大功率充電用連接裝置溫升性能分析與研究

王嬌嬌， 柴宏根， 李 曉， 段佳威， 李 楊， 陳 赫

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300；2.北京新能源汽車股份有限公司， 北京 100000）

1 前言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，越來越多的老百姓在使用電動車，對他們來講，充電的方便性是非常重要的事情。其中充電的方便性既包括隨處可以很方便地找到充電站，也包括了充電所占用的用戶時間。《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南 （2015-2020年）》 （發(fā)改能源〔2015〕 1454號） 中提到“我國充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的目標(biāo)是到2020年，建成集中充換電站1.2萬座，分散充電樁480萬個，滿足全國500萬輛電動汽車充電需求”。充電時間成為影響充電方便性的主要因素。

2017年7月，為解決充電的快速性問題，電動汽車大功率充電技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研工作組成立。電動汽車傳導(dǎo)直流大功率充電是指充電功率在350kW或以上，充電 （80%～90%）10～15min以單槍方式給動力電池傳導(dǎo)充電的技術(shù)，主要需求場景在城市出租、物流車、長途運行的電動汽車充電，解決充電慢影響運營收入的問題，北京、上海、深圳、廣州等大城市沒有固定車位的電動汽車車主充電需求，解決公共快速充電的需求。乘用車大功率充電主要技術(shù)指標(biāo)，充電電壓1000V，在不帶冷卻工況下充電電流：120A，充電功率≥120kW；帶冷卻工況下充電電流：400～500A，充電功率≥350kW。

隨著大功率充電技術(shù)的持續(xù)推進(jìn)，行業(yè)對于大功率充電中所用的充電連接裝置提出了2種技術(shù)方案：一種是基于2015版國標(biāo)接口的結(jié)構(gòu)，增加液冷系統(tǒng)；另一種則是調(diào)整充電接口的結(jié)構(gòu)，新接口稱之為Chaoji接口，增加液冷系統(tǒng)，兩種結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。本研究重點關(guān)注車輛插座，針對這兩種技術(shù)開展了試驗驗證及分析，并對2015版國標(biāo)結(jié)構(gòu)不帶液冷系統(tǒng)的充電接口載流能力進(jìn)行了試驗分析。

圖1 2種結(jié)構(gòu)接口 （圖左為2015版國標(biāo)接口， 圖右為Chaoji結(jié)構(gòu)接口）

2 試驗系統(tǒng)的搭建

本研究中測試系統(tǒng)由直流恒流源、數(shù)據(jù)采集器、水冷機、上位機等部分組成，連接裝置的原理圖如圖2所示，直流恒流源輸出的正負(fù)極分別連接至圖中DC+與DC-，水冷機為圖2中冷卻工裝，溫度傳感器分別位于車輛插座DC+與DC-端子的壓接處，插座尾部線束的壓接處以及短接處。

圖2 測試原理圖 （帶冷卻系統(tǒng)）

測試系統(tǒng)中恒流源的選取，項目組對直流恒流源和交流恒流源的效果進(jìn)行了分析與測試。由熱量公式Q=I2RT可知，對同一個樣品，在相同的電流相同的時間下，產(chǎn)生的熱量是一樣的，本研究選取的電源為直流恒流源。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

本研究對2種接口結(jié)構(gòu)，4種情況進(jìn)行了測試驗證。

1） 2015版國標(biāo)非液冷接口配線70mm2。

2） 2015版國標(biāo)非液冷接口配線95mm2。

3） 2015版國標(biāo)液冷接口配線35mm2。

4） 新結(jié)構(gòu)液冷接口配線35mm2。

下面分別對上述4種情況的試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 2015版國標(biāo)非液冷接口配線70mm2

2015版國標(biāo)非液冷接口配線70mm2的試驗主要是驗證現(xiàn)有接口長時間工作情況下最大電流耐受情況，選取的測試樣品為隨機選取的車輛插頭和車輛插座，其中車輛插座配線為70mm2，車輛插頭配線為80mm2。

本研究隨機選取了2款2015版國標(biāo)非液冷接口并在300A及400A的電流情況下記錄其溫升值，試驗情況如圖3～圖4所示。

圖3 樣品1# 300A電流情況下溫升曲線

圖4 樣品1# 400A電流情況下溫升曲線

分析試驗數(shù)據(jù)可以看到，配線70mm2的充電接口在300A電流情況下，其溫升值在20min后 （14:25-14:45） 超過GB/T 20234.1-2015中規(guī)定的50K，在1h左右 （14:25-15:35） 達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后的溫升值在70K左右；400A的情況下，考慮線纜的載流能力，試驗僅進(jìn)行了15min，圖4可以看到樣品1#在15min的溫升值已經(jīng)達(dá)到70K，超過了GB/T 20234.1-2015規(guī)定的50K，不能滿足使用需求。

分析樣品2#的測試結(jié)果，300A情況下持續(xù)55min左右（16:18-17:13），溫升值達(dá)到50K，在1.25h達(dá)到穩(wěn)定，最終溫升值穩(wěn)定在57K。400A的情況下可以看到樣品在15min的溫升值已經(jīng)達(dá)到59K。樣品2#在300A和400A電流情況下溫升曲線圖如圖5、圖6所示。

分析2個樣品的測試結(jié)果可以看出，對于2015版國標(biāo)非液冷接口配線70mm2的情況，產(chǎn)品性能差距比較大，在300A的情況下，樣品2#最終溫升穩(wěn)定在57K，表現(xiàn)較為良好，后期可以通過改進(jìn)端子壓接技術(shù)、優(yōu)化端子簧片結(jié)構(gòu)或者調(diào)整配線線徑至80mm2等方式滿足300A的使用工況。

圖5 樣品2# 300A電流情況下溫升曲線

圖6 樣品2# 400A電流情況下溫升曲線

3.2 2015版國標(biāo)非液冷接口配線95mm2

考慮實際使用工況，車輛插頭的工作時間比車輛插座長，從冷卻角度來看，車輛插頭側(cè)的要求要比車輛插座端嚴(yán)酷許多，因此在本節(jié)的測試是結(jié)合實際使用情況，選取的非液冷車輛插座和液冷的車輛插頭進(jìn)行匹配。

本研究定制了一套2015版國標(biāo)非液冷接口配線95mm2的車輛插座，配合測試所用的車輛插頭為配線35mm2帶液冷系統(tǒng)的2015版接口，液冷管路內(nèi)徑為6mm。經(jīng)試驗驗證，該搭配在常溫下的試驗情況良好，因此在該節(jié)的驗證中，除了常溫的驗證，還增加了不同環(huán)境溫度情況下的溫升性能驗證，試驗過程中冷卻系統(tǒng)的功率始終維持在60W。樣品3#在30℃情況下溫升曲線試驗情況如圖7所示。

圖7所示為測試樣品在常溫（25±5）℃情況下的溫升曲線，圖中插座+是指插座中DC+端子壓接處溫度傳感器的測試值，插座-是指插座中DC-端子壓接處溫度傳感器的測試值，銅棒+是指DC+端子所壓接線纜的尾部處相連的銅棒處溫度傳感器的測試值，銅棒-是指DC-端子所壓接線纜的尾部處相連的銅棒處溫度傳感器的測試值，短接處是指銅棒的短接位置，測試開始向被測樣品通300A的電流，30min后將電流增加至400A，如此循環(huán)，將電流增加至600A。

圖7 樣品3#在30℃情況下溫升曲線

分析圖7中數(shù)據(jù)，溫度較高的位置分別是DC+端子壓接處、DC-端子壓接處以及銅棒的短接處等接觸位置，這些位置的溫升性能涉及到接觸面積、壓接工藝等。300A與400A電流情況下，被測樣品的溫升值均未超出50K，在500A及600A的情況下，溫升超出50K但溫度值未超出部分車企要求的最高溫度100℃的要求，且500A的測試數(shù)值在某一時刻出現(xiàn)了波動，分析該現(xiàn)象的原因可能是環(huán)境溫度的波動產(chǎn)生。對圖7中數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，該測試樣品的溫升性能可滿足常溫情況的使用。

分析圖8的溫升曲線，被測樣品在40℃，500A的電流情況下溫度超過了100℃，但在300A及400A的情況下都可以將溫升控制在50K以內(nèi)。

圖8 樣品3#在40℃情況下溫升曲線

圖9 所示為被測樣品在50℃情況下，接通400A的電流，溫度值穩(wěn)定在100℃左右，溫升值為50K，在500A情況下溫度值達(dá)到120℃，溫升值70K。

圖9 樣品3#在50℃情況下溫升曲線

圖10 所示為被測樣品在60℃情況下，通400A的電流，溫度值穩(wěn)定在110℃左右，溫升值為50K。

圖10 樣品3#在60℃情況下溫升曲線

通過上述分析可以得出，2015版國標(biāo)非液冷接口配線95mm2的車輛插座，配合配線35mm2帶液冷系統(tǒng)的2015版車輛插頭的匹配效果在300A和400A的情況下可以滿足使用要求，在500A及600A情況下，后期可以考慮增加車輛插頭側(cè)的冷卻功率、改進(jìn)端子壓接技術(shù)等方式改善連接裝置的發(fā)熱情況，再進(jìn)行試驗驗證。

3.3 2015版國標(biāo)液冷接口配線35mm2

本研究所用的國標(biāo)液冷接口為定制產(chǎn)品，車輛插頭和車輛插座配線為35mm2，冷卻系統(tǒng)管路內(nèi)徑為6mm，試驗過程中，充電槍側(cè)冷卻功率維持不變，分別對測試樣品通400A、500A和600A的電流，并在通電過程中調(diào)整車輛插座側(cè)冷卻系統(tǒng)的冷卻功率，使其分別處于50%功率 （30W） 及滿功率（60W） 處，如圖11所示。

圖11 樣品4#在30℃情況下溫升曲線

從圖11中數(shù)據(jù)可以看出，在車輛插頭和車輛插座均具備冷卻的情況下，在500A以下，即使車輛插座側(cè)冷卻系統(tǒng)功率在30W，也可控制連接裝置的溫度值在90℃左右，60W的情況下可保證溫升值最終穩(wěn)定在30K及以下；600A電流情況下，需要車輛插座側(cè)的冷卻系統(tǒng)滿功率工作，才能使系統(tǒng)的最高溫度控制在100℃以下。

3.4 新結(jié)構(gòu)液冷接口配線35mm2

同樣的，新結(jié)構(gòu)接口為定制產(chǎn)品，配線規(guī)格與冷卻管路直徑與2015版國標(biāo)液冷接口相同，測試電流為400A、500A及600A，試驗過程中對冷卻回路的調(diào)整同3.3試驗相同。如圖12所示。

圖12 樣品5#在30℃情況下溫升曲線

分析圖12中數(shù)據(jù)，500A的情況下，溫度值仍舊可以維持在100℃以下，車輛插座側(cè)冷卻系統(tǒng)滿功率工作的情況下，溫升值可以控制在50K以內(nèi)；而在600A情況下，需要將車輛插座側(cè)冷卻系統(tǒng)的冷卻功率調(diào)整至最大，才可以控制溫度值在100℃以下。

4 總結(jié)與建議

通過對4種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開展的溫升試驗，分析試驗數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

1） 現(xiàn)有2015版國標(biāo)接口，可以通過改進(jìn)端子技術(shù)、壓接工藝、加粗線纜規(guī)格等關(guān)鍵技術(shù)，滿足常溫情況下充電300A的溫升需求。

2） 可以通過加粗車輛插座側(cè)線纜規(guī)格、車輛插頭進(jìn)行冷卻的組合方式滿足充電400A的溫升需求。

3） 在均具備冷卻系統(tǒng)的前提下，2015版國標(biāo)結(jié)構(gòu)的接口和Chaoji結(jié)構(gòu)接口均可滿足使用過程中的溫升需求。

建議項目組的后續(xù)工作可以從以下幾個方面開展：①研究傳熱學(xué)原理，分析充電連接裝置在工作過程中的熱量傳遞，扎實研究工作的理論基礎(chǔ)；②研究現(xiàn)有國標(biāo)接口的載流曲線，分析在有整車策略為基礎(chǔ)的情況下，充電連接裝置可實現(xiàn)的最大載流能力曲線；③增加測試驗證的樣品數(shù)量，獲取更多的數(shù)據(jù)支撐；④研究冷卻介質(zhì)類型、溫度等因素對冷卻效果的影響。