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高功率電動汽車充電樁，最理想的冷卻方式是通過循環冷卻液進行強制冷卻。本文介紹一種符合CHADEMO規范的大功率電動汽車充電樁的液冷充電電纜和連接器，這些技術滿足了冷卻目標。

近年來，隨著EV上搭載的電池的大容量化，強烈希望縮短電池的充電時間，直流高速充電器的高輸出化需求增加。

為了實現150kW超級充電電纜連接器，隨著充電電流的增加，充電電纜的電源線導體和充電連接器的電源端子需要大尺寸化，但要求抑制其大尺寸化，不損害充電的操作性。為此，必須實現通過冷媒循環強制冷卻這些電源線導體和電源端子的液冷技術。這種液冷技術最早應用于在歐洲和北美市場普及的CCS規格的直流快速充電器，正在推進市場引進。

作為應用了液冷技術的液冷充電盒連接器的技術課題，確立了著眼于直流快速充電系統的液冷技術。需要對保證可靠性、安全性、耐久性等品質方面的實現。

圖1.  150kW超級CHADEMC液體冷充電電纜連接器外觀圖

表1為150kW超級CHADEMO直流快速充電器開發的液冷充電電纜連接器的主要規格，外觀照片如圖1所示。與現有的50kW級充電電纜連接器的主要區別在于，50kW級時不強制冷卻充電連接器的電源端子（以下記為連接器端子）和充電電纜的電源線導體（以下記為充電電纜導體），在150kW超級中，連接器端子和充電電纜導體通過循環冷媒而采用強制冷卻的液冷方式。通過采用該液冷方式，即使最大額定充電電流對應于125A（50kW級）到400A（150kW超級）的高輸出化，充電電纜導體的橫截面積也與50kW級同等水平的34mm²（17mm²×2）。同樣，通過采用液冷方式，可以在不損害其操作性的水平上實現充電電纜和充電連接器的重量和尺寸.

150kW超級液冷充電電纜連接器在配置方面的主要特點是：將充電盒的電源線的根數作為4根，由2個組分配給直流充電的正極和負極的結構。各電源線中包含作為冷媒的流道的冷卻管的構成點被列舉出來；并且，為了通過充電器側的溫度監控進行充電控制，液冷充電盒連接器內置有溫度傳感器。溫度傳感器是充電連接器內部的正極和負極的元件，端子附近各1個。每個點都安裝在收納在充電器中的充電電纜終端部分的電源線上。另外，安裝溫度傳感器時，由于充電電纜導體和連接器端子施加高電壓，因此必須考慮到電氣絕緣。

冷媒使用有電絕緣性的冷媒（液體），通過冷卻裝置實現冷媒的循環和冷卻。使用電絕緣性冷媒的理由是，充電時高電壓被施加到充電盒導體和連接器端子上。具體來說，為了充分確保正極和負極的連接器端子之間、高電壓部和冷卻裝置之間的電氣絕緣性，以及萬一冷媒泄漏時也防止液冷充電電纜連接器內的電短路或操作者的觸電。關于所使用的制冷劑和冷卻裝置的選擇，需要考慮滿足后述獲得所希望的冷卻特性的條件，以及用于冷卻裝置和液冷充電電纜連接器的制冷劑流道的部件和制冷劑之間的化學特性等。

CHIADEMC2.在對充電連接器中由于充電電流引起的溫度上升設置了限制。表2列出了考慮到的限制，150kW級液冷充電連接器中溫度上升的目標冷卻性能。本文主要介紹了所開發的150kW超級液冷充電電纜連接器對最大額定充電電流具有表2的目標冷卻性能的評價結果。特別是，關注所使用的冷媒的特性和冷卻裝置的冷卻能力的差異對冷卻特性的影響，明確對冷卻特性有很大影響的因子和實現目標性能所需的因子的條件。結果表明，開發的液冷充電連接器具有可應用于各種制冷劑和冷卻裝置的性能。

在實際的直流快速充電器中，直流電壓和直流電流都被施加到液冷充電電纜連接器上，但是在以下所示的冷卻特性評價中，為了方便起見，只對充電電纜導體和連接器端子施加直流電流進行評價。液冷充電連接器的耐電壓特性通過僅施加直流電壓的耐電壓試驗確認滿足要求特性。

3.1 評價方法和條件

圖2列出了對冷卻特性評價電路的示意圖。在液冷充電連接器的充電器側端到端，將分別連接在正板和負極連接器端子上的兩個充電電纜導體組裝起來，分別連接到直流電流源的正極和負極的輸出端子。4根電源線內包的各冷卻管，在本冷卻管中，為了使冷媒的流向相反，與冷卻裝置側連接。通過這樣的冷卻管的連接，各極的2條電源線的冷卻管可以構建冷媒流道，該冷媒流道可以相對于充電連接器內部的連接器端子的循環冷確。通過與充電連接器的結合，對直流電流源構成電流電路。液冷充電電纜連接器的有效充電環導體長度約6m。用于測試評價的充電插頭中使用的充電電纜的導體尺寸為95:mm²，長度約為3m。

圖2.  針對液冷充電電纜連接器的冷卻特性評價電路的示意圖

對于用于冷卻特性評價的冷媒，為了使用電氣絕緣性冷媒（液體），評價冷媒的流動性對冷卻特性的影響，使用了動態粘度不同的4種冷媒A-1～A-4。在25℃附近的冷媒A-1～A-4的動態粘度，依次為6mm²/s，20mm²/s，100mm²/s，350m²/s。冷媒的動態粘度取決于冷媒溫度，例如以25℃附近為基準考慮的話，相對于冷媒溫度的上升，動態粘度緩慢下降，對于冷媒溫度的降低，動態粘度有急劇上升的傾向。因此，冷媒的流動性不僅取決于冷媒A-1～A4的動態粘度的不同，還取決于冷媒溫度。另外，作為考慮冷卻特性的重要物性值，存在冷媒的密度、比熱、熱導率等，但它們的物性值因冷媒A-1～A-4而異。

關于使用的冷卻裝置，使用了用于測試評價的冷卻裝置。所使用的冷卻裝置的基本構成是冷媒循環用的泵頭、冷媒冷卻用的帶風扇的散熱器（強制空冷連接的熱交換器）以及冷媒儲存用的罐。另外，所使用的冷卻裝置是通過調節輸出的制冷劑的壓力來調節制冷劑流量的規格。

所開發的液冷充電電纜連接器的冷卻特性評價以表1所示的最大額定充電電流（400A）為上限，在連續通電恒定充電電流時，各部分的溫度飽和為止進行?液冷帶電電纜連接器的主要各部分的溫度測量為，表1和圖2所示的內置濕度保持裝置（合計6）。另外，在冷媒的流道中，設置了用于測量冷媒流量和冷媒壓力的流量計和壓力計的冷媒流量，用與液冷充電連接器的正極側和負極側的冷媒流量相一致的總流量測量。為了計算充電電纜導體部、連接器端子部、入口端子部等各部通電的發熱量，測量了各部位通電的電壓下降（電位差）：，通過通電電流和電位差之積計算出發熱量。

另外，由于冷媒的動態粘度的溫度依賴性，預計冷媒的流動性會根據周圍溫度而變化，對液冷充電電纜連接器的冷卻特性有很大影響。因此，以周圍溫度25℃附近為基礎，對-10℃~+40℃范圍的周圍溫度也進行了使用恒溫槽的冷卻特性評價。

3.2冷卻特性的評價結果

3.2.1基本冷卻特性


                                                             圖3. 液體冷充電電纜連接器各部分相對于典型充電時間的溫度變化

圖3示出了典型的液冷充電電纜連接器各部分相對于最大額定充電電流（400A）的溫度變化。首先，將描述充電電纜導體長度方向上的溫度分布。因為充電電流產生的充電電纜導體的一部分熱量流入冷媒，充電電纜導體被冷卻。冷媒溫度沿著催化流動的方向上升，結果，充電電纜導體溫度也上升。包括圖3在內，以下所示的充電電纜導體各部分的溫度表示本充電電纜導體中的最大值。

圖4. 連接器端子和插口端子的總發熱量與各端子前端部的溫度上升量之間的關系

圖4示出了相對于最大額定充電電流（400A）的節點樂與入口端子的發然量與各端子前端部的溫度上量之間的關系。入口端子前端部的溫度上升量隨著連接器端子和入口端子的發然量的增加而線性增加。可以看出入口端子前端部和連接器端子前端部之間的產生比較大的溫差。根據這些結果。

圖5示出了在對-10℃~+40℃的環境溫度范圍使用冷媒A-1時，最大額定充電電流400A下的液冷充電電纜連接器各部分的溫度上升量與冷媒流量的關系。從圖5中可以看出，盡管冷媒流量隨著周圍溫度的升高而增加，連接器端子、充電化學導體和冷媒的溫度上升量傾向于略微下降，這些溫度上升量的下降幅度在約5K以內。這種冷卻特性的主要原因被認為與由冷媒的運動粘度的溫度依賴性決定的周圍溫度和冷媒流量的關系有很大的關系。如后所述，當冷媒流量增加時，通過通電將連接器端子部和充電電纜導體部產生的熱量流入冷媒側的制合進行地化，從而有效地進行冷卻。以周圍溫度25℃附近為基準考慮的話，對于周圍溫度的降低，由于冷媒的運動粘度突然增加，冷媒流量減少，冷卻效果降低，充電電纜導體、連接器端子、冷媒的溫度上升量增加。與此同時，隨著冷媒溫度的升高，動態粘度降低，冷媒流量也會增加，因此，結果認為通過這些平衡，可以抑制充電線纜體、連接器端子、冷媒的溫度上升量的增加幅度。另一方面，對于周圍溫度的上升，冷媒的動態粘度緩慢下降，冷媒流量增加，因此冷卻效果上升，充電電纜導體、連接器端子、冷媒的溫度上升量下降。由此。即使在環境溫度為40攝氏度的高溫下也可以獲得足夠的冷卻特性。具體地說。即使在環境溫度為40℃的高溫環境下，連接器端子和電纜體的溫度上料量也分別為約26K和約40K。

圖5. 液冷充電電纜連接器各部分的溫度上升量和冷媒流量的周圍溫度依賴性

3.2.2決定冷卻特性的重要因素

圖6. 從通電發熱導體向冷媒的熱流入率與冷媒流量的關系

圖6對于所使用的各冷媒A-1～A4，所測試的充電電流（200A～400A）及周圍溫度（-10℃~+40℃）等所有冷卻特性評價結果，表示了從通電發熱導體向冷媒的熱流入率（以下記作冷媒的熱流入率）與冷媒流量的關系。

圖7示出了用于每個充電電流的冷媒A-1～A-4中連接器端子的溫度上升量與冷媒流量之間的關系，從圖7中可以看出，在冷媒流量為0.5L/min左右的環境下，連接器端子的溫度上升量相對于冷媒流量的增加緩慢下降，但對于冷媒流量的降低，其特性急劇增加。

圖7.連接器端子部的溫度上升量與冷媒流量的關系

圖8表示從連接器端子和充電電纜導體的溫度上升量的上限（50K）分別求出的下限冷媒流量和充電電流的關系。雖然從各個方面獲得的下限冷媒流量都傾向于隨著充電電流的增加而增加，但是可以看出，作為液冷充電電纜連接器整體的下限冷媒流量是由充電電纜導體的溫度上升量決定的。例如，考慮到液冷充電電纜連接器中冷媒的最大使用壓力為05MPa，而將在充電器中運用的冷媒壓力設為025MPa時，由于在不充電的狀態下使用周圍溫度40℃的冷媒A-1時的冷媒流量約為1.7re/min，從圖8的特性可以看出，對于最大額定充電電流（400A）下的下限冷媒流量有裕度。

圖8. 環境溫度40℃下連接器端子與充電電纜導體的溫度上升量上限（50K）決定的下限冷媒流量與充電電流的關系

實際上：充電時隨著冷媒溫度的升高，冷媒的噴射粘度降低，因此充電時的冷媒流量大于1.7L/min。因此，作為液冷充電電纜和連接器的冷卻特性，可以認為對于最大額定充電電流下的下限冷媒流量還有裕度。從這些事情中獲得目標冷卻性能的重要因素是冷流量，冷媒流量決定了向冷媒的熱流入率，結果是確定了連接器端子和充電電纜導體的溫度上升量和到達溫度。關于所使用的冷媒種類及冷卻裝置，可以在考慮了液冷充電電纜中導管冷媒的最大使用壓力而決定的冷媒的運用壓力范圍內，在所使用的環境溫度范圍內確保下限冷媒流量以上的冷媒流量。另外，在實際的充電中，由于很難測量冷媒的流量。

在本文中，根據冷卻特性的評價結果，，冷卻特性由冷媒流量這個因子決定，對于充電電流，液冷充電電纜連接器各部分的溫度上升量和冷媒流量的關系，至少在本次評價的條件范圍內，冷媒種類和冷卻裝置，得出了不依賴周圍溫度的結論。然而，考慮到實際的微觀機制，從流體力學和傳熱工程的角度來看，在液冷充電電纜連接器內可能發生非常復雜的物理現象。決定液冷充電電纜連接器的冷卻特性的主要是冷媒流道中的冷媒流道壁面和冷媒之間的傳熱，其傳熱特性也取決于冷媒和相關構成部件的物性值，但是受到很大影響的是冷媒流道中的冷媒的流速分布，特別是在本文中用于冷卻特性評價的冷媒種類中的物性值的范圍內，由于動態粘度不同，流速分布產生差異，但是在冷媒流道壁附近的冷媒的流速，可以認為是宏觀的冷媒流量決定的。

綜上所述，發現所開發的液冷充電電纜連接器的冷卻特性足以滿足表2所示的目標冷卻性能。

4.結論

在本文中，我們主要討論了開發的150kW超級液冷充電電纜連接器在各種條件下的冷卻特性的評估，以確保能夠充分實現目標冷卻性能的結果為中心。特別是作為影響冷卻特性的因素，雖然有所使用的冷媒種類的物理性和冷卻裝置的冷卻能力、充電電流、環境溫度等各種因素，但是獲得目標冷卻性能的重要因素是冷媒流量，明確了該冷媒流量決定了從通電發熱導體向冷媒的熱流入率，從而決定了冷卻特性。另外，該冷媒流量，如果決定了冷媒種類，則可以通過冷媒壓力來管理，顯示了通過設定并管理冷媒壓力以不低于目標冷卻性能所需的限制冷媒流量，可以進行充電器側的運用管理。另外，通過內置于所開發的液冷充電電纜連接器中的溫度傳感器，可以實時估計連接器端子和充電電纜導體的溫度，可以在充電器側實現基于其估計溫度的充電控制。

綜上所述，已經確認開發的液冷充電電纜和連接器具有可應用于各種冷媒種類和冷卻裝置的性能。