不同散熱方式對大功率汽車充電設(shè)備的影響分析

劉巋，潘景輝，呂國偉，羅梓才

（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

1 緒論

1.1 研究背景

隨著全球能源、環(huán)境等問題日益凸顯，碳達峰、碳中和是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)國家永續(xù)發(fā)展的必然選擇[1]，大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)是我國構(gòu)建綠色低碳經(jīng)濟體系重要一環(huán)。今年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)銷連續(xù)8 年全球第一[2]，預(yù)計到2025 年，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20 %左右[3]。國際公認(rèn)的新能源汽車的首選是純電動汽車，純電動汽車的充電載體是單純的動力電池，充電方便，運行安全可靠充電[4]，設(shè)施作為電動汽車補充動力的關(guān)鍵裝備，其發(fā)展與推廣已成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可忽視的問題。我國充電基礎(chǔ)設(shè)施已建成世界上數(shù)量最多、服務(wù)范圍最廣、品種類型最全的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系[5]。隨著我國新能源汽車保有量快速上升，“充電難、充電慢”問題日益成為社會關(guān)注的熱點[6]，加快發(fā)展大功率充電設(shè)施成為了破局之道。

當(dāng)大功率充電設(shè)施處于高電壓、大電流時，單位時間內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小功率充電設(shè)施，溫度的升高容易引起熱安全問題[7]。于是良好的散熱系統(tǒng)顯得尤為重要。

1.2 充電設(shè)施散熱方式分類

熱量傳遞通常包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種基本方式[8]不同的散熱方式均是利用其中一種或幾種組合的形式進行冷熱循環(huán)。

1）自然冷卻

自然冷卻是利用密度隨溫度變化而產(chǎn)生的流體循環(huán)過程來帶走熱量的冷卻方式。小功率充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，主板直接或間接外殼連接，產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)和熱輻射方式進行熱量傳播，從而達到散熱目的。

2）空調(diào)

空調(diào)一般包括冷源/熱源設(shè)備，冷熱介質(zhì)輸配系統(tǒng)，末端裝置等幾大部分和其他輔助設(shè)備。主要包括：制冷主機、水泵、風(fēng)機和管路系統(tǒng)。末端裝置則負(fù)責(zé)利用輸配來的冷熱量，通過送風(fēng)機送出，與高溫氣流進行熱濕交換[9]，具體處理空氣狀態(tài)，使目標(biāo)環(huán)境的空氣參數(shù)達到一定的要求。

3）強制風(fēng)冷

強制風(fēng)冷系統(tǒng)主要有散熱風(fēng)扇組成。是用增加空氣的流動作為媒介來實現(xiàn)熱源件的冷卻需要的散熱方式。

4）液冷

液冷系統(tǒng)的基本組成包括：電動水泵，溫度傳感器，壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器，液液熱交換器。使用液體作為熱量傳輸媒介，為發(fā)熱部件進行換熱,進而帶走熱量的技術(shù)。

1.3 本文研究內(nèi)容

本文圍繞大功率充電設(shè)施不同散熱方式在充電過程起到的作用，分析其對大功率充電效率的影響大小。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[10]和標(biāo)準(zhǔn)[11]對只配置有強制風(fēng)冷系統(tǒng)的、配置有強制風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷充電插頭的、配置強制風(fēng)冷和液冷充電模塊的額定輸出功率為480 kW 的充電設(shè)施進行溫升試驗和充電效率試驗，記錄數(shù)據(jù)；對額定輸出功率為720 kW 的充電設(shè)備進行以上相同試驗，通過測量數(shù)據(jù)對比分析，得出結(jié)論。

2 實驗搭建及測試

2.1 試驗環(huán)境搭建

本文中所有試驗均在威凱檢測技術(shù)有限公司3105 試驗室中進行，環(huán)境溫度（25±5）℃；所有樣品的試驗均使用同一套檢測設(shè)備，使用試驗儀器設(shè)備有：直流負(fù)載柜（FC-000671、FC-000672）、功率分析儀（FC-000675-2）、電網(wǎng)模擬電源（FC-000674）、直流電子負(fù)載（FC-000675-4）、可編程高壓電源供應(yīng)器（FC-000675-3）、便攜式圖表記錄儀（FC-000220）、數(shù)顯式溫濕度表（FC-000583）；

樣品配置情況如下：

所有充電設(shè)施均是分體式直流充電設(shè)備，由快充直流充電機和直流充電終端組成，所有快充直流充電機均采用強制風(fēng)冷散熱方式，具體配置信息如下：

1#樣品：直流充電機的額定輸出功率為480 kW，直流充電終端的額定輸出功率為360 kW，車輛插頭輸出250A 750/1000VDC，充電模塊規(guī)格是：輸入：285-475VAC，輸出：50-1000VDC/0-134A。充電模塊無液冷裝置，車輛插頭無液冷裝置；

2#樣品：直流充電機的額定輸出功率為480 kW，直流充電終端的額定輸出功率為480 kW，車輛插頭輸出600A 750-1500VDC，充電模塊規(guī)格是：輸入：285-475VAC，輸出：50-1000VDC/0-134A。充電模塊無液冷裝置，車輛插頭配置液冷裝置；

3#樣品：直流充電機的額定輸出功率為480 kW，直流充電終端的額定輸出功率為360 kW，輸入：DC200-1000V 輸 出：DC200-1000V DC15~600A（單 槍DC 15-250A，單槍180 kW）。充電模塊規(guī)格是：輸入：320-530VAC，輸出：200-1000VDC/0-200A。充電模塊配置液冷裝置，車輛插頭無液冷裝置；

4#樣品：直流充電機的額定輸出功率為720 kW，直流充電終端的額定輸出功率為240 kW，車輛插頭輸出250A 750/1000VDC，充電模塊規(guī)格是：輸入：380VAC，輸出：150-1000VDC/0-100A。充電模塊無液冷裝置，車輛插頭無液冷裝置；

5#樣品：直流充電機的額定輸出功率為720 kW，直流充電終端的額定輸出功率為600 kW，車輛插頭輸出600A 750/1000VDC，充電模塊規(guī)格是：輸入：380VAC，輸出：150-1000VDC/0-100A。充電模塊無液冷裝置，車輛插頭配置液冷裝置；

6#樣品：直流充電機的額定輸出功率為720 kW，直流充電終端的額定輸出功率為240 kW，車輛插頭輸出250A 750/1000VDC，充電模塊規(guī)格是：輸入：320~530VAC，輸出：200-1000VDC/0-200A。充電模塊配置液冷裝置，車輛插頭無液冷裝置。

2.2 設(shè)置對照組

分組情況見表1、表2。

表1 對照組1 組情況

表2 對照組2 組情況

2.3 試驗測量數(shù)據(jù)

1）溫升試驗（測試環(huán)境溫度23 ℃）見表3。

表3 直流充電機溫升測量表

2）效率試驗見表4。

表4 直流充電機充電效率及功率因數(shù)測量表

3 結(jié)果分析

3.1 溫升測量結(jié)果對比

1）對照1 組

將對照1 組溫升測量數(shù)據(jù)繪制成折線圖，可簡單明了地針對三個樣品各部位的溫升大小進行比較，如圖1所示。

圖1 1#~3#樣品溫升測量數(shù)據(jù)折線圖

由圖1 可知，1#~3#樣品在輸入為額定值、充電機在最大輸出電流下長期運行，內(nèi)部各發(fā)熱元器件及各部位連接端子處的溫升相近。采用強制風(fēng)冷加液冷車輛插頭的2#樣品使車輛插頭的額定輸出功率達到600 kW，其產(chǎn)生的熱量經(jīng)過液冷裝置散熱，讓充電電纜的溫度降到安全范圍。3#樣品在相同額定功率的直流充電機中配置了液冷充電模塊，液冷充電模塊的額定輸出功率是普通充電模塊額定輸出功率兩倍的情況下，充電模塊端子的溫升最低，但其他部位的溫升高于1#和2#樣品同位置的溫升值。

2）對照2 組

將對照2組溫升測量數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖2所示。

圖2 4#-6#樣品充電效率和功率因數(shù)圖

由圖2 可知，4#~6#樣品的測量結(jié)果相較對照1 組的結(jié)果，各樣品之間相同部位的溫升值更加接近。三種散熱方式使三個樣品各部位溫升值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中采用液冷車輛插頭的5#樣品絕緣導(dǎo)線的溫升值最低，采用液冷充電模塊的6#樣品模塊端子的溫升值最低。

3）兩對照組比較

1# 樣品和4# 樣品的散熱方式相同，2# 樣品和5#樣品的散熱方式相同，3# 樣品和6# 樣品的散熱方式相同；將其中樣品各部位的溫升值兩兩對比，差異很小。

4）小結(jié)

6 個樣品共采取了三種不同的散熱方式，在每套樣品的直流充電機中，均采取了強制風(fēng)冷的散熱方式，不同地方在于1#、4#樣品沒有額外配置其他散熱裝置，2#、5#加配了液冷充電車輛插頭，3#、6#樣品加配了液冷充電模塊。

以上三種散熱方式均能達到良好的散熱效果，使各發(fā)熱元器件及各部分的溫升值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 充電效率與功率因數(shù)測量結(jié)果對比

1）對照1 組

將1#~3# 樣品測量結(jié)果中的充電效率繪制成柱狀圖、將功率因數(shù)值繪制成折線圖，經(jīng)組合后如圖3 所示。

圖3 1#-3#樣品充電效率和功率因數(shù)圖

由圖3 可知，1#~3#樣品的充電效率基本維持在（89~96）%區(qū)間，功率因數(shù)的大小在0.97~1.00 區(qū)間，相互之間的差距較小。第5 階段設(shè)定的額定輸出電流電壓值，通過對比，各樣品都有良好的表現(xiàn)，充電效率維持在95 %左右，功率因數(shù)在0.98 以上。

2）對照2 組

將1#~3# 樣品測量結(jié)果中的充電效率繪制成柱狀圖、將功率因數(shù)值繪制成折線圖，經(jīng)組合后如圖4 所示。

圖4 4#-6#樣品充電效率和功率因數(shù)圖

由上圖可知，4#~6#樣品的充電效率基本維持在（90~97）%區(qū)間，功率因數(shù)的大小在0.95~1.00 區(qū)間，相互之間的差距較小。

3）兩組比較

1#樣品和4#樣品的散熱方式相同，2#樣品和5#樣品的散熱方式相同，3#樣品和6#樣品的散熱方式相同；所有樣品在不同設(shè)定值下，充電效率和功率因數(shù)均能達到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）小結(jié)

以上三種不同的散熱方式的樣品，在效率試驗和功率因數(shù)試驗中，均有優(yōu)秀表現(xiàn)。其中才用液冷車輛插頭的樣品額定輸出功率高，采用液冷模塊的樣品，配置充電模塊的數(shù)量少。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文通過設(shè)置兩組對照試驗，分析了相同額定輸出功率時，不同散熱方式的充電設(shè)施的溫升、充電效率和功率因數(shù)的測量數(shù)據(jù)對比，不同額定輸出功率時，不同散熱的充電設(shè)施的溫升、充電效率和功率因數(shù)的測量數(shù)據(jù)對比。在達到充電設(shè)施額定輸出功率時，三種不同的散熱方式下，設(shè)備的溫升、充電效率和功率因數(shù)測量數(shù)據(jù)相近。在車輛插頭的額定輸出電壓均為1000 VDC 的情況下，普通車輛插頭的額定輸出功率為240 kW，額定電流為240 A，液冷車輛插頭的額定輸出功率為600 kW，額定電流為600 A。因而不同冷卻策略的充電設(shè)備的發(fā)熱量不同，但最后形成了近似的測量數(shù)據(jù)，通過分析得出以下結(jié)論：

1）在供電設(shè)備端，配備液冷車輛插頭的樣品，極大降低了大電流帶來的發(fā)熱影響，使相同額定輸出功率的兩種大功率充電設(shè)施的充電效率總體上相近，充電設(shè)施內(nèi)部相同部位的溫升數(shù)據(jù)接近，達到了與只有強制風(fēng)冷的充電設(shè)施近乎一樣的狀態(tài)，液冷裝置的冷卻效果顯著。

2）液冷裝置針對性散熱明顯，通過控制變量方法，將原來普通車輛插頭或充電模塊更換為液冷車輛插頭或液冷充電模塊，在充電效率和功率因數(shù)均達標(biāo)的情況下，該部位的溫升值相較其他測試樣品最低，其他部位的溫升值則無明顯優(yōu)化。

3）在電動汽車充電端，配備液冷車輛插頭的樣品的單槍額定輸出功率是普通車輛插頭的2.5 倍，表明同一輛電動汽車充電相同的電量，使用液冷車輛插頭充電時間更短，因此使用液冷冷卻策略的大功率充電設(shè)施的充電效率更高。

4.2 課題研究不足與展望

目前配備液冷裝置的大功率充電設(shè)施還在推廣階段，樣品的種類和數(shù)量有限，本文僅從此次試驗的數(shù)據(jù)出發(fā)進行分析，無法全面覆蓋。

希望配備液冷裝置的大功率充電設(shè)施得到推廣，今后更加深入地對此方面進行研究。