液冷超充桩的工作原理和冷却液的性能要求

2023年，我国新能源汽车产销量分别达到958.7万辆和949.5万辆，比上年分别增长35.8%和37.9%，产销量连续9年居全球首位，销量占全部汽车销量的比例为31.6%。今年以来，前5个月，我国新能源汽车产销量分别为392.6万辆和389.5万辆，同比分别增长30.7%和32.5%，销量占全部汽车销量的比例为33.9%。

为解决新能源汽车的续航焦虑，提高补能效率，如华为、特来电、小鹏等各大运营商和车企纷纷加大充电桩产业布局，而液冷超充桩作为现阶段充电桩发展的主流方向，本文将其工作原理和所用的冷却液等情况简单介绍一下。

充电桩发热的原因

充电桩是一种高压设备，内部电路复杂，包括充电模块、变压器、电容器等关键部件。在充电过程中，这些部件会因为电流通过而产生热量。如果热量不能及时散去，可能会导致设备过热甚至烧毁，影响设备的正常运行。

根据“功率=电压X电流”（即P=UI）可知，当电压P和电流I数据提高时，功率P就会提升，充电速度就越快，充满电所耗费的时间就越短。所以，实现新能源汽车大功率超快充的方式主要分为大电流快充和高电压快充两种。

根据焦耳定律（Q=I²RT），电流通过导体产生的热量，和电流的二次方、电阻、通电时间成正比。也就是说，电阻和通电时间不变的情况下，电流越大，充电桩所产生的热量也越多。

充电速度越快，充电桩电感模块功率越大，充电电流越大，意味着电感模块、电源模块等元件产生的热量越大。

内部元器件极限温升

例如，充电枪在电阻和时间相同的前提下，若在250A电流下产生62500焦耳的热量，则在600A电流下将产生360000焦耳的热量，需要极大地提高充电枪的散热能力。

目前大功率充电主要以不提高整车电压平台的条件下，提高充电电流大小。但充电电流增大后端子及线缆的发热量会快速增加，导致温度迅速升高，持续高温易损害充电装置的电子元件，严重的还会引起烧毁安全事故。

充电桩常见的散热方式，以散热技术划分，常见的主要是风冷、液冷、自然散热三类桩型。

风冷技术主要是通过风扇等设备，将空气吸入充电桩内部，然后通过热交换将热量加速排出。这种技术的优点是结构简单、成本低廉，因此在一些小型的充电桩中应用比较广泛。

自然散热技术主要是利用自然对流原理，在充电桩外壳上设置散热鳍片或散热孔，将热量传递到空气中。这种技术的优点是结构简单、成本低廉，而且不需要额外的能源消耗。不过，自然散热技术的散热效率较低，对于高温、高湿度的环境来说，可能会面临散热不足的问题，因此现在随着技术向大电流大功率方向发展，自然散热充电桩产业应用正在减少。

液冷技术主要是通过液体冷却剂，如水或者油等，将充电桩内部的热量带走。同时，液冷技术还可以通过循环系统将热量排放到外界，避免了热量的积累。不过，液冷技术的成本相对较高，而且需要更加复杂的维护和保养。

风冷和液冷的区别是什么？

目前主流散热模式为直通风冷模式，采用高转速风扇强力排风，空气由前面板吸入，从模块尾部排出，从而带走散热器及发热器件的热量。但由于充电功率的攀升，风冷方式因存在散热不均、散热效果差、噪声大等问题，在实际应用中的效果并不理想，存在安全隐患。

在强制风冷无法满足其大功率充电需求的背景下，液冷以更高的散热效率、更低的噪音以及更安全稳定的性能，成为了行业主流的发展方向。

全液冷超充技术通过使用液体介质来替代传统的空气冷却系统，以提高散热效率。

液冷超充系统的核心部件是冷却液和循环系统。冷却液通常是一种高导热性的液体，如水、甘油或液态金属等。这些液体具有良好的导热性能，能够快速吸收和传导热量。

循环系统由泵、散热器和管道组成，用于将冷却液引入设备并将热量带走。泵负责将冷却液推送到设备的接触点，以吸收设备产生的热量。热量被带走后，冷却液通过管道回流到散热器，散热器通过散热器将热量释放到周围环境中。

液冷充电桩构造主要包括：

1.充电机：电动车接入充电桩时，充电机会开始工作，将电能转换为直流电，并通过充电线路传输到电动车的电池中。在此过程中会产生大量热能，不及时散热会导致充电桩和电动车损坏。

2.液冷系统：散热器、水泵、水箱、管路组成，可将充电机内产生的热量传输到水箱中，并通过水泵将热水循环到散热器中进行散热。可有效降低充电时的温度，保证充电机的安全性和稳定性。

3.控制系统：可检测充电桩和电动车的状态，并根据需求进行调节。

与风冷充电模块相比，液冷充电模块靠液冷板内部循环的冷却液与外界进行热交换，从而充电桩功率部分可以全封闭设计，将散热器外置，内部通过冷却液将热量带到散热器上，外部空气吹走散热器表面的热量，散热效率更高同时噪音更低。

液冷超充的分类

液冷超充可以分为以下几类:

1.单相液冷超充：使用单一液体介质来冷却超充系统。常见的液体介质包括水、乙二醇水溶液等。这种液冷超充方式适用于低功率的超充系统。

2.相变液冷超充：利用液体的相变过程来吸收热量并冷却超充系统。常见的相变液体介质包括液氮和液氦等。相变液冷超充具有较高的冷却效率，适用于高功率的超充系统。

3.热管液冷超充：利用热管的原理将热量从超充系统传递到液体介质中，然后通过液体介质的循环来冷却超充系统。热管液冷超充具有较高的热传导效率和灵活性，适用于各种功率范围的超充系统。

4.二相液冷超充：利用液体和气体两相介质的热传导和相变过程来冷却超充系统。常见的相液冷超充方式包括直接喷射冷却和间接喷射冷却等。二相液冷超充具有较高的冷却效率和热传导性能，适用于高功率和高温度的超充系统。

液冷电缆主要分为两大类，即浸没式和隔离式两种形式，进一步细分，有四种结构：

液冷充电电缆内部带有冷却管，用于传输高速充电系统产生的热量，高效降低电缆温度，避免安全隐患。

而大功率液冷充电枪是通过一个电子泵来驱动冷却液流动，冷却液在经过液冷线缆时(液冷线缆在工作时由于承载大电流会发热)，带走线缆及充电连接器的热量，回到油箱(储存冷却液)，然后通过电子泵驱动经过散热器散发热量，如此循环工作，可以达到小截面积线缆通载大电流、低温升的要求。

电池包及高压线束冷却方案

冷却液的性能要求

全液冷超充桩冷却系统需要能够快速吸收和散发热量，同时保持系统运行在适宜的温度范围内，有效地传热和保证流体循环畅通。

冷却液需要同时满足低凝固点、高闪点、低粘度、高比热容、环保、绝缘、抗腐蚀、等特点，保证良好的冷却效率，如硅油、变压器油、M氟化液，均属于电动汽车大功率充电枪所常用的几种冷却液。

以下是充电桩冷却液常见的一些性能标准：

1.导热系数：导热液的导热系数是衡量其传递热量能力的重要指标。一般来说，导热系数应该足够高，以确保有效的热传递；

2.粘度：导热液的粘度应适中，既要保证流动性，又要避免太大的粘度导致流动阻力过大；

3.抗腐蚀性：考虑到导热液与充电桩内部金属和密封元件的接触，导热液应具有较好的抗腐蚀性，以保护充电桩内部元件的安全运行；

4.冻点和沸点：导热液应具有合适的冻点和沸点范围:以确保在不同的环境温度下能够正常运行，既不冻结也不过热；

5.氧化稳定性：导热液应具有良好的氧化稳定性，以防止在长期使用中产生氧化物沉积物，影响导热效果。

一般来说，液体散热常用的冷却介质有三种：水、绝缘油、水+制冷剂。

现行充电标准GB/T20234.1及IEC62196-1中规定充电枪的工作温度为-30°C-50°C，液冷充电枪作为常规充电枪的扩展产品，也必须满足此工作温度。

水：最佳的载热介质，但只适用于0°C以上地区，不能满足充电枪的低温工作温度，故不能选用。

绝缘油：一般工作温度为-50°C-150°C，闪点温度高、比热容值小、绝缘安全可靠，因此国内充电枪及瑞士灏讯厂家，一般选择绝缘油作为液冷充电枪的冷却介质。

水+制冷剂：一般工作温度为-40°C-150°C，比热容值大、粘度小，但不绝缘。国内充电枪厂家基于安全性的考虑，很少将其选用为液冷枪冷却介质。

液冷终端按照冷却介质划分的水冷和油冷两种技术路径就分别是指：

水冷：水冷方式冷却介质采用乙二醇+水，充电电缆内设计冷却管路，通过水泵推动冷却液的循环流动进行散热，以保持电缆的低温恒温运行，提高电缆的载流能力。

油冷：油冷电缆通过将电芯浸泡在油冷介质中散热，将导热电芯与冷却油直接接触并完全浸没于绝缘冷却油中，辅助循环系统从而高效地带走大功率充电产生的热量，以保持电缆的低温恒温运行。油冷介质具有更强大的热容量和导热率，相比水冷具有更高的冷却效率。但因绝缘油与电芯直接接触，存在一定安全隐患，且在低温条件下油易粘稠，一定程度限制油冷技术的推广。

因此，如果电动汽车大功率充电枪若是采用隔离式冷却，可选用水乙二醇当作冷却液；电动汽车大功率充电枪若是采用浸没式冷却，最适宜选用变压器油或硅油当作冷却液。

除此之外，还有如下表中所见冷却液：

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