大功率充電設(shè)施電氣性能影響因素研究分析

趙倩然 高燕萬 王嬌嬌 李泉融

【摘? 要】大功率充電時(shí)代的到來，對充電設(shè)施的充電效率、安全性提出了更高的要求。其中，散熱效率和功率模塊是影響大功率充電設(shè)施的充電效率和安全性的重要因素。文章將具備不同散熱方式終端的整機(jī)充電效率和極限溫升結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證液冷終端在大功率充電過程中的優(yōu)勢。從穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、輸出電壓設(shè)定誤差、輸出電流設(shè)定誤差等方面，探究不同功率的充電模塊對整機(jī)電氣性能的影響。

【關(guān)鍵詞】大功率充電設(shè)施;散熱;功率模塊;電氣性能

中圖分類號：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0018-04

Research and Analysis of Factors Influencing the Electrical Performance of High-power Charging Facilities

ZHAO Qianran，GAO Yanwan，WANG Jiaojiao，LI Quanrong

（CATARC New Energy Vehicle Test Center（Tianjin）Co.，Ltd. Tianjin? 300300，China）

【Abstract】The arrival of the high-power charging era has put forward higher requirements for the charging efficiency and safety of charging facilities. Among them，heat dissipation efficiency and power module are important factors affecting the charging efficiency and safety of high-power charging facilities. In this study，the charging efficiency and limit temperature rise results of the whole machine with terminals of different heat dissipation methods are compared and analyzed，and the advantages of liquid-cooled terminals in the high-power charging process are verified. The effects of charging modules with different powers on the electrical performance of the whole machine are investigated in terms of voltage stabilization accuracy，current stabilization accuracy，output voltage setting error and output current setting error.

【Key words】high power charging facilities;heat dissipation;power module;electrical performance

1? 前言

近年來，隨著新能源汽車領(lǐng)域的高速發(fā)展，人們對于能夠?qū)崿F(xiàn)快速補(bǔ)能的配套充電設(shè)施的需求日益旺盛，大功率充電時(shí)代已經(jīng)到來。大功率充電的實(shí)現(xiàn)途徑有兩種，一是高電流，二是高電壓。高電流快充方案的部件優(yōu)化成本低，但隨之產(chǎn)生的熱管理問題不容小覷，因此400V乃至800V以上的高電壓平臺憑借其電磁干擾低、技術(shù)攻克難度低等優(yōu)勢，成為如今大部分新能源企業(yè)實(shí)現(xiàn)大功率充電的主要技術(shù)路線[1]。但無論選擇哪種大功率充電方式，都對充電設(shè)施的充電效率、安全性提出了更高的要求。

影響大功率充電設(shè)施的充電效率和安全性的因素有很多，其中，散熱效率和功率模塊是兩大重點(diǎn)。在快速充電過程中端子、線纜等部件都會產(chǎn)生大量熱量，不僅限制了整個(gè)充電速度，還容易造成充電的安全隱患，因此，選擇高效適宜的散熱方式尤為重要。大功率充電設(shè)施常采用的終端有兩種，一種是普通終端，采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，即通過空氣的流動對發(fā)熱部件進(jìn)行循環(huán)換熱，該技術(shù)成本低、易維護(hù)保養(yǎng)，但散熱效果受環(huán)境影響大;另一種是液冷終端，采用水、乙二醇水溶液、硅油等介質(zhì)轉(zhuǎn)移走充電系統(tǒng)中的熱量，該技術(shù)散熱更均勻、噪聲也更小，但對管路設(shè)計(jì)、密封技術(shù)要求較高[2]。

功率模塊作為整個(gè)充電設(shè)施的核心部件，其性能會直接影響到充電效率[3]。充電設(shè)施的快速充電能力是通過模塊的大功率電能輸出實(shí)現(xiàn)的，隨著越來越多的快充、超充的車輛用電需求的增大，充電模塊的功率等級提升逐步成為發(fā)展趨勢。經(jīng)過多年的市場更迭，30kW、40kW是當(dāng)前充電模塊主流的功率等級。要想在有限的充電樁內(nèi)部空間中實(shí)現(xiàn)模塊的大功率電能輸出，這就需要適宜的模塊數(shù)量、合理的空間布局以及更高的功率密度。在追求充電模塊大功率化的同時(shí)，也要注意隨之而來的安全問題，例如過熱、漏電等。因此，在選擇充電模塊時(shí)，要結(jié)合實(shí)際的用電需求和應(yīng)用場景，提高其充電效率和安全性，以達(dá)到充電模塊的最大化利用。

2? 試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

本研究的試驗(yàn)過程均在中汽研新能源汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司試驗(yàn)室中進(jìn)行，環(huán)境溫度20℃±5℃，環(huán)境濕度40%～60%。

所有樣品的試驗(yàn)過程使用的檢測設(shè)備均相同，有：可編程大功率雙向交流電源（AGS-40-4506）、車樁充電模擬系統(tǒng)（CGSIM C31A-1k/500CG）、大功率電子負(fù)載（ABS-E75-2010-W）、示波器（DL950）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（GM10）和數(shù)顯溫濕度計(jì)（GSP-6）。樣品的具體參數(shù)配置見表1。

3? 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本研究將具備不同散熱方式終端的整機(jī)充電效率和極限溫升結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證液冷終端在大功率充電過程中的優(yōu)勢。從穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、輸出電壓設(shè)定誤差、輸出電流設(shè)定誤差等方面，探究不同功率的模塊對整機(jī)電氣性能的影響。

3.1? 不同散熱方式的終端對大功率充電設(shè)施電氣性能的影響

如表2所示，本研究將樣品1和樣品2分體式直流充電機(jī)設(shè)置為對照組A，對其充電效率和極限溫升進(jìn)行了驗(yàn)證測試。

3.1.1? 充電效率試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，充電效率的計(jì)算公式為：

式中：η——效率;Pd——直流輸出功率;Pa——交流輸入有功功率。

對照組A的充電效率數(shù)據(jù)如表3所示。Uin為額定輸入電壓，In為額定輸出電流，Pmax為額定輸出功率，Umax、Umen、Umin為允許輸出電壓上限值、中值、下限值，U'max、U'men、U'min為選取的恒功率段上的允許輸出電壓上限值、中值、下限值。

通過表3可以看出，樣品1和樣品2的充電效率在93%～98%區(qū)間內(nèi)，差距不太大，均符合NB/T 33008.1—2018[4]中的標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，樣品2的充電效率略低于樣品1，這是由于在充電過程中液冷終端的輸出電流更大，端子及線纜的發(fā)熱量更多，需要液冷系統(tǒng)不斷地循環(huán)換熱帶走熱量，從而能耗略大。

3.1.2? 極限溫升試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，樣品1的額定輸出電流為200A，最大輸出電流為250A;樣品2的額定輸出電流為400A，最大輸出電流為600A。對照組A的極限溫升數(shù)據(jù)如表4所示。

為了更加直觀地了解趨勢變化，將表4中對照組A的極限溫升數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖1所示。從圖1可以看出，在分體式直流充電機(jī)的各測量位置上，盡管樣品2在充電過程中的輸出電流更高，端子及線纜的發(fā)熱量更大，但極限溫升數(shù)據(jù)僅略高于樣品1，且二者的極限溫升均符合NB/T 33001—2010[5]中的標(biāo)準(zhǔn)要求，這充分說明了與普通終端相比，液冷終端的散熱效率更高。

3.2? 不同功率的模塊對大功率充電設(shè)施電氣性能的影響

如表5所示，本研究將樣品2和樣品3分體式直流充電機(jī)設(shè)置為對照組B，對其穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、輸出電壓設(shè)定誤差、輸出電流設(shè)定誤差進(jìn)行驗(yàn)證測試。

3.2.1? 穩(wěn)壓精度試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，穩(wěn)壓精度計(jì)算公式：

式中：δU ——穩(wěn)壓精度;UZ ——交流輸入電壓為額定值且負(fù)載電流為50%的額定輸出電流時(shí)，輸出電壓的測量值;UM ——輸出電壓的極限值。

對照組B的穩(wěn)壓精度數(shù)據(jù)詳見表6。

3.2.2? 穩(wěn)流精度試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，穩(wěn)流精度計(jì)算公式：

式中：δI ——穩(wěn)流精度;IZ ——交流輸入電壓為額定值且輸出電壓在上、下限范圍內(nèi)的中間值時(shí)，輸出電流的測量值;IM ——輸出電流的極限值。

對照組B的穩(wěn)流精度數(shù)據(jù)見表7。

3.2.3? 輸出電壓設(shè)定誤差試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，輸出電壓誤差計(jì)算公式：

式中：ΔU ——輸出電流誤差;UZ ——交流輸入電壓為額定值且負(fù)載電流為50%的額定輸出電流時(shí)，輸出電壓的測量值;UZ0 ——設(shè)定的輸出電壓。對照組B的輸出電壓設(shè)定誤差數(shù)據(jù)詳見表8。

3.2.4? 輸出電流設(shè)定誤差試驗(yàn)

在本試驗(yàn)中，輸出電流誤差計(jì)算公式：

式中：ΔI——輸出電流誤差;IZ——交流輸入電壓為額定值且輸出電壓在上、下限范圍內(nèi)的中間值時(shí)，輸出電流的測量值;IZ0——設(shè)定的輸出電流。對照組B的輸出電流設(shè)定誤差數(shù)據(jù)詳見表9。

為了更加清晰對比，將表6～表9對照組B的電氣性能數(shù)據(jù)做成條形圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，樣品2和樣品3的電氣性能數(shù)據(jù)相差并不大，其中，穩(wěn)壓精度、輸出電壓設(shè)定誤差不超過±0.5%，穩(wěn)流精度、輸出電流設(shè)定誤差不超過±1%，均符合NB/T 33008.1—2018[4]中的標(biāo)準(zhǔn)要求。說明：16個(gè)30kW充電模塊或12個(gè)40kW充電模塊組合，無論采取何種組合方式，整機(jī)的電氣性能都能達(dá)到較為理想的充電效果。

4? 總結(jié)與建議

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)主機(jī)柜功率相同（采用16個(gè)30kW充電模塊組合）時(shí)，端子及線纜在600A充電電流下所產(chǎn)生的熱量顯然要高于在250A充電電流下所產(chǎn)生的熱量，而試驗(yàn)結(jié)果中液冷終端的充電效率僅略低于普通終端，極限溫升僅略高于普通終端，并且均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，即在相同充電條件下，液冷終端的散熱效率要遠(yuǎn)高于普通終端。液冷終端通過液體的循環(huán)換熱，實(shí)現(xiàn)了快速、穩(wěn)定的充電過程，因此，對于大功率充電設(shè)施的散熱需求，液冷終端將是最實(shí)際的解決方案之一。

2）當(dāng)主機(jī)柜功率、終端散熱方式相同時(shí)，采用16個(gè)30kW充電模塊或12個(gè)40kW充電模塊組合，整機(jī)的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、輸出電壓設(shè)定誤差、輸出電流設(shè)定誤差數(shù)據(jù)差距不大，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，充電模塊的數(shù)量、單個(gè)充電模塊的功率直接決定了充電樁的充電功率，但除此之外，還要綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、資源利用率等，模塊的功率和數(shù)量并不是越多越好。因此，當(dāng)選擇充電模塊時(shí)，要根據(jù)實(shí)際充電需求和使用場合選擇合適的功率，以滿足最大程度的充電效率和實(shí)用性。

本研究還存在一些不足之處，后續(xù)工作可以從以下幾個(gè)方面開展：①本研究只根據(jù)終端散熱方式和模塊功率設(shè)置了2組對照試驗(yàn)，每個(gè)對照組分別選取了2種樣品，且樣品屬于同一生產(chǎn)廠家，由此所得的數(shù)據(jù)不夠全面，無法覆蓋市場上多種類的充電樁，在后續(xù)工作中，將增加對照組的樣品種類、數(shù)量，設(shè)置多組平行試驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的可靠性;②本研究只選取了部分電氣性能試驗(yàn)來探究終端散熱方式、模塊功率對大功率充電設(shè)施電氣性能的影響，但終端散熱方式和模塊功率影響的試驗(yàn)有很多，在后續(xù)工作中，將增加其他的電氣性能試驗(yàn)，從多角度切入作對比分析，保證研究的全面性。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯? 凌? 波）

收稿日期：2024-03-14