CN113787937B - 一种相变材料智能化控温充能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相变材料智能化控温充能系统，包括以下：客户端、服务端器端、电动汽车端和充电桩端；服务器端包括服务器和数据库；服务器用来处理系统中的各种数据；客户端与数据库和服务器建立通讯连接；电动汽车端包括：相变储能箱、电池监测单元、电池温度分析单元、总线通讯单元和分析服务器；充电桩端包括充电桩系统、充电充能控制器和总线通讯网关；本发明的有益效果是：实现新能源电动汽车的电池模组温度周骤变时能够及时预警的功能，保障新能源电动汽车电池模组运行高效性。

Description

一种相变材料智能化控温充能系统
技术领域
本发明涉及电动汽车多能流综合利用领域，尤其涉及一种相变材料智能化控温充能系统。
背景技术
化石能源广泛使用而引起的温室气体和污染物排放已成为当今世界各国面临的共同挑战。在北方进入秋冬季节后，消费者发现所有的新能源汽车续航都会大幅度缩水，在寒冷的环境下电动汽车基本都存在无法充放电，整车无法启动，空调耗能高的问题。电动汽车的性能主要受动力电池的影响，而低温条件下锂离子动力电池的充放电效率下降，放电容量和电池容量衰减，电动车冬季的加速性能会损失惨重，制约了纯电动汽车在我国北方城市的推广和发展。
发明内容
针对以上技术问题，应用相变材料冷-热双模式供能替代现有依靠电池自身电量加热的模式，将相变潜热大、相变时体积变化小、传热稳定的相变材料(PCM)装配到波纹夹板后与换热介质叠构成相变储能箱，低温环境时相变储能箱蓄热，在汽车行驶或静置时为电池供热；在高温环境预先蓄冷，利用自身释放冷量的特点大幅吸收电池自身产热，使电池处于适宜的温度环境，而本产品针对相变材料供能的应用开发了相变材料智能化控温充能系统。
本发明提供的一种变材料智能化控温充能系统，包括：客户端、服务端器端、电动汽车端和充电桩端；
服务器端包括服务器和数据库；数据库用于存储系统中的数据信息；服务器用来处理系统中的数据；
客户端与服务器端通过网络通讯连接；
电动汽车端包括：相变储能箱、电池监测单元、电池温度分析单元、总线通讯单元和分析服务器；
电池监测单元采集并存储动力电池组件的信息数据，电池温度分析单元与分析服务器进行连接，实现天气预警功能；
相变储能箱一端与天气预警模块连接，在天气骤变进行预案应对，另一端直接与电池温度分析单元连接，进行温控供能模式切换；
电池监测单元与总线通讯单元连接；
充电桩端包括充电桩系统、充电充能控制器和总线通讯网关；
总线通讯网关通过Internet网络连接总线通讯单元和服务器端，实现数据的交换；充电桩系统与充电充能控制器电性连接；充电充能控制器用于控制相变储能箱和动力电池与充电桩之间的连接。
进一步地，所述相变储能箱的构成具体为：将相变潜热大、相变时体积变化小、传热稳定的相变材料PCM装配到波纹夹板后与换热介质叠构成相变储能箱；低温环境时相变储能箱蓄热，在汽车行驶或静置时为电池供热；在高温环境预先蓄冷，利用自身释放冷量的特点大幅吸收电池自身产热，使电池处于适宜的温度环境。
进一步地，电动汽车还包括温度传感器，所述温度传感器与电池模组中电池对应，通过温度传感器分别检测新能源电动汽车的电池模组中电池的外壁温度和各电池周围空气温度，T1i和T2i分别表示电池外壁温度和周围空气温度，ΔTi表示电动汽车的第i个电池外壁温度与周围空气温度对比差值。
分析服务器通过Internet与天气预警模块连接，根据电池外壁温度变换切换相变储能箱的工作模式。
所述客户端通过服务器的internet网络连接至总线通讯网关，并经过充电桩系统和充电充能控制器，实时进行充能控制操作，实现延时充电功能，将充电充能操作调整到用电低谷时段。
本发明提供的有益效果是：(1)本发明选择相变潜热大、相变时体积变化小的相变材料应用到现有电池加热系统，低温环境时相变储能箱蓄热，在汽车行驶或静置时为电池供热；在高温环境预先蓄冷，利用自身释放冷量的特点大幅吸收电池自身产热，使电池处于适宜的温度环境。
(2)本发明基于物联网实现的电动汽智能化车充能系统，能实现电动汽车智能充电设施延时充电功能，将充电充能操作调整到用电低谷时段。
(3)本发明通过计算新能源电动汽车的电池模组的综合运行温，同时将新能源电动汽车的电池模组的综合运行温差与设定的电池运行温差阈值进行对比，若大于设定的阈值则发出预警提醒，从而实现新能源电动汽车的电池模组温度周骤变时能够及时预警的功能，保障新能源电动汽车电池模组运行高效性。
附图说明
图1是本发明系统结构图；
图2是嵌入相变储能箱的电动汽车系统框架图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，一种相变材料智能化控温充能系统，包括以下
客户端、服务端器端、电动汽车端和充电桩端；
服务器端包括服务器和数据库；数据库用于存储系统中的数据信息；服务器用来处理系统中的数据；
客户端与服务器端通过网络通讯连接；
电动汽车端包括：相变储能箱、电池监测单元、电池温度分析单元、总线通讯单元和分析服务器；
电池监测单元采集并存储动力电池组件的信息数据，电池温度分析单元与分析服务器进行连接，实现天气预警功能；
相变储能箱一端与天气预警模块连接，在天气骤变进行预案应对，另一端直接与电池温度分析单元连接，进行温控供能模式切换；
电池监测单元与总线通讯单元连接；
充电桩端包括充电桩系统、充电充能控制器和总线通讯网关；
总线通讯网关通过Internet网络连接总线通讯单元和服务器端，实现数据的交换；充电桩系统与充电充能控制器电性连接；充电充能控制器用于控制相变储能箱和动力电池与充电桩之间的连接。
为了更好的解释，本发明对系统中的各个单元进行详细阐述：
(1)客户端：用于与服务器端交换数据，可以查询服务器的数据或向服务器发送控制命令。
所述客户端为通过电信提供的PPP链路接入Internet网络的PC机，或基于4G、WIFI等无线通讯技术接入Internet网络的手机、平板电脑，或基于电力线载波等方式接入的其他终端设备。
客户端的操控基于远程监视控制软件，该远程监视控制软件是基B/S(客户端/服务器端)或者基于C/S模式(浏览器端/服务器端)的电动汽车远程控制软件，在软件中可以查询电动汽车动力电池组件和相变储能箱的充能情况、剩余充能时间等具体数据，并且可以远程下达切换充能模式、预约低谷充能等控制指令。
带入生活场景就是当车主驾驶至充电桩时可以选择即时充电也可以选择充电延时功能，电动汽车会自动连接至智能电网，在城市用电低谷期自动打开充电控制器进行充电，同时也会对相变储能箱进行充能，使其储备一定量的冷量和热量。充电过程该车主临时需要外出，用户用手机APP(客户端)查询，电动汽车的电池目前的电量大约为40％，可以行驶大约200km，该续航里程不足，所以远程改变电动汽车的充电模式为高功率快充，之后用户来到自己的电动汽车旁边的时候，电动汽车已经完成了80％的充电量，续航里程满足出行需要。
(2)服务器：一类是客户端的接入，用于查询电动汽车动力电池组件和相变储能箱的充能状态等信息，以及下发充能模式切换等控制指令；另一类是智能电网的数据接入，用于接收电网上传的运行数据，合理选择峰谷充能。
(3)数据库：用于提供系统运行所需要的数据支持，保存如动力电池组件状态、客户端的命令队列、系统工作日志等数据，实现电动汽车动力电池组件和相变储能箱的实时检测。
(4)电动汽车端：设置有动力电池组件、电池监测单元、总线通讯单元、电池温度分析单元、分析服务器和天气预警模块。
动力电池组件包括经过串并联组合的磷酸铁锂动力电池，以及动力电池组件的冷却装置、充电装置等部分构成，是电动汽车的储能部件。电池监测单元用于监测动力电池组件的温度、电压、剩余可用电量、工作电流等物理量，以了解动力电池组件的工作状态，并且根据动力电池组件是否过热过冷等状态启动相应的温控功能。
并且，该电池监控单元可以将电动汽车与动力电池组件工作相关的系列参数按时、分类存储，在电动汽车联网时，将该数据上传到数据中心，用于对电池工作的状态进行统计分析，以制订更加优化的动力电池组件充电策略。
总线通讯单元中CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，主要用于将电池监测单元采集的信息数据上传或接受外部客户端输入的信息指令。
电池温度分析单元用于接收电池温度监测单元发送的电池模组中各电池的外壁温度集合和各电池周围空气温度集合，将新能源电动汽车的电池模组中各电池的外壁温度集合与周围空气温度进行对比，得到新能源电动汽车的电池模组中各电池的外壁温度与空气温度差值集合ΔTi，并计算新能源电动汽车的电池模组的高效运行影响系数n，n＝ΔTi/ΔT，其中ΔT表示为电池外壁温度和电池周围空气温度的温差阈值，ΔTi表示为新能源电动汽车的电池模组中第i个电池的外壁温度与周围环境温度的对比差值，将新能源电动汽车的电池模组中各电池的外壁温度和各电池周围空气温度集合及影响系数n发送至分析服务器。
分析服务器接收电池温度电池温度分析单元发送的电池模组中各电池的外壁温度各电池周围空气温度集合及影响系数n。根据电池外壁温度变换切换相变储能箱的工作模式，动力电池模组最佳使用温度范围为T1-T2℃，T1为第一预设温度即高温临界温度，T2为第二预设温度即低温临界温度，T1i表示第i个电池外壁温度，k为超出临界温度范围的电池数，初始设定为0，若T1i高于第一预设温度，k增加1，当k的数值达到i的60％，电池温度分析单元即认定此时为高温环境，相变储能箱的冷媒(通常为乙二醇的水溶液)预先通过制成冰储存冷量，此时将冰的相变潜热用于供冷，相变储能箱释放的冷量通过水箱制成低温冷却水，然后低温冷却水通过水泵流至动力电池模组的冷却管道，散热效率显著提升。若T2i低于第二预设温度，k增加1，当k的数值达到i的60％，电池温度分析单元即认定此时为低温环境，管理模块会控制相变储能箱中的蓄热介质(主要是蓄热效率高的相变材料)释放相变潜热，释放的相变潜热通过热量传递至水箱，得到温度较高的水，同样用水泵将高温水导通至动力电池模组的夹层管道，此时水的温度高于电池温度，对电池进行加热。同时提取电池模组高效运行影响系数n，分析服务器对n进行判断，若n大于1，即电池外壁温度与环境温度差值较大，天气有较大可能发生温度骤变，造成动力电池工作效率骤降，分析服务器需要对天气预警模块进行预警指令下达。若n小于1，即电池外壁温度与环境温度差值较小，系统正常运行。
天气预警模块用于接收分析服务器下达的预警提醒，从而实现新能源电动汽车在天气骤变及时预警的功能，保障新能源电动汽车电池模组运行高效性。T1i和T2i分别表示第i个电池外壁温度和周围空气温度，若T1i小于T2i，即电池外壁温度小于周围空气温度，此时预警提醒为高温预警，周围环境温度过高，相应的相变储能箱冷媒提前进入冷量释放状态，利用释放的冷量对水进行冷却，并及时通过水泵进行冷却水的供给，帮助动力电池散热，避免由于温度过高引起的电动汽车电池的大面积衰减和出现热失控；若T1i大于T2i，即电池外壁温度大于周围空气温度，此时预警提醒为低温预警，周围环境温度过低，相应的相变储能箱蓄热介质提前进入释放相变潜热，利用相变潜热对水箱中的水进行加热，同样利用水泵将高温水传输至电池模组的夹层管道，实现对电池的加热保温，避免由于温度过低引起电池功率急剧下降引起的续航和安全问题。这样一来，在温度骤变的时候系统反馈调节的速度得到大大提高。
(5)相变储能箱：相变潜热大、相变时体积变化小的相变材料应用到现有电池加热系统，低温环境时相变储能箱蓄热，在汽车行驶或静置时为电池供热；在高温环境预先蓄冷，利用自身释放冷量的特点大幅吸收电池自身产热，使电池处于适宜的温度环境。
将相变储能箱耦合进电动汽车系统，整个电动汽车系统如图2所示包含辅助模块，车载电源模块，驱动管理主模块，其中辅助模块包含辅助装置照明、空调等，主要靠辅助动力源驱动，收驾驶室操纵台控制；车载电源模块包含充电控制器、蓄电池、能量管理系统等部分；驱动管理主模块包含中央控制单元、驱动控制器、相变储能箱、电机、机械传动装置等部分。
系统中存在的能量形式包括电池、电机、电驱产热，相变材料储能，利用管理模块对能量信息进行整合分析不同形式能量传输、转换、存储关系，构建相变材料温控系统，实现温度控制。当温度大于预设高温阈值时，将相变储能箱设定为高温工作状态，当温度低于预设低温阈值时，将相变储能箱设定为低温工作状态。当处于高温工作状态时，相变储能箱主要为蓄冷箱，工作机理为释放冷量，帮助动力电池快速降温，使其至最佳工作温度；当处于低温工作状态时，相变储能箱释放热量，帮助动力电池快速回温，保证电池的效率。
(6)充电桩端：设置有充电桩系统、充电充能控制器和总线通讯网关，充电桩系统一般提供常规充电和快速充电两种充电方式，充电桩设备大多采用交直流一体的结构。既可实现直流充电，也可以交流充电。
白天充电业务多的时候，使用直流方式进行快速充电，当夜间充电站用户少时可用交流充电进行慢充操作。每个充电桩自带操作器，也可通过软件控制，以供用户进行充电方式选择和操作指导，充电桩通讯接口采用CAN通讯接口与总线通讯网关连接。
充电充能控制器用于对充电充能进程进行控制，一般电动汽车电池充电模式分为普通充电和快速充电，其中普通充电分阶段进行，从0％-90％(不同电池有差异)左右是恒流充电，然后进入恒压充电模式，最后进入涓流充电模式，小电流维持充电状态，这种充电模式状态可以有效延长电池寿命。充电充能控制器可以实现充电充能模式的选择，此外车主远程充电充能控制也是通过充电充能控制器进行实现。例如在车主结束一天的汽车使用之后，将电动汽车停至充电桩，充电充能控制器默认进行普通充电，充电电流相当低,大小约为15A，可充分利用电力低谷时段进行充电,降低充电成本；可提高充电效率和延长电池的使用寿命。而在车主遇到突发事件需要外出时，可以通过手机app选择快速充电模式，快速充电又称应急充电,是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内,为其提供短时充电服务,一般充电电流为150～400A。快速充电充电时间短，可以大容量充电及放电,在几分钟内就可充70％～80％的电。总线通讯开关一端通过因特网与服务器连接，进行数据传输和通讯功能，另一端与充电桩连接实现充电充能远程控制操作。
本发明的有益效果是：
(1)本发明选择相变潜热大、相变时体积变化小的相变材料应用到现有电池加热系统，低温环境时相变储能箱蓄热，在汽车行驶或静置时为电池供热；在高温环境预先蓄冷，利用自身释放冷量的特点大幅吸收电池自身产热，使电池处于适宜的温度环境。
(2)本发明基于物联网实现的电动汽智能化车充能系统，能实现电动汽车智能充电设施延时充电功能，将充电充能操作调整到用电低谷时段。
(3)本发明通过计算新能源电动汽车的电池模组的综合运行温，同时将新能源电动汽车的电池模组的综合运行温差与设定的电池运行温差阈值进行对比，若大于设定的阈值则发出预警提醒，从而实现新能源电动汽车的电池模组温度周骤变时能够及时预警的功能，保障新能源电动汽车电池模组运行高效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种相变材料智能化控温充能系统，其特征在于：包括：
客户端、服务端器端、电动汽车端和充电桩端；
服务器端包括服务器和数据库；数据库用于存储系统中的数据信息；服务器用来处理系统中的数据；
客户端与服务器端通过网络通讯连接；
电动汽车端包括：相变储能箱、电池监测单元、电池温度分析单元、总线通讯单元和分析服务器；
电池监测单元采集并存储动力电池组件的信息数据，电池温度分析单元与分析服务器进行连接，实现天气预警功能；
相变储能箱一端与天气预警模块连接，在天气骤变进行预案应对，另一端直接与电池温度分析单元连接，进行温控供能模式切换；
电池监测单元与总线通讯单元连接；
充电桩端包括充电桩系统、充电充能控制器和总线通讯网关；
总线通讯网关通过Internet网络连接总线通讯单元和服务器端，实现数据的交换；充电桩系统与充电充能控制器电性连接；充电充能控制器用于控制相变储能箱和动力电池与充电桩之间的连接；
电动汽车还包括温度传感器，所述温度传感器与电池模组中电池对应，通过温度传感器分别检测新能源电动汽车的电池模组中电池的外壁温度和各电池周围空气温度，T1i和T2i分别表示电池外壁温度和周围空气温度，ΔTi表示电动汽车的第i个电池外壁温度与周围空气温度对比差值；
计算新能源电动汽车的电池模组的高效运行影响系数n；
n＝ΔTi/ΔT，其中ΔT表示为电池外壁温度和电池周围空气温度的温差阈值；
分析服务器通过Internet与天气预警模块连接，根据电池外壁温度变换切换相变储能箱的工作模式；
将新能源电动汽车的电池模组中各电池的外壁温度和各电池周围空气温度集合及影响系数n发送至分析服务器；
根据电池外壁温度变换切换相变储能箱的工作模式，动力电池模组最佳使用温度范围为T1-T2℃，T1为第一预设温度即高温临界温度，T2为第二预设温度即低温临界温度，k为超出临界温度范围的电池数，初始设定为0，若T1i高于第一预设温度，k增加1，当k的数值达到i的60％，电池温度分析单元认定此时为高温环境，相变储能箱的冷媒预先通过制成冰储存冷量，此时将冰的相变潜热用于供冷，相变储能箱释放的冷量通过水箱制成低温冷却水，然后低温冷却水通过水泵流至动力电池模组的冷却管道；
若T2i低于第二预设温度，k增加1，当k的数值达到i的60％，电池温度分析单元即认定此时为低温环境，相变储能箱中的蓄热介质释放相变潜热，释放的相变潜热通过热量传递至水箱，得到温度较高的水，同样用水泵将高温水导通至动力电池模组的夹层管道，此时水的温度高于电池温度，对电池进行加热；
同时提取电池模组高效运行影响系数n，分析服务器对n进行判断，若n大于1，即电池外壁温度与环境温度差值较大，天气有较大可能发生温度骤变，造成动力电池工作效率骤降，分析服务器对天气预警模块进行预警指令下达；若n小于1，即电池外壁温度与环境温度差值较小，系统正常运行。
2.如权利要求1所述的一种相变材料智能化控温充能系统，其特征在于：所述相变储能箱的构成具体为：将相变潜热大、相变时体积变化小、传热稳定的相变材料PCM装配到波纹夹板后与换热介质叠构成相变储能箱；低温环境时相变储能箱蓄热，在汽车行驶或静置时为电池供热；在高温环境预先蓄冷，利用自身释放冷量的特点大幅吸收电池自身产热，使电池处于适宜的温度环境。
3.如权利要求1所述的一种变材料智能化控温充能系统，其特征在于：所述客户端通过服务器的internet网络连接至总线通讯网关，并经过充电桩系统和充电充能控制器，实时进行充能控制操作，实现延时充电功能，将充电充能操作调整到用电低谷时段。
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