CN108237927A

CN108237927A - 一种电动汽车及配套的多功能充电桩

Info

Publication number: CN108237927A
Application number: CN201611213043.3A
Authority: CN
Inventors: 谷涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-25
Filing date: 2016-12-25
Publication date: 2018-07-03

Abstract

锂离子电动车领域公知的技术是把充电桩仅作为一个充电的装置同时电动汽车仅作为一个受电的装置。本申请公开了一种电动汽车及配套的多功能充电桩，两者充电时除电联接还有流体管道相连，同时充电桩内部配置了空调和热交换器模块、气体分析模块、灭火抑爆模块及流体驱动泵。充电的同时可对乘用空间和电池包调温、分析电池包的气氛并处置、必要时可将灭火剂注入电池包。本申请节约了电池包存储的电量且提高了电动车的安全性。

Description

一种电动汽车及配套的多功能充电桩

技术领域

本申请涉及一种电动汽车及与之配套的充电桩，更具体地说是涉及具有热管理功能、气体成分检测功能、和灭火抑爆功能的电动汽车和多功能充电桩组合。

背景技术

以锂离子电池为动力的电动汽车以无污染、零排放、和单次充电行驶里程远的特点成为新能源汽车的首选。充电桩是电动汽车不可或缺的配套设施。公知的技术是把充电桩仅作为一个充电的装置同时电动汽车仅作为一个受电的装置。

锂离子电池电动汽车的一个缺点就是动力电池包在低温或高温下难于快速充电，公知的规则是在低于0℃或高于55℃时都要大幅降低充电倍率，这样就降低了用户感受。公知的对动力电池包进行热管理的技术包括采用散热片进行被动散热、采用风扇进行主动散热、采用加热板进行主动加热、或者采用液体换热管道对电池组加热或冷却，但这些公知的热管理方式都会使动力电池包增加较多重量和体积，从而降低了动力电池包的关键参数：质量能量密度和体积能量密度。

在电动汽车的乘用空间开启空调制冷或制热，也会占用动力电池包存储的有限电能从而降低单次充电的行驶里程。

由于电动汽车用锂离子电池在使用中存在电解液泄漏的风险，电解液含有挥发性可燃成分并且具有腐蚀性，电解液中常用的电解质六氟合磷酸锂能够和空气中的水分发生反应产生腐蚀性的氟化氢，所以一旦发生漏液，会引起金属零件的腐蚀，尤其危险的是可能引起电接触点的金属服饰并导致电阻增大从而产生过热和着火的风险，因而有必要对电解液泄露的状况进行监测。公知的技术是通过在电池包中安装气体传感器来检测电解液中的挥发性可燃成分或者电解液和水反应产生的氟化氢来判断是否发生漏液。但是简单器件如半导体传感器分辨率不高，容易受到环境中大气污染物的干扰，长期使用其基线也会发生漂移，所以直接根据半导体传感器的输出决定报警有误报的可能，此外一旦将传感器安置在动力电池包中也难于对该传感器进行校正和更换。而采用复杂的检测技术如质谱和色谱的方法虽然分辨率高结果准确可靠，但价格太昂贵且占太大体积不适于安装在每一个车辆的每一个动力电池包中。

通常动力电池包的防水性能是按照IP67的标准设计的，能够防范灰尘和液体水的进入。但有一定的概率，动力电池包壳体的密封会失效从而导致液体水的进入并积存在壳体内进而损害电池包的可靠性和安全性。目前缺乏一种可靠的技术对动力电池包是否有液体水的进入进行判断。公知的技术是在电池包中安装湿度传感器，但其无法分辨是电池包中有液体水的进入还是雨雾天环境湿度增大或者是因为温度骤降在电池包内产生的少量冷凝水。

防止动力电池包内部电路有过热的部位对保证安全也是至关重要的，一般在电池组的极柱处会有热电偶用于监控温度，在过冷或过热的情况下，电池管理系统都会做出相应的处置，但在没有热电偶的地方，如果电路处于不正常的过热状态则系统无法感知到。由于电路的导体一般会有含有机高分子的绝缘层覆盖或包裹，所以当电路过热到有机高分子材料的裂解温度时，动力电池包的内部气氛中会有热裂解产生的有机物，如果电池包中安装有前述的气体传感器，则可能探测到气氛变化，但同样这种探测效果易受到大气污染物和基线漂移的影响。质谱和色谱的方法同样会更有效，但同样因为价格昂贵且体积大制约了其在动力电池包中的应用。

过充是影响动力锂离子电池安全的关键问题。在过充状态下，电池的正极和负极，都处于不稳定的高能量状态，尤其是比如三元锂离子电池的正极，在过充状态下容易析出氧气产生副反应，严重时甚至会起火爆炸，所以防止锂离子电池的过充就非常有必要。尽管在电池管理系统里面，都会有防止过充的机制，但是电动汽车可能会因为不可预知的软硬件故障导致电池管理系统无法在过充时按照预想断开充电电路，所以电动汽车在充电时发生起火燃烧的情况时有报道。为解决过充导致的危险，一种公知的技术是在电池包内加入灭火系统，但这样做显著增加了动力电池包的重量并占用了大量空间，此外灭火剂在电池包内长期储备，为防失效需要定期更换，而动力电池包是为车辆应用，一般是紧凑型设计，拆开维护并不方便。

发明内容

本申请公开了一种电动汽车及配套的多功能充电桩。

本申请的目的在于：当所述电动汽车及配套的多功能充电桩连接起来时，不仅能对动力电池包进行充电，同时还具有对电动汽车的乘用空间进行加热或冷却、对动力电池包进行加热或冷却、在动力电池包发生热失控有燃烧或爆炸风险时向动力电池包内注入灭火剂、和对来自动力电池包内的气体成分进行检测（从而确定电芯是否发生电解液泄漏、动力电池包内部是否进水、或动力电池包内部是否发生过热）的功能。

本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：

通过在电动汽车的乘用空间连接上进气和出气管道，在多功能充电桩中加入空调模块和热交换器模块，同时在所述热交换器模块上也连接上进气和出气管道，在电动汽车和多功能充电桩连接起来进行充电时，启动空调模块并通过将所述两组管道分别对接起来使空气在乘用空间和热交换器模块之间循环从而对乘用空间进行升温或降温。

通过在电动汽车的动力电池包连接上进气和出气管道，在多功能充电桩中加入空调模块和热交换器模块，同时在所述热交换器模块上也连接上进气和出气管道，在电动汽车和多功能充电桩连接起来进行充电时，启动空调模块并通过将所述两组管道对接起来使空气在动力电池包和热交换器模块之间循环从而对动力电池包进行升温或降温。

在多功能充电桩内部在从动力电池包向多功能充电桩输送气体的管道上安装一个取样分支管道，通过该管道抽取气体并送到多功能充电桩内部的气体分析模块进行分析。如果分析发现来自动力电池包的气体相对湿度持续超过环境值，则由多功能充电桩发出动力电池包进水的警报；如果分析发现进样气体中含有锂离子电芯电解液中的可挥发成分或氟化物，则由多功能充电桩发出电解液漏液的警报；如果在充电的同时分析发现有机高分子部件因过热而裂解而产生的气态物质，则由多功能充电桩发出热失控风险警报；如果所述因过热裂解而产生的气态物质浓度超过预定值，或者因为系统监控到电池的电压过高或温度过高显示动力电芯发生热失控风险的概率超过门限值，则由多功能充电桩将灭火剂通过所述向动力电池包中输送空气的管道送入动力电池包中，起到阻燃抑爆减小热失控的危害的效果。

本申请的有益效果是：

本申请的有益效果是在电动汽车及配套的多功能充电桩连接起来时，不仅可以通过充电桩对电动汽车进行充电，还可以对动力电池包进行加热或冷却、以及对乘用空间进行加热或冷却，实现这一加热或冷却功能是通过充电桩消耗电网电力，从而节约了的动力电池包储存的宝贵而有限的电能。通过加热或冷却动力电池包使电芯处于更适宜的温度区间，从而能够提高充电的倍率并延长电芯的循环寿命。

对动力电池包内的气体成分进行检测可以推断出动力电池包中的电芯有没有电解液泄漏、动力电池包内有没有积存液体水、或动力电池包中有没有过热点导致有机物热裂解气态物质的产生，如果有则发出相应的警报。如果因过热裂解而产生的气态物质浓度过高，或者因为电压过高或温度过高显示动力电芯发生热失控风险的概率超过门限值，则向动力电池包中输入灭火剂。这些检测和相应的处理措施提高了电动汽车的可靠性和安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请进一步说明，其中：

图1 所示为本申请实施例1电动汽车结构示意图；

图2 所示为本申请实施例1多功能充电桩结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本申请作进一步说明，但本申请并不限于以下实施例。

所述方法如无特别说明，均为常规方法。所述材料如无特别说明，均能从公开商业途径购买得到。

实施例1

图1和图2所示分别为本实施例所要描述的电动汽车结构示意图和与之配套的多功能充电桩结构示意图。图中1A电池包空气出口，1B电池包出气接口，1C来自电池包空气入口，1D来自电池包空气驱动泵，2A乘用空间空气出口，2B乘用空间出气接口，2C来自乘用空间空气入口，2D来自乘用空间空气驱动泵，3A乘用空间空气入口，3B乘用空间进气接口，3C前往乘用空间空气出口，3D前往乘用空间空气驱动泵，4A电池包空气入口，4B电池包进气接口，4C前往电池包空气出口，4D前往电池包空气驱动泵，5动力电池包，6乘用空间，7车体集成插座，8压力平衡阀，9充电桩集成插头，10柔性管束，11成分检测支管，12检测进样泵，13气体成分检测模块，14升降温驱动器，15热交换器，16压缩气体瓶，17压缩气体管道，18灭火剂储箱，19三通电磁阀。

所述电动汽车和与之配套的多功能充电桩工作方式如下：首先将所述的电动汽车上的车体集成插座7和配套的多功能充电桩上的充电桩集成插头9连接起来，之后对所述电动汽车的动力电池包5的调温通过如下工作循环完成：来自所述电动汽车的空气经由充电桩集成插头9中的来自电池包空气入口1C再经由柔性管束10流向所述充电桩，然后经由来自电池包空气驱动泵1D驱动进入热交换器15，在热交换器15中被冷却或是加热之后经由前往电池包空气驱动泵2D驱动再经由柔性管束10流出所述充电桩，然后经由充电桩集成插头9中的前往电池包空气出口4C流向与之配合的车体集成插座7中的电池包进气接口4B，所述空气流从电池包进气接口4B沿管道继续流向电池包空气入口4A并进一步流经所述动力电池包5的内部，从而对所述动力电池包5起到加热或冷却的作用，起作用之后的空气从电池包空气出口1A流出所述动力电池包5并继续沿管道流向车体集成插座7中的电池包出气接口1B，从电池包出气接口1B流出的空气进入与之配合的充电桩集成插头9中的来自电池包空气入口1C并持续循环下去；

在所述电动汽车上的车体集成插座7和配套的多功能充电桩上的充电桩集成插头9连接起来之后，对所述电动汽车的乘用空间6的调温通过如下工作循环完成：来自所述电动汽车的空气经由充电桩集成插头9中的来自乘用空间空气入口2C再经由柔性管束10流向所述充电桩，然后经由来自乘用空间空气驱动泵2D驱动进入热交换器15，在热交换器15中被冷却或是加热之后经由前往乘用空间空气驱动泵3D再经由柔性管束10驱动流出所述充电桩，然后经由充电桩集成插头9中的前往乘用空间空气出口3C流向与之配合的车体集成插座7中的乘用空间进气接口3B，所述空气流从乘用空间进气接口3B沿管道继续流向乘用空间空气入口3A并进一步流经所述乘用空间6内部，对所述乘用空间6起到加热或冷却的作用，起作用之后的空气从乘用空间空气出口2A流出所述乘用空间6并继续沿管道流向车体集成插座7中的乘用空间出气接口2B，从乘用空间出气接口2B流出的空气进入与之配合的充电桩集成插头9中的乘用空间空气入口4C并持续循环下去。

压力平衡阀8的作用是在大气压发生变化或动力电池包5温度发生变化时迅速实现压力平衡，以减少动力电池包5壳体密封条所承受的压力，从而增强动力电池包5的稳定性。压力平衡阀8在允许空气进出的同时能够防止液体水和灰尘的进入。动力电池包5的壳体常见的防护等级为IP67，代表完全防止外物侵入，且可完全防止灰塵進入；常温常压下，当外壳暂时浸泡在1M深的水里将不会造成有害影响。

升降温驱动器14和热交换器15共同构成了对所述来自动力电池包5和乘用空间6的空气流进行加热或冷却的空调装置。

可选的，所述空调装置的升降温驱动器14为半导体制冷器，通过控制电流方向可以进行加热或是制冷；优选的，所述空调装置的升降温驱动器14为热泵，通过控制热泵的转动方向可以进行加热或是制冷；取决于所述空调装置是工作在制热状态还是制冷状态，调温空气在通过热交换器15后被加热或是被冷却。由于空调装置广泛应用于民用或工业的控温系统中，是公知的技术所以在本实施例中不赘述其实施细节。

可选的，升降温驱动器14可以只含有一台驱动器，热交换器15可以只含有一组热交换器，这样所述多功能充电桩只能对所述电动汽车的动力电池包5和乘用空间6同时进行制冷或同时进行制热，这能够满足多数场景的需求，因为冬季往往需要同时制热而夏季往往需要同时制冷；优选的，升降温驱动器14含有两台驱动器，热交换器15含有两组热交换器，这样所述多功能充电桩就可以对所述电动汽车的动力电池包5和乘用空间6分别进行制冷或制热。

在本实施例中，所述多功能充电桩还具有检测来自动力电池包5的气体成分的功能。来自动力电池包5的气体由检测进样泵12驱动，通过成分检测支管11被输送到气体成分检测模块13，从而实现对气体成分的检测。由于检测模块所需进样气体流量不大，被检测后的气体直接排空，环境中的空气可以通过压力平衡阀8进入系统以补偿被排出的气体。根据成分检测结果，可以知道动力电池包5中的电芯有没有电解液泄漏、动力电池包5中有没有积存液体水、或动力电池包5的电路中有没有过热点导致周边高分子材料部件发生热裂解。

优选的，气体成分检测模块13为模块化的质谱仪，质谱仪可以检测进样气体的谱线，将所得谱线与标准数据库中的谱线对比即可推测出进样气体的成分。如果所检测进样气体含有的水蒸气浓度持续超过环境中水蒸气的浓度，则显示电池包中存在液体水；如果检测出氟化物或有机溶剂分子如碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、或碳酸二甲酯(DMC)，则显示电池包中电芯发生了电解液泄漏，所检测出的浓度值对应着泄漏量的大小；如果在进样气体中检出电池包内有机高分子材料部件的热裂解产物，则显示电池包内发生了电路的过热。尽管质谱仪构造及原理复杂，但却已经是成熟公知的技术，有商用的模块化装置可以直接购买，其相关附件真空规、真空泵也是成熟公知的技术，故在本实施例中不赘述其细节。

如果气体成分检测模块13检出动力电池包5内有机高分子材料部件热裂解产物的浓度超过预设的门限值或者动力电池包5的电池管理系统因温度过高或其他传感器的信息判断电芯有热失控的风险并通过CAN485通讯总线向所述多功能充电桩发出报警信息，则充电桩使三通电磁阀19上电，把前往电池包空气驱动泵4D和前往电池包空气出口4C之间的流体通路切断，同时把灭火剂储箱18和前往电池包空气出口4C之间的流体通路联通，然后压缩气体瓶16中压缩气体膨胀并通过压缩气体管道17驱动灭火剂储箱18中的灭火剂依次经过三通电磁阀19、前往电池包空气出口4C、电池包进气接口4B、和电池包空气入口4A进入动力电池包5中，起到预防热失控和灭火抑爆作用。

电动汽车和与之相连的充电桩之间的电联接也是必不可少的，电动汽车和充电桩之间的接口有交流和直流2种。按照中国国家标准要求，交流接口触点包含交流电源线3个(L1、L2、L3) 、中线1个（N) 、保护接地1个（PE）、和控制确认线2个（CP和PP）；直流接口触点包含直流电源正负极各1个、保护接地1个（PE）、充电通信3个（CAN-H、CAN-L、及其屏蔽线），及向电池包电池管理系统供电的12伏或24伏的低压辅助电源的正负极各1个。所述电联接是公知的技术，所以在本实施例中未画出所述电插接头也不赘述其实施细节。

本实施例在电动汽车及配套的多功能充电桩的电插接头之外增加了独立的流体插接头。其优点是，不影响国标规定的电插接头的功能，可对现有电动汽车和充电桩按照本实施例所述进行改造即可获得本实施例所述的有益效果。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于气体成分检测模块13使用湿度传感器检测相对湿度，使用半导体氧化物传感器检测气体中的有机成分，使用电化学传感器检测气体中的氟化物。使用所述传感器组合取代实施例1中的质谱仪所带来的优点是造价降低，但精确性和分辨率不如质谱仪，在实际应用中根据应用场景和性价比的需求进行选择。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于气体成分检测模块13使用气相色谱-质谱联用仪(色质连用)。使用色质连用的优点是分辨率和精确性更高，但价格也大大增加，在实际应用中根据应用场景和性价比的需求进行选择。

实施例4

本实施例与实施例1不同之处在于气体成分检测模块13使用红外气体分析仪，通过检测气体组分的红外特征吸收峰来确定该组分的成分和浓度。红外气体分析仪有较高的分辨率和较高的价格，在实际应用中根据应用场景和性价比的需求进行选择。

实施例5

本实施例与实施例1不同之处在于车体集成插座7和充电桩集成插头9还同时集成了电动汽车及配套的多功能充电桩之间的电连接，电连接包括传输功率的电源、中线、保护地、控制、通讯、辅助电源等触点对。本实施例一次插接，可同时连上各对流体管道的接插点和各对电触点，简化了操作，提高了效率。

根据上述说明书的揭示和教导，本申请所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本申请的一些修改和变更也应当落入本申请的权利要求的保护范围内。此外，尽管本申请书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。

Claims

1.一种电动汽车及其配套充电桩，所述电动汽车包含动力电池包及充电插座，所述充电桩包含充电插头，其特征在于，充电时所述电动汽车和所述充电桩之间有流体管道连接，有流体通过所述管道在所述电动汽车和所述充电桩之间循环流动。

2.根据权利要求1所述的电动汽车及配套充电桩，其特征在于，所述配套充电桩内部有能够加热或制冷的温控装置和热交换器并通过所述流体在所述电动汽车和所述充电桩之间的循环流动对所述动力电池包或所述电动汽车的乘用空间进行加热或制冷。

3.根据权利要求1所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述配套充电桩内部有能够检测气体成分的测量装置和流体泵，所述流体管道中的一组一端开口于所述动力电池包内部，另一端通过成分检测支管与检测进样泵相连，由所述检测进样泵驱动，将所述来自动力电池包内部的气体抽到所述测量装置中接受检测，如果测量结果显示电解液中所含成分超标、或者湿度持续超标，则由所述充电桩发出相应的报警信息。

4.根据权利要求1所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述配套充电桩内部有能够检测气体成分的测量装置和流体泵，所述流体管道中的一组一端开口于所述动力电池包内部，另一端通过成分检测支管与检测进样泵相连，由所述检测进样泵驱动，将所述来自动力电池包内部的气体抽到所述测量装置中接受检测，如果测量结果显示过热产生的裂解产物超标，则由所述充电桩发出相应的报警信息，如果所述裂解产物的浓度超出预设的有发生燃烧爆炸危险的门限值或者当电池管理系统判断电芯有热失控的风险并通过通讯总线向所述多功能充电桩发出灭火抑爆指令时，所述充电桩通过所述流体管路把灭火剂储箱中的灭火剂输送到所述动力电池包中，起到预防热失控或灭火抑爆作用。

5.根据权利要求3所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述能够检测气体成分的测量装置包含测量湿度的传感器和能够测量气氛中有机物和氟化物的半导体传感器或质谱仪。

6.根据权利要求3所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述能够检测气体成分的测量装置包含红外气体分析仪。

7.根据权利要求1所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述流体为氩气、氮气、或空气。

8.根据权利要求1所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述流体为R132A、R22、R12、R600A、R123、或R410A。

9.根据权利要求1所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述充电桩用输出泵输出一定流量的热管理流体到所述电池包，同时所属充电桩用输入泵从所述电池包吸取同样流量的热管理流体，从而维持所述充电桩和所述电池包之间的流量平衡。

10.根据权利要求1所述的电动汽车及其配套充电桩，其特征在于，所述流体管道接头和所述电插接头集成在一起，一次插拔即可同时连接上或断开所有成对的流体管道接头和所有成对的电插接头。