大功率超导充电桩

技术领域

本发明属于充电技术领域，具体涉及一种充电桩，可用于对电动汽车进行大功率快速充电。

背景技术

现有的液冷充电桩技术是一种为电动车充电设备提供散热解决方案的创新技术。其通过采用液体冷却系统，有效地降低充电桩的温度。该技术具有散热效果好，充电效率高、设备寿命长及适应高功率充电等优势。液冷充电桩技术特别适用于高功率快速充电设备，并有望在电动车市场的发展中得到更广泛的应用和改进，但液冷充电桩技术的设计和制造相对复杂，并且生产制造成本较高。

专利号为CN202111496786.7的专利文献公开了“一种液冷充电桩”，其包括散热组件、充电桩组件和载流线缆组件。散热组件由冷却循环回路、储液箱和散热器组成，用于对充电桩内部电源模块进行散热。充电桩组件包括驱动电源和充电模块，用于提供电源和管理充电过程。载流线缆组件包括充电枪与常规充电线缆，用于连接充电桩和电动车。

专利号为CN202222451985.2的专利文献公开了“一种大功率液冷充电桩”，其包括散热组件、充电桩组件和载流线缆组件。散热组件包括液冷机构和水冷条，用于降低发热元器件的温度。充电桩组件由电源模块、支撑座和控制器组成，用于提供电源和控制充电进程。载流线缆组件包括常规充电线缆和充电枪，用于连接充电桩和电动车。

上述现有的充电桩虽然均能够对其内部的发热元器件进行散热，但其仍存在以下不足：

一是充电桩电源模块功率上限较低且受散热性能制约，使其输出功率方面存在限制，无法支持较高功率的充电需求。同时由于受液冷系统的散热性能限制，无法有效地散发产生的热量，从而影响充电桩的功率输出和性能表现。

二是液冷散热组件结构复杂，需要额外的冷却液驱动循环设备，增加了能源消耗。此外由于液冷系统存在冷却液泄漏的风险，会导致充电桩电气组件受损。

三是由于使用常规线缆，会不可避免地引起电阻损耗，导致载流功率降低，从而使充电速度变慢。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种大功率超导充电桩，以显著提升充电桩散热性能，减少能源损耗，进而提升充电功率，加快充电速度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术原理：

本发明根据超导电缆技术利用超导材料传输电能，利用超导材料的零电阻特性进行超导充电桩的设计。

所述超导电缆由超导体芯线、保护材料和绝缘层构成。它具有高能效传输、大电流承载能力、节省空间和环保可持续等优势。其传输电能过程中几乎没有能量损耗，从而提高能效，且适用于高功率应用领域，并能节省空间。此外，超导电缆对环境友好，有助于减少碳排放。随着超导材料的研究和技术的进步，超导电缆技术有望成为电动汽车大功率快速充电的新一代解决方案。

二.技术方案

根据上述原理，本发明设计的一种大功率超导充电桩，包括：充电桩组件1、气冷散热组件2和载流线缆组件3，其特征在于：

所述充电桩组件1，包含电气线路11与供电模块12，用于连接电网与充电桩，实现对超导电缆的大功率供电；

所述气冷散热组件2，包含气体输送管路21和气冷散热器22，用于连接液氮储存设备与供电模块，实现对充电桩内的大发热量组件进行散热冷却；

所述载流线缆组件3，包含超导充电电缆31与终端32，用于连接充电桩与负载电池，实现对负载电池的大功率快速充电。

所述供电模块12通过电气线路11依次与终端32和超导充电电缆31连接；

所述气冷散热器22的两端分别与供电模块12和气体输送管路21连接。

进一步，所述供电模块12，包括电网121、变压模块122、整流模块123、功率模块124和充电桩机柜125；该电网121经过电气线路依次与变压模块122、整流模块123、功率模块124连接；该变压模块122、整流模块123、功率模块124均位于充电桩机柜125内部，并与气冷散热组件2连接，功率模块124的另一端与载流线缆组件3连接。

进一步，所述气体输送管路21，包括液氮储存罐211、气液分离器212和制冷设备柜213；该液氮储存罐211和气液分离器212均位于制冷设备柜213内部，且液氮储存罐211的一端与载流线缆组件3连接，另一端与气液分离器212的进口连接；该气液分离器212，其气体出口与气冷散热器22连接，液体出口与超导充电电缆31连接。

进一步，所述气冷散热器22，包括散热鳍片板221、散热器外壳222、进气口223和排气口224；该散热鳍片板221的一端与散热器外壳222连接，另一端与充电桩组件1连接；该进气口223和排气口224均与气体输送管路21连接。

进一步，所述超导充电电缆31，包括液氮通道311和超导导体层312；该液氮通道311与气体输送管路21连接，该超导导体层312与终端32连接。

进一步，终端32，包括电缆终端321和负载电池322；负载电池322与超导充电电缆31中的超导导体层312连接；电缆终端321的一端与充电桩组件1连接，另一端与超导充电电缆31中的超导导体层312连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明使用超导充电电缆作为充电载流线缆，利用超导体的大功率无阻载流特性，能够完全免除充电线路上的能源损耗，提升能源效率；同时，相同体积下超导电缆的载流能力是常规载流线缆的十倍以上，能够极大提升充电功率，进而加快充电速度，并缩小充电桩组件的占地面积。

2)本发明采用全新的气冷散热结构，使用气液分离器将液氮制冷产生的副产物冷氮气分离出来，通过冷氮气循环实现对发热模块的降温散热。本发明中的散热结构无需任何主动换热器组件与冷却介质驱动组件，完全免除了由于换热驱动组件所造成的额外能耗，极大提升了能源效率；同时本散热结构使用低温冷氮气作为冷却介质，相比于传统的空气风冷或室温冷却液的散热结构性能更好，进而能够提升充电桩模块的功率上限。

3)本发明设计了全新的封闭式气冷散热器结构，使用金属散热器外壳与无氧铜散热鳍片板复合构成，可根据实际工况自由选择安装位置与安装方式，节省充电桩内部空间；同时低温冷却介质仅在循环管路与气冷散热器内部流动，与充电桩电气模块无任何直接接触，完全免除了由于冷却液泄漏可能导致的各类风险，保证散热性能良好的同时大幅提升了充电桩的安全防护性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中气冷散热器的结构示意图；

图3是本发明中气冷散热器的安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参照图1，本实施例设计的大功率超导充电桩，包括充电桩组件1、气冷散热组件2和载流线缆组件3。

所述充电桩组件1，包含电气线路11与供电模块12，用于连接电网与充电桩，实现对超导电缆的大功率供电，其中：

供电模块12包括电网121、变压模块122、整流模块123、功率模块124和充电桩机柜125。

所述气冷散热组件2，包含气体输送管路21和气冷散热器22，用于连接液氮储存设备与供电模块，实现对充电桩内的大发热量组件进行散热冷却，该气体输送管路21，包括液氮储存罐211、气液分离器212和制冷设备柜213；

所述载流线缆组件3，包含超导充电电缆31与终端32，用于连接充电桩与负载电池，实现对负载电池的大功率快速充电，其中：该超导充电电缆31，包括液氮通道311和超导导体层312；该终端32，包括电缆终端321和负载电池322。

上述部件的连接关系如下：

电网121通过电气线路11依次与变压模块122、整流模块123、功率模块124串联连接；该变压模块122、整流模块123、功率模块124均位于充电桩机柜125内部，功率模块124的另一端通过电气线路11与超导导体层312连接。

液氮储存罐211和气液分离器212均位于制冷设备柜213内部，且液氮储存罐211的液氮进口与液氮通道311的出口连接，液氮储存罐211的液氮出口与气液分离器212的进口连接；该气液分离器212，其气体出口与气冷散热器22的进口连接，液体出口与液氮通道311的进口连接。

液氮通道311的进口与气体输送管路21连接，出口连接至液氮储存罐211的回流口；该超导导体层312通过电流引线与终端32连接；负载电池322的正负极分别通过电流引线与超导导体层312的输出正负极连接；电缆终端321的电气输入端与功率模块124通过电气线路11连接，其电气输出端与超导导体层312连接。

本实施例中，充电桩机柜125可选用但不限于铝合金或不锈钢复合制造而成，在充电桩机柜125上设置有多层隔板以便于固定变压模块122、整流模块123和功率模块124；充电桩机柜125的外壳上设置有多个开孔，以增强机柜内部与外部空气之间的对流换热，提高散热性能。

气体输送管路21选用但不限于柔性不锈钢波纹管构成，该波纹管能够在保证管路机械强度的同时保持良好的柔韧性与气密性；液氮储存罐211选用但不限于自增压液氮罐，能够在不使用液氮泵的情况下自行增压驱动液氮及氮气流出；气液分离器212选用但不限于铝合金氮气液氮分离器，能够将通入其内的气液混合物分离为气体与液体，并且无需额外的驱动装置；制冷设备柜213选用但不限于不锈钢钣金构成，在其内部设置有至少一个卡扣以固定液氮储存罐211，气体输送管路21和气液分离器212。

进气口223和排气口224选用但不限于卡套式组合直角管接头，进气口223和排气口224的一端与散热器外壳222密封焊接连接，另一端通过密封管螺纹与气体输送管路21连接；在螺纹连接处需要布置至少一个橡胶密封圈并缠绕特氟龙生料带以保证连接处的气密性。

散热鳍片板221选用但不限于高纯度无氧铜加工而成，在无氧铜板上加工出多个鳍片以增加冷氮气的对流换热面积，散热鳍片板221与外部模块的接触面需进行抛光处理以保证其表面光洁度，增强散热性能。散热器外壳222选用但不限于不锈钢外壳钣金加工制成。在散热器外壳222与散热鳍片板221的连接部位需设置至少一个橡胶密封圈以保证连接处的气密性。

液氮通道311选用但不限于不锈钢柔性真空波纹管加工构成，该真空波纹管在保证机械强度与可弯折性的同时绝热性能更好，能够减少管内液氮与外界之间的漏热，增强超导电缆的工作稳定性。

超导导体层312分为内外两层，内层与外层均选用但不限于YBCO第二代高温超导带材绕制而成，二者的绕制方向与螺旋角应保持一致，以抵消由于通电在电缆内部产生的磁场。

电缆终端321选用但不限于不锈钢加工制成，其内部设置有复合真空夹层与抽真空接口，在真空夹层内部设置有活性炭吸附剂与真空分子筛以提升整个终端的绝热效果。

散热鳍片板221的安装位置可根据充电桩内部的实际安装空间与工程需要自由调整，在安装时需要保证散热鳍片板221与外部模块的接触面光洁平整，安装时需通过螺栓连接加压预紧，以增强热传导性能。

参照图2，所述气冷散热器22，包括散热鳍片板221、散热器外壳222、进气口223和排气口224；该散热鳍片板221的外侧与散热器外壳222之间通过螺栓紧固连接，该进气口223和排气口224均焊接固定在散热器外壳222外侧。

参照图3，散热鳍片板221的底面与功率模块124紧密贴合；并与气体输送管路21连接以实现冷氮气的流入与流出。气冷散热器22在安装时需要在散热鳍片板221与外部模块的连接部位覆涂导热介质，包括但不限于导热硅脂或液金导热膏，以填充散热鳍片板221与上述模块之间接触连接时的缝隙，增强传导散热性能。所覆涂的导热介质层应尽可能薄，在气冷散热器22安装完成后连接处周边不能有导热介质溢出。

本实施例的工作原理是这样的：

电网121用于提供高电压工程交流电，该交流电经过变压模块122后电压变换至合适水平，之后经过整流模块123将工程交流电转化为大功率直流电，最终该直流电经过功率模块124变换后实现功率可控的直流电输出到电缆终端321，电缆终端321将大功率直流电经过超导导体层312接入负载电池322，构成大功率超导充电的完整电气回路。

液氮储存罐211用于提供液氮及氮气，该气液混合物经过气液分离器212后被分离为冷氮气和液氮，其中，分离后的冷氮气由气液分离器212的气体出口经过气体输送管路21连接至气冷散热器22，该冷氮气由进气口223通入，在散热器内部与散热鳍片板221充分进行对流换热后由排气口224排出至气体输送管路21，循环后的冷氮气最终经充电桩机柜125排出至外部；分离后的液氮由气液分离器212的液体出口通入液氮通道311，以实现将超导电缆降温至超导态，最终回流至液氮储存罐211，构成完整的电缆冷却回路。

工作时，首先使用液氮储存罐211将罐内增压至0.5-0.9Mpa，缓慢开启出液阀使氮气与液氮的气液混合物缓慢流出，待充电桩组件与气冷散热组件冷却后微开出液阀，使液氮缓缓通入液氮通道311以给超导导体层312降温，待超导导体层312降温超导态后，启动电源开关将电网121上的电流接入充电桩，并根据充电功率的变化实时调整气液混合物的流速，确保超导导体层312全程浸泡在液氮中。

以上描述仅是本发明的一个具体实施例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。