電動汽車液冷超充技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向

摘要：電動汽車液冷超充技術(shù)具有散熱效果好、充電速度快、設(shè)備壽命長等優(yōu)點，對于解決電動汽車充電過程中的熱管理問題具有重要意義。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果，分析并總結(jié)液冷超充技術(shù)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向，以期為電動汽車超充技術(shù)的深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車；超級充電；液體冷卻；充電功率

0 前言

隨著電動汽車的普及和充電需求的快速增長，其充電技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展顯得尤為重要。近年來，液冷充電技術(shù)作為一種新興的高效充電解決方案，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。液冷充電技術(shù)通過利用液體冷卻介質(zhì)，在充電過程中對電池組或充電設(shè)備進行冷卻，以提高充電效率和安全性。該技術(shù)具有散熱效果好、充電速度快、設(shè)備壽命長等優(yōu)點，對于解決電動汽車充電過程中的熱管理問題具有重要意義。本文總結(jié)歸納出國內(nèi)外現(xiàn)有的液冷超充技術(shù)的研究成果，并提出現(xiàn)存的問題以及未來的發(fā)展方向。

1 國外研究進展

歐美等發(fā)達國家的研究人員在提高充電效率、優(yōu)化散熱設(shè)計以及增強系統(tǒng)安全性等方面已有深入研究，并取得了一系列重要成果。這些成果為液冷充電技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。

1. 1 提高充電效率

普渡大學的科學家與福特汽車公司合作研發(fā)了一種新型電纜冷卻系統(tǒng)，被稱為“流動沸騰”系統(tǒng)[1]。在該系統(tǒng)中，液體經(jīng)過熱源后沸騰，所產(chǎn)生的氣泡蒸汽再次流過熱源并冷凝成液體，通過此循環(huán)過程可去除熱量。據(jù)報告，該系統(tǒng)可以去除24.22 kW的熱量，并能處理超過2 400 A的電流[2]。英國科技材料公司Materials與華威大學制造工程學院聯(lián)合推出了i-CoBat項目，該項目旨在開發(fā)電動車電池新型冷卻技術(shù)。該技術(shù)利用可降解介質(zhì)冷卻液直接對電芯表面進行熱傳導(dǎo)，無需接入二次間接冷卻系統(tǒng)，從而提高了熱管理效率和充電速度[3]。

1. 2 優(yōu)化散熱設(shè)計

斯坦福大學的研究人員使用納米流體或相變材料作為冷卻液，這些材料具有更高的熱傳導(dǎo)性能，能夠更有效地降低充電過程中的溫度。

1. 3 安全性研究

安全性始終是充電技術(shù)研究的重點。伊利諾伊大學的研究人員通過模擬充電過程中的各種異常情況（如過充、過放、短路等），來評估液冷充電系統(tǒng)的安全性能。同時，研究人員還開發(fā)了智能算法和預(yù)測模型，用于實時監(jiān)測和預(yù)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以防止?jié)撛诘陌踩L險。此外，研究人員還在探索如何將液冷充電技術(shù)與智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)相結(jié)合，為用戶提供更加智能化、便捷化的充電服務(wù)。例如，通過實時監(jiān)測電網(wǎng)的負荷情況，智能調(diào)度充電樁的充電功率和時間，以平衡電網(wǎng)的負荷，并減少能源浪費。

2 國內(nèi)研究進展

目前，國內(nèi)在液冷充電技術(shù)方面的研究已經(jīng)取得了顯著成果，并在新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了推動液冷充電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，我國出臺了一系列相關(guān)政策措施和標準規(guī)范。其中，《關(guān)于進一步構(gòu)建高質(zhì)量充電基礎(chǔ)設(shè)施體系的指導(dǎo)意見》提出，加強充電基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期安全管理，提高充電服務(wù)經(jīng)濟性和便捷性；《深圳市新能源汽車超充設(shè)施專項規(guī)劃（2023—2025年）》提出，加快在機場、高鐵樞紐等區(qū)域布局建設(shè)超充站等。上述政策措施和標準規(guī)范的出臺將為液冷充電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供有力支持。

總的來說，國內(nèi)的液冷超充技術(shù)從充電連接裝置和充電模塊2個方面進行了研究和應(yīng)用。

2. 1 充電連接裝置

沃爾核材公司的液冷充電槍采用先進的液冷技術(shù)，通過冷卻液在充電線纜中的循環(huán)流動來帶走線纜中的熱量，實現(xiàn)高效散熱。相比傳統(tǒng)的風冷散熱，這種散熱方式具有更高的散熱效率和更低的能耗。該公司的液冷充電槍內(nèi)部設(shè)有冷卻液循環(huán)通道，在電子泵的驅(qū)動下，冷卻液在充電線纜中循環(huán)流動。當充電線纜傳輸大電流時，冷卻液會吸收由此產(chǎn)生的熱量。冷卻液吸收熱量后被傳送回冷卻液容器，此過程有效地保證了熱量被從充電線纜中帶走。在冷卻液容器中，熱冷卻液再次被電子泵驅(qū)動至散熱器，并進行降溫處理。散熱器通過其高效的散熱性能，使得冷卻液中的熱量散發(fā)到外界環(huán)境中，進而降低冷卻液的溫度[4]。

蔚來汽車的液冷槍線采用輕量化設(shè)計，其質(zhì)量不到傳統(tǒng)充電槍線的一半，方便用戶在使用過程中拿取和操作。此外，蔚來汽車的液冷槍線內(nèi)部集成了冷卻液循環(huán)通道，以確保在充電過程中線纜的溫度保持在較低水平，提高充電的安全性和效率。

四川永貴科技有限公司的液冷充電槍通過電子泵驅(qū)動冷卻液流動，冷卻液在流經(jīng)液冷線纜時帶走線纜及充電連接器的熱量，然后回到儲存冷卻液的油箱；通過電子泵再次驅(qū)動冷卻液經(jīng)過散熱器并散發(fā)熱量，形成循環(huán)，實現(xiàn)了小截面積線纜通載大電流、低溫升的目的[5]。

2. 2 充電模塊

充電模塊的主要作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，進而為電動汽車提供穩(wěn)定的充電電源。液冷技術(shù)則通過冷卻液在充電樁內(nèi)部循環(huán)，帶走充電過程中產(chǎn)生的熱量，從而保持充電樁的穩(wěn)定運行。

蔚來汽車的全液冷快充樁采用液冷模塊設(shè)計，該模塊能有效避免外部環(huán)境因素（如沙塵、水汽等）進入充電樁內(nèi)部，從而保持充電樁的絕緣性能，并保證其一定的使用壽命。液冷充電模塊的液冷系統(tǒng)由冷卻液、散熱器、水泵和管道構(gòu)成。其中，冷卻液作為液冷技術(shù)的核心，具有良好的熱傳導(dǎo)性能。散熱器可以將冷卻液中的熱量傳遞到外界，并根據(jù)不同的場景選擇合適的散熱器類型。水泵和管道用于循環(huán)冷卻液的流動，確保冷卻液在充電模塊和散熱器之間循環(huán)。液冷模塊的散熱效率比傳統(tǒng)風冷模式高出80%，有助于減少能源浪費，提高充電效率。

深圳威邁斯新能源股份有限公司液冷充電模塊產(chǎn)品采用三相六開關(guān)硬件拓撲，這種設(shè)計優(yōu)化了電流路徑，提高了電能轉(zhuǎn)換效率。采用無電解電容方案可降低電容器的損耗和故障率，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

深圳英飛源技術(shù)有限公司液冷充電模塊采用全液冷設(shè)計，其功率模塊與外界環(huán)境完全隔離，不受外界惡劣環(huán)境的影響。其采用電芯級環(huán)繞型立體散熱技術(shù)，使得電芯散熱面積是冷板散熱方案的3～5倍，將電芯間溫差控制在2 K以內(nèi)。

深圳優(yōu)優(yōu)綠能股份有限公司的液冷充電模塊內(nèi)部配備有SiC MOS核心器件，極大提高了充電效率。同時，液冷系統(tǒng)能夠有效地帶走充電過程中產(chǎn)生的熱量，確保充電模塊在較低的溫度下運行，從而提高充電效率和延長設(shè)備壽命。優(yōu)優(yōu)綠能液冷模塊的充電效率可達97%，遠高于傳統(tǒng)風冷充電模塊的充電效率[6]。

3 現(xiàn)存的問題

作為新能源汽車充電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，雖然液冷超充技術(shù)在散熱效率和充電速度方面具有顯著優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍然面臨成本問題、安全問題和散熱效率問題。

3. 1 成本問題

液冷系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護成本較高，液體冷卻系統(tǒng)的引入會增加設(shè)備的生產(chǎn)成本，可能對電動汽車的普及產(chǎn)生一定影響。

相比風冷系統(tǒng)，液冷系統(tǒng)更復(fù)雜，需要對其進行定期檢查和更換冷卻液，并對散熱設(shè)備進行維護，這增加了用戶的維護成本和難度。

當滿足超充條件的車輛連接到電網(wǎng)進行充電時，需要有足夠的電網(wǎng)容量來支持高功率的充電需求。如果電網(wǎng)容量不足，則超充速度可能會受到限制。這涉及到電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、升級和維護等方面，也會增加應(yīng)用成本。

3. 2 安全問題

雖然液體冷卻系統(tǒng)可以有效地解決發(fā)熱問題，但冷卻液的引入也可能帶來新的安全隱患。

液冷充電系統(tǒng)采用液體作為冷卻介質(zhì)，在循環(huán)過程中可能存在泄漏風險。如果冷卻介質(zhì)泄漏，不僅會影響系統(tǒng)的散熱性能，還可能對充電設(shè)施及周圍環(huán)境造成危害。

液冷充電系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的風冷散熱系統(tǒng)更為復(fù)雜，涉及更多的組件和管路，這增加了系統(tǒng)的維護難度。如果維護不當或發(fā)生系統(tǒng)故障，可能導(dǎo)致充電設(shè)施無法正常工作，甚至引發(fā)安全事故。

液冷方法基于溫差換熱原理，可能會導(dǎo)致電池模組內(nèi)部出現(xiàn)溫差問題。溫差會導(dǎo)致模組不同單電池在充放電過程中過充、過放或充放電不足，從而影響電池的安全性和壽命[7]。

液冷換熱功率受限于溫差大小和流量，而可控溫差與環(huán)境溫度密切相關(guān)。在極端環(huán)境條件下，這可能導(dǎo)致液冷系統(tǒng)的散熱效果受到限制，從而影響充電設(shè)施的安全性和穩(wěn)定性。

3. 3 散熱效率

環(huán)境溫度、濕度等因素都會影響到液冷超充系統(tǒng)的散熱效率。在高溫環(huán)境下，散熱系統(tǒng)需要更大的功率來散發(fā)熱量；而在潮濕環(huán)境下，冷卻液更容易受到污染和腐蝕[8]。

在車輛液冷超充過程中，如果電池的充放電能力與散熱效率不匹配，可能會導(dǎo)致電池過熱。

如果液冷系統(tǒng)的設(shè)計不合理，如管道布局不合理、泵功率不足、冷卻液中的雜質(zhì)過多等，均可能導(dǎo)致管道堵塞，影響散熱效果，進而導(dǎo)致散熱效率降低。

散熱效率與溫差控制和環(huán)境溫度密切相關(guān)，在極端環(huán)境條件下，溫差可能無法被控制到理想狀態(tài)，從而影響散熱效率。

4 發(fā)展方向

未來，液冷充電技術(shù)的研究方向主要包括以下方面：一是優(yōu)化技術(shù)；二是提高環(huán)境適應(yīng)性和可靠性；三是加強安全性和故障診斷能力；四是降低成本；五是探索液冷充電技術(shù)與智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合，實現(xiàn)充電網(wǎng)絡(luò)的智能化管理和服務(wù)。

4. 1 優(yōu)化技術(shù)

首先，可以通過先進的流體動力學模擬和試驗驗證，優(yōu)化液冷系統(tǒng)的流道設(shè)計，降低流體阻力，提高散熱效率。

其次，可以探索新型的流道結(jié)構(gòu)，如微通道、分叉流道等，以實現(xiàn)更高效的熱交換和溫度控制。

再次，研發(fā)新型冷卻液材料，如納米流體、相變材料等，這些材料具有更高的熱傳導(dǎo)性能和熱穩(wěn)定性，能夠進一步提高散熱效率。此外，探索冷卻液的環(huán)保性和可回收性，以減少其對環(huán)境的影響。

最后，引入先進的控制算法和傳感器技術(shù)，實時監(jiān)測充電過程中的溫度變化、流量分布等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)智能化的散熱控制。通過與車輛、電網(wǎng)等系統(tǒng)的聯(lián)動，實現(xiàn)充電過程的智能調(diào)度和優(yōu)化。

4. 2 提高環(huán)境適應(yīng)性與可靠性

首先，在極端環(huán)境條件下進行多次液冷充電系統(tǒng)的測試，如高溫、低溫、高濕、高海拔等環(huán)境，確保系統(tǒng)在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。針對不同地域和氣候特點，開發(fā)適應(yīng)性更強的液冷充電系統(tǒng)。

其次，加強系統(tǒng)的冗余設(shè)計和容錯能力，確保在出現(xiàn)故障時系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)并繼續(xù)提供充電服務(wù)。

最后，引入先進的故障診斷和預(yù)警技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行處理。

4. 3 提高安全性與故障診斷能力

提高液冷充電技術(shù)的安全性和故障診斷能力是一個系統(tǒng)性的工程，需要從多個方面入手。通過選擇高質(zhì)量的冷卻介質(zhì)、優(yōu)化散熱設(shè)計、加強密封和防護、采用智能監(jiān)控和調(diào)節(jié)等措施，可以提高液冷充電技術(shù)的安全性；通過使用先進的診斷技術(shù)、建立故障診斷數(shù)據(jù)庫、提供遠程支持、加強培訓和技能提升等措施，可以提高故障診斷能力。這些措施的實施將有助于提高液冷充電技術(shù)的整體性能和可靠性，為用戶帶來更好的使用體驗。

首先，需制定嚴格的液冷充電系統(tǒng)安全標準，確保系統(tǒng)在設(shè)計和制造過程中符合安全要求。加強與國內(nèi)外安全監(jiān)管機構(gòu)的合作，推動液冷充電技術(shù)的安全認證和標準化。

其次，深入分析液冷充電系統(tǒng)在充電過程中可能出現(xiàn)的故障，如泄漏、堵塞、過熱等，并提出有效的預(yù)防和應(yīng)對措施。選用低電導(dǎo)率和傳熱性能、抗氧化酸化性能、防凍防銹性能優(yōu)異，以及與非金屬材料兼容的冷卻液，確保在充電過程中冷卻液不會對設(shè)備造成腐蝕或損害。通過實時監(jiān)測溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)，及時調(diào)整液冷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確保充電過程在安全范圍內(nèi)進行。引入智能控制系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境溫度和充電功率等因素自動調(diào)節(jié)冷卻液的流量和溫度。使用密封性良好的材料和相關(guān)技術(shù)，確保液冷系統(tǒng)不受外界環(huán)境（如灰塵、濕氣等）的影響。加強防水、防塵和防腐蝕設(shè)計，提高設(shè)備的耐用性和可靠性。

最后，建立液冷充電模塊的故障診斷數(shù)據(jù)庫，記錄歷史故障案例和解決方案。引入紅外熱像儀、振動分析儀等先進的診斷工具，對液冷系統(tǒng)進行全面的檢測和分析。利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和分析，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題。

4. 4 降低成本

通過優(yōu)化設(shè)計和制造工藝，降低液冷充電系統(tǒng)的制造成本。探索新型的商業(yè)模式和合作方式，降低用戶的使用成本。推動液冷充電系統(tǒng)的標準化和模塊化設(shè)計，提高生產(chǎn)效率和可維護性。

4. 5 加強智能化管理與服務(wù)

引入人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對用戶的充電行為進行深入分析，為用戶提供個性化的充電方案和服務(wù)推薦。加強與電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合應(yīng)用，推動充電基礎(chǔ)設(shè)施的智能化和互聯(lián)互通。加強與充電基礎(chǔ)設(shè)施、電網(wǎng)等系統(tǒng)的兼容性，推動充電網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

此外，需提高充電速度、降低噪聲水平、增強用戶互動等，為用戶帶來更加便捷和舒適的充電體驗；提供多樣化的充電服務(wù)選擇，如預(yù)約充電、智能導(dǎo)航、支付結(jié)算等，滿足用戶的個性化需求。

參 考 文 獻

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