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车载充电系统与高压配电盒热管理

大纲的完整展开版——讲师授课蓝本 / 学员自学材料

E3-02 车载充电系统与高压配电盒热管理

课程代码 E3-02 · 板块 E 电驱与电力电子热管理 / 车载电源热管理 时长 约 3.5 小时(8 讲) 前置 E3-01 OBC / DCDC 散热设计;B1-03 极端工况定义(含快充工况);体系外前置(需自备):高压电气基础:母排、接触器与熔断器 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义,是 E3-02 大纲的完整展开版


引言:电流最大的那一刻,整车恰好不动

一辆车插上充电枪,从外面看是它最安静的状态——不动、不响、没有人踩油门。但从热的角度看,这恰恰是全车最难的一刻:电流是全车最大的时候,而散热能力正落在全工况的最低点。快充链路的电流量级远超行驶态的整车高压平均电流;与此同时整车静止——前端没有迎风,风扇被夜间与地库的噪声目标限住转速,冷却液回路里电池还在同时抢冷量。这三件事不是三个各留一点裕度就能分别应付的独立问题,它们是同一个工况点上的三个坐标。

这门课要做的,就是把这一刻的热账逐段算清楚,并交付四样具体的东西:沿充电枪到电池的链路逐段拆账高压配电盒(PDU)盒内与盒体的热账温度测点布置与降功率门限低温回路(本课统一简称 LT 回路)的串并联排序与回代校核。⛔ 它不是「把充电热管理讲一遍」——凡是本课不判的判据,一律只写类型与去向,⛔ 不给限值、⛔ 不给条款内容、⛔ 不给桩侧门限。

钉子 A —— 充电是「需求峰值与散热能力谷底重合」的那一刻,所以充电链路的热账必须按驻车工况另核一遍,⛔ 行驶工况的边界条件一条都不能直接搬。这根钉子给出全课第一条可执行动作:拿到任何一个部件的温升校核结果,先问「这个结果用的是哪一套边界条件」。用行驶工况的迎风、行驶工况的风扇转速上限、行驶工况的回路水温分布算出来的裕量,在本课要讨论的工况里一律不作数——这不是「偏保守一点」的问题,是判据用错了对象。⚠ 顺带把一个容易被顺手放大的说法钉住:驻车相对行驶的前端散热能力折减,本课判为平台相关量、⛔ 不给数,因而只能写定性关系与「须由本项目实测/仿真给出」,⛔ 不得升级成任何倍数或数量级的比较。

钉子 B —— 热点在界面上,不在导体上。导体段(母排本体、线束导体、熔体本体、软连接)的 I²R 是设计值:可算、稳定、可复现;而界面(枪—座插接对、螺接面、压接/焊接点、动静触点)的电阻是漂移量,随接触力松弛、氧化与微动磨损单调上升,并且它是本课涉及的机理里唯一带不可逆正反馈的那一类。⇒ 逐段拆温升的第一个动作因此不是「列零件」,而是把界面数出来:两个零件之间必有一个界面,一条「枪→充电座→母排→熔断器→接触器→电池」的链路,界面数不少于导体段数。设计动作也随之分成两类:导体段能靠截面、材料与镀层一次性解决;界面段解决不了,只能靠维持接触力(弹性件选型与应力松弛、螺接扭矩与防松)、维持接触面状态(镀层体系、密封、防微动)与做成可复测(把界面电阻做成耐久之后还测得到的量)。本课的案例正是这条钉子的兑现:母排与熔断器都在裕量内,热点在车端充电座端子的接触界面上。

接下来是本课最容易被读反的三处,先在这里逐一点破。三处的共同结构是同一个:读者把结论挂在了一个不决定它的量上(铜的电阻温度系数 α / 名义电压 / 入口水温),而真正决定结论的是另一个量(环路增益是否有界 / 电流有没有真的下来 / 分到多少流量)。每一处读反之后,人会去做一个方向错误的具体动作。

读反之一:因为「铜有 温度↑→R↑→产热↑ 的正反馈、接触点会热跑飞」,就把裕度全加到母排截面上,而对接触力维持、镀层体系与螺接防松不做任何事。把恒流、线性 R(T)=R₂₀[1+α(T−20)] 与恒定热阻这三条代进稳态平衡,温升有闭式解 ΔT = ΔT₀/(1 − α·ΔT₀),其中 ΔT₀ 是用 20 ℃ 电阻算出的一阶温升(★ 这是本课由那条迭代关系解出的闭式,⛔ 不是标准既有的判据)。它有界:发散条件是 α·ΔT₀ ≥ 1,也就是 ΔT₀ 要达到 1/α ≈ 2.5×10² K 量级(本课全课统一取 α_Cu = 0.0039 /K,基准温度 20 ℃),远超任何允许温升。⇒ 铜的 α 带来的是一个有界的、量级在两成上下的稳态修正(第 2 讲用教学假设值逐步手算给你看),⛔ 它不是失稳机制。真正会跑飞的是界面:氧化膜与镀层损伤随温度和时间不可逆累积、弹性件应力松弛随温度加速,这条环路的增益既不是 α,也不会在断电后复位。正确动作:α 那一部分老老实实进稳态账,裕度加在界面的维持上。⚠ 还有一句必须跟着说:该闭式的恒定热阻假设偏保守,所以它给出的是该机制下的上界——⛔ 不得反过来拿它论证「实际至少这么热」,也⛔ 不得拿它去覆盖界面劣化那一部分。

读反之二:因为「800V 平台同功率下电流减半、I²R 降到约 1/4」,就按 1/4 去缩母排截面、放松镀层与端子等级。「同功率」是这句话的前提,而 800V 平台的工程目的通常恰恰是把功率提上去——同一条链路在 800V 平台上承受的电流未必比 400V 平台低。更要紧的是另一半:电压升高使绝缘厚度、爬电距离与电气间隙的要求整体上一个台阶,导体被包得更严、件与件之间的距离被绝缘占掉,散热路径反而变窄。两件事同向恶化,⛔ 不可互相抵扣。正确动作:I²R 降约 1/4 只在「本平台的电流真的减半」被电流曲线 I(t) 证实之后才成立,而这一条要在第 1 讲定工况时用本平台的 I(t) 去核,⛔ 不能从电压等级直接推热负荷。

读反之三:知道「串联会被上游抬高入口水温」之后,为了给 OBC/DCDC 一个低入口水温,就把它从串联链上摘出来并联出去,并且不加任何流量平衡措施。并联换来的是低入口水温,付出的是低流量。并联支路的流量按阻力自适应分配,不加节流孔或平衡阀就不可控;而该支路自身的水温升 ΔT = Q̇/(ṁ_k·c_p) 与它自己分到的那份流量 ṁ_k 成反比(⚠ 不带下标的 ṁ 在本课一律指回路总流量,见 6.4;ṁ_k 是第 k 条并联支路分到的流量),管内充分发展湍流段的换热系数又随流量按约 0.8 次幂下降——两项同向恶化。⇒ 并联件的出口水温与壁温完全可能比它串在下游时还高。正确动作:串、并两个方案都要回代校核「入口水温是否满足该件的允许入口水温」与「该件自身的壁温裕量」两项,⛔ 不许只比入口水温。

本课管什么、不管什么,先划清楚。本课处在一个交叉点上——往上游是标准与连接器,往下游是整车控制与安全,往旁边是充电桩,所以边界不写死就一定会越界。三条最容易越界的:① 算法本体——单段 I²R 与散热平衡、载流量降额、母排截面初选、铜铝接头与连接器温升试验口径全部归 E5-04 高压连接器、线束与母排的温升管理,本课只引用它们,做的是链路级的拆账与排序;OBC/DCDC 盒内的损耗构成与热阻链归 E3-01 OBC / DCDC 散热设计(本课前置)。② 桩侧——枪线本体的冷却拓扑、介质与测点归 N1-03 充电桩/超充设备侧热管理,车端只在握手报文里看到桩报来的温度与限流值;跨桩车的链路短板与「提压 vs 提流」路线取舍归 N1-02 超快充链路级热管理:从桩到电芯的短板效应。③ 保护配合——熔断器的分断能力选取与上下级选择性配合归 G9-03 加热器功率控制与温度保护;本课对熔断器只做发热侧,⛔ 按热设计选出来的熔体不等于完成了保护选型,两件事不可互相替代。另有几条同样要认清方向:反向供电(对外放电)走的是同一条车端链路、同样整车静止,但承热部件换人,归 E3-03 对外放电(V2L)工况的车载电源热管理与使能判据;车端升压充电多出的那条电驱热流,量化归 N1-04 升压充电(兼容低电压等级直流桩)工况下的电驱热管理与冷量仲裁;充电功率的四取最小归 D4-03 充电过程温控策略与充电功率协同,而本课交付的正是其中「连接器与母排热限」这一条;热安全事件的中止动作链与桩车联动归 D5-06 充电与充满静置工况的电池热安全应急响应与桩车联动,本课只做温度降额这一侧;整车功率预算的分配算法归 K3-07 能量最优的整车协调控制,本课交付的是它的电气上限那一条。⚠ 还有一格是已知的空缺:无线充电车端接收线圈与整流的热账,体系内目前查不到落点,本课把它标成空缺,⛔ 不编一个去向给你。

图1 中央实心框列出本课交付的四样:链路逐段拆账、PDU 盒内与盒体热账、测点与降功率门限、LT 回路排序;外围一圈虚线框逐个写出邻课与去向课号,每条连线上标明两边交换什么,另有一个标「暂无落点」的灰色空框,左下角一个不给限值、不给条款内容、不给桩侧门限的提示框。定性结构示意,⛔ 不得据图读取任何数值、尺寸或位置关系。
图1 本课射程与邻课边界。要读出三件:本课交付的是四样具体产物,⛔ 不是一个话题;外围各框不是不重要,而是判据源在别处——图上只给去向,没有任何限值与条款;连线上的词说明本课与每门邻课交换什么,据此可以判断该去哪门课取输入、自己的产出又会被谁怎么用。灰色空框是已知的空缺,⛔ 不是漏画。定性结构示意,⛔ 不得据图读取任何数值、尺寸或位置关系。

全课八讲,按同一条主干排。第 1 讲定输入侧:链路路径的全集是六条而不是两条(沿「交流慢充 vs 直流快充」二分,会整类漏掉全程在线的 DCDC 支路、车端升压直流充电、反向供电与无线充电),慢充与快充的差别不在功率大小而在热源在链路上的位置时间尺度,以及最要紧的一步——定工况的第一步是定电流曲线 I(t),不是定功率第 2 讲把方法层立住:三处口径声明(温升相对谁、电流取哪个值、平台电压取哪个值)、四对同名不同量的符号约定、三本账(稳态/瞬态/能量)由「该段热时间常数与电流台阶时长之比」决定而不由它是什么零件决定、铜的 α 那条有界修正,以及为什么排热点顺序要排两张序——按温升绝对值排「谁最热」,按限值裕度排「谁最先撞限值」,设计动作跟第二张走。第 3 讲进 PDU 盒内:热源全集分三类(持续发热件/事件型能量件/从盒外灌进来的热),母排的四件同时定与三条温度限值取最严,接触器的两笔账,熔断器作为「设计好的发热体」,以及预充电阻那条与阻值无关的能量判据。第 4 讲讲盒体怎么把热送出去:散热形式四类(这决定末端热汇是谁),独立密封盒的六段热阻链,安装接触面的三要素及其与防腐要求的正面冲突,腔内自然对流为什么不能当主散热手段,支架为什么不是纯结构件,以及车身钣金不是恒温热汇。第 5 讲讲测什么、按什么往回收功率:两条互相独立的测量链,充电座 NTC 的三项同向误差,PDU 内布点的判据,降功率必须同时定的阈值/迟滞/斜率三件,以及「报警只是结果,根因判据是接触电阻复测」。第 6 讲回到整车:驻车工况下前端能力弱在哪、噪声约束怎么再打一次折、LT 回路的串并联排序怎么用回代校核而不是靠直觉去定、极端叠加工况怎么显式列成一个设计点,以及升压充电必须进这套排序的输入工况集、要按它把排序重核一遍(⚠ 本课只断定「要再核一遍」这条流程要求,⛔ 不断定「排序必然翻转」——翻不翻是回代校核的结果,射程见 6.8)。第 7 讲做一次视角反转:PDU 支路的额定电流不只是「它自己会不会烧」,它同时是热管理执行器可用功率的电气天花板——这一讲的交付物是一张「执行器 → 所属支路 → 支路额定 → 同时满功率时的电流叠加校核」表。第 8 讲讲这套账会怎么劣化、又该怎么验证:界面那条不可逆的失稳环路、I²t 能量积分判据、台架与整车三样验证手段各补哪一个盲区,以及为什么耐久后复测是必需项而不是加分项——新件数据永远是最乐观的那一版。

最后立一条读法约定。本课有大量的量会被明确判为不给数:链路各段的电阻与接触电阻、电流曲线 I(t)、各段热阻与热时间常数、各件的允许温度与允许温升、PDU 各支路额定、驻车相对行驶的前端能力折减、噪声转速上限、降功率门限……它们一律取决于平台与所选产品,须由本项目实测或仿真给出,其中门限类的量⛔ 禁止抄上一代平台。「不给数」在这门课里是合格答案,不是缺陷——本课交付的是怎么切段、每段归哪本账、怎么排序、怎么标定、怎么复测这一整套方法与判据;把它套到你自己的平台参数上,那些数才会长出来。⚠ 同样地,本课引用到的标准一律只写标准号与它管链路的哪一段,⛔ 不复述任何限值与条款内容,版次与实施日期以现行目录为准、引用前须核。

第 1 讲 先定路径与电流曲线:这一讲不算一度温升,它定的是后面七讲的输入

这一讲不算任何一段的温升。母排上那几个毫欧、触点上的接触电阻、密封盒里的热阻链、回路里的水温分布,全部是第 2 讲往后的事。这一讲做的是动手算之前的五件事:把充电与供电的路径全集画出来——六条,⛔ 不是两条;把交流慢充与直流快充的差别从「功率大小」纠正回「热源落在链路的哪一段、时间尺度是多少」把两条最容易被整类漏掉的路径单独拎出来——车端升压直流充电与 DCDC 常在支路,说清它们各自多出一条什么样的热流;把「800V 平台 I²R 降到约 1/4」这句话的前提摆到台面上,防止读者据它去缩母排截面;最后定下全课三本账的共同输入——电流曲线 I(t),并把本课引用的四组标准各自管链路的哪一段画清楚。

为什么这些要占一整讲。后面七讲做的全是「拿这条电流去算、去排序、去定门限」,而这一讲定的是那条电流本身与它流经的地方。链路全集画成两条,读者的拆账表就永远缺四类路径,其中 DCDC 那一类还偏偏是全程在线、驻车时最忙的一条;电流曲线不定,第 2 讲的三本账(稳态/瞬态/能量)一本都开不出来——因为三本账的输入都是「台阶电流 × 台阶时长」,只给一个标称功率既算不了稳态温升也算不了 ∫i²dt;而 800V 那句话若在第 1 讲不被拦住,它会一路走到第 3 讲变成「母排截面除以 4」这个具体动作,那时再纠正,一轮开发周期已经花掉了。

钉子 A 在这一讲的落法。本课要算的工况是驻车充电:整车静止,前端没有迎风,风扇被夜间与地库的噪声目标限速,而电流恰恰是全车最大的时候。⇒ 从这一讲开始,凡是拿到一个部件的温升校核结果,第一句要问的是「这个结果用的是哪一套边界条件」——用行驶工况的迎风、行驶工况的风扇转速上限、行驶工况的回路水温分布算出来的裕量,在本课讨论的工况里一律不作数。⚠ 驻车相对行驶的前端散热能力折减是平台相关量,须由本项目实测/仿真给出;⛔ 本课不给数,也不做任何倍数或数量级的比较——一个自己都不肯给单点值的量,不该被拿去支撑「差多少倍」这种结论。

1.1 充电链路不是两条路,是六条——沿「交流慢充 vs 直流快充」二分会整类漏掉四类

是什么。本课按「电流从哪进、经过几级变换、方向朝哪」这两条轴给充电与供电路径分类(★ 这条分类轴是本课归纳的,⛔ 不是某项标准或某份既有规程里的既有分类)。按它数出来是六条:

  1. 交流慢充——枪 → 充电座 → OBC(整流 + 变换)→ PDU → 电池。经一级车载变换。
  2. 直流快充——枪 → 充电座 → PDU → 电池。不经 OBC,车端不做电压变换。
  3. 车端升压直流充电——枪 → 充电座 → PDU → 升压环节 → 电池。用于电压等级低于整车平台的存量直流桩,升压环节由电驱绕组复用或独立升压 DCDC 承担(1.3 展开)。
  4. DCDC 常在支路——高压 → 低压网。它不是一条充电路径,而是一条方向朝下、全程在线的并行支路(1.4 展开)。
  5. 反向供电(对外放电 V2L / V2G)——车 → 外。同样整车静止、走同一条车端链路,但 OBC 反向工作,承热部件换人。⇒ 射程外,去 E3-03 对外放电(V2L)工况的车载电源热管理与使能判据
  6. 无线充电(WPT)——车端接收线圈与整流。⇒ 射程外;就本课检索所及,本体系内暂无专门承接它的课题,⛔ 因此这里不给一个去向课号——给一个编出来的去向,比承认缺口更糟。

本课的射程是 ①②③④ 的车端段(充电座 → PDU → 电池/OBC/DCDC)。⛔ 桩侧与枪线本体不在本课,去 N1-03 充电桩/超充设备侧热管理;⛔ 跨桩车的链路短板与「提压 vs 提流」的路线取舍也不在本课,去 N1-02 超快充链路级热管理:从桩到电芯的短板效应——本课做的是车端逐段拆账与 PDU 设计,不是链路级的路线选型。

为什么要先画全集,而不是照着两条路往下写。因为沿「交流慢充 vs 直流快充」这条线索枚举,漏掉的四类不会以「少一条」的形式暴露出来——它们是整类不出现。清单看起来是完整的:两条路都列了、每条路的零件都写了、每个零件都给了发热项。缺的那四类不在清单上留任何空位,所以没有任何东西会提醒你去找它们。最典型的是 DCDC:只要你数的是「充电路径」,它就消失了,因为它压根不是一条充电路径。反向供电也一样:它走的是同一条车端导体,但热源分布完全不同,若把它当成「充电的镜像」直接套用充电时的热点排序,排出来的顺序是错的。

⇒ 全集自检的两问,本课在每一个全集上都要过一遍:① 我沿什么线索数的?② 有没有不在这条线索上、但同属这个集合的?

图2 车端充电与供电路径的六条全集。上半部六条横向路径带,每条带左端一个独立标签:①交流慢充,路径为枪到充电座到 OBC 到 PDU 到电池;②直流快充,路径为枪到充电座到 PDU 到电池;③车端升压直流充电,路径为枪到充电座到 PDU 到升压环节到电池;④DCDC 常在支路,方向箭头朝下,由高压指向低压网;⑤反向供电 V2L 与 V2G,方向箭头朝外,灰底并标去向 E3-03;⑥无线充电,灰底虚线并标暂无落点。每条带右端两个独立标签,分别写该条路的变换环节数与电流方向。下半部一条横向时间轴,画四条在线时段条:①②③各画成一段有始有终的事件条,④画成贯穿全轴的常通条,并在驻车充电区间上方加一支箭头,标此刻低压侧负载最忙。射程内的①②③④用主蓝实线边框,射程外的⑤⑥用灰色虚线边框。左侧竖排写建轴依据的两个词:变换环节数、电流方向。分类轴为本课归纳,图上以青绿虚框与图例标明。本图为定性分类示意,时间轴无绝对刻度,只表示先后与是否常通;路径带的长度不代表电流大小、功率或时长,⛔ 不得据图读取任何电流、功率、时长或占比。
图2 该从图上读出的判断有三条:① 全集是六条,沿「慢充 vs 快充」二分会整类漏掉 ④⑤⑥——漏掉的不以「少一条」暴露,而是整类不出现;② ④ 与 ①②③ 的形状不同:它是贯穿全轴的常通带,不是一次充电事件,所以沿「充电路径」这条线索去数,它就消失了;③ 实线框=本课射程,虚线框=射程外并已标明去向,而 ⑥ 标的是「暂无落点」而不是某个课号——⛔ 查不到落点时给一个编出来的去向,是本课明令不做的事。⚠ 本图画的是路径分类与射程划分,⛔ 不是高压电气原理图。分类轴为本课归纳。本图为定性分类示意,⛔ 不得据图读取任何电流、功率、时长或占比。

工程量级。⛔ 各条路径的电流量级与占比是平台相关量,本课不给数。本课在这一层只交付两样:分类,以及「每条路的热源落在链路的哪一段」。

三个易错点。① 把「链路全景」画成两条就收工——读者从此以为全集只有两条,后面所有拆账表都少四类;② 把 DCDC 当成「充电时才有的负担」,实际它全程在线,且驻车充电恰恰是低压负载最忙的时刻(1.4);③ 把升压充电当成「快充的一个变种」——它的热源在链路焦耳热之外多出一整条电驱热流(1.3)。

1.2 慢充与快充的差别不在功率大小,在热源落在链路的哪一段时间尺度

是什么。两条路的物理差别可以写成两行:

  • 交流慢充:枪 → 充电座 → OBC → PDU → 电池。主热源是 OBC 自身损耗,集中在一个盒子里;链路电流较小,但持续数小时。(OBC 的损耗构成与盒内热阻链是前置课 E3-01 OBC / DCDC 散热设计 的内容,本课不重讲,只把它当成一个已知的热源接进来。)
  • 直流快充:枪 → 充电座 → PDU → 电池,不经 OBC主热源是链路焦耳热与电池产热,摊在整条链路与电池上;电流大而时间短。

为什么这条差别决定了后面用哪本账。慢充是准稳态问题——时长足够长,链路上几乎所有件都跑到了稳态,判据是稳态温升与寿命;快充是瞬态/能量问题——很多件在一个电流台阶结束之前根本来不及升到稳态,判据变成「在这个台阶结束之前会不会撞限值」。⇒ 同一根母排在两条路上要各算一遍,⛔ 不是算一遍取最大。这两条路给出的不是同一个量的两个数,而是两个不同判据下的两个结论,取最大等于把其中一个判据丢掉了。

图3 交流慢充与直流快充两条链路的主热源位置对照。上下两行,各画一条链路的零件串。上行为慢充,零件串为枪、充电座、OBC、PDU、电池;每个零件框上方按是否为该条路的主热源加一支带独立文字标签的热流箭头,OBC 上方一支粗箭头标 OBC 自身损耗等于主热源,链路各段各一支细箭头标链路焦耳热偏小。下行为快充,零件串为枪、充电座、PDU、电池;链路各段一支粗箭头标链路焦耳热,电池上一支粗箭头标电池产热,OBC 的位置画成灰色空位并标不经过。两行右侧各一条横向时间条,上行标持续数小时、准稳态,下行标短时、瞬态或能量。两行之间一行判据文字:同一根母排在两条路上要各算一遍,不是算一遍取最大。箭头粗细仅作定性区分并各配文字标签。本图为定性示意,箭头粗细只表示是不是主热源,不代表任何功率比例,时间条无绝对刻度,⛔ 不得据图读取任何功率、损耗占比或时长。
图3 该从图上读出的判断有四条:① 两条路的主热源落在链路的不同位置——慢充集中在一个盒子里,快充摊在链路与电池上;② 两条路的时间尺度不同,因此判据不同:上行用稳态温升与寿命,下行问「这个电流台阶结束之前会不会撞限值」;③ 快充那一行里 OBC 是灰色空位,⛔ 它不是被省略,是电流真的不经过它;④ 因此同一个零件在两条路上要各算一遍,⛔ 不许算一遍取最大——那等于丢掉其中一本账。本图为定性示意,箭头粗细只区分「是不是主热源」,⛔ 不得据图读取任何功率、损耗占比或时长。

工程量级。只给量级感,用来判断「这条路属于哪个数量级的问题」,⛔ 不作为任何校核输入:乘用车车载 OBC 的功率档常见 6.6~11 kW,部分平台为三相 22 kW(行业典型区间,随平台与市场变化,⛔ 端点不得当作可承诺值);直流快充桩侧峰值功率现主流约 150~350 kW 量级(典型,⛔ 端点同样不得当作可承诺值)。⚠ 后一个数是桩侧能力,⛔ 不是车端接受功率——车端实际接受多少,是平台相关量,本课不给数,它由本平台的电流曲线回答(1.5)。

两个易错点。① 认为「慢充功率小所以不用算」——恰恰相反,慢充是整条链路上唯一持续数小时的工况,稳态温升账与寿命账全压在它身上,而寿命账正是界面劣化那一类问题真正积累的地方;② 把快充的峰值电流乘以全时长当成能量输入——这会严重高估,1.5 会把它画出来。

1.3 第三条路:车端升压直流充电多出一整条电驱热流,而且这条热流不被平均

是什么。当桩的电压等级低于整车平台电压(存量直流桩上很常见),车端要把桩来的直流升到平台电压才能给电池充。实现方式有两种:一是复用电驱——把电机绕组当电感、逆变桥臂当开关管;二是用一台独立升压 DCDC。两种做法在电路上都成立,但在热账上不是一回事。

为什么它不是「快充的一个变种」。复用电驱时,转速为零。这一条改掉的不是一个系数,而是整套换热边界:

  • 没有转子搅动——腔内气流与油的扰动机制消失;
  • 没有甩油——依赖转子甩油形成的绕组端部润湿与冷却路径不存在;
  • 冷却油/水的分布不是按零转速标定的——喷淋点、油道流向、集油都是按运转态设计的;
  • 热点不被旋转平均掉——电流长时间集中在固定的几相绕组与固定的桥臂上,而行驶态里同一份损耗是随电角度在各相之间轮转的。

⇒ 结果是:同样大小的电流,在零转速升压工况下造成的局部温升,高于行驶态;而这条热流还要和 OBC/DCDC、电池抢同一套前端散热与 Chiller。所以它必须进本课第 6 讲的排序输入工况集——排 LT 回路的串并联时,要为这个工况把排序重核一遍,⛔ 不能只按行驶工况与常规快充排一次就收工。⚠ 这里断定的是「要再核一遍」这条流程要求,⛔ 不是「排序必然要改」——改不改取决于各件的热流与允许入口水温,是回代校核算出来的结果(第 6 讲 6.8 会把这条射程再钉一次)。

图4 车端升压直流充电多出的那一条电驱热流。主体是一条链路串:枪、充电座、PDU、升压环节、电池。升压环节框内并列两个独立标签的实现方式,一是电驱绕组复用,注明绕组当电感、逆变桥臂当开关管,二是独立升压 DCDC。电驱复用一侧下方画一个电机剖面示意,定子三相绕组中固定的几相用热红填充并标电流长时间集中在固定绕组,转子标转速等于零,旁边三个带禁止符号的独立标签:无转子搅动、无甩油、热点不被旋转平均。右侧一支热流箭头标本工况多出的第二条热流,指向一个共享框,框内写前端散热与 Chiller 由 OBC 与 DCDC、电池共抢。底部一行边界句:本课只判多出哪一条热流、进不进排序,量化展开去 N1-04。电机剖面为拓扑示意,槽数、相带与桥臂数量不代表任何实际拓扑,热红填充只表示电流集中在固定的几相这一定性事实。本图为定性示意,⛔ 不得据图读取任何温度、电流或几何尺寸。
图4 该从图上读出的判断有三条:① 升压不是「快充的一个变种」——它在链路焦耳热之外多出一整条电驱热流;② 这条热流的特殊之处在转速为零,图上三个禁止符号写明了为什么行驶工况的电驱热模型在这里不成立(无搅动、无甩油、热点不被旋转平均);③ 它与 OBC/DCDC、电池抢同一套前端与 Chiller,所以它必须作为一个独立工况进入回路串并联排序的输入。⚠ 电机剖面是拓扑示意,槽数与相带⛔ 不对应任何实际拓扑;热红只表示「电流集中在固定的几相」,⛔ 不是温度分布。本图为定性示意,⛔ 不得据图读取任何温度、电流或几何尺寸。

工程量级。⛔ 不给数——绕组与桥臂的温升、可持续时长、允许的升压电流,全部是平台与拓扑相关量,须由本项目仿真/实测给出。

两个易错点。① 用行驶工况的电驱热模型去算零转速升压——换热边界完全不同,模型给出的裕量在这个工况里不作数;② 排 LT 回路串并联时不把这个工况放进输入工况集、不为它重核一遍排序。

⛔ 本课在这条路上只讲两件事:多出哪一条热流,以及它进不进本课的排序。升压工况下电驱本身的热管理与冷量仲裁,展开去 N1-04 升压充电(兼容低电压等级直流桩)工况下的电驱热管理与冷量仲裁

1.4 第四条:DCDC 是一条常在支路——而驻车充电恰恰是低压侧负载最忙的时刻

是什么。DCDC 把高压变成低压网所需的 12V/48V。它不随充电开始,也不随充电结束——它全程在线。而驻车充电这一刻,低压侧的负载表恰恰是满的:冷却风扇在跑(因为没有迎风,散热全靠它)、低压水泵在跑、若用户在车内等待则鼓风机也在跑。⇒ 驻车充电时的低压侧负载并不比行驶时小,DCDC 的输出不能按行驶工况的中载点取

为什么它在这一讲就要点名,而不是等到讲 PDU 的时候。两个理由:

  • 枚举侧的理由:沿「充电路径」这条线索数,DCDC 整类不出现。它必须在画全集这一步被强行拉进来,否则后面每一张拆账表都不会有它的行。
  • 账目侧的理由:它是 PDU 上一个持续发热的高压负载,它的损耗要计进盒级或总成级热账;同时它是第 7 讲那本账的关键一环——低压侧的 TMS 负载(风扇、水泵、风门电机)不占高压支路,所以沿「高压执行器」数会把它们整类漏掉,但它们的电最终经 DCDC 从高压来。⇒ 「多开一台风扇」在电气上并不是免费的,这条链条的起点就在 DCDC。

还有一层反馈要一并记住:DCDC 输出增大 ⇒ 它自身发热也增大,而增大的那一刻恰恰是散热边界最差的那一刻(驻车、无迎风、风扇被限速)。这三件事是同时发生的,⛔ 不是三个可以分别加裕度的独立问题。

工程量级。⛔ 不给数——DCDC 在本工况的实际输出功率取决于本项目的低压负载表与同时率,须按 K2-06 热管理低压供电边界:DCDC 容量、多执行器同时率与 12V 能量保底 的口径实测/核算。⚠ 这里要防的一种写法是「按经验取个中载点」——上一代平台的中载点不是本平台的输入(门限与工况点须由本项目确定)。

三个易错点。① 按行驶工况的 DCDC 中载点取值;② 把 DCDC 的损耗算进 OBC 那一栏——多合一总成里两者常常共壳共冷,但热源要分列,共壳是散热路径共用,不等于热源可以合并(盒内的分列口径见 E3-01 OBC / DCDC 散热设计);③ 忘了那条反馈:输出越大、自身越热,而这一刻散热能力最弱。

1.5 ⛔ 「800V 平台 I²R 降到约 1/4」的前提是同功率——不得据此缩截面

是什么。这句话本身是对的,但它是一个带前提的解析结论:在功率不变的前提下,电压翻倍则电流减半,而焦耳热按电流平方走,于是 I²R 降到约 1/4。这个 1/4 是恒功率假设下的解析比例,可以给,也只能这样给。

前提一旦拿掉,结论就不成立了,而实际工程里前提通常就是被拿掉的800V 平台的工程目的,往往恰恰是把充电功率提上去。功率提上去之后,同一条链路承受的电流未必比 400V 平台低。

同时还有与电流无关的另一半:电压升高使绝缘厚度、爬电距离与电气间隙的要求整体上台阶。导体被包得更严,件与件之间的空间被绝缘占掉——散热路径反而变窄。这一半不管电流降没降都会发生。

为什么这是本课最容易读反的三处之一。读者把结论挂在了电压等级这个不决定它的量上,而真正决定它的是电流有没有真的下来。读反之后会做的具体动作是:按 1/4 去缩母排截面、放松镀层与端子等级。而实际两件事同向恶化——电流未必降、散热路径变窄——这个动作把两侧的裕度同时花掉了。

正确的动作:「电流是否真的减半」这一问,只能由本平台的电流曲线 I(t) 回答(1.6)。回答是「是」,I²R 降约 1/4 这一步才成立,而且成立之后仍然要做温升回代校核;回答是「否」,这条结论直接不适用,按实际 I(t) 重算。⛔ 一律不得从电压等级直接推热负荷。⚠ 另外,这两项要分开记账:即使电流真的减半,散热路径变窄这一项照旧存在,⛔ 不可拿电流下降去抵扣它。

图5 从 800V 平台推热负荷的两条走法对照决策链。顶部一个入口问框,写读到 800V 平台同功率下电流减半、I 平方 R 降到约四分之一。向下分两条链。左链用警示红,标读反的走法:由电压等级 800V 直接推热负荷降四倍,再推母排截面除以四并放松镀层与端子等级,终点框写后果,即电流未必减半加上绝缘加厚使散热路径变窄,两项同向恶化。右链用主蓝,标正确的走法:先取本平台的电流曲线,进入一个判据菱形,问本平台电流是否真的减半;判是则 I 平方 R 降约四分之一这一步成立,但仍须回代温升校核;判否则该结论不适用,按实际电流曲线重算。右链侧挂一个并行框,写与电流无关、必然发生的一侧:绝缘厚度上升、爬电距离上升、电气间隙上升,导致导体被包得更严、件间距被绝缘占掉,散热路径变窄,并用一支箭头汇入终点。两链之间画一个警示红禁止符号,下方一行小字写不得从电压等级直接推热负荷。图上不出现任何电流、截面与温度的数值,四分之一只作为恒功率假设下的解析比例出现并在框内写明前提。两条链的分岔与散热路径变窄这一并行支为本课归纳,图上以青绿虚框与图例标明。本图为定性决策链示意,框的位置与链的长短不代表概率、代价或时间,⛔ 不得据图读取任何数值。
图5 该从图上读出的判断有三条:① 「1/4」是恒功率假设下的解析结论,它的前提就写在入口框里,而 800V 平台的工程目的通常正是把功率提上去——前提一旦不成立,结论随之失效;② 中间那个判据菱形是可以当场执行的动作——先看本平台的电流曲线,⛔ 不看电压等级;③ 右侧并行框是与电流无关的那一半:即使电流真的减半,绝缘加厚与间距加大仍会把散热路径做窄,所以两项要分开记账、⛔ 不可互相抵扣。⚠ 图上不出现任何电流、截面与温度的数值。两条链的分岔与「散热路径变窄」这一并行支为本课归纳。本图为定性决策链示意,⛔ 不得据图读取任何数值。

工程量级。1/4 这个比例本身是解析结论,可给;⛔ 具体平台的电流与母排截面不给数(母排截面初选的算法本体归 E5-04 高压连接器、线束与母排的温升管理,本课只做链路级的拆账与排序)。

三个易错点。① 用电压等级直接推热负荷;② 按 400V 平台的母排截面除以 4;③ 忽略高压下局部放电与绝缘耐温的耦合——绝缘件的耐温等级常常才是第 3 讲三条限值里真正的短板,而它恰恰会因为绝缘加厚、散热变窄而更早顶上去。

1.6 定工况的第一步是定电流曲线 I(t),不是定功率——⛔ 峰值电流不得乘以全时长

是什么。链路热账的输入是一条曲线,不是一个标称功率:

  • 交流慢充:近似长时恒定电流,一条水平线,持续数小时。
  • 直流快充:随 SOC 阶梯下降的包络。每一个台阶有自己的电流值持续时长,两个量都要。

为什么没有 I(t) 就没有任何一本账。第 2 讲会把三本账的分岔判据讲清,这里先把它们各自要从曲线上取什么量摆出来——因为这决定了 I(t) 必须以什么形式交付:

从 I(t) 上取的量 它回答什么
稳态账 最长那个台阶的电流 跑到稳态之后温度停在哪里、超不超限
瞬态账 台阶时长 t_step,与该段热时间常数 τ_th 之比 这个台阶结束之前,温度爬到了哪
能量账 Σ I²·Δt(逐台阶累加) 热容吸不吸得住、熔体的能量判据过不过

⇒ 只给一句「250 kW 快充」,这三本账一本都开不出来:它既不告诉你最长台阶的电流,也不告诉你任何一个台阶的时长。

⛔ 这里有一个必须点名的错误动作:拿峰值电流乘以全时长去算能量输入。快充的包络是递减的,峰值只在最前面那一小段成立;用峰值铺满全时长,得到的是一个矩形,而真实的是矩形下方那块递减的面积。两者之差就是高估量。它的后果不是「偏保守一点」——严重高估会把设计推向一个不必要的截面与成本,同时掩盖真正的问题:真正决定稳态温升的往往不是峰值台阶,而是那个「电流略低、但持续很久」的台阶。

还有一类曲线容易被整类漏掉。沿「慢充/快充」二分去列工况,会漏掉四类都会改变 I(t) 形状的场景(★ 这条工况分类轴同样是本课归纳的,它按「电流曲线的形状 × 这一刻的散热边界」两维建立;这一讲只处理曲线形状这一维,散热边界那一维在第 6 讲):

  • 预约/延时充电——夜间住宅区或地库启动,曲线形状可能与白天相同,但它落在散热边界最差的时段上;
  • 充电中开空调——用户在车内等待,座舱制冷与充电同时在跑,既抢冷量也抢电;
  • 低温充电前预热——加热电流与充电电流叠加,且此时的主要矛盾不是散热而是升温速率;
  • 桩侧限流——桩自身能力不足或桩先降额,车端电流反而更低。⚠ 这一类要单独记住:「电流下来了」不等于「车端的请求被接受了」,两者在数据上长得一样,但成因与后续动作完全不同。

⚠ 另需分清一类不属本课、但共用同一套硬件的:行驶工况下的高压配电——PDU 在行驶态照样载流,只是电流谱与散热边界都不同。工况定义的本体去 B1-03 极端工况定义:高温、高原、低温、快充、拖挂爬坡。本课射程内的是驻车充电(交流/直流/升压)与低温充电前预热

图6 交流慢充与直流快充两条电流曲线的形状对照,双栏归一化图。横轴为归一化时间 t 比 t_total,纵轴为归一化电流 I 比 I_max,两轴均不打绝对刻度,只留 0 与 1。左栏标交流慢充,画一条长时近似恒定的水平线。右栏标直流快充,画一条随 SOC 下降的阶梯包络,由若干个高度递减、宽度递增的台阶组成。快充栏另加三样带独立文字标签的标注:一条水平虚线框住最高台阶,标峰值台阶是瞬态与能量账的输入;一处实心填充标出电流略低但最长的那个台阶,标稳态温升常由它决定;一个警示红虚线矩形表示峰值电流乘以全时长,与实际曲线下的填充面积并列,标峰值乘全时长等于高估的能量。左下角一个独立信息框列出三本账各取曲线上的什么量:稳态账取最长台阶的电流,瞬态账取台阶时长与热时间常数之比,能量账取各台阶 I 平方乘时长之和。图上另标一行:本图为形状示意,实际电流曲线由本项目实测或仿真给出,策略侧去 D4-03。两轴均归一化无量纲,台阶的高度与宽度为构图取值,不对应任何平台,⛔ 不得据图读取任何电流、时长或能量。
图6 该从图上读出的判断有四条:① 慢充与快充的曲线形状不同,账也随之不同——一条是长时恒定,一条是阶梯递减的包络;② 最高台阶 ⛔ 不等于最危险台阶:实心填充的那个「电流略低但很长」的台阶,才常常是决定稳态温升的那一个;③ 红色虚线矩形与实际曲线下面积之差,就是「峰值 × 全时长」的高估量——这是本讲点名禁止的一个动作;④ 两根轴都没有绝对刻度,因为电流曲线是平台相关量,本课不给数。本图为形状示意与归一化图,不对应任何平台,⛔ 不得据图读取任何电流、时长或能量。

工程量级。⛔ 不给数——I(t) 是平台相关量,由 BMS 充电策略、电芯的充电包络与桩侧能力共同决定,须由本项目实测/仿真给出。⚠ 策略侧(这条包络是怎么定出来的、温度怎么反过来改写它)是 D4-03 充电过程温控策略与充电功率协同 的内容,本课只把它当输入接过来,⛔ 不在这里重讲。

三个易错点。① 拿峰值电流乘以全时长算能量(严重高估);② 只算峰值台阶,漏掉「电流略低但很长」的那一个——稳态温升往往由它决定;③ 忘了桩侧限流也是一种电流曲线,且它与「车端主动降功率」在曲线上不易分辨,判根因时要看是谁先降的。

1.7 本课引用的四组标准:只写它管链路的哪一段,⛔ 不写条款内容

是什么。本课在正文里会反复提到四组标准,这里一次把它们各自管什么对象说清楚:

  • GB/T 18487.1——电动汽车传导充电系统的通用要求,其中含温度监测与降功率相关内容。射程跨整条充电系统
  • GB/T 20234.1/.2/.3——传导充电用连接装置的通用/交流接口/直流接口,其中规定了端子温升限值与接口额定电流分档。射程只在枪与充电座这一段
  • GB/T 27930——非车载充电机与 BMS 之间的通信协议,管功率协商与中止。⚠ 它不落在导体链上,管的是通信,⛔ 不能拿它去判温升。
  • ISO 6469-3 / UN R100——电动车的电气安全与高压防护,在本课里作为绝缘配合与可触摸件温度的限值来源之一出现。

为什么本课只写去向、不写内容。因为本课未独立核对上述任何一份原文。⇒ 一律遵守两条写法:

  1. 条款内容、限值、报文编号与响应时限一律不写,只写「须按现行版本原文核」。写一句「GB/T 20234 规定端子温升不超过 XX K」而没有翻过原文,那不是引用,是编造——而读者会照着那个数去判合格。
  2. 版次、实施日期与代替关系 ⛔ 不单值化,写「以现行目录为准,引用前须核」。把一个存疑的年份写成确定值,与写错一个限值同性质。

⚠ 还要防一种更隐蔽的错:跨射程引用USCAR-2 / LV214 是连接器测试规范,它们的温升口径本体归 E5-04 高压连接器、线束与母排的温升管理;⛔ 不得把它们的限值拿来当 PDU 内母排的通用判据——被测对象、安装条件、参照温度都不是同一套。同一个数换一个对象就不成立,这类错误在校核报告里很难被发现,因为数字本身看起来是「有出处」的。

图7 四组标准各自覆盖充电链路哪一段的射程对照。底层一条横向链路带,自左至右为桩与枪线、枪、充电座、PDU(内含母排、熔断器、接触器)、OBC 与 DCDC、电池。其上四条水平覆盖条,每条左端一个独立标签,条的横向跨度表示它覆盖链路的哪一段。第一条为 GB/T 18487.1 传导充电系统通用要求,含温度监测与降功率,跨全链。第二条为 GB/T 20234.1、.2、.3 传导充电用连接装置的通用、交流、直流接口,只跨枪到充电座这一段。第三条为 GB/T 27930 非车载充电机与 BMS 通信协议,画成一条不落在导体链上的独立虚线通道,两端各一个端点标桩侧与车端 BMS。第四条为 ISO 6469-3 与 UN R100 电气安全与高压防护,跨车端全段。每条覆盖条上只写一句去向:具体条款、限值、报文与时限须按现行版本原文核,本课不复述。右侧另画两条灰色覆盖条并加禁止符号,标 USCAR-2 与 LV214 连接器测试规范,口径归 E5-04,不得拿来当 PDU 内母排的通用判据。底部一行写版次、实施日期与代替关系不单值化,以现行目录为准。覆盖条的横向跨度只表示射程,不代表条款数量、严格程度或优先级。本图为射程示意,图上不出现任何限值、条款号、报文编号与时限,⛔ 不得据图读取任何限值或判定结论。
图7 该从图上读出的判断有三条:① 四组标准的射程不同——看一条覆盖条横向跨到哪里,就知道能拿它管链路的哪一段;② GB/T 27930 那一条不落在导体链上,它管的是通信,⛔ 不能拿它去判温升;③ 灰色并带禁止符号的那两条,是跨射程引用的典型形态:连接器测试规范的温升口径⛔ 不适用于 PDU 内母排。⚠ 图上不出现任何限值、条款号、报文编号与时限——本课未独立核对原文,只给去向;版次与日期以现行目录为准、引用前须核。覆盖条的跨度只表示射程,⛔ 不代表条款数量、严格程度或优先级。本图为射程示意,⛔ 不得据图读取任何限值或判定结论。

工程量级。⛔ 上述四组标准的任何数值、分档与时限,本课全部不给

三个易错点。① 写「某标准规定端子温升不超过 XX K」而未核原文;② 把行业惯例说成标准条文(反过来也要防:把标准里的定义说成错误做法,照它做的读者会去否定标准定义);③ 同一个量在不同出处给了不同值时把它单值化——两个都记、各带出处,⛔ 不许挑一个。

1.8 本讲收口:这一讲要交出去的三样东西

这一讲不产生任何温升数,但它产生后面七讲全要用的三样输入。写完这一讲,手上应该有:

  1. 一张路径射程表——六条路径逐条标「本课算不算」,射程外的四类各自标去向(反向供电 → E3-03 对外放电(V2L)工况的车载电源热管理与使能判据;桩侧与枪线 → N1-03 充电桩/超充设备侧热管理;跨桩车的链路短板与路线取舍 → N1-02 超快充链路级热管理:从桩到电芯的短板效应;升压的量化展开 → N1-04 升压充电(兼容低电压等级直流桩)工况下的电驱热管理与冷量仲裁;无线充电暂无落点,不给去向)。⇒ 它防的是「整类不出现」。
  2. 每条射程内路径的电流曲线 I(t)——不是一个功率数,而是逐台阶的「电流值 + 持续时长」,慢充给恒定值与总时长,快充给整条阶梯包络。⇒ 它是第 2 讲三本账的共同输入,也是第 5 讲降功率标定与第 8 讲能量判据的输入。没有它,后面每一讲都开不了工。
  3. 一个明确回答:本平台的电流到底有没有真的减半——这一问由上面那条 I(t) 回答,⛔ 不由电压等级回答。答案决定了「I²R 降约 1/4」这句话在本平台上成不成立,也决定了母排截面这件事能不能动。

还有两条要带进第 2 讲的态度,它们不是数据而是判据:第一,拿到任何温升校核结果,先问它用的是哪一套边界条件——行驶工况算出来的裕量,在驻车充电这个工况里不作数;第二,同一个零件在慢充与快充两条路上要各算一遍,⛔ 不许算一遍取最大。

⇒ 下一讲要做的,是把这条电流真正灌进链路:先把链路切成段(切法不是按零件切,这是全课最关键的一次切法选择),把温升与电流的口径一次性声明清楚,把四对同名不同量的符号分列钉死,然后立三本账的分岔判据,最后排出两张热点顺序——而不是一张。

后面还有 7 讲正文 · 关键公式 · 案例拆解 · 常见误区 · 动手做

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