大電流線纜載流能力評估及對比（上）

來源：?作者：?2021-06-03 16:36

摘要：應用在新能源領域的高壓線纜，是承載電流的主要部分。如果說搭接部分的連接器或銅、鋁排，是產品載流能力的瓶頸點，那么，線纜是決定整體系統(tǒng)載流能力的基礎部件。

目前行業(yè)應用的主要是銅線纜，基于成本和輕量化目標，鋁線纜也開始廣泛應用在新能源領域。全面評估線纜的載流能力成了目前需要解決的技術問題。

關鍵詞：銅線纜，鋁線纜，溫升，載流能力，測試

1線纜載流能力

高壓大電流系統(tǒng)設計到一個關鍵問題點：熱安全。線纜作為能量載體，是高壓電氣連接系統(tǒng)的主要部分，探討和研究線纜在各種電流及分布方式下的熱性能（包括熱評估和熱安全），是當下急需解決的現(xiàn)實問題。

新能源系統(tǒng)的應用環(huán)境惡劣，如高溫、強腐蝕、震動等環(huán)境因素導致線束與外界環(huán)境之間的的換熱效果不明顯。若高壓線束出現(xiàn)破損，導致電纜內部導芯電阻增加，則充電時的線束溫度進一步提高。

因能量密度大，空間窄小，極易造成過熱甚至起火損毀的重大安全問題。高壓大電流系統(tǒng)的熱性能和熱安全最終會轉化成為新能源汽車或其他高能量體系的安全問題。

對于線纜的載流能力，線纜供應商會提供對應的載流溫升數(shù)據(jù)，但基本上只有固定幾個電流的溫升數(shù)據(jù)。使用方如果想了解全面的載流能力數(shù)據(jù)，需要自己做大量的溫升實驗，才能得到齊全的數(shù)據(jù)。

我們采用CAE技術建立通電條件下的電纜傳熱模型。并根據(jù)對應的實驗結果來驗證和修正CAE仿真模型和算法，最終找到與實驗結果高度相符的線纜溫升載流仿真方法和流程，需要做相應的實驗以佐證電纜傳熱模型的可靠性。

2線纜載流能力（溫升）測試方法及結果

線纜的溫升測試，基本是根據(jù)以下兩個標準：USCAR-2-2013 5.3.3和GB/T 11918.1-2014.22。

對于超過50 mm^2的線纜，線長至少1.4m。為保證線纜溫升不受兩邊的直流電源線影響（基本都在185 mm^2以上），我們測試時會采用比較保守的方式，也就是拉長受測線纜的長度。如下圖的接線方式就是其中一種。

載流能力（溫升）測試的接線方式：與電源線纜連接處接兩根1m長的測試規(guī)格線纜，中間一根2.5m長的測試規(guī)格線纜，線纜的溫升數(shù)據(jù)提取點主要在中間受測線纜的中間點T5。

（T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9共九個溫升數(shù)據(jù)提取點）。

采用此種測試方法，可得出線纜的各種載流能力（溫升）數(shù)據(jù)，如圖2,3,4所示。

線纜載流能力（溫升）仿真方法及結果

3.1 傳熱學理論

傳熱即熱的傳遞（以溫度差為推動力的能量傳遞現(xiàn)象）根據(jù)熱力學第二定律，凡是有溫度差的存在就必然有熱的傳遞。

熱的傳遞是由于物體內或系統(tǒng)內的兩部分之間的溫度差而引起的，凈的熱流方向總是由高溫處向低溫處流動。熱量傳遞有三種方式：熱傳導（導熱），熱對流和熱輻射。

熱傳導：又稱導熱。是指熱量從物體的高溫部分向同一物體的低溫部分、或者從一個高溫物體向一個與它直接接觸的低溫物體傳熱的過程。導熱是靜止物體的一種傳熱方式，不依靠物質的宏觀位移。

對流換熱：指流體沿固體壁面流動時所發(fā)生的流體和固體之間的熱量交換（除了導熱還有熱對流作用。對流換熱過程中所傳遞的熱量為：

輻射換熱：兩個溫度不同的物體通過射線實現(xiàn)熱量傳遞，稱之為輻射換熱。

3.2 線纜溫升理論分析

溫升是材料的主體電阻作用的結果。主體電阻由線纜的形狀及其材料阻抗決定。線纜的溫升取決于熱產生過程中的熱傳遞所造成的熱能浪費。因此溫升又可以說是依賴于線纜材料的熱傳遞能力，電流的大小和線纜的熱量對流。

通電流的產生熱能方程：

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