电动汽车大功率下高压连接热损耗问题探讨

2021年5月12日
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电动汽车不同于传统汽车,电动汽车上使用了大量的功率器件,在工作时会产生大量的热,功率越大,热损耗也就越大,根据能量守恒,这个热不会消失;

热损耗我理解为主要集中在2个场景下面:

  1. 大功率快速充电下,充电设施端到电池端口及端口到电芯;
  2. 车辆动态运行下的母线电传导热损耗

电动汽车大功率下高压连接热损耗问题探讨

以上2个场景,正好一个是静态场景,一个是动态的;这篇文章我们先聊聊静态的。

我们先来看静态的,续航里程一直是困扰电动汽车走进千家万户的重要问题,随着电池技术的提升,整车已经可以实现600km+ 的续航里程,而让充电无限接近加油的速度又是努力方向,一般加油也就是三五分钟的事情,一般加一次油跑个500公里问题不大,而现阶段的充电技术做到这个有很大难度,快充下,花个半小时充电,跑个两三百公里差不多;

电动汽车大功率下高压连接热损耗问题探讨

目前的现有的水平,400V的系统下,充电电流控制~在300A以内,技术还是相对比较成熟的,也不需要充电冷却系统;功率大概在80~90KW;

但是如果你要缩短充电时间同时保证长续航,比如150KW,如果还是在400V的系统(实际很多主机厂系统电压高于400V),那你的电流就得高达375A,这种状态下,一般的DC快充接头温升是扛不住的,而且这么大的电流要求电缆截面积很大,理论上来算,400A的电流,电缆截面积要求95方,而375A要求接近95方了,如果下一代500KW,同样的电压系统,就要求更高的电流,比如最新的GB / T – CHAdeMO联合定制的充电口,功率输出将增加到900 kW(在600 A和1,500 V时)

这个地方有出现2个方式,我理解为长短期:

一个是现阶段,在150KW的快充下,基本上充电接口都采用了液冷方式

另外一个就是,长远看就是整车系统电压的提升,比如从400V到800V

液冷快充

相比于传统的DC充电枪和电缆,带液冷的充电枪和充电电缆,是在充电枪、电缆、充电桩回路上增加了冷却管道,主要电缆内部增加了冷却液的管道,这种方式在不用提高整车电压的前提下满足大电流(比如600A)的快速充电同时,保证温升不超标,因为采用了冷却液实时冷却,所以电缆截面积也没有那么大,重量也降低了,可以适应各种人群的实际操作;

但是就像特斯拉的对外声明里说的,液冷快充是需要额外费用的,为什么?

因为理论上,它只是降低了充电温度而已,但是伴随的损耗却是很大,接近10%,当然我认为这也是选择的方式之一,你想要更好的服务体验,多花钱也无可厚非;目前对外称掌握该技术的企业很多,比如国外的菲尼克斯、灏讯、ITT等,国内的沃尔、星星充电、中航等,此方式原理上其实并不复杂,但是需要从系统层面去考虑问题,涉及需要可控的点比较多,所以技术的成熟与否,暂不评论。

有一点在液冷的方式下,温度是降下来的;从充电桩到充电枪,这个只是充电回路的一半,另外一半从充电插座到电池快充端口,其中电池的快充端口也依然要承受非常高的电流,而静态下,车外的冷却回路很难延申到车身快充的端口,所以车身快充的连接器的性能又变得至关重要了,个人妄猜,这也是特斯拉为什么在model Y上把快充的连接器换成金属的同时,改为螺栓的连接方式,应该是最大程度的考虑热损耗的问题;

电动汽车大功率下高压连接热损耗问题探讨

所以短期来看,液冷充电的方式会作为一种快充补充方式存在,供给一些有特定需求的用户群体,并不是长远的目标;

而另外一种方式,就是提高整车的系统电压,功率不变,电压变大,电流自然小了,前段时间保时捷的800V系统,引起热议,但是从400V到800V,所需要改变的还是非常多的,因为电压的提升影响面比较广,虽然400V到800V都还是B级,从400V 到800V电气间隙的变化不会有较大改变,不会影响整体的布置,但是爬电距离变化较大,例如我们根据IEC的标准来查询,在400V,绝缘材料组为Ⅰ的时候其爬电距离是2mm,但是到800V的时候其是4mm,如果爬电距离的成倍增加,其绝缘电阻也会成倍的增加,相应的测试电压也需要成倍的增长,所以整车B级电路相应的零部件的爬电距离都需要依次来设计;所以对于新能源汽车300~400V系统的高压部件的供应商来说这是一个非常大的挑战,意味着你需要更大的尺寸,而且很难兼容原有系列的产品,

电动汽车大功率下高压连接热损耗问题探讨

当然如果你一开始就考虑到了高电压的平台另当别论;当然高压带来的问题还包括电磁干扰的问题和高压下的电弧危险等问题,从高压连接器和电缆来说其实影响没有那么大,目前大多数高压连接器都还是按照1000V设计的;

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相比提高电压的方式,现阶段提高电流,增大电缆截面积是绕不开的路,电缆越大,电流越大,电流越大,产生的热就越大,目前电动汽车出现很多问题都因为温度过高导致,所以控制温度监控问题是很多企业要去长远的考虑问题;

目前我们选择连接器都会看其额度参数,看其降额值,依照这些数据来判断,我们选的产品是否适合使用,一般来说,选的连接器工作参数低于其最大的性能,就是可以满足使用的,而实际使用也都需要留出冗余,这种方式也保证了其使用寿命;但是车辆在行驶的时候是一个动态的过程,而连接器的本身测试机制是相对静态的,比如电动汽车中高压连接器的典型应用包括将连接器的一侧安装到母线,例如电池,逆变器或车载充电器上。此应用与连接器实际降额测试方法大不相同,在降额测试方案中,只是将1.4 m长的电缆连接到连接器的两侧,比如通过1.4米的电缆向连接器施加400 A的电流时,组件需要一个多小时才能达到稳定状态。而实际情况呢,快充只需要10分钟内就能完成充电,因此实际的充电是要早于组件测试的情况的;

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另外,实际的驾驶周期通常具有高动态负载变化的特征。这些变化会产生持续几秒钟的高振幅电流峰值,我们在实际和客户沟通中,客户经常会提出在某某电流下需要承受多长时间的要求,一般连接器厂家都会去临时做测试,而这种测试又是静态的,其实是没有办法完整的体现实际的情况的;

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全球协调一致的轻型车辆测试程序(WLTP)

行驶周期的图表显示了真实行驶周期的突然负载变化。,车速为蓝色,标准化功耗为红色。

所以无论哪种情况,我们都需要逐步去建立较为真实的热损耗的模型,依靠模型和降额双重方式来选择产品,建立的模型基本层面是要搞清楚热产生的基理,可以依据基尔霍夫定律来建立热等效电路(TEC),该等效电路类似于电气等效电路,基本上由热阻(相当于欧姆电阻)和热容(相当于电容器)组成,可以回到文章开头的2个场景,静态和动态建立模型,但是考虑的方式都是从最基本的连接点到模块到系统单元,分析每个点的热损耗分布情况,以及周边的影响情况;整车的热仿真的成本较高,耗时也较长,如果能够建立有效的快充回路热分析模型和母线上的热分析模型就可以快速的确定某个模块或者场景下的区域温度等情况,从而更好的释放产品性能瓶颈;

电动汽车大功率下高压连接热损耗问题探讨

图片内容来自TE:《Thermal management of high power charging (HPC) for electric vehicles》

当然这个地方还有采用更轻的铝导线来替代铜导线的方式也值得考虑,但是因为铝自身的问题,其在整车的应用场景十分的有限;之前的文章中也有分析过铝导传导的相关影响,感兴趣的朋友可以看看;

目前控制温升的办法无非是外部和内部,外部类似通过增加冷却管道的方式带走热量,内部通过类似通过改变连接方式以及可靠性,比如压接改为超声波焊接,比如增加压接面积等等,都是为了增加接触电阻的方式来降低自身的热产生;

现有的技术层面都是把其它行业成熟的技术叠加到新产品中,进行组合优化,来短期内实现瓶颈突破;当然,我们也看到有国外企业从材料层面做文章的,比如改变快充端子的材料以及电镀方式等;

文章内容素材来自网络公开文件,如有问题请告知调整,部分内容摘自:
《Thermal management of high power charging (HPC) for electric vehicles》
《Hot topic: Electric vehicle components get more sophisticated thermal models》-Dr. Michael Ludwig

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