TWM576749U - 電池溫度控制裝置和充換電站 - Google Patents

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武明岩
戚文剛
趙志淩
楊潮
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香港商蔚來汽車有限公司
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Abstract

本新型關於一種電池溫度控制裝置和充換電站，所述裝置包括控制模組和多個水冷模組，各個水冷模組之間透過管路連接，在其中一條或多條所述管路上分別設有一個或多個控制閥，所述控制模組透過控制所述控制閥的開啟和關閉來控制各個管路的通斷，從而控制接入對應電池的所述水冷模組的個數；所述水冷模組用於製冷或加熱冷媒。本新型採用模組化的方式，實現對各個電池溫度的單獨控制，適應鋰電池溫度狀態的多樣性，保證水冷系統與各電池的換熱效率。

Description

電池溫度控制裝置和充換電站
本新型關於新能源汽車技術領域，尤其關於一種電池溫度控制裝置和充換電站。
隨著電動車的快速發展，如何快速的實現電動車的能量補給，使電動車像傳統燃油汽車一樣便捷，是電動車行業面臨的重要難題之一，充換電站的出現成功解決了這一難題。充換電站將車上需要補能的電池更換為電池倉內滿電的電池，並將替換下的電池送入電池倉進行充電。鋰離子電池是電動車的核心部件，決定了其在充換電站的充電時間、整車的續航里程、成本、使用壽命、安全性等關鍵指標。隨著用戶對電動車的要求提高，對電池系統的功率性能和快充性能的要求也越來越高，伴隨而來的就是對電池冷卻系統設計要求的提高。在大倍率充放電工況下，傳統的自然冷卻和強制風冷往往不能滿足散熱要求。因此散熱效率更高的液冷方式越來越多的成為了鋰電池的主流散熱方式。
鋰離子電池充電時的溫度保持在20-35℃範圍內為最佳。當鋰離子電池低於此溫度範圍時，容易出現充電析鋰或充放電降功率的現象；當鋰離子電池溫度超過此範圍時，鋰離子電池的迴圈壽命會急劇下降，而且還可能會出現熱安全問 題。目前充換電站的水冷系統通常採用一個水冷系統對應多塊電池的溫度控制，至少存在如下缺點：
(1)單一的水冷系統的製冷量和加熱量都是有限的，當運送進來的電池溫度過高或過低，導致其與流體的換熱量大於水冷系統的製冷量或加熱量時，會使水冷系統提供的流體的溫度不能維持在設定值，從而影響到其他溫度已在合理範圍，正在充電的電池。
(2)由於各電池的溫度狀態不同，所以水冷系統的供水溫度只能設定為一個綜合考慮所有電池熱性能的溫度值，但會大大降低水冷系統與單個電池之間的換熱量，增加電池的充電時間，降低電池充電時的安全性及電池的壽命，並會造成水冷系統性能的浪費。
(3)鋰電池在電動車上時為低倍率放電狀態，低倍率放電時，電池對溫度的要求並不如充電嚴格，夏天時，車上的水冷系統提供的流體溫度通常會比充換電站內高，而冬天又會出現車上冷卻液比換電站內的冷卻液溫度低的情況。目前為防止流體在天氣寒冷的區域發生結冰的問題，大多採用含有50%乙二醇的流體，但50%乙二醇的冷卻液的密度受溫度影響很大。如果電動車上水冷系統冷卻液的溫度比充換電站內冷卻液的溫度高，會出現冷卻液熱膨脹的問題，導致充換電站內水冷系統的冷卻液越來越少，而電動車內水冷系統的冷卻液越來越多；反之則會導致換電站內液體越來越多，電動車內液體越來越少。
(4)50%乙二醇的粘度受溫度影響也很大，如果按照現有充換電站一個水冷系統對應多個電池的方式，就可能會出現由於剛送進來充換電站的電池溫度過低，水冷系統與電池的換熱量大於水冷系統的加熱量，從而導致水冷系統提供的水溫過低，水泵的能力不足以提供足夠的流量的情況，從而影響此水冷系統對應的所有的鋰電池的散熱。
因此如何實現合理、有效、安全地控制鋰離子電池的溫度，成為亟待解決的技術問題。
本新型所要解決的技術問題在於，提供一種電池溫度控制裝置和方法、控制器、儲存介質和充換電站，採用模組化的方式，實現對各個電池溫度的單獨控制，適應鋰電池溫度狀態的多樣性，保證水冷系統與各電池的換熱效率。
為了解決上述技術問題，根據本新型一方面，提供了一種用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，包括：控制模組和多個水冷模組，各個水冷模組之間透過管路連接，在其中一條或多條所述管路上分別設有一個或多個控制閥：所述控制模組透過控制所述控制閥的開啟和關閉來控制各個管路的通斷，從而控制接入對應電池的所述水冷模組的個數；所述水冷模組用於製冷或加熱冷媒。
進一步的，所述控制模組還用於控制每個所接入的水冷模組的製冷量和加熱量。
進一步的，所述控制模組包括參數獲取單元、配置單元和執行單元，其中，所述參數獲取單元和所述配置單元相連接，所述配置單元和所述執行單元相連接；所述參數獲取單元用於獲取待換電車輛的電池溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態；所述配置單元用於根據所述待換電車輛的電池溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態，配置所需接入的水冷模組的數量以及每個所接入的水冷模組的製冷量和加熱量；所述執行單元用於串聯所需接入的水冷模組，對即將換至所述待換電車輛的電池進行加熱或冷卻，使其與待換電車輛上的電池的當前供水溫度一致。
進一步的，所述參數獲取單元還用於，獲取待換電車輛的駕駛工況，根據駕駛工況與電池溫度狀態的對應關係，確定待換電車輛的所述電池溫度狀態。
進一步的，所述駕駛工況包括高溫低速、高溫常速、高溫高速、低溫低速低溫常速和低溫高速中的一種或多種。
進一步的，所述控制模組包括溫度獲取單元和調整單元，所述溫度獲取單元和調整單元相連接；其中， 所述溫度獲取單元用於獲取充電電池的溫度狀態，所述充電電池為所述電動車充換電站中處於充電狀態的電池；所述調整單元用於根據所述充電電池的溫度狀態，調整接入所述充電電池的水冷模組的數量，以及每個所接入的水冷模組的製冷量和加熱量。
進一步的，所述裝置包括多個透過所述管路連接所述水冷模組的輸出端，所述電動車充換電站的電池透過所述輸出端接入所述電池溫度控制裝置。
進一步的，每條所述管路包括一條供水管路和與所述供水管路對應的回水管路，每條所述供水管路和回水管路上設有一個控制閥。
進一步的，所述控制閥為電磁閥。
進一步的，所述水冷模組包括壓縮機、水冷板、水泵、電加熱、水箱、溫度感測器和膨脹閥。
根據本新型另一方面，提供一種充換電站，其包括上述電動車充換電站的電池溫度控制裝置。
本新型與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。借由上述技術方案，本新型一種電池溫度控制裝置和方法、控制器、儲存介質和充換電站可達到相當的技術進步性及實用性，並具有產業上的廣泛利用價值，其至少具有下列優點：(1)採用模組化的方式，當單個水冷模組的製冷量、加熱量、流量不能滿足鋰電池要求時，可串聯一個或多個水冷模組，增加製冷量、加熱量及流量，實現對各個電池溫度的單獨控制，適應鋰電池溫度狀態的多樣性；(2)保證水冷系統與各電池的換熱效率，能夠迅速有效的對電池的溫度進行控制、不會造成水冷系統性能、能量的浪費；(3)避免各個電池之間的溫度相互影響；(4)保證流至各電池的流量； (5)防止充換電站和電動車內由於冷卻液溫度不同所導致冷卻液的容積發生變化。
上述說明僅是本新型技術方案的概述，為了能夠更清楚瞭解本新型的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本新型的上述和其他目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。
1‧‧‧控制模組
2‧‧‧水冷模組
3‧‧‧管路
4‧‧‧控制閥
5‧‧‧輸出端
6‧‧‧電池儲存裝置
31‧‧‧供水管路
32‧‧‧回水管路
61‧‧‧滿電電池
62‧‧‧充電電池
圖1為本新型一實施例提供用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置示意圖；圖2為本新型一實施例提供的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置設置於電池儲存裝置上的示意圖；圖3為本新型一實施例提供的用於電動車充換電站的電池溫度控制方法流程圖；圖4為本新型一另實施例提供的用於電動車充換電站的電池溫度控制方法流程圖。
為更進一步闡述本新型為達成預定新型目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本新型提出的一種電池溫度控制裝置和方法、控制器、儲存介質和充換電站的具體實施方式及其功效，詳細說明如後。
本新型實施例提供一種用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，如圖1所示，包括：控制模組1和多個水冷模組2，各個水冷模組2之間透過管路3連接，在其中一條或多條所述管路3上分別設有一個或多個控制閥4，控制模組1透過控制所述控制閥4的開啟和關閉來控制各個管路3的通斷，從而控制接入對應電池的所述水冷模組2的個數；水冷模組2用於製冷或加熱冷媒。
作為一種示例，控制模組1還可以控制每個所接入的水冷模組2的製冷量和加熱量。管路3是指液壓系統中傳輸工作流體的管道。控制閥4可以為電池閥，電池閥是用電磁控制的工業設備，是用來控制流體的自動化基礎元件，屬於執行器，並不限於液壓、氣動。
需要說明的是，每個水冷模組2可以配置相同的製冷量範圍和加熱量範圍，即每個水冷模組2的最大製冷量、最小製冷量、最大加熱量和最小加熱量均一致，也可分別配置每個水冷模組2的最大製冷量、最小製冷量、最大加熱量和最小加熱量。電動車不僅限於純電動車，也包括可以進行充換電的混動車。
實施例一
控制模組1用於電動車換電過程中時，包括：參數獲取單元、配置單元和執行單元，其中，參數獲取單元和所述配置單元相連接，配置單元和所述執行單元相連，參數獲取單元用於獲取待換電車輛的電池溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態；配置單元用於根據所述待換電車輛的電池 溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態，配置所需接入的水冷模組2的數量以及每個所接入的水冷模組2的製冷量和加熱量作為一種示例，假設送至充換電站的待換的電池的電芯溫度為-20℃，即將換至所述待換電車輛的電池的電芯溫度為常溫，則根據電池的性質和電池溫度控制裝置的性能，即將換至所述待換電車輛的電池與所述電池溫度控制裝置的換熱量需達到9kw，設每個水冷模組可提供4.5kw熱量，則即將換至所述待換電車輛的電池需接入至少兩個水冷模組2才能滿足換熱及流量要求。執行單元用於串聯所需接入的水冷模組2，對即將換至所述待換電車輛的電池進行加熱或冷卻，使其與待換電車輛上的電池的當前供水溫度一致，以解決由於冷卻液溫度不同產生的電動車和充換電站內冷卻液容積發生變化的問題。
作為一種示例，參數獲取單元還用於獲取待換電車輛的駕駛工況，根據駕駛工況與電池溫度狀態的對應關係，確定待換電車輛的電池溫度狀態。待換電車輛可透過雲端將駕駛工況或電池溫度狀態發送給參數獲取單元。駕駛工況可包括高溫低速、高溫常速、高溫高速、低溫低速低溫常速和低溫高速中的一種或多種。駕駛工況的分類並不限於上述示例，使用中可進行適應性調整。其中，駕駛工況與溫度狀態的對應關係，可透過預先採集的大量電動車在不同駕駛工況下對應的溫度範圍，獲取不同駕駛工況下對應的電池溫度範圍得到。此外，還可進一步根據電池溫度範圍設定合理的水冷模組2的最大製冷量、最小製冷量、最大加熱量和最小加熱量，使所述裝 置適用於多種車輛駕駛工況，適用範圍更廣泛。若待換電車輛在某個時間段內在多種駕駛工況中切換，則可以平均該多種駕駛工況下的溫度，以平均溫度作為到達充換電站換電時的溫度，也可以將駕駛時間最長的駕駛工況對應的溫度作為到達換電站換電時的溫度，當然也不限於此。
電動車到達電動車充換電站後，進行電池的更換，將車上換下的虧電電池運送至電池儲存裝置，並進行充電。
實施例二
控制模組1用於電池充電過程中時，還包括：溫度獲取單元和調整單元，溫度獲取單元和調整單元相連接，其中，溫度獲取單元用於獲取充電電池的溫度狀態(例如可每隔一段時間採集溫度資料)，所述充電電池為所述電動車充換電站中處於充電狀態的電池。其中所述充電電池在充電過程中，電池BMS(電池管理系統)可即時回饋充電電池的溫度狀態至溫度獲取單元；調整單元用於根據所述充電電池的溫度狀態，調整接入所述充電電池的水冷模組2的數量，以及每個所接入的水冷模組2的製冷量和加熱量，從而保證電池的熱性能，提高水冷與電池的換熱效率。電池充電完成後，可供作車輛換電使用。
作為一種示例，可預先獲取充電電池溫度與接入水冷模組2數量的對應關係，並將相關資料儲存在所述調整單元中，供所述調整單元調用。
實施例一和實施例二所示示例中，所述裝置均包括多個透過管路3連接水冷模組2的輸出端5，電動車充換電站的電池透過輸出端5接入電池溫度控制裝置，如圖1所示。控制 模組1透過控制控制閥4來控制水冷模組之間的連接以及水冷模組2和接入電池之間的連接。如圖2所示示例，每塊電池之間的管路3上也設有控制閥4，電池間的控制閥4關閉時即可將各電池隔離開，從而避免出現部分電池溫度過高或過低時對其他溫度正常的電池造成影響。
作為一種示例，每條管路3包括一條供水管路31和與供水管路31對應的回水管路32，每條供水管路31和回水管路32上設有一個控制閥4。
水冷模組2可配置為現有的任意一種水冷系統，作為一種示例，水冷模組2包括壓縮機、水冷板、水泵、電加熱、水箱、溫度感測器和膨脹閥等。當電池溫度過高時，所述裝置開啟製冷模式，接入的水冷模組2透過壓縮機、水泵、膨脹閥等對電池進行冷卻。當電池溫度過低時，所述裝置開啟加熱模式，接入的水冷模組2透過電加熱和水泵對電池進行加熱。透過加熱和製冷兩種模式將電池的溫度控制在合理的範圍內，從而保證電池的充電速度和電池的壽命。
如圖2所示，作為一種示例，所述裝置可設置在充換電站的電池儲存裝置6上，調整即將換至待換電車輛上的滿電電池61的溫度與待換電車輛電池的溫度一致，或者，在電池儲存裝置6上的電池62在充電過程中，即時控制充電電池62的溫度。但可以理解的是，所述裝置也可單獨設置，或者設置在充換電站的其他組成部分，例如電池充電裝置上，來實現電池溫度的控制。
本新型實施例所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置採用模組化的方式，當單個水冷模組2的製冷量、加熱量、流量不能滿足鋰電池要求時，可串聯一個或多個水冷模組2，增加製冷量、加熱量及流量，實現對各個電池溫度的單獨控制，適應鋰電池溫度狀態的多樣性；所述裝置還可保證水冷系統與各電池的換熱效率，能夠迅速有效的對電池的溫度進行控制、不會造成水冷系統性能、能量的浪費；此外，所述裝置還可避免各個電池之間的溫度相互影響，保證流至各電池的流量，防止充換電站和電動車內由於冷卻液溫度不同所導致冷卻液的容積發生變化。
基於上述實施例中的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，本新型實施例還提供一種用於電動車充換電站的電池溫度控制方法，包括以下步驟：步驟S1、將多個水冷模組透過管路連接，其中，所述水冷模組用於製冷或加熱冷媒；步驟S2、在其中一條或多條所述管路上分別設置一個或多個控制閥；步驟S3、控制所述控制閥的開啟和關閉來控制各個管路的通斷，從而控制接入對應電池包的所述水冷模組的個數。
以下透過兩個具體實施例對上述步驟進行詳細說明：
實施例三
在所述方法用於電動車換電過程中，控制電池溫度時，所述方法具體包括以下步驟：
步驟S11、獲取待換電車輛的電池溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態；步驟S11之前，所述方法還可包括以下步驟：步驟S100、預先採集每種駕駛工況下的多個電池溫度資料，從而獲得每種駕駛工況與電池溫度狀態的對應關係；S101、根據所有駕駛工況下所對應的溫度範圍，設置每個水冷模組2的合理的製冷量範圍和加熱量範圍，即每個水冷模組2的最大製冷量、最小製冷量、最大加熱量和最小加熱量，使所述方法適用於多種車輛駕駛工況，適用範圍更廣泛。
需要說明的是，每個水冷模組2可以配置相同，即每個水冷模組2的最大製冷量、最小製冷量、最大加熱量和最小加熱量均一致，也可分別配置每個水冷模組2的最大製冷量、最小製冷量、最大加熱量和最小加熱量。電動車不僅限於純電動車，也包括可以進行充換電的混動汽車。
基於步驟S100，步驟S11包括以下步驟：
步驟S111、獲取待換電車輛的駕駛工況，根據駕駛工況與電池溫度狀態的對應關係，確定待換電車輛的電池溫度狀態。
作為一種示例，所述駕駛工況包括高溫低速、高溫常速、高溫高速、低溫低速低溫常速和低溫高速中的一種或多種。駕駛工況的分類並不限於上述示例，使用中可進行適應性調整。
步驟S12、根據所述待換電車輛的電池溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態，配置所需接入 的水冷模組2的數量以及每個所接入的水冷模組2的製冷量和加熱量；
步驟S13、串聯所需接入的水冷模組2，對即將換至所述待換電車輛的電池進行加熱或冷卻，使其與待換電車輛上的電池的當前供水溫度一致，以解決由於冷卻液溫度不同產生的電動車和充換電站內冷卻液容積發生變化的問題。
電動車到達電動車充換電站後，進行電池的更換，將車上換下的虧電電池運送至電池儲存裝置，並進行充電。
實施例四、在所述方法用於電池充電過程中，控制電池溫度時，所述方法具體包括以下步驟：
步驟S21、獲取充電電池的溫度狀態，所述充電電池為所述電動車充換電站中處於充電狀態的電池；其中，電池充電過程中，可透過電池BMS獲取充電電池的溫度狀態。
步驟S22、根據所述充電電池的溫度狀態，調整接入所述充電電池的水冷模組2的數量，以及每個所接入的水冷模組2的製冷量和加熱量，從而保證電池的熱性能，提高水冷與電池的換熱效率。電池充電完成後，可供作車輛換電使用。
作為一種示例，所述方法還包括：步驟S200、預先獲取充電電池溫度與接入水冷模組2數量的對應關係，並將相關資料進行儲存。步驟S21中獲取電池溫度即時溫度狀態後，可調取相應資料，得到所需接入的水冷模組2的數量。
水冷模組2可配置為現有的任意一種水冷系統，作為一種示例，水冷模組2包括壓縮機、水冷板、水泵、電加 熱、水箱、溫度感測器和膨脹閥等。當電池溫度過高時，所述裝置開啟製冷模式，接入的水冷模組2透過壓縮機、水泵、膨脹閥等對電池進行冷卻。當電池溫度過低時，所述裝置開啟加熱模式，接入的水冷模組2透過電加熱和水泵對電池進行加熱。透過加熱和製冷兩種模式將電池的溫度控制在合理的範圍內，從而保證電池的充電速度和電池的壽命。
本新型實施例所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制方法採用模組化的方式，當單個水冷模組2的製冷量、加熱量、流量不能滿足鋰電池要求時，可串聯一個或多個水冷模組2，增加製冷量、加熱量及流量，實現對各個電池溫度的單獨控制，適應鋰電池溫度狀態的多樣性；所述方法還可保證水冷系統與各電池的換熱效率，能夠迅速有效的對電池的溫度進行控制、不會造成水冷系統性能、能量的浪費；此外，所述方法還可避免各個電池之間的溫度相互影響，保證流至各電池的流量，防止充換電站和電動車內由於冷卻液溫度不同所導致冷卻液的容積發生變化。
本新型實施例還提供一種充換電站，本新型實施例所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置。
以上所述，僅是本新型的較佳實施例而已，並非對本新型作任何形式上的限制，雖然本新型已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本新型，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本新型技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本新型技術方案的內容，依據本新型的技術實質對以上 實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本新型技術方案的範圍內。

Claims (10)

  1. 一種用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，包括控制模組和多個水冷模組，各個水冷模組之間透過管路連接，在其中一條或多條所述管路上分別設有一個或多個控制閥；所述控制模組透過控制所述控制閥的開啟和關閉來控制各個管路的通斷，從而控制接入對應電池的所述水冷模組的個數；所述水冷模組用於製冷或加熱冷媒。
  2. 根據請求項1所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：所述控制模組還用於控制每個所接入的水冷模組的製冷量和加熱量。
  3. 根據請求項1所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：所述控制模組包括參數獲取單元、配置單元和執行單元，其中，所述參數獲取單元和所述配置單元相連接，所述配置單元和所述執行單元相連接；所述參數獲取單元用於獲取待換電車輛的電池溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態；所述配置單元用於根據所述待換電車輛的電池溫度狀態和即將換至所述待換電車輛的電池的溫度狀態，配置所需接入的水冷模組的數量以及每個所接入的水冷模組的製冷量和加熱量；所述執行單元用於串聯所需接入的水冷模組，對即將換至所述待換電車輛的電池進行加熱或冷卻，使其與待換電車輛上的電池的當前供水溫度一致。
  4. 根據請求項3所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：所述參數獲取單元還用於，獲取待換電車輛的駕駛工況，根據駕駛工況與電池溫度狀態的對應關係，確定待換電車輛的所述電池溫度狀態。
  5. 根據請求項4所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：所述駕駛工況包括高溫低速、高溫常速、高溫高速、低溫低速低溫常速和低溫高速中的一種或多種。
  6. 根據請求項1所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：所述控制模組包括溫度獲取單元和調整單元，所述溫度獲取單元和調整單元相連接；其中，所述溫度獲取單元用於獲取充電電池的溫度狀態，所述充電電池為所述電動車充換電站中處於充電狀態的電池；所述調整單元用於根據所述充電電池的溫度狀態，調整接入所述充電電池的水冷模組的數量，以及每個所接入的水冷模組的製冷量和加熱量。
  7. 根據請求項1至6中任意一項所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：所述裝置包括多個透過所述管路連接所述水冷模組的輸出端，所述電動車充換電站的電池透過所述輸出端接入所述電池溫度控制裝置。
  8. 根據請求項1至6中任意一項所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：每條所述管路包括一條供水管路和與所述供水管路對應的回水管路，每條所述供水管路和回水管路上設有一個控制閥。
  9. 根據請求項1至6中任意一項所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置，其特徵在於：所述控制閥為電磁閥。
  10. 一種充換電站，包括如請求項1至9中任意一項所述的用於電動車充換電站的電池溫度控制裝置。
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