液冷电缆使EV充电电流容量增加四倍
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据国外媒体报道，普渡大学的工程师正在研究一种可以在不到五分钟的时间为电动汽车充电的电缆，研究人员通过分析和实施先进的流体冷却，将电动汽车充电站电缆的电流容量增加了四倍。 · 电动汽车大电流充电电缆提出了一种新的冷却技术。 · 该系统依靠使用过冷流沸腾来去除电缆中的热量。 · 使用 HFE-7100 作为冷却剂，进行了实验以获取环中过冷沸腾的数据。
在缩短电动汽车 (EV) 的充电时间方面，许多挑战依然存在。其中包括充电站的可用电量、充电站的电力转换电子设备、将电力从充电站传输到车辆的电缆以及车辆本身内的充电子系统(图 1)。
图1. 直流电动汽车充电系统的关键组件。 这些障碍中的每一个都需要新的方法和解决方案，可能由不同的行业专家解决。当然，当涉及数百安培及以上的充电电流时，每种解决方案都需要进行彻底的分析、测试和审查，以确保其运行良好、运行可靠且运行安全。 显然，输送到 EV 的电流量是确定所需充电时间的重要因素。但是目前，即使是市场上最快的充电器也至少需要20分钟才能充满电。这是因为电流越高，需要从电缆中带走的热量就越多。如果没有可以消除足够热量的东西，“它会熔化电缆，所以这是一个严重的安全性问题”，普渡大学机械工程教授Issam Mudawar说。 普渡大学的一个团队专注于充电电缆，并分析、设计和测试了一种将载流能力从目前的最大值520A增加到2400A以上的方法。他们指出，520A 数字是迄今为止最高，因为许多充电器远低于该值(图 2)。
图2. 全球各种电动汽车充电器充电线的最大持续电流。 冷却优势使其可以在充电电缆内使用更小的线径并耗散更高的电流，同时去除略高于24 kW 的热量。 Mudawar说，可以把电缆当作一根软管，里面有承载电流的导体，“我们在软管内——电缆——通过液体冷却剂来提取热量，它是通过一个称为相变的过程实现点。相变意味着液体在一定程度上变成了蒸汽，并从内部形成微小的气泡。从导热的角度来看，这个过程非常有效，它能够散发大量热量，同时保持可接受的温度。” 流体冷却 为了实现这种显著的容量增加，该团队对电缆采用了基于流体的冷却，因为即使电缆及其连接器中不可避免的极小量电阻也会导致大量的I 2 R加热。该团队通过严格的流体和热建模、详细的方程以及对冷却动力学的额外洞察来实现这一点， 该项目从电缆的基本热模型开始(图 3)，但这并没有开始揭示他们在流体动力学建模过程中所考虑的微妙之处和现实世界的考虑因素。他们添加了从多个角度表征系统动力学的复杂方程，以进行高级建模和后续仿真工具包。
图3. 环空流动几何和边界条件示意图。 他们的目标是开发一种综合的理论/经验方法，用于预测通过具有均匀加热内壁和绝热外壁的同心圆形环流的层流和湍流的传热和压降特性。通过以液体和蒸汽两种形式捕获热量，液体-蒸汽冷却系统可以去除比纯液体冷却至少多10倍的热量。 尽管沿整个电缆保持过冷沸腾是一个关键的实际目标，但这种综合方法已被证明能够处理多种流态(单相液体、过冷沸腾、饱和沸腾和单相蒸汽)。他们的模型在预测局部表面和流体温度方面非常有效。 构建和测试模型 虽然建模和模拟不考虑复杂程度是一回事，但构建和测试这些指示的内容是另一回事。该团队的安排涉及通过模拟一段实际电缆的同心圆形环来泵送高度过冷的介电液体 HFE-7100。均匀加热的6.35 毫米直径内表面代表电导体，而绝热的 23.62 毫米直径外表面代表外部导管。 在这样的功率、热量和流体流量水平下，基本管道本身很复杂，控制和测量所需的各种传感器以及相应的参数也是如此(图4和图5)。
图4. (a)实验两相流回路示意图，(b)组件组装前照片，(c)外管正中蜂窝芯保温加热器，(d)组装后组件， (e) 安装在实验设施上的绝缘模块。
图5. 标注关键部件的实验设备照片。 尽管原型尚未在电动汽车上进行测试，但普渡大学的Mudawar 教授和他的学生在实验室中证明，他们的原型可容纳超过2.4 kA 的电流(请注意，他已经研究了37年通过利用液体在沸腾成蒸汽时如何捕获热量，来更有效地冷却电子设备的方法;通过以液体和蒸汽形式捕获热量，液体到蒸汽冷却系统可以去除大约热量比单独的液体冷却高一个数量级)。 他们的原型模仿了真实世界充电站的所有特征：它包括一个泵、一根与实际充电电缆直径相同的管、相同的控制和仪表，并保持相同的流速和温度(图 6)。
图6. 设置和运行测试实验室的全景图。 该项目由福特汽车公司和普渡大学之间的研发联盟资助。研究人员已为其充电电缆发明提交了专利申请。 Mudawar 说，这种冷却技术已经被用于冷却计算机数据中心、飞机电路板，甚至还在NASA 的国际空间站进行测试。Mudawar 的团队希望在未来两年内在电动汽车上测试他们的电缆原型。为了使电缆正常工作，电池和电源还必须能够处理更高的电流。 |
