浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统及方法

1.本发明属于超级充电桩一体化冷却技术领域，具体涉及了一种浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统及方法。


背景技术：

2.在能源安全和绿色交通的双重推动下，电动汽车近年来发展迅速。锂离子电池因其能量密度高、功率密度高、循环寿命长等优点成为电动汽车的主要动力源。但由于电池参数与使用条件的依赖关系，锂离子电池在实际应用中仍然面临一些困难和挑战。相比于传统燃油汽车，电动汽车补能时间大大延长，在慢充工况下电池包甚至需要8～10h才可充满。解决充电时间焦虑的关键是快充电芯和快充充电桩的推广应用。然而，充电桩电能转换装置的产热功率将随充电功率上升而激增。
3.传统低功率充电桩的风冷、油冷等散热方式不再适用于超级快充充电桩核心部件的冷却。现有低功率充电桩散热方案不需要考虑充电线缆的散热需求，而在快充模式下，充电线缆将承载更高的电流倍率，其产热功率激增。增粗充电线缆可以有效减少充电线缆产热，但却大大增加了整机成本。因此，在不显著增粗充电线缆的条件下，需要额外考虑充电线缆的冷却需求。此外，充电枪的充电端子与电池包接口处因接触电阻，也产生了强烈的散热需求。专利cn114024161a提供了一种采用液冷方式对充电线缆和充电枪冷却的解决方案，但却需要为充电线缆冷却环路额外配备一个驱动泵，增加了整机成本和附加能耗。
4.综上所述，超级快充充电桩的技术关键不仅仅在于提高功率，更在于提高包括充电模块、充电线缆、充电枪在内的系统整体散热能力。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述问题，即现有低功率充电桩风冷、液冷散热方式不能满足超级充电桩的散热需求，充电线缆与充电枪缺乏有效冷却的问题，本发明提供了一种浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，所述一体化冷却系统包括工质箱体、系统压力传感器、电网侧功率传感器、充电功率模块温度和状态传感器、冷凝器、充电线缆、充电管理模块和调压模块；
6.所述工质箱体中充注液态相变冷却工质，所述液态相变冷却工质的高度高于浸泡式超级充电桩的充电功率模块且低于所述工质箱体的顶板；
7.所述系统压力传感器设置于所述工质箱体的未被液态相变冷却工质浸泡的顶部空间，用于监测所述工质箱体的压力；
8.所述电网侧功率传感器设置于电网线缆接入端，用于获取电网侧功率；
9.所述充电功率模块上设置有充电功率模块温度和状态传感器；
10.所述冷凝器为风冷凝器或水冷凝器，所述冷凝器密封连接于所述工质箱体的顶部；
11.所述充电线缆，其端部与所述工质箱体通过法兰连接；
12.所述充电管理模块用于根据获取的电网侧功率以及电池包充电功率，计算总产热功率，并结合工质箱体的压力获取所述风冷凝器的应转动风速或所述水冷凝器的冷凝水应流动流速，通过所述调压模块将所述风冷凝器的风扇转速速度调整为应转动风速或将水冷凝器的冷凝水流速调整为应流动流速。
13.在一些优选的实施例中，所述系统压力传感器，还用于进行压力异常报警：
14.当所述工质箱体内部的压力大于设定阈值时，所述系统压力传感器发出警报信息，所述充电管理模块接收到所述警报信息后，进行压力异常报警。
15.在一些优选的实施例中，所述压力异常报警为声音报警、图像报警中的一种或多种。
16.在一些优选的实施例中，所述充电管理模块接收到所述警报信息，还设置有充电中断功能；
17.所述充电中断功能，配置为所述充电管理模块接收到所述警报信息后，中断当前电网侧功率输入，直到所述工质箱体内部的压力不大于设定阈值，恢复当前电网侧功率输入。
18.在一些优选的实施例中，所述充电线缆由所述工质箱体到电动汽车充电口呈高度下降趋势，且不存在水平段。
19.在一些优选的实施例中，所述充电线缆设置有冷却工质流道。
20.在一些优选的实施例中，所述冷却工质流道为设置于所述充电线缆的零线和火线之间的柱状通道，或者设置于所述充电线缆的零线和火线外侧的环状通道。
21.本发明的另一方面，提出了一种浸泡式超级充电桩的一体化冷却方法，基于上述的浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，所述一体化冷却方法包括：
22.超级充电桩进入快速充电状态，风冷凝器的风扇启动或开启水冷凝器的冷凝水，充电桩管理模块获取电网侧功率以及电池包充电功率；
23.基于所述电网侧功率以及电池包充电功率，计算t时刻超级充电桩的总产热功率，并获取t时刻工质箱体的内部压力p
t
；
24.充电桩管理模块通过调压模块调整风冷凝器的风扇风速或水冷凝器的冷凝水流速，使设定采样周期内压力变化值δp≤5％p
t
；
25.工质箱体下部的液态相变冷却工质吸收充电功率模块、充电线缆和充电枪的热量后转变为气态；
26.气态相变冷却工质聚集至冷凝器后，冷凝为液态相变冷却工质，并回流至工质箱体下部，完成浸泡式超级充电桩的一体化冷却。
27.在一些优选的实施例中，所述t时刻超级充电桩的总产热功率为：q
gen
＝p
in-p
charge
p
charge
＝n
×i×u28.其中，q
gen
为t时刻超级充电桩的总产热功率，p
in
为电网侧功率，p
charge
为电池包充电功率，n为电池包中电池的数量，i，u分别为电池包负载连接位置处的电流值和电压值。
29.在一些优选的实施例中，所述风冷凝器的风扇风速、所述水冷凝器的冷凝水流速，其表示为：
30.其中，v
air
为风冷凝器的风扇风速，v
liquid
为水冷凝器的冷凝水流速，c
p，g
和c
p，l
分别为空气比热容和水比热容，sg和s
l
分别为冷凝器面积和冷凝水流道总截面积，δtg和δt
l
分别为进出口空气温度差的绝对值和冷凝水平均换热温度差的绝对值，ηg和η
l
分别为风冷凝器效率和水冷凝器效率。
31.本发明的有益效果：
32.(1)本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，针对现有低功率充电桩采用空冷、油冷散热方式，散热能力不足以满足快充需求，限制了充电桩功率提升的问题，利用冷却工质相变过程吸收充电桩热量，具有潜热高、换热系数高、相变过程温度不变等优势，能够有效控制充电桩功率模块温度并提高温均性，使得充电桩充电功率进一步提升成为可能。
33.(2)本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，针对现有充电桩冷却系统充电线缆和充电枪依靠液冷或者自然冷却，在快充工况下，充电线缆和充电枪的产热功率激增，现有冷却方式极可能导致局部过热，导致绝缘失效引发安全事故的问题，将相变冷却工质引入充电线缆及充电枪中，利用相变换热可有限控制充电线缆及充电枪的温度。
34.(3)本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，针对现有液冷充电桩冷却系统为充电功率模块和充电线缆分别配备一套冷却循环系统，造成整机造价高、占用体积大的问题，将充电功率模块与充电线缆共用使用同一冷却系统，极大地简化了整机散热系统，有效减小了整机体积及降低了整机造价。
35.(4)本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，针对现有液冷式充电桩冷却过程中需要驱动泵克服系统循环阻力，冷却过程耗功高的问题，提供一种浸泡式相变冷却方式，相变冷却工质吸热气化后在重力作用下向工质箱体顶部的冷凝器聚集，无需额外提供循环动力，降低了冷却系统能耗及成本。
附图说明
36.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
37.图1是本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统的结构示意图；
38.图2是本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的带单个柱状冷却工质流道的充电线缆截面示意图；
39.图3是本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的带两个环状冷却工质流道的充电线缆截面示意图；
40.图4是本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的充电线缆工质流道中冷却工质流动示意图；
41.图5是本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的工质箱体结构示意图；
42.图6是本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的工质箱体中冷却工质填充状态示意图；
43.图7是本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统的快充过程冷却测控示意图；
44.附图标记说明：
45.1、充电桩柜体；2、工质箱体；3、冷凝器；4、充电线缆；5、充电枪；6、充电功率模块；7、接线端子；8、法兰孔；9、系统压力传感器；10、冷却工质流道；11、充电线缆零线；12、充电线缆火线。
具体实施方式
46.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
47.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
48.本发明的一种浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，所述一体化冷却系统包括工质箱体、系统压力传感器、电网侧功率传感器、充电功率模块温度和状态传感器、风冷凝器、水冷凝器、充电线缆、充电管理模块和调压模块；
49.所述工质箱体中充注液态相变冷却工质，所述液态相变冷却工质的高度高于浸泡式超级充电桩的充电功率模块且低于所述工质箱体的顶板；
50.所述系统压力传感器设置于所述工质箱体的未被液态相变冷却工质浸泡的顶部空间，用于监测所述工质箱体的压力；
51.所述电网侧功率传感器设置于电网线缆接入端，用于获取电网侧功率；
52.所述充电功率模块上设置有充电功率模块温度和状态传感器；
53.所述冷凝器为风冷凝器或水冷凝器，所述冷凝器密封连接于所述工质箱体的顶部；
54.所述充电线缆，其端部与所述工质箱体通过法兰连接；
55.所述充电管理模块用于根据获取的电网侧功率以及电池包充电功率，计算总产热功率，并结合工质箱体的压力获取所述风冷凝器的应转动风速或所述水冷凝器的冷凝水应流动流速，通过所述调压模块将所述风冷凝器的风扇转速速度调整为应转动风速或将水冷凝器的冷凝水流速调整为应流动流速。
56.为了更清晰地对本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
57.本发明第一实施例的浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，包括工质箱体2、系统压力传感器9、电网侧功率传感器、充电功率模块温度和状态传感器、冷凝器3(冷凝器3为风冷凝器或水冷凝器)、充电线缆4、充电管理模块和调压模块，各模块详细描述如下：
58.工质箱体2中充注液态相变冷却工质，液态相变冷却工质的高度高于浸泡式超级充电桩的充电功率模块且低于工质箱体2的顶板，即液态相变冷却工质需要保证将充电功率模块完全浸泡，并且液态相变冷却工质不完全充满整个工质箱体2，液态相变冷却工质液面上方存在一定的空间。
59.系统压力传感器9设置于工质箱体2的未被液态相变冷却工质浸泡的顶部空间，用于监测工质箱体2的压力。
60.系统压力传感器9，还用于进行压力异常报警：
61.当工质箱体2内部的压力大于设定阈值时，系统压力传感器9发出警报信息，充电管理模块接收到警报信息后，进行压力异常报警。
62.压力异常报警为声音报警、图像报警中的一种或多种。
63.充电管理模块接收到警报信息，还设置有充电中断功能：充电管理模块接收到警报信息后，中断当前电网侧功率输入，直到工质箱体2内部的压力不大于设定阈值，恢复当前电网侧功率输入。
64.电网侧功率传感器设置于电网线缆接入端，用于获取电网侧功率。
65.充电功率模块上设置有充电功率模块温度和状态传感器。
66.冷凝器3为风冷凝器或水冷凝器，风冷凝器或水冷凝器均密封连接于工质箱体2的顶部。
67.充电线缆4，其端部与工质箱体2的圆孔通过法兰连接，保证冷却系统的密封性。充电线缆设置有冷却工质流道10。
68.充电线缆4由工质箱体2到电动汽车充电口呈高度下降趋势，且不存在水平段。这种布置能够有效减少气态冷却工质在充电线缆中积聚，加快气泡(气态冷却工质在液态冷却工质中的形态)向高处运动，增强冷却性能。
69.冷却工质流道10为设置于充电线缆4的零线和火线之间的柱状通道，或者设置于充电线缆4的零线和火线外侧的环状通道。
70.如图2所示，为本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的带单个柱状冷却工质流道的充电线缆截面示意图，仅包含一条工质流道10，且位于充电线缆4的零线11、火线12之间，并沿充电线缆4一直流入充电枪5中。
71.如图3所示，为本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的带两个环状冷却工质流道的充电线缆截面示意图，包含两条工质流道10，工质流道10分别包裹充电线缆的零线11、火线12，并沿充电线缆4一直流入充电枪5中。
72.上述的充电线缆结构仅是本发明提供的较为优选的2种方案，充电线缆4的冷却结构不仅限于附图2和附图3给出的两种结构。
73.如图4所示，为本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的充电线缆工质流道中冷却工质流动示意图，充电线缆中的流道是单向流道，流道中的工质吸收热量汽化之后就会沿着通道向高处运动，并在工质箱体顶部聚集冷凝后回流至工质箱体，而因为重力的作用，工质箱体内部的液态冷却工质持续给充电线缆补充，使得充电线缆中一直充满液体工质。这里可以理解为一根竖直向上热管的工作原理。
74.充电管理模块用于根据获取的电网侧功率以及电池包充电功率，计算总产热功率，并结合工质箱体的压力获取风冷凝器的应转动风速或水冷凝器的冷凝水应流动流速，通过所述调压模块将所述风冷凝器的风扇转速速度调整为应转动风速或将所述水冷凝器的冷凝水流速调整为应流动流速。
75.如图5所示，为本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的工质箱体结构示意图，工质箱体2的顶部安装有压力传感器9，用于监测冷却系统的工作压力，以及
对压力异常上升预警。充电功率模块6、接线端子7固定安装于工质箱体2的内壁，并被工质箱体2内部的液态相变冷却工质浸没。每个充电功率模块6分别引出电线与接线端子7的正、负极连接，构成并联拓扑结构。优选的，超级充电桩的充电功率为所有充电功率模块6所提供充电功率之和。工质箱体2底部开有法兰孔8，与充电线缆4端部以法兰连接，保证系统密封性。充电线缆4线组的火线、零线分别与接线端子7的正、负极连接。工质箱体2内的相变工质在重力作用下通过法兰孔8流入充电线缆4中的工质流道10中。
76.如图6所示，为本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统一种实施例的工质箱体中冷却工质填充状态示意图，工质箱体2内液态冷却工质的液位高度为d1，且d1在冷却系统工作过程中恒高于功率模块6安装高度d3，液态工质液面与工质箱体2顶部的距离为d2。d2的高度根据实际应用中的充电桩参数确定，以寻求液态冷却工质的用量与系统的冷却性能之间的平衡。
77.本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，其工作过程描述如下：当超级充电桩工作时，充电功率模块6、充电线缆4、充电枪5产生热量，液态相变冷却工质吸收热量发生气化。气态相变冷却工质在重力作用下，向工质箱体2的顶部运动，并在冷凝器3处聚集。冷凝器3将气态相变冷却工质中的热量传递至外界环境，使其重新液化并回流至工质箱体2内。
78.如图7所示，为本发明浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统的快充过程冷却测控示意图，本发明第二实施例的浸泡式超级充电桩的一体化冷却方法，基于上述的浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统，所述一体化冷却方法包括：
79.步骤s10，超级充电桩进入快速充电状态，风冷凝器的风扇启动或开启水冷凝器的冷凝水，充电桩管理模块获取电网侧功率以及电池包充电功率，如式(1)所示：p
charge
＝n
×i×uꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
80.其中，p
charge
为电池包充电功率，n为电池包中电池的数量，i，u分别为电池包负载连接位置处的电流值和电压值。
81.步骤s20，基于所述电网侧功率以及电池包充电功率，计算t时刻超级充电桩的总产热功率，并获取t时刻工质箱体的内部压力p
t
。
82.t时刻超级充电桩的总产热功率如式(2)所示：q
gen
＝p
in-p
charge
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
83.其中，q
gen
为t时刻超级充电桩的总产热功率，p
in
为电网侧功率。
84.步骤s30，充电桩管理模块通过调压模块调整风冷凝器的风扇风速或水冷凝器的冷凝水流速，使设定采样周期内压力变化值δp≤5％p
t
。
85.风冷凝器的风扇风速、水冷凝器的冷凝水流速，其表示分别如式(3)和式(4)所示：风冷凝器的风扇风速、水冷凝器的冷凝水流速，其表示分别如式(3)和式(4)所示：
86.其中，v
air
为风冷凝器的风扇风速，v
liquid
为水冷凝器的冷凝水流速，c
p，g
和c
p，l
分别为空气比热容和水比热容，sg和s
l
分别为冷凝器面积和冷凝水流道总截面积，δtg和δt
l
分别为进出口空气温度差的绝对值和冷凝水平均换热温度差的绝对值，ηg和η
l
分别为风冷凝
器效率和水冷凝器效率。
87.步骤s40，工质箱体下部的液态相变冷却工质吸收充电功率模块、充电线缆和充电枪的热量后转变为气态。
88.步骤s50，气态相变冷却工质聚集至冷凝器后，冷凝为液态相变冷却工质，并回流至工质箱体下部，完成浸泡式超级充电桩的一体化冷却。
89.工质箱体2内部的压力变化值δp，其表示如式(5)所示：δp＝p
t+1-p
t
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
90.其中，p
t+1
为t+1时刻工质箱体的内部压力，p
t
为t时刻工质箱体的内部压力。
91.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
92.需要说明的是，上述实施例提供的浸泡式超级充电桩的一体化冷却系统及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
93.本发明第三实施例的一种设备，包括：
94.至少一个处理器；以及
95.与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
96.所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的浸泡式超级充电桩的一体化冷却方法。
97.本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的浸泡式超级充电桩的一体化冷却方法。
98.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
99.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
100.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
101.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的
其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
102.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。