大功率液冷充電槍的設計

杜青林 張 強

（深圳市沃爾新能源電氣科技股份有限公司，廣東 深圳518118）

大功率充電對于電動汽車充電的需求是非常大的，無論國內還是國外，商用車、出租車、網約車等車輛對其有非常迫切的需求。另外，國內外在長途旅行上對大功率充電也有一定的需求，尤其是歐洲、美國，長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，充電時間一般約為1-2小時，絕大多數人不能忍受長時間的等待，而燃油車加油只需要10-20 分鐘，從補充能源的便利性方面來說，還不能與燃油車相比。為了讓電動汽車使用者達到燃油車加油相同的體驗感，大功率充電成為了解決電動汽車充電時間過長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熱量會快速增加，導致溫度迅速升高，持續高溫易損害充電裝置的電子元件，嚴重的還會引起燒毀安全事故。為了避免安全事故的發生，我們必須要將充電槍端子及線纜的發熱量及溫升降低，增大導體截面積是我們首先想到的解決方法，但增大導體截面積后會增加線纜的重量，線纜重量加重后會導致用戶無法正常使用，而采用液冷大功率充電技術后線纜的截面積可以大幅度減小，充電槍線纜的重量更輕，用戶的操作體驗感更好。大功率液冷充電槍相比常規充電槍技術較復雜一些，其次，國內大功率充電技術較國外起步較晚，大功率液冷充電槍的技術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計原理

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電子泵來驅動冷卻液流動，冷卻液在經過液冷線纜時（液冷線纜在工作時由于承載大電流會發熱），帶走線纜及充電連接器的熱量，回到油箱（儲存冷卻液），然后通過電子泵驅動經過散熱器散發熱量，如此循環工作，可以達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制冷卻方法及冷卻介質選擇

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

液體散熱常用的冷卻介質有三種，即水、絕緣油、水+制冷劑。現行充電標準GB/T 20234.1 及IEC 62196-1 中規定充電槍的工作溫度為-30℃-50℃，液冷充電槍作為常規充電槍的擴展產品，也必須滿足此工作溫度。水作為最佳載熱介質，但只適用于0℃以上地區，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℃，閃點溫度高、比熱容值小、絕緣安全可靠，因此國內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。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。水+制冷劑作為車輛的常用冷卻液，具有價格便宜、購買方便、通用性強等優點，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。

圖1 強制冷卻方法

1.3 大功率液冷充電槍線纜的結構選擇

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的大功率液冷充電槍及液冷線纜的結構上會有很大差異。目前使用水+ 制冷劑介質的液冷線纜結構是在DC+/DC-導線旁邊單獨放置相應數量的液冷管道，將銅導體的熱量帶走。而使用絕緣油介質的液冷線纜結構是將液冷管放置在DC+/DC-線芯內部或外部，將銅導體的熱量帶走。（具體結構詳見圖2）

圖2 絕緣油及水+制冷劑液冷線結構

2 大功率液冷充電槍的主要設計參數

根據上文中對大功率液冷充電槍的介紹，大功率液冷充電槍與常規充電槍相比，最明顯的區別是增加了液冷冷卻回路，因此在大功率液冷充電槍的設計參數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 標準接口、應用絕緣油冷卻介質的大功率液冷充電槍為例，其主要參數見表1。

表1 大功率液冷充電槍的主要設計參數

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工作壓力下不會開裂，因此在大功率液冷槍設計時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 中能夠長時間工作，液冷管及管接頭不會出現泄漏。另外我們發現當散熱器的散熱功率大于導體發熱功率，并且工作流量滿足上表規定值要求時，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熱功率。

表2 不同截面積發熱功率

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，常規值為0.85Kg/L；

V：油的體積；

C：油的比熱容，常規值為2.15KJ/Kg.℃；

△T ：散熱器進出水溫度變化，通常值為40。

根據散熱量計算公式算出液冷管道的最小流量為2.0LPM。水+冷卻劑介質的液冷管道最小流量結果會不一樣，具體結果大家可以自行計算一下。

3 大功率液冷充電槍的試驗驗證

由于大功率液冷充電槍內部設置有液冷管路，其冷卻介質的耐溫性、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、手工測試和以下測試來檢查符合性：

3.1.1 附件中使用的液體冷卻劑應對環境無害。液體冷卻劑的生物降解性應≥60%，按照OECD 301 B 標準進行測試，并記錄在數據表中。

3.1.2 應使用電纜總成制造商批準指定的液體冷卻劑。

3.1.3 應在安裝手冊或數據表中提供警告，指出如果使用的冷卻劑不是總成制造商指定的冷卻劑，則可能發生泄漏或材料退化。

3.1.4 冷卻劑類型信息應傳達給最終產品系統制造商。

3.1.5 通過檢查材料安全數據表或根據ISO 2719 進行測試來檢查冷卻液的最小閃點不低于135℃。

3.1.6 冷卻液應具有良好的低溫性能，滿足-40℃的低溫環境下使用。

3.2 液體冷卻劑封閉件壓力試驗

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

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: 電動汽車供應設備或電動汽車通過其他手段限制最大允許壓力，如減壓閥。

4 結論

本文淺顯地介紹了大功率液冷充電槍的工作原理、強制冷卻方法、冷卻介質的選擇、線纜結構的選擇以及工作流量、散熱功率的設計計算方法。大功率液冷充電槍的設計是一個技術不斷充實和擴展的發展過程，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、載流量還需要進一步優化。