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大功率液冷充電槍的發展現狀

作者:杜青林 (深圳市沃爾新能源電氣科技股份有限公司,深圳 518118)時間:2021-07-23來源:電子產品世界收藏
編者按:文章從實際出發闡述了我國加快發展大功率液冷充電槍研制的必要性、大功率充電的優勢,同時闡述國內外大功率液冷充電槍發展狀況,以及國內一些廠家在這方面做出的努力和研發現狀。


本文引用地址:http://www.koditutor.com/article/202107/427100.htm

0   引言

隨著電動汽車技術不斷完善及國家政策的支持,截至2019 年底,我國新能源車保有量達381 萬輛,占汽車總量的1.46%,與2018 年底相比,增加120 萬輛,增長46.05%。其中,純電動汽車保有量310 萬輛,占新能源車總量的81.19%。新能源車增量連續兩年超過100 萬輛,呈快速增長之勢。截至2019 年底,全國公共充電樁和私人充電樁總保有量為121.9 萬臺,同比增長50.8%,可見充電基礎設施建設正逐步加強和完善。

在新能源汽車不斷普及的過程中,一些問題也不斷體現出來,其中續航里程、充電效率、充電時長是影響新能源汽車推廣的主要原因,也是車主使用過程中感受最突出的問題。經過這幾年的發展,我國電動汽車的續航里程在逐漸增加,從之前的續航150 km 發展到如今的400 km 以上,基本上已經解決了電動汽車的里程焦慮。目前,我國市面上主流的直流充電樁充電功率為(80 ~ 120)kW,而主流的電動車乘用車電池能量為(60 ~ 90)kW,故實際充電時間約為(1 ~ 2)h,絕大多數人不能忍受長時間的等待。而燃油車加油只需要(10 ~ 20)min,從補充能源的便利性方面來說,電動車還不能與燃油車相比。采用能達到與燃油車加油相同的體驗,從而成為解決電動車快速充電的最有效途徑之一[1]。

實現技術有3 個途徑,①將整車的電壓平臺提高到1 000 V DC,目前國內市場上主流的電動乘用車電壓平臺范圍在(400 ~ 500)V DC,如果要實現整車1 000 V DC,將對高壓零部件提出更高的要求,成本將大幅提高。②將電流提高600 A,要滿足需求必須要考慮阻性損耗、高壓傳輸線路(溫升、溫控)、冷卻系統的匹配、熱管理系統、導體材料的使用及選用等相關問題。③共同提高,需要考慮是否能夠采用商用車平臺化的零部件及高壓架構等技術產品。結合國內實際情況,主要是在不提高整車電壓平臺的條件下提高充電電流[2]。

充電電流增大后接觸端子及線纜的發熱量會快速增加,導致溫度迅速升高,持續高溫易損害充電裝置的電子元件,嚴重的還會引起燒毀安全事故。降低電纜發熱的常規方法是增大電纜線芯截面積,但是充電電纜特殊的使用場景要求其不可太粗太重,電纜線芯截面積不能無限制增大?,F有《電動汽車傳導充電用連接裝置》(GB/T 20234—2015)定義的最大充電電流等級為250 A,其原因也是受限于250 A 以上電流等級需要更大的截面積的導體,其所帶來的重量無法在實際操作中應用。大功率液冷是在充電線纜中放置液冷管道,讓冷卻液帶走線纜的發熱量,此種方式不僅可以減小線纜線芯截面積,而且充電電流更大,充電過程溫升更低。

作為大功率充電設備的重要組成部分,大功率液冷技術水平的成熟度直接制約了大功率充電的發展。我國在大功率充電方面較國外起步慢,因此我國需要加強這方面的研究,縮短與國際先進技術水平差距,提高我國國際競爭力。

作者簡介:杜青林(1984—),男,中級職稱,已從事10余年連接器的設計開發工作。

1   國外大功率液冷發展現狀

Ionity 是由寶馬、戴姆勒、福特、大眾等汽車制造商成立的合資公司,共同致力于開發泛歐高速電動車充電網絡。據了解,Ionity 的成立源于歐洲本地充電運營商較少,迫使車企建立自己的充電網。2018 年4月,Ionity 公司的首個超快速充電站開始啟用,其充電樁采用CCS 接口液冷充電槍進行充電,充電功率高達350 kW。

Ionity 正在積極推進功率高達350 kW 的超快充樁建設。截至2019 年5 月25 日,Ionity 安裝及可用的超快速充電站已擁有101 個;截至2020 年底已建成400個超快充站(每個充電站平均有6 個350 kW 充電樁)。

相對來講,日本在大功率方面的研究較慢,主要還是傾向于150 kW 左右的充電功率,而350 kW 的大功率充電計劃2022 年以后實現。在Ionity 之前,只有特斯拉從事直流快速充電網絡的建設,不過特斯拉超級充電站為其車主專用。在建設規模上,Ionity 目前無法比擬特斯拉的優勢,但其充電樁的輸出功率可達350 kW,大約是特斯拉V2 超級充電站120 kW 的3 倍。不過特斯拉也正在建設安裝輸出功率更高的快充樁,2019 年初發布了第三代超充Supercharger V3 技術,最大充電功率能達到250 kW,目前Ionity 及特斯拉大功率充電站已實現產業化,在全球投入使用。

Ionity 充電樁使用的大功率液冷充電槍廠家為德國菲尼克斯、瑞士灝訊(如圖1),而特斯拉充電樁使用的大功率液冷充電槍是由日本住友代工的,其專利權為特斯拉所有。

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菲尼克斯

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灝訊

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特斯拉

圖1 國外主流大功率液冷充電槍

菲尼克斯、特斯拉大功率液冷槍采用的是水+ 制冷劑作冷卻介質,灝訊大功率液冷槍采用的是絕緣油作為冷卻介質,具體細節見表1。

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2   國內大功率液冷充電槍發展現狀

2017 年7 月,由中電聯和中汽研兩家單位牽頭,成立中國電動汽車大功率充電技術與標準預研工作組,國內參與大功率充電技術研究的主要有北汽、一汽、比亞迪、南瑞、星星充電、奧特迅、沃爾等20 余家電動汽車充電相關企業,目前該標準還處于制定狀態。標準組成員單位已共同建成幾個大功率充電示范項目,用于驗證新技術方案的可行性及安全性。

行業內主要公司有:中航光電、南京康尼、四川永貴、巴斯巴、立迅、沃爾新能源等。

中航光電、南京康尼兩家公司均參與了超級充電接口標準白皮書的起草,但是技術方案與沃爾新能源的有較大區別,最為明顯的就是冷卻方式,他們均采用充電槍線內置冷卻管,因有線皮隔離,導體的冷卻效果有限,該技術可以實現200 kW 以下的充電線纜冷卻。四川永貴、巴斯巴在超級充電方面起步較晚,還沒有具體技術方案;立迅暫時還未涉足這塊業務。從業內主流公司的產品及其研究方向看,大功率充電是各公司爭相進入的領域。

沃爾新能源目前已研發出200 kW 以下的充電連接組件,可滿足GB/T20234.1、GB/T11918.1 的技術指標,產品已進行小批量試產,并參與了深圳奧特迅ChaoJi充電樁示范站、江蘇常州星星充電ChaoJi 充電樁示范站、吉林一汽廠區ChaoJi 充電樁示范站、北京北汽藍谷園區ChaoJi 充電樁示范站等示范項目,但其仍然存在充電功率低、充電時間長、安全性能差等問題,因此需要在技術及工藝基礎上繼續對大功率液冷充電槍的冷卻關鍵技術進行技術攻關。

與國外相比,目前國內技術水平、相關性能和技術指標還存在一定差距。國外與國內對比,線纜電壓差別不大,但線纜能夠承受的電流參數遠超過國內技術水平。國外通過對材料的研究,降低了電纜電阻,可以實現電纜減重設計,降低了電纜的橫截面積;而目前國內技術發展較為緩慢,需要采取其他手段來降低電纜橫截面積。

3   結束語

目前,國外大功率液冷充電槍在前期已批量實際使用,在使用過程中積累了很多寶貴的應用數據,其產品也迭代了好幾次。由于國內標準接口需要重新擬定,沒有實際應用數據,因此大功率液冷充電槍的發展還有一段路程要走。不過,隨著ChaoJi 接口標準的發布,大功率液冷充電槍會迎來一波發展高峰。

參考文獻:

[1] 陳中,黃學良.電動汽車規?;l展所面臨的挑戰與機遇.電氣工程學報,2015(4): 35-44.

[2] 陳清泉,孫立清.電動汽車的現狀和發展趨勢.科技導報.2005(4):24-28.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期)



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