關鍵詞：新能源汽車；高壓平臺；超級充電樁；智能液冷控制；控制器；超級充電樁

中圖分類號：TM919 文獻標識碼：A

0引言

隨著新能源汽車滲透率快速提升，新能源汽車存在的續(xù)航、充電焦慮等核心痛點日益明顯。為延長續(xù)航里程，各大廠商紛紛擴大電池容量，續(xù)航焦慮漸漸被降低，但充電焦慮開始浮出水面。根據(jù)新能源車用戶充電行為特征洞察結果顯示，快速充電成為主流選擇，占比高達95.4%，而慢充方式的受歡迎程度則呈現(xiàn)下降趨勢[1]。于是，大功率超充順應而生。同時關于大功率充電的國家標準GB/T20234.3-2023《電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分：直流充電接口》于2023年9月正式頒布實施[2]，從標準法規(guī)層面為大功率充電保駕護航。

1大功率充電的現(xiàn)狀

1.1大功率快充的實現(xiàn)方式

根據(jù)高壓蓄電池能量定義，高壓蓄電池充電時間（h）＝高壓蓄電池容量（kW·h）/充電功率（kW）。每輛電動車匹配高壓蓄電池的電池容量都是固定的，例如奇瑞汽車有50kW·h、80kW·h等，所以充電功率越大，充電時間就越短。而根據(jù)“功率＝電壓×電流”（即P＝UI）可知，當電壓P和電流I任意一者提高，功率P就會提升，充電速度就越快，充滿電所耗費的時間就越短。所以，實現(xiàn)大功率超快充的方式主要分為高電壓快充和大電流快充兩種。

1.2高電壓快充技術壁壘高，實現(xiàn)難度大

高電壓快充，即通過提高電壓以提高功率。高電壓快充的技術壁壘比較高，因為提升電壓會帶來安全問題，同時會對零部件的要求增加很多。市面建設好的直流快充樁，所支持的電壓一般是200～750V，2022年以來才開始推出200～1000V的超充樁。對應超充樁的高電壓平臺，新能源汽車也同步需要重塑整車電子電器架構，升高電壓平臺。目前受制于汽車及充電樁高壓零部件成熟度太低的影響，高電壓快充技術處于發(fā)展初期。

1.3大電流快充技術帶來熱效應難題

根據(jù)焦耳定律（Q＝I2RT）可知，電流通過導體產(chǎn)生的熱量和電流的二次方成正比，和電阻成正比，和通電時間成正比。大電流快充帶來的熱效應顯著增加，持續(xù)的高溫非常容易損害充電裝置的電子元件，甚至會引起燒毀的安全事故。因此國家標準GB/T20234.3-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分：直流充電接口》規(guī)定，通用第三方充電樁的最大輸出電流被限制在250A以內(nèi)[3]，這也讓大電流快充技術的門檻呈指數(shù)級增長。隨著新能源汽車滲透率快速提升，目前新能源汽車廠家開始進入超級充電樁產(chǎn)業(yè)，充電樁行業(yè)頭部企業(yè)也投入大量資源做快充技術研發(fā)。例如特斯拉發(fā)布的360kW快充技術、小鵬汽車發(fā)布的480kW快充技術以及華為發(fā)布了600kW快充技術等，均快速推動行業(yè)發(fā)展，為大功率快充技術普及奠定基礎。

2大功率充電技術壁壘攻克

2.1國家標準

保駕護航隨著快充技術的發(fā)展，全國汽車標準化技術委員會組織主機廠及充電樁企業(yè)不斷研討，于2023年完成國家充電標準的更新。更新后的標準GB/T20234.3-2023將最大充電電流從250A提高至800A，充電功率提升至800kW，增加了主動冷卻、溫度監(jiān)測等相關技術。

2.2快充技術研發(fā)技術路線

目前新能源汽車廠家為了提高客戶充電體驗，開始進入超級充電樁產(chǎn)業(yè)。有些企業(yè)直接研發(fā)超充技術，建立獨有品牌超充站，如小鵬、廣汽埃安、極氪汽車和特斯拉汽車等。也有些企業(yè)與充電樁頭部企業(yè)，例如華為、星星充電和特來電等公司合作，共同開發(fā)超充技術，建立超充站服務廣大新能源車主。針對大電流高電壓快充帶來充電樁的充電槍線熱效應顯著增加的問題，當前主要通過降低充電槍線纜的發(fā)熱量解決，這主要是通過風冷和液冷兩種技術路線。

風冷快充技術路線采取加粗電纜的方式來散熱，額定充電電流最大允許250A，額定充電功率250kW，但槍線線纜直徑大，使用笨重，用戶充電體驗不佳。而使用了液冷技術的充電樁，通過電子泵驅(qū)動冷卻液流動，使冷卻液在液冷電纜、儲存冷卻液的儲液罐以及散熱器之間循環(huán)流動，從而實現(xiàn)散熱效果，所以液冷充電樁的電線電纜很細但卻又很安全。但對應的液冷和控制技術有壁壘，對企業(yè)研發(fā)要求高。本文介紹一種超級快充樁的智能液冷控制技術，可支持充電樁在保證安全的情況下輸出600kW甚至更高的充電功率。

3大功率充電技術方案——智能液冷控制

3.1超級快充樁結構簡介

超級快充樁（以下簡稱充電樁）通常為分體式，由超級快充樁功率柜和超級快充樁終端組成[4]。功率柜主要包含功率模塊和充電樁控制系統(tǒng)，終端主要包含充電槍線和人機交互界面（圖1）。

充電槍線安裝在充電終端上，主要是連接充電樁和車輛，實現(xiàn)充電和信息通訊功能。功率模塊安裝在充電樁內(nèi)，功率模塊主要實現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)換為汽車充電需要的直流電。充電樁控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)充電系統(tǒng)啟停、數(shù)據(jù)交互、參數(shù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和信號通訊。人機交互界面，主要給車主操作啟動、關停充電動作，顯示充電過程的電壓、電流、時間和費用等信息[5]。

充電樁四大模塊中，功率模塊、控制模塊以及人機交互模塊技術均比較成熟，瓶頸技術是高電壓大電流情況下充電槍線的散熱技術。

3.2智能液冷控制系統(tǒng)工作原理

本文介紹一種基于智能液冷散熱技術的超級充電樁槍線散熱方案，此方案采用電子式溫度開關開控制散熱風扇啟停、充電電流限流啟動和充電樁控制器控制液冷水泵運轉(zhuǎn)，來給充電槍線進行液冷散熱。該技術方案具有較好的針對大電流充電過程中充電槍線的散熱造成的溫度升高的管控能力，無需額外增加液冷冷源散熱系統(tǒng)控制器，成本更低、系統(tǒng)可靠性和充電安全性更高。此方案是在傳統(tǒng)自然風冷技術方案基礎上增加電纜液冷散熱設計，由4個部分組成（圖2）。

（1）液能充電槍線，是連接電動汽車和超級充電樁為電動汽車動力電池提供直流電源的充電連接裝置，由槍線和槍頭組成。

（2）電子式溫度開關，主要是控制散熱風扇啟動散熱和過溫時發(fā)送限流信號，安裝于冷源內(nèi)部，通過采集冷卻系統(tǒng)內(nèi)部冷卻液的溫度和充電槍槍頭的溫度，并根據(jù)溫度來控制散熱風機和液冷泵的啟停。

（3）液冷冷源，包含有液位檢測模塊、壓力檢測模塊、電子式溫度開關和水泵控制，主要是使充電時讓冷卻液流動起來，并自帶液位和液壓檢測傳感器。將電纜大電流高電壓充電時發(fā)出的熱量及時傳導交換輸送出來，再利用冷源散熱風扇及時將熱量排除。其中液位模塊主要部件為液位傳感器，進行冷卻液位檢測；壓力檢測模塊主要為液壓傳感器，進行冷卻液壓力檢測；電子式溫度開關有兩個，分別檢測冷卻液的溫度和充電槍頭的問題，水泵控制系統(tǒng)保證冷卻液的流動。

（4）充電樁控制系統(tǒng)，主要是控制充電系統(tǒng)啟動輸出、數(shù)據(jù)交互、液位檢測數(shù)據(jù)、壓力檢測數(shù)據(jù)、冷源啟停及參數(shù)監(jiān)控。此方案實施后提供一種新的散熱方案和控制策略，能夠?qū)⒊潆娋€纜和槍頭溫度維持在正常溫度范圍內(nèi)，從而將額定電流提高到600A，將額定功率提高到600kW，同時充電槍線重量可減輕30%以上，從而延長充電槍的使用壽命，提高充電安全性。

3.3智能液冷控制系統(tǒng)控制邏輯

如圖3所示，液冷充電系統(tǒng)啟動前，充電樁控制系統(tǒng)會檢測冷源中冷卻液的壓力，壓力在正常范圍內(nèi)可進行正常充電操作。若冷卻液的壓力異常，則將故障代碼上傳到運營監(jiān)控平臺。充電啟動時會同步啟動液冷水泵，冷卻液開始流動。

充電啟動后，電子式溫度開關會對冷卻液溫度進行檢測，如溫度達到設定限值后電子式溫度開關啟動散熱風扇進行散熱；如溫度在未達到限制值，則在保證槍線正常工作范圍類繼續(xù)加大功率輸出，直到達到允許最大電流。

充電啟動后，充電控制系統(tǒng)會實時檢測槍頭內(nèi)部溫度，當溫度過高時充電控制系統(tǒng)會對輸出電流進行降額處理，直至降至正常溫度后再逐步加大電流輸出；同時出液口電子式溫度開關會對出液溫度進行實時監(jiān)測，當溫度超過限值后會立馬發(fā)送電流降額請求，使控制器進行強制降額直至溫度回歸限值以下。

當結束充電時，充電槍頭溫度檢測和電子式溫度開關會進行溫度檢測判斷；若溫度檢測到仍較高時，液冷泵和散熱風扇會繼續(xù)維持運轉(zhuǎn)，來保證將液冷系統(tǒng)熱量散到合理溫度值；若溫度檢測到在正常值內(nèi)，充電樁控制系統(tǒng)會停止液冷泵運轉(zhuǎn)，電子式溫度開關會斷開散熱風扇運轉(zhuǎn)，整個冷源系統(tǒng)會停止運行進入到待機模式。

4智能液冷控制快充技術批量化應用

4.1智能化液冷控制技術優(yōu)化企業(yè)成本

以奇瑞充電樁企業(yè)為例，其超級充電樁在采用此充智能液冷控制技術以后，可以將充電樁槍線冷源系統(tǒng)子控制器取消，其控制邏輯上移到充電樁主控制器，形成充電樁總成域控制器，其物料成本及生產(chǎn)直接減少，同時交付給客戶以后減少售后服務，成本核算共計可優(yōu)化10%以上。大大調(diào)高其超級充電樁產(chǎn)品在大功率充電市場非常有競爭力。

4.2智能化液冷控制技術推動企業(yè)研發(fā)升級

傳統(tǒng)充電樁企業(yè)基本可以歸類為制造類企業(yè)，其智能控制技術、電子電器架構、控制器軟硬件開發(fā)能力非常薄弱。在如今智能化時代，很多企業(yè)面臨生存壓力。智能化液冷控制技術要求企業(yè)加大研發(fā)投入和人才培養(yǎng)，在智能化控制、電子電器架構、控制器軟硬件開發(fā)領域快速成長，否則將會被行業(yè)淘汰。企業(yè)在此技術的牽引下，能夠快速打造一直滿足新四化的優(yōu)化研發(fā)團隊。比如當前TOP充電樁企業(yè)均組建了專門的智能化團隊來應對市場需求。

4.3智能化液冷控制技術應用難題

以上雖提到智能化液冷控制技術基本已經(jīng)具備量產(chǎn)條件，但各家充電樁企業(yè)及新能源企業(yè)仍然面臨諸多瓶頸，如電子電器元件無法長期耐高壓、高熱存在安全隱患，如各企業(yè)智能化團隊能力不足或者智能化團隊缺失，導致能力不足以支撐智能化液壓控制技術從項目立項到設計驗證直到產(chǎn)品批量投放市場等等。但好在各企業(yè)已經(jīng)意識到此重要性，均在加大建設力度，少數(shù)企業(yè)已經(jīng)開始具備量產(chǎn)投放條件，如奇瑞充電樁企業(yè)。

5結束語

此智能液冷技術方案，重點解決大電流充電過程中充電槍線溫度升高過快的痛點，同時此智能液冷控制技術也推動了充電基礎設施的研發(fā)技術升級，為電動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支撐，具有廣闊的市場前景與行業(yè)意義。

作者簡介：

張衛(wèi)琴，碩士，高級工程師，研究方向為新能源汽車充電、智能駕駛。