液冷充電槍使用過程中可靠性影響分析

【摘" 要】液冷充電槍對大功率充電性能至關(guān)重要。文章主要分析并系統(tǒng)總結(jié)影響液冷充電槍性能的主要因素，旨在為大功率充電用充電槍提供技術(shù)支持，推動(dòng)新能源汽車大功率充電健康、有序發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前影響液冷充電槍性能的因素主要有溫升可靠性、液冷管路可靠性、異常狀態(tài)下的安全可靠性及其他問題。最后針對提升液冷充電槍性能提出若干建議。

【關(guān)鍵詞】液冷充電槍；溫升；液冷系統(tǒng)可靠性；熱管理系統(tǒng)；液冷介質(zhì)

中圖分類號：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）02-0042-04

Analysis of Reliability Influence of Liquid-cooled Charging Gun During Use*

LI Xiao，DU Chunyu，XUE Zizhang，GU Yu

（CATARC Automotive Test Center（Tianjin）Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China）

【Abstract】Liquid cooled charging gun is very important for high power charging performance. This paper mainly analyzes and systematically summarizes the main factors affecting the performance of the liquid-cooled charging gun，aiming to provide technical support for high-power charging guns and promote the healthy and orderly development of high-power charging for new energy vehicles. It is found that the main factors affecting the performance of the liquid-cooled charging gun are temperature rise reliability，liquid cooling pipeline reliability，safety reliability under abnormal conditions and other problems. Finally，some suggestions are put forward to improve the performance of the liquid-cooled charging gun.

【Key words】liquid-cooled charging gun；temperature rise；reliability of liquid cooling system；thermal management system；liquid cooling medium

0" 前言

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，新能源汽車已經(jīng)走進(jìn)了萬千大眾的視野之中。用戶在使用電動(dòng)汽車的過程中，充電便利性一直是困擾他們的難題。如今，基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，用戶對大功率充電的需求愈發(fā)迫切。電動(dòng)汽車大功率充電技術(shù)作為新興技術(shù)，能縮短充電時(shí)間，提升電動(dòng)汽車用戶體驗(yàn)，減少公共充電設(shè)施建設(shè)用地總量，提高充電設(shè)施利用率，利于提升充電服務(wù)質(zhì)量與集中管理，還能推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步。而液冷充電槍的可靠性，是影響大功率充電的關(guān)鍵因素。

電動(dòng)汽車直流充電方式分為非液冷充電和液冷充電。非液冷充電槍通?？吭黾泳€徑滿足更大載流需求，但線徑增大導(dǎo)致產(chǎn)品愈發(fā)笨重，在大功率充電需求下，難以滿足載流要求。為實(shí)現(xiàn)大功率充電，帶液體冷卻的充電槍應(yīng)運(yùn)而生。冷卻液在電纜中與電纜并行，吸收電纜熱量，回水至液冷源冷卻后再回到電纜，帶走電纜熱量，降低大電流脈沖產(chǎn)生的熱危害。液冷充電槍在固定線徑下，通過液冷裝置及時(shí)散熱，防止過熱，提升散熱能力以增加載流能力 。

相較于傳統(tǒng)充電槍，液冷充電槍具有質(zhì)量輕、最大載流能力強(qiáng)等優(yōu)勢。然而，其使用過程中產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)大，失效后果也更為嚴(yán)重。

本文圍繞液冷充電槍性能，結(jié)合使用中發(fā)現(xiàn)的問題，依據(jù)GB/T 20234.1—2023[2]標(biāo)準(zhǔn)給出測試方案，進(jìn)行系列測試，驗(yàn)證測試結(jié)果，分析問題可能造成的嚴(yán)重后果，并提出整改建議，為電動(dòng)汽車液冷充電槍提供技術(shù)支持。

1" 溫升可靠性

1.1" 非液冷狀態(tài)下溫升可靠性

液冷充電槍在使用時(shí)，液冷裝置并非全程運(yùn)行。小電流充電時(shí)，依靠產(chǎn)品自身被動(dòng)散熱維持正常工作。此時(shí)液冷管路充滿冷卻液，若熱量無法及時(shí)散發(fā)，會(huì)不斷累積，導(dǎo)致產(chǎn)品過熱，存在燙傷人員的風(fēng)險(xiǎn)。

分別對800A和600A的液冷充電槍，在液冷裝置不工作的情況下，通入200A相對小電流，觀察產(chǎn)品溫升曲線，詳見圖1、圖2。

在試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集儀采集端子溫度，端子溫度減去室溫的差值，即為端子溫升數(shù)據(jù)。本文所有端子溫升測試的時(shí)間——溫升圖，其橫坐標(biāo)單位均為秒，縱坐標(biāo)單位均為攝氏度。結(jié)果顯示，產(chǎn)品在液冷裝置不工作時(shí)，800A和600A通200A測試電流30min后，溫升均接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。盡管最大持續(xù)電流不同，但液冷裝置不工作時(shí)，產(chǎn)品溫升性能差異不大，表明產(chǎn)品主要依靠液冷裝置的不同冷卻性能，帶走大量熱量以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的最大充電電流能力。

1.2" 液冷狀態(tài)下溫升可靠性

使用同樣的800A和600A的液冷充電槍，使液冷裝置正常工作，對產(chǎn)品通800A和600A的大電流，觀察產(chǎn)品的溫升曲線，詳見圖3、圖4。

產(chǎn)品在液冷裝置正常工作時(shí)，通入800A和600A測試電流，即便電流增大數(shù)倍，溫升數(shù)值仍顯著降低，有效保障產(chǎn)品降溫，降低使用中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于產(chǎn)品的這一特性，充電槍產(chǎn)品需具備實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控溫度的能力，否則充電過程中一旦發(fā)生意外，短時(shí)間內(nèi)就可能引發(fā)起火的嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)。

2" 液冷系統(tǒng)可靠性

由上述分析可知，對于大功率充電接口，產(chǎn)品溫升的核心性能與液冷系統(tǒng)的可靠性呈正相關(guān)的關(guān)系。判斷大功率充電接口的可靠性，關(guān)鍵在于液冷系統(tǒng)是否可靠，而液冷系統(tǒng)的可靠性主要取決于熱管理系統(tǒng)和液冷管路的可靠性。

2.1" 熱管理系統(tǒng)可靠性

熱管理系統(tǒng)的散熱能力與液冷介質(zhì)的流速直接影響產(chǎn)品的最大工作電流。為確保產(chǎn)品在長時(shí)間使用過程中的可靠性，需要對熱管理系統(tǒng)的耐久可靠性展開驗(yàn)證。具體操作中，可選用同一型號的充電槍，通過調(diào)節(jié)液冷裝置的不同輸出參數(shù)，來觀察產(chǎn)品性能的變化情況。

1）在產(chǎn)品液冷裝置50%輸出時(shí)，溫升性能良好，可保障產(chǎn)品可靠使用，如圖5所示。

2）在產(chǎn)品液冷裝置70%輸出時(shí)，溫升性能顯著下降，可保障產(chǎn)品能持續(xù)穩(wěn)定輸出，如圖6所示。

3）當(dāng)產(chǎn)品液冷裝置100%輸出時(shí)，產(chǎn)品溫度保持較低工作溫度，液冷裝置輸出明顯溢出，如圖7所示。

熱管理系統(tǒng)在使用中面臨多種復(fù)雜環(huán)境，難以始終保持良好狀態(tài)。因此，還需要模擬極端酷暑環(huán)境下熱管理系統(tǒng)的使用情況，以驗(yàn)證其能否持續(xù)正常工作。

2.2" 液冷管路可靠性

液冷管路在使用過程中常面臨高溫高壓的環(huán)境。充電接口通較大電流時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而充電槍內(nèi)部空間有限，液冷管路截面積無法過大，只能通過增加流速滿足功能要求。較大流速會(huì)帶來較大工作壓力，若產(chǎn)品耐壓能力不足，液冷管路就會(huì)破裂，大量熱量無法及時(shí)排出，短時(shí)間內(nèi)便會(huì)燒毀產(chǎn)品。燒蝕液冷線路如圖8所示。

液冷管路的連接接頭對產(chǎn)品性能影響重大。從液冷系統(tǒng)后期維護(hù)的便捷性考慮，部分接頭需便于斷開和連接；從設(shè)備的安全性出發(fā)，接頭的斷開和連接需無泄漏設(shè)計(jì)，且接頭密封要耐高溫、耐高壓。任何一個(gè)環(huán)節(jié)不合格，在實(shí)際操作和反復(fù)使用中都可能產(chǎn)生泄漏，導(dǎo)致液冷充電槍損壞，造成不必要的麻煩甚至不可挽回的損失。

液冷管路在使用中的布置方式也決定產(chǎn)品的散熱性能。將液冷管路緊貼銅導(dǎo)線布置，雖能實(shí)現(xiàn)較好的絕緣性能，但散熱能力下降，對于大工作電流產(chǎn)生的大量熱量無法及時(shí)排出，存在熱失控的安全風(fēng)險(xiǎn)。液冷線纜內(nèi)部布置如圖9所示。

若選擇包住導(dǎo)線的設(shè)計(jì)方案，與緊貼導(dǎo)線相比，接觸面積更大，能更好地帶走大電流產(chǎn)生的熱量。然而，一旦冷卻介質(zhì)輕微滲漏，就存在人員觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此，可根據(jù)產(chǎn)品不同的工作電流，針對性設(shè)計(jì)液冷管路的布置方案。

3" 特殊使用場景下的可靠性

3.1" 碾壓狀態(tài)下安全可靠性

傳統(tǒng)非液冷充電槍在使用中很多缺乏正常維護(hù)，長期處于被碾壓的高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。圖10為充電槍隨意擺放示意圖。

液冷充電槍的內(nèi)部構(gòu)造相較于傳統(tǒng)充電槍更為復(fù)雜精細(xì)。當(dāng)遭遇碾壓情況時(shí)，其自身以及與之相連的液冷線纜能否維持正常工作狀態(tài)，面臨著極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)充電槍的線纜通常采用絕緣皮直接包裹銅導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)，具備良好的耐壓性能，一般情況下，轎車碾壓線纜后，基本不會(huì)對充電接口的正常使用造成影響。然而，液冷充電槍的電纜內(nèi)部充斥著冷卻液，一旦受到碾壓，若壓力無法及時(shí)有效地傳導(dǎo)出去，便極有可能致使線纜破損，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品無法正常運(yùn)行。雖然充電槍身可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度，以提升承受車輛碾壓的能力。但對于液冷線纜而言，必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，才能滿足遭受碾壓時(shí)的各項(xiàng)性能要求。在后續(xù)的管理工作中，可通過對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)使用過程中的管理規(guī)范，有效避免充電槍被碾壓的情況發(fā)生，從而切實(shí)保障液冷充電槍能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行。

3.2" 低溫跌落狀態(tài)下安全可靠性

在設(shè)計(jì)液冷充電槍時(shí)，鑒于產(chǎn)品在工作過程中會(huì)產(chǎn)生較大熱量，眾多設(shè)計(jì)者往往傾向于選用耐高溫材料。然而，在冬季實(shí)際使用場景中，液冷充電槍難免會(huì)出現(xiàn)失手跌落的情況。倘若其無法承受低溫環(huán)境下跌落所帶來的沖擊，就容易造成充電槍的破損，進(jìn)而引發(fā)絕緣性能下降的風(fēng)險(xiǎn)，對人員的觸電安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，在充電槍的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不能僅僅側(cè)重于追求高溫環(huán)境下的可靠性，還必須充分考量在低溫條件下，產(chǎn)品的材料特性應(yīng)確保不過于脆弱，具備一定的抗沖擊能力。

4" 其它可靠性影響因素分析

4.1" 液冷介質(zhì)

目前，液冷充電槍所采用的液冷介質(zhì)尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。針對不同類型的液冷介質(zhì)，需通過多項(xiàng)性能指標(biāo)來綜合驗(yàn)證其在實(shí)際使用中的安全性。液冷介質(zhì)的穩(wěn)定性對于液冷槍的整體性能起著至關(guān)重要的作用。由于液冷槍的工作環(huán)境常常致使液冷介質(zhì)長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，若介質(zhì)自身的化學(xué)和物理性質(zhì)不夠穩(wěn)定，其散熱能力便會(huì)逐漸下降，進(jìn)而嚴(yán)重影響液冷裝置的散熱效率。在選用液冷介質(zhì)時(shí)，應(yīng)盡可能挑選對環(huán)境無污染、無危害的材料，以充分保障使用者的人身安全以及環(huán)境安全。當(dāng)面臨水冷或油冷這兩種液冷介質(zhì)的選擇時(shí)，需要在追求較高的絕緣性能與較強(qiáng)的散熱能力之間進(jìn)行謹(jǐn)慎權(quán)衡，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和需求做出最佳決策。

4.2" 產(chǎn)品線長

由于產(chǎn)品液冷管路和冷卻系統(tǒng)的承壓能力固定，當(dāng)液冷管路過長，產(chǎn)品散熱能力會(huì)顯著下降。因此，對于液冷充電槍，需進(jìn)行最長線長能力驗(yàn)證，確保同款充電槍不會(huì)因線長過長影響性能。

4.3" 功率端子和線纜端接方式

接觸電阻是線纜與端子端接的重要質(zhì)量指標(biāo)，決定端接部位的發(fā)熱量，在大功率充電線上尤為關(guān)鍵。為降低端接部位發(fā)熱量，提升載流能力，推薦采用超聲波焊接方式連接線纜與接觸件。同時(shí)，液冷實(shí)際使用中，部分線纜浸漬在冷卻介質(zhì)中。傳統(tǒng)壓接方式在溫度波動(dòng)的油溫中會(huì)加速壓接內(nèi)應(yīng)力釋放，隨著使用時(shí)間增加，壓接部位內(nèi)阻增大，影響整個(gè)冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，而超聲波焊可完美避免這種失效模式。

5" 結(jié)論

液冷充電槍在具備承受更大工作電流能力的同時(shí)，也伴隨著更大的安全風(fēng)險(xiǎn)。這對液冷充電槍提出了更高的技術(shù)要求，需要更完善的技術(shù)驗(yàn)證，以避免安全事故發(fā)生。當(dāng)液冷充電槍正常使用時(shí)，需與液冷裝置做好適配，確保能承受大功率充電的大電流。通過實(shí)時(shí)采集產(chǎn)品溫度，控制冷卻裝置的開啟，實(shí)現(xiàn)更高效的熱量交換。使用前，應(yīng)定期檢查液冷管路是否滲漏，及時(shí)更換有滲漏的液冷管路，防止起火風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)使用中，需安排專人維護(hù)，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)槍無人維護(hù)的情況，定期檢查液冷充電槍的冷卻性能是否達(dá)標(biāo)。冷卻介質(zhì)應(yīng)盡量選擇絕緣性能良好的產(chǎn)品，防止人員觸電事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 20234.1－2023，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分：通用要求[S].

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-07-12

*基金項(xiàng)目：國家863項(xiàng)目資助（2011AA11A207）；中心重點(diǎn)課題資助（13130230）。