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新国标800kW充电桩,电感变压器如何优化散热
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新国标800kW充电桩,电感变压器如何优化散热

2024-01-02 18:37:39 来源:电子变压器与电感网 作者:何紫微 点击:4069

【哔哥哔特导读】充电桩功率提升至800kW后,会使系统损耗加剧,且由于热量的急剧提升,对电感变压器的性能提出极大要求。本期对话邀请了7位行业人士共同探讨电感变压器及磁性材料如何优化散热问题。

编者按:

2023年9月7日,工信部提出了新能源汽车传导充电连接装置标准。新标准在沿用我国现行直流充电接口技术方案、保障新老充电接口通用兼容的同时,将最大充电电流从250安培提高至800安培、充电功率提升至800千瓦,增加了主动冷却、温度检测等相关技术要求。

随着新国标的提出,对功率器件、电源,以及上游的电子变压器、电感器、磁性材料都提出了很大要求。本期对话,《磁性元件与电源》邀请了行业内权威教授、专家以及电感变压器、磁芯、线材厂商,共同探究充电桩采用新国标后,模块电源的变化以及电感变压器和磁性材料的技术发展方向是什么。

对话嘉宾

对话导览

一、当前充电电源模块主流功率多少?是否正在向往更高功率发展?

二、充电桩采用新国标后,对模块电源有何推动作用?

三、采用新国标后,对电感变压器、磁芯、线材分别提出了什么要求?

四、采用新国标后,电感变压器、磁芯如何更好地散热?

五、是否会推动第三代半导体材料的发展?

对话内容

一、当前充电电源模块主流功率多少?是否正在向往更高功率发展?

微硕 常务副总经理 谭福清:目前充电桩模块电源市占率最大的是20kW,现在有30kW的,正在发展40kW。800kW就是40kW的组装,用模块叠加的方式,会有20个模块。

未来是否会往更大的功率发展取决于技术经济性。可能性是有的,但是具体来讲就是单个模块做的更大和多个组合模块更多,这两条路可能最终会有一个最佳的平衡点。单个模块做大,也会面临一些技术挑战和成本的挑战;但是模块组合过多,也面临并联的问题。所以我相信一定会找到最佳平衡点,至于这个平衡点在哪里,取决于技术发展的水平以及成本变化的情况,需要综合考量。

单个模块会遇到一些技术瓶颈,比如铁氧体磁芯不容易做大,做大的同时会使压机的吨位增大,要解决很多技术问题,成本也会上升很多。在这种情况下,可能多个模块组装的成本会更低一点。

而且各家企业长处也不同,擅长做电源模块的,可能会采用大功率电源模块,组装个数少;擅长做电源管理的,可能更倾向于做成熟的电源模块,然后组装,用电源管理技术的方式去解决。

 质量计量监督检测所 白国军 高级工程师:充电桩里面的模块都是分组式的,相当于抽屉一样。原来最早的时候我们接触的都是 15kW的模块,现在基本上变成30kW,后续模块电源功率可能会变大,可能会到40kW,目前我了解到充电桩实现40kW-60kW在技术上是没问题的。一旦标准提到800kW,如果是30kW模块电源,就需要用到26个模块,可是功率模块不能太大,因为太大会很重。

充电桩运营企业的模块电源都是外采的,最终量级是由模块电源厂商来决定的,也就是所谓的标准化产品。

 二、 充电桩采用新国标后,对模块电源有何推动作用?

京泉华 李彩生 总经理:模块电源的功率要变大,功率变大之后会带来体积变大、热量更高、功率密度更高等问题。这就要求模块电源的体积要做小,还需要更好的散热机制。

第一是推动功率密度向更高发展,按照原来充电桩120kW的功率,现在提高到800kW,如果体积按照功率提高了六七倍的功率算,那体积就太大了,因此体积肯定要做小,不能说功率越大体积就要成比例放大。这就可能会推动功率密度的发展,比如说原来同样大小的体积能做到120kW,未来为了满足超级快充的需求,可能就会推出200kW的模块电源产品。

第二是推动冷却技术发展,传统的散热方式是靠风冷,未来肯定会朝着液冷的方向发展。因为发热量太大了,传统的风冷是功率越大,风量需求越大,那风机噪音就会很大,造成的灰尘污染也越大,所以说会推动液冷技术的发展。

经纬达 李胜东 高级经理:像高压固定桩,对体积来说不是最主要考量的点,应该是从效率上面考虑。

模块电源要走向更高的集成化、模组化,才能把体积和散热尽量地优化,集成化后电感变压器用量会更多,对磁性材料的损耗也要更低。

现在大家都往磁集成、小型化方向方向走,变压器往更高的频率上走。除了磁集成,也可以用模组化的方式来达到要求,通过很多个模组进行并联串联的方式,这样电感变压器的需求量就会变多。

充电桩

三、 采用新国标后,对电感变压器、磁芯、线材分别提出什么要求?

阳光电源 蔡国庆 高级工程师:功率提升对电感变压器的挑战应该是最大的,我觉得最大的挑战是体积和散热这两方面。体积和散热是相辅相成的,体积做小了,散热要求会更高。

微硕 谭福清:首先对磁芯的损耗也就是功耗要求更低,特别是高温功耗。所谓的高温功耗就是140℃-160°℃之间的损耗要求更低。第二个要求磁芯抗饱和能力要更强,因为电流大了以后必然带来大磁场,磁芯要保证在大磁场的工作下不要饱和。提升抗饱和能力的路径有两个,一是材料本身抗饱和能力要提升,二是可以通过磁路设计来提升抗饱和能力。

福州大学 陈为教授:功率、电压提高之后,电感变压器体积要做小,频率就要提高,铁芯的截面积和绕组的匝数才能做小。但就会碰到温升提高的问题,因为功率大了,损耗也就大,而体积又小了,损耗密度就会提高,因此磁元件首先要解决设计问题,尽量要优化磁芯和绕组的设计,做到损耗小。

其次是要加强散热,这么大的功率如果仅仅靠风可能不够,估计要用水冷散热,因为设计的作用是有限的,现在磁芯损耗还是没办法降得很快。

线材用利兹线,矩形的多股绞合线也可以。多股绞合线很细,所以绞的时候容易断掉,但是掉几根还好,最主要是担心绝缘层破裂掉。因为绝缘层本来就很薄,容易破裂。绞线的每一根都是绝缘的,破裂之后涡流损耗就大了,就没有绞的效果了。所以需要去检验多股绞合线的质量。

万宝 赵轩 工程师:在绞线过程中,为了避免绞线断裂和绝缘层破裂,主要采取了以下几种方式:设备方面,通过退纽+单绞的方式提升产品的圆度、减小外径和绞线内部应力,从而减少跳股、过纽、断线等情况;原材料方面,选择优质退火软铜线,与行业龙头漆包线厂家合作从源头把控。检测线材质量主要有几种方式,一是线径在线检测系统,可实现线径连续检测及线径波动分析;二是高频火花机,可实现绝缘皮破损、断线、包覆不良等检测;三是人工高频次抽样测试。

万宝大功率线材主要用铁氟龙绞合线、圆形膜包绞合线、方形膜包绞合线。

四、采用新国标后,电感变压器、磁芯如何更好地散热?

福州大学 陈为教授:散热主要是两种方式,一是要在变压器、电感器的绕组之间留下风道,宁愿体积大一点,但是风能够吹过去,热就能散走。也就是说效率不一定要很高,因为这么大的功率,效率差一点也没事,关键是温升要能控制住,所以宁愿牺牲一些体积而去加强散热。

二是用水冷板。水冷板也有两种方式,一种是贴在磁芯表面,或者贴在绕组表面,通过表面来导热,但是800kW的功率可能都不够用,甚至要把水冷板埋到绕组里面,这样散热的效率就会高很多。另一种是水冷板放在铁芯和线圈之间,或者放在线圈之间,比如说原副边之间。那就要注意一个问题,因为水冷板都是铝制的,把水冷板放在变压器内部,里面有很大的高频电磁场,就会引起涡流损耗,这个也可以通过优化设计。但只要能把热带走,还是划算的。也就是说设计关注的重点是温升,只要能把热带走就可以了。

所以最大的问题在于设计和散热。设计就是让它损耗尽量小,散热要采用各种方法把热散走。夸张点的办法甚至在磁芯上开孔让风吹进去,但开孔后磁场过不去,会影响磁芯截面积,这个孔开在什么位置也有讲究,否则会破坏磁场。

微硕 谭福清:从两个方面来讲,首先功率大意味着磁芯的体积会更大,那么体积更大,发热功率就增加了。第二磁芯是热的不良导体,自身发热后会导致磁芯温升不均匀,内部温度高,外部有散热,温度低,内外的热胀冷缩不一样可能会导致磁芯开裂,也就是说大功率的磁芯在工作的时候可能会开裂,这是它的技术难点。

目前可以通过添加优化剂的方式来提高磁材抗热冲击强度,但是这个作用是有限的;另外可以辅助以磁路设计散热,比如说中间的开气隙、通过通孔通风或者液冷的方式;还可以从电源设计的角度,以风冷、液冷等方式来解决这个问题。

但是不管怎么说,随着功率的增加,发热肯定增加,散热的要求就会提升,所以20kW、30kW模块电源都是采用风冷技术,但现在40kW都已经开始用液冷技术。

阳光电源 蔡国庆:现在大家的研究重点会放在散热上,功率密度提高后目前散热是不能满足要求的。

变压器绕组有可能会留个风道出来,如中频变压器,我们有看到国外的产品绕组中间是有水管的,但是现在充电桩还没有见到。但是如果功率做到很大之后,也有可能采用这种方式散热。

经纬达 李胜东:从变压器的结构性设计上,比如说叠层关系,尽量地降低交流阻抗,让损耗降低,发热变少。还会加一些铝合进行灌封处理,让导热效率更快。

变压器体积变大以后,实际上磁芯当中是有一些是利用不到的,在中间通孔中间做一个通风道当然是有帮助的。其实我们之前有思考过,就在磁芯中间做一个水冷管,但这个成本太高了,而且对体积要求不大的电感变压器,没有太大的帮助。当然在功率很大的情况下,这样的做法是有些帮助的,最起码热可以降下来很多。

五、 是否会推动第三代半导体材料的发展?

微硕 谭福清:它不光算提高大电流的问题,工作频率也会提升,从这个角度讲就会推动第三代半导体的发展。如果使用频率提升以后,那么它的体积可以缩小,功率密度就可以提升。如果需要提升工作频率的话,就会在开关这一块有利于推动第三代半导体的发展。

京泉华 李彩生:也可能有。但是国内对价格太敏感了,现在碳化硅是主流,氮化镓的成本很高。如果氮化镓的成本降下来是有可能使用的。因为使用新材料后,发热会降低,效率会提高,功率密度增加,体积也会减少。但我觉得目前暂时还不会用到氮化镓,因为现在充电桩太卷了,用氮化镓的价格是卖不出去的。

质量计量监督检测所 白国军 高级工程师:如果按照800kW的话,可能涉及到充电堆了,可能会用到第三代半导体材料的器件,但是目前第三代半导体材料成本偏高,还很少用。因为现在市场上直流桩的价格基本上是0.27元/W,最早充电桩刚出的时候成本可能去到1.78元/W,现在成本降得这么厉害,我认为用碳化硅希望不大。

结语

综合几位行业人士的观点来看,充电桩将功率提高到800kW后,模块电源要走向集成化、模组化,将推动模块电源的散热技术、功率密度和冷却技术的发展。

功率提升后,对电感变压器提出的最大挑战是体积和散热这两个方面,尤其是解决散热这方面的问题。对电感变压器来说,要优化设计,在电感变压器绕组之间留下风道,让热能够散出去。对磁芯来说,技术难点在于大功率的磁芯在工作时可能会开裂,需要从三个方面改善该问题:一是通过材料添加优化剂来提高抗热冲击强度;二是可以在磁芯中间开气隙,通孔通风或添加水冷管;三是从电源设计角度,用液冷的方式来提高散热能力。

最后,尽管使用第三代半导体材料能够很好地解决功率提高后带来的一系列问题,但由于第三代半导体材料目前成本还较高,暂时很难大规模应用在充电桩领域。

未来只有在技术和市场的不断迭代下,充电桩产业链供应商能够提供更加物美价廉的材料和器件产品,才会加速大功率充电桩的落地。

 

 

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