大功率液冷充電槍的設(shè)計(jì)

杜青林 張 強(qiáng)

（深圳市沃爾新能源電氣科技股份有限公司，廣東 深圳518118）

大功率充電對(duì)于電動(dòng)汽車充電的需求是非常大的，無論國內(nèi)還是國外，商用車、出租車、網(wǎng)約車等車輛對(duì)其有非常迫切的需求。另外，國內(nèi)外在長(zhǎng)途旅行上對(duì)大功率充電也有一定的需求，尤其是歐洲、美國，長(zhǎng)途旅行是一種較常見的旅行方式。然而市面上主流的充電樁充電功率較低，充電時(shí)間一般約為1-2小時(shí)，絕大多數(shù)人不能忍受長(zhǎng)時(shí)間的等待，而燃油車加油只需要10-20 分鐘，從補(bǔ)充能源的便利性方面來說，還不能與燃油車相比。為了讓電動(dòng)汽車使用者達(dá)到燃油車加油相同的體驗(yàn)感，大功率充電成為了解決電動(dòng)汽車充電時(shí)間過長(zhǎng)問題的最有效解決方法之一。

目前大功率充電主要以不提高整車電壓平臺(tái)的條件下，提高充電電流大小。但充電電流增大后端子及線纜的發(fā)熱量會(huì)快速增加，導(dǎo)致溫度迅速升高，持續(xù)高溫易損害充電裝置的電子元件，嚴(yán)重的還會(huì)引起燒毀安全事故。為了避免安全事故的發(fā)生，我們必須要將充電槍端子及線纜的發(fā)熱量及溫升降低，增大導(dǎo)體截面積是我們首先想到的解決方法，但增大導(dǎo)體截面積后會(huì)增加線纜的重量，線纜重量加重后會(huì)導(dǎo)致用戶無法正常使用，而采用液冷大功率充電技術(shù)后線纜的截面積可以大幅度減小，充電槍線纜的重量更輕，用戶的操作體驗(yàn)感更好。大功率液冷充電槍相比常規(guī)充電槍技術(shù)較復(fù)雜一些，其次，國內(nèi)大功率充電技術(shù)較國外起步較晚，大功率液冷充電槍的技術(shù)成熟度直接決定大功率充電的安全性，因此其可靠性變得越來越重要。

1 大功率液冷充電槍的設(shè)計(jì)原理

1.1 大功率液冷充電槍的工作原理

大功率液冷充電槍是通過一個(gè)電子泵來驅(qū)動(dòng)冷卻液流動(dòng)，冷卻液在經(jīng)過液冷線纜時(shí)（液冷線纜在工作時(shí)由于承載大電流會(huì)發(fā)熱），帶走線纜及充電連接器的熱量，回到油箱（儲(chǔ)存冷卻液），然后通過電子泵驅(qū)動(dòng)經(jīng)過散熱器散發(fā)熱量，如此循環(huán)工作，可以達(dá)到小截面積線纜通載大電流、低溫升的要求。

1.2 大功率液冷充電槍的強(qiáng)制冷卻方法及冷卻介質(zhì)選擇

目前市面上的大功率液冷充電槍均采用強(qiáng)制冷卻方法對(duì)液冷線纜線芯導(dǎo)體、接觸件接觸區(qū)域、接觸件壓接區(qū)域進(jìn)行冷卻散熱，通常強(qiáng)制冷卻方法分為風(fēng)冷散熱、液體散熱、制冷片散熱三種。風(fēng)冷散熱降溫效果差，無法對(duì)線纜線芯冷卻。制冷片散熱方式的制冷效率過低，同時(shí)也無法對(duì)線纜進(jìn)行冷卻，因此采用液體散熱作為強(qiáng)制冷卻的首選方式。（見圖1）

液體散熱常用的冷卻介質(zhì)有三種，即水、絕緣油、水+制冷劑。現(xiàn)行充電標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234.1 及IEC 62196-1 中規(guī)定充電槍的工作溫度為-30℃-50℃，液冷充電槍作為常規(guī)充電槍的擴(kuò)展產(chǎn)品，也必須滿足此工作溫度。水作為最佳載熱介質(zhì)，但只適用于0℃以上地區(qū)，不能滿足充電槍的低溫工作溫度，故不能選用。

絕緣油一般工作溫度為-50℃-150℃，閃點(diǎn)溫度高、比熱容值小、絕緣安全可靠，因此國內(nèi)充電槍及瑞士灝訊廠家選擇絕緣油作為液冷充電槍的冷卻介質(zhì)。水+ 制冷劑一般工作溫度-40℃-150℃，比熱容值大，粘度小，但不絕緣，國內(nèi)充電槍廠家基于安全性的考慮，很少將其選用為液冷槍冷卻介質(zhì)。水+制冷劑作為車輛的常用冷卻液，具有價(jià)格便宜、購買方便、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前德國菲尼克斯、美國特斯拉采用水+制冷劑作為其大功率液冷槍冷卻介質(zhì)。

圖1 強(qiáng)制冷卻方法

1.3 大功率液冷充電槍線纜的結(jié)構(gòu)選擇

基于絕緣油及水+制冷劑的絕緣特性不同，因此采用這兩種冷卻介質(zhì)的大功率液冷充電槍及液冷線纜的結(jié)構(gòu)上會(huì)有很大差異。目前使用水+ 制冷劑介質(zhì)的液冷線纜結(jié)構(gòu)是在DC+/DC-導(dǎo)線旁邊單獨(dú)放置相應(yīng)數(shù)量的液冷管道，將銅導(dǎo)體的熱量帶走。而使用絕緣油介質(zhì)的液冷線纜結(jié)構(gòu)是將液冷管放置在DC+/DC-線芯內(nèi)部或外部，將銅導(dǎo)體的熱量帶走。（具體結(jié)構(gòu)詳見圖2）

圖2 絕緣油及水+制冷劑液冷線結(jié)構(gòu)

2 大功率液冷充電槍的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上文中對(duì)大功率液冷充電槍的介紹，大功率液冷充電槍與常規(guī)充電槍相比，最明顯的區(qū)別是增加了液冷冷卻回路，因此在大功率液冷充電槍的設(shè)計(jì)參數(shù)中需要考慮工作壓力、工作流量等方面的性能要求，下面以Chaoji 標(biāo)準(zhǔn)接口、應(yīng)用絕緣油冷卻介質(zhì)的大功率液冷充電槍為例，其主要參數(shù)見表1。

表1 大功率液冷充電槍的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

不同材料制成的液冷管，其耐受壓力值也不一樣，為了保證液冷管在適配的液冷系統(tǒng)工作壓力下不會(huì)開裂，因此在大功率液冷槍設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其耐受的最大允許壓力和正常工作壓力值。正常工作壓力值是指大功率液冷充電槍在圖1 中能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，液冷管及管接頭不會(huì)出現(xiàn)泄漏。另外我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)散熱器的散熱功率大于導(dǎo)體發(fā)熱功率，并且工作流量滿足上表規(guī)定值要求時(shí)，大功率液冷充電槍可以正常工作。其中表2 為5 米線不同截面積的發(fā)熱功率。

表2 不同截面積發(fā)熱功率

我們分析表2 后得知，大功率液冷充電槍適配的液冷系統(tǒng)散熱器散熱功率需≥3KW 就可以滿足散熱要求。

式中：

ρ：油的密度，常規(guī)值為0.85Kg/L；

V：油的體積；

C：油的比熱容，常規(guī)值為2.15KJ/Kg.℃；

△T ：散熱器進(jìn)出水溫度變化，通常值為40。

根據(jù)散熱量計(jì)算公式算出液冷管道的最小流量為2.0LPM。水+冷卻劑介質(zhì)的液冷管道最小流量結(jié)果會(huì)不一樣，具體結(jié)果大家可以自行計(jì)算一下。

3 大功率液冷充電槍的試驗(yàn)驗(yàn)證

由于大功率液冷充電槍內(nèi)部設(shè)置有液冷管路，其冷卻介質(zhì)的耐溫性、液冷管耐壓性能直接影響其可靠性，因此大功率液冷充電槍除了要滿足GB/T20234 中規(guī)定的性能要求外，還需滿足下列性能要求。

3.1 冷卻劑

通過檢查、手工測(cè)試和以下測(cè)試來檢查符合性：

3.1.1 附件中使用的液體冷卻劑應(yīng)對(duì)環(huán)境無害。液體冷卻劑的生物降解性應(yīng)≥60%，按照OECD 301 B 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，并記錄在數(shù)據(jù)表中。

3.1.2 應(yīng)使用電纜總成制造商批準(zhǔn)指定的液體冷卻劑。

3.1.3 應(yīng)在安裝手冊(cè)或數(shù)據(jù)表中提供警告，指出如果使用的冷卻劑不是總成制造商指定的冷卻劑，則可能發(fā)生泄漏或材料退化。

3.1.4 冷卻劑類型信息應(yīng)傳達(dá)給最終產(chǎn)品系統(tǒng)制造商。

3.1.5 通過檢查材料安全數(shù)據(jù)表或根據(jù)ISO 2719 進(jìn)行測(cè)試來檢查冷卻液的最小閃點(diǎn)不低于135℃。

3.1.6 冷卻液應(yīng)具有良好的低溫性能，滿足-40℃的低溫環(huán)境下使用。

3.2 液體冷卻劑封閉件壓力試驗(yàn)

冷卻液封閉部分應(yīng)能承受最大允許壓力加1bar，不泄漏、破裂或破裂。通過以下測(cè)試來檢查符合性：

附件的液體密封部件被加壓到電纜組件制造商的最大允許壓力加1 bar，保持15 分鐘，附件的浸沒深度不超過1 米。試驗(yàn)過程中不得有明顯的氣泡，冷卻液封閉部位不得有破裂或爆裂。

注: 電動(dòng)汽車供應(yīng)設(shè)備或電動(dòng)汽車通過其他手段限制最大允許壓力，如減壓閥。

4 結(jié)論

本文淺顯地介紹了大功率液冷充電槍的工作原理、強(qiáng)制冷卻方法、冷卻介質(zhì)的選擇、線纜結(jié)構(gòu)的選擇以及工作流量、散熱功率的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。大功率液冷充電槍的設(shè)計(jì)是一個(gè)技術(shù)不斷充實(shí)和擴(kuò)展的發(fā)展過程，隨著客戶要求的不斷提高，大功率液冷充電槍在液冷線纜的外徑、重量、載流量還需要進(jìn)一步優(yōu)化。