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高功率电动汽车充电桩,最理想的冷却方式是通过循环冷却液进行强制冷却。本文介绍一种符合CHADEMO规范的大功率电动汽车充电桩的液冷充电电缆和连接器,这些技术满足了冷却目标。
1,前言近年来,随着EV上搭载的电池的大容量化,强烈希望缩短电池的充电时间,直流高速充电器的高输出化需求增加。
为了实现150kW超级充电电缆连接器,随着充电电流的增加,充电电缆的电源线导体和充电连接器的电源端子需要大尺寸化,但要求抑制其大尺寸化,不损害充电的操作性。为此,必须实现通过冷媒循环强制冷却这些电源线导体和电源端子的液冷技术。这种液冷技术最早应用于在欧洲和北美市场普及的CCS规格的直流快速充电器,正在推进市场引进。
作为应用了液冷技术的液冷充电盒连接器的技术课题,确立了着眼于直流快速充电系统的液冷技术。需要对保证可靠性、安全性、耐久性等品质方面的实现。
表1. 150千瓦以上液冷充电电缆及连接器规格 |
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项目 |
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150KW |
50KW |
规格 |
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CHAdeMO ver.2.0 |
CHAdeMO ver.1.1 |
电压电流 |
|
DC400A/DC500V |
DC125A/DC500V |
充电连接器 |
电源端子的冷却方式 |
强制冷却(液冷) |
非强制冷却 |
温度传感器(数量) |
2 |
/ |
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重量 |
1.3Kg |
1.1Kg |
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充电电缆 |
电流导体冷却方式 |
强制冷却(液冷) |
非强制冷却 |
温度传感器(数量) |
4 |
/ |
|
电缆截面积 |
17mm2 x 4 |
30mm2 x 2 |
|
信号线截面积 |
0.75mm2 x 14 |
0.75mm2 x 9 |
|
冷却管 |
4 |
/ |
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绝缘材料 |
EP橡胶 |
EP橡胶 |
|
外被材料 |
氯混橡胶 |
氯混橡胶 |
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电缆外径 |
38mm |
27mm |
|
重量 |
1.9Kg |
1.1Kg |
|
规格 |
JCS4522 |
JCS4522 |
图1. 150kW超级CHADEMC液体冷充电电缆连接器外观图
表1为150kW超级CHADEMO直流快速充电器开发的液冷充电电缆连接器的主要规格,外观照片如图1所示。与现有的50kW级充电电缆连接器的主要区别在于,50kW级时不强制冷却充电连接器的电源端子(以下记为连接器端子)和充电电缆的电源线导体(以下记为充电电缆导体),在150kW超级中,连接器端子和充电电缆导体通过循环冷媒而采用强制冷却的液冷方式。通过采用该液冷方式,即使最大额定充电电流对应于125A(50kW级)到400A(150kW超级)的高输出化,充电电缆导体的横截面积也与50kW级同等水平的34mm2(17mm2×2)。同样,通过采用液冷方式,可以在不损害其操作性的水平上实现充电电缆和充电连接器的重量和尺寸.
150kW超级液冷充电电缆连接器在配置方面的主要特点是:将充电盒的电源线的根数作为4根,由2个组分配给直流充电的正极和负极的结构。各电源线中包含作为冷媒的流道的冷却管的构成点被列举出来;并且,为了通过充电器侧的温度监控进行充电控制,液冷充电盒连接器内置有温度传感器。温度传感器是充电连接器内部的正极和负极的元件,端子附近各1个。每个点都安装在收纳在充电器中的充电电缆终端部分的电源线上。另外,安装温度传感器时,由于充电电缆导体和连接器端子施加高电压,因此必须考虑到电气绝缘。
冷媒使用有电绝缘性的冷媒(液体),通过冷却装置实现冷媒的循环和冷却。使用电绝缘性冷媒的理由是,充电时高电压被施加到充电盒导体和连接器端子上。具体来说,为了充分确保正极和负极的连接器端子之间、高电压部和冷却装置之间的电气绝缘性,以及万一冷媒泄漏时也防止液冷充电电缆连接器内的电短路或操作者的触电。关于所使用的制冷剂和冷却装置的选择,需要考虑满足后述获得所希望的冷却特性的条件,以及用于冷却装置和液冷充电电缆连接器的制冷剂流道的部件和制冷剂之间的化学特性等。
CHIADEMC2.在对充电连接器中由于充电电流引起的温度上升设置了限制。表2列出了考虑到的限制,150kW级液冷充电连接器中温度上升的目标冷却性能。本文主要介绍了所开发的150kW超级液冷充电电缆连接器对最大额定充电电流具有表2的目标冷却性能的评价结果。特别是,关注所使用的冷媒的特性和冷却装置的冷却能力的差异对冷却特性的影响,明确对冷却特性有很大影响的因子和实现目标性能所需的因子的条件。结果表明,开发的液冷充电连接器具有可应用于各种制冷剂和冷却装置的性能。
表2. 150kW超级CHADEMO液体冷充电电缆连接器温度上升的目标冷却性能 |
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部位/项目 |
冷却目标 |
备注 |
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充电连接器 |
人手抓的部位 |
60℃以下 |
环境温度40℃以下 |
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人接触的部位 |
85℃以下 |
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电源端子 |
温升 △T |
50K以下 |
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最高温度 |
90℃以下 |
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充电电缆
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人手抓的部位 |
60℃以下 |
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人接触的部位 |
85℃以下 |
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电源线导体 |
最高温度 |
90℃以下 |
在实际的直流快速充电器中,直流电压和直流电流都被施加到液冷充电电缆连接器上,但是在以下所示的冷却特性评价中,为了方便起见,只对充电电缆导体和连接器端子施加直流电流进行评价。液冷充电连接器的耐电压特性通过仅施加直流电压的耐电压试验确认满足要求特性。
3.1 评价方法和条件
图2列出了对冷却特性评价电路的示意图。在液冷充电连接器的充电器侧端到端,将分别连接在正板和负极连接器端子上的两个充电电缆导体组装起来,分别连接到直流电流源的正极和负极的输出端子。4根电源线内包的各冷却管,在本冷却管中,为了使冷媒的流向相反,与冷却装置侧连接。通过这样的冷却管的连接,各极的2条电源线的冷却管可以构建冷媒流道,该冷媒流道可以相对于充电连接器内部的连接器端子的循环冷确。通过与充电连接器的结合,对直流电流源构成电流电路。液冷充电电缆连接器的有效充电环导体长度约6m。用于测试评价的充电插头中使用的充电电缆的导体尺寸为95:mm2,长度约为3m。
图2. 针对液冷充电电缆连接器的冷却特性评价电路的示意图
对于用于冷却特性评价的冷媒,为了使用电气绝缘性冷媒(液体),评价冷媒的流动性对冷却特性的影响,使用了动态粘度不同的4种冷媒A-1~A-4。在25℃附近的冷媒A-1~A-4的动态粘度,依次为6mm2/s,20mm2/s,100mm2/s,350m2/s。冷媒的动态粘度取决于冷媒温度,例如以25℃附近为基准考虑的话,相对于冷媒温度的上升,动态粘度缓慢下降,对于冷媒温度的降低,动态粘度有急剧上升的倾向。因此,冷媒的流动性不仅取决于冷媒A-1~A4的动态粘度的不同,还取决于冷媒温度。另外,作为考虑冷却特性的重要物性值,存在冷媒的密度、比热、热导率等,但它们的物性值因冷媒A-1~A-4而异。
关于使用的冷却装置,使用了用于测试评价的冷却装置。所使用的冷却装置的基本构成是冷媒循环用的泵头、冷媒冷却用的带风扇的散热器(强制空冷连接的热交换器)以及冷媒储存用的罐。另外,所使用的冷却装置是通过调节输出的制冷剂的压力来调节制冷剂流量的规格。
所开发的液冷充电电缆连接器的冷却特性评价以表1所示的最大额定充电电流(400A)为上限,在连续通电恒定充电电流时,各部分的温度饱和为止进行・液冷带电电缆连接器的主要各部分的温度测量为,表1和图2所示的内置湿度保持装置(合计6)。另外,在冷媒的流道中,设置了用于测量冷媒流量和冷媒压力的流量计和压力计的冷媒流量,用与液冷充电连接器的正极侧和负极侧的冷媒流量相一致的总流量测量。为了计算充电电缆导体部、连接器端子部、入口端子部等各部通电的发热量,测量了各部位通电的电压下降(电位差):,通过通电电流和电位差之积计算出发热量。
另外,由于冷媒的动态粘度的温度依赖性,预计冷媒的流动性会根据周围温度而变化,对液冷充电电缆连接器的冷却特性有很大影响。因此,以周围温度25℃附近为基础,对-10℃~+40℃范围的周围温度也进行了使用恒温槽的冷却特性评价。
3.2冷却特性的评价结果
3.2.1基本冷却特性
图3. 液体冷充电电缆连接器各部分相对于典型充电时间的温度变化
图3示出了典型的液冷充电电缆连接器各部分相对于最大额定充电电流(400A)的温度变化。首先,将描述充电电缆导体长度方向上的温度分布。因为充电电流产生的充电电缆导体的一部分热量流入冷媒,充电电缆导体被冷却。冷媒温度沿着催化流动的方向上升,结果,充电电缆导体温度也上升。包括图3在内,以下所示的充电电缆导体各部分的温度表示本充电电缆导体中的最大值。
图4. 连接器端子和插口端子的总发热量与各端子前端部的温度上升量之间的关系
图4示出了相对于最大额定充电电流(400A)的节点乐与入口端子的发然量与各端子前端部的温度上量之间的关系。入口端子前端部的温度上升量随着连接器端子和入口端子的发然量的增加而线性增加。可以看出入口端子前端部和连接器端子前端部之间的产生比较大的温差。根据这些结果。
图5示出了在对-10℃~+40℃的环境温度范围使用冷媒A-1时,最大额定充电电流400A下的液冷充电电缆连接器各部分的温度上升量与冷媒流量的关系。从图5中可以看出,尽管冷媒流量随着周围温度的升高而增加,连接器端子、充电化学导体和冷媒的温度上升量倾向于略微下降,这些温度上升量的下降幅度在约5K以内。这种冷却特性的主要原因被认为与由冷媒的运动粘度的温度依赖性决定的周围温度和冷媒流量的关系有很大的关系。如后所述,当冷媒流量增加时,通过通电将连接器端子部和充电电缆导体部产生的热量流入冷媒侧的制合进行地化,从而有效地进行冷却。以周围温度25℃附近为基准考虑的话,对于周围温度的降低,由于冷媒的运动粘度突然增加,冷媒流量减少,冷却效果降低,充电电缆导体、连接器端子、冷媒的温度上升量增加。与此同时,随着冷媒温度的升高,动态粘度降低,冷媒流量也会增加,因此,结果认为通过这些平衡,可以抑制充电线缆体、连接器端子、冷媒的温度上升量的增加幅度。另一方面,对于周围温度的上升,冷媒的动态粘度缓慢下降,冷媒流量增加,因此冷却效果上升,充电电缆导体、连接器端子、冷媒的温度上升量下降。由此。即使在环境温度为40摄氏度的高温下也可以获得足够的冷却特性。具体地说。即使在环境温度为40℃的高温环境下,连接器端子和电缆体的温度上料量也分别为约26K和约40K。
图5. 液冷充电电缆连接器各部分的温度上升量和冷媒流量的周围温度依赖性
3.2.2决定冷却特性的重要因素
图6. 从通电发热导体向冷媒的热流入率与冷媒流量的关系
图6对于所使用的各冷媒A-1~A4,所测试的充电电流(200A~400A)及周围温度(-10℃~+40℃)等所有冷却特性评价结果,表示了从通电发热导体向冷媒的热流入率(以下记作冷媒的热流入率)与冷媒流量的关系。
图7示出了用于每个充电电流的冷媒A-1~A-4中连接器端子的温度上升量与冷媒流量之间的关系,从图7中可以看出,在冷媒流量为0.5L/min左右的环境下,连接器端子的温度上升量相对于冷媒流量的增加缓慢下降,但对于冷媒流量的降低,其特性急剧增加。
图7.连接器端子部的温度上升量与冷媒流量的关系
图8表示从连接器端子和充电电缆导体的温度上升量的上限(50K)分别求出的下限冷媒流量和充电电流的关系。虽然从各个方面获得的下限冷媒流量都倾向于随着充电电流的增加而增加,但是可以看出,作为液冷充电电缆连接器整体的下限冷媒流量是由充电电缆导体的温度上升量决定的。例如,考虑到液冷充电电缆连接器中冷媒的最大使用压力为05MPa,而将在充电器中运用的冷媒压力设为025MPa时,由于在不充电的状态下使用周围温度40℃的冷媒A-1时的冷媒流量约为1.7re/min,从图8的特性可以看出,对于最大额定充电电流(400A)下的下限冷媒流量有裕度。
图8. 环境温度40℃下连接器端子与充电电缆导体的温度上升量上限(50K)决定的下限冷媒流量与充电电流的关系
实际上:充电时随着冷媒温度的升高,冷媒的喷射粘度降低,因此充电时的冷媒流量大于1.7L/min。因此,作为液冷充电电缆和连接器的冷却特性,可以认为对于最大额定充电电流下的下限冷媒流量还有裕度。从这些事情中获得目标冷却性能的重要因素是冷流量,冷媒流量决定了向冷媒的热流入率,结果是确定了连接器端子和充电电缆导体的温度上升量和到达温度。关于所使用的冷媒种类及冷却装置,可以在考虑了液冷充电电缆中导管冷媒的最大使用压力而决定的冷媒的运用压力范围内,在所使用的环境温度范围内确保下限冷媒流量以上的冷媒流量。另外,在实际的充电中,由于很难测量冷媒的流量。
在本文中,根据冷却特性的评价结果,,冷却特性由冷媒流量这个因子决定,对于充电电流,液冷充电电缆连接器各部分的温度上升量和冷媒流量的关系,至少在本次评价的条件范围内,冷媒种类和冷却装置,得出了不依赖周围温度的结论。然而,考虑到实际的微观机制,从流体力学和传热工程的角度来看,在液冷充电电缆连接器内可能发生非常复杂的物理现象。决定液冷充电电缆连接器的冷却特性的主要是冷媒流道中的冷媒流道壁面和冷媒之间的传热,其传热特性也取决于冷媒和相关构成部件的物性值,但是受到很大影响的是冷媒流道中的冷媒的流速分布,特别是在本文中用于冷却特性评价的冷媒种类中的物性值的范围内,由于动态粘度不同,流速分布产生差异,但是在冷媒流道壁附近的冷媒的流速,可以认为是宏观的冷媒流量决定的。
综上所述,发现所开发的液冷充电电缆连接器的冷却特性足以满足表2所示的目标冷却性能。
4.结论
在本文中,我们主要讨论了开发的150kW超级液冷充电电缆连接器在各种条件下的冷却特性的评估,以确保能够充分实现目标冷却性能的结果为中心。特别是作为影响冷却特性的因素,虽然有所使用的冷媒种类的物理性和冷却装置的冷却能力、充电电流、环境温度等各种因素,但是获得目标冷却性能的重要因素是冷媒流量,明确了该冷媒流量决定了从通电发热导体向冷媒的热流入率,从而决定了冷却特性。另外,该冷媒流量,如果决定了冷媒种类,则可以通过冷媒压力来管理,显示了通过设定并管理冷媒压力以不低于目标冷却性能所需的限制冷媒流量,可以进行充电器侧的运用管理。另外,通过内置于所开发的液冷充电电缆连接器中的温度传感器,可以实时估计连接器端子和充电电缆导体的温度,可以在充电器侧实现基于其估计温度的充电控制。
综上所述,已经确认开发的液冷充电电缆和连接器具有可应用于各种冷媒种类和冷却装置的性能。
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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