數(shù)據(jù)顯示，2022年我國充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量達(dá)到520萬臺，同比增長近100%。其中，公共充電基礎(chǔ)設(shè)施增長約65萬臺，累計數(shù)量達(dá)到180萬臺；私人充電基礎(chǔ)設(shè)施增長約190萬臺，累計數(shù)量超過340萬臺。截至2022年底，全國新能源汽車保有量達(dá)1310萬輛，占汽車總量的4.10%?？梢?，目前我國充電樁的保有量與新能源汽車的保有量仍然相差懸殊，并且目前受限于大電流長時間充電時的導(dǎo)體及端子處發(fā)熱問題，迫使充電樁不得不在溫度上升時進(jìn)行限流處理，一輛家用新能源乘用車充電至80%時至少需要30min。這種狀況不僅極大地限制了充電效率，增加車輛的充電時間，還由于電纜的嚴(yán)重發(fā)熱帶來火災(zāi)隱患。
鑒于新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，迫切需要研制一種既能滿足大電流超充，又能縮短充電時間，還能延長充電樁使用壽命的新型充電樁電纜。一輛家用新能源乘用車使用液冷充電樁10min可充電至80%，相對于普通充電樁可節(jié)約時間20min。美國、英國、荷蘭等國家的某些大學(xué)和汽車制造廠商正在對大電流快充液冷充電樁電纜進(jìn)行深入研究，甚至提出采用沸騰蒸發(fā)冷卻方式，以期找到更有效的液體冷卻方式，但是那些冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本很高。本工作提出了一種大電流超充的液冷充電線纜，該充電線纜結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、產(chǎn)品成本低、冷卻效率高，是一種新型的設(shè)計概念。
結(jié)構(gòu)設(shè)計
液冷充電樁電纜的結(jié)構(gòu)
液冷充電樁電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，以下述電纜為例：
2×50+1×25+2×4+2×(2×0.75)+P(7×0.75）
圖1 液冷充電樁電纜的結(jié)構(gòu)示意圖
導(dǎo)體和冷卻管道設(shè)計
液冷充電樁電纜的主動力線和地線，采用第五類裸銅線絞合導(dǎo)體。輔助動力線和控制線采用第六類裸銅線絞合導(dǎo)體。
液冷充電樁電纜的主動力線導(dǎo)體的制造過程為，先將裸銅線束絞成圓形，然后經(jīng)過半圓形緊壓模具緊壓成半圓形。在擠出絕緣之前，半圓形導(dǎo)體與半圓形冷卻管，通過多道模具直放合并成圓形結(jié)構(gòu)。冷卻液管道材質(zhì)采用的是熱塑性聚酯彈性體材質(zhì)，抗張強度可以達(dá)到60MPa，邵氏D硬度可達(dá)70HD，并具有優(yōu)異的耐高溫和高強度特性，不同規(guī)格的半圓形導(dǎo)體的半徑和冷卻管的半徑需要保持一致，才能將兩者合并為一個圓形，半圓形導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計見表1。
表1 半圓形導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計
絕緣設(shè)計
本工作研制的液冷充電樁的主動力線和輔助動力線及地線的絕緣，均采用硅橡膠。硅橡膠具有良好的耐高溫、耐低溫特性，其耐溫范圍可達(dá)-60~200℃，因此，在長時間承受冷卻管的低溫沖擊時，不易發(fā)生老化。硅橡膠材質(zhì)柔軟，使液冷充電樁電纜容易彎曲?？刂菩揪€絕緣采用交聯(lián)聚烯烴，具有高抗張性能，抗撕裂強度可達(dá)50～60N·mm-1，可以有效地保護(hù)控制線芯頻繁的彎曲過程中不斷路。絕緣各線芯的絕緣厚度見表2。
表2 絕緣各芯線的標(biāo)稱絕緣厚度
控制芯線設(shè)計
液冷充電樁電纜的控制線芯采用交聯(lián)聚烯烴絕緣，具有高強度、高耐熱和耐彎折等特性?？刂凭€芯Ⅰ由6條絕緣線芯成纜絞合而成。在成纜線芯外面先繞包一層聚酯帶，再編織銅絲屏蔽層。銅絲屏蔽層采用直徑0.12mm的鍍錫銅絲，編織密度不小于85%。在銅絲屏蔽層外面擠出一層交聯(lián)聚烯烴內(nèi)護(hù)套。控制線芯Ⅱ由兩條線芯絞合而成，并擠出一層交聯(lián)聚烯烴內(nèi)護(hù)套?？刂凭€芯的作用是信號傳輸和功能控制。
由于液冷充電樁電纜需要經(jīng)受長時間的頻繁扭轉(zhuǎn)和彎曲，存在發(fā)生導(dǎo)體斷裂的風(fēng)險，因此建議在控制線芯導(dǎo)體中添加銅箔絲或250D的尼龍絲作為抗拉增強元件。成纜填充材料可以采用高強度聚丙烯（PP）繩，以防控制線芯導(dǎo)體斷裂。
成纜結(jié)構(gòu)和護(hù)套設(shè)計
在充電樁使用過程中，普通充電樁電纜會遭受過度扭轉(zhuǎn)、碾壓和非正規(guī)使用，因此必須提高對電纜結(jié)構(gòu)完整性的要求。雖然加強電纜的整體強度和耐扭轉(zhuǎn)特性十分必要，但又不能影響電纜的使用便捷性。對充電樁電纜的每個結(jié)構(gòu)部件，均需要考慮到電纜在應(yīng)用過程中可能發(fā)生的各種風(fēng)險。
液冷充電樁電纜的成纜結(jié)構(gòu)包括：主動力線、輔助動力線、液冷管和控制芯線。成纜節(jié)距控制在成纜外徑的10~13倍。
填充材料采用阻燃高強度PP繩，其抗張強度高達(dá)50N·mm-2、阻燃性能好，在電纜反復(fù)彎曲過程中，可產(chǎn)生一定的抗彎折能力。護(hù)套材料采用熱塑性聚氨酯彈性體（TPU)，具有耐磨性高和抗撕裂性能好的優(yōu)點，拉伸強度可達(dá)43MPa。液冷充電樁充電時，電纜在地面上反復(fù)拖磨，護(hù)套也不會發(fā)生破損，其標(biāo)稱厚度見表3。
表3 液冷充電樁的標(biāo)稱護(hù)套厚度
目前對新能源汽車的電池續(xù)航要求越來越高，1000km續(xù)航能力的汽車已經(jīng)面市，但隨之而來的問題就是新能源汽車的充電效率的提高。
根據(jù)液冷充電樁電纜現(xiàn)有的實際應(yīng)用情況，規(guī)格為2×50mm2的充電樁電纜動力線的正常載流量為215A。但是，如何實現(xiàn)這種規(guī)格動力線載流600A長時間運行，成為急需解決的課題。只靠增大導(dǎo)體截面來增大載流量，理論上是可行的，但實際應(yīng)用是不可行的，也不符合人體工程學(xué)的要求。小截面電纜承載大電流運行會產(chǎn)生電纜急劇發(fā)熱的問題，國外有公司采用美國3M公司的冷卻液解決該問題。
本試驗采用45#變壓器油或其他冷卻液循環(huán)把導(dǎo)體熱量帶走，即可解決規(guī)格為50mm2動力線載流600A的難題。圖2為50mm2動力線載流600A的試驗數(shù)據(jù)。
圖2 50mm2液冷充電樁動力線載流600A的溫度曲線
由圖2可知，在50mm2液冷充電樁動力線載流600A的情況下，充滿一輛新能源汽車電池的溫升不會超過25℃，溫度不會達(dá)到充電樁的電流極限，可長時間反復(fù)大功率充電。新研發(fā)的這種液冷充電樁電纜，已經(jīng)送到西藏和其他高原地區(qū)進(jìn)行使用壽命試驗和高、低溫性能試驗。液冷充電樁電纜載流量試驗充分驗證了電纜的可行性。
目前，液冷充電樁電纜技術(shù)還在繼續(xù)探索之中，液冷充電樁電纜的市場前景將非常大。液冷充電樁是新能源汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，未來需要進(jìn)一步提高電纜的充電效率、安全性和適用性，緩解用戶出行充電焦慮。
《電線電纜》1958年由國家新聞出版署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，上海市國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會主管，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業(yè)應(yīng)用類學(xué)術(shù)刊物。主要欄目有綜述、線纜產(chǎn)品、線纜材料、測試技術(shù)、敷設(shè)運行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗交流等，報道國內(nèi)外電線電纜行業(yè)的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果，歡迎來稿！
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來源 | 上纜所傳媒
編輯 | 賈竹青 常佳
審核 | 何曉芳
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