大功率液冷充電槍的發(fā)展現(xiàn)狀

0   引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)不斷完善及國(guó)家政策的支持，截至2019 年底，我國(guó)新能源車(chē)保有量達(dá)381 萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的1.46%，與2018 年底相比，增加120 萬(wàn)輛，增長(zhǎng)46.05%。其中，純電動(dòng)汽車(chē)保有量310 萬(wàn)輛，占新能源車(chē)總量的81.19%。新能源車(chē)增量連續(xù)兩年超過(guò)100 萬(wàn)輛，呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)。截至2019 年底，全國(guó)公共充電樁和私人充電樁總保有量為121.9 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)50.8%，可見(jiàn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正逐步加強(qiáng)和完善。

在新能源汽車(chē)不斷普及的過(guò)程中，一些問(wèn)題也不斷體現(xiàn)出來(lái)，其中續(xù)航里程、充電效率、充電時(shí)長(zhǎng)是影響新能源汽車(chē)推廣的主要原因，也是車(chē)主使用過(guò)程中感受最突出的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)這幾年的發(fā)展，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程在逐漸增加，從之前的續(xù)航150 km 發(fā)展到如今的400 km 以上，基本上已經(jīng)解決了電動(dòng)汽車(chē)的里程焦慮。目前，我國(guó)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(dòng)車(chē)乘用車(chē)電池能量為（60 ～ 90）kW，故實(shí)際充電時(shí)間約為（1 ～ 2）h，絕大多數(shù)人不能忍受長(zhǎng)時(shí)間的等待。而燃油車(chē)加油只需要（10 ～ 20）min，從補(bǔ)充能源的便利性方面來(lái)說(shuō)，電動(dòng)車(chē)還不能與燃油車(chē)相比。采用大功率充電能達(dá)到與燃油車(chē)加油相同的體驗(yàn)，從而成為解決電動(dòng)車(chē)快速充電的最有效途徑之一^[1]。

實(shí)現(xiàn)大功率充電技術(shù)有3 個(gè)途徑，①將整車(chē)的電壓平臺(tái)提高到1 000 V DC，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流的電動(dòng)乘用車(chē)電壓平臺(tái)范圍在（400 ～ 500）V DC，如果要實(shí)現(xiàn)整車(chē)1 000 V DC，將對(duì)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，要滿足大電流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(tǒng)的匹配、熱管理系統(tǒng)、導(dǎo)體材料的使用及選用等相關(guān)問(wèn)題。③共同提高，需要考慮是否能夠采用商用車(chē)平臺(tái)化的零部件及高壓架構(gòu)等技術(shù)產(chǎn)品。結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，大功率充電主要是在不提高整車(chē)電壓平臺(tái)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(fā)熱量會(huì)快速增加，導(dǎo)致溫度迅速升高，持續(xù)高溫易損害充電裝置的電子元件，嚴(yán)重的還會(huì)引起燒毀安全事故。降低電纜發(fā)熱的常規(guī)方法是增大電纜線芯截面積，但是充電電纜特殊的使用場(chǎng)景要求其不可太粗太重，電纜線芯截面積不能無(wú)限制增大?，F(xiàn)有《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電用連接裝置》（GB/T 20234—2015）定義的最大充電電流等級(jí)為250 A，其原因也是受限于250 A 以上電流等級(jí)需要更大的截面積的導(dǎo)體，其所帶來(lái)的重量無(wú)法在實(shí)際操作中應(yīng)用。大功率液冷充電槍是在充電線纜中放置液冷管道，讓冷卻液帶走線纜的發(fā)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(guò)程溫升更低。

作為大功率充電設(shè)備的重要組成部分，大功率液冷充電槍技術(shù)水平的成熟度直接制約了大功率充電的發(fā)展。我國(guó)在大功率充電方面較國(guó)外起步慢，因此我國(guó)需要加強(qiáng)這方面的研究，縮短與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平差距，提高我國(guó)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

作者簡(jiǎn)介：杜青林（1984—），男，中級(jí)職稱(chēng)，已從事10余年連接器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

1   國(guó)外大功率液冷充電槍發(fā)展現(xiàn)狀

Ionity 是由寶馬、戴姆勒、福特、大眾等汽車(chē)制造商成立的合資公司，共同致力于開(kāi)發(fā)泛歐高速電動(dòng)車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)。據(jù)了解，Ionity 的成立源于歐洲本地充電運(yùn)營(yíng)商較少，迫使車(chē)企建立自己的充電網(wǎng)。2018 年4月，Ionity 公司的首個(gè)超快速充電站開(kāi)始啟用，其充電樁采用CCS 接口液冷充電槍進(jìn)行充電，充電功率高達(dá)350 kW。

Ionity 正在積極推進(jìn)功率高達(dá)350 kW 的超快充樁建設(shè)。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(gè)；截至2020 年底已建成400個(gè)超快充站（每個(gè)充電站平均有6 個(gè)350 kW 充電樁）。

相對(duì)來(lái)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(jì)劃2022 年以后實(shí)現(xiàn)。在Ionity 之前，只有特斯拉從事直流快速充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，不過(guò)特斯拉超級(jí)充電站為其車(chē)主專(zhuān)用。在建設(shè)規(guī)模上，Ionity 目前無(wú)法比擬特斯拉的優(yōu)勢(shì)，但其充電樁的輸出功率可達(dá)350 kW，大約是特斯拉V2 超級(jí)充電站120 kW 的3 倍。不過(guò)特斯拉也正在建設(shè)安裝輸出功率更高的快充樁，2019 年初發(fā)布了第三代超充Supercharger V3 技術(shù)，最大充電功率能達(dá)到250 kW，目前Ionity 及特斯拉大功率充電站已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)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(guó)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(zhuān)利權(quán)為特斯拉所有。

菲尼克斯

灝訊

特斯拉

圖1 國(guó)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(zhì)，灝訊大功率液冷槍采用的是絕緣油作為冷卻介質(zhì)，具體細(xì)節(jié)見(jiàn)表1。

2   國(guó)內(nèi)大功率液冷充電槍發(fā)展現(xiàn)狀

2017 年7 月，由中電聯(lián)和中汽研兩家單位牽頭，成立中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)大功率充電技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研工作組，國(guó)內(nèi)參與大功率充電技術(shù)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(dòng)汽車(chē)充電相關(guān)企業(yè)，目前該標(biāo)準(zhǔn)還處于制定狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)組成員單位已共同建成幾個(gè)大功率充電示范項(xiàng)目，用于驗(yàn)證新技術(shù)方案的可行性及安全性。

行業(yè)內(nèi)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(jí)充電接口標(biāo)準(zhǔn)白皮書(shū)的起草，但是技術(shù)方案與沃爾新能源的有較大區(qū)別，最為明顯的就是冷卻方式，他們均采用充電槍線內(nèi)置冷卻管，因有線皮隔離，導(dǎo)體的冷卻效果有限，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)200 kW 以下的充電線纜冷卻。四川永貴、巴斯巴在超級(jí)充電方面起步較晚，還沒(méi)有具體技術(shù)方案；立迅暫時(shí)還未涉足這塊業(yè)務(wù)。從業(yè)內(nèi)主流公司的產(chǎn)品及其研究方向看，大功率充電是各公司爭(zhēng)相進(jìn)入的領(lǐng)域。

沃爾新能源目前已研發(fā)出200 kW 以下的充電連接組件，可滿足GB/T20234.1、GB/T11918.1 的技術(shù)指標(biāo)，產(chǎn)品已進(jìn)行小批量試產(chǎn)，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(qū)ChaoJi 充電樁示范站、北京北汽藍(lán)谷園區(qū)ChaoJi 充電樁示范站等示范項(xiàng)目，但其仍然存在充電功率低、充電時(shí)間長(zhǎng)、安全性能差等問(wèn)題，因此需要在技術(shù)及工藝基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)大功率液冷充電槍的冷卻關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

與國(guó)外相比，目前國(guó)內(nèi)技術(shù)水平、相關(guān)性能和技術(shù)指標(biāo)還存在一定差距。國(guó)外與國(guó)內(nèi)對(duì)比，線纜電壓差別不大，但線纜能夠承受的電流參數(shù)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)內(nèi)技術(shù)水平。國(guó)外通過(guò)對(duì)材料的研究，降低了電纜電阻，可以實(shí)現(xiàn)電纜減重設(shè)計(jì)，降低了電纜的橫截面積；而目前國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展較為緩慢，需要采取其他手段來(lái)降低電纜橫截面積。

3   結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)外大功率液冷充電槍在前期已批量實(shí)際使用，在使用過(guò)程中積累了很多寶貴的應(yīng)用數(shù)據(jù)，其產(chǎn)品也迭代了好幾次。由于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)接口需要重新擬定，沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，因此大功率液冷充電槍的發(fā)展還有一段路程要走。不過(guò)，隨著ChaoJi 接口標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，大功率液冷充電槍會(huì)迎來(lái)一波發(fā)展高峰。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳中,黃學(xué)良.電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；l(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇.電氣工程學(xué)報(bào),2015(4): 35-44.

[2] 陳清泉,孫立清.電動(dòng)汽車(chē)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).科技導(dǎo)報(bào).2005(4):24-28.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）