不同散热方式对大功率汽车充电设备的影响分析

刘岿，潘景辉，吕国伟，罗梓才

（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

1 绪论

1.1 研究背景

随着全球能源、环境等问题日益凸显，碳达峰、碳中和是着力解决资源环境约束突出问题、实现国家永续发展的必然选择[1]，大力发展新能源汽车产业是我国构建绿色低碳经济体系重要一环。今年来，我国新能源汽车产业发展迅猛，产销连续8 年全球第一[2]，预计到2025 年，新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20 %左右[3]。国际公认的新能源汽车的首选是纯电动汽车，纯电动汽车的充电载体是单纯的动力电池，充电方便，运行安全可靠充电[4]，设施作为电动汽车补充动力的关键装备，其发展与推广已成为新能源汽车产业发展中不可忽视的问题。我国充电基础设施已建成世界上数量最多、服务范围最广、品种类型最全的充电基础设施体系[5]。随着我国新能源汽车保有量快速上升，“充电难、充电慢”问题日益成为社会关注的热点[6]，加快发展大功率充电设施成为了破局之道。

当大功率充电设施处于高电压、大电流时，单位时间内设备产生的热量远远大于小功率充电设施，温度的升高容易引起热安全问题[7]。于是良好的散热系统显得尤为重要。

1.2 充电设施散热方式分类

热量传递通常包括热传导、热对流、热辐射三种基本方式[8]不同的散热方式均是利用其中一种或几种组合的形式进行冷热循环。

1）自然冷却

自然冷却是利用密度随温度变化而产生的流体循环过程来带走热量的冷却方式。小功率充电桩内部结构简单，主板直接或间接外壳连接，产生的热量通过热传导和热辐射方式进行热量传播，从而达到散热目的。

2）空调

空调一般包括冷源/热源设备，冷热介质输配系统，末端装置等几大部分和其他辅助设备。主要包括：制冷主机、水泵、风机和管路系统。末端装置则负责利用输配来的冷热量，通过送风机送出，与高温气流进行热湿交换[9]，具体处理空气状态，使目标环境的空气参数达到一定的要求。

3）强制风冷

强制风冷系统主要有散热风扇组成。是用增加空气的流动作为媒介来实现热源件的冷却需要的散热方式。

4）液冷

液冷系统的基本组成包括：电动水泵，温度传感器，压缩机，冷凝器，蒸发器，液液热交换器。使用液体作为热量传输媒介，为发热部件进行换热,进而带走热量的技术。

1.3 本文研究内容

本文围绕大功率充电设施不同散热方式在充电过程起到的作用，分析其对大功率充电效率的影响大小。根据标准[10]和标准[11]对只配置有强制风冷系统的、配置有强制风冷系统和液冷充电插头的、配置强制风冷和液冷充电模块的额定输出功率为480 kW 的充电设施进行温升试验和充电效率试验，记录数据；对额定输出功率为720 kW 的充电设备进行以上相同试验，通过测量数据对比分析，得出结论。

2 实验搭建及测试

2.1 试验环境搭建

本文中所有试验均在威凯检测技术有限公司3105 试验室中进行，环境温度（25±5）℃；所有样品的试验均使用同一套检测设备，使用试验仪器设备有：直流负载柜（FC-000671、FC-000672）、功率分析仪（FC-000675-2）、电网模拟电源（FC-000674）、直流电子负载（FC-000675-4）、可编程高压电源供应器（FC-000675-3）、便携式图表记录仪（FC-000220）、数显式温湿度表（FC-000583）；

样品配置情况如下：

所有充电设施均是分体式直流充电设备，由快充直流充电机和直流充电终端组成，所有快充直流充电机均采用强制风冷散热方式，具体配置信息如下：

1#样品：直流充电机的额定输出功率为480 kW，直流充电终端的额定输出功率为360 kW，车辆插头输出250A 750/1000VDC，充电模块规格是：输入：285-475VAC，输出：50-1000VDC/0-134A。充电模块无液冷装置，车辆插头无液冷装置；

2#样品：直流充电机的额定输出功率为480 kW，直流充电终端的额定输出功率为480 kW，车辆插头输出600A 750-1500VDC，充电模块规格是：输入：285-475VAC，输出：50-1000VDC/0-134A。充电模块无液冷装置，车辆插头配置液冷装置；

3#样品：直流充电机的额定输出功率为480 kW，直流充电终端的额定输出功率为360 kW，输入：DC200-1000V 输 出：DC200-1000V DC15~600A（单 枪DC 15-250A，单枪180 kW）。充电模块规格是：输入：320-530VAC，输出：200-1000VDC/0-200A。充电模块配置液冷装置，车辆插头无液冷装置；

4#样品：直流充电机的额定输出功率为720 kW，直流充电终端的额定输出功率为240 kW，车辆插头输出250A 750/1000VDC，充电模块规格是：输入：380VAC，输出：150-1000VDC/0-100A。充电模块无液冷装置，车辆插头无液冷装置；

5#样品：直流充电机的额定输出功率为720 kW，直流充电终端的额定输出功率为600 kW，车辆插头输出600A 750/1000VDC，充电模块规格是：输入：380VAC，输出：150-1000VDC/0-100A。充电模块无液冷装置，车辆插头配置液冷装置；

6#样品：直流充电机的额定输出功率为720 kW，直流充电终端的额定输出功率为240 kW，车辆插头输出250A 750/1000VDC，充电模块规格是：输入：320~530VAC，输出：200-1000VDC/0-200A。充电模块配置液冷装置，车辆插头无液冷装置。

2.2 设置对照组

分组情况见表1、表2。

表1 对照组1 组情况

表2 对照组2 组情况

2.3 试验测量数据

1）温升试验（测试环境温度23 ℃）见表3。

表3 直流充电机温升测量表

2）效率试验见表4。

表4 直流充电机充电效率及功率因数测量表

3 结果分析

3.1 温升测量结果对比

1）对照1 组

将对照1 组温升测量数据绘制成折线图，可简单明了地针对三个样品各部位的温升大小进行比较，如图1所示。

图1 1#~3#样品温升测量数据折线图

由图1 可知，1#~3#样品在输入为额定值、充电机在最大输出电流下长期运行，内部各发热元器件及各部位连接端子处的温升相近。采用强制风冷加液冷车辆插头的2#样品使车辆插头的额定输出功率达到600 kW，其产生的热量经过液冷装置散热，让充电电缆的温度降到安全范围。3#样品在相同额定功率的直流充电机中配置了液冷充电模块，液冷充电模块的额定输出功率是普通充电模块额定输出功率两倍的情况下，充电模块端子的温升最低，但其他部位的温升高于1#和2#样品同位置的温升值。

2）对照2 组

将对照2组温升测量数据绘制成折线图，如图2所示。

图2 4#-6#样品充电效率和功率因数图

由图2 可知，4#~6#样品的测量结果相较对照1 组的结果，各样品之间相同部位的温升值更加接近。三种散热方式使三个样品各部位温升值满足标准要求。其中采用液冷车辆插头的5#样品绝缘导线的温升值最低，采用液冷充电模块的6#样品模块端子的温升值最低。

3）两对照组比较

1# 样品和4# 样品的散热方式相同，2# 样品和5#样品的散热方式相同，3# 样品和6# 样品的散热方式相同；将其中样品各部位的温升值两两对比，差异很小。

4）小结

6 个样品共采取了三种不同的散热方式，在每套样品的直流充电机中，均采取了强制风冷的散热方式，不同地方在于1#、4#样品没有额外配置其他散热装置，2#、5#加配了液冷充电车辆插头，3#、6#样品加配了液冷充电模块。

以上三种散热方式均能达到良好的散热效果，使各发热元器件及各部分的温升值符合标准要求。

3.2 充电效率与功率因数测量结果对比

1）对照1 组

将1#~3# 样品测量结果中的充电效率绘制成柱状图、将功率因数值绘制成折线图，经组合后如图3 所示。

图3 1#-3#样品充电效率和功率因数图

由图3 可知，1#~3#样品的充电效率基本维持在（89~96）%区间，功率因数的大小在0.97~1.00 区间，相互之间的差距较小。第5 阶段设定的额定输出电流电压值，通过对比，各样品都有良好的表现，充电效率维持在95 %左右，功率因数在0.98 以上。

2）对照2 组

将1#~3# 样品测量结果中的充电效率绘制成柱状图、将功率因数值绘制成折线图，经组合后如图4 所示。

图4 4#-6#样品充电效率和功率因数图

由上图可知，4#~6#样品的充电效率基本维持在（90~97）%区间，功率因数的大小在0.95~1.00 区间，相互之间的差距较小。

3）两组比较

1#样品和4#样品的散热方式相同，2#样品和5#样品的散热方式相同，3#样品和6#样品的散热方式相同；所有样品在不同设定值下，充电效率和功率因数均能达到标准要求。

4）小结

以上三种不同的散热方式的样品，在效率试验和功率因数试验中，均有优秀表现。其中才用液冷车辆插头的样品额定输出功率高，采用液冷模块的样品，配置充电模块的数量少。

4 结论与展望

4.1 结论

本文通过设置两组对照试验，分析了相同额定输出功率时，不同散热方式的充电设施的温升、充电效率和功率因数的测量数据对比，不同额定输出功率时，不同散热的充电设施的温升、充电效率和功率因数的测量数据对比。在达到充电设施额定输出功率时，三种不同的散热方式下，设备的温升、充电效率和功率因数测量数据相近。在车辆插头的额定输出电压均为1000 VDC 的情况下，普通车辆插头的额定输出功率为240 kW，额定电流为240 A，液冷车辆插头的额定输出功率为600 kW，额定电流为600 A。因而不同冷却策略的充电设备的发热量不同，但最后形成了近似的测量数据，通过分析得出以下结论：

1）在供电设备端，配备液冷车辆插头的样品，极大降低了大电流带来的发热影响，使相同额定输出功率的两种大功率充电设施的充电效率总体上相近，充电设施内部相同部位的温升数据接近，达到了与只有强制风冷的充电设施近乎一样的状态，液冷装置的冷却效果显著。

2）液冷装置针对性散热明显，通过控制变量方法，将原来普通车辆插头或充电模块更换为液冷车辆插头或液冷充电模块，在充电效率和功率因数均达标的情况下，该部位的温升值相较其他测试样品最低，其他部位的温升值则无明显优化。

3）在电动汽车充电端，配备液冷车辆插头的样品的单枪额定输出功率是普通车辆插头的2.5 倍，表明同一辆电动汽车充电相同的电量，使用液冷车辆插头充电时间更短，因此使用液冷冷却策略的大功率充电设施的充电效率更高。

4.2 课题研究不足与展望

目前配备液冷装置的大功率充电设施还在推广阶段，样品的种类和数量有限，本文仅从此次试验的数据出发进行分析，无法全面覆盖。

希望配备液冷装置的大功率充电设施得到推广，今后更加深入地对此方面进行研究。