电动汽车大功率快充对充电电缆温度的影响1.docxVIP

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电动汽车大功率快充对充电电缆温度的影响

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摘要：电动汽车大功率快充时，充电电缆会承受较大的电流，同时产生大量的热量，使得电缆因热量累积而升温，缩短电缆使用寿命，甚至造成物理损坏而引发漏电等事故。本文建立充电电缆热过程的数值模型，对其温度场进行仿真模拟，发现在保持额定充电电流的情况下，标准电缆的安全性是可靠的，但若要进一步加大充电功率、充电电流，电缆绝缘层的温度会超出安全上限，无法安全工作，需要辅以额外的散热措施。

关键词：大功率快充；充电电缆；模拟仿真；散热

引言

电动汽车目前充电方式主要分为标准充电和快速充电。标准充电又称“慢充”，充电功率较小，可在5~10h内充满电，对配套设施的要求低，但充电时间过长；快速充电简称“快充”，采用直流充电桩充电，能在20~120min内充电至80%，充电功率大，建设安装成本高，对电池组及配套充电设备的材料和安全性的要求更高。我国市面上主流的直流充电桩充电功率均在60~80kW，实际充满电时间约为1~2h，时间较长。为进一步缩短时间，大功率直流快充应运而生，其充电功率达到350kW时，在10~30min充电时间内能够达到与燃油车相同的续航体验。快充能够大幅度地缩短充电时间，但是大电流必然带来发热问题，大量热量的积累不仅会加速电缆绝缘或护套的老化，甚至损坏电缆，对使用者带来生命和财产威胁[1]。

1温度场计算模型

1.1建立物理模型

本文研究对象为2芯直流电缆，额定电压为1kV，额定电流为250A，电缆产品的标识为REVDC-S90S90PS901.0kV2×95+25+2×4+2P(2×0.75)+P(8×0.75)GB/T33594-2017。绝缘和护套材料连续工作温度上限为363.15K（90℃）。由于实际使用的电缆长度一般都远远大于直径，可以认为温度场分布沿电缆长度方向没有变化，只关注截面的温度分布。为了简化模型，方便温度场计算，主要假设如下：（1）电缆各层之间无间隙，接触良好，无空气存在，无接触热阻；（2）充电通信、充电连接确认等导线内流经的电流远小于主电缆，其发热量可忽略，物理建模时不予考虑；（3）绕包带、屏蔽层的厚度相对于整根电缆极小，可忽略；（4）电缆各层材料均为各向同性的连续介质，其热物性参数为常数。基于上述假设，拟计算的物理模型只包含导线线芯、绝缘层、填充层、内护层、外护套，为计算方便，将一段100mm长的电缆作为研究对象，为方便后续散热方案或措施研究，建立三维模型[2]。

1.2数学模型

计算区域内的热传输方式为导热，其过程可用导热微分方程描述：

式中：ρ为介质密度，kg/m3；c为比热容，J/(kg·K)；T为介质温度，K；t为时间，s；λ为导热系数，W/(K·m)；q为单位时间单位体积热生成量，W/m3。通电前，电缆内各处温度等于环境温度，Tf=300K。

在电缆外表面，电缆以自然对流方式向周围环境散热，满足第三类边界条件，即：

式中：n为电缆表面外法线方向；h为电缆外表面与空气的对流换热系数，W/(m2·K)。在电缆内部的x=0mm的yz平面及y=0mm的xz平面（见图2），均为几何对称面，自然满足绝热条件。电缆物理模型上下平面（z=0mm及z=100mm）亦考虑为绝热边界。电缆发热量根据下式计算。

式中：Q为发热量，W；N为缆芯数；I为电流值，A；p为铜导体电阻率，?·m；L为导线长度，m；S为导线截面积，m2。电缆中导电缆芯内的体积热生成率q（W/m3）可由Q除以发热缆芯的体积计算得到。如在250A额定电流情况，本次研究电缆的通电缆芯内单位体积热生成为1.24?105W/m3。式（3）中的对流换热系数h取5W/(m2·K)。

2电缆温度场计算

2.1网格划分

采用UnigraphicsNX软件绘制电缆的物理模型，并用ICEM软件对三维模型进行网格划分，电缆截面网格如图3。数值模型的求解采用Fluent通用计算流体软件包，在Fluent图形用户界面设置好物性参数、热源、初始及边界参数等，然后求解。

2.2网格独立性检验

设置3个监测点分析瞬时温度变化（图1），点A位于绝缘层，点B位于内护层，点C位于外护套靠近外壁面。调整网格数量，测定点A的稳态温度，对不同数量网格的独立性进行检验，得出结果如表4。

图1电缆截面监测点分布图

表4网格独立性检验结果

由表4知，四种网格模型所得结果偏差较少，我们选取网格数为1927362的模型进行仿真模拟。

3仿真结果及分析

电缆截面A、B、C各点的瞬时温度曲线，横坐标为充电时间。通电前期各点温度上升较快，而后逐渐变慢，变化趋势基本同步。300min后各点温度基本达到稳态，后续变化很小[3]。此时A点温度为352K，B点为347K，C点为340K。