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电动汽车零部件获得更复杂的热模型
2020年02月07日    阅读量:687    新闻来源:中网信息 ChinaNews360.com  |  投稿

快速充电的高电流迫使设计人员发明标准技术以可预测地模拟热量和冷却。

T&C核心技术TE Connectivity

的Michael Ludwig博士电动汽车(EV)普及的唯一途径就是消费者能够对其快速充电。因此,制造商正在开发高功率充电(HPC)方案,使用户能够在不到10分钟的时间内达到300公里的续航里程中国机械网okmao.com。当前的直流充电器工作在50 kW和165 A的电流下,但是下一代充电器预计将达到350 kW。同时,电动汽车的设计者正试图通过减少零部件重量和提高效率来扩大续航里程。所有这些变化将直接影响车辆能源主干的设计。

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高压连接器


电动汽车的典型高压连接器。实际使用情况与降额测试中的条件截然不同,降额测试中1.4米长的电缆从连接器的两侧伸出。


但是,减轻重量和改善电动传动系统性能的驱动力使热问题难以管理。较高的电流产生更多的热量,而更轻和更小的组件使散热变得更加困难。


未来的EV充电电缆的散热考虑只会越来越严格。例如,研究表明,直径为95毫米的电缆可以处理的最大电流为400 A,但是处理较大值的电缆则需要更大或者采用主动冷却。为了减轻重量,一些汽车制造商使用铝制电源线代替了铜线,并且铝具有不同的散热考虑。


这些复杂性肯定会影响用于处理EV电源的端子和连接器。传统上,端子和连接器的额定功率来自降额测量值,因此端子和连接器的工作频率低于其最大能力,从而延长了使用寿命。这种做法导致了具有明显安全余量的坚固设计。但是,这种做法并未考虑将插头安装到聚集体上的常见应用。与母线的相互作用;以及组件的瞬态行为。


TE Connectivity正在与领先的德国电气和电子制造商协会ZVEI合作开发克服这些限制的框架。该框架将能够有效评估电线和连接器在相关应用中集成时的性能,同时还要考虑其特殊的边界条件。


当今的测试模型有局限性。电动汽车中高压(HV)连接器的典型应用包括将连接器的一侧安装到母线,例如电池,逆变器或车载充电器。此应用与降额测试方案有很大的不同,降额测试方案将1.4米长的电缆连接到连接器的两侧。


除了边界条件外,周围环境在许多应用中也起着主导作用。采用强制对流的冷却策略可以提高载流能力,而电缆导管会阻碍对流。降额方案的用途有限,因为在推导HV连接器规格时,它仅考虑自由对流。


在表征载流能力时,基于降额的条件仅考虑稳态温度。但是,组件的瞬态行为实际上更为重要。


例如,当通过1.4米的电缆将400 A的电流施加到连接器时,组件需要一个多小时才能达到稳定状态。在现实生活中,大功率充电解决方案将在10分钟内完成充电操作。因此,充电要早于组件达到稳态温度之前完成。


电动汽车电气系统


电动汽车的典型电气系统框图。


另外,实际的行驶周期通常以高动态负载变化为特征,例如,当触点接通和断开时。这些变化会产生持续数秒的高振幅电流峰值。适应这些峰值的需求是特定于应用程序的要求,传统的规范方法中并未体现出来。


评估HV连接器性能的新方法是使用热等效电路(TEC),该等效电路类似于电气等效电路。这些TEC由热阻(相当于欧姆电阻)和热容(相当于电容器)组成。


全球范围内的协调一致的轻型车辆测试程序(WLTP)


全球协调一致的轻型车辆测试程序(WLTP)行驶周期的图表显示了真实行驶周期的突然负载变化。在此,车速为蓝色,标准化功耗为红色。


根据焦耳加热定律,在TEC中的各个位置都会产生热量。此外,建模零件通过表面的辐射和对流与周围环境相互作用。第三个主要的传热机制是热传导到骨料系统和单个电缆。


可以从几何考虑和比热阻得出热敏电阻的值,而可以根据比热容和重量来估算电容器的值。这些考虑对于沿载流路径的一次热传递是有效的。但是,需要另一种方法来导出涉及隔离和屏蔽的热传输机制的参数值。因此,第二种方法依赖于有限元方法(FEM)生成的数据和专用测试台上生成的经验数据。


统一的仿真模型

ZVEI正在为连接器和电缆定义统一的TEC。结果,不仅通过降额曲线来表征产品,还通过描述组件行为的参数集来表征产品。工程师可以模块化方式使用组件TEC和参数集来构建热模型,然后针对特定的应用条件进行自定义。


统一的仿真模型有助于找到最佳的散热解决方案,并分析各种影响因素的影响。可以轻松调整的影响因素通常包括与充电或行驶周期数据相关的电流曲线,可能导致老化的参数,与导线长度或横截面有关的影响,使用散热器以改善对流的因素以及其他变量。


该方法的一个明显优点是可以测量难以接近的组件的温度。质量低的零件在传导可将其冷却之前会立即对热应力做出反应。物理上难以接近的组件的测量使制造商可以更好地了解整体温度的产生和分布,并找到性能瓶颈,而无需进行广泛的FEM仿真。


EV连接器的TEC


EV连接器和电缆的统一TEC很简单。包含集合模型,线束和连接器的模型的仿真可以在几秒钟内运行。


TEC非常简单,没有特殊的硬件要求即可使它工作。包含集合,线束和连接器模型的仿真可以在几秒钟内运行,以几秒钟或更短的分辨率模拟几个小时内的瞬态电流曲线。从软件的角度来看,可以使用任何SPICE仿真环境以及任何物理建模软件。


泰科


热等效电路(TEC)及其代表的零件的示例。在此,热阻类似于欧姆电阻,而热容类似于电容器。两种电路的数学是相同的。


简而言之,电动汽车的发展将需要新的方法来开发和测试大功率连接器,而传统的规范方法无法解决这些问题。基于热等效电路的方法可帮助设计人员评估由高动态驱动曲线或短时间大功率充电应用产生的瞬态行为。


TE Connectivity正在与ZVEI合作开发通用准则,以标准化连接器以及屏蔽和非屏蔽电缆的模型,这将使测试更加准确,并适合特定用途。热分析通过使用应用于标准化模型的固有参数集来反映各种连接器的特定属性。


制造商可以在办公室PC或台式机上使用任何SPICE或物理仿真软件执行仿真。进行高效计算的能力还使团队可以模拟大型系统,包括集合体,连接器和电线,以及在数小时内对电流分布的热响应,如在真实驾驶周期中记录的那样。


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