剂子系统、控制间采暖子系统和换电模块加热制冷子系统五个子系统,系统回路如图1所示。该基于地源热泵的充换电站热管理系统包括：
47.地源水循环子系统，为整个充换电站热管理系统提供地源循环水，进行热交换；
48.充电模块冷却子系统，与地源水循环子系统之间进行换热，为充电功能区的多个充电桩进行加热或者冷却；
49.热泵制冷剂子系统，通过阀组的组合控制，实现热泵和制冷两种模式切换，并与地源水循环子系统进行热交换，同时还与控制间采暖子系统、换电模块加热制冷子系统进行热交换；
50.控制间采暖子系统，用于调节控制间的温度，当通过热泵制冷剂子系统的水暖制热不足时，由电加热器进行补充加热；
51.换电模块加热制冷子系统，用于为换电功能区的多个电池包加热或者冷却。
52.具体地：
53.地源水循环子系统包括取水井、回水井、除砂器、水泵、水冷凝/蒸发器、水-水换热器，所述零部件通过绝热管路连接，由电子水泵驱动，通过水-水换热器和水冷凝/蒸发器进行换热。
54.充电模块冷却子系统包括水泵、多个流量调节阀、水-水换热器，由电子水泵驱动，通过水-水换热器与地源水循环子系统换热。
55.热泵制冷剂子系统包括压缩机、水冷凝器、水冷凝/蒸发器、蒸发器、3个有截止功能的电子膨胀阀、两个截止阀，由压缩机驱动，通过阀组的组合控制，实现系统的热泵和制冷两种模式切换，通过水冷凝/蒸发器与地源水循环子系统进行热交换，通过水冷凝器实现与采暖系统和电池制冷加热系统的热交换，通过水-制冷剂换热器实现对电池系统的冷却，通过蒸发器实现对控制间的制冷。
56.控制间采暖子系统包括水泵、比例三通阀、暖芯、电加热器等，由水泵驱动热水实现对控制间的采暖，当水暖系统制热不足时，由电加热器进行补充加热，比例三通阀实现与电池加热系统的水流量分配。
57.换电模块加热制冷子系统包含水泵、三通阀、多个流量调节阀等，有水泵驱动热/冷水对电池进行加热冷却，三通阀控制该子系统自循环冷却和与控制间水暖系统进行耦合加热功能。
58.进一步地，热泵制冷剂子系统还包括气液分离器，用于将压缩机进气口的液态制冷剂进行分离，防止压缩机液击。
59.实施例1：
60.高温环境下控制间需要制冷，换电模块电池充电需要冷却，充电模块充电桩需要冷却。
61.如图2所示，地源水循环子系统水泵b4从取水井取低温地下水，经过除沙器除沙，
在水-水换热器对充电桩冷却水进行冷却，在水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂(水-制冷剂换热器中的制冷剂)进行冷凝换热并回到回水井。
62.热泵制冷剂回路电子膨胀阀p1和截止阀j2打开，电子膨胀阀p2和电子膨胀阀p3节流，截止阀j1关闭，制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝/蒸发器冷凝，一路制冷剂经过电子膨胀阀p3节流后，在蒸发器放热对操作间进行降温，另一路制冷剂经过电子膨胀阀p2节流，通过水-制冷剂换热器吸热，对换电功能区的冷却液进行冷却。
63.换电模块加热制冷子系统的三通阀s1的2-3接通，水泵将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过流量调节阀控制对不同电池包进行冷却。
64.充电模块冷却子系统中的冷却液经过流量调节阀对不同充电桩进行冷却，并通过水-水换热器进行放热。
65.实施例2：
66.低温环境下控制间需要采暖，换电模块电池充电需要加热，充电模块充电桩需要无冷却需求。
67.如图3所示，地源水循环子系统水泵b4从取水井取高温地下水，经过除沙器除沙，在水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂进行蒸发换热并回到回水井。
68.热泵制冷剂回路电子膨胀阀p1打开，截止阀j2关闭，电子膨胀阀p2和电子膨胀阀p3关闭，电子膨胀阀p1节流，制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝器冷凝放热，通过电子膨胀阀p1节流，在水冷凝/蒸发器蒸发吸热，最终回到压缩机。
69.换电功能区的三通阀s2的1-2接通，水泵将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过流量调节阀控制对不同换电电池进行加热。
70.控制间采暖子系统水泵b1驱动冷却液与水冷凝器热交换吸热，通过比例三通阀控制进入控制间暖芯和充电模块的流量，实现同时对电池和控制间的加热。
71.实施例3：
72.低温环境下控制间需要采暖，换电模块电池充电需要加热，充电模块充电桩需要冷却。
73.如图4所示，地源水循环子系统水泵b4从取水井取高温地下水，经过除沙器除沙，在水-水换热器蒸发吸热，水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂进行二次蒸发吸热并回到回水井。
74.热泵制冷剂回路电子膨胀阀p1打开，截止阀j2关闭，电子膨胀阀p2和电子膨胀阀p3关闭，电子膨胀阀p1节流，制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝器冷凝，通过电子膨胀阀p1节流，在水冷凝/蒸发器蒸发吸热，最终回到压缩机。
75.换电功能区的三通阀s2的1-2接通，水泵b2将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过流量调节阀控制对不同换电电池进行加热。
76.控制间采暖子系统水泵b1驱动冷却液与水冷凝器热交换吸热，通过比例三通阀控制进入控制间暖芯和充电模块的流量，实现同时对电池和控制间的加热。
77.充电模块冷却子系统中的冷却液经过流量调节阀对不同充电桩进行冷却，并通过水-水换热器进行放热，通过热泵系统回收充电模块余热节省能耗。
78.实施例4：
79.低温环境下控制间需要采暖，换电模块电池充电需要冷却，充电模块充电桩需要
冷却。
80.如图5所示，地源水循环子系统水泵b4从取水井取高温地下水，经过除沙器除沙，在水-水换热器蒸发吸热，水冷凝/蒸发器对热泵制冷剂子系统的制冷剂进行二次蒸发吸热并回到回水井。
81.热泵制冷剂回路电子膨胀阀p1，p2节流，截止阀j2打开，电子膨胀阀p3关闭，制冷剂在压缩机的压缩下经过水冷凝器冷凝，通过电子膨胀阀p1节流，在水冷凝/蒸发器蒸发吸热，在水制冷剂换热器二次蒸发吸热，最终回到压缩机。
82.换电功能区的三通阀s2的2-3接通，水泵b2将冷却液通过水-制冷剂换热器与制冷剂发生热交换放热，并通过流量调节阀控制对不同换电电池进行冷却，将换电区电池的废热通过热泵回收利用。
83.充电模块冷却子系统中的冷却液经过流量调节阀对不同充电桩进行冷却，并通过水-水换热器进行放热，将充电模块余热吸收为热泵系统节省能耗。
84.综上，本发明实现了将地下水作为主要冷/热源，供整个综合系统加热和制冷，避免了极低温极高温工况下制冷制热能力不足问题。其中充电桩使用水冷系统，高温环境下通过水源系统进行散热，低温环境下通过水源热泵系统实现余热回收，提高了散热效果，降低了系统制热能耗；低温工况下通过间接热泵系统对换电电池和控制间进行采暖，降低能耗；低温工况下，当换电区大功率充电时，可以通过热泵系统回收电池的余热进行控制间采暖，在保证电池热安全情况下，降低整个系统能耗。
85.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。