智能液冷控制技术在超级充电桩上的应用

关键词：新能源汽车；高压平台；超级充电桩；智能液冷控制；控制器；超级充电桩

中图分类号：TM919 文献标识码：A

0引言

随着新能源汽车渗透率快速提升，新能源汽车存在的续航、充电焦虑等核心痛点日益明显。为延长续航里程，各大厂商纷纷扩大电池容量，续航焦虑渐渐被降低，但充电焦虑开始浮出水面。根据新能源车用户充电行为特征洞察结果显示，快速充电成为主流选择，占比高达95.4%，而慢充方式的受欢迎程度则呈现下降趋势[1]。于是，大功率超充顺应而生。同时关于大功率充电的国家标准GB/T20234.3-2023《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》于2023年9月正式颁布实施[2]，从标准法规层面为大功率充电保驾护航。

1大功率充电的现状

1.1大功率快充的实现方式

根据高压蓄电池能量定义，高压蓄电池充电时间（h）＝高压蓄电池容量（kW·h）/充电功率（kW）。每辆电动车匹配高压蓄电池的电池容量都是固定的，例如奇瑞汽车有50kW·h、80kW·h等，所以充电功率越大，充电时间就越短。而根据“功率＝电压×电流”（即P＝UI）可知，当电压P和电流I任意一者提高，功率P就会提升，充电速度就越快，充满电所耗费的时间就越短。所以，实现大功率超快充的方式主要分为高电压快充和大电流快充两种。

1.2高电压快充技术壁垒高，实现难度大

高电压快充，即通过提高电压以提高功率。高电压快充的技术壁垒比较高，因为提升电压会带来安全问题，同时会对零部件的要求增加很多。市面建设好的直流快充桩，所支持的电压一般是200～750V，2022年以来才开始推出200～1000V的超充桩。对应超充桩的高电压平台，新能源汽车也同步需要重塑整车电子电器架构，升高电压平台。目前受制于汽车及充电桩高压零部件成熟度太低的影响，高电压快充技术处于发展初期。

1.3大电流快充技术带来热效应难题

根据焦耳定律（Q＝I²RT）可知，电流通过导体产生的热量和电流的二次方成正比，和电阻成正比，和通电时间成正比。大电流快充带来的热效应显著增加，持续的高温非常容易损害充电装置的电子元件，甚至会引起烧毁的安全事故。因此国家标准GB/T20234.3-2015《电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口》规定，通用第三方充电桩的最大输出电流被限制在250A以内[3]，这也让大电流快充技术的门槛呈指数级增长。随着新能源汽车渗透率快速提升，目前新能源汽车厂家开始进入超级充电桩产业，充电桩行业头部企业也投入大量资源做快充技术研发。例如特斯拉发布的360kW快充技术、小鹏汽车发布的480kW快充技术以及华为发布了600kW快充技术等，均快速推动行业发展，为大功率快充技术普及奠定基础。

2大功率充电技术壁垒攻克

2.1国家标准

保驾护航随着快充技术的发展，全国汽车标准化技术委员会组织主机厂及充电桩企业不断研讨，于2023年完成国家充电标准的更新。更新后的标准GB/T20234.3-2023将最大充电电流从250A提高至800A，充电功率提升至800kW，增加了主动冷却、温度监测等相关技术。

2.2快充技术研发技术路线

目前新能源汽车厂家为了提高客户充电体验，开始进入超级充电桩产业。有些企业直接研发超充技术，建立独有品牌超充站，如小鹏、广汽埃安、极氪汽车和特斯拉汽车等。也有些企业与充电桩头部企业，例如华为、星星充电和特来电等公司合作，共同开发超充技术，建立超充站服务广大新能源车主。针对大电流高电压快充带来充电桩的充电枪线热效应显著增加的问题，当前主要通过降低充电枪线缆的发热量解决，这主要是通过风冷和液冷两种技术路线。

风冷快充技术路线采取加粗电缆的方式来散热，额定充电电流最大允许250A，额定充电功率250kW，但枪线线缆直径大，使用笨重，用户充电体验不佳。而使用了液冷技术的充电桩，通过电子泵驱动冷却液流动，使冷却液在液冷电缆、储存冷却液的储液罐以及散热器之间循环流动，从而实现散热效果，所以液冷充电桩的电线电缆很细但却又很安全。但对应的液冷和控制技术有壁垒，对企业研发要求高。本文介绍一种超级快充桩的智能液冷控制技术，可支持充电桩在保证安全的情况下输出600kW甚至更高的充电功率。

3大功率充电技术方案——智能液冷控制

3.1超级快充桩结构简介

超级快充桩（以下简称充电桩）通常为分体式，由超级快充桩功率柜和超级快充桩终端组成[4]。功率柜主要包含功率模块和充电桩控制系统，终端主要包含充电枪线和人机交互界面（图1）。

充电枪线安装在充电终端上，主要是连接充电桩和车辆，实现充电和信息通讯功能。功率模块安装在充电桩内，功率模块主要实现将交流电转换为汽车充电需要的直流电。充电桩控制系统，主要实现充电系统启停、数据交互、参数监控、数据处理和信号通讯。人机交互界面，主要给车主操作启动、关停充电动作，显示充电过程的电压、电流、时间和费用等信息[5]。

充电桩四大模块中，功率模块、控制模块以及人机交互模块技术均比较成熟，瓶颈技术是高电压大电流情况下充电枪线的散热技术。

3.2智能液冷控制系统工作原理

本文介绍一种基于智能液冷散热技术的超级充电桩枪线散热方案，此方案采用电子式温度开关开控制散热风扇启停、充电电流限流启动和充电桩控制器控制液冷水泵运转，来给充电枪线进行液冷散热。该技术方案具有较好的针对大电流充电过程中充电枪线的散热造成的温度升高的管控能力，无需额外增加液冷冷源散热系统控制器，成本更低、系统可靠性和充电安全性更高。此方案是在传统自然风冷技术方案基础上增加电缆液冷散热设计，由4个部分组成（图2）。

（1）液能充电枪线，是连接电动汽车和超级充电桩为电动汽车动力电池提供直流电源的充电连接装置，由枪线和枪头组成。

（2）电子式温度开关，主要是控制散热风扇启动散热和过温时发送限流信号，安装于冷源内部，通过采集冷却系统内部冷却液的温度和充电枪枪头的温度，并根据温度来控制散热风机和液冷泵的启停。

（3）液冷冷源，包含有液位检测模块、压力检测模块、电子式温度开关和水泵控制，主要是使充电时让冷却液流动起来，并自带液位和液压检测传感器。将电缆大电流高电压充电时发出的热量及时传导交换输送出来，再利用冷源散热风扇及时将热量排除。其中液位模块主要部件为液位传感器，进行冷却液位检测；压力检测模块主要为液压传感器，进行冷却液压力检测；电子式温度开关有两个，分别检测冷却液的温度和充电枪头的问题，水泵控制系统保证冷却液的流动。

（4）充电桩控制系统，主要是控制充电系统启动输出、数据交互、液位检测数据、压力检测数据、冷源启停及参数监控。此方案实施后提供一种新的散热方案和控制策略，能够将充电线缆和枪头温度维持在正常温度范围内，从而将额定电流提高到600A，将额定功率提高到600kW，同时充电枪线重量可减轻30%以上，从而延长充电枪的使用寿命，提高充电安全性。

3.3智能液冷控制系统控制逻辑

如图3所示，液冷充电系统启动前，充电桩控制系统会检测冷源中冷却液的压力，压力在正常范围内可进行正常充电操作。若冷却液的压力异常，则将故障代码上传到运营监控平台。充电启动时会同步启动液冷水泵，冷却液开始流动。

充电启动后，电子式温度开关会对冷却液温度进行检测，如温度达到设定限值后电子式温度开关启动散热风扇进行散热；如温度在未达到限制值，则在保证枪线正常工作范围类继续加大功率输出，直到达到允许最大电流。

充电启动后，充电控制系统会实时检测枪头内部温度，当温度过高时充电控制系统会对输出电流进行降额处理，直至降至正常温度后再逐步加大电流输出；同时出液口电子式温度开关会对出液温度进行实时监测，当温度超过限值后会立马发送电流降额请求，使控制器进行强制降额直至温度回归限值以下。

当结束充电时，充电枪头温度检测和电子式温度开关会进行温度检测判断；若温度检测到仍较高时，液冷泵和散热风扇会继续维持运转，来保证将液冷系统热量散到合理温度值；若温度检测到在正常值内，充电桩控制系统会停止液冷泵运转，电子式温度开关会断开散热风扇运转，整个冷源系统会停止运行进入到待机模式。

4智能液冷控制快充技术批量化应用

4.1智能化液冷控制技术优化企业成本

以奇瑞充电桩企业为例，其超级充电桩在采用此充智能液冷控制技术以后，可以将充电桩枪线冷源系统子控制器取消，其控制逻辑上移到充电桩主控制器，形成充电桩总成域控制器，其物料成本及生产直接减少，同时交付给客户以后减少售后服务，成本核算共计可优化10%以上。大大调高其超级充电桩产品在大功率充电市场非常有竞争力。

4.2智能化液冷控制技术推动企业研发升级

传统充电桩企业基本可以归类为制造类企业，其智能控制技术、电子电器架构、控制器软硬件开发能力非常薄弱。在如今智能化时代，很多企业面临生存压力。智能化液冷控制技术要求企业加大研发投入和人才培养，在智能化控制、电子电器架构、控制器软硬件开发领域快速成长，否则将会被行业淘汰。企业在此技术的牵引下，能够快速打造一直满足新四化的优化研发团队。比如当前TOP充电桩企业均组建了专门的智能化团队来应对市场需求。

4.3智能化液冷控制技术应用难题

以上虽提到智能化液冷控制技术基本已经具备量产条件，但各家充电桩企业及新能源企业仍然面临诸多瓶颈，如电子电器元件无法长期耐高压、高热存在安全隐患，如各企业智能化团队能力不足或者智能化团队缺失，导致能力不足以支撑智能化液压控制技术从项目立项到设计验证直到产品批量投放市场等等。但好在各企业已经意识到此重要性，均在加大建设力度，少数企业已经开始具备量产投放条件，如奇瑞充电桩企业。

5结束语

此智能液冷技术方案，重点解决大电流充电过程中充电枪线温度升高过快的痛点，同时此智能液冷控制技术也推动了充电基础设施的研发技术升级，为电动汽车行业的可持续发展提供了有力支撑，具有广阔的市场前景与行业意义。

作者简介：

张卫琴，硕士，高级工程师，研究方向为新能源汽车充电、智能驾驶。