電動汽車大功率充電槍用冷卻液的研究

陳鵬程

南京康尼機(jī)電股份有限公司 江蘇 南京 210046

近年來，隨著電動汽車的保有量越來越高，充電時間過長也是電動汽車讓普通消費(fèi)者難以接受的原因之一，為了縮短充電時間，保證與燃油車的加油時間大致相同，各國正在積極的研發(fā)大功率充電，而大功率的充電功率通常要在350～600kw，才能保證在充電15分鐘的情況下，電動汽車的行駛里程達(dá)到400km，在大功率充電中，電纜的發(fā)熱始終是個難以避免的問題，傳統(tǒng)的方式是通過加大電纜內(nèi)銅導(dǎo)體的橫截面積來增大電纜的載流能力，但是如果電流達(dá)到350A～600A時，電纜的銅導(dǎo)體的橫截面積需要達(dá)到120～240mm2，這樣的話會增大電纜的整體外徑及重量，難以操作，只能依靠輔助工具來輔助充電。同時維護(hù)起來也很困難。還有一種辦法就是使用液冷電纜，來帶走電纜中銅導(dǎo)體的發(fā)熱量，從而使之使用較小的銅導(dǎo)體的截面積即可以承受很大的電流。而傳統(tǒng)的使用液冷電纜的實(shí)際應(yīng)用中最多的是電焊機(jī)比較多，使用的是低壓大電流，由于實(shí)際對人安全電壓為交流36VAC，直流為60VDC，所以不會對安全性產(chǎn)生影響，但電動汽車大功率充電中不同，如要達(dá)到350kw～600kw時，除了電流要在350A～600A，電壓更要達(dá)到1000V，所以對絕緣性要求更高，傳統(tǒng)的電焊機(jī)的液冷電纜將無法使用。充電槍的使用溫度在GB/T 20234.1-2015中規(guī)定為-30℃～+50℃，冷卻液在寬溫度范圍內(nèi)能夠使用也特別重要。

1 大功率充電槍冷卻液的基本功能

1.1 與電纜及相連接處密封材質(zhì)的相容性

可以保證冷卻液在電纜內(nèi)部時不對電纜或相連接處的密封造成影響，從而導(dǎo)致泄露或絕緣不良，影響電氣性能及安全性。

對于冷卻液與材料的相容性，可以參照GB/T 14041.2-2007《液壓濾芯第2部分》材料與液體相容性檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試：

將被測樣品浸沒在試驗液體中至少72小時，在此期間，試驗液體溫度應(yīng)持續(xù)保持在比制造商推薦的最高工作溫度高15℃以上。

將被測試樣品浸沒在試驗液體中至少72h，在此期間試驗液體溫度應(yīng)持續(xù)保持在比規(guī)定的最低使用溫度低5℃以下。

注：如果使用同一試驗液體連續(xù)進(jìn)行高、低溫試驗，宜先進(jìn)行低溫試驗。試驗后，進(jìn)行絕緣耐壓試驗、抗破裂試驗。

1.2 比熱大

比熱越大，在相同質(zhì)量的流體及溫度梯度情況下，吸收熱量的能力越強(qiáng)，從而在充電槍中流動的冷卻液吸熱的能力也就越好。

1.3 粘度低

流體在水平圓管中流動時，其流量q與管子兩端內(nèi)外壓差計管的半徑R，長度L，以及流體的粘度系數(shù)有以下關(guān)系：

低溫下粘度不能太大，否則影響流動性，造成流動阻力過大，從而對流道耐壓能力要求更高，并且對于提供動力的動力源的動力要求也更大，否則無法滿足正常的流動。

1.4 閃點(diǎn)高

當(dāng)冷卻液使用溫度達(dá)到一定溫度的情況下，遇明火會產(chǎn)生著火，影響充電槍最高使用溫度；通常冷卻液的粘度與閃點(diǎn)有關(guān)，粘度越大，閃點(diǎn)越高。

1.5 傾點(diǎn)高

低溫情況下會發(fā)生凝固，造成冷卻液在流道內(nèi)不易流動，從而造成充電槍的柔軟度變差，影響充電槍的最低使用溫度；通常冷卻液的粘度與傾點(diǎn)有關(guān)，粘度越小，傾點(diǎn)越低。

1.6 環(huán)保性

不會對環(huán)境造成危害，具有生物降解性。

1.7 易維護(hù)性

可回收，泄露對環(huán)境造成的影響盡可能小，使用壽命長，易于維護(hù)。

1.8 符合安全法規(guī)

因為冷卻液在充電槍內(nèi)使用，需要符合使用國家或地區(qū)的使用法規(guī)，如安全性、危險品類別、毒性、對環(huán)境的影響、廢置處理等。

1.9 價格低廉

價格是影響批量化使用的重要因素，價格需要盡量低廉，并且可以容易采購，才能有效的投入到市場，加快大功率的進(jìn)程。

1.10 絕緣性

冷卻液是否絕緣，關(guān)系到冷卻液是否能與銅導(dǎo)體直接接觸，由于電纜上的絕緣層都是非金屬材料，要保證其絕緣性，導(dǎo)熱系數(shù)都會很低，所以選擇絕緣液體使之與銅導(dǎo)體直接接觸，可更有效的帶走銅導(dǎo)體通大電流所產(chǎn)生的熱量。如采用非絕緣液體，則需在電纜上進(jìn)行非絕緣液體與導(dǎo)電銅導(dǎo)體的隔離，非絕緣液體吸收的熱量是銅導(dǎo)體發(fā)熱之后，經(jīng)過絕緣層的熱量，吸收熱量的效率變低。

1.11 密度

冷卻液的密度會影響整個流道中液體的重量，在選擇冷卻液時，密度應(yīng)是越小越好，這樣才能保證整個流道中冷卻液的重量最輕，在使用時也更加方便。

1.12 穩(wěn)定性

在正常使用環(huán)境溫度下，冷卻液不會分解產(chǎn)生有毒氣體。

2 冷卻液的選型

2.1 冷卻液的選擇理論依據(jù)

Q發(fā)熱 — 銅導(dǎo)體的發(fā)熱量

I — 通過銅導(dǎo)體的電流

R — 銅導(dǎo)體的電阻

Q傳導(dǎo) — 絕緣層傳導(dǎo)的熱量

K — 熱傳導(dǎo)率

L — 絕緣層的導(dǎo)熱的長度

A — 絕緣層導(dǎo)熱的表面積

t — 時間

Q吸熱 — 冷卻液吸收的熱量

c — 比熱容

m — 冷卻液質(zhì)量

△T — 冷卻液溫差

ρ — 冷卻液密度

V — 冷卻液體積

q — 冷卻液流量

v — 冷卻液流速

S — 冷卻液流經(jīng)管道的橫截面積

從以上公式可看出，選擇直接接觸的方式來說，其冷卻效果更好，同時，如果充電槍內(nèi)流道和導(dǎo)體已經(jīng)固定的情況下，從冷卻液方面看，影響吸熱的幾個參數(shù)為c — 比熱容，v — 冷卻液流速，ρ — 冷卻液密度，而其余參數(shù)由于流道固定都是固定的量，所以，比熱越大，流速越快（粘度越小），密度越大，散熱效果越好。同時依據(jù)，結(jié)合以上公式，也就是說需要考慮cρ/的比例值，cρ/值越大的冷卻液，吸熱效果越好。

2.2 常用冷卻液

下面我們針對一些常用冷卻液進(jìn)行了一些簡單介紹。

2.2.1 變壓器油

具有優(yōu)良的絕緣性、抗氧化安定性、低溫流動性和導(dǎo)熱性。產(chǎn)品適用于500KV以下變壓器內(nèi)部冷卻和絕緣及其他的油類似要求的電器設(shè)備。10#號用于我國長江以南，25#用于黃河以南，45#用于我國黃河以北地區(qū)。牌號越大，低溫使用性能越好，價格也更高，同時粘度越大。

2.2.2 硅油

具有良好的介電性質(zhì)、高拒水性，低火災(zāi)危險和反應(yīng)性，良好的熱穩(wěn)定性，本質(zhì)上無嗅無毒。主要應(yīng)用在個人護(hù)理產(chǎn)品，如止汗藥、除臭劑、頭發(fā)噴劑等。工業(yè)上面主要用在如玻璃瓶和鏡頭涂料、家用產(chǎn)品成分、機(jī)械流體、滲透油成分、電絕緣流體等。硅油的粘度范圍很寬，5cts～800萬cst，粘度越低，越易燃。

2.2.3 3M氟化液

3 M 氟化液有兩種系列，為N o v e c 系列和Fluorinert系列，具有卓越的絕緣特性，大范圍的溫度選擇和超強(qiáng)的材料兼容性，并且低毒性、不易燃、無臭氧破壞，Novec系列更加低溫室效應(yīng)，同時價格也更高一些。

3 參數(shù)對比及相關(guān)實(shí)驗

3.1 參數(shù)對比

對比以上冷卻液的cρ/的值，25#變壓器油144577，二甲基硅油為152405，3M FC3283為2669333，3M NOVEC7500為2364405。單純從吸熱理論上來說，3M FC3283的cρ/值最大，做冷卻液最合適。但是從價格上說，二甲基硅油更合適一些。只要能夠滿足我們的使用條件，優(yōu)選價格更低的冷卻液。從使用環(huán)境來說，我們同時也要考慮其閃點(diǎn)和傾點(diǎn)。

3.2 低溫試驗驗證流動性

3.2.1 試驗樣品有限的情況下，準(zhǔn)備以下樣品各半瓶左右：

（1）FC 3283 3M氟化液

（2）25#變壓器油

（3）45#變壓器油

（4）水乙二醇1:1

（5）201-05 二甲基硅油

（6）201-50 二甲基硅油

3.2.2 然后低溫-40℃放置在高低溫箱內(nèi)15小時。

3.2.3 對比結(jié)果：

（1）FC3283冷卻液粘度變化不大，但是瓶內(nèi)壓力變化較大；

（2）25#變壓器油粘度變化很大，流動很困難；

（3）45#變壓器油粘度變化很大，流動很困難；

（4）水乙二醇（1:1）凍住了，不能流動；

（5）201-5硅油粘度變化不大，瓶內(nèi)壓力變化不大；

（6）201-50硅油粘度變化不大，瓶內(nèi)壓力變化不大。

常溫時的流動性（FC3283、201-5二甲基硅油、水乙二醇）＞（25#變壓器油、45#變壓器油）＞201-50二甲基硅油。

4 結(jié)語

依據(jù)目前市場上的傳統(tǒng)的可作為大功率充電槍使用的冷卻液來說，要滿足上述對冷卻液的要求來說很不容易，所以，在能夠滿足使用環(huán)境和法規(guī)的情況下，根據(jù)廠家提供的技術(shù)手冊，同時依據(jù)理論依據(jù)，選擇性價比高的冷卻液。冷卻液對大功率充電槍十分重要，只有合理的選擇冷卻液，才能保證大功率充電槍系統(tǒng)的可靠性與安全性。