作者 | Zhou Ming
随着大功率直流充电桩的不断普及，我们在享受直流快充带来的高效优势外，更要关注直流快充的安全问题。工程师在设计中必须考虑过压、过流、短路、过温等多重保护机制，才能确保充电过程中的设备和人身安全。本期我们利用CST对直流快充线缆的发热问题进行仿真分析，目的是在设计阶段尽早发现Cable过热导致的安全问题。
直流快充Cable的3D建模
下图是从网上查到的直流快充线的pin脚定义，可以看到Cable里面除了大功率的DC线以外，还包含PE线，以及CAN、充电连接确认线等信号线。由于缺少精确的几何尺寸及材料参数，因此我们创建的Cable模型和真实情况会有所偏差。
注：上图来自互联网。
接下来我们利用CST Cable工作室对直流快充线进行建模。建模的过程分为两步：第一步，根据Cable的规格定义Cable groups，如下图所示。
第二步，利用CST的Create 3D Cable功能，生成快充线的3D模型，整个过程一键完成，非常方便。详细的操作过程在之前发布的仿真案例中有介绍，这里就不再重复。
创建EM-Thermal Coupling task
CST的电热耦合仿真流程非常方便操作，只需要创建一个EM-Thermal Coupling task。在这个任务里，仿真被分为两步：首先通过Js求解器计算Thermal loss，然后再通过THs求解器计算温度。
设置current为300A，通过Js solver的计算得到Thermal loss为7.9W。
接下来要利用THs求解器进行热仿真。在开始求解之前，要特别注意两点：一是材料热参数的准确设置，二是设置cable表面的热交换系数，这是影响最终温度仿真结果的关键因素。我们把网上查到的PE材料的热参数输入CST。
线缆除了PE材料之外，内部还会填充一些绝缘材料，这里以聚酯纤维（Polyester）为例，下面是聚酯纤维材料的热参数。
Cable表面的热交换系数可以通过CST的Heat Transfer Coefficient计算器来计算，也可以通过CHT求解器得到。
接下来是THs求解器设置，环境温度设置为25度。
仿真结果对比与分析
通过Ths求解器计算结果，我们可以看到在300A电流的情况下，cable中心铜线最高温度达到了97.7度，cable表面的温度也达到了89度。在这个温度下，如果人不小心触碰线缆表面的话，会有很大的安全隐患。
接下来为了验证THs仿真结果的准确度，我们使用CHT solver对该场景重新进行仿真。可以看到在300A电流的情况下，cable中心铜线最高温度达到了94.6度，cable表面的温度也达到了86度。这个结果与THs solver非常接近，说明仿真结果没问题。
Cable温度过高会严重增加起火的风险，我们把电流从300A减小到150A，重新计算Thermal loss，从7.9W减小到1.97W。
通过热仿真可以看到，电流减小到150A，中心温度为46度，Cable表面温度40多度，安全隐患消除。
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