CN113335103B - 一种大功率充电桩冷却系统、温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率充电桩冷却系统及温度控制方法,包括充电枪、通过充电线缆与充电枪相连的充电桩和冷却装置;所述充电枪、充电线缆及冷却装置内置有连通的液冷流道,液冷流道内填充有冷却液;其中,充电线缆为中空结构,充电枪内设有密壶结构,液冷流道内置在中空结构内并穿过所述密壶结构,所述冷却装置包括驱动泵和散热器,驱动泵和散热器安装在液冷流道上,驱动泵用于加速冷却液的流动速度,散热器用于加快冷却流道的散热速度。本发明采用液冷电缆,充电线缆的导电体直接包裹在冷却液外,可及时带走充电过程导体所产生的高热量,从而达到快速降温的目的,以解决充电过程的发热问题。
Description
技术领域
本发明涉及充电桩领域,尤其涉及一种大功率充电桩冷却系统及温度控制方法。
背景技术
近年来,随着电动车续航里程的不断增加,充电时间要求不断的缩短,来提高车主充电消费体验。电动车充电也朝着大功率快速充电的方向发展,通过继续增加导体截面积来增加电缆载流量已不太现实。现有直流充电线缆的重量已经严重影响了用户体验如充电线缆过粗、过重不易使用,充电线缆发热严重引起老化,甚至出现充电电缆过热引发自燃的安全隐患。
当前业界的直流充电枪设计峰值输出电流为250A,因为当输入电流超过峰值时充电枪内部导线发热量变得巨大,长时间的高热量累积,连接的充电枪因高热量的不断叠加,可导致充电枪融化变形、烧坏甚至起火,危及电动汽车甚至公共安全。上述的发热问题未解决将限制电流的输出,目前设计的充电技术给电动车充电往往需要几个小时才能充满,需等待时间较长,对消费者使用带来极大不便。因而对于未来充电领域的发展,实现充电桩的大功率输出,及相配套的散热系统,从而实现安全、快速、高效的充电技术势在必行。
此外,在发电厂、电力公司配电电方面,电力电缆在承载大电流时候,一方面可采用增加线缆横截面的方法来提高载流,但此方法会增加线缆的成本,同时在安装布线方面非常不方便。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种大功率充电桩冷却系统及温度控制方法,采用冷却的方式,可大大的提高载流,减少线缆的外部直径;同时采用液冷电缆,可解决快速充电时充电电缆的散热问题。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
本发明公开的一方面,一种大功率充电桩冷却系统,包括充电枪、通过充电线缆与充电枪相连的充电桩和冷却装置;所述充电枪、充电线缆及冷却装置内置有连通的液冷流道,液冷流道内填充有冷却液;其中,充电线缆为中空结构,充电枪内设有密壶结构,液冷流道内置在中空结构内并穿过所述密壶结构,所述冷却装置包括驱动泵和散热器,驱动泵和散热器安装在液冷流道上,驱动泵用于加速冷却液的流动速度,散热器用于加快冷却流道的散热速度。
本发明公开的另一方面,一种大功率充电桩冷却系统冷却液温度控制方法,当液冷流道内冷却液的温度超过设定值K时,散热器开启冷却措施,具体K值的计算方式包括如下步骤;
若线缆产生的热量均被冷却液吸收,冷却液进口流量:I2R·2Lt=cmΔT'则Vm=m/t=I2R·2L/(cΔT'),转化为液冷流道体积流量为Vv=Vm/ρ;
式中,R为线缆内阻,L为单侧线缆长度,I为线缆流过的电流,ΔT'为冷却液预估温升,t为时间,c为冷却液比热容,m冷却液质量,ρ冷却液密度;
假设系统最高耐温为Tmax,冷却液进口的温度为T,根据冷却液进口流量和温度,通过仿真实验计算冷却液的实际温升ΔT,当T+ΔT<Tmax,说明设计是合理的,则K=Tmax-ΔT,即K值为系统最高耐温与冷却液温升的差值。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:
本发明采用液冷式充电电缆,充电线缆的导电体直接包裹在液冷流道外,可及时带走充电过程导体所产生的高热量,从而达到快速降温的目的,以解决充电过程的发热问题;
本发明采用冷却的方式,可大大提高载流,减少充电线缆的外部直径,方便布置安装且降低成本;
本发明在液冷流道和充电电缆之间设置柔性骨架,导电体由多根铜丝绞合而成,包裹在柔性骨架外侧或从柔性骨架内穿过,使得线缆在增强的结构强度下还能任意弯曲,不会出现堵塞现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。其中:
图1是根据本发明一实施例大功率充电桩冷却系统的结构示意图;
图2是根据本发明一实施例充电线缆的结构示意图;
图3是根据本发明一实施例充电枪内密壶结构的示意图;
图中:1、充电枪,101、密壶结构,2、充电线缆,201、柔性骨架3、充电桩,4、冷却装置,401驱动泵,402散热器,5、液冷流道,501第一液冷流道,502第二液冷流道,503第三液冷流道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明实施例一种大功率充电桩冷却系统的结构示意图,包括充电枪1、通过充电线缆2与充电枪1相连的充电桩3、冷却装置4;其中充电枪1、充电线缆2及冷却装置4内置有连通的液冷流道5,液冷流道5内填充有冷却液;其中,充电线缆2为中空结构,充电枪1内设有密壶结构101,液冷流道5内置在中空结构内并穿过所述密壶结构101。
液冷通道5位于密壶结构101内部,位于密壶结构101内的液冷流道5与充电线缆2中的液冷流道5串联,充电枪1和充电线缆2通过液冷通道5与冷却装置4连接,形成连通的液冷流道5。充电线缆2的导电体包裹在液冷流道5上。
冷却装置4包括驱动泵401和散热器402,驱动泵401和散热器402安装在液冷流道5上,其中,驱动泵401用于加速冷却液的流动速度,可及时带走充电过程导电体所产生的高热量,散热器402用于加快液冷流道的散热速度,从而达到快速降温的目的,以解决充电过程的发热问题。
作为本发明的一实施例如图2所示,充电线缆包括主+和主-两根线缆以及设置在主+线缆内的第一液冷流道501和设置在主-线缆内的第二液冷流道502,充电枪包括主+和主-两个线缆接口,主+和主-线缆分别与所述充电枪的主+和主-接口连接;第三液冷流道503位于密壶结构101内部,两端分别与第一液冷流道501或第二液冷流道502连通。
作为本发明的一实施例如图3所示,为了确保液冷流道畅通,在折弯时也不会出现堵塞的现象,在导电体与液冷流道5之间设有柔性骨架201,柔性骨架201螺旋缠绕在液冷通道5上,一方面可大大增加散热面积,另一方面柔性骨架201作为液冷流道5的支持结构,可提高线缆的强度。
充电线缆2为柔性电缆,液冷流道5位于导电体中心,导电体由多根铜丝绞合而成,包裹与柔性骨架201外部或从柔性骨架201内部空隙处穿过。如采用变径弹簧,导电体的多根铜丝可以从变径弹簧的小内经和大内径形成的空隙处穿过。
作为本发明的一实施例,密壶结构101为绝缘材料制成,可采用注塑工艺成型。
冷却液为绝缘体,如电子氟化液、硅油等绝缘性液体中的一种,冷却液选用导热系数越高、动力粘度越低的绝缘性材质。
冷却装置4可集成在充电桩3内,或单独设置在充电桩3外部,冷却装置4亦可为其他实现降温目的的结构,主要目的是通过控制冷却液的流通速度和/或冷却液的散热速度即可。
作为本发明的一实施例,一种大功率充电桩冷却系统的温度控制方法,位于散热器402液冷流道5的输入端设置有温度传感器,用于检测液冷流道5内冷却液的温度。在散热器402入口处设有温度传感器,用于检测冷却液的温度。
充电桩冷却系统包括两种工作状态,当充电电流较小,或环境温度比较低的情况下,所述散热器402内冷却液的进口温度不超过设定值K时,散热器402不工作,冷却液流入散热器402内,散热器402可增大散热面积,进行自然散热;当液冷流道5内冷却液的温度超过设定值K时,散热器402开启冷却措施,可采用风冷或水冷的方式。
具体的,K值主要依据系统材料的耐温值而设定。若系统内的所有器件的最高耐温为100℃时,系统可以正常运行。
若线缆产生的热量均被冷却液吸收,冷却液进口流量:I2R·2Lt=cmΔT'则m/t=I2R·2L/(cΔT'),
式中,R为线缆内阻,L为单侧线缆长度,I为线缆流过的电流,ΔT'为冷却液预估温升,t为时间,c为冷却液比热容,m冷却液质量;
根据冷却液进口流量,通过仿真实验计算冷却液的实际温升ΔT,假设系统最高耐温为Tmax,K=Tmax-ΔT,即K值为系统器件的最高耐温与冷却液温升的差值。
实例验证,按照线规,选择过流截面为35方的线,线缆内阻为0.527Ω/km,线缆长3m,系统最高耐温为100℃,线缆产生的热量由上述公式I2R·2L=1138.3W,假设液冷线的进口温度25℃,假设线缆产生的热量均由冷却液吸收,冷却液的预估温升ΔT'=50℃,由上述公式m/t=I2R·2L/(cΔT')计算得到冷却液进口流量为0.11kg/s,通过仿真手段,验证得到,在流量为0.11kg/s时,冷却液实际温升ΔT为51.6℃,T+ΔT=25℃+51.6℃=76.6℃<100,说明上述理论推算是可行的,设计的流量是满足△T值的。
在使用的过程中,充电线缆外径和内径直接影响使用体验,具体设计如下:
液冷流道体积流量Vv=πr2*u,其中r为液冷流道的内径,u为冷却液流速,Vv为液冷流道体积流量,u值越大,散热效果越好,但也导致系统压降较大,系统需要消耗更多能力,一般u值取2-3m/s,通过上述公式计算液冷流道内径r2=Vv/(π*u)。
依据线规,选择充电线缆的过流截面为A的线,最终充电线缆的外径Rw计算为:Rw2=(A+πr2)/π。
通过上述计算确定充电线缆的外径、内径以及充电线缆进口的流量关键参数。
工作时,冷却液从驱动泵401出口依次输入至第一液冷流道501、第二液冷流道502、第三液冷流道503后流入散热器402入口,经过冷却后冷却液再次由驱动泵401泵入充电线缆2内部的液冷流道5,将以上过程往复循环,实现冷却液在充电线缆2和冷却装置4内部循环,通过冷却液将产生的高热量带出充电线缆2,减小充电线缆2因充电而产生的较高的温升。
本发明大功率充电桩冷却系统及冷却液温度控制方法,充电枪1内的液冷流道5和充电线缆2中的液冷流道5串联,充电枪1和充电线缆2通过液冷通道5与冷却装置4连接,形成连通的液冷流道5,冷却装置4的驱动泵401使冷却液在液冷流道5快速流动,充电线缆2内的导电体直接包裹在液冷流道5外,可及时带走充电过程导电体所产生的高热量,同时,根据液冷流道5里冷却液温升情况,合理控制散热器402的工作状态,可节约冷却装置4的能量消耗,从而达到快速降温的目的,以解决充电过程的发热问题,在减小了导电体的截面同时,使得充电线缆2更轻,大幅度缩短充电时间。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种大功率充电桩冷却系统,其特征在于,包括充电枪、通过充电线缆与充电枪相连的充电桩和冷却装置;所述充电枪、充电线缆及冷却装置内置有连通的液冷流道,液冷流道内填充有冷却液;其中,充电线缆为中空结构,充电枪内设有密壶结构,液冷流道内置在中空结构内并穿过所述密壶结构,所述冷却装置包括驱动泵和散热器,驱动泵和散热器安装在液冷流道上,驱动泵用于加速冷却液的流动速度,散热器用于加快冷却流道的散热速度;
当液冷流道内冷却液的温度超过设定值K时,散热器开启冷却措施,具体K值的计算方式包括如下步骤:
若线缆产生的热量均被冷却液吸收,冷却液进口流量:I2R·2Lt=cmΔT'则Vm=m/t=I2R·2L/(cΔT'),转化为液冷流道体积流量为Vv=Vm/ρ;
式中,R为线缆内阻,L为单侧线缆长度,I为线缆流过的电流,ΔT'为冷却液预估温升,t为时间,c为冷却液比热容,m冷却液质量,ρ冷却液密度;
假设系统最高耐温为Tmax,冷却液进口的温度为T,根据冷却液进口流量和温度,通过仿真实验计算冷却液的实际温升ΔT,当满足T+ΔT<Tmax,则K=Tmax-ΔT,即K值为系统最高耐温与冷却液温升的差值。
2.根据权利要求1所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,所述充电线缆的导电体包裹在液冷流道上。
3.根据权利要求2所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,所述导电体与液冷流道之间设有柔性骨架,所述柔性骨架螺旋缠绕在液冷通道上。
4.根据权利要求3所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,所述导电体由多根铜丝绞合而成,包裹在柔性骨架外侧或从柔性骨架内穿过。
5.根据权利要求1所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,所述密壶结构为绝缘材料制成,与充电枪相连的充电线缆接口位于密壶结构内。
6.根据权利要求1所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,所述冷却液为绝缘体,如电子氟化液、硅油。
7.根据权利要求2所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,位于所述液冷流道的进口端设置有温度传感器,用于检测液冷流道内冷却液的温度。
8.根据权利要求2所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,所述冷却装置集成在充电桩内。
9.根据权利要求1所述的大功率充电桩冷却系统,其特征在于,所述液冷流道体积流量Vv=πr2*u,其中r为液冷流道内径,u为冷却液流速,Vv为液冷流道体积流量,一般u值取2-3m/s;计算液冷流道内径r2=Vv/(π*u);依据线规,选择充电线缆的过流截面为A的线,最终充电线缆的外径Rw计算为:Rw2=(A+πr2)/π,从而确定充电线缆的外径、内径以及线缆进口的流量关键参数。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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