展望充电设施中材料的选用

来源：线束世界•作者：•2023-09-26 09:46

引言：

新能源汽车在全球范围内取得了非凡的成就，2022年，全球新能源汽车销量达到1052.4万辆，同比增长61.6%。当然全球汽车销量的主要贡献来自中国，中国新能源汽车销量达到688.4万辆，在全球的比重增长至63.6%。预计全球新能源汽车的销量在2025年和2030年将分别达到2542.2万辆和5212.0万辆，新能源汽车的渗透率将持续提升并在2030年超过50%。

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▲图1. 全球电动汽车的发展

伴随着中国和全球新能源汽车的发展，充电设施，特别是充电桩成了很大的瓶颈。根据德勤发布的《2022 年全球汽车消费者研究》，欧洲和美国消费者对新能源车的顾虑主要为续航里程不足、充电桩数量不足、充电速度不够快和电池安全隐患等，对充电设施需求主要集中在：更多的数量和更快的充电速度。

由于直流快充桩相比交流桩拥有更高的电压和功率、更快的充电速度——交流充电桩（6kW）为 10-40 英里/小时，而直流快充桩（50-350kW）为 100-300 英里/小时，因此，直流快充是充电桩的必然趋势，而且在全球范围都有较大的发展空间。

在充电桩的设计中，哪些材料的选用会影响其性能，哪些材料又将是未来的使用趋势？本文主要来探讨一下充电桩的材料选择。

Part 1充电设施中有哪些模块？

最近我们一直在尝试做智能汽车以及相关产品的拆解分析工作。后续有机会也会拆解充电桩来看看。

根据对电动汽车的充电方式，充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两大类。交流充电桩目前主要围绕家用场景，造价低廉，给普通纯电动轿车充满电需要8个小时以上，俗称“慢充”。直流充电桩具备直接给电池充电的能力，以三相四线制的方式连接电网，能够提供充足的电力，输出的电压和电流调整范围大，俗称“快充”。

◎ 慢充桩：主要包含充电枪、充电线缆、本体、充电保护

◎ 快充桩：主要包含充电枪、充电线缆、本体、热管理系统、充电模块、充电保护、交互等等

在实际应用中，快充桩是直流充电系统的一部分，这个大系统可以分为变压器、配电柜、直流充电机和充电桩，与电网的关系密不可分。也是本文主要关注的对象。

一个典型的直流充电机主要包括：

◎ 充电电源模块：完成把380V AC交流输入转换为直流电压和能量转换

◎ 智能控制模块：包含电源供给和控制部分，基本的功能是完成与电动汽车通信，根据电动汽车的需要来实现充电控制的功能，包含远程通信、温度控制、直流负载保护、漏电保护、对外交互的接口，给用户输入信息和显示状态的接口等等

◎ 充电线缆和充电接口：这部分是把充电桩进一步和电动汽车连接的部分

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▲图2 直流快充桩

Part 2 充电设施里面的材料选择

高性能的超级充电桩需要具备以下特性：

◎ 高功率

充电桩的输出功率，直接限制电动车的充电速度，高功率的公共快充桩，尤为重要。大功率充电主要由电流和电压两个方向进行提升，功率的提升主要是两方面综合的要素，电压平台的提升是需要在乘用车和商用车的电压平台提升同步进行。现在主要的设计规格要求围绕800V的电压平台，充电电流逐步提高到500A。

◎ 长寿命

对于充电运营能力的核心就是收入、成本与效率，在充电服务费用有限和定量的情况下，如何减少支出，增加收入，提升充电运营的收益，充电运营商最能改善其运营状况的途径，莫过于成本和效率。核心还是围绕长寿命可以把固定资产的折旧折成很多年，所以需要关注充电桩的寿命设计。

◎ 免维护

充电桩的应用场景多样，除了环境条件相对稳定的地下车库，还包括风吹日晒的户外环境，甚至有些如沿海的码头、尘土飞扬的矿区等极端环境，设施需要在各种条件下都要确保稳定地工作。

◎ 安全

由于充电设施是能量转化装置，用电涉及到充电线缆和充电连接器在碾压和反复使用中，还能保证安全性能。

因此，在充电桩的设计中，尤其是超级充电桩中，需要进行很多的材料的创新使用。在这里需要哪些功能材料呢？

◎ 导热：充电桩和电线等都是会发热的，充电模块散热技术的演进，如何通过高导热材料与外界进行热交换来达到散热效果；或者通过更为复杂的液冷技术来解决充电桩内部散热的问题，这都需要良好的导热材料和热管理方案。

◎ 密封：水冷系统的处理，还有模块的处理，事实上充电模块里面包含对环境（沙尘，水气，盐雾等）敏感的器件，如电容、半导体、磁性元件等；也包括发热量大的功率器件，如何解决好这些部件的环境防护等级就需要很多的考虑。

◎ 绝缘：涉及到交流和直流部分，特别是用户可以接触的位置，因此绝缘能力是保护用户的安全非常重要的部分。

Part 3 充电设施的设计细节——对材料的需求

在研究充电桩的设计时，我们发现了很多关于陶氏公司的冷却和导热材料的应用，主要在以下的充电的部件中：

● 超级充电冷却液

DOWSIL™ DCF-18浸没冷却液是一种安全、耐高温、不易燃的液体，可有效提高冷却和导热性能。推荐用于油冷超级充电枪线缆中，这种液体具有出色的粘温性能、热氧化稳定性、电绝缘性能，并且无毒无害，不会滋生细菌和霉菌。

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▲图3. 350kW直流充电桩的冷却液

● 超级充电枪水冷导热管（导热硅橡胶）

随着超级充电市场的兴起，尤其是陶氏公司研发并推出HTE5015-90U的导热硅橡胶，解决了水冷超级充电枪方案中的关键技术难题——冷却水管必须兼具高导热系数与高强度高韧性材料问题，越来越多的超快充电枪开始使用水冷的方案。

在水冷超级充电枪方案中，采用的液体介质是水加乙二醇或丙二醇类物质的冷却液，这类型冷却介质不仅价格低，而且在很多循环泵体中都有长期应用实施的成熟经验。但这种技术方案很长一段时间受限于高导热系数的冷却水管，在模拟计算和实际测试中都发现，如果冷却水管的导热系数不够，当充电电流超过一定值后，不管循环泵中的冷却液循环多快，热量都不能有效的带走，就必须提高导热水管的导热系数。

HTE50105-90U就基于这个背景来应运而生，导热系数为1.5W/m.K，可以为600A电流的超级充电枪的电缆降温并提供导热保护。同时，该材料具有良好的物理特性和抗恶劣环境性能，可以用它来挤出导热硅胶管，它具有高硬度和高强度可以直接与电缆绞合。同时，它又有足够的柔韧性、足够的使用寿命、耐高低温性和耐冷却液性等特性，最重要的是还有良好的电气绝缘性，可以为超级充电枪提供长期的保障。

● 超级充电枪枪头的导热灌封/密封

设计超级充电枪，除了线缆必须考虑发热和散热外，还需要考虑散热问题。因为充电端子在高功率工作时也会产生大量的热量，但受限于充电枪的体积和重量设计，目前很难用空气冷却解决散热问题，此时大多需要使用导热灌封胶取得良好的散热效果。

业已证明，导热系数4.0W/m.K的DOWSIL™ TC-6040可以让充电中过热的充电枪快速降温，既不会烫手，又能确保系统内部的模块，尤其是最重要的逆变器模块长期可靠。同时，超级充电枪的另一个重要因素是使用密封胶和密封圈，既要确保冷却液不会漏，也要确保环境的风霜雨雪不会进到充电枪里面。使用SiLASTIC™ RBB-6300-50，RBB-2030-40，DY32-502U，DY32-366U做成的橡胶密封圈和线束密封圈都取得了很好的防水效果。

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▲图4. 充电枪头的设计

● 超级充电桩导热灌封

新一代直流快充模块最主要的特点是采用了全灌胶工艺，这样可以使得模块适应恶劣的工作环境，通过积尘高湿测试、加速高盐雾测试以及在海南、西双版纳、敦煌、拉萨等外场长期可靠性测试，验证了模块在恶劣场景的长期可靠性。

这里涉及很重要的问题：灌胶工艺后，发热每个元器件的工作温度和工作状态需要确认才能让整体的寿命达到预期的工作时间。因此，这种工艺对于直流快充模块的热管理提出了苛刻的要求，特别是对于布局和器件的散热设计，都有很高的性能要求。而且在这种工艺下，模块效率、热管理和模块的可靠性会相互影响，也会决定整个直流快充模块的综合特性。

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