大功率液冷充電槍的發(fā)展現(xiàn)狀

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(xù)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(xiàn)出來，其中續(xù)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(jīng)過這幾年的發(fā)展，我國電動汽車的續(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(shù)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。采用大功率充電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(xiàn)大功率充電技術有3 個途徑，①將整車的電壓平臺提高到1 000 V DC，目前國內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)品。結合國內(nèi)實際情況，大功率充電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(fā)熱量會快速增加，導致溫度迅速升高，持續(xù)高溫易損害充電裝置的電子元件，嚴重的還會引起燒毀安全事故。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(xiàn)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，大功率液冷充電槍技術水平的成熟度直接制約了大功率充電的發(fā)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(fā)工作。

1   國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、大眾等汽車制造商成立的合資公司，共同致力于開發(fā)泛歐高速電動車充電網(wǎng)絡。據(jù)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(wǎng)。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(xiàn)。在Ionity 之前，只有特斯拉從事直流快速充電網(wǎng)絡的建設，不過特斯拉超級充電站為其車主專用。在建設規(guī)模上，Ionity 目前無法比擬特斯拉的優(yōu)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(fā)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(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。

菲尼克斯

灝訊

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(jié)見表1。

2   國內(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，成立中國電動汽車大功率充電技術與標準預研工作組，國內(nèi)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(yè)，目前該標準還處于制定狀態(tài)。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(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(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，導體的冷卻效果有限，該技術可以實現(xiàn)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(yè)務。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相進入的領域。

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 的技術指標，產(chǎn)品已進行小批量試產(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、北京北汽藍谷園區(qū)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(xù)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(nèi)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(nèi)對比，線纜電壓差別不大，但線纜能夠承受的電流參數(shù)遠超過國內(nèi)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(xiàn)電纜減重設計，降低了電纜的橫截面積；而目前國內(nèi)技術發(fā)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(shù)據(jù)，其產(chǎn)品也迭代了好幾次。由于國內(nèi)標準接口需要重新擬定，沒有實際應用數(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，隨著ChaoJi 接口標準的發(fā)布，大功率液冷充電槍會迎來一波發(fā)展高峰。

參考文獻：

[1] 陳中,黃學良.電動汽車規(guī)?；l(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)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(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.科技導報.2005(4):24-28.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）