探究美标轻型液冷大功率直流充电电缆的试制及设计

探究美标轻型液冷大功率直流充电电缆的试制及设计

周斌

远东电缆有限公司    江苏宜兴  214257  

摘要:美标轻型液冷大功率直流充电电缆相对普通电缆能够大幅提高散热能力，提升电缆的电流载流量，相比于普通电缆，液冷电缆载流能力可以提升3.3倍左右，铜材用量可以降低5.2倍。美标轻型液冷大功率直流充电电缆技术的开发可填补国内外大功率充电的技术空白，赶超国际先进水平，为大功率充电国家标准的制定提供重要支撑。解决现有电动汽车用户面临的充电功率小、等待时间长、充电枪缆笨重等问题，是充电设备和电动汽车相关行业未来充电技术发展方向。

关键词:美标轻型；液冷大功率直流；充电电缆

美标轻型液冷大功率直流充电电缆运用至大功率充电站中，可实现充电10分钟，行驶400公里。传统的40kW充电桩一天可为10辆车提供充电服务，而该充电站系统的360kW直流大功率快充桩能服务80辆车。液冷充电电缆和与其相配套的枪头、桩体的大功率充电桩研究与开发，标志着充电像加油一样便捷,不再是梦想。

为了推动电动汽车产业的迅速发展，全力贯彻落实打赢蓝天保卫战三年行动计划，结合国家和省政府对电动汽车大功率充电项目研发的大力支持，远东电缆积极研究大功率充电电缆技术，与国内知名车企、桩企及高校开展产学研合作，开展大功率充电设备、充电连接组件、满足大功率充电电缆等技术的研发工作，为我国的电动汽车的发展普及提供基础保障。因此电缆需要进行一下设计来保证使用要求：

1）通过对液冷大功率直流充电桩电缆结构设计，高导热冷却液体和管道材料及工艺研究，可提高充电效率，提升安全性，缓解用户充电焦虑，提升充电设施的利用效率，推动新能源汽车的发展和普及；

2）大功率充电站的液冷大功率直流充电桩电缆采用全循环液冷散热技术，具有充电效率高、寿命长、维护成本低等优势；

3）客户对电缆体验感要求越来越高，要求电缆柔软、外径要小、重量轻，因此我们通过对电缆结构进行设计，通过减薄绝缘厚度、护套厚度，达到电缆重量减轻，提高客户使用体验感，为了保证减薄后的电缆机械性能、电性能，通过多次验证，选用一款高电性能、机械性能的绝缘材料、护套材料[1]；

美标轻型液冷大功率直流充电电缆主要用于新能源充电站设备向新能源汽车进行电力传输及信号控制的电气连接。要求电缆长期暴露在空气中进行卷绕和拉伸后仍具有优异的电气性能和机械性能，同时具有良好的耐低温、电缆外径小，重量轻、耐油及环保等特性。基于这些特性要求，电缆在功能设计上既要满足美标轻型液冷大功率直流充电电缆机械性能和电性能的要求，同时又对电缆外观和电缆外径控制精度提出了很高要求。

3.1导体结构设计

该绞线是穿在冷却管内使用，需要频繁的弯曲使用，为保证导体在使用过程不出现断芯问题，对绞线表面光洁度、圆整度、绞线张力的均匀性要求高，我们在试制过程中，通过一系列的措施，使试制一次性成功。

1）绞制前，对每盘铜绞线的表面光洁度、截面、伸长率等进行检测，断后伸长率≥33%，并停放16小时以上，保证绞合时铜丝温度的一致性。

2) 铜丝张力的均匀性和紧密度的控制。铜丝的均匀性和绞合的紧密程度会影响了铜绞线的弯曲性能，而绞合的均匀性和绞合的紧密程度关键在于绞线机的张力控制是否均匀和各层的节径比搭配是否合理。从理论上讲，绞线的绞合节径比越小，节距越小，绞线绞合就越紧密。但是绞线的节径比并不是越小越好，太小制品会影响导体外径及导体柔软度，同时应力也会增大，因此，选择合适的节径比是至关重要的，为此我们根据自身的制造经验和该绞线的特点设计了最为优化的节径比，股线绞合节距控制在20~25倍，股线绞合方向为右，复绞内层绞合节距控制在14~16倍，外层绞合节距控制在12~14倍，绞合方向为全左。由于绞合节距的范围比较小，对于普通的框绞机，很难保证节距的要求，此次我们选择了德国 NIEHOFF束丝机及芜湖电工的笼绞机，芜湖电工的笼绞机采用德国ZF系列磁滞制动器，每盘张力都可以调节，各线盘的张力保持一致，确保了绞线的松紧度和紧密度。

3.2导体疏绕工艺研究

为了保证2AWG导体在持续通流600A，温升不超过35K，我们在2AWG导体表面疏绕一根19/0.295股线，股线绞合节距控制在14~16倍，疏绕节距120~140，采用该工艺能更好支撑导体与冷却管管壁均匀接触，使冷却介质二甲基硅油在铜导体与冷却管之间均匀螺旋流动，减少温升不均匀现象，疏绕后导体结构图。

3.3 液冷管材料设计

冷却管材料我们选用特种辐照交联聚烯烃绝缘材料，该材料硬度控制在95~97A。辐照交联聚烯烃绝缘料采用C8聚乙烯作为基材，分子链耐高温性优异，加入1%抗氧剂，添加0.8%双三羟甲基丙烷四丙烯酸酯，采用双螺杆混合均匀，结晶度达到70~75%该材料质量稳定，性能优越。辐照交联聚烯烃拉伸强度高、电性能优越、高温条件耐油性能优越，能保证电缆在高温条件大电流通电冷却管的安全性能。

为了满足冷却管耐热性能、抗碾压、抗压性，通过对不同材料物性进行对比最终冷却管采用特种辐照交联聚烯烃材料；采用罗森泰挤塑机挤出，挤出温度控制在正负1度，温控偏差精准，能充分发挥交联聚烯烃材料特性，保证材料性能稳定性[2]。

冷却管生产完成需要对冷却管进行辐照，冷却管的交联度会影响电缆在使用过程安全性能，我们对冷却管辐照工艺进行摸索，采用3个辐照剂量辐照冷却管，测试热延伸性能，辐照后冷却管测试抗拉强度、断裂伸长率等性能，不同辐照剂量的冷却管性能，通过性能对比验证，辐照剂量选用能量40MeV，冷却管热延伸控制在20~30%，抗拉强度25.7MPa，断裂伸长率527%，冷却管通过90℃爆破力试验，爆破力为12bar，冷却管耐二甲基硅油性能最佳。

3.4 信号线芯单元结构设计

信号线芯我们选用一种高强度、高光滑度的辐照聚乙烯绝缘，这种设计提高了线芯之间的滑动性，大大降低了线芯之间在卷绕弯曲使用时的断芯率，提高了电气安全性。

信号线芯在电缆中起到信号传输的作用，能够监控新能源汽车充电饱和、温度预警和安全预警等方面的信号传输控制。信号线芯在信号传输过程中需要不受外界电信号的干扰。另外信号线芯相对动力传输线芯较小，在移动弯曲过程中寿命最短，因此提高其弯曲使用寿命具有重要意义。

在信号干扰屏蔽设计过程中，我们采用了复合屏蔽的方式：铝塑复合带+铜丝编织屏蔽。这样的复合屏蔽方式能够很大程度上降低在充电过程中，信号线芯被外部电磁信号的干扰。另外，在提高信号线芯使用寿命上，我们在编织屏蔽外面，我们设计采用聚酯带绕包。聚酯带硬度高，表面较光滑，同时能够耐较高的温度。这样在电缆弯曲移动过程中，提高了信号线芯与主线芯之间的滑动性，降低了断芯风险。

3.5成缆加工工艺研究

美标轻型液冷大功率直流充电电缆因为需要在移动弯曲场合使用，需要电缆具有较高的柔软性和弯曲使用寿命。成缆采用芜湖电工综合成缆机成缆，配备德国ZF系列磁滞制动器控制每一只成缆盘张力，保证在成缆过程每一根绝缘线芯张力一致，100%退扭，提高电缆整体的使用寿命[3]。

填充采用加强型纯聚丙烯网状填充绳，可以有效的固定线芯之间的相对位置，防止信号线芯在弯曲移动过程中嵌入主线芯之间被夹断。另外，加强型纯聚丙烯网状填充绳强度高耐温好，能够在电缆拉伸使用过程中降低线芯导体的受力，降低导体因拉伸而电阻增大，造成的电气安全性威胁。

参考文献：

[1] 杜青林,张强.大功率液冷充电枪的设计[J].科学技术创新, 2021(7):2.

[2] 陈鹏程.电动汽车大功率充电枪用冷却液的研究[J].大众汽车, 2020, 26(1):4.

[3] 杜青林.大功率液冷充电枪的发展现状[J].电子产品世界, 2021, 28(7):3.