CN110171312A - 具有集成式冷却剂储存器的充电系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于为电动车辆充电的充电系统，该充电系统具有：充电站；至少一个充电接口，该充电接口能够与该电动车辆联接，以便为该电动车辆充电；用于储存能量的缓冲储存器；功率电子器件，该功率电子器件适配为用于从该缓冲储存器和/或从该充电站的电网接口向该至少一个充电接口提供能量；以及制冷剂储存器，该制冷剂储存器储存制冷剂，其中该制冷剂用于冷却该功率电子器件。

Description

具有集成式冷却剂储存器的充电系统

技术领域

本发明总体上涉及一种具有集成式冷却剂储存器的充电系统。该充电系统尤其可以是这样的充电系统，其具有用于为电动车辆充电而结合的电缓冲储存器和用于液体冷却剂的储存器。

背景技术

近年来电动汽车变得越来越重要。为了推动电动车辆的普及，所希望的是，电动车辆的充电过程是快速、简单且随时可行的。如今现代化的电动车辆可以以超过100kW的充电功率、300安培以及更高的范围内的充电电流充电。充电站中的功率电子器件转换来自电网接口的电流和电压，使得充电插头处的电流和电压具有适当的形式(DC或AC)和数值，以便能够给电动车辆充电。当在充电过程期间出现大充电电流时，功率电子器件的冷却是不可缺少的，因为否则在较高的外部温度下且尤其在频繁的充电过程中功率电子器件可能由于过热而损坏，这对运营者和用户都有明显不利的后果。

全世界使用的许多不同的充电站使用不同的冷却系统。冷却单元的构造和设计也对应地改变。功率电子器件在大多数现今的充电柱中被空气冷却。然而，只有当充电桩的构造空间相对大并且可获得足够的空间用于相应的空气导流装置时，才能实现起到良好作用的空气冷却。

空气冷却的替代方案是液体冷却，其中液体代替空气作为吸热介质。由于大多数情况下明显更高的比热容，液体冷却可以更紧凑地形成并且仍然提供高冷却功率。常见的液体冷却大多数情况下配备有热交换器和超压容器。后者确保在冷却液体的温度波动和与之相关的密度波动下，一直存在足够的冷却液体还有冷却回路中的冷却系统的冷却液体。

因此，在文献US 2012/043935中描述了一种充电桩，其中布置有冷却装置，该冷却装置在充电期间将冷却液体传递到车辆以冷却车辆电池。在文献US 2013/307477中公开了一种容器，其具有用于执行充电过程所需要的所有电部件。该容器配置成，使得发热元件、也就是说尤其电气和电子部件将其热量传递给容器壁。文献US 2015/054460公开了一种具有电池的充电桩，用于电动车辆的快速充电。该充电桩包含用液体工作的调温系统，由此一方面实现对车辆或其电池的冷却，另一方面还实现用于快速充电的内部电池的冷却。在文献CN 206344701中描述了一种带有冷却系统的充电桩，其具有带有水箱的太阳能电池，该太阳能电池放置在充电桩的外部壳体上方。向该充电桩的外部壳体上喷水以冷却充电桩。另外提出了温度和空气湿度的远程监测装置。最后，文献DE 10 2015 222703描述了一种充电站，其除了提供电能之外还具有用于对机动车辆的储能器调温的基于流体的调温装置。

发明内容

从现有技术中已知的用于电动车辆的充电桩出发，可以看出本发明的目的是提供一种充电站，该充电站具有高效且在多次充电过程中提供冷却的冷却系统，该充电站还尽可能得安静，使得用户在充电过程期间不会受噪音过度干扰。

此目的是通过根据下述1所述的充电系统实现的。有利的改进方案由下述2-9和所附说明书得出。

1.一种用于为电动车辆充电的充电系统，该充电系统包括：

充电站；

至少一个充电接口，该充电接口能够与该电动车辆联接，以便为该电动车辆充电；

用于储存能量的缓冲储存器；

功率电子器件，该功率电子器件适配为用于从该缓冲储存器和/或从该充电站的电网接口向该至少一个充电接口提供能量；以及

制冷剂储存器，该制冷剂储存器储存制冷剂，其中该制冷剂用于冷却该功率电子器件。

2.根据上述1所述的充电系统，

其中该制冷剂用于冷却该缓冲储存器和/或直接或间接地

通过热交换器用于冷却充电线缆。

3.根据上述1或2所述的充电系统，还具有：

充电桩，该充电桩与该充电站电联接，其中在该充电桩处提供该至少一个充电接口。

4.根据上述1至3之一所述的充电系统，

其中该制冷剂包含水。

5.根据上述1至4之一所述的充电系统，

其中该制冷剂储存器布置于地表以下。

6.根据上述1至5之一所述的充电系统，

其中该缓冲储存器的至少一部分布置于地表以下。

7.根据上述1至6之一所述的充电系统，

其中该充电接口具有制冷剂管线，该制冷剂管线与该制冷剂储存器联接，用于主动冷却该充电接口。

8.根据上述1至7之一所述的充电系统，

其中该制冷剂储存器具有每个充电接口至少100升的容量。

9.根据上述3所述的充电系统，

其中该至少一个充电接口布置在该充电桩处并且制冷剂管线布置在介于该充电桩与该充电站之间的连接管线中，该制冷剂管线与该制冷剂储存器联接，用于主动冷却该连接管线。

10.根据上述1至9所述的充电系统，

其中冷却系统的制冷剂也能够用于加热，

使得该冷却系统形成调温系统。

根据本发明提供了一种用于为电动车辆充电的充电系统，该充电系统具有：充电站；至少一个充电接口，该充电接口能够与该电动车辆联接或可以连接到其上，以便为该电动车辆充电；用于储存能量的缓冲储存器；功率电子器件，该功率电子器件适配为用于从该缓冲储存器和/或从该充电站的电网接口向该至少一个充电接口提供能量；以及，制冷剂储存器，该制冷剂储存器储存制冷剂，其中该制冷剂用于冷却该功率电子器件。

根据本发明的充电系统总体上可以作为模块化的系统存在并且具有充电站和至少一个可与之分离的充电桩，该充电桩可以具有一个或多个充电插头。替代地该充电系统可以布置为组合式系统并且具有主壳体，功率电子器件、缓冲储存器和制冷剂储存器位于该主壳体中，其中该至少一个充电插头可以布置在主壳体处。缓冲储存器可以是适当尺寸的可再充电电池或电池组件，其提供用于执行充电过程所需的能量。缓冲储存器的容量可以在每个充电插头大约50kWh到大约500kWh的范围内。缓冲储存器尤其可以这样设计：在根据本发明的充电系统处机动车辆可以以如下的充电功率进行充电，该充电功率超过连接到充电系统的电网接口的功率。在适当的情况下可以只将缓冲储存器中存在的能量用于充电过程，即，充电过程不必依赖于在充电时间点来自电网接口的能量流。因此，缓冲储存器可以充当能量缓冲器并且因此以比电网接口更高的功率来实现充电过程。然而，缓冲储存器也可以充当能量缓冲器并且提供在充电过程中传递的总能量。因此，在根据本发明的充电系统处的充电过程与所连接的电网的功率无关。布置在充电系统中的功率电子器件调节在充电系统的缓冲储存器(或者在适当时电网接口)与充电插头之间的电流转换(电流强度、电压和在适当时电流类型(DC或AC))。通过电网接口，充电系统可以连接到电网。根据本发明的充电系统一般可以这样适配：连接到其上的车辆可以借助于来自电网的和来自缓冲储存器的电流来充电，其中在所进行的充电过程中这两个来源中的每一个的电流的比例可以为0％与100％之间。

根据本发明的充电系统的充电站还具有制冷剂储存器，其中提供用于冷却功率电子器件的冷却剂。制冷剂储存器布置在充电系统内并且联接到流体力学式调温系统，例如联接到具有冷却体的管道系统，使得总体上存在完整的主动冷却系统，以将转换成热量的功率损耗从功率电子器件中排出。流体力学式调温系统可以具有冷却剂回路中常用的其他部件，例如泵、散热器和平衡容器。功率电子器件的冷却一般可以直接地借助于安置到功率电子器件处的冷却元件实现和/或间接地借助于热交换器实现，该热交换器布置在功率电子器件的位置处并且冷却在功率电子器件周围流动的空气。

通过制冷剂储存器的匹配的设计，根据本发明的充电系统可以具备足够的冷却功率，以便即使在较热的外部温度下也能安全可靠地工作。冷却功率不仅仅与环境的更强的热交换有关，而且还与制冷剂和待冷却部件之间的温度梯度有关。因此可以实现相对安静的冷却，例如该冷却基于因为以低转速运行的而几乎无法听到的鼓风机。如果彼此相继和/或彼此并行地进行多次充电过程并且因此必须排出更多的废热或者如果外部温度升高，这也可以避免产生直接从充电站排出的非常热的废热(废气)。通过制冷剂储存器与外部环境的良好热解耦，制冷剂可以例如以恒定速率冷却，例如借助通风的冷凝器。制冷剂储存器可以被认为是废热峰值的缓冲器，并且因此允许使用冷却系统的整体尺寸较小的剩余部分(与没有制冷剂储存器的冷却系统相比)，废热通过该冷却系统从充电系统排放到环境中。换句话说，制冷剂储存器确保在交替使用和不使用根据本发明的充电系统的情况下连续平滑地进行功率电子器件的冷却。因此，制冷剂储存器可以被认为是关于在电动车辆充电过程中所积累的废热而言可以吸收大热量的物体。充电系统的废热被吸收，并且因此可以说是按计量地排放到环境。在合适的设计中，制冷剂储存器还提供了对于待排出热量的足够的吸收容量，从而还可以在时间上偏移地提供足够的冷却功率。这尤其可以被理解为，不仅在充电过程开始时可以提供全部的冷却功率，而且制冷剂储存器在进一步或后续充电过程中同样仍可以提供冷却功率。例如，如果充电系统配备有最大10kW的制冷功率，则制冷剂储存器可以设计为用于例如4kW的制冷功率，这样其余的冷却系统(以经典方式将功率电子器件的废气排放到环境)只仍需要设计为用于6kW而不是10kW。然后制冷剂储存器可以例如在休止阶段“再生”，即再次冷却至其基本温度。休止阶段可以理解为不必从充电站排出或仅需排出非常少废热的阶段。尤其在夜间可以存在更多的休止阶段，因为这时一方面通常发生较少的充电过程，并且另一方面外部温度与白天相比有所降低，使得借助于热交换器更有效地将热量排放到外部环境。即，在这个意义上，制冷剂储存器可以看作是平滑化元件：在充电系统处高充电负载的情况下，它可以提供冷却功率，并且在充电系统处低充电负载的情况下，它可以再次再生。

根据该充电系统的另一个实施方式，制冷剂也可以附加地用于冷却缓冲储存器。缓冲储存器因此可以按与功率电子器件相同的方式冷却。缓冲储存器的冷却可以直接地借助于安置到缓冲储存器处的冷却元件实现或间接地借助于热交换器实现，该热交换器布置为靠近或在缓冲储存器的区域中并且冷却在缓冲储存器周围流动的空气。

根据另一个实施方式，充电系统还可以具有至少一个充电桩，该充电桩与充电站电联接，其中在该充电桩处提供该至少一个充电接口。充电桩可以借助于管线与充电站电联接并且与充电站隔开一定距离(例如50米或100米)搭建。在另一个实施方式中，充电桩也可以与充电站热连接，使得充电站的冷却系统负责充电桩的冷却。这样的实施方式可以具有以下优点，充电桩可以构造得非常紧凑且不显眼，因为功率电子器件和缓冲储存器布置在充电站的中央。于是可以说充电桩只具有充电插头和操作终端。在一个特别合适的实施方式中，充电桩可以另外具有热交换器，该热交换器将充电站的冷却传递到用于充电线缆的单独的冷却回路，使得可以对该冷却回路使用较少的特殊冷却剂。

根据该充电系统的另一个实施方式，该制冷剂可以是水。因此制冷剂储存器可以具有水箱。可以向所使用的水中添加各种添加剂，这些添加剂增加水的功能，例如防腐保护和/或防冻保护。

根据该充电系统的另一个实施方式，制冷剂储存器可以布置于地表以下。制冷剂储存器的地下安装可以保护其免受阳光照射，并且整体上可以充分利用土壤的平均化或调温效果(也就是说夏季比通常的空气温度(例如30℃)更冷，冬天比通常的空气温度(例如-5℃)更热)。根据本发明的充电系统的充电站可以例如具有地上部分和地下部分，其中地下部分可以与地上部分在很大程度上热隔离。地下部分和地上部分可以在结构上形成一个单元或者在结构上彼此分离，并且仅通过液体冷却系统的相应的冷却剂管道或部分和流体管线互相连接。缓冲储存器可以以电池组件的形式布置于地上部分中。然而，在另一个实施方式中，充电站的缓冲储存器的至少一个部分可以安装在地下，以便对于这个部分也充分利用土壤的气候调节效应。即，因此根据本发明的充电站的地下部分至少具有制冷剂储存器，并且还可以方便地具有冷却剂冷却系统的流体力学元件，比如压缩机和/或泵，并且在适当时具有缓冲储存器的至少一部分。在充电站的地上部分中可以设置有风扇，这些风扇与液体冷却系统相关并且支持从冷却系统的冷凝器到环境的热传递。

根据该充电系统的另一个实施方式，充电接口可以具有制冷剂管线，该制冷剂管线直接或间接地通过热交换器与制冷剂储存器联接，用于主动冷却充电接口，尤其在所进行的充电过程期间。这意味着，冷却剂管线在充电接口内，也就是说在连接充电插头(其中该充电插头本身也可以被冷却)与充电站或充电桩的充电线缆内，并不是隔热的，而是被设计用于冷却剂管线与在充电接口中延伸的充电线缆之间的热或冷传递。制冷剂管线可以不是基本上不隔热的输送管线，该输送管线不仅仅用于将制冷剂从制冷剂储存器输送到电动车辆的冷却系统，如现有技术中已知的那样。

根据该充电系统的另一个实施方式，制冷剂存储器可以具有每充电接口约200升或更多的数量级的容量。由此制冷剂储存器可以提供足够的冷却功率并且用作缓冲储存器和功率电子器件的主要冷却源。

根据该充电系统的另一个实施方式，冷却系统还可以作为加热系统工作，并且根据需要与环境温度相关地将储存在制冷剂存储器中的能量以热的形式输出到充电系统的部件。例如充电线缆在冬季可以这样被加热，使其保持柔性。在这方面，冷却系统可以被认为是调温系统，其可以防止借此可调温的部件的过冷和过热的温度。

本发明的其他优点和设计从说明书和附图得出。

显然，上述的以及还将在下文中说明的特征不仅可以按照相应给出的组合来使用，也可以按照其他组合或单独地使用，而不背离本发明的范围。

附图说明

本发明借助于在附图中的实施方式示意性地展示并且参照附图示意性及详细地进行描述。

图1示出了根据不同实施例的充电系统的示意图。

图2示出了根据本发明的充电系统的充电站的实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据不同实施例的充电系统1的示意图。充电系统具有充电站1，该充电站带有用于储存能量的缓冲储存器2。此外，充电站1布置有功率电子器件3(这概括性地指代所有电气和电子部件)，该功率电子器件用于从缓冲存储器2和/或电网接口供应能量以为电动车辆充电。充电站1还具有功率电子器件3，该功率电子器件使用所需电压转换和必要时的电流转换来提供充电电流，借助于该充电电流可以对通过充电接口5连接到充电站1的电动车辆充电。尽管图1中仅示出了一个充电接口5，但是当然可以提供更多个充电接口。此外，该至少一个充电接口5可以不直接布置于充电站1处，而是布置于远离充电站1安装的充电桩，该充电桩与充电站1电联接并进行充电电流输出。

根据本发明的充电站1还具有制冷剂储存器4，其优选地安装于地下。制冷剂储存在制冷剂储存器4中，该制冷剂例如水，可以用于冷却功率电子器件3并且还优选冷却缓冲储存器2。冷却过程由图1中所示的双箭头表示，并且可以大体上代表冷却系统，该冷却系统基于来自制冷剂储存器4的制冷剂来执行对缓冲储存器和功率电子器件的冷却。如上所述，对应的系统的冷却可以直接或间接地进行。

制冷剂储存器4的地下组件例如可以是指制冷剂储存器4或充电站1的壳体或建筑物部分在充电站1的具有制冷剂储存器4的安装地点处沉入大地中。通过两个双箭头代表的冷却系统可以附加地用于冷却充电接口5的充电线缆。

图2示出了根据本发明的充电系统的充电站10的具体示例性实现方式。根据在充电站10内部中的部件的数量和尺寸，充电站的大小可以改变。充电站10的示例性占地面积可在大约1至10m²的范围内，并且示例性总高度(也就是说包括潜在的地下部分)可在大约1至约4m的范围内。充电站10在安装地点可以例如一半布置在大地中。在图2中示出的示例性的充电站10具有长方体形状，这不是强制性要求。在充电站10的上部中可以布置风扇12，其在充电站10的布置有冷却系统的冷凝器14的区域中提供空气循环。气态的、过热的制冷剂在冷凝器14中被冷却。在充电站10的上部区域中，还可以布置第一热交换器13，其中该第一热交换器是功率电子器件的液体-空气热交换器(在图2中未明确示出该功率电子器件)。借助于第一热交换器13从在充电站10内部中通过功率电子器件加热的空气移除热量并将热量传递给制冷剂。不会从充电站10排出直接被功率电子器件加热的热废气。由风扇12产生的空气流尤其不用于对充电站10的布置有功率电子器件的区域通风。如图2所示，具有功率电子器件的区域与冷却系统的冷凝器14所在的区域通过分隔壁隔开。因此，功率电子器件的冷却借助于液体冷却来进行，而不是通过从充电站10排出热废气来进行。除了第一热交换器13之外，当然还可以设置与冷却系统联接的冷却体，该冷却体直接安置到功率电子器件的特别受过热影响的部件处。功率电子器件可以附加地借助于冷却板15冷却，该冷却板可以通过对流或借助于散热器冷却。

缓冲储存器17布置在示例性的充电站10的中部区域中。缓冲储存器17可以具有电池单元和/或电池模块的组件。此外，在缓冲储存器17的电池组件的侧面提供用于铺设管路的区域16，在该区域中可以布置例如冷却系统的管线和部件(这些没有明确示出)。这些部件可以用于将制冷剂从冷储存器19输送到功率电子器件，并且优选地输送到缓冲储存器17，然后再次返回到制冷剂储存器19中。专业人员可以通过门或罩盖的翻板从外部进入区域16以进行维护。在缓冲储存器17的区域中布置有第二热交换器18，其中该第二热交换器是缓冲存储器17的制冷剂-空气热交换器。借助于第二热交换器18从在充电站10内部中通过缓冲存储器17加热的空气移除热量并将热量传递给制冷剂。然后不将源自缓冲储存器17的热空气从充电站10直接排出或可以在时间上延迟地进行以出现(Aufkommen)热废气。替代地，缓冲储存器17的冷却可以附加地或排他地借助于空气冷却来实现。

在充电站10的下部区域中布置有制冷剂储存器19，例如水箱。此外还设置有压缩机20以及至少一个泵21。液体冷却系统可以分别具有用于缓冲储存器17、功率电子器件和充电接口5的分开的冷却分支。因此这些冷却分支中的每一个具有一个自己的泵21用于输送制冷剂。然而，冷却分支也可以任意地结合。如图2中所示，充电站10的下部(大体上具有制冷剂储存器19)位于地表11以下并因此被大地包围，其承担绝热/稳定化物质的作用。制冷剂储箱19尤其在布置于大地中的情况下被保护免受阳光照射的直接影响。根据需要，充电站10的下部可以与该制冷剂储箱分离并且布置于大地中的较深处，以便更强地利用大地的冷却和调温效应。

Claims (10)

1.一种用于为电动车辆充电的充电系统，该充电系统包括：

充电站；

至少一个充电接口，该充电接口能够与该电动车辆联接，以便为该电动车辆充电；

用于储存能量的缓冲储存器；

功率电子器件，该功率电子器件适配为用于从该缓冲储存器和/或从该充电站的电网接口向该至少一个充电接口提供能量；以及

制冷剂储存器，该制冷剂储存器储存制冷剂，其中该制冷剂用于冷却该功率电子器件。

2.根据权利要求1所述的充电系统，

其中该制冷剂用于冷却该缓冲储存器和/或直接或间接地

通过热交换器用于冷却充电线缆。

3.根据权利要求1或2所述的充电系统，还具有：

充电桩，该充电桩与该充电站电联接，其中在该充电桩处提供该至少一个充电接口。

4.根据权利要求1或2所述的充电系统，

其中该制冷剂包含水。

5.根据权利要求1或2所述的充电系统，

其中该制冷剂储存器布置于地表以下。

6.根据权利要求1或2所述的充电系统，

其中该缓冲储存器的至少一部分布置于地表以下。

7.根据权利要求1或2所述的充电系统，

其中该充电接口具有制冷剂管线，该制冷剂管线与该制冷剂储存器联接，用于主动冷却该充电接口。

8.根据权利要求1或2所述的充电系统，

其中该制冷剂储存器具有每个充电接口至少100升的容量。

9.根据权利要求3所述的充电系统，

其中该至少一个充电接口布置在该充电桩处并且制冷剂管线布置在介于该充电桩与该充电站之间的连接管线中，该制冷剂管线与该制冷剂储存器联接，用于主动冷却该连接管线。

10.根据权利要求1或2所述的充电系统，

其中冷却系统的制冷剂也能够用于加热，

使得该冷却系统形成调温系统。