基于换电式电动车辆的停车场充电系统和方法

摘要

本发明涉及一种以换电模式为基础的充电系统和方法，包括换电式电动车辆和具有换电功能的停车场；具有换电功能的停车场至少包括换电子系统、集中充电子系统、停车区域、运送装置；通过两次换电过程与快充系统的结合、实现换电式电动车辆的电池包专用模式，使得换电和快充两者的优势相互结合、取长补短；并且在进行换电操作时、第一时间启动全程热管理过程，保障电池包安全、高效的完成后续的充电过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以换电模式为基础的充电系统和方法，通过两次换电过程与快充系统的结合、实现换电式电动车辆的电池包专用模式，使得换电和快充两者的优势相互结合、取长补短；并且在进行换电操作时、第一时间启动全程热管理过程，保障电池包安全、高效的完成后续的充电过程；属于电动车辆充电的技术领域。

背景技术

电动车辆的电能补给一直是一个关键性的问题。需要说明的是，换电式电动车辆的普及的必要条件是建立便利的多元化的“慢充”体系、以满足广大用户日常的电能补给的需求。同时，为了提升使用的便利性、仍然需要一些响应速度快的技术手段作为补充措施，现有的技术路线主要包括换电和快充两种，从现状看这两种技术路线相互对立、且各有优点和缺点。

在现有技术中，自动化换电设备单次更换电池包的时间约为60-90秒；对于电池包的装载、卸下、运送、充电和保养等等过程已经完全实现自动化。

换电模式的优点是：占地面积小；单次换电操作时间短；电池在站内充电安全性高；

换电模式的缺点是：电池包标准难以统一；电池包采用共享模式影响用户体验、且难以准确计量计费，只能采用如“按里程计费”、“包月收费”等变通的计费方式；换电站内需要大量自备电池包、拉高建设成本；通常采用充电速率(C-rate) 为1C以下的慢充、因此影响高峰时段的“电池包周转率”；换电站难以大面积分散布局、不利于解决长途出行的问题。

快充模式的优点是：灵活性好、可以分散布局以解决长途出行问题；充电速度较快、可以采用2C或更高的充电速率；电池权属明确；

快充模式的缺点是：充电功率大、对电网的友好性差；电池包在车载情况下充电、环境因素复杂、安全性相对较低；大规模的集中式快充站建设的要求高、成本高、占地面积大。

综上所述，如果能够将换电与快充有机的结合起来，相互取长补短，则有可能解决上述问题，给用户带来全新的体验。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明设计了一种以换电模式为基础的充电系统和方法，通过两次换电过程与快充系统的结合、实现换电式电动车辆的电池包专用模式，使得换电和快充两者的优势相互结合、取长补短；并且在进行换电操作时、第一时间启动全程热管理过程，保障电池包安全、高效的完成后续的充电过程。

本发明的技术方案是：基于换电式电动车辆的停车场充电方法，其特征在于：包括换电式电动车辆和具有换电功能的停车场；具有换电功能的停车场至少包括换电子系统、集中充电子系统、停车区域、运送装置；换电式电动车辆中包括作为第一动力源的能够进行换电操作的电池包；

所述的基于换电式电动车辆的停车场充电方法是：

S101，换电式电动车辆进入具有换电功能的停车场且有充电需求时，首先执行第一次换电过程：换电式电动车辆行驶到换电子系统处、通过换电子系统将待充电的电池包换下、并将电池包放置在运送装置之中；

S102，换电式电动车辆启动第二动力源行驶到停车区域中停车；

S103，由运送装置将待充电的电池包运送到集中充电子系统之中进行充电；

S104，完成充电后，由运送装置将已充电的电池包运送到换电子系统处；

S105，换电式电动车辆继续使用第二动力源行驶到换电子系统处，通过换电子系统将已充电的电池包装载到换电式电动车辆之中，然后离开；

其中，运送装置中还包括热管理模块，在S103、S104步骤中，由热管理模块对运送装置中的电池包进行全程热管理控制。

需要说明的是：所述的充电过程主要采用的充电速率至少为1C、条件允许时可以是2C或更高，当然也能够兼容较低的充电速率；第二动力源可以是以下情况，如固定安装在换电式电动车辆之中的容量较小的固定电池组、或者由服务商临时提供的与车载电池包接口相同的容量较小的换电式电池包、或者是混合动力的换电式电动汽车中非电的动力源。

进一步的，通过温度传感器监测电池包内的电池的实时温度T；同时，至少设定四个电池温度区间参数，包括：充电准备阶段温度区间参数T11至T12、充电前段温度区间参数T21至T22、充电后段温度区间参数T31至T32、充电结束后温度区间参数T41至T42；其温度高低的顺序关系是T21>T11>T31>T41、且T22>T12>T32>T42（各个温度区间允许有所重叠）；

具体运行过程是：

S201，当待充电的电池包被放置在运送装置之中时，将热管理模块与电池包连接、由热管理模块对电池包进行预处理，将电池温度调节到T11至T12之间、以降低电池的内阻便于充电；如果TT12则进行冷却操作；

S202，在充电过程的前段时间，由热管理模块控制电池温度、使得电池温度升高并控制在T21至T22之间，当T>T22时进行冷却操作；此段时间相应的采用相对较高的充电速率；

S203，在充电过程的后段时间，由热管理模块控制电池温度、使得电池温度回落到T31至T32之间；此段时间相应的采用相对较低的充电速率；

S204，在完成充电之后，继续由热管理模块控制电池温度、使得电池温度继续回落到T41至T42之间；然后将热管理模块与电池包断开连接、并将已充电的电池包装载到换电式电动车辆之中。

本发明的基于换电式电动车辆的停车场充电系统，其特征在于：包括换电式电动车辆和具有换电功能的停车场；具有换电功能的停车场至少包括换电子系统、集中充电子系统、停车区域、运送装置；

换电子系统，用于将换电式电动车辆中的待充电的电池包换下、或者将已充电的电池包装载到换电式电动车辆之中；

运送装置：用于将待充电的电池包从换电子系统运送到集中充电子系统进行充电、或者将已充电的电池包运送到换电子系统；

集中充电子系统：用于接收运送装置和待充电的电池包、对电池包进行充电、然后释放运送装置和已充电的电池包；

停车区域：用于临时停放与待充电的电池包分离之后的换电式电动车辆，当电池包充电完成后，换电式电动车辆离开停车区域到换电子系统处将已充电的电池包装载到换电式电动车辆之中、即可正常使用；

运送装置中还包括热管理模块，热管理模块至少包括：储冷模块、储热模块、控制模块、热交换连接接口；储冷模块、储热模块分别通过管道与控制模块连接，控制模块通过管道与热交换连接接口连接、并根据需求通过热交换连接接口有选择性的输出冷量或热量；当待充电的电池包被放置在运送装置之中时，将热交换连接接口与电池包的热交换模块的对外接口进行对接、并一直保持连接状态、直至已充电的电池包即将被重新装载到换电式电动车辆上的时候断开连接；在此过程中，划分若干个控制阶段、并分别设定对应的电池包温度区间参数，在各个控制阶段中有选择性的通过储冷模块或储热模块对电池包进行冷却或加热，使得电池包的内部温度能够满足各个控制阶段的电池包温度区间参数目标，从而保证充电过程的安全性和高效率。

进一步的，在具有换电功能的停车场中的不同位置分别设置若干个换电子系统，各个换电子系统、集中充电子系统之间分别设有供运送装置使用的专用通道，使得运送装置能够在各个换电子系统、集中充电子系统之间往返移动。由此，换电式电动车辆可以自由选择合适的换电子系统，执行第一次换电过程或执行第二次换电过程。

进一步的，在电池包中设置身份信息的电子标签，各个换电式电动车辆通过核对对应的电池包的电子标签、防止换电过程中出现更换差错的情况，从而实现电池包专用。

本发明的有益效果是：

1、解决了换电模式的“电池共享”问题和换电模式不支持快充的问题，尤其对于私家车主，可以通过本发明的充电的方法，一直使用专属的电池包、并能够获得优质的快充服务；

2、解决的换电模式的电池通用性问题，不同的整车厂家、不同车型只需要做到换电接口的通用化、而不需要做到电池包的规格统一，就可以正常运行；

3、解决了换电站需要大量自备电池的问题，仅需要少量的自备电池就能够为大量的换电式电动车辆提供服务；

4、占地面积比同等规模的快充站小很多，场地利用率极高；解决了集中式快充站占地面积大、建设标准高的问题；

5、相比于快充站，通过集中充电子系统大幅的缩短了充电模块与电池包之间的电力连接线缆的距离，能够降低成本、提高效率、并提升安全性；

6、在本发明中，由于大容量的集中充电子系统应设置在相对独立的区域中，因此换电子系统与集中充电子系统之间、不同的换电子系统之间均有可能有一定的距离；当电池包与车辆分离后即与运送装置中的热管理模块直接连接；通过热管理模块充分利用所有可利用的时间对电池包的快充过程进行全程热管理；克服了车载热管理系统能力不足、调节不便的问题；

7、在充电过程中，使得电池包在短期内处于相对较高的温度，可以增加电池活性、降低内阻、进而提高安全的充电速率的上限；然后，通过快速降温的方法，使得电池回到合理的使用温度区间，便于在换电式电动车辆中的安全使用、并有助于延长电池寿命；并且，虽然大幅度的调节电池包温度看似能耗较高，但关键点在于：第一，由于电池内阻降低自发热的损耗降低；第二，由于电池的初始温度和最终温度的差异并不大，因此实际上以制冷/制热系统常用的卡诺循环为例，当系统中同时需要输出冷量和热量时，仅需要使用较少的电能就能够实现并形成闭环，因此总体经济性较好。但是如果采用现有技术中直接利用电能进行加热再利用空调系统进行冷却就无法形成闭环，即制热、制冷都需要消耗大量能量，则不具备实用性。

附图说明

图1：本发明的基础运行流程框图；

图2：本发明的系统结构和运行流程图（高速公路服务区）；

图3：本发明的运送装置基础结构示意图；

图4：本发明的带有压缩式热泵模块的运送装置结构示意图；

图5：本发明的快充过程控制参数示意图（一）；

图6：本发明的快充过程控制参数示意图（二）；

其中：1：换电式电动车辆，2：换电子系统，201：第一换电子系统，202：第二换电子系统，3：集中充电子系统，4：停车区域，5：运送装置，6：专用通道，601：第一专用通道，602：第二专用通道，603：第三专用通道，7：电池包，701：(电池包的)热交换模块的对外接口，8：冷源，9：热源；

S101、S102、S103、S104、S105所指示的路线和箭头方向与各个步骤的功能相对应；

图3的运送装置中包括：501：储冷模块，502：储热模块，503：控制模块，504：热交换连接接口；包含运送装置的热交换连接接口与电池包连接的位置的局部放大图；

图4的运送装置中包括：505：蒸发器，506：压缩机，507：冷凝器。

具体实施方式

实施例1：

以下结合附图对本发明的基于换电式电动车辆的停车场充电系统进行详细描述：本发明的应用场景主要是长途出行和快速充电；因此，以高速公路服务区为例对本发明进行介绍。根据统计分析用户在高速公路服务区的较长的停留时间约为20-30分钟，应尽量在这个时间段内完成电能补充、才不会影响用户的出行体验。

如图2所示，在高速公路服务区中设置两个换电子系统2，即在高速公路服务区的入口和出口处分别设置第一换电子系统201和第二换电子系统202（为了方便用户使用）；内部分别设有集中充电子系统3、停车区域4；在集中充电子系统3、第一换电子系统201、第二换电子系统202之间分别设有三个专用通道6，即第一专用通道601、第二专用通道602、第三专用通道603，用于运送装置5的往复移动；上述的专用通道6可以采用隐藏式设计、即通道主体设置在地表以下，以便于运送装置5能够畅通无阻的移动。

第一，当换电式电动车辆1进入高速公路服务区时，首先经过入口处的第一换电子系统201，在第一换电子系统201处将待充电的电池包7换下、并换上一个由服务商提供的小容量电池包（例如5Kwh的电池包）；小容量电池包与正常电池包7的区别在于电量不同，而与车辆对接的换电接口是相同的；然后，换电式电动车以小容量电池包为第二动力源驶入停车区域4停车；

第二，将待充电的电池包7放置在运送装置5中、将运送装置5的热交换连接接口504与电池包7的热交换模块的对外接口701进行对接、并一直保持连接状态；此时，启动运送装置5的热管理模块对运送装置5中的电池包7进行全程热管理控制；

第三，运送装置5沿着第一专用通道601进入集中充电子系统3，将集中充电子系统3与电池包7的充电接口连接并对电池包7进行充电；此时，电池包7仍然处于运送装置5之中，运送装置5的热管理模块持续工作；

第四，当充电完成后，运送装置5带着电池包7离开集中充电子系统3、并沿着第二专用通道602到达出口处的第二换电子系统202处、运送装置5的热管理模块持续工作；同时，通知换电式电动车辆1前往第二换电子系统202；然后，通过第二换电子系统202将已充电的电池包7装载到换电式电动车辆1上，并将小容量电池包取出放入运送装置5中备用；此时，换电式电动车辆1即可离开服务区继续行驶；

第五，运送装置5携带小容量电池包沿着第三专用通道603回到第一换电子系统201处待命(对应图中的S106)；然后依此循环往复运行。

系统中，设有若干个运送装置5，运送装置5的数量应根据集中充电子系统3的并行充电能力相对应的来进行设定。

为了使得运送装置5中的热管理模块能够持续运行，可以采用在具有换电功能的停车场中设置冷源8和热源9，或/和，在运送装置5中设置压缩式热泵模块的手段解决。

进一步的，在具有换电功能的停车场中还包括冷源8和热源9，冷源8和热源9分别用于制取和储备充足的冷量和热量，并用于对运送装置5中的储冷模块501和储热模块502分别补充冷量和热量。冷源8和热源9位于集中充电子系统3的附近，在充电过程中，根据运送装置5中的储冷模块501和储热模块502的能量消耗情况分别及时进行补充。通常采用制冷、制热同步运行的模式，以降低能耗。

进一步的，在运送装置5中设置压缩式热泵模块，压缩式热泵模块至少包括蒸发器505、压缩机506、冷凝器507；蒸发器505设置在储冷模块501之中、冷凝器507设置在储热模块502之中；当压缩机506运行时，蒸发器505端制冷、冷凝器507端制热。

可以根据控制过程中需要的冷量与热量的比例关系，确定压缩式热泵模块按制冷运行或制热运行；通常情况下是需要冷量较多应按照制冷运行、对于少数需要热量较多的情况则按照制热运行，由此即以电能补足冷量与热量之间的差额。需要说明的是，与普通热泵系统不同的是，本方案中若需要在制冷与制热之间进行模式切换时，冷凝器507和蒸发器505的位置和功能应保持不变。

实施例2：

以下结合附图对本发明的基于换电式电动车辆的停车场充电方法进行详细描述：

多项研究表明，当对电池进行充电时，若适当提高电池的温度则可以激发电池的活性、能够更快的完成充电过程；但问题在于，如何用可控的措施来快速提升电池的温度、并且在充电完成之后又要快速的将电池的温度降低到正常的水平、整个过程中不仅要速度快、更要能耗低。

通常乘用车的车辆热管理系统的制冷能力和制热能力分别均为2-5KW之间，若再增加的话不仅成本较高、系统的体积也会变大而难以实现。本发明在运送装置5的热管理模块中采用储冷模块501、储热模块502，通过预先制取并储存的常用的储能技术手段不仅可以制取高品位的冷量/热量、还可以降低制取的成本，因此在输出的制冷量、制热量的能力方面基本没有瓶颈；例如，通过加大温差提升输出能力，在储冷模块501中储存0℃左右的冰水混合物、在储热模块502中储存高于80℃的热水。此时，只要电池包7的内部热交换模块具有较强的换热能力和均热能力、即能够实现对电池包7内的电池温度进行快速调节的热管理目标。

首先，将充电时长设定为tc，电池包7在充电之前和充电之后的在途时长分别为0.1tc；即对应S101的电池包7放入运送装置5的时刻为-0.1tc、对应S105的电池包7离开运送装置5的时刻为1.1tc。由于充电时电池包7内一般还有10-20%的电量（SOC），而将电量充到80%左右、不超过90%是比较经济且安全的，因此单次快充的最大充电量约为电池包总电量的70%。以下根据电池包7的特性分成两种情况，分别在本实施例和实施例3中对快充方法进行分析。

在本实施例中，针对电池包7的内部热交换模块的换热能力相对较弱的情况；采用最高充电速率为2C，具体的温度控制参数如下：

充电准备阶段温度区间参数T11=35℃、T12=40℃；

充电前段温度区间参数T21=40℃、T22=45℃；

充电后段温度区间参数T31=35℃、T32=40℃；

充电结束后温度区间参数T41=25℃、T42=30℃；

如图5所示（tc=24分钟、总耗时28.8分钟），具体过程如下：

第一，-0.1tc时刻，待充电的电池包7被放置到运送装置5之中，假设电池包7中的电池温度T=30℃、电池剩余电量为10%；此时，启动运送装置5的热管理模块执行加热操作，使得电池温度提升到约40℃；

第二，0tc时刻，此时运送装置5进入集中充电子系统3、且集中充电子系统3已与电池包7连接，即启动充电过程；在0tc至0.5tc的时间段中采用2C的充电速率，由于充电过程中电池会发热升温，因此该过程中进行实时监测、若电池温度超过45℃即执行适度的冷却操作；该时间段结束时电池电量约为50%；

第三，0.5tc至1tc的时间段，执行冷却操作、使得电池温度从45℃逐渐下降到35℃，在此过程中，根据温度的变化逐步调低充电速率、从2C下降到1C；最后完成充电过程、结束时电池电量约为80%；

第四，1tc至1.1tc的时间段，运送装置5离开集中充电子系统3、并最终将已充电的电池包7装载到换电式电动车辆1之中；在此过程中继续执行冷却操作，使得电池温度下降为25℃左右，便于换电式电动车辆1在后续行驶过程中的安全使用。

由于电池的初始温度与最终温度之间的差异不大，在系统中通过既制冷又制热的运行模式，使得整个过程的热管理能耗较低。

需要说明的是：充电的前段时间和后段时间的时长可以相同也可以不相同，可以根据实际情况进行调整；而且，在电池的SOC较低的前段时间采取相对较高的充电速率、在电池的SOC较高的后段时间采取相对较低的充电速率，也是一种比较实用和安全的策略。另外，各个控制阶段的温度参数也可以根据实际情况进行调整，例如，若环境温度较低则可适当提高电池的最终温度、若环境温度较高则可适当降低电池的最终温度、以便于使用。

实施例3：

在实施例2的基础上，当电池包7的内部热交换模块具有较高的换热能力和均热能力时，例如采用高性能的微通道水冷板等措施；可以采用最高充电速率为3C，具体的温度控制参数如下：

充电准备阶段温度区间参数T11=40℃、T12=50℃；

充电前段温度区间参数T21=50℃、T22=55℃；

充电后段温度区间参数T31=35℃、T32=40℃；

充电结束后温度区间参数T41=25℃、T42=30℃；

如图6所示（tc=17分钟、总耗时20.4分钟），具体过程如下：

第一，-0.1tc时刻，待充电的电池包7被放置到运送装置5之中，假设电池包7中的电池温度T=30℃、电池剩余电量为10%；此时，启动运送装置5的热管理模块执行加热操作，使得电池温度提升到约50℃；

第二，0tc时刻，此时运送装置5进入集中充电子系统3、且集中充电子系统3已与电池包7连接，即启动充电过程；在0tc至0.5tc的时间段中采用3C的充电速率，由于充电过程中电池会发热升温，因此该过程中进行实时监测、若电池温度超过55℃即执行适度的冷却操作；该时间段结束时电池电量约为52.5%；

第三，0.5tc至1tc的时间段，执行冷却操作、使得电池温度从55℃逐渐下降到35℃，在此过程中，根据温度的变化逐步调低充电速率、从3C下降到1C；最后完成充电过程、结束时电池电量约为80.83%；

第四，1tc至1.1tc的时间段，运送装置5离开集中充电子系统3、并最终将已充电的电池包7装载到换电式电动车辆1之中；在此过程中继续执行冷却操作，使得电池温度下降为25℃左右，便于换电式电动车辆1在后续行驶过程中的安全使用。

再结合实施例1，在高速公路服务区中换电式电动车辆1补充电能总耗时约20分钟，在此期间、用户可以在服务区内自由活动，基本可以满足用户的需求。对高速公路服务区而言，若配备“进口+出口”两套换电子系统2且配套电力设施充足的情况下，理论上每小时可以为40辆换电式电动车辆1提供服务、且主要增加的是占地面积很小的集中充电子系统3。对比相同服务能力的快速充电站，则需要建设至少20个高标准的快速充电停车位，而由于涉及多方面的因素，现有的国家电网高速公路的快速充电站的建设标准仅仅是每站配置 4 台直流充电桩。由此可见，本发明的方案在建造成本、占地面积、服务能力和安全性等方面都是非常突出的。

通过上述实施例的技术方案，即使车辆在惯常行驶的区域内采用的是共享电池模式，但至少可以保证车辆在跨区域长途出行的过程中，一直使用专用的电池包；由此，换电电池共享模式的服务商即可专注在某个区域内提供电池共享服务而不是必须要覆盖所有区域，大大降低了服务商的运营门槛，有利于换电模式的推广应用。

为了便于说明重点，实施例2、3中的控制过程与实际过程相比略有简化。另外，实施例2、3中所描述的控制策略仅仅是众多控制策略之中的一种，本领域的技术人员可以根据实际情况做出各种调整和变换，例如也可以采用全程以冷却为主的控制策略。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。