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另一个电动车电源挑战:冷却充电器的电缆

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2023-11-20         
阅读:55     
 
 

在缩短电动汽车充电时间方面有许多众所周知的挑战,包括充电站的可用电量、充电站的电力转换电子装置、从充电站到车辆的电力电缆以及车辆本身的充电子系统。

你可以在列表中添加另一个:当数百安培流经电源线时,通过I2R耗散产生的热量,即使其电阻较低,也在一欧姆以下。减少电流以保持热量在允许的范围内,对充电时间有直接影响。

关键部位图1

图1:直流电动车充电系统的关键部件,以组合充电系统1型标准(J1772 AC + CCS)连接器为例。

请注意,电力电缆自热并不是电动汽车充电所特有的:美国的国家电气法规(以及其他地方的类似法规)有详细的交流电源电缆降额表,显示了不同电流水平下允许的最大环境温度。对于将这些自热的电力电缆捆绑在一起也有新的限制,对于将低压电力电缆,如以太网电源IEEE 802.3bt(3型/60W和4型/100W),与这些高功率的交流电缆一起铺设也有限制。

认识到这一障碍是一个机会,由Issam Mudawar(普渡大学机械工程系Betty Ruth和Milton B. Hollander家族教授)领导的一个经验丰富的团队分析、设计并测试了一种方法,将载流能力从目前的最大520安提高到超过2400安。这项工作是与韩国的光州科技学院共同完成的。

这个520A的数字是迄今为止他们工作时的最高值,因为许多充电器都远远低于这个数字(图2)。

充电线图2

图2:通过全球各种电动汽车充电器的充电线的最大连续电流。

为了实现这一容量的显著增加,该团队对电源线采用了基于流体的冷却。该团队通过严格的流体和热力模型、详细的方程式和对冷却动力学的额外见解来实现这一目标。

该项目从电力电缆的基本热力模型开始(图3),但这还不足以揭示他们在流体动力学建模过程中所考虑的微妙问题和现实世界。他们增加了复杂的方程,从多个角度来描述系统的动态,包括高级建模和随后的模拟工具包。通过捕捉液体和蒸汽形式的热量,液-汽冷却系统可以比纯液体冷却至少多移除10倍的热量。

示意图

图3:环形流的几何形状和边界条件示意图。

虽然建立模型和进行高度模拟是一回事,但建造和测试这些表明的东西是另一回事。该团队的安排涉及泵送高度过冷的电介质液体,HFE-7100(一种用于各种关键工业应用的工程非易燃液体)。高沸点和低表面张力通过一个同心圆环,模仿实际电力电缆的一段,其均匀加热的6.35毫米直径的内表面代表电导体,绝热的23.62毫米直径的外表面代表外部导管。

在这些功率、热量和流体流动水平上,基本管道本身是复杂的,控制和测量相关参数所需的各种传感器也是如此(图4和5)。

示意图2

示意图4

图4:(a)实验性两相流循环的示意图;(b)组装前的模块,(c)在外管精确中心的蜂窝状核心容纳加热器,(d)组装后的模块,(e)安装在实验设备上的绝缘模块的照片。

实验设施1

图5:关键部件的实验设施照片。

他们的原型模仿了真实世界的充电站的所有特征:它包括一个泵,一个与实际充电电缆直径相同的管子,相同的控制和仪器,并且它有相同的流速和温度(图6)。

实验设施2

图6:设置和运行测试的实验实验室的全景。

他们的工作表明,当电动车充电达到更高的电流时,电动车充电问题是多么复杂,以及理解和解决这些问题所需的先进工作。在《国际传热学杂志》上的两篇有点重叠的、非常长的论文中对其进行了极其详细的描述。每篇论文都包含了大量的分析、建模数据、详细表格、见解和结果。这两篇论文还深思熟虑地包括了一整页对所有术语、希腊符号、下标、首字母缩略词和所用缩写的定义。

 

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