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智能流體處理產(chǎn)品帶您走得更遠(yuǎn)更快
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電動汽車充電樁的液體冷卻—使電動汽車始終行駛的秘密
作者 Elizabeth Langer 熱管理技術(shù)主管 CPC

 

隨著能源消耗和二氧化碳排放量的逐年增加,人們越來越倡導(dǎo)節(jié)能減排。大力發(fā)展新能源汽車無疑是未來的趨勢,用電代油是保證我國能源安全的重要措施。然而,快速、高效和便捷的充電既為電動汽車(EV)帶來了益處,同時也帶來了挑戰(zhàn)。充電更快的高功率充電過程會產(chǎn)生更多的熱量,這就需要有效的熱管理以實現(xiàn)最佳性能, 液體冷卻液以及有助于冷卻的連接器顯得尤為重要。


電動汽車未來的充電趨勢:更廣泛、更安全、更快捷

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國電動汽車行業(yè)市場需求預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2019年3月,新能源汽車產(chǎn)銷分別完成12.8萬輛和12.6萬輛,其中,電動汽車產(chǎn)銷分別完成10萬輛和9.6萬輛,比上年同期分別增長96.2%和83.4%。由此可見,在中國新能源汽車市場中,電動汽車的產(chǎn)銷增長是新能源汽車市場的主要驅(qū)動力。[1] 相關(guān)專家預(yù)測,到2030年,全球電動汽車的數(shù)量將擴大到1.3億至2.5億,[2] 中國市場電動汽車產(chǎn)銷量將超過1500萬。[3]

對于駕駛員而言,使用電動汽車的障礙之一是存在“續(xù)航焦慮”,即駕駛員希望能夠在需要的時間和地點找到充電站,特別是在長途旅行中。這個“焦慮”可以通過安裝更多的充電站和充電樁來解決。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,截至2019年第二季度末,中國公共充電樁保有量達(dá)到41.2萬臺,同比增長51.5%;2018年7月至2019年6月平均每月新增11,656臺公共充電樁。[4]



目前市場上大多數(shù)電池的能量密度都在保持在130-160WH/kg之間,若想提高續(xù)航里程的能力,最實際的辦法就是加大電池容量,實現(xiàn)“多吃快跑”的效果。此外,充電速度還取決于電動汽車和充電站之間的兼容性。為了優(yōu)化電動汽車的電池壽命,專家建議車輛需保持30%~80%的電量,因此頻繁充電很正常。有些電動汽車電池容量大,自然續(xù)航里程就高,但同時充電過程會產(chǎn)生更高的熱量和溫度,潛在風(fēng)險也會隨之增加。

如今,存在三種主要的充電類型,并且正在探索第四種更快的選擇:
如今,存在三種主要的充電類型,并且正在探索第四種更快的選擇:

 


電動汽車發(fā)熱和液體冷卻


更高的功率使更快的充電成為可能,但也會產(chǎn)生大量熱量。DCFC和XFC的熱負(fù)載需要先進(jìn)的冷卻技術(shù)以保證其安全可靠的運行。例如,極速充電器可以在充電幾分鐘后將電池組溫度推升至270oC/514oF。美國能源部2017年的一份報告指出,在XFC站進(jìn)行冷卻的唯一可行方案是提供冷水或冷卻液給車輛。[6]


充電速率與可用功率有關(guān)—電流和電壓的函數(shù)。鑒于功率轉(zhuǎn)換固有的 效率低下,廢物以熱的形式散發(fā)。使用下面的功率效率方程式,具有90%充電效率(n)的350kW快速充電系統(tǒng)將產(chǎn)生近40kW的廢熱消散。 現(xiàn)有的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)能夠處理1-5千瓦,而下一代可能需要處理25千瓦或更高的功率。


考慮到現(xiàn)有空氣冷卻解決方案的局限性,液體冷卻是使車載電池/電池組,充電站和其他關(guān)鍵EV組件(例如充電電纜)高效運行合理的一步。隨著功率的增加,所有這些部件都能夠處理隨著功率增加而產(chǎn)生的熱量。


.EV充電站: 級別1和級別2充電器使用板載轉(zhuǎn)換器來管理流向電池組的功率。 級別3及更高級別的充電通常包括外部轉(zhuǎn)換器和EVSE(EV供應(yīng)設(shè)備)控制,以安全有效地管理較高的功率負(fù)載。 盡管充電器和車輛之間的EVSE通信協(xié)議設(shè)置了適當(dāng)?shù)某潆婋娏鳎墑e3功率轉(zhuǎn)換器仍需要有效的熱管理,通常以液體冷卻的形式進(jìn)行。


車輛電池/電池組: 為了最大程度地延長使用壽命和提高性能,必須在操作和充電過程中對車載電池進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。 低溫會降低電池的電量和容量,從而減小續(xù)航里程。 另一方面,較高的溫度導(dǎo)致加速老化。 較高的電流由于內(nèi)部電阻而產(chǎn)生更多的熱量,因此電池和電池組的冷卻至關(guān)重要。 用于電池單元和電池組的液體冷卻方法包括冷板式冷卻,或采用絕緣液全浸沒式冷卻。


與冷卻相關(guān)的風(fēng)險很高,不僅要確保安全有效的運行,而且還要避免損壞設(shè)備。關(guān)于電池的熱設(shè)計,美國能源部車輛技術(shù)辦公室的報告指出:“…[EV]液體流動通道通常更復(fù)雜,需要大量的連接,導(dǎo)致故障的可能性更高。如果液體冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障,則液體冷卻有可能使電池組中的相鄰電池短路,從而導(dǎo)致熱失控。”[7] 同一份報告指出,液體冷卻是用于冷卻的首選熱管理策略。EV電池具有較高的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)。因此,液體冷卻至關(guān)重要-冷卻系統(tǒng)中連接器的堅固性也很重要。


充電電纜: 隨著充電率的增加,帶接線和電氣連接器的千瓦時最大功率存在技術(shù)限制。直流快速充電器需要更大的導(dǎo)體。隨著充電速度和相關(guān)熱量的增加,電纜將變得笨重。液冷充電電纜可以使用較細(xì)的電線,并且可以將電纜重量減少40%[8] —重量更輕的電纜更易于充電者使用。一些技術(shù)已經(jīng)提供了液體冷卻功能,可以降低充電電纜中以及車輛電連接器直流觸點處的溫度。



優(yōu)化液體冷卻—流體連接器注意事項

EV和EVSE液體冷卻中使用的設(shè)計良好的流體連接器將:
- 專為液體冷卻應(yīng)用而設(shè)計,無論是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品還是定制產(chǎn)品。
- 滿足或超越流體兼容性,流量,壓力和溫度性能需求。
- 耐受適用的環(huán)境操作條件—v例如,在車載電池使用的連接器的情況下,溫度范圍廣,暴露于濕氣,灰塵以及振動。
- 避免泄漏—堅固的密封設(shè)計必須能夠承受安裝和使用壓力(側(cè)向載荷,撓曲,拉力),而又不會損害密封,從而使昂貴且至關(guān)重要的組件暴露在流體中 。
- 保持長期性能。
- 提供可靠的,可重復(fù)的性能以及相關(guān)的驗證報告。

 


在為EV / EVSE液體冷卻應(yīng)用指定連接器時,以下特性和性能參數(shù)對于確保組件相對于整個系統(tǒng)要求發(fā)揮最佳作用非常有用。

 

 


應(yīng)該對連接器進(jìn)行測試,以確保特定應(yīng)用需求的功能和性能。 可以通過CPC或授權(quán)分銷商提供的驗證報告來提供有關(guān)其液體冷卻連接器的測試方法和結(jié)果的透明性。
CPC團隊運用其在熱管理方面的豐富知識來開發(fā)耐用的,專用的液體冷卻連接器解決方案。
使用液體冷卻的電動汽車和其他類別的客戶依靠CPC的工程專業(yè)知識來確保其產(chǎn)品和系統(tǒng)提供持久,高效,無泄漏和可靠的性能。
通過包括定制產(chǎn)品在內(nèi)的廣泛解決方案,CPC連接器甚至可以滿足最苛刻的應(yīng)用要求。 有關(guān)更多信息,請訪問:cpcworldwide.com/liquid-cooling。或通過以下方式聯(lián)系我們的熱管理/液體冷卻工程師之一: cpcworldwide.com/liquid-cooling. 或通過以下方式聯(lián)系我們的熱管理/液體冷卻工程師之一: 詢問我們的工程師。


參考
1. IEA (2019).Global EV Outlook 2019. IEA, Paris, Retrieved at: https://www.iea.org/publications/reports/globalevoutlook2019/
2. Joselow M. The U.S. has 1 million electric vehicles, but does it matter? Sci Am. (2018.) Retrieved at: https://www.scientificamerican.com/article/the-u-s-has-1-million-electric-vehicles-but-does-it-matter/
3. Penn I. Las Vegas and back by electric car: 8 hours driving; 5 more plugged in. New York Times. June 22, 2019. Retrieved at: https://www.nytimes.com/2019/06/22/business/energy-environment/electric-cars-charging.html
4. About electrical vehicle charging. Electrify America. Retrieved at: https://www.electrifyamerica.com/about-ev-charging
5. Chon S., Bhardwaj M., Nene H. Maximizing power for Level 3 EV charging stations. Retrieved at: http://www.ti.com/lit/wp/sway014/sway014.pdf
6. California Energy Commission. (Jan. 2018). Electrical vehicle charger selection guide. Retrieved at: https://afdc.energy.gov/files/u/publication/EV_Charger_Selection_Guide_2018-01-112.pdf
7. U.S. Dept. of Energy/Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. (Oct. 2017).
Enabling fast charging: A technology gap assessment. Retrieved at: https://www.energy.gov/sites/prod/files/2017/10/f38/XFC%20Technology%20Gap%20Assessment%20Report_FINAL_10202017.pdf
8. Keyser M. et al. Enabling fast charging—battery thermal considerations. J. Pow Sour 367 (2017) 228-236. Retrieved at: https://www.osti.gov/servlets/purl/1408689
9. Cooper L. Liquid cooling tech used in high power charging solution for EVs. Electronic Specifier. (Jan. 9, 2018). Retrieved at: https://automotive.electronicspecifier.com/power/liquid-cooling-tech-used-in-high-power-charging-solution-for-evs

 

 

作者
Elizabeth Langer
熱管理技術(shù)主管
CPC

充電器類型
電源/輸出
典型充電時間

等級1
使用標(biāo)準(zhǔn)的120V AC電路。
輸出:12-16安; 約1.44千瓦至1.92千瓦
8-10小時,取決于型號;
用于家庭充電,每小時充電可行駛2-5英里

等級2
使用208 / 240V AC電路。
輸出:15-80安; 約3.1 千瓦至19.2千瓦
4-8小時; 可在家中使用,每小時充電可行駛10-20英里

等級3
直流快速充電器(DCFC)
使用三相480V交流電路,將其轉(zhuǎn)換為直流電到車輛。
輸出:高達(dá)500安; 50kW至350 kW
30-60分鐘;每小時充電可行駛60-80英里

下一代:極速充電器 (XFC)
800V
輸出:400千瓦以上
充電可行駛200英里范圍的時間:約7.5分鐘

 

Pwaste= Pout (1/n - 1)

 

 

性能特性
說明和相關(guān)注意事項

連接器類型
考慮空間限制,所需的連接力,易用性以及確認(rèn)安全連接的能力以及其他基準(zhǔn)性能參數(shù)

快速斷開(QD)
用于液體冷卻的連接點; 密封件和內(nèi)部閥具有無溢漏性能,可應(yīng)對包括可更換電池組在內(nèi)的電動汽車應(yīng)用的壓力,流量,化學(xué)相容性和操作條件; 車輛上集成的電池組/電池; 以及EV充電站電源逆變器

指鎖
集成的拇指閂鎖允許單手操作,簡化了連接/斷開; 可聽見的“咔嗒”聲確認(rèn)完全連接

盲插
需要單獨的鎖止裝置,例如單獨的閂鎖; 釋放力使QD斷開連接; 難以看到空間狹小位置的好 選擇

90度彎快接,可旋轉(zhuǎn)接頭的量子點
集成的旋轉(zhuǎn)接頭和90度彎消除了彎管,并通過定向閂鎖使在狹窄空間中的連接和斷開更加容易,以便于操作

連接器材料
考慮化學(xué)相容性,與冷卻劑接觸的材料(閥門,密封件,連接器主體等接液材料),壓力,溫度,可靠性,重量

金屬
耐用,可承受粗糙的處理,容易腐蝕—維護冷卻液系統(tǒng)對于持久的無泄漏性能至關(guān)重要

聚合物
輕巧,緊湊,可為流體管道提供獨特的幾何形狀; 工程聚合物通常比金屬便宜,在低壓(<200 PSI)中溫(<80°C)應(yīng)用中提供了足夠的強度和耐久性; 良好的阻燃性—尋找符合UL94-V0的材料

組合:金屬/聚合物
將金屬外殼的強度與內(nèi)部的高性能工程聚合物組件結(jié)合在一起; 堅固的外殼可承受外力沖擊,而堅固的工程級熱塑性塑料可耐受腐蝕并優(yōu)化流量性能

冷卻液類型
接液材料的化學(xué)相容性至關(guān)重要。當(dāng)存在導(dǎo)電流體,例如水或乙二醇/水時,應(yīng)避免使用異種金屬,以防止發(fā)生電化學(xué)腐蝕。應(yīng)根據(jù)與冷卻液的相容性來選擇諸如彈性體O形圈,管道或熱塑性連接器之類的聚合物組件。某些導(dǎo)電介質(zhì)和制冷劑可能需要特別考慮兼容性。

流量,壓力和壓降
考慮冷卻電動汽車內(nèi)各種組件所需的流量(例如車載電池,電動汽車充電站電源逆變器)

流量
由于傳熱能力與流體質(zhì)量流量有關(guān),因此高流量連接器還必須保持低壓力損失,以提高效率。 冷卻劑流速根據(jù)管理的熱負(fù)荷,流體類型和冷卻系統(tǒng)類型而變化。 考慮到這些變量和連接器在系統(tǒng)中的位置,流量(Q)可能為0.25≤Q≤10gpm。 超過連接器最大流量可能導(dǎo)致密封失效或加速零件腐蝕。

連接器尺寸
指定合適的連接器尺寸-等效流量直徑。 板載冷卻回路連接器的尺寸通常為1/8英寸至1/2英寸。 EV快速充電站冷卻系統(tǒng)可能需要1/2英寸或更大的接口,以支持更高的流量。 尋找具有優(yōu)化流量系數(shù)的快速斷開連接,以幫助減少通過連接器的壓降和冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān); 還應(yīng)考慮可用的空間,以確保有足夠的空間進(jìn)行連接,斷開和持續(xù)使用。

壓力
應(yīng)評估操作壓力,喘振壓力和爆破壓力。 工作壓力定義了正常工作系統(tǒng)使用期間的通常壓力范圍和常規(guī)壓力范圍。 爆裂壓力表示組件不再保持壓力的點,通常與機械故障對應(yīng)。 喘振壓力在表征失控情況或極端環(huán)境條件(例如運輸過程中的熱循環(huán))時可能很有用。 泄壓機構(gòu)可以并入冷卻系統(tǒng)或快速斷開裝置本身,以減輕過壓的風(fēng)險。

壓降
流速和連接器尺寸都會影響壓降; 計算整個冷卻系統(tǒng)的壓降。 要計算通過快速斷開接頭的給定流量下的壓降,請使用以下公式:
Q = 每分鐘加侖的體積流量
Cv = 連接器的流量系數(shù)*
ΔP = PSI中的壓降(上游壓力與下游壓力之間的Δ)
SG = 流體比重
*發(fā)布的Cv值通常與水有關(guān)。 如有必要,對使用的特定冷卻液應(yīng)用校正系數(shù)。

止流/無溢漏性能
考慮斷開時冷卻液溢出的公差等級。材料,密封件,閥門類型和整體連接器設(shè)計會影響斷開時的冷卻液液位。

直通連接器
斷開連接時,連接器兩端都沒有截流功能

單截止閥
快速連接器的一側(cè)裝有一個止流閥

雙截止閥
快速連接器的兩端都裝有閥門。斷開閥門將少量液體截留在連接器內(nèi),斷開時會滴落

沖洗閥
大多數(shù)無溢漏/干斷/無泄漏快速連接器均具有平閥設(shè)計,僅允許在閥表面上覆蓋一層冷卻液

 

Q = Cv √(ΔP/SG)

 

 

廣泛的快速斷開選項
Everis 液體冷卻快速插拔產(chǎn)品組合包括三個快速斷開產(chǎn)品系列

 

Everis LQ2


Everis LQ2
專為液體冷卻應(yīng)用而設(shè)計,提供高流量以優(yōu)化液體冷卻系統(tǒng)的性能。

 

Everis LQ4


Everis LQ4 系列
The Everis LQ4 專門為液體冷卻應(yīng)用而設(shè)計, 提供高度可靠 、無滴漏的連接。

 

Everis LQ6


Everis LQ6系列
The Everis 無溢漏的液體冷卻用連接器保證安全﹑可靠﹑無滴漏的連接。

 

Everis LQ8


Everis LQ8
EverisLQ8系列連接器具備1/2英寸流量,專為電子液體冷卻應(yīng)用而設(shè)計,提供安全可靠,無滴漏的連接和和斷開連接

 

Everis BLQ2


Everis BLQ2
The Everis 無滴漏快速插撥接頭專為機架式液體冷卻應(yīng)用而設(shè)計

 

Everis BLQ4


Everis BLQ4
The Everis 專為盲插液體冷卻應(yīng)用設(shè)計的無泄漏快速插拔接頭

 

Everis BLQ6


Everis BLQ6
Everis BLQ6 3/8英寸流量接頭為盲插液冷應(yīng)用提供超可靠的連接。 可為面板連接提供可選的附件套件。

 

Everis PLQ2


Everis PLQ2
EverisPLQ2 連接器專為液冷設(shè)計和制造,可提供無滴漏的連接和斷開。

 

Everis PLQ4


Everis PLQ4
Everis PLQ4連接器專為液體冷卻應(yīng)用而設(shè)計,在電子系統(tǒng)環(huán)境中具有高度可靠性和出色的性能。

 

 

CPC液體冷卻連接解決方案產(chǎn)品目錄

CPC產(chǎn)品目錄專用于適合液體冷卻應(yīng)用的連接器,包括專為電子系統(tǒng)熱管理而設(shè)計的Everis快速插拔接頭。

推動創(chuàng)新不斷前進(jìn),電動汽車充電和電動汽車車隊運營的液體冷卻

了解電動汽車EV充電電子冷卻系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn),以及CPC和Everis液體冷卻快速插拔接頭如何支持設(shè)計解決方案。

電動汽車充電的液體冷卻解決方案 - 確保電動車輛持續(xù)行駛的須知

如何為液體冷卻電動汽車充電系統(tǒng)、充電座、電池更換系統(tǒng)、電纜、智能車載娛樂系統(tǒng)選擇快速接頭。

- 專用于液體冷卻:Everis 快速接頭

- 液體冷卻電動汽車充電站 Liquid Cooled EV Charging Stations

- 液體冷卻電動汽車 (EV) 充電電纜

- 電動汽車 (EV) 液體冷卻充電解決方案





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