一种大电流超充的液冷充电桩线缆.pdf

2023年第3期No.32023线缆产品摘要：介绍了一种大电流超充的液冷充电桩线缆的结构设计，其中包括导体、冷却管道、主绝缘、成缆和护套结构的设计，以及在大电流超充的线缆温度的变化特性。导体采用IEC60228第五类退火铜线制成。首先把铜线绞合成圆形，然后再紧压成半圆形。在挤出绝缘层之前，通过直放的方式，把半圆形导体和半圆形冷却管合并成一个圆形结构。冷却液通过半圆形冷却管从充电桩泵入，而后通过充电枪端子循环装置，将冷却液从圆形冷却管道流出到充电桩内进行循环冷却，在冷却液循环流通过程中会将主动力线导体大电流超充产生的热量带走，避免充电桩线缆在大电流快充过程中由于热量积累而使导体电阻变大、过热限流、引起火灾等安全事故的发生，从而提高充电效率和延长充电桩线缆的寿命。该液冷充电桩电缆结构设计合理，充电效率高，可在5 8 min内给电动汽车完成充电。关键词：充电桩线缆；液冷；半圆形导体；电缆；超充中图分类号：TM249.9文献标志码：AA Liquid-Cooling Charging Pile Cable with High Current and OverchargeCHEN Shuaiyu,HAI Xuqiang(1.Guangdong Line Giant Cable Co.,Ltd.,Guangzhou 51000,China;2.BYD Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)Abstract:The structure design of a large-current overcharging liquid-cooling charging pile cable was introduced,including the structure design of conductor and cooling pipe,main insulation,cabling forming structure design andsheath structure design,as well as the variation characteristics of cable temperature under large-currentovercharging.The conductor consists of plain annealed copper wires of IEC 60228 Class 5.Firstly,the wirestwisted into circular conductor and then compressed into semicircular shape.Before extruding the insulation layer,the semicircular conductor and the semicircular cooling pipe were combined into a circular structure by placing themin parallel.The cooling liquid was pumped from the charging pile through the semi-circular cooling pipe,and thenflowed through the charging gun terminal circulation device from the semi-circular cooling pipe to the charging pilefor circulating cooling.In the process of coolant circulation,the heat generated by high-current overcharging of themain power line conductor would be taken away,so as to avoid the occurrence of safety accidents,such asconductor resistance increasing,overheat current limiting and fire caused by heat accumulation of charging pilecables in the process of high-current fast charging,so as to improve the charging efficiency and prolong the servicelife of charging pile cables.The liquid-cooling charging pile cable the features as can fully charge the electricvehicles within 5-8 min with novel structural design and high charge efficiency.Key words:charging pile cable;liquid-cooling;semi-circular conductor;cable;super charge0引言自2 0 0 9年我国新能源汽车开始规模化进入公共领域到2 0 2 1年新能源汽车年销量达到30 0 万辆，根据中国汽车工业协会历年汽车工业经济运行情况报告，2 0 10 年至2 0 2 0 年新能源汽车产量累计已达567万辆。2 0 2 1年产量为352 万辆。根据中国电动收稿日期：2 0 2 2-0 7-19作者简介：陈帅雨（1993一），男，工程师。E-mail:电线电缆Wire&CableD0I:10.16105/j.dxdl.1672-6901.202303007一种大电流超充的液冷充电桩线缆陈帅雨，海旭强2（1.广东南缆电缆有限公司，广州510 0 0 0；2.比亚迪股份有限公司，深圳518 0 0 0）文章编号：16 7 2-6 90 1(2 0 2 3)0 3-0 0 33-0 3汽车充电基础设施促进联盟中国电动汽车充电基础设施2 0 2 0 2 0 2 1发展报告至2 0 2 0 年12 月底，公共充电桩数量为7 9.8 万个，私人充电桩数量为87.4万个，合计16 7.2 万个。2 0 2 2 年新能源乘用车销量将会达到48 0 万辆，随着新能源汽车销量的快速增长,对充电桩的需求量也在同比增长，2 0 2 2 年将新增公共充电桩54.3万个，保留量将达到16 9 万个，但充电桩的保留量与新能源汽车的保留量比例相差悬殊，并且目前一辆家用新能源乘用车充电至80%时至少需要30 min，主要受限于大电流长时间充电时的导体及端子处发热问题，迫使充电桩不得332023年6 月Jun.,20232023年第3期No.32023不在温度上升时进行限流处理。这种状况不仅极大地限制了充电效率,增加车辆的充电时间，并且由于电缆的发热严重，存在火灾的隐患。鉴于新能源汽车行业的迅速发展，迫切需要研制一种既能满足大电流超充，又能缩短充电时间，还能延长充电桩使用寿命的新型充电桩电缆，一辆家用新能源乘用车使用液冷充电桩10 min可充电至8 0%，相对于普通充电桩可节约时间2 0 min。美国、英国、荷兰等国家的某些大学和汽车制造厂商正在对大电流快充液冷充电桩电缆进行深人研究，甚至提出采用沸腾蒸发冷却方式，以期找到更有效的液体冷却方式，但那些冷却系统结构复杂且成本很高 1-3。本工作提出的这种大电流超充的液冷充电线缆，结构简单、操作方便、产品成本低、冷却效率高，是一种新型的设计概念。1结构设计1.1液冷充电桩电缆的结构以2 50+12 5+2 4+2(2 0.7 5)+P(70.75)线缆为例，液冷充电桩电缆的结构示意图见图1。11023456891一控制线芯I；2 一冷却液出口管道；3一半圆形导体（动力线）；4一冷却液进口管道；5一地线；6 一辅助动力芯线；7 一护套；8 一填充材料;9一包带；10 一控制线芯图1液冷充电桩电缆的结构示意图1.2导体和冷却管道设计液冷充电桩电缆的主动力线和地线，采用第五类裸铜线绞合导体。辅助动力线和控制线采用第六类裸铜线绞合导体。液冷充电桩电缆的主动力线导体的制造过程为，先将裸铜线束绞成圆形，然后经过半圆形紧压模具紧压成半圆形。在挤出绝缘之前，半圆形导体与半圆形冷却管，通过多道模具直放合并成圆形结构。冷却液管道材质采用的是热塑性聚酯弹性体材质,抗张强度可以达到6 0 MPa,邵氏D硬度可达7 0 HD,并具有优异的耐高温和高强度特34电线电缆Wire&Cable性，不同规格的半圆形导体的半径和冷却管的半径需要保持一致，才能将两者合并为一个圆形,半圆形导体的结构设计见表1。表1半圆形导体的结构设计规格/mm导体结构351 102/0.2501 558/0.2702.257/0.21.3绝缘设计本工作研制的液冷充电桩的主动力线和辅助动力线及地线的绝缘，均采用硅橡胶。硅橡胶具有良好的耐高温、耐低温特性，其耐温范围可达-6 0 200,因此，在长时间承受冷却管的低温冲击时，不易发生老化。硅橡胶材质柔软，使液冷充电桩电缆容易弯曲。控制芯线绝缘采用交联聚烯烃，具有高抗张性能，抗撕裂强度可达50 6 0 Nmm，可以有效地保护控制线芯在频繁的弯曲过程中不断路。绝缘各线芯的绝缘厚度见表2。表2 绝缘各芯线的标称绝缘厚度规格/mm绝缘厚度/mm701.3501.2351.2251.140.70.750.51.4控制芯线设计液冷充电桩电缆的控制线芯采用交联聚烯烃绝缘，具有高强度、高耐热和耐弯折等特性。控制线芯I由6 条绝缘线芯成缆绞合而成。在成缆线芯外面先绕包一层聚酯带，再编织铜丝屏蔽层。铜丝屏蔽层采用直径0.12 mm的镀锡铜丝，编织密度不小于85%。在铜丝屏蔽层外面挤出一层交联聚烯烃内护套。控制线芯由两条线芯绞合而成，并挤出一层交联聚烯烃内护套。控制线芯的作用是信号传输和功能控制。由于液冷充电桩电缆需要经受长时间的频繁扭转和弯曲，存在发生导体断裂的风险，因此建议在控制线芯导体中添加铜箔丝或2 50 D的尼龙丝作为抗拉增强元件。成缆填充材料可以采用高强度聚丙烯（PP)绳,以防控制线芯导体断裂。1.5成缆结构和护套设计在充电桩使用过程中，普通充电桩电缆会遭受过度扭转、碾压和非正规使用，因此必须提高对电缆结构完整性的要求。虽然加强电缆的整体强度和耐2023年6 月Jun.,2023半圆形导体半径/mm4.75.66.72023年第3期No.32023扭转特性十分必要，但又不能影响电缆的使用便捷性。对充电桩电缆的每个结构部件，均需要考虑到电缆在应用过程中可能发生的各种风险。液冷充电桩电缆的成缆结构包括：主动力线、辅助动力线、液冷管和控制芯线。成缆节距控制在成缆外径的10 13倍。填充材料采用阻燃高强度PP绳，其抗张强度高达50 Nmm、阻燃性能好，在电缆反复弯曲过程中，可产生一定的抗弯折能力。护套材料采用热塑性聚氨酯弹性体（TPU），具有耐磨性高和抗撕裂性能好的优点，拉伸强度可达43MPa。液冷充电桩充电时，电缆在地面上反复拖磨，护套也不会发生破损，其标称厚度见表3。表3液冷充电桩的标称护套厚度规格/mm厚度/mm2352.02x502.22702.52专项试验目前对新能源汽车的电池续航要求越来越高，1000km续航能力的汽车已经面市，但随之而来的问题就是新能源汽车的充电效率的提高。根据液冷充电桩电缆现有的实际应用情况，规格为2 50 mm的充电桩电缆动力线的正常载流量为2 15A。但是，如何实现这种规格动力线载流600A长时间运行，成为急需解决的课题。只靠增大导体截面来增大载流量，理论上是可行的，但实际应用是不可行的，也不符合人体工程学的要求。小截面电缆承载大电流运行会产生电缆急剧发热的问题，国外有公司采用美国3M公司的冷却液 4 解决该问题。而本试验采用45变压器油或其他冷却液循环把导体热量带走，即可解决规格为50 mm动力线载流6 0 0 A的难题。图2 为50 mm动力线载流6 0 0 A的试验数据。由图2 可知，在50 mm液冷充电桩动力线载流6 0 0 A的情况下，充满一辆新能源汽车电池的温电线电缆Wire&Cable504030201000图2 50 mm液冷充电桩动力线载流6 0 0 A的温度曲线升不会超过2 5，温度不会达到充电桩的电流极限，可长时间反复大功率充电。新研发的这种液冷充电桩电缆，已经送到西藏和其他高原地区进行使用寿命试验和高、低温性能试验。液冷充电桩电缆载流量试验充分验证了电缆的可行性。3结束语目前，液冷充电桩电缆技术还在继续探索之中。液冷充电桩电缆的市场前景将是非常巨大的。未来需要进一步提高电缆的充电效率、安全性和适用性，缓解用户出行充电焦虑，液冷充电桩是新能源汽车行业发展的必然趋势。液冷充电桩将助力中国电动汽车产业的快速发展。参考文献：1 D EVA H D H A NU SH V S，LEE S，M U D A W A R I.Consolidated theoretical/emprirical predictive method forsubcooled flow boiling in annuli with reference to thermalmanagement of ultra-fast electric vehicle charging cables J.International Journal of Heat and Mass Transfer,2021,175:121224-121224.2 DEVAHDHANUSH V S,LEES,MUDAWAR I.Experimental investigation of subcooled flow boiling in annuliwith reference to thermal management oultra-fast electric vehiclecharging cablesJ.International Journal of Heat and MassTransfer,2021,172:121176-121176.3 H A LL D,LU T SEY N.Eme r g i n g b e s t p r a t i c e s f o r e l e c t r i cvehicle charging infrastructure R.USA:The InternationalCouncil on Clean Transportation,2017.4 IEC.Charging cables for electric vehicles of rated voltage up toand including 0.6/1 kV-Part 4-2:Cables for DC chargingaccording to mode of IEC 61851-1-Cables intended to be usedwith a thermal management system:IEC TS 62893-4-2:2021s.Switzerland:IEC,2021.2023年6 月Jun.,202324时间/min681012AAAAAA欢迎广大读者为本刊撰写稿件！欢迎广大读者给本刊提出建议！35