CN108357392A - 一种电动汽车快速充电方法及充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车快速方法及充电系统，充电系统包括充电站系统和电池系统，所述充电站系统的大功率充电装置对电池包充电；所述充电站系统还包括相变制冷剂加注装置，所述相变制冷剂加注装置在电动汽车充电时与电池包连接。本发明的有益效果是利用充电站内制冷设备平衡电动汽车高速充电时动力电池产生的大量发热，保证其充电速度，并可有效降低电动汽车的重量、成本、复杂程度。

Description

一种电动汽车快速充电方法及充电系统

技术领域

本发明属于电池包充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车快速充电方法及充电系统。

背景技术

车辆的使用环境决定着动力电池包必须具备良好的密封性和绝缘性，动力电池以编组方式安置于电池包内，排列紧密，电池包需要严格的防水、防尘设计，内部绝缘措施完善。

电池充放电过程中，由于内阻等原因并不能实现100％的能量转移，相应比例的发热在所难免。当电池系统容量基本固定时，相应比例的发热量也会出现。在电动汽车的使用环境中，放电的过程相对时间较长(即使短时间快速放电，电池包系统的热容也可承担一定的缓冲能力，由于施加热量总值不高，不会导致电池包内温度失控)，单位时间内的发热相对较低，也就是热功率低，较为容易控制。但如果对动力电池系统进行快速充电时，充电时间越快，单位时间内的发热也就越大，热功率按照时间反比例成倍增加，在热量转移通道被防护系统阻塞严重的现代电池包内，这极易造成电池包内温度失控。保护动力电池运行安全的措施极大的损害了电池系统的被动温度控制能力(被动散热)，这是影响动力电池实现快速充电的技术难点之一。

中国专利文献中，公开号为“CN107878223A”、发明名称为“一种电动汽车动力电池冷却系统及冷却方法”的发明专利公开了一种技术方案，包括与多个电芯一一接触的多个电池蒸发器，还包括制冷剂入口管和制冷剂出口管，还包括制冷装置，所述制冷剂入口管的一端和电池蒸发器的入口连接，每个制冷剂入口管上均设置有电磁阀，还包括第一传感器、多个第二传感器和控制器，第一传感器设置在动力电池包上，多个第二传感器分别设置在每个电池蒸发器的出口处。

上述技术方案是依托车载的制冷设备实现大功率散热，该技术方案需要在每辆电动车上安装制冷设备，增加了成本，且结构复杂增加车体重量，具有移动和碰撞安全性的限制。

中国实用新型专利CN206528360U公开一种可对动力电池制冷的充电桩，在充电桩内设置冷源，虽一定程度上可以缓解充电时热失控问题，但充电桩空间狭小，可实现换热功率有限，并不能从根本上解决发热功率较大的快速充电系统热失控问题。此外充电桩内设置冷源会导致系统复杂度提升，可靠性下降，由于绝缘和冷热冲击等问题，又会导致安全性出现问题。此外，传统空调系统作为冷源时必须借助冷媒实现功率输送，以空气为冷媒时，由于空气的密度小，比热容低，其可实现的功率输送极为有限；以冷却液为冷媒时，可实现输送功率会相应上升，但包内绝缘、包内安全压力控制难度会上升，最为致命的时液体循环管路驳接系统一旦进入灰尘、异物会导致系统工作效能大幅度衰减，如何避免在工程上实现难度和实现成本均比较高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电动汽车快速充电方法，目的是在充电站实现电池包高速充电，充电站内设置压缩/散热系统或采用晾气装置将气体自然冷却成为液体，克服了电动汽车移动和碰撞带来的安全性限制。

本发明的技术方案为：

一种电动汽车快速充电方法，其特征在于：在充电的同时，往电池包内注入相变制冷剂，平衡电池快速充电产生的热量。本方案主要方法是在向电动汽车充电时，同步按照其发热功率充入相应冷，以平衡电池发热，防止电池包内温度失控，实现快速充电。由于动力电池包发热功率大，短时间充电造成的短时大热功率是车载设备难易应对的，但站内地面设备可以不受重量、体积、成本等因素限制，可以更成熟的应对这一发热功率。为将冷同步注入电池包内，需要对车辆开辟除充电通道以外的充冷通道和热回收通道，电动汽车也需要在电池包系统内安装相应装置实现功能。

在冬季，电池包内温度过低会导致电池活性降低，影响性能，站内设备可以利用制冷通道向电池包内注热，保护电池始终在理想的温度区间内工作，这也可以在一定程度上加速充电过程。

充电结束后将相变制冷剂予以回收，并进行循环再利用。

本发明还提供一种电动汽车快速充电系统，包括充电站系统和电池系统，所述充电站系统的大功率充电装置对电池包充电；所述充电站系统还包括相变制冷剂加注装置，所述相变制冷剂加注装置在电动汽车充电时与电池包连接；优选的是，充电站系统内的大功率充电装置通过BMS系统连接动力电池，充电站系统内的冷源通过相变制冷剂加注装置连接至电池包；优选的是，BMS系统还连接车载空调和电驱动系统；更为优选的是，电池包内还设置与车载空调连接的制冷剂进入和回流通道。

还包括相变制冷剂回收装置，所述电池包在电动汽车充电时还与相变制冷剂回收装置相连，相变制冷剂汽化后通过相变制冷剂回收装置连接至冷源。和现有技术相比，本方案通过在充电站系统中设置制冷装置，通过向电池包中注入冷媒吸收电池包高速充电产生的热量，冷媒回收装置冷媒回收。本技术方案可以有效应对庞大的发热功率，对于车辆系统而言，电池包散热装置的时效性，可应对功率大大提升，成本、重量却大大降低。

电池包内设有包内设备，实现相变制冷剂的喷入与循环。

第一种优选的技术方案：电池包内浸没相变制冷剂，包内设备包括相变制冷剂入口和出口、安全泄压阀、液位传感器、温度传感器和压力传感器，充电站系统包括主控系统、大功率充电装置、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道、余液回收装置连接相变制冷剂入口，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置与BMS系统连接，液位传感器、压力传感器、温度传感器、储液装置、储气装置、大功率充电装置、压缩/散热系统分别与主控系统连接，BMS系统分别与动力电池、车载空调、温度传感器连接，电池包中还设置与车载空调连接的制冷剂进入和回流通道；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。

第二种优选的技术方案：相变制冷剂通过喷雾方式进入电池包内，包内设备包括相变制冷剂入口和出口、安全泄压阀、温度传感器、辅助传感器，入口处设置雾化装置，充电站系统包括主控系统、大功率充电装置、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道、余液回收装置连接相变制冷剂入口，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置与BMS系统连接，储液装置、储气装置、大功率充电装置、压缩/散热系统、车载计算机分别与主控系统连接，车载计算机与辅助传感器、BMS系统连接，BMS系统与动力电池、大功率充电装置、车辆驱动装置、车载空调、车载计算机、温度传感器连接，电池包中还设置与车载空调连接的制冷剂进入和回流通道；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。

第三种优选的技术方案：相变制冷剂通过循环管路进入电池包中，包内设备包括隔离循环换热器、温度传感器、辅助传感器，隔离循环换热器设置相变制冷剂入口和出口，充电站系统包括主控系统、大功率充电装置、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道连接相变制冷剂入口，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置与BMS系统连接，储液装置、储气装置、大功率充电装置、压缩/散热系统、车载计算机分别与主控系统连接，车载计算机与辅助传感器、BMS系统连接，BMS系统与动力电池、大功率充电装置、车辆驱动装置、车载空调、车载计算机、温度传感器连接，电池包中还设置与车载空调连接的制冷剂进入和回流通道；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。

基于上述方案，本发明还做出了如下改进：

进一步地，所述气体回收系统还设有压力检测功能。本改进方案是为了通过主动气体回收系统维持电池包内安全压力，保护动力电池。

进一步地，还包括动力电池中BMS对冷媒注入通路的管理控制。

进一步地，系统还可同步解决BMS在高速充电时的过热问题。

进一步地，所述气体回收装置中设有压力检测维持机构。

进一步地，所述大功率充电装置可单独进行常规充电使用，也可与所述相变制冷剂加注装置，所述气体回收装置联合使用。本改进方案中，可将上述三种装置集成在一个高速充电枪上；也可分别制成高速充电枪、制冷剂密封加注接口装置、气体回收密封接口装置，充电时同时连接电动汽车。

本发明的有益效果：

利用充电站内制冷设备平衡电动汽车高速充电时动力电池产生的大量发热，保证其充电速度，并可有效降低电动汽车的重量、成本、复杂程度。

附图说明

图1是本发明原理示意图；

图2是实施例1的原理示意图；

图3是实施例2的原理示意图；

图4是实施例3的原理示意图。

图中，1、充电站系统；2、电池包；3、大功率充电装置；4、相变制冷剂注入通道；5、汽化制冷剂回收通道；6、储气装置；7、压缩/散热系统或晾气装置；8、储液装置；9、余液回收装置；10、动力电池；11、液位传感器；12、压力传感器；13、温度传感器；14、BMS系统；15、安全泄压阀；16、车载空调；17、车辆驱动装置；18、主控系统；19、辅助传感器；20、车载计算机；21、其他车载设备；22、快速充电通道；23、隔离循环换热器；24、雾化装置；25、电驱动系统；26、冷源。

具体实施方式

本发明还提供一种电动汽车快速充电系统，包括充电站系统1和电池系统，所述充电站系统的大功率充电装置3对电池包2充电；所述充电站系统还包括相变制冷剂加注装置，所述相变制冷剂加注装置在电动汽车充电时与电池包连接；优选的是，充电站系统内的大功率充电装置通过BMS14连接动力电池10，充电站系统内的冷源通过相变制冷剂加注装置连接至电池包；优选的是，BMS还连接车载空调16和电驱动系统25；更为优选的是，电池包内还设置与车载空调连接的相变制冷剂进入和回流通道。还包括相变制冷剂回收装置5，所述电池包在电动汽车充电时还与相变制冷剂回收装置相连，相变制冷剂汽化后通过相变制冷剂回收装置连接至冷源26。电池包内设有包内设备，实现相变制冷剂的喷入与循环。

实施例1

电池包内浸没相变制冷剂，包内设备包括相变制冷剂入口和出口、安全泄压阀15、液位传感器11、温度传感器13和压力传感器12，充电站系统1包括主控系统18、大功率充电装置3、储液装置8、储气装置6、压缩/散热系统7，储液装置通过相变制冷剂注入通道4、余液回收装置9连接相变制冷剂入口，储气装置通过汽化制冷剂回收通道5连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置3与BMS系统14连接，液位传感器、压力传感器、温度传感器、储液装置、储气装置、大功率充电装置3、压缩/散热系统分别与主控系统连接，BMS系统分别与动力电池、车载空调16、温度传感器连接，电池包中还设置与车载空调连接的相变制冷剂进入和回流通道；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。

车辆进站充电时，接通充电站与电动汽车间的快速充电通道22、相变制冷剂注入通道、相变后汽态制冷剂回收通道，接通余液回收装置与控制系统通道。

充电前，通过相变制冷剂注入通道向包内泵入温度合理(考虑到低气温环境下，需要对电池进行一定程度的预热，这一温度要有一定的对低温电池加热的效能，例如30℃-40℃)、汽化温度合适(如汽化温度过低，容易造成强烈的冷热冲击，且气压变化程度剧烈，难以控制，贮存系统工作难度加大。如汽化温度过高，系统可应对功率会因此衰减，实施难度加大。例如目前条件下30℃-50℃之间较为合理)的相变制冷剂。当泵入量适当时，由液位传感器回传信号至主控系统，开始充电工作。快速充电的过程中，动力电池的发热经由制冷剂相变带走，并由汽化制冷剂回收通道回收至充电站的储气装置内。充电站主控系统通过监看液位传感器信号相应补充液态制冷剂。液体汽化会导致电池包内压力变化，此过程可由制冷剂回收设备中的压力维持系统维持压力值。包内温度传感器作为辅助传感器使用。

充电完成后，剩余液态制冷剂经由余液回收装置抽回充电站，所有接通通道可以脱离。残余制冷剂可在电池包内汽化，并在压力到达危险值前经安全泄压阀排放，此过程还可辅助一部分电池包散热。车辆驶离充电站后，电池放电过程中产热可由传统车载温控设备(如车载空调)控制。此过程中，系统可同时向电池管理系统(BMS)提供制冷服务。汽化后的制冷剂可由站内系统决定制备回液态备用。

此方案的特点是控制方式简单，可应对热功率大，危险度低。

实施例2

相变制冷剂通过喷雾方式进入电池包内，包内设备包括相变制冷剂入口和出口、安全泄压阀、温度传感器、辅助传感器19，入口处设置雾化装置24，充电站系统包括主控系统18、大功率充电装置3、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道、余液回收装置连接相变制冷剂入口，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置3与BMS系统连接，储液装置、储气装置、大功率充电装置3、压缩/散热系统、车载计算机分别与主控系统连接，车载计算机与辅助传感器19、BMS系统连接，BMS系统与动力电池、大功率充电装置3、车辆驱动装置、车载空调、车载计算机20、温度传感器连接，电池包中还设置与车载空调连接的相变制冷剂进入和回流通道；车载计算机还连接其他车载设备21；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。特别的，雾化装置为雾化喷头。

车辆进站充电时，接通充电站与电动汽车间的快速充电通道22、制冷剂注入通道、相变后汽态制冷剂回收通道，接通控制系统通道，如控制精度不高，也可设置余液回收装置。

充电时，通过制冷剂注入通道向包内注入温度合理、汽化温度合适(如汽化温度过低，容易造成强烈的冷热冲击，且气压变化程度剧烈，难以控制，贮存系统工作难度加大。如汽化温度过高，系统可应对功率会因此衰减，实施难度加大。例如目前条件下30℃-50℃之间较为合理)的相变制冷剂，经由包内管道和雾化装置喷洒至动力电池表面，制冷剂注入通道的相关设备可带有流量计算功能，以提高控制精度。快速充电的过程中，动力电池的发热经由制冷剂相变带走，并由汽化制冷剂回收通道回收至充电站的储气装置内，制冷剂回收通道也可设置流量计算功能，以提高控制精度。液体汽化会导致电池包内压力变化，此过程可由制冷剂回收设备中的压力维持系统维持压力值。包内温度传感器作为辅助传感器使用。

充电完成后，如有液态制冷剂剩余，可经由余液回收装置抽回充电站，所有接通通道可以脱离。残余制冷剂可在电池包内汽化，并在压力到达危险值前经安全泄压阀排放，此过程还可辅助一部分电池包散热。车辆驶离充电站后，电池放电过程中产热可由传统车载温控设备(如车载空调)控制。此过程中，系统可同时向电池管理系统(BMS)提供制冷服务。汽化后的制冷剂可由站内系统决定制备回液态备用。

此方案的特点是控制难度较大，但系统响应快速，温度控制准确，可应对热功率大，危险度低。

实施例3

相变制冷剂通过循环管路进入电池包中，包内设备包括隔离循环换热器23、温度传感器、辅助传感器19，隔离循环换热器23设置相变制冷剂入口和出口，充电站系统包括主控系统、大功率充电装置3、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道连接相变制冷剂入口，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置3与BMS系统连接，储液装置、储气装置、大功率充电装置3、压缩/散热系统、车载计算机分别与主控系统连接，车载计算机与辅助传感器19、BMS系统连接，BMS系统与动力电池、大功率充电装置3、车辆驱动装置、车载空调、车载计算机、温度传感器连接，电池包中还设置与车载空调连接的相变制冷剂进入和回流通道；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。

车辆进站充电时，接通快速充电通道22，同时接通站内冷源与包内换热器之间的制冷剂注入通道和制冷剂回收通道。

高速充电时，充电站同时向包内换热器注入制冷剂，带走由于高速充电产生的包内热量。包内换热器由于与电池包物理隔离，因此注入制冷剂不会对电池包产生压力影响。此控制过程可由主控系统采集车载计算机的温度数据辅助实施。

充电结束后断开所有通道即可完成服务。此过程中，系统可同时向电池管理系统(BMS)提供制冷服务。汽化后的制冷剂可由站内系统决定制备回液态备用。

本方案控制方法简单，但车载端系统重量较大，可应对发热功率有限。

Claims (8)

1.一种电动汽车快速充电方法，其特征在于：在充电的同时，往电池包内注入相变制冷剂，平衡电池快速充电产生的热量。

2.如权利要求1所述的一种电动汽车快速充电方法，其特征在于：充电结束后将相变制冷剂予以回收，并进行循环再利用。

3.一种电动汽车快速充电系统，包括充电站系统和电池系统，所述充电站系统的大功率充电装置对电池包充电；其特征在于：所述充电站系统还包括相变制冷剂加注装置，所述相变制冷剂加注装置在电动汽车充电时与电池包连接；优选的是，充电站系统内的大功率充电装置通过BMS系统连接动力电池，充电站系统内的冷源通过相变制冷剂加注装置连接至电池包；优选的是，BMS系统还连接车载空调和电驱动系统。

4.如权利要求3所述一种电动汽车快速充电系统，其特征在于：还包括相变制冷剂回收装置，所述电池包在电动汽车充电时还与相变制冷剂回收装置相连，相变制冷剂汽化后通过相变制冷剂回收装置连接至冷源。

5.如权利要求3所述一种电动汽车快速充电系统，其特征在于：电池包内设有包内设备，实现相变制冷剂的喷入与循环。

6.如权利要求5所述的一种电动汽车快速充电系统，其特征在于：电池包内浸没相变制冷剂，包内设备包括相变制冷剂入口和出口、安全泄压阀、液位传感器、温度传感器和压力传感器，充电站系统包括主控系统、大功率充电装置、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道、余液回收装置通道可共形连接相变制冷剂注入通道也可单独设置输送通道，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置与BMS系统连接，液位传感器、压力传感器、温度传感器、储液装置、储气装置、大功率充电装置、压缩/散热系统分别与主控系统连接，BMS系统分别与动力电池、车载空调、温度传感器连接；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。

7.如权利要求5所述的一种电动汽车快速充电系统，其特征在于：相变制冷剂通过喷雾方式进入电池包内，包内设备包括相变制冷剂入口和出口、安全泄压阀、温度传感器，入口处设置雾化装置，充电站系统包括主控系统、大功率充电装置、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道、余液回收装置通道可共形连接相变制冷剂注入通道也可单独设置输送通道，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置与BMS系统连接，储液装置、储气装置、大功率充电装置、压缩/散热系统、车载计算机分别与主控系统连接，车载计算机与BMS系统连接，BMS系统与动力电池、大功率充电装置、车辆驱动装置、车载空调、车载计算机、温度传感器连接；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。

8.如权利要求5所述的一种电动汽车快速充电系统，其特征在于：相变制冷剂通过循环管路进入电池包中，包内设备包括隔离循环换热器、温度传感器，隔离循环换热器设置相变制冷剂入口和出口，充电站系统包括主控系统、大功率充电装置、储液装置、储气装置、压缩/散热系统，储液装置通过相变制冷剂注入通道连接相变制冷剂入口，储气装置通过汽化制冷剂回收通道连接相变制冷剂出口，储液装置和储气装置通过压缩/散热系统连接，大功率充电装置与BMS系统连接，储液装置、储气装置、大功率充电装置、压缩/散热系统、车载计算机分别与主控系统连接，车载计算机与BMS系统连接，BMS系统与动力电池、大功率充电装置、车辆驱动装置、车载空调、车载计算机、温度传感器连接；优选的是，压缩/散热系统可以采用晾气装置代替。