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【技術(shù)討論】超快充下的充電連接器冷卻

來源:線束世界?作者:線束世界-Jimmy?2022-07-15 12:40

隨著小鵬G9上市,中國電動汽車市場會開始一輪超快充的競爭,電動汽車最大的產(chǎn)熱工作模式就是直流充電,充電場景下整個充電高壓回路會產(chǎn)生大量的熱,功率越大,熱損耗也就越大。而根據(jù)能量守恒,熱量需要找到排出的方式,大功率快速充電下,充電設(shè)施端、充電座到電池充電接口,進入高壓接觸器到電芯內(nèi)部和表面。



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▲圖1. XFC快充系統(tǒng)下的液冷充電連接器





目前高壓連接器和充電連接器,400V的系統(tǒng)下,充電電流控制在250A以內(nèi),不需要充電冷卻系統(tǒng),充電功率大概在70~90KW。因此充電接口都采用液冷方式就成為下一代充電樁的標準配置。




1為什么使用充電液冷技術(shù)


和傳統(tǒng)直流充電槍和電纜相比,帶液冷的充電槍和充電電纜,通過在充電槍、電纜、充電樁回路上增加了冷卻管道,電纜內(nèi)部增加了冷卻液的管道,能兼容400V和800V兩種不同的需求,來保證充電接口溫升不超標。


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▲圖2. 液冷充電接口的示意圖



采用冷卻液對端子進行冷卻,可以讓電纜截面積的需求減少,實際插頭和線纜的重量降低,方便操作。


液冷快充降低了充電溫度而已,從充電樁到充電槍,這個充電回路50%左右是靠這套系統(tǒng),而另一半從車載的充電插座到電池快充端口,電池快充端口要承受高電流。因此我們可以引入Derating曲線,這是匹配特定導(dǎo)線的連接器在一定范圍的外部環(huán)境溫度與該環(huán)境溫度下連接器允許承載的最高安全持續(xù)電流的關(guān)系。


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▲圖3. 典型連接器在溫度下的載流能力



這里需要考慮在較高的環(huán)境溫度下,連接器允諾最高安全持續(xù)電流在逐步減小,連接器最熱點為端子對配位置,熱量的來源包含工作環(huán)境輸入和連接器載流。在回路電阻、通電時間、及應(yīng)用環(huán)境恒定的前提下,電流越大產(chǎn)生的熱量越大。


因此當連接器應(yīng)用環(huán)境溫度升高,在截止溫度的限制下,留給連接器載流所能產(chǎn)生的溫升余量就會更少,回路電阻和通電時間不變,只能限制電流,以減少溫升。


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▲圖4. 連接溫度模型



因此,我們可以看到,我們需要考慮充電插座和電池充電連接器都是需要承受較高電流的。


這里電氣等效電路由熱阻和熱容組成,控制溫升的辦法通過增加冷卻管道的方式帶走熱量。


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▲圖5. 通過分析端子的等效模型來分析



在插座內(nèi)部,可以通過改變連接方式以及可靠性,比如改變連接端子鍍層,導(dǎo)線和端子壓接方式(超聲波焊接),增加壓接面積等,可以降低接觸電阻的方式來降低自身的熱產(chǎn)生。


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▲圖6. 連接端子的鍍層控制





2難度在哪里


目前看來,以后最大的難度在電池包上的連接器端子,因為這塊承受的電流其實和插座也是一樣的。這方面特斯拉其實硬懟的,在Model Y上快充連接器用了定制的金屬端面接觸的連接器,通過鋁管定位、非屏蔽導(dǎo)線、金屬材質(zhì)保證結(jié)構(gòu)強度來保證了這個大電流的連接。


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▲圖7. Model Y的快充連接器





目前還沒有看到車企在往這個方面去做設(shè)計,不過隨著快充電流的提升,集成冷卻的BDU考慮,其實也不是不可能,我看到最新的設(shè)計可能會有進一步的變化。


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▲圖8. 特斯拉的電池包快充連接器





小結(jié):目前快充的熱管理,可能后續(xù)技術(shù)上的變化還挺大——我們不光要使用800V的高壓,還要持續(xù)把電流從250A提升到500A左右,這樣才能考慮如何進入400kW的階段。




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