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快速,高效和便捷的充电是电动汽车(EV)大规模推广的关键点,特别是当人们出行更远时。 当今许多电动汽车在需要充电之前可以行驶200-250英里。 充电站的分布广泛性是一项挑战,充电速度是另一个挑战。
用于支持更快充电的更高功率(kW)会产生更多的热量,这需要有效的热管理以实现最佳性能。 输入液体冷却-以及有助于冷却的牢固连接。
电动汽车的未来充电:更广泛,更快捷
据国际能源署(International Energy Agency)的数据,2018年全球估计有500万辆电动汽车,比上一年增加了200万辆.1截至2018年末,美国约有100万辆电动汽车.2仅在2018年第三季度,美国汽车制造商售出了110,000辆EV,比上年增长了95%。2IEA预测,到2030年,全球EV的数量将扩大到1.3亿至2.5亿辆。
广泛采用电动汽车的障碍之一是“范围焦虑”,即驾驶员渴望在需要的时间和地点找到充电站,尤其是长途旅行。这可以通过安装更多充电站来部分弥补。如今,美国估计有24,000个充电站,平均每个充电站有3个,而每个站点有150,000个加油站和大约8个泵。 不过,充电站的添加正在迅速进行。例如,大众汽车公司计划在充电基础设施上投资20亿美元,这是一项名为“美国电气化”计划的一部分,该计划计划在2007年底之前在500多个站点部署约2,000个充电器。 2019年可提供穿越42个州的主要路线。
在充电站上拉后,驾驶员希望尽快上路。 《纽约时报》(New York Times)在2019年发表的一篇文章记载了紧凑型电动汽车从洛杉矶到拉斯维加斯的540英里往返行程,该行程要求充满电才能行驶240英里。 在13.5小时的往返行程中,除了行程通常的8小时行驶时间之外,还需要8个充电站和5½小时的充电时间。要优化电动汽车电池寿命,专家建议让车辆保持30%到80%的电量,因此经常停止充电是常事。
充电速度还取决于电动汽车和充电点之间的兼容性。 一些充电点释放的能量超出了车辆的承受能力。 其他充电点提供的功率相对于车辆能以多快的速度启动。 这些变化是当今电动汽车世界的现实。
如今,存在三种主要的充电类型,并且正在探索第四种更快的选择:
充电类型 |
电源/输出 |
典型充电时间 |
Level 1 |
使用标准的120V AC电路。 输出:12-16安培; 〜1.44 kW至〜1.92 kW |
8-10小时,视型号而定; 用于家庭充电,每小时充电范围为2-5英里 |
Level 2 |
使用208 / 240V AC电路。 输出:15-80安培5; 〜3.1 kW至〜19.2 kW |
4-8小时; 在家和公共场所均可使用,每小时收费10-20英里 |
Level 3直流快速充电器(DCFC) |
使用三相480V交流电路,该电路转换为车辆的直流电(DC)。 输出:高达500安培5; 50kW至350 kW |
30-60分钟 ;每小时充电60-80英里范围 |
下一代:极速充电器(XFC) |
800V 输出功率:400kW以上 |
充电至200英里范围的时间:大约7.5 分钟 |
电动汽车发热和液体冷却
更高的功率使更快的充电成为可能,但也会产生大量的热量。 DCFC和XFC负载的热负载需要先进的冷却技术,以促进安全可靠的运行。 例如,极速充电器可以在充电几分钟后将电池组温度推升至270ºC/514ºF。7美国能源部2017年的一份报告指出,“ [在XFC站进行冷却的唯一可行方案是提供 车辆的冷水/冷却液。”
充电速率与可用功率有关—电流和电压的函数。 鉴于功率转换的固有效率低下,废物以热的形式散发。 使用下面的功率效率方程式,具有90%充电效率(n)的350kW快速充电系统将产生近40kW的废热消散。
现有的电池热管理系统(BTMS)可以处理1-5kW的功率,而下一代可能需要25kW或更高的功率。
考虑到现有空气冷却解决方案的局限性,液体冷却是合理的下一步,以使车载电池/电池组,充电站和其他关键EV组件(例如充电电缆)高效运行。 随着功率的增加,所有人都必须能够承受热量。
与冷却相关的风险很高,不仅要确保安全有效的运行,而且还要避免损坏设备。 关于电池的热设计,美国能源部车辆技术办公室的报告指出:“…[EV]液体流动通道通常更复杂,需要大量的连接,导致故障的可能性更高。 如果液体冷却系统发生故障,则液体冷却有可能使电池组内的相邻电池短路,从而导致热失控。” 8同一份报告指出,由于温度高,液体冷却是首选的热管理方法。 热容量和导热系数。 因此,液体冷却至关重要-冷却系统中连接器的坚固性也很重要。
优化液体冷却—流体连接器注意事项
EV和EVSE液体冷却中使用的设计良好的流体连接器将:
在为EV / EVSE液体冷却应用指定连接器时,以下特性和性能参数对于确保组件满足系统要求非常有用。
性能特点 |
说明和相关注意事项 |
连接器类型 考虑空间限制,所需的连接力,易用性以及确认安全连接的能力以及其他基准性能参数(如压力,流量和耐用性)。 |
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快速断开(QD) |
用于液体冷却的连接点; 密封件和内部阀具有无滴落性能,可处理包括可更换电池组在内的电动汽车应用的压力,流量,化学相容性和操作条件; 车辆上集成的电池组/电池; 以及EV充电站电源逆变器。 |
互锁 |
集成的拇指闩锁允许单手操作,简化了连接/断开; 可听见的“喀哒”声确认完全连接 |
盲锁 Blind mate |
需要单独的固定装置,例如单独的闩锁; 释放力使QD断开连接; 难以看到/访问位置的好选择 |
QDs with elbows, swivel joints
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集成的旋转接头和肘节点消除了弯管,并通过定向闩锁使在狭窄空间中的连接和断开更加容易,以便于操作 |
连接器材料 考虑化学相容性,与冷却剂接触的材料(阀,密封件,连接器主体等润湿材料),压力,温度,可靠性,重量 |
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金属 |
耐用,可承受恶劣的处理,易于腐蚀--冷却液系统维护对于持久的无泄漏性能至关重要 |
聚合物 |
轻巧,紧凑,可为流路提供独特的几何形状; 工程聚合物通常比金属便宜,因此在低压(<200 PSI),中温(<80°C)应用中提供了足够的强度和耐久性。 良好的阻燃性—寻求符合UL94-V0的材料。 |
组合:金属/聚合物 |
将金属外壳的强度与内部的高性能工程聚合物组件结合在一起; 坚固的外壳可承受物理伤害,而坚固的工程级热塑性塑料可抵抗腐蚀并优化流动。 |
冷却液类型 |
跨湿材料的化学相容性至关重要。 当存在导电液体,例如水或乙二醇/水时,应避免使用异种金属,以防止发生电偶腐蚀。 应根据与冷却液的相容性选择诸如弹性体O形圈,管道或热塑性连接器之类的聚合物组件。 某些电介质和制冷剂可能需要特别考虑兼容性。 |
流量,压力和压降 考虑冷却电动汽车内各种组件所需的流量(例如车载电池,电动汽车充电站电源逆变器) |
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流量 |
由于传热能力与流体质量流量有关,因此高流量连接器还必须保持低压力损失,以提高效率。 冷却剂流速根据管理的热负荷,流体类型和冷却系统类型而变化。 考虑到这些变量以及连接器在系统中的位置,容积率(Q)可能为0.25≤Q≤10gpm。 超过连接器最大流量的流量可能会导致密封失效或加速零件腐蚀。 |
接头尺寸 |
指定合适的连接器尺寸-等效液压直径。 板载冷却回路连接器的尺寸通常为1/8英寸至1/2英寸。 EV快速充电站冷却系统可能需要1/2英寸或更大的接口,以支持更高的流量。 寻找具有优化流量系数的快速断开连接,以帮助减少通过连接器的压降和冷却系统的负担; 还应考虑可用的物理空间,以确保有足够的空间进行连接,断开连接和持续使用。 |
压力 |
操作,喘振和爆破压力都应进行评估。 在常规系统使用期间,工作压力定义了通常和习惯的压力范围。 爆破压力表示组件不再保持压力的点,通常与机械故障配对。 喘振压力在表征失控情况或极端环境条件(例如运输过程中的热循环)时可能很有用。 泄压机制可以合并到冷却系统中,也可以将其自身快速断开,以减轻过压的风险。 |
压力下降 |
Q =每分钟加仑的体积流量 Cv =连接器的流量系数* ΔP= PSI中的压降(上游压力与下游压力之间的Δ) SG =流体比重 *发布的Cv值通常与水有关。 *如有必要,对使用的特定冷却液应用校正系数。 |
止流/无滴流性能 考虑断开时冷却液逸出的公差等级。 材料,密封件,阀门类型和整体连接器设计会影响断开时存在的冷却液液位。 |
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直通连接器 |
在断开连接之前,两个连接器都没有阀阻止流量的功能 |
单截止阀 |
QD的一侧装有一个止流阀 |
双截止阀 |
QD的两个半部都装有阀门。 提升阀将少量液体截留在联轴器体内,断开时会滴落。 |
Flush-face valves
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大多数无滴/干断/无泄漏QD均具有平阀,仅允许在阀表面上涂覆冷却液 |
连接器应经过测试以确保功能和性能 特定于已定义的应用程序需求。 CPC提供有关液体冷却的测试方法和结果的透明性 通过CPC或授权分销商提供的验证报告获得连接器。 CPC团队运用其在热管理方面的丰富知识来创建耐用的,专用的液冷连接器解决方案。使用液冷的EV和其他类别的客户依靠CPC工程专业知识来确保其产品和系统能够提供持久,高效,防泄漏的性能 -可靠的性能。 CPC连接器拥有包括定制产品在内的广泛解决方案,可以满足最苛刻的要求。
产品分类: 铝合金软导体 (五类)、铝合金实心导体 (一类)、 铝合金电缆/线束、铝合金线杆、铝加工熔铸装备、
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