CN114537173A - 一种充电枪及充电设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种充电枪及充电设备，充电枪包括插头、半导体制冷片、导热模块和液冷板。半导体制冷片包括冷端和热端，冷端和热端之间相对设置。半导体制冷片的冷端朝向插头设置，导热模块位于半导体制冷片的冷端与插头之间，并分别与插头和冷端导热接触。液冷板位于半导体制冷片背离导热模块的一侧，并与半导体制冷片的热端导热接触，液冷板内设有流道，流道可与冷源装置连通，流道可通过管路与冷源装置连通形成循环回路。上述充电枪不仅可提高散热效果，还可简化充电枪内部结构，从而降低成本。

Description

一种充电枪及充电设备

技术领域

本申请涉及充电设备技术领域，特别涉及一种充电枪及充电设备。

背景技术

随着新能源车充电功率的不断增大，充电桩上使用的充电连接器功率也不断增大，但是为满足操作便利性要求，其尺寸和重量不宜有太多的增加，这就导致充电枪头发热量增大。现有的主流方案一般通过液冷方式对大功率充电连接器进行散热，充电枪头的插头处设计内部带有流道的导热模块，通过将冷却介质导入到导热模块内部对插头进行冷却，功率线缆则通过导热模块与外部冷源之间连通的进液管和出液管进行冷却。为提高充电枪插头处的散热性能，导热模块内部的流道通常会设计得较为复杂，导致流道的流阻较大，这样会提高对外部冷源中动力循环泵的要求，从而导致外部冷源成本增加；另外，导热模块的结构设计复杂、加工难度大也会导致充电枪头本身的成本较高。

发明内容

本申请提供了一种充电枪及充电设备，不仅可提高充电枪的散热效果，还可简化充电枪内部结构，从而降低成本。

第一方面，本申请实施例可提供一种充电枪，包括用于与电动汽车的充电口插接配合的插头、半导体制冷片、导热模块和液冷板。半导体制冷片包括冷端和热端，冷端和热端之间相对设置。半导体制冷片的冷端朝向插头设置，导热模块位于半导体制冷片的冷端与插头之间，并分别与插头和冷端导热接触。液冷板位于半导体制冷片背离导热模块的一侧，并与半导体制冷片的热端导热接触，液冷板内设有流道，流道可与冷源装置连通，流道与冷源装置之间还可设置管路，以使得冷源装置中的冷却介质可通过管路流入流道，并经过管路回到冷源装置，以此形成循环回路。

相较于传统的充电枪，本申请实施例中的充电枪通过设置导热模块、半导体制冷片和液冷板，插头工作产生的热量可通过热传导传递到导热模块处，并在导热模块处通过热传导传递到半导体制冷片的冷端，热量在半导体制冷片内部通过热电效应被传递到热端，在热端通过热传导再传递到液冷板，液冷板内部的流道内有冷却介质，可与热端对流换热，最后将热量传递给冷源装置。由于半导体制冷片可以在冷端和热端之间建立很大的温差，因此可分别强化其对插头的吸热能力和对冷源装置的放热能力，从而提高换热能力。由于省去了在导热模块内设计流道，不仅可简化导热模块的结构，降低充电枪整个液冷系统的流阻，还可降低冷源和充电枪头的成本。

在一些可能的实施方案中，液冷板朝向半导体制冷片的一侧表面可完全覆盖半导体制冷片的热端表面，从而增大液冷板与热端的接触面积，增强热传导的效果。

在一些可能的实施方案中，液冷板朝向半导体制冷片的一侧可设置凹槽，凹槽的开口朝向半导体制冷片设置，并使得半导体制冷片的部分嵌设于凹槽内，不仅可增大半导体制冷片与液冷板的接触面积，还可使得半导体制冷片与液冷板之间连接更加稳定。

在一些可能的实施方案中，液冷板朝向半导体制冷片热端的表面的周侧可超出热端表面，并且液冷板超出热端的部分与导热模块之间可设置隔热层，隔热层可用于避免导热模块与液冷板之间接触，从而避免半导体制冷片的冷端和热端连通而导致半导体制冷片损坏。

在一些可能的实施方案中，半导体制冷片和液冷板之间还可设置导热层，从而加强半导体制冷片的热端与液冷板之间的热传导效果。

在一些可能的实施方案中，充电枪还包括线缆组件，线缆组件可包括包层和线缆本体，包层内设有进液管和出液管。进液管的第一端可与出液管的第一端连通，进液管的第二端和出液管的第二关均与冷源装置连通，从而使得冷源装置中的冷却介质可通过进液管和出液管对线缆本体进行散热。

在一些实施例中，液冷板可设有进液口和出液口，进液口与出液口分别与流道连通，其中，进液管的第一端可与进液口连通，出液管的第一端可与出液口连通。通过这种设计，可使得冷源装置中的冷却介质能够由进液管进入液冷板内部的流道，并由出液管流回冷源装置，从而完成一个冷却循环。该结构可使得液冷板与进液管和出液管共用一个冷源装置，从而便于简化结构。

在一些实施例中，出液管的数量为多个，每一个出液管均与液冷板的出液口连通，从而加强冷却介质的循环，提高冷却效果。同样地，进液管的数量也可以为多个，每一个进液管均与进液口连通，从而加强冷却介质的循环。

在一些可能的实施方案中，流道的形状可以为蛇形，或者，流道可以包括分流管、集流管和多个微通道扁管。分流管的一端与进液口连通，集流管的一端与出液口连通，微通道扁管的一端连接分流管，另一端连接集流管，并且微通道扁管中设有多个微流道。采用上述结构，可增大冷却介质与流道的接触面积，从而提高对流换热的效果。

第二方面，本申请实施例可提供一种充电设备，包括充电桩和如上述任一实施方案中所述的充电枪，充电桩可包括电源装置和冷源装置，电源装置可用于对充电枪提供电能，从而使得充电枪可对电动汽车进行充电，冷源装置可与液冷板连通，从而对液冷板提供冷却介质，以达到散热的效果。

附图说明

图1为本申请实施例中充电设备的一种结构示意图；

图2为图1中充电枪头的一种结构示意图；

图3为图2中充电枪的散热的原理示意图；

图4a为图2中冷却系统的一种部分结构示意图；

图4b为图2中冷却系统的又一种部分结构示意图；

图5a为图2中液冷板的一种结构示意图；

图5b为图2中液冷板的又一种结构示意图；

图5c为图4b中微通道扁管A向的剖面结构示意图。

附图标记：

10-充电枪；101-充电枪头；1011-插头；1012-外壳；102-线缆组件；103-导热模块；1031-凹槽；104-半导体制冷片；1041-冷端；1042-热端；105-电源线；106-液冷板；1061-凹槽；1062-进液口；1063-出液口；1064-流道；10641-微通道扁管；10642-分流管；10643-集流管；10644-微流道；107-导热层；108-隔热层；109-进液管；110-出液管；20-充电桩；21-壳体；22-电源装置；23-冷源装置。

具体实施方式

以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

随着新能源汽车充电功率的不断增大，充电桩上使用的充电枪头功率也不断增大。为了保证充电枪的使用便利性，充电枪头的尺寸和重量不能有太多的增加，这样就会导致充电枪头发热量增大。目前主要采用液冷方式对大功率充电枪头进行散热，在插头处设计内部带有流道的导热模块，通过将冷却介质导入到导热模块内部对插头进行冷却。为提高插头处的散热性能，导热模块内部的流道通常会设计得较为复杂，导致流道流阻比较大，这样会提高对外部冷源中动力循环泵的要求，从而导致外部冷源成本增加。另外，导热模块的结构设计复杂、加工难度大也会导致充电枪头的成本较高。

基于此，本申请可提供一种充电枪及充电设备，以提高充电枪的散热性能，以及降低充电设备的成本，以下将结合具体的实施例对上述充电枪以及充电设备进行说明。

请参考图1，图1为本申请实施例中充电设备的一种结构示意图。本申请实施例提供的充电设备安装于公共建筑，例如写字楼、商场、公共停车场等，或者也可以安装于居民小区停车场或者充电站内，用于为各种型号的电动汽车充电。充电设备可包括充电枪10和充电桩20，具体实施时，充电枪10内可设有冷却系统，冷却系统可用于对充电枪10进行散热；充电桩20可包括壳体21，壳体21内设有电源装置22，电源装置22可用于为充电枪10提供电能。壳体21内还设有冷源装置23，冷源装置23可为充电枪10内的冷却系统提供冷却介质。示例性地，冷却介质可以为冷却液体，则冷源装置23可以包括液冷箱和循环泵，循环泵可用于将冷却液体泵入充电枪10内的冷却系统进行冷却循环，从而实现冷却散热的效果。当然，在其它一些实施例中，冷却介质也可以为冷却气体或者气液混合物，本申请在此不做限定。为便于描述，以下各实施例中，均以冷却介质为冷却液体为例进行说明。

一并参考图1和图2，图2为图1中充电枪头的一种结构示意图，充电枪10可包括充电枪头101和线缆组件102。其中，线缆组件102可包括包层和位于包层内的线缆本体，线缆本体可包括功率线、信号线、电源线，等等。充电枪头101可包括插头1011和外壳1012，外壳1012的一端连接插头1011，线缆组件102的第一端可由外壳1012的另一端伸入至外壳1012内，并与插头1011连接，线缆组件102的第二端可连接充电桩20的电源装置22，以便于电源装置22的电能可通过线缆组件102传递给插头1011。插头1011可与电动汽车的充电口插接配合，从而实现对电动汽车的充电。

充电枪10内的冷却系统可包括导热模块103、半导体制冷片104以及液冷板106，上述导热模块103、半导体制冷片104以及液冷板106均可设置于外壳1012内部。其中，导热模块103靠近插头1011设置，并与插头1011导热接触。半导体制冷片104设置于导热模块103背离插头1011的一侧，包括相对的冷端1041和热端1042，其冷端1041朝向导热模块103一侧设置，并与导热模块103导热接触，液冷板106设置于热端1042一侧，并与半导体制冷片104的热端1042导热接触。液冷板106内可设置有流道，流道可与冷源装置23连通，以使冷源装置23中的冷却液体可通过循环管路在冷源装置23的流道与液冷板106之间循环流动，从而通过对流换热的方式吸收液冷板106内集聚的热量。

需要说明的是，壳体21内还可设置辅助电源模块，辅助电源模块可通过电源线105与半导体制冷片104连接，以用于对半导体制冷片104供电，从而保证半导体制冷片104正常的工作状态。另外，辅助电源模块还可用于对其它装置供电，示例性地，辅助电源模块还可用于对如前所述的循环泵进行供电。

在一些实施例中，半导体制冷片104与液冷板106之间还可设置导热层107，以增强二者之间的热传导效率。示例性地，导热层107的材料可以是硅脂，或者也可以是其它导热效果较好的材料，本申请在此不做限定。

冷却系统还可包括进液管109和出液管110，进液管109和出液管110可设置于线缆组件102的包层内。液冷板106设有分别与流道连通的进液口1062和出液口1063，进液管109的第一端与液冷板106的进液口1062连通，第二端可经过循环泵与液冷箱连通，出液管110的第一端与液冷板106的出液口1063连通，第二端与液冷箱连通，从而使得液冷箱、循环泵以及液冷板106之间通过进液管109和出液管110连接形成循环回路。

一并参考图2和图3，图3为图2中充电枪散热的原理示意图，插头1011工作时产生的热量可通过导热模块103传递给半导体制冷片104的冷端1041，半导体制冷片104在通入直流电时，冷端1041温度降低并吸收来自导热模块103的热量，热量在半导体制冷片104内部通过热电效应(帕尔贴效应)被传递到热端1042，此时，冷却液体由进液管109进入液冷板106内部，并与热端1042进行换热，热端1042的热量通过对流换热传递给冷却液体，冷却液体吸热升温之后由出液管110回到冷源装置23，从而完成一次冷却循环。

另外，半导体制冷片104在通入直流电时可使冷端1041和热端1042之间形成较大的温差，示例性地，半导体制冷片104在正常使用时冷端1041与热端1042的温差可保持在40-65度之间。由于冷端1041的温度会远低于环境温度，使得导热模块103与冷端1041之间形成较大的温度梯度，从而能够提升热传导的效果，增大对插头1011的散热性能。另一方面，热端1042与液冷板106之间也会形成较大的温度梯度，从而使热端1042的热量能够快速传递到液冷板106。

可以理解的，由于热端1042与液冷板106之间较大的温度梯度可带来良好的散热效果，因此可以进一步简化液冷板106内部的流道结构，或者可降低冷却液体的流量需求，从而降低冷却液体在液冷板106内部的流动阻力，减小对循环泵的性能要求，进而降低整个冷却系统的成本。

此外，在本申请实施例中通过将进液管109和出液管110设置在线缆组件102内部，还可对线缆组件102进行散热，使得充电枪整体具有更好的散热效果。由此，线缆组件102可在保证散热效果较好的同时，不需要增大直径就能实现比较大的充电功率，从而有利于减小线缆组件102的质量，提高充电枪的使用便利性。并且，采用这种设计，液冷板106与线缆组件102可以共用冷源装置23散热，还从而有利于进一步简化充电设备的结构。

应当理解的是，出液管110内的冷却液体虽然是在液冷板106内与热端1042换热后的冷却液体，但其温度相对于线缆本体来说仍然相对较低，因此同样可以实现对线缆组件102的散热。

进液管109的数量可以为一个或者多个，当进液管109的数量为多个时，多个进液管109之间可并联设置，并且每个进液管109的两端均分别与冷源装置23和液冷板106连通。通过设置多个进液管109，可增大冷却液体与线缆组件102内的功率线、信号线等线缆的接触面积，提高对流换热的效率，从而可增强对线缆组件102的冷却效果。液冷板106可设置与进液管109一一对应的多个进液口1062，即每一个进液管109可与对应的进液口1062连通，各个进液管109内的冷却液体由各自对应的进液口1062进入液冷板106内的流道1064。或者，液冷板106也可仅设置一个进液口1062，多个进液管109可先汇合再由进液口1062进入液冷板106内。同样地，在将冷源装置23与多个进液管109连通时，也可采用与液冷板106相同的连接方式，此处不再赘述。

出液管110的数量也可以为一个或者多个，当出液管110的数量为多个时，多个出液管110之间可并联设置，并且每个出液管110的两端均分别与冷源装置23和液冷板106连通。通过设置多个出液管110，可增大冷却液体与线缆组件102内的功率线、信号线等线缆的接触面积，提高对流换热的效率，从而可增强对线缆组件102的冷却效果。液冷板106可设置与出液管110一一对应的多个出液口1063，即每一个出液管110可与对应的出液口1063连通，液冷板106内经过换热后的冷却液体可通过各个出液口1063进入对应的出液管110。或者，液冷板106也可仅设置一个出液口1063，液冷板106内经过换热后的冷却液体可在通过出液口1063流出后再分流进入各个出液管110。同样地，在将冷源装置23与多个出液管110连通时，也可采用与液冷板106相同的连接方式，此处不再赘述。

需要说明的是，在本实施例中，通过进液管109和出液管110将冷源装置23的冷却液体输入流道1064内进行冷却循环，使得对线缆组件102散热的冷却结构和对半导体制冷片104对流换热的冷却结构采用同一个冷源装置，从而有利于降低充电设备的整体成本。在其它一些实施例中，液冷板106与线缆也可以采用不同的冷源装置实现散热，例如液冷板106可通过另外设置的循环管路与前述的冷源装置23连通，利用前述的冷源装置对液冷板106内部的流道1064提供冷却液体，而进液管109和出液管110则可与其它另外设置的冷源连通，实现对线缆组件102单独散热的效果。

一并参考图2和图4a，图4a为图2中冷却系统的一种部分结构示意图，导热模块103的材料可采用绝缘材料制作，例如，导热模块103的材质可以是导热塑料或者导热陶瓷，等等。当导热模块103的材料为导热塑料时，导热模块103可通过灌胶的工艺形成。导热模块103的内部还可设置用于供信号线、功率线等线缆通过的通道，以使得线缆组件内的信号线、功率线等可穿过导热模块103与插头1011连接。另外，导热模块103朝向半导体制冷片104的一侧可设置安装面，用于安装半导体制冷片104，以保证导热模块103与半导体制冷片104之间能够可靠地固定连接。示例性地，如图4a所示，导热模块103朝向半导体制冷片104的冷端1041的一侧表面可设置凹槽1031，凹槽1031的底壁即可形成为上述的安装面，半导体制冷片104的冷端1041可嵌设于凹槽1031内，从而保证半导体制冷片104与导热模块103的连接稳固性。

如前所述，半导体制冷片104可设置于导热模块103背离插头1011的一侧，也即半导体制冷片104设置于如图4a所示的导热模块103的a面。在其它一些实施中，如图4b所示，图4b为图2中冷却系统的又一种部分结构示意图，半导体制冷片104还可设置于导热模块103的其它表面，上述表面可以是位于导热模块103连接插头1011的一侧表面与a面之间的表面，例如，如图4b中所示的b面或c面，其具体设置方式可根据实际应用来决定，此处不再赘述。

继续参考图2和图4a，液冷板106朝向半导体制冷片104的热端1042的一面可完全覆盖热端1042表面，以充分吸收热端1042的热量。在一些实施例中，液冷板106也可设置开口朝向半导体制冷片104的凹槽1061，并将半导体制冷片104的热端1042嵌设于凹槽1061内，以实现与半导体制冷片104的稳定连接，该结构也可实现液冷板106完全覆盖热端1042表面。在其它一些实施例中，液冷板106朝向半导体制冷片104的一面也可以为平面结构，半导体制冷片104的热端可贴附于该平面结构上。此外，液冷板106连接热端1042的表面的周侧还可超出半导体制冷片104，以达到完全覆盖的效果。

需要说明的是，当液冷板106的周侧超出半导体制冷片104时，导热模块103超出半导体制冷片104的部分与液冷板106之间还可设置隔热层108，以避免液冷板106与导热模块103之间接触，进而避免半导体制冷片104的冷端1041与热端1042连通而导致半导体制冷片104损坏。

一并参考图2和图5a，图5a为图2中液冷板的一种结构示意图。在一些实施例中，液冷板106内部的流道1064形状可以呈蛇形状，在这种情况下，流道1064的直径可稍微大一点，示例性地，流道1064的直径可在3mm-4mm之间，这种形式的流道形状可增大流道1064的体积，使得进入液冷板106内部的冷却液体与流道1064接触的面积增大，从而提高对于半导体制冷片的热端的热量的吸收效果。另外，由于流道1064的直径较大，有利于减小流阻，从而可降低对于循环泵的性能要求，使得充电设备的整体成本降低。

在另外一些实施例中，可参考图5b和图5c，图5b为图2中液冷板的又一种结构示意图，图5c为图5b中微通道扁管A向的剖面结构示意图，液冷板106内部的流道1064还可以是微通道的结构形式。具体实施时，流道1064可包括多个并联的微通道扁管10641、分流管10642和集流管10643，分流管10642的一端与进液口1062连通，集流管10643的一端与出液口1063连通，多个微通道扁管10641的两端分别与分流管10642和集流管10643连通。每一个微通道扁管10641内还可设置有多个直径约1mm的微流道10644，微流道10644的延伸方向与微通道扁管10641的延伸方向相同。冷却液体由进液口1062进入分流管10642内，然后由分流管10642分别进入各个微通道扁管10641内，进而流入微通道扁管10641内的各个微流道10644中，由微流道10644的一端向另一端流动的过程中与半导体制冷片104的热端进行换热，然后汇集到集流管10643内，最后由出液口1063流出。微通道的结构形式可以增大液冷板106与热端的换热面积，从而可以更好地吸收半导体制冷片的热端的热量。

当然，液冷板106内部的流道1064还可以是其它的结构形式，此处不再一一举例说明。

相较于传统的充电枪，本申请实施例提供的充电枪，通过将插头的热量汇总到导热模块，并由导热模块将热量传递给半导体制冷片进行冷却，由于半导体制冷片的制冷机制，不仅可提高散热效果，还可简化冷却系统的结构，进而降低成本。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种充电枪，包括用于电动汽车的充电口配合插接的插头，其特征在于，还包括：

半导体制冷片，所述半导体制冷片包括相对的冷端和热端，所述半导体制冷片的冷端朝向所述插头设置；

导热模块，所述导热模块位于所述半导体制冷片的冷端与所述插头之间，且所述导热模块分别与所述插头和所述半导体制冷片导热接触；

液冷板，所述液冷板位于所述半导体制冷片背离所述导热模块的一侧，并与所述半导体制冷片的热端导热接触，所述液冷板内设有流道，所述流道可通过管路与冷源装置连通形成循环回路。

2.根据权利要求1所述的充电枪，其特征在于，所述液冷板朝向所述半导体制冷片的一侧表面完全覆盖所述半导体制冷片的热端表面。

3.根据权利要求2所述的充电枪，其特征在于，所述液冷板朝向所述半导体制冷片的一侧具有凹槽，所述半导体制冷片部分嵌设于所述凹槽内。

4.根据权利要求2或3所述的充电枪，其特征在于，所述液冷板朝向所述热端的表面的周侧超出所述热端表面，所述液冷板超出所述热端的部分与所述导热模块之间设有隔热层。

5.根据权利要求1-4任一项所述的充电枪，其特征在于，所述半导体制冷片与所述液冷板之间设有导热层。

6.根据权利要求1-5任一项所述的充电枪，其特征在于，还包括线缆组件，所述线缆组件包括包层和线缆本体，所述包层内设有进液管和出液管，所述进液管的第一端与所述出液管的第一端连通，所述进液管的第二端与所述冷源装置连通，所述出液管的第二端与所述冷源装置连通。

7.根据权利要求6所述的充电枪，其特征在于，所述液冷板设有进液口和出液口，所述进液口和所述出液口分别与所述流道连通，所述进液管的第一端与所述进液口连通，所述出液管的第一端与所述出液口连通。

8.根据权利要求7所述的充电枪，其特征在于，所述出液管为多个，多个所述出液管均与所述出液口连通；和/或，所述进液管为多个，多个所述进液管均与所述进液口连通。

9.根据权利要求7或8所述的充电枪，其特征在于，所述流道的形状为蛇形；或者，所述流道包括分流管、集流管和多个微通道扁管，所述分流管与所述进液口连通，所述集流管与所述出液口连通；每个所述微通道扁管的两端分别与所述分流管和所述集流管连通。

10.一种充电设备，其特征在于，包括充电桩和如权利要求1-9任一项所述的充电枪，所述充电桩包括电源装置和冷源装置，所述电源装置用于对所述插头提供电能，所述冷源装置与所述液冷板连通。

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