數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量達(dá)到520萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)近100%。其中，公共充電基礎(chǔ)設(shè)施增長(zhǎng)約65萬(wàn)臺(tái)，累計(jì)數(shù)量達(dá)到180萬(wàn)臺(tái)；私人充電基礎(chǔ)設(shè)施增長(zhǎng)約190萬(wàn)臺(tái)，累計(jì)數(shù)量超過(guò)340萬(wàn)臺(tái)。截至2022年底，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)1310萬(wàn)輛，占汽車總量的4.10%。可見(jiàn)，目前我國(guó)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(zhǎng)時(shí)間充電時(shí)的導(dǎo)體及端子處發(fā)熱問(wèn)題，迫使充電樁不得不在溫度上升時(shí)進(jìn)行限流處理，一輛家用新能源乘用車充電至80%時(shí)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(shí)間，還由于電纜的嚴(yán)重發(fā)熱帶來(lái)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(shí)間，還能延長(zhǎng)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(duì)于普通充電樁可節(jié)約時(shí)間20min。美國(guó)、英國(guó)、荷蘭等國(guó)家的某些大學(xué)和汽車制造廠商正在對(duì)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(jiǎn)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(jì)概念。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jiàn)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(jì)
液冷充電樁電纜的主動(dòng)力線和地線，采用第五類裸銅線絞合導(dǎo)體。輔助動(dòng)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(dòng)力線導(dǎo)體的制造過(guò)程為，先將裸銅線束絞成圓形，然后經(jīng)過(guò)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(guò)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(qiáng)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(qiáng)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(gè)圓形，半圓形導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。
表1 半圓形導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
絕緣設(shè)計(jì)
本工作研制的液冷充電樁的主動(dòng)力線和輔助動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間承受冷卻管的低溫沖擊時(shí)，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(qiáng)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(guò)程中不斷路。絕緣各線芯的絕緣厚度見(jiàn)表2。
表2 絕緣各芯線的標(biāo)稱絕緣厚度
控制芯線設(shè)計(jì)
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(qiáng)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?？刂凭€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(hào)傳輸和功能控制。
由于液冷充電樁電纜需要經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的頻繁扭轉(zhuǎn)和彎曲，存在發(fā)生導(dǎo)體斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，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(qiáng)元件。成纜填充材料可以采用高強(qiáng)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(jì)
在充電樁使用過(guò)程中，普通充電樁電纜會(huì)遭受過(guò)度扭轉(zhuǎn)、碾壓和非正規(guī)使用，因此必須提高對(duì)電纜結(jié)構(gòu)完整性的要求。雖然加強(qiáng)電纜的整體強(qiáng)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(duì)充電樁電纜的每個(gè)結(jié)構(gòu)部件，均需要考慮到電纜在應(yīng)用過(guò)程中可能發(fā)生的各種風(fēng)險(xiǎn)。
液冷充電樁電纜的成纜結(jié)構(gòu)包括：主動(dòng)力線、輔助動(dòng)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(qiáng)度PP繩，其抗張強(qiáng)度高達(dá)50N·mm-2、阻燃性能好，在電纜反復(fù)彎曲過(guò)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(diǎn)，拉伸強(qiáng)度可達(dá)43MPa。液冷充電樁充電時(shí)，電纜在地面上反復(fù)拖磨，護(hù)套也不會(huì)發(fā)生破損，其標(biāo)稱厚度見(jiàn)表3。
表3 液冷充電樁的標(biāo)稱護(hù)套厚度
目前對(duì)新能源汽車的電池續(xù)航要求越來(lái)越高，1000km續(xù)航能力的汽車已經(jīng)面市，但隨之而來(lái)的問(wèn)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(shí)際應(yīng)用情況，規(guī)格為2×50mm2的充電樁電纜動(dòng)力線的正常載流量為215A。但是，如何實(shí)現(xiàn)這種規(guī)格動(dòng)力線載流600A長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，成為急需解決的課題。只靠增大導(dǎo)體截面來(lái)增大載流量，理論上是可行的，但實(shí)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(yùn)行會(huì)產(chǎn)生電纜急劇發(fā)熱的問(wèn)題，國(guó)外有公司采用美國(guó)3M公司的冷卻液解決該問(wèn)題。
本試驗(yàn)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(dòng)力線載流600A的難題。圖2為50mm2動(dòng)力線載流600A的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖2 50mm2液冷充電樁動(dòng)力線載流600A的溫度曲線
由圖2可知，在50mm2液冷充電樁動(dòng)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(huì)超過(guò)25℃，溫度不會(huì)達(dá)到充電樁的電流極限，可長(zhǎng)時(shí)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(yàn)和高、低溫性能試驗(yàn)。液冷充電樁電纜載流量試驗(yàn)充分驗(yàn)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(chǎng)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(shì)，未來(lái)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(guó)家新聞出版署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，上海市國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)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(cè)試技術(shù)、敷設(shè)運(yùn)行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)交流等，報(bào)道國(guó)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(lái)稿！
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