大功率液冷充电枪的设计

（深圳市沃尔新能源电气科技股份有限公司，广东深圳518118）

摘 要：本文主要对大功率液冷充电枪的设计原理、设计参数、试验验证等方面进行了论述，为后续同类产品的设计开发可提供参考。

关键词：大功率液冷充电枪；设计原理；试验验证中图分类号院TM912文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2021冤07-0186-02大功率充电对于电动汽车充电的需求是非常大的，无论国内还是国外，商用车、出租车、网约车等车辆对其有非常迫切的需求。另外，国内外在长途旅行上对大功率充电也有一定的需求，尤其是欧洲、美国，长途旅行是一种较常见的旅行方式。然而市面上主流的充电桩充电功率较低，充电时间一般约为1-2小时，绝大多数人不能忍受长时间的等待，而燃油车加油只需要10-20分钟，从补充能源的便利性方面来说，还不能与燃油车相比。为了让电动汽车使用者达到燃油车加油相同的体验感，大功率充电成为了解决电动汽车充电时间过长问题的最有效解决方法之一。目前大功率充电主要以不提高整车电压平台的条件下，提高充电电流大小。但充电电流增大后端子及线缆的发热量会快速增加，导致温度迅速升高，持续高温易损害充电装置的电子元件，严重的还会引起烧毁安全事故。为了避免安全事故的发生，我们必须要将充电枪端子及线缆的发热量及温升降低，增大导体截面积是我们首先想到的解决方法，但增大导体截面积后会增加线缆的重量，线缆重量加重后会导致用户无法正常使用，而采用液冷大功率充电技术后线缆的截面积可以大幅度减小，充电枪线缆的重量更轻，用户的操作体验感更好。大功率液冷充电枪相比常规充电枪技术较复杂一些，其次，国内大功率充电技术较国外起步较晚，大功率液冷充电枪的技术成熟度直接决定大功率充电的安全性，因此其可靠性变得越来越重要。

1大功率液冷充电枪的设计原理

1.1大功率液冷充电枪的工作原理

大功率液冷充电枪是通过一个电子泵来驱动冷却液流动，冷却液在经过液冷线缆时（液冷线缆在工作时由于承载大电流会发热），带走线缆及充电连接器的热量，回到油箱（储存冷却液），然后通过电子泵驱动经过散热器散发热量，如此循环工作，可以达到小截面积线缆通载大电流、低温升的要求。

1.2大功率液冷充电枪的强制冷却方法及冷却介质选择目前市面上的大功率液冷充电枪均采用强制冷却方法对液冷线缆线芯导体、接触件接触区域、接触件压接区域进行冷却散热，通常强制冷却方法分为风冷散热、液体散热、制冷片散热三种。风冷散热降温效果差，无法对线缆线芯冷却。制冷片散热方式的制冷效率过低，同时也无法对线缆进行冷却，因此采用液体散热作为强制冷却的首选方式。（见图1）

液体散热常用的冷却介质有三种，即水、绝缘油、水+制冷剂。现行充电标准GB/T20234.1及IEC62196-1中规定充电枪的工作温度为-30°C-50°C，液冷充电枪作为常规充电枪的扩展产品，也必须满足此工作温度。水作为最佳载热介质，但只适用于0°C以上地区，不能满足充电枪的低温工作温度，故不能选用。

绝缘油一般工作温度为-50°C-150°C，闪点温度高、比热容值小、绝缘安全可靠，因此国内充电枪及瑞士灏讯厂家选择绝缘油作为液冷充电枪的冷却介质。水+制冷剂一般工作温度-40°C-150°C，比热容值大，粘度小，但不绝缘，国内充电枪厂家基于安全性的考虑，很少将其选用为液冷枪冷却介质。水+制冷剂作为车辆的常用冷却液，具有价格便宜、购买方便、通用性强等优点，目前德国菲尼克斯、美国特斯拉采用水+制冷剂作为其大功率液冷枪冷却介质。

1.3大功率液冷充电枪线缆的结构选择基于绝缘油及水+制冷剂的绝缘特性不同，因此采用这两种冷却介质的大功率液冷充电枪及液冷线缆的结构上会有很大差异。目前使用水+制冷剂介质的液冷线缆结构是在DC+/DC-导线旁边单独放置相应数量的液冷管道，将铜导体的热量带走。而使用绝缘油介质的液冷线缆结构是将液冷管放置在DC+/DC-线芯内部或外部，将铜导体的热量带走。（具体结构详见图2）

采用水+制冷剂液冷线结构

采用绝缘油液冷线结构

图2绝缘油及水+制冷剂液冷线结构

2大功率液冷充电枪的主要设计参数

根据上文中对大功率液冷充电枪的介绍，大功率液冷充电枪与常规充电枪相比，最明显的区别是增加了液冷冷却回路，因此在大功率液冷充电枪的设计参数中需要考虑工作压力、工作流量等方面的性能要求，下面以Chaoji标准接口、应用绝缘油冷却介质的大功率液冷充电枪为例，其主要参数见表1。

表1大功率液冷充电枪的主要设计参数

不同材料制成的液冷管，其耐受压力值也不一样，为了保证液冷管在适配的液冷系统工作压力下不会开裂，因此在大功率液冷枪设计时需要考虑其耐受的最大允许压力和正常工作压力值。正常工作压力值是指大功率液冷充电枪在图1中能够长时间工作，液冷管及管接头不会出现泄漏。另外我们发现当散热器的散热功率大于导体发热功率，并且工作流量满足上表规定值要求时，大功率液冷充电枪可以正常工作。其中表2为5米线不同截面积的发热功率。

表2不同截面积发热功率

我们分析表2后得知，大功率液冷充电枪适配的液冷系统散热器散热功率需≥3KW就可以满足散热要求。

散热器散热量

P=ρ×V×C×△T(1)

式中：

ρ：油的密度，常规值为0.85Kg/L；

V：油的体积；

C：油的比热容，常规值为2.15KJ/Kg.°C；

△T：散热器进出水温度变化，通常值为40。

根据散热量计算公式算出液冷管道的最小流量为2.0LPM。水+冷却剂介质的液冷管道最小流量结果会不一样，具体结果大家可以自行计算一下。

3大功率液冷充电枪的试验验证

由于大功率液冷充电枪内部设置有液冷管路，其冷却介质的耐温性、液冷管耐压性能直接影响其可靠性，因此大功率液冷充电枪除了要满足GB/T20234中规定的性能要求外，还需满足下列性能要求。

3.1冷却剂通过检查、手工测试和以下测试来检查符合性：

3.1.1附件中使用的液体冷却剂应对环境无害。液体冷却剂的生物降解性应≥60%，按照OECD301B标准进行测试，并记录在数据表中。

3.1.2应使用电缆总成制造商批准指定的液体冷却剂。

3.1.3应在安装手册或数据表中提供警告，指出如果使用的冷却剂不是总成制造商指定的冷却剂，则可能发生泄漏或材料退化。

3.1.4冷却剂类型信息应传达给最终产品系统制造商。

3.1.5通过检查材料安全数据表或根据ISO2719进行测试来检查冷却液的最小闪点不低于135°C。

3.1.6冷却液应具有良好的低温性能，满足-40°C的低温环境下使用。

3.2液体冷却剂封闭件压力试验

冷却液封闭部分应能承受最大允许压力加1bar，不泄漏、破裂或破裂。通过以下测试来检查符合性：附件的液体密封部件被加压到电缆组件制造商的最大允许压力加1bar，保持15分钟，附件的浸没深度不超过1米。

试验过程中不得有明显的气泡，冷却液封闭部位不得有破裂或爆裂。注:电动汽车供应设备或电动汽车通过其他手段限制最大允许压力，如减压阀。

4结论

本文浅显地介绍了大功率液冷充电枪的工作原理、强制冷却方法、冷却介质的选择、线缆结构的选择以及工作流量、散热功率的设计计算方法。

大功率液冷充电枪的设计是一个技术不断充实和扩展的发展过程，随着客户要求的不断提高，大功率液冷充电枪在液冷线缆的外径、重量、载流量还需要进一步优化。

作者简介:杜青林（1984-）,男，学历：本科,职称：中级工程师,目前已从事十余年连接器的设计开发工作。