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電動汽車充電樁的液體冷卻—使電動汽車始終行駛的秘密
作者 Elizabeth Langer 熱管理技術主管 CPC

 

隨著能源消耗和二氧化碳排放量的逐年增加,人們越來越倡導節能減排。大力發展新能源汽車無疑是未來的趨勢,用電代油是保證我國能源安全的重要措施。然而,快速、高效和便捷的充電既為電動汽車(EV)帶來了益處,同時也帶來了挑戰。充電更快的高功率充電過程會產生更多的熱量,這就需要有效的熱管理以實現最佳性能, 液體冷卻液以及有助于冷卻的連接器顯得尤為重要。


電動汽車未來的充電趨勢:更廣泛、更安全、更快捷

據前瞻產業研究院發布的《中國電動汽車行業市場需求預測與投資戰略規劃分析報告》統計數據顯示,2019年3月,新能源汽車產銷分別完成12.8萬輛和12.6萬輛,其中,電動汽車產銷分別完成10萬輛和9.6萬輛,比上年同期分別增長96.2%和83.4%。由此可見,在中國新能源汽車市場中,電動汽車的產銷增長是新能源汽車市場的主要驅動力。[1] 相關專家預測,到2030年,全球電動汽車的數量將擴大到1.3億至2.5億,[2] 中國市場電動汽車產銷量將超過1500萬。[3]

對于駕駛員而言,使用電動汽車的障礙之一是存在“續航焦慮”,即駕駛員希望能夠在需要的時間和地點找到充電站,特別是在長途旅行中。這個“焦慮”可以通過安裝更多的充電站和充電樁來解決。據相關數據顯示,截至2019年第二季度末,中國公共充電樁保有量達到41.2萬臺,同比增長51.5%;2018年7月至2019年6月平均每月新增11,656臺公共充電樁。[4]



目前市場上大多數電池的能量密度都在保持在130-160WH/kg之間,若想提高續航里程的能力,最實際的辦法就是加大電池容量,實現“多吃快跑”的效果。此外,充電速度還取決于電動汽車和充電站之間的兼容性。為了優化電動汽車的電池壽命,專家建議車輛需保持30%~80%的電量,因此頻繁充電很正常。有些電動汽車電池容量大,自然續航里程就高,但同時充電過程會產生更高的熱量和溫度,潛在風險也會隨之增加。

如今,存在三種主要的充電類型,并且正在探索第四種更快的選擇:
如今,存在三種主要的充電類型,并且正在探索第四種更快的選擇:

 


電動汽車發熱和液體冷卻


更高的功率使更快的充電成為可能,但也會產生大量熱量。DCFC和XFC的熱負載需要先進的冷卻技術以保證其安全可靠的運行。例如,極速充電器可以在充電幾分鐘后將電池組溫度推升至270oC/514oF。美國能源部2017年的一份報告指出,在XFC站進行冷卻的唯一可行方案是提供冷水或冷卻液給車輛。[6]


充電速率與可用功率有關—電流和電壓的函數。鑒于功率轉換固有的 效率低下,廢物以熱的形式散發。使用下面的功率效率方程式,具有90%充電效率(n)的350kW快速充電系統將產生近40kW的廢熱消散。 現有的電池熱管理系統(BTMS)能夠處理1-5千瓦,而下一代可能需要處理25千瓦或更高的功率。


考慮到現有空氣冷卻解決方案的局限性,液體冷卻是使車載電池/電池組,充電站和其他關鍵EV組件(例如充電電纜)高效運行合理的一步。隨著功率的增加,所有這些部件都能夠處理隨著功率增加而產生的熱量。


.EV充電站: 級別1和級別2充電器使用板載轉換器來管理流向電池組的功率。 級別3及更高級別的充電通常包括外部轉換器和EVSE(EV供應設備)控制,以安全有效地管理較高的功率負載。 盡管充電器和車輛之間的EVSE通信協議設置了適當的充電電流,但級別3功率轉換器仍需要有效的熱管理,通常以液體冷卻的形式進行。


車輛電池/電池組: 為了最大程度地延長使用壽命和提高性能,必須在操作和充電過程中對車載電池進行熱調節。 低溫會降低電池的電量和容量,從而減小續航里程。 另一方面,較高的溫度導致加速老化。 較高的電流由于內部電阻而產生更多的熱量,因此電池和電池組的冷卻至關重要。 用于電池單元和電池組的液體冷卻方法包括冷板式冷卻,或采用絕緣液全浸沒式冷卻。


與冷卻相關的風險很高,不僅要確保安全有效的運行,而且還要避免損壞設備。關于電池的熱設計,美國能源部車輛技術辦公室的報告指出:“…[EV]液體流動通道通常更復雜,需要大量的連接,導致故障的可能性更高。如果液體冷卻系統發生故障,則液體冷卻有可能使電池組中的相鄰電池短路,從而導致熱失控。”[7] 同一份報告指出,液體冷卻是用于冷卻的首選熱管理策略。EV電池具有較高的熱容量和導熱系數。因此,液體冷卻至關重要-冷卻系統中連接器的堅固性也很重要。


充電電纜: 隨著充電率的增加,帶接線和電氣連接器的千瓦時最大功率存在技術限制。直流快速充電器需要更大的導體。隨著充電速度和相關熱量的增加,電纜將變得笨重。液冷充電電纜可以使用較細的電線,并且可以將電纜重量減少40%[8] —重量更輕的電纜更易于充電者使用。一些技術已經提供了液體冷卻功能,可以降低充電電纜中以及車輛電連接器直流觸點處的溫度。



優化液體冷卻—流體連接器注意事項

EV和EVSE液體冷卻中使用的設計良好的流體連接器將:
- 專為液體冷卻應用而設計,無論是標準產品還是定制產品。
- 滿足或超越流體兼容性,流量,壓力和溫度性能需求。
- 耐受適用的環境操作條件—v例如,在車載電池使用的連接器的情況下,溫度范圍廣,暴露于濕氣,灰塵以及振動。
- 避免泄漏—堅固的密封設計必須能夠承受安裝和使用壓力(側向載荷,撓曲,拉力),而又不會損害密封,從而使昂貴且至關重要的組件暴露在流體中 。
- 保持長期性能。
- 提供可靠的,可重復的性能以及相關的驗證報告。

 


在為EV / EVSE液體冷卻應用指定連接器時,以下特性和性能參數對于確保組件相對于整個系統要求發揮最佳作用非常有用。

 

 


應該對連接器進行測試,以確保特定應用需求的功能和性能。 可以通過CPC或授權分銷商提供的驗證報告來提供有關其液體冷卻連接器的測試方法和結果的透明性。
CPC團隊運用其在熱管理方面的豐富知識來開發耐用的,專用的液體冷卻連接器解決方案。
使用液體冷卻的電動汽車和其他類別的客戶依靠CPC的工程專業知識來確保其產品和系統提供持久,高效,無泄漏和可靠的性能。
通過包括定制產品在內的廣泛解決方案,CPC連接器甚至可以滿足最苛刻的應用要求。 有關更多信息,請訪問:cpcworldwide.com/liquid-cooling。或通過以下方式聯系我們的熱管理/液體冷卻工程師之一: cpcworldwide.com/liquid-cooling. 或通過以下方式聯系我們的熱管理/液體冷卻工程師之一: 詢問我們的工程師。


參考
1. IEA (2019).Global EV Outlook 2019. IEA, Paris, Retrieved at: https://www.iea.org/publications/reports/globalevoutlook2019/
2. Joselow M. The U.S. has 1 million electric vehicles, but does it matter? Sci Am. (2018.) Retrieved at: https://www.scientificamerican.com/article/the-u-s-has-1-million-electric-vehicles-but-does-it-matter/
3. Penn I. Las Vegas and back by electric car: 8 hours driving; 5 more plugged in. New York Times. June 22, 2019. Retrieved at: https://www.nytimes.com/2019/06/22/business/energy-environment/electric-cars-charging.html
4. About electrical vehicle charging. Electrify America. Retrieved at: https://www.electrifyamerica.com/about-ev-charging
5. Chon S., Bhardwaj M., Nene H. Maximizing power for Level 3 EV charging stations. Retrieved at: http://www.ti.com/lit/wp/sway014/sway014.pdf
6. California Energy Commission. (Jan. 2018). Electrical vehicle charger selection guide. Retrieved at: https://afdc.energy.gov/files/u/publication/EV_Charger_Selection_Guide_2018-01-112.pdf
7. U.S. Dept. of Energy/Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. (Oct. 2017).
Enabling fast charging: A technology gap assessment. Retrieved at: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/10/f38/XFC%20Technology%20Gap%20Assessment%20Report_FINAL_10202017.pdf
8. Keyser M. et al. Enabling fast charging—battery thermal considerations. J. Pow Sour 367 (2017) 228-236. Retrieved at: https://www.osti.gov/servlets/purl/1408689
9. Cooper L. Liquid cooling tech used in high power charging solution for EVs. Electronic Specifier. (Jan. 9, 2018). Retrieved at: https://automotive.electronicspecifier.com/power/liquid-cooling-tech-used-in-high-power-charging-solution-for-evs

 

 

作者
Elizabeth Langer
熱管理技術主管
CPC

充電器類型
電源/輸出
典型充電時間

等級1
使用標準的120V AC電路。
輸出:12-16安; 約1.44千瓦至1.92千瓦
8-10小時,取決于型號;
用于家庭充電,每小時充電可行駛2-5英里

等級2
使用208 / 240V AC電路。
輸出:15-80安; 約3.1 千瓦至19.2千瓦
4-8小時; 可在家中使用,每小時充電可行駛10-20英里

等級3
直流快速充電器(DCFC)
使用三相480V交流電路,將其轉換為直流電到車輛。
輸出:高達500安; 50kW至350 kW
30-60分鐘;每小時充電可行駛60-80英里

下一代:極速充電器 (XFC)
800V
輸出:400千瓦以上
充電可行駛200英里范圍的時間:約7.5分鐘

 

Pwaste= Pout (1/n - 1)

 

 

性能特性
說明和相關注意事項

連接器類型
考慮空間限制,所需的連接力,易用性以及確認安全連接的能力以及其他基準性能參數

快速斷開(QD)
用于液體冷卻的連接點; 密封件和內部閥具有無溢漏性能,可應對包括可更換電池組在內的電動汽車應用的壓力,流量,化學相容性和操作條件; 車輛上集成的電池組/電池; 以及EV充電站電源逆變器

指鎖
集成的拇指閂鎖允許單手操作,簡化了連接/斷開; 可聽見的“咔嗒”聲確認完全連接

盲插
需要單獨的鎖止裝置,例如單獨的閂鎖; 釋放力使QD斷開連接; 難以看到空間狹小位置的好 選擇

90度彎快接,可旋轉接頭的量子點
集成的旋轉接頭和90度彎消除了彎管,并通過定向閂鎖使在狹窄空間中的連接和斷開更加容易,以便于操作

連接器材料
考慮化學相容性,與冷卻劑接觸的材料(閥門,密封件,連接器主體等接液材料),壓力,溫度,可靠性,重量

金屬
耐用,可承受粗糙的處理,容易腐蝕—維護冷卻液系統對于持久的無泄漏性能至關重要

聚合物
輕巧,緊湊,可為流體管道提供獨特的幾何形狀; 工程聚合物通常比金屬便宜,在低壓(<200 PSI)中溫(<80°C)應用中提供了足夠的強度和耐久性; 良好的阻燃性—尋找符合UL94-V0的材料

組合:金屬/聚合物
將金屬外殼的強度與內部的高性能工程聚合物組件結合在一起; 堅固的外殼可承受外力沖擊,而堅固的工程級熱塑性塑料可耐受腐蝕并優化流量性能

冷卻液類型
接液材料的化學相容性至關重要。當存在導電流體,例如水或乙二醇/水時,應避免使用異種金屬,以防止發生電化學腐蝕。應根據與冷卻液的相容性來選擇諸如彈性體O形圈,管道或熱塑性連接器之類的聚合物組件。某些導電介質和制冷劑可能需要特別考慮兼容性。

流量,壓力和壓降
考慮冷卻電動汽車內各種組件所需的流量(例如車載電池,電動汽車充電站電源逆變器)

流量
由于傳熱能力與流體質量流量有關,因此高流量連接器還必須保持低壓力損失,以提高效率。 冷卻劑流速根據管理的熱負荷,流體類型和冷卻系統類型而變化。 考慮到這些變量和連接器在系統中的位置,流量(Q)可能為0.25≤Q≤10gpm。 超過連接器最大流量可能導致密封失效或加速零件腐蝕。

連接器尺寸
指定合適的連接器尺寸-等效流量直徑。 板載冷卻回路連接器的尺寸通常為1/8英寸至1/2英寸。 EV快速充電站冷卻系統可能需要1/2英寸或更大的接口,以支持更高的流量。 尋找具有優化流量系數的快速斷開連接,以幫助減少通過連接器的壓降和冷卻系統的負擔; 還應考慮可用的空間,以確保有足夠的空間進行連接,斷開和持續使用。

壓力
應評估操作壓力,喘振壓力和爆破壓力。 工作壓力定義了正常工作系統使用期間的通常壓力范圍和常規壓力范圍。 爆裂壓力表示組件不再保持壓力的點,通常與機械故障對應。 喘振壓力在表征失控情況或極端環境條件(例如運輸過程中的熱循環)時可能很有用。 泄壓機構可以并入冷卻系統或快速斷開裝置本身,以減輕過壓的風險。

壓降
流速和連接器尺寸都會影響壓降; 計算整個冷卻系統的壓降。 要計算通過快速斷開接頭的給定流量下的壓降,請使用以下公式:
Q = 每分鐘加侖的體積流量
Cv = 連接器的流量系數*
ΔP = PSI中的壓降(上游壓力與下游壓力之間的Δ)
SG = 流體比重
*發布的Cv值通常與水有關。 如有必要,對使用的特定冷卻液應用校正系數。

止流/無溢漏性能
考慮斷開時冷卻液溢出的公差等級。材料,密封件,閥門類型和整體連接器設計會影響斷開時的冷卻液液位。

直通連接器
斷開連接時,連接器兩端都沒有截流功能

單截止閥
快速連接器的一側裝有一個止流閥

雙截止閥
快速連接器的兩端都裝有閥門。斷開閥門將少量液體截留在連接器內,斷開時會滴落

沖洗閥
大多數無溢漏/干斷/無泄漏快速連接器均具有平閥設計,僅允許在閥表面上覆蓋一層冷卻液

 

Q = Cv √(ΔP/SG)

 

 

廣泛的快速斷開選項
Everis 液體冷卻快速插拔產品組合包括三個快速斷開產品系列

 

Everis LQ2


Everis LQ2
專為液體冷卻應用而設計,提供高流量以優化液體冷卻系統的性能。

 

Everis LQ4


Everis LQ4 系列
The Everis LQ4 專門為液體冷卻應用而設計, 提供高度可靠 、無滴漏的連接。

 

Everis LQ6


Everis LQ6系列
The Everis 無溢漏的液體冷卻用連接器保證安全﹑可靠﹑無滴漏的連接。

 

Everis LQ8


Everis LQ8
EverisLQ8系列連接器具備1/2英寸流量,專為電子液體冷卻應用而設計,提供安全可靠,無滴漏的連接和和斷開連接

 

Everis BLQ2


Everis BLQ2
The Everis 無滴漏快速插撥接頭專為機架式液體冷卻應用而設計

 

Everis BLQ4


Everis BLQ4
The Everis 專為盲插液體冷卻應用設計的無泄漏快速插拔接頭

 

Everis BLQ6


Everis BLQ6
Everis BLQ6 3/8英寸流量接頭為盲插液冷應用提供超可靠的連接。 可為面板連接提供可選的附件套件。

 

Everis PLQ2


Everis PLQ2
EverisPLQ2 連接器專為液冷設計和制造,可提供無滴漏的連接和斷開。

 

Everis PLQ4


Everis PLQ4
Everis PLQ4連接器專為液體冷卻應用而設計,在電子系統環境中具有高度可靠性和出色的性能。

 

 

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