电动汽车大功率快充对充电电缆温度的影响

电动汽车大功率快充对充电电缆温度的影响

蒋晓黎

深圳市车电网络有限公司广东深圳518000

摘要：电动汽车大功率快充时，充电电缆会承受较大的电流，同时产生大量的热量，使得电缆因热量累积而升温，缩短电缆使用寿命，甚至造成物理损坏而引发漏电等事故。本文建立充电电缆热过程的数值模型，对其温度场进行仿真模拟，发现在保持额定充电电流的情况下，标准电缆的安全性是可靠的，但若要进一步加大充电功率、充电电流，电缆绝缘层的温度会超出安全上限，无法安全工作，需要辅以额外的散热措施。

关键词：大功率快充；充电电缆；模拟仿真；散热

引言

电动汽车目前充电方式主要分为标准充电和快速充电。标准充电又称“慢充”，充电功率较小，可在5~10h内充满电，对配套设施的要求低，但充电时间过长；快速充电简称“快充”，采用直流充电桩充电，能在20~120min内充电至80%，充电功率大，建设安装成本高，对电池组及配套充电设备的材料和安全性的要求更高。我国市面上主流的直流充电桩充电功率均在60~80kW，实际充满电时间约为1~2h，时间较长。为进一步缩短时间，大功率直流快充应运而生，其充电功率达到350kW时，在10~30min充电时间内能够达到与燃油车相同的续航体验。快充能够大幅度地缩短充电时间，但是大电流必然带来发热问题，大量热量的积累不仅会加速电缆绝缘或护套的老化，甚至损坏电缆，对使用者带来生命和财产威胁[1]。

1温度场计算模型

1.1建立物理模型

本文研究对象为2芯直流电缆，额定电压为1kV，额定电流为250A，电缆产品的标识为REVDC-S90S90PS901.0kV2×95+25+2×4+2P(2×0.75)+P(8×0.75)GB/T33594-2017。绝缘和护套材料连续工作温度上限为363.15K（90℃）。由于实际使用的电缆长度一般都远远大于直径，可以认为温度场分布沿电缆长度方向没有变化，只关注截面的温度分布。为了简化模型，方便温度场计算，主要假设如下：（1）电缆各层之间无间隙，接触良好，无空气存在，无接触热阻；（2）充电通信、充电连接确认等导线内流经的电流远小于主电缆，其发热量可忽略，物理建模时不予考虑；（3）绕包带、屏蔽层的厚度相对于整根电缆极小，可忽略；（4）电缆各层材料均为各向同性的连续介质，其热物性参数为常数。基于上述假设，拟计算的物理模型只包含导线线芯、绝缘层、填充层、内护层、外护套，为计算方便，将一段100mm长的电缆作为研究对象，为方便后续散热方案或措施研究，建立三维模型[2]。

1.2数学模型

计算区域内的热传输方式为导热，其过程可用导热微分方程描述：

式中：Q为发热量，W；N为缆芯数；I为电流值，A；p为铜导体电阻率，Ω·m；L为导线长度，m；S为导线截面积，m2。电缆中导电缆芯内的体积热生成率q（W/m3）可由Q除以发热缆芯的体积计算得到。如在250A额定电流情况，本次研究电缆的通电缆芯内单位体积热生成为1.24105W/m3。式（3）中的对流换热系数h取5W/(m2·K)。

2电缆温度场计算

2.1网格划分

采用UnigraphicsNX软件绘制电缆的物理模型，并用ICEM软件对三维模型进行网格划分，电缆截面网格如图3。数值模型的求解采用Fluent通用计算流体软件包，在Fluent图形用户界面设置好物性参数、热源、初始及边界参数等，然后求解。

2.2网格独立性检验

设置3个监测点分析瞬时温度变化（图1），点A位于绝缘层，点B位于内护层，点C位于外护套靠近外壁面。调整网格数量，测定点A的稳态温度，对不同数量网格的独立性进行检验，得出结果如表4。

由表4知，四种网格模型所得结果偏差较少，我们选取网格数为1927362的模型进行仿真模拟。

3仿真结果及分析

电缆截面A、B、C各点的瞬时温度曲线，横坐标为充电时间。通电前期各点温度上升较快，而后逐渐变慢，变化趋势基本同步。300min后各点温度基本达到稳态，后续变化很小[3]。此时A点温度为352K，B点为347K，C点为340K。快充充电桩250A连续工作，电缆温度场可以达到稳态。从稳态温度分布图可以看出，各处温度由导线中心向边缘降低。显然，要判断绝缘层是否会因过热损坏，只需考虑A点的温度变化。其最高温度为352K，低于安全温度上限。目前，欧美车企倡导的大功率快充充电功率350kW、额定电压1kV、额定电流350A，考虑到此规格的大功率充电，在不改变电缆及边界条件情况下，增大充电电流，模拟电流分别为300A、350A时的温度场分布。由温度场分布图得到不同电流下A点的稳态温度见表5。当电流分别增大到300A、350A，电缆绝缘层最终温度均已超过363.15K（90℃），绝缘层会发生损坏。要实行350kW或更大功率的大功率快充，若不添加散热措施，充电电缆将无法正常工作。充电线缆实际使用过程中，一部电动汽车充电结束，会更换另一部电动汽车，存在充电间隔。在接下来的工作中，将会考虑停止充电时的电缆降温过程，模拟线缆在充电−静置−充电交互过程中的热行为。同时，还可设计有效的散热方案，计算增加散热措施后线缆的温度场及其变化规律[4]。

4结论

鉴于电动汽车不断缩短充电时间的需求，大功率充电是大势所趋，目前半小时充电至80%的充电速度仍有很大的改进空间。目前提出的下一代快充功率将普遍达到350kW，此时电流将达到350A，在如此大的电流下，必须考虑电缆的散热问题，研究电缆内温度场分布对加强电缆散热具有重要参考作用。本文借助CFD软件对直流充电电缆温度场进行模拟计算，得到以下结论：（1）通过计算温度场分布，在目前依据电流大小选择导线尺寸的一般规律下，连续工作的电缆绝缘层温度未超过安全上限。（2）充电电缆不能随意加粗，否则会导致使用不便和成本升高。从模拟仿真的结果来看，在不加大导线截面积的条件下，增大充电电流，会导致电缆发热量过大，损坏绝缘层。若要增大电流，加大充电功率，在保持目前电缆结构的情况必须添加额外的散热措施。

参考文献

[1].上海电气打造全球第三大空调压缩机基地[J].装备机械,2018(03):62.

[2]江浩,徐滕岗.基于PLC的空调压缩机壳体检测设备的控制系统设计[J].东华大学学报(自然科学版),2018,44(04):670-674.

[3]黄林火.丰田威驰(VIOS)实训车空调压缩机不吸合故障诊断[J].汽车电器,2018(08):81-82.

[4]陈亮,白国军,王继承.空调压缩机停机时管路应力分析和优化[J].计量与测试技术,2018,45(07):79-81.