一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统

1.本发明涉及电动汽车快充技术领域，尤其是涉及一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统。


背景技术：

2.目前，随着新能源电动汽车技术的快速发展，电动汽车的保有量不断增加，用户对电动汽车充电效率的要求越来越高，电池快充技术需求日益迫切。但由于受汽车电池热管理和充电线缆散热两大难题的制约，目前电动汽车的快充技术并未大规模普及应用。
3.当充电桩对电动汽车电池进行快速充电时，相比普通慢速充电，电池产生的热量会成倍增加。对于电池来说，高密度的热量积聚会加速电池老化，因此，快充过程中的电池冷却问题成为阻挡电池充电速度的主要因素。而现有车载冷却系统在充电时由于散热能力有限，并不能满足快充过程中对电池降温的要求。不仅如此，在电池温度过低时，电池的充电速度也会受到影响而降低。同时，电动汽车进行大功率充电时，电缆的发热也是个不能回避的问题。一般的做法是通过增大导体横截面积降低发热量，但这种方式一方面会使充电线缆与充电枪变得笨重，另一方面，随着充电时间的增加，充电线缆内部的热量若无法被带出，则会烧毁充电线缆及充电枪，不仅存在安全隐患而且会使充电枪的使用寿命减小。
4.专利cn 106711549 a提出了一种带冷却系统和加热系统的快速充电桩，包括供电模块、充电枪、充电枪座、加热器、热交换器、冷凝散热器、冷却液枪、冷却液枪座和壳体，通过借助充电桩完成对汽车充电过程中电池的热管理。但该专利也存在一些问题，一方面采用电加热方式对低温电池加热经济性低，另一方面对快充下充电线缆的发热问题欠缺考虑。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统，既能使电池充电时温度维持在正常工作范围内，又能使线缆充分散热保证供电功率，同时，集成化程度高，兼具便捷性与经济性。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明的目的是提供一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统，用于电池充电线路组件的冷却，所述电池充电线路组件包括依次连接的控制供电模块、液冷充电线缆、液冷充电枪、液冷充电座以及电池模组，所述快充充电站冷却系统包括制冷剂环路和冷却液环路；
8.所述制冷剂环路包括通过制冷剂管路依次连接的压缩机、冷凝器、第一节流装置、蒸发器；
9.所述第一节流装置与蒸发器两端并联有第二节流装置与板式换热器；
10.所述板式换热器一侧为制冷剂流道，另一侧为冷却液流道，通过板式换热器使制冷剂环路与冷却液环路进行热交换；
11.所述冷却液环路包括通过冷却液管路依次连接的板式换热器、水泵、液冷充电线缆、液冷充电枪、液冷充电座以及电池模组。
12.其中，冷却液在冷却液环路中依次流过板式换热器、水泵、液冷充电线缆、液冷充电枪、液冷充电座、电池模组、液冷充电座、液冷充电枪、液冷充电线缆，最后再流入板式换热器完成冷却液环路循环。
13.进一步地，所述液冷充电线缆内部设有反向并行的第一冷却液流道和第二冷却液流道，所述第一冷却液流道和第二冷却液流道分别设于电池充电线组两侧，通过冷却液在液冷充电线缆内部流道的流动，以此将电动汽车充电时线缆内部产生的热量吸收带出，从而保证线缆的供电功率，提升电池的充电速度。
14.进一步地，所述电池充电线组为绝缘橡胶包裹的集成线路，其中包括直流正极、直流负极、保护接地、电池信号、控制确认、连接确认以及一些备用线路等。
15.进一步地，所述控制供电模块可在充电过程中根据充电不同阶段调节充电电流和电压大小，保证汽车电池能够顺利完成充电。同时，在遇到错误报警能够控制电池充电线路及时停止充电，防止意外发生。
16.进一步地，所述液冷充电枪上设有第一冷却液接口、第二冷却液接口以及充电线路接口，所述液冷充电座上设有相对应的冷却液接口与充电线路接口；
17.当液冷充电枪与液冷充电座对接时，充电桩冷却液流道与汽车电池冷却液流道连接形成闭合冷却液环路，同时充电桩内部的电能通过充电线路接口输送到汽车电池内。
18.进一步地，所述电池模组内部设有冷却液流道，所述冷却液流道的入口和出口分别通过冷却液管路与第一冷却液接口、第二冷却液接口连接，以此通过冷却液在所述冷却液流道中的流动，对汽车电池进行加热或降温至适宜工作温度。
19.进一步地，所述快充充电站冷却系统还包括设于板式换热器与水泵之间的温度传感器，以此监测板式换热器出口冷却液温度。
20.进一步地，所述快充充电站冷却系统还包括控制器；
21.所述控制器分别与第二节流装置、温度传感器、水泵通信连接；
22.当汽车进行充电时，控制器能够通过充电枪头与汽车内部的电池管理系统通信连接，所述控制器通过基于电池管理系统反馈的信息，对第二节流装置、温度传感器、水泵的工况进行调控。
23.进一步地，所述控制器为主流的单片机或x86架构、arm架构、risc-v架构处理器中的一种。
24.进一步地，本技术方案中的第一节流装置与第二节流装置为毛细管、节流短管或电子膨胀阀中的一种，为了有利于实现自动化控制，本技术方案优选电子膨胀阀。
25.进一步地，当汽车进行充电时，液冷充电枪插入液冷充电座中，一方面通过充电线路接口的相互连接，充电站可为汽车电池输送电能，另一方面液冷充电枪与液冷充电座通过第一冷却液接口与第二冷却液接口在充电站与汽车之间形成冷却液环路，使汽车电池与线缆均工作在适宜的温度下。
26.进一步地，当汽车进行充电时，充电站向汽车电池进行电能输送的方式为：控制供电模块通过调节充电电流和电压大小，将充电站系统内部电能通过电池充电线路先输送到液冷充电线缆内部的电池充电线组中，之后电能通过液冷充电枪由充电线路接口输送到液
冷充电座中，最后再由电池充电线路将电能输送到汽车的电池模组中，完成充电站对汽车电池的充电过程。
27.充电站冷却系统内部制冷剂环路工作状态为：压缩机压缩后形成的高温高压制冷剂气体经过冷凝器被冷凝成液体后，一部分经过第一节流装置后在蒸发器中进行吸热，实现对充电站内的高温工作器件的散热，另一部分经过第二节流装置后在板式换热器中对冷却液流道中的冷却液吸热，使得流经板式换热器的冷却液温度降低。
28.冷却液环路工作状态为：经过板式换热器吸热后的低温冷却液在水泵的作用下，流入高温液冷充电线缆内部的第一冷却液流道，通过低温冷却液在其中的流动使液冷充电线缆内的高温电池充电线组温度降低，之后冷却液进入液冷充电枪中，通过液冷充电枪与液冷充电座之间的第一冷却液接口，冷却液进入液冷充电座中，再由液冷充电座进入电池模组中。冷却液在电池模组中的冷却液流道流动，在与电池进行热交换后从电池模组流出，之后依次流经液冷充电座、第二冷却液接口、液冷充电枪、液冷冷却线缆的第二冷却液流道，最终重新进入板式换热器中。冷却液在板式换热器中被吸热后再次形成低温冷却液进行循环。
29.进一步地，当汽车进行充电时，控制器根据电池管理系统返回电池温度的不同，对第二节流装置与水泵进行相应的控制。
30.进一步地，当电池管理系统返回的电池温度高于电池设定温度范围时，在控制器的控制下，水泵处于高档位工作状态，使冷却液流路的流量增大，根据温度传感器上温度的变化调节第二节流装置开度，使其开度增大，系统在此状态下工作时，流经板式换热器的冷却液可以获得更多的冷能，使冷却液在对液冷充电线缆冷却后温度仍旧较低，在冷却液流经电池模组时可以继续吸收电池模组的热量，实现对电池模组的冷却，直至电池模组温度降至适宜的工作温度内；
31.当电池管理系统返回的电池温度在电池设定温度范围内时，在控制器的控制下，水泵处于中档位工作状态，冷却液流路的流量适宜，根据温度传感器上温度的变化对第二节流装置开度进行调节，使冷却液在流经板式换热器后获得的冷能可以冷却液冷充电线缆，同时又能使冷却液在对液冷充电线缆冷却后的温度与电池模组温度相近，以至于冷却液在流经电池模组时与之换热减少或不换热，使电池模组温度维持在适宜工作温度内；
32.当电池管理系统返回的电池温度低于电池设定温度范围时，在控制器的控制下，水泵处于低档位工作状态，冷却液流路的流量减小，根据温度传感器上温度的变化调节第二节流装置开度，使其开度减小，系统在此状态下工作时，流经板式换热器的冷却液获得的冷能减少，使冷却液在对液冷充电线缆冷却后温度升高，在冷却液流经电池模组时可以加热电池模组，直至电池模组温度升温至适宜的工作温度内。
33.本发明中耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统，结构上有以下特色和创新点：
34.1.设有板式换热器：通过板式换热器可将制冷剂环路中的冷量输送到冷却液环路，从而为冷却液环路提供冷源。
35.2.设有冷却液环路，通过环路内冷却液的流动，实现充电站、线缆以及汽车电池三者之间热量的输送与转移，进一步实现对电池充电时高温线缆的冷却以及电池温度的控制。
36.3.设有液冷充电线缆，通过将电池充电线路与冷却液流道设置在同一线缆内，可实现电池充电线路在汽车充电过程中的快速散热，既保护电路又能提高充电速度。
37.4.液冷充电枪与液冷充电座上同时设有冷却液接口与充电线路接口，在汽车进行充电时，通过将液冷充电枪插入液冷充电座中，既可对汽车电池进行充电又能对电池进行温度控制；
38.5.设有控制器，将汽车充电时电池状态信息与充电站内部系统相关联，实现充电站各部件对电池管理系统返回信息的精准响应，由此实现对不同场景下电池温度的控制。
39.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
40.1.本技术方案中在充电站系统内部设置冷却液流路，可实现对汽车充电过程中高温电池的散热，相比于传统采用车载冷却系统散热，可以大大减轻车辆自重和能耗。
41.2.本技术方案中通过调节第二节流装置开度以及水泵流量的大小来调控冷却液环路从板式换热器中所获取冷能的多少，可实现对电池的冷却和加热，既能避免电池快充过热导致的性能衰减问题，又能将低温电池提升到最佳可充电状态，提高充电速度。
42.3.本技术方案中在液冷充电线缆内部同时设置电池充电线组与冷却液流道，既能简化线路，又能利用线缆产生的热量对低温电池加热，实现了能量的回收，具有较高的经济效益。
43.4.本技术方案中设置的液冷充电枪兼具电池充电与冷却功能，相比于传统方案中充电枪与冷却液枪的单独设置，此种方法有助于减少充电枪及枪座的占用面积，只需一次插接操作即可完成线组及冷却液管的连接，操作简便。
附图说明
44.图1为本发明实施例1中快充充电站冷却系统的流程示意图；
45.图2为本发明实施例1中的液冷充电枪的横截面接口示意图；
46.图3为本发明实施例2中快充充电站冷却系统的流程示意图；
47.图4为本发明实施例2中的液冷充电枪的横截面接口示意图；
48.图中：1-冷凝器；2-压缩机；3-第一节流装置；4-第二节流装置；5-蒸发器；6-板式换热器；7-温度传感器；8-水泵；9-液冷充电线缆；10-控制器；11-控制供电模块；12-液冷充电枪；13-液冷充电座；14-电池管理系统；15-电池模组；16～24制冷剂流路连接管；25～29冷却液流路连接管；30-第一冷却液流道；31-第二冷却液流道；32-第一冷却液接口；33-第二冷却液接口；34-充电线路接口；35、37电池充电线路；36-电池充电线组；38-冷却液连接管；39-保护接地线；40-交流火线或直流正极线；41-交流中线或直流负极线；42-连接确认线；43-控制确认线；44-电池信号1线；45-电池信号2线；46-备用线。
具体实施方式
49.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的结构/模块名称、控制模式、算法、工艺过程或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
50.实施例1
51.本实施例中的一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统，其整体结构如图1
所示，主要涉及结构包括冷凝器1，压缩机2，第一节流装置3，第二节流装置4，蒸发器5，板式换热器6，温度传感器7，水泵8，液冷充电线缆9，控制器10，控制供电模块11，液冷充电枪12，液冷充电座13，电池管理系统14，电池模组15，制冷剂流路连接管16～24，冷却液流路连接管25～29，第一冷却液流道30，第二冷却液流道31，第一冷却液接口32，第二冷却液接口33，充电线路接口34，电池充电线路35、37，电池充电线组36，冷却液连接管38，保护接地线39，交流火线或直流正极线40，交流中线或直流负极线41，连接确认线42，控制确认线43，电池信号1线44，电池信号2线45，备用线46。
52.本实施例中压缩机2，连接管16，冷凝器1，连接管17、18，第一节流装置3，连接管19，蒸发器5，连接管20、24按顺序依次相连形成制冷剂环路。同时，该制冷剂环路上的第一节流装置3与蒸发器5上并联一回路，并联回路由连接管21、第二节流装置4、连接管22、板式换热器6、连接管23构成，其中一端通过连接管21与冷凝器1出口连接管17相连，另一端通过连接管23与压缩机2吸气管24相连。
53.本实施例中板式换热器6，连接管25，水泵8，连接管26，液冷充电线缆9内部的第一冷却液流道30，液冷充电枪12，第一冷却液连接口32，液冷充电座13，连接管27，电池模组15，连接管28，液冷充电座13，第二冷却液连接口33，液冷充电枪12，液冷充电线缆9内部的第二冷却液流道31，连接管29按顺序依次相连形成冷却液环路。同时，该冷却液环路上板式换热器6与水泵8之间的连接管25上设有温度传感器7。
54.本实施例中控制器10与第二节流装置4的开度调整电机、温度传感器7、水泵8的电机以及电池管理系统14电连接，在汽车电池充电时，通过液冷充电枪12与液冷充电座13中相关电路连接，控制器10与汽车上的电池管理系统14电连接，以此能够与电池管理系统14进行信息交互，液冷充电枪12与液冷充电座13非插接状态下，控制器10与电池管理系统14处于断开状态。
55.本实施例中一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统，当汽车进行充电时，液冷充电枪12插入液冷充电座13中，一方面通过充电线路接口34的相互连接，充电站可为汽车电池输送电能；另一方面，液冷充电枪12与液冷充电座13通过第一冷却液接口32与第二冷却液接口33在充电站与汽车之间形成冷却液环路，使汽车电池与线缆均工作在适宜的温度下。
56.其中，充电站向汽车电池进行电能输送的方式为：控制供电模块11通过调节充电电流和电压大小，将充电站系统内部电能通过电池充电线路35先输送到液冷充电线缆9内部的电池充电线组36中，之后电能通过液冷充电枪12充电线路接口34输送到液冷充电座13中，最后再由电池充电线路37将电能输送到汽车的电池模组15中，完成充电站对汽车电池的充电过程。
57.充电站冷却系统内部制冷剂环路工作状态为：压缩机2压缩后形成的高温高压制冷剂气体经过冷凝器1被冷凝成液体后，一部分经过第一节流装置3后在蒸发器5中进行吸热，实现对充电站内的高温工作器件的散热，另一部分经过第二节流装置4后在板式换热器6中对冷却液流道中的冷却液吸热，使得流经板式换热器6的冷却液温度降低。
58.冷却液环路工作状态为：经过板式换热器6吸热后的低温冷却液在水泵8的作用下，流入高温液冷充电线缆9内部的第一冷却液流道30，通过低温冷却液在其中的流动使液冷充电线缆9内的高温电池充电线组36温度降低，之后冷却液进入液冷充电枪12中，通过液
冷充电枪12与液冷充电座13之间的第一冷却液接口32，冷却液进入液冷充电座13中，再由液冷充电座13进入电池模组15中。冷却液在电池模组15中的冷却液流道流动，在与电池进行热交换后从电池模组15流出，之后依次流经液冷充电座13、第二冷却液接口33、液冷充电枪12、液冷冷却线缆9的第二冷却液流道31，最终重新进入板式换热器6中。冷却液在板式换热器6中被吸热后再次形成低温冷却液进行循环。
59.在汽车充电时，根据电池管理系统14返回电池温度的不同，控制器10对第二节流装置4与水泵8进行相应的控制，控制方式如下：
60.当电池管理系统14返回的电池温度高于电池设定温度范围时，在控制器10的控制下，水泵8处于高档位工作状态，使冷却液流路的流量增大；根据温度传感器7上温度的变化调节第二节流装置4开度，使第二节流装置4开度增大。因此，系统在此状态下工作时，流经板式换热器6的冷却液可以获得更多的冷能，使冷却液在对液冷充电线缆9冷却后温度仍旧较低，在冷却液流经电池模组15时可以继续吸收电池模组15的热量，实现对电池模组15的冷却，直至电池模组15温度降至适宜的工作温度内。
61.当电池管理系统14返回的电池温度在电池设定温度范围内时，在控制器10的控制下，水泵8处于中档位工作状态，冷却液流路的流量适宜；根据温度传感器7上温度的变化对第二节流装置4开度进行调节，使冷却液在流经板式换热器6后获得的冷能可以冷却液冷充电线缆9，同时又能使冷却液在对液冷充电线缆9冷却后的温度与电池模组15温度相近，以至于冷却液在流经电池模组15时与之换热减少或不换热，使电池模组15温度维持在适宜工作温度内。
62.当电池管理系统14返回的电池温度低于电池设定温度范围时，在控制器10的控制下，水泵8处于低档位工作状态，冷却液流路的流量减小；根据温度传感器7上温度的变化调节第二节流装置4开度，使第二节流装置4开度减小。因此，系统在此状态下工作时，流经板式换热器6的冷却液获得的冷能减少，使冷却液在对液冷充电线缆9冷却后温度升高，在冷却液流经电池模组15时可以加热电池模组15，直至电池模组15温度升温至适宜的工作温度内。
63.实施例2
64.结合图3，对第二实施方式进行说明。在第二实施方式中没有特别地说明的结构、作用、效果与第一实施方式相同，以下仅对与上述的实施方式不同的点进行说明。
65.本实施方式中的一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统，其结构如图3所示。与第一实施方式相比，第二实施方式主要针对于汽车电池内部缺少冷却液流路的情况。本实施例下液冷充电枪12上增设了冷却液连接管38，其余结构与第一实施方式相同。
66.本实施例中一种耦合整车电池散热的快充充电站冷却系统，当汽车进行充电时，液冷充电枪12插入液冷充电座13中，通过充电线路接口34的相互连接，充电站可为汽车电池输送电能；与此同时，液冷充电枪12上的第一冷却液接口32与第二冷却液接口33之间通过冷却液连接管38直接相连，充电站内部冷却系统与液冷充电线缆9之间形成的冷却液内循环，使高温液冷充电线缆9保持适宜温度。
67.本实施例中，充电站向汽车电池进行电能输送的方式以及充电站冷却系统内部制冷剂环路工作状态均与第一实施方式相同。
68.本实施例中，冷却液环路工作状态为：经过板式换热器6吸热后的低温冷却液在水
泵8的作用下，流入高温液冷充电线缆9内部的第一冷却液流道30，通过低温冷却液在其中的流动使液冷充电线缆9内的高温电池充电线组36温度降低，之后冷却液进入液冷充电枪12上的第一冷却液接口32，通过冷却液连接管38进入液冷充电枪12上的第二冷却液接口33内，再经由液冷冷却线缆9内的第二冷却液流道31，最终重新进入板式换热器6中。冷却液在板式换热器6中被吸热后再次形成低温冷却液进行循环。
69.在汽车充电时，根据温度传感器7返回板式换热器6出口冷却液温度的不同，控制器10对第二节流装置4与水泵8进行相应的控制，控制方式如下：
70.在控制器10的控制下，当温度传感器7返回的板式换热器6出口冷却液温度高于设定温度范围时，调节水泵8与第二节流装置4，使冷却液流路的流量增大的同时将第二节流装置4开度增大；当温度传感器7返回的板式换热器6出口冷却液温度在所设定温度范围内时，维持水泵8流量与第二节流装置4开度大小；当温度传感器7返回的板式换热器6出口冷却液温度低于设定温度范围时，调节水泵8与第二节流装置4，使冷却液流路的流量减小的同时将第二节流装置4开度减小。以此保证系统各状态下工作时，流经板式换热器6的冷却液均可以获得系统所需的冷能，使液冷充电线缆9在得到充分冷却的同时减小不必要的能源浪费。
71.需要申明，从本发明原理出发的其余布置结构，也属于本发明的保护范围。本文中使用“第一”、“第二”等词语来限定部件，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”等词语的使用仅仅是为了便于描述上对部件进行区别。如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
72.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。