大功率充电设施电气性能影响因素研究分析

赵倩然 高燕万 王娇娇 李泉融

【摘  要】大功率充电时代的到来，对充电设施的充电效率、安全性提出了更高的要求。其中，散热效率和功率模块是影响大功率充电设施的充电效率和安全性的重要因素。文章将具备不同散热方式终端的整机充电效率和极限温升结果进行对比分析，验证液冷终端在大功率充电过程中的优势。从稳压精度、稳流精度、输出电压设定误差、输出电流设定误差等方面，探究不同功率的充电模块对整机电气性能的影响。

【关键词】大功率充电设施;散热;功率模块;电气性能

中图分类号：U469.72    文献标识码：A    文章编号：1003-8639（ 2024 ）05-0018-04

Research and Analysis of Factors Influencing the Electrical Performance of High-power Charging Facilities

ZHAO Qianran，GAO Yanwan，WANG Jiaojiao，LI Quanrong

（CATARC New Energy Vehicle Test Center（Tianjin）Co.，Ltd. Tianjin  300300，China）

【Abstract】The arrival of the high-power charging era has put forward higher requirements for the charging efficiency and safety of charging facilities. Among them，heat dissipation efficiency and power module are important factors affecting the charging efficiency and safety of high-power charging facilities. In this study，the charging efficiency and limit temperature rise results of the whole machine with terminals of different heat dissipation methods are compared and analyzed，and the advantages of liquid-cooled terminals in the high-power charging process are verified. The effects of charging modules with different powers on the electrical performance of the whole machine are investigated in terms of voltage stabilization accuracy，current stabilization accuracy，output voltage setting error and output current setting error.

【Key words】high power charging facilities;heat dissipation;power module;electrical performance

1  前言

近年来，随着新能源汽车领域的高速发展，人们对于能够实现快速补能的配套充电设施的需求日益旺盛，大功率充电时代已经到来。大功率充电的实现途径有两种，一是高电流，二是高电压。高电流快充方案的部件优化成本低，但随之产生的热管理问题不容小觑，因此400V乃至800V以上的高电压平台凭借其电磁干扰低、技术攻克难度低等优势，成为如今大部分新能源企业实现大功率充电的主要技术路线[1]。但无论选择哪种大功率充电方式，都对充电设施的充电效率、安全性提出了更高的要求。

影响大功率充电设施的充电效率和安全性的因素有很多，其中，散热效率和功率模块是两大重点。在快速充电过程中端子、线缆等部件都会产生大量热量，不仅限制了整个充电速度，还容易造成充电的安全隐患，因此，选择高效适宜的散热方式尤为重要。大功率充电设施常采用的终端有两种，一种是普通终端，采用强制风冷散热，即通过空气的流动对发热部件进行循環换热，该技术成本低、易维护保养，但散热效果受环境影响大;另一种是液冷终端，采用水、乙二醇水溶液、硅油等介质转移走充电系统中的热量，该技术散热更均匀、噪声也更小，但对管路设计、密封技术要求较高[2]。

功率模块作为整个充电设施的核心部件，其性能会直接影响到充电效率[3]。充电设施的快速充电能力是通过模块的大功率电能输出实现的，随着越来越多的快充、超充的车辆用电需求的增大，充电模块的功率等级提升逐步成为发展趋势。经过多年的市场更迭，30kW、40kW是当前充电模块主流的功率等级。要想在有限的充电桩内部空间中实现模块的大功率电能输出，这就需要适宜的模块数量、合理的空间布局以及更高的功率密度。在追求充电模块大功率化的同时，也要注意随之而来的安全问题，例如过热、漏电等。因此，在选择充电模块时，要结合实际的用电需求和应用场景，提高其充电效率和安全性，以达到充电模块的最大化利用。

2  试验系统的搭建

本研究的试验过程均在中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司试验室中进行，环境温度20℃±5℃，环境湿度40%～60%。

所有样品的试验过程使用的检测设备均相同，有：可编程大功率双向交流电源（AGS-40-4506）、车桩充电模拟系统（CGSIM C31A-1k/500CG）、大功率电子负载（ABS-E75-2010-W）、示波器（DL950）、数据采集系统（GM10）和数显温湿度计（GSP-6）。样品的具体参数配置见表1。

3  试验数据分析

本研究将具备不同散热方式终端的整机充电效率和极限温升结果进行对比分析，验证液冷终端在大功率充电过程中的优势。从稳压精度、稳流精度、输出电压设定误差、输出电流设定误差等方面，探究不同功率的模块对整机电气性能的影响。

3.1  不同散热方式的终端对大功率充电设施电气性能的影响

如表2所示，本研究将样品1和样品2分体式直流充电机设置为对照组A，对其充电效率和极限温升进行了验证测试。

3.1.1  充电效率试验

在本试验中，充电效率的计算公式为：

式中：η——效率;Pd——直流输出功率;Pa——交流输入有功功率。

对照组A的充电效率数据如表3所示。Uin为额定输入电压，In为额定输出电流，Pmax为额定输出功率，Umax、Umen、Umin为允许输出电压上限值、中值、下限值，U'max、U'men、U'min为选取的恒功率段上的允许输出电压上限值、中值、下限值。

通过表3可以看出，样品1和样品2的充电效率在93%～98%区间内，差距不太大，均符合NB/T 33008.1—2018[4]中的标准要求。其中，样品2的充电效率略低于样品1，这是由于在充电过程中液冷终端的输出电流更大，端子及线缆的发热量更多，需要液冷系统不断地循环换热带走热量，从而能耗略大。

3.1.2  极限温升试验

在本试验中，样品1的额定输出电流为200A，最大输出电流为250A;样品2的额定输出电流为400A，最大输出电流为600A。对照组A的极限温升数据如表4所示。

为了更加直观地了解趋势变化，将表4中对照组A的极限温升数据绘制成折线图，如图1所示。从图1可以看出，在分体式直流充电机的各测量位置上，尽管样品2在充电过程中的输出电流更高，端子及线缆的发热量更大，但极限温升数据仅略高于样品1，且二者的极限温升均符合NB/T 33001—2010[5]中的标准要求，这充分说明了与普通终端相比，液冷终端的散热效率更高。

3.2  不同功率的模块对大功率充电设施电气性能的影响

如表5所示，本研究将样品2和样品3分体式直流充电机设置为对照组B，对其稳压精度、稳流精度、输出电压设定误差、输出电流设定误差进行验证测试。

3.2.1  稳压精度试验

在本试验中，稳压精度计算公式：

式中：δU ——稳压精度;UZ ——交流输入电压为额定值且负载电流为50%的额定输出电流时，输出电压的测量值;UM ——输出电压的极限值。

对照组B的稳压精度数据详见表6。

3.2.2  稳流精度试验

在本试验中，稳流精度计算公式：

式中：δI ——稳流精度;IZ ——交流输入电压为额定值且输出电压在上、下限范围内的中间值时，输出电流的测量值;IM ——输出电流的极限值。

对照组B的稳流精度数据见表7。

3.2.3  输出电压设定误差试验

在本试验中，输出电压误差计算公式：

式中：ΔU ——输出电流误差;UZ ——交流输入电压为额定值且负载电流为50%的额定输出电流时，输出电压的测量值;UZ0 ——设定的输出电压。对照组B的输出电压设定误差数据详见表8。

3.2.4  输出电流设定误差试验

在本试验中，输出电流误差计算公式：

式中：ΔI——输出电流误差;IZ——交流输入电压为额定值且输出电压在上、下限范围内的中间值时，输出电流的测量值;IZ0——设定的输出电流。对照组B的输出电流设定误差数据详见表9。

为了更加清晰对比，将表6～表9对照组B的电气性能数据做成条形图，如图2所示。从图2中可以看出，样品2和样品3的电气性能数据相差并不大，其中，稳压精度、输出电压设定误差不超过±0.5%，稳流精度、输出电流设定误差不超过±1%，均符合NB/T 33008.1—2018[4]中的标准要求。说明：16个30kW充电模块或12个40kW充电模块组合，无论采取何种组合方式，整机的电气性能都能达到较为理想的充电效果。

4  总结与建议

通过试验数据的对比分析，得出以下结论。

1）当主机柜功率相同（采用16个30kW充电模块组合）时，端子及线缆在600A充电电流下所产生的热量显然要高于在250A充电电流下所产生的热量，而试验结果中液冷终端的充电效率仅略低于普通终端，极限温升仅略高于普通终端，并且均在标准要求范围内，即在相同充电条件下，液冷终端的散热效率要远高于普通终端。液冷终端通过液体的循环换热，实现了快速、稳定的充电过程，因此，对于大功率充电设施的散热需求，液冷终端将是最实际的解决方案之一。

2）当主机柜功率、终端散热方式相同时，采用16个30kW充电模块或12个40kW充电模块组合，整机的稳压精度、稳流精度、输出电压设定误差、输出电流设定误差数据差距不大，均能满足标准要求。在实际应用中，充电模块的数量、单个充电模块的功率直接决定了充电桩的充电功率，但除此之外，還要综合考虑经济成本、资源利用率等，模块的功率和数量并不是越多越好。因此，当选择充电模块时，要根据实际充电需求和使用场合选择合适的功率，以满足最大程度的充电效率和实用性。

本研究还存在一些不足之处，后续工作可以从以下几个方面开展：①本研究只根据终端散热方式和模块功率设置了2组对照试验，每个对照组分别选取了2种样品，且样品属于同一生产厂家，由此所得的数据不够全面，无法覆盖市场上多种类的充电桩，在后续工作中，将增加对照组的样品种类、数量，设置多组平行试验，保证数据的可靠性;②本研究只选取了部分电气性能试验来探究终端散热方式、模块功率对大功率充电设施电气性能的影响，但终端散热方式和模块功率影响的试验有很多，在后续工作中，将增加其他的电气性能试验，从多角度切入作对比分析，保证研究的全面性。

参考文献：

[1] 林墩，蓝海龙，谭易，等. 电动汽车大功率充电发展趋势研究[J]. 中国汽车，2023（9）：19-24.

[2] 刘岿，潘景辉，吕国伟，等. 不同散热方式对大功率汽车充电设备的影响分析[J]. 环境技术，2023，41（11）：171-176.

[3] 张栋，熊萌，尤国建，等. 电动汽车大功率直流快充充电桩充电模块的设计及性能测试[J]. 科学技术创新，2023（20）：213-216.

[4] NB/T 33008.1—2018，电动汽车充电设备检验试验规范 第1部分：非车载充电机[S].

[5] NB/T 33001—2010，电动汽车非车载传导式充电机技术条件[S].

（编辑  凌  波）

收稿日期：2024-03-14