电动汽车大功率充电枪用冷却液的研究

2020-07-31陈鹏程

大众汽车 2020年1期

陈鹏程

南京康尼机电股份有限公司江苏南京 210046

近年来，随着电动汽车的保有量越来越高，充电时间过长也是电动汽车让普通消费者难以接受的原因之一，为了缩短充电时间，保证与燃油车的加油时间大致相同，各国正在积极的研发大功率充电，而大功率的充电功率通常要在350～600kw，才能保证在充电15分钟的情况下，电动汽车的行驶里程达到400km，在大功率充电中，电缆的发热始终是个难以避免的问题，传统的方式是通过加大电缆内铜导体的横截面积来增大电缆的载流能力，但是如果电流达到350A～600A时，电缆的铜导体的横截面积需要达到120～240mm2，这样的话会增大电缆的整体外径及重量，难以操作，只能依靠辅助工具来辅助充电。同时维护起来也很困难。还有一种办法就是使用液冷电缆，来带走电缆中铜导体的发热量，从而使之使用较小的铜导体的截面积即可以承受很大的电流。而传统的使用液冷电缆的实际应用中最多的是电焊机比较多，使用的是低压大电流，由于实际对人安全电压为交流36VAC，直流为60VDC，所以不会对安全性产生影响，但电动汽车大功率充电中不同，如要达到350kw～600kw时，除了电流要在350A～600A，电压更要达到1000V，所以对绝缘性要求更高，传统的电焊机的液冷电缆将无法使用。充电枪的使用温度在GB/T 20234.1-2015中规定为-30℃～+50℃，冷却液在宽温度范围内能够使用也特别重要。

1 大功率充电枪冷却液的基本功能

1.1 与电缆及相连接处密封材质的相容性

可以保证冷却液在电缆内部时不对电缆或相连接处的密封造成影响，从而导致泄露或绝缘不良，影响电气性能及安全性。

对于冷却液与材料的相容性，可以参照GB/T 14041.2-2007《液压滤芯第2部分》材料与液体相容性检验方法标准进行测试：

将被测样品浸没在试验液体中至少72小时，在此期间，试验液体温度应持续保持在比制造商推荐的最高工作温度高15℃以上。

将被测试样品浸没在试验液体中至少72h，在此期间试验液体温度应持续保持在比规定的最低使用温度低5℃以下。

注：如果使用同一试验液体连续进行高、低温试验，宜先进行低温试验。试验后，进行绝缘耐压试验、抗破裂试验。

1.2 比热大

比热越大，在相同质量的流体及温度梯度情况下，吸收热量的能力越强，从而在充电枪中流动的冷却液吸热的能力也就越好。

1.3 粘度低

流体在水平圆管中流动时，其流量q与管子两端内外压差计管的半径R，长度L，以及流体的粘度系数有以下关系：

低温下粘度不能太大，否则影响流动性，造成流动阻力过大，从而对流道耐压能力要求更高，并且对于提供动力的动力源的动力要求也更大，否则无法满足正常的流动。

1.4 闪点高

当冷却液使用温度达到一定温度的情况下，遇明火会产生着火，影响充电枪最高使用温度；通常冷却液的粘度与闪点有关，粘度越大，闪点越高。

1.5 倾点高

低温情况下会发生凝固，造成冷却液在流道内不易流动，从而造成充电枪的柔软度变差，影响充电枪的最低使用温度；通常冷却液的粘度与倾点有关，粘度越小，倾点越低。

1.6 环保性

不会对环境造成危害，具有生物降解性。

1.7 易维护性

可回收，泄露对环境造成的影响尽可能小，使用寿命长，易于维护。

1.8 符合安全法规

因为冷却液在充电枪内使用，需要符合使用国家或地区的使用法规，如安全性、危险品类别、毒性、对环境的影响、废置处理等。

1.9 价格低廉

价格是影响批量化使用的重要因素，价格需要尽量低廉，并且可以容易采购，才能有效的投入到市场，加快大功率的进程。

1.10 绝缘性

冷却液是否绝缘，关系到冷却液是否能与铜导体直接接触，由于电缆上的绝缘层都是非金属材料，要保证其绝缘性，导热系数都会很低，所以选择绝缘液体使之与铜导体直接接触，可更有效的带走铜导体通大电流所产生的热量。如采用非绝缘液体，则需在电缆上进行非绝缘液体与导电铜导体的隔离，非绝缘液体吸收的热量是铜导体发热之后，经过绝缘层的热量，吸收热量的效率变低。

1.11 密度

冷却液的密度会影响整个流道中液体的重量，在选择冷却液时，密度应是越小越好，这样才能保证整个流道中冷却液的重量最轻，在使用时也更加方便。

1.12 稳定性

在正常使用环境温度下，冷却液不会分解产生有毒气体。

2 冷却液的选型

2.1 冷却液的选择理论依据

Q发热 — 铜导体的发热量

I — 通过铜导体的电流

R — 铜导体的电阻

Q传导 — 绝缘层传导的热量

K — 热传导率

L — 绝缘层的导热的长度

A — 绝缘层导热的表面积

t — 时间

Q吸热 — 冷却液吸收的热量

c — 比热容

m — 冷却液质量

△T — 冷却液温差

ρ — 冷却液密度

V — 冷却液体积

q — 冷却液流量

v — 冷却液流速

S — 冷却液流经管道的横截面积

从以上公式可看出，选择直接接触的方式来说，其冷却效果更好，同时，如果充电枪内流道和导体已经固定的情况下，从冷却液方面看，影响吸热的几个参数为c — 比热容，v — 冷却液流速，ρ — 冷却液密度，而其余参数由于流道固定都是固定的量，所以，比热越大，流速越快（粘度越小），密度越大，散热效果越好。同时依据，结合以上公式，也就是说需要考虑cρ/的比例值，cρ/值越大的冷却液，吸热效果越好。

2.2 常用冷却液

下面我们针对一些常用冷却液进行了一些简单介绍。

2.2.1 变压器油

具有优良的绝缘性、抗氧化安定性、低温流动性和导热性。产品适用于500KV以下变压器内部冷却和绝缘及其他的油类似要求的电器设备。10#号用于我国长江以南，25#用于黄河以南，45#用于我国黄河以北地区。牌号越大，低温使用性能越好，价格也更高，同时粘度越大。

2.2.2 硅油

具有良好的介电性质、高拒水性，低火灾危险和反应性，良好的热稳定性，本质上无嗅无毒。主要应用在个人护理产品，如止汗药、除臭剂、头发喷剂等。工业上面主要用在如玻璃瓶和镜头涂料、家用产品成分、机械流体、渗透油成分、电绝缘流体等。硅油的粘度范围很宽，5cts～800万cst，粘度越低，越易燃。

2.2.3 3M氟化液

3 M 氟化液有两种系列，为N o v e c 系列和Fluorinert系列，具有卓越的绝缘特性，大范围的温度选择和超强的材料兼容性，并且低毒性、不易燃、无臭氧破坏，Novec系列更加低温室效应，同时价格也更高一些。

3 参数对比及相关实验

3.1 参数对比

对比以上冷却液的cρ/的值，25#变压器油144577，二甲基硅油为152405，3M FC3283为2669333，3M NOVEC7500为2364405。单纯从吸热理论上来说，3M FC3283的cρ/值最大，做冷却液最合适。但是从价格上说，二甲基硅油更合适一些。只要能够满足我们的使用条件，优选价格更低的冷却液。从使用环境来说，我们同时也要考虑其闪点和倾点。