引言：
新能源汽車在全球范圍內取得瞭非凡的成就，2022年，全球新能源汽車銷量達到1052.4萬輛，同比增長61.6%。當然全球汽車銷量的主要貢獻來自中國，中國新能源汽車銷量達到688.4萬輛，在全球的比重增長至63.6%。預計全球新能源汽車的銷量在2025年和2030年將分別達到2542.2萬輛和5212.0萬輛，新能源汽車的滲透率將持續提升並在2030年超過50%。
▲圖1. 全球電動汽車的發展
伴隨著中國和全球新能源汽車的發展，充電設施，特別是充電樁成瞭很大的瓶頸。根據德勤發佈的《2022 年全球汽車消費者研究》，歐洲和美國消費者對新能源車的顧慮主要為續航裡程不足、 充電樁數量不足、充電速度不夠快和電池安全隱患等，對充電設施需求主要集中在：更多的數量和更快的充電速度。
由於直流快充樁相比交流樁擁有更高的電壓和功率、更快的充電速度——交流充電樁（6kW）為 10-40 英裡/小時，而直流快充樁（50-350kW）為 100-300 英裡/小時，因此，直流快充是充電樁的必然趨勢，而且在全球范圍都有較大的發展空間。
在充電樁的設計中，哪些材料的選用會影響其性能，哪些材料又將是未來的使用趨勢？本文主要來探討一下充電樁的材料選擇。
Part 1
充電設施中有哪些模塊？
最近我們一直在嘗試做智能汽車以及相關產品的拆解分析工作。後續有機會也會拆解充電樁來看看。
根據對電動汽車的充電方式，充電樁可分為交流充電樁和直流充電樁兩大類。交流充電樁目前主要圍繞傢用場景，造價低廉，給普通純電動轎車充滿電需要8個小時以上，俗稱“慢充”。直流充電樁具備直接給電池充電的能力，以三相四線制的方式連接電網，能夠提供充足的電力，輸出的電壓和電流調整范圍大，俗稱“快充”。
◎ 慢充樁：主要包含充電槍、充電線纜、本體、充電保護
◎ 快充樁：主要包含充電槍、充電線纜、本體、熱管理系統、充電模塊、充電保護、交互等等
在實際應用中，快充樁是直流充電系統的一部分，這個大系統可以分為變壓器、配電櫃、直流充電機和充電樁，與電網的關系密不可分。也是本文主要關註的對象。
一個典型的直流充電機主要包括：
◎ 充電電源模塊：完成把380V AC交流輸入轉換為直流電壓和能量轉換
◎ 智能控制模塊：包含電源供給和控制部分，基本的功能是完成與電動汽車通信，根據電動汽車的需要來實現充電控制的功能 ，包含遠程通信、溫度控制、直流負載保護、漏電保護、對外交互的接口，給用戶輸入信息和顯示狀態的接口等等
◎ 充電線纜和充電接口：這部分是把充電樁進一步和電動汽車連接的部分
▲圖2 直流快充樁
Part 2
充電設施裡面的材料選擇
高性能的超級充電樁需要具備以下特性：
◎ 高功率
充電樁的輸出功率，直接限制電動車的充電速度，高功率的公共快充樁，尤為重要。大功率充電主要由電流和電壓兩個方向進行提升，功率的提升主要是兩方面綜合的要素，電壓平臺的提升是需要在乘用車和商用車的電壓平臺提升同步進行。現在主要的設計規格要求圍繞800V的電壓平臺，充電電流逐步提高到500A。
◎ 長壽命
對於充電運營能力的核心就是收入、成本與效率，在充電服務費用有限和定量的情況下，如何減少支出，增加收入，提升充電運營的收益，充電運營商最能改善其運營狀況的途徑，莫過於成本和效率。核心還是圍繞長壽命可以把固定資產的折舊折成很多年，所以需要關註充電樁的壽命設計。
◎ 免維護
充電樁的應用場景多樣，除瞭環境條件相對穩定的地下車庫，還包括風吹日曬的戶外環境，甚至有些如沿海的碼頭、塵土飛揚的礦區等極端環境，設施需要在各種條件下都要確保穩定地工作。
◎ 安全
由於充電設施是能量轉化裝置，用電涉及到充電線纜和充電連接器在碾壓和反復使用中，還能保證安全性能。
因此，在充電樁的設計中，尤其是超級充電樁中，需要進行很多的材料的創新使用。在這裡需要哪些功能材料呢？
◎ 導熱：充電樁和電線等都是會發熱的，充電模塊散熱技術的演進，如何通過高導熱材料與外界進行熱交換來達到散熱效果；或者通過更為復雜的液冷技術來解決充電樁內部散熱的問題，這都需要良好的導熱材料和熱管理方案。
◎ 密封：水冷系統的處理，還有模塊的處理，事實上充電模塊裡面包含對環境（沙塵，水氣，鹽霧等）敏感的器件，如電容、半導體、磁性元件等；也包括發熱量大的功率器件，如何解決好這些部件的環境防護等級就需要很多的考慮。
◎ 絕緣：涉及到交流和直流部分，特別是用戶可以接觸的位置，因此絕緣能力是保護用戶的安全非常重要的部分。
Part 3
充電設施的設計細節
——對材料的需求
在研究充電樁的設計時，我們發現有這樣一傢材料科學公司，它專門面向電動汽車充電市場打造瞭全面覆蓋充電槍、充電線纜和母線、充電樁、充電櫃、快充功率元器件等應用的一系列高性能有機矽解決方案，這傢公司就是在材料科學領域有著超過120年創新經驗的陶氏公司。在充電設施領域中，陶氏公司不僅有能力向客戶提供多樣化的材料選擇，更能為功率更高的三級直流快充電基礎設施制定專屬解決方案，幫助客戶滿足當下快速升級的充電需求。
正如上文所言，良好的導熱材料和熱管理方案才是破局充電設施散熱挑戰的關鍵。陶氏公司創新的熱管理材料，涵蓋填縫劑、粘接劑、非固化熱界面材料、凝膠和灌封膠等豐富產品選擇，可切實幫助客戶實現更為高效的熱量傳導和散熱，進而保障充電過程的穩定運作。不僅如此，陶氏公司還為充電設施量身打造瞭多種保護和裝配材料，包括粘接劑、密封膠和敷形塗層等，可為這些敏感元器件提供全方位的防護，以應對環境因素帶來的負面影響，提升充電設施的可靠性和耐用性：
● 超級充電冷卻液
DOWSIL™ DCF-18浸沒冷卻液是一種安全、耐高溫、不易燃的液體，可有效提高冷卻和導熱性能。推薦用於油冷超級充電槍線纜中，這種液體具有出色的粘溫性能、熱氧化穩定性、電絕緣性能，並且無毒無害，不會滋生細菌和黴菌。
▲圖3. 350kW直流充電樁的冷卻液
● 超級充電槍水冷導熱管（導熱矽橡膠）
隨著超級充電市場的興起，尤其是陶氏公司研發並推出HTE5015-90U的導熱矽橡膠，解決瞭水冷超級充電槍方案中的關鍵技術難題——冷卻水管必須兼具高導熱系數與高強度高韌性材料問題，越來越多的超快充電槍開始使用水冷的方案。
在水冷超級充電槍方案中，采用的液體介質是水加乙二醇或丙二醇類物質的冷卻液，這類型冷卻介質不僅價格低，而且在很多循環泵體中都有長期應用實施的成熟經驗。但這種技術方案很長一段時間受限於高導熱系數的冷卻水管，在模擬計算和實際測試中都發現，如果冷卻水管的導熱系數不夠，當充電電流超過一定值後，不管循環泵中的冷卻液循環多快，熱量都不能有效的帶走，就必須提高導熱水管的導熱系數。
HTE50105-90U就基於這個背景來應運而生，導熱系數為1.5W/m.K，可以為600A電流的超級充電槍的電纜降溫並提供導熱保護。同時，該材料具有良好的物理特性和抗惡劣環境性能，可以用它來擠出導熱矽膠管，它具有高硬度和高強度可以直接與電纜絞合。同時，它又有足夠的柔韌性、足夠的使用壽命、耐高低溫性和耐冷卻液性等特性，最重要的是還有良好的電氣絕緣性，可以為超級充電槍提供長期的保障。
● 超級充電槍槍頭的導熱灌封/密封
設計超級充電槍，除瞭線纜必須考慮發熱和散熱外，還需要考慮散熱問題。因為充電端子在高功率工作時也會產生大量的熱量，但受限於充電槍的體積和重量設計，目前很難用空氣冷卻解決散熱問題，此時大多需要使用導熱灌封膠取得良好的散熱效果。
業已證明，導熱系數4.0W/m.K的DOWSIL™ TC-6040可以讓充電中過熱的充電槍快速降溫，既不會燙手，又能確保系統內部的模塊，尤其是最重要的逆變器模塊長期可靠。同時，超級充電槍的另一個重要因素是使用密封膠和密封圈，既要確保冷卻液不會漏，也要確保環境的風霜雨雪不會進到充電槍裡面。使用SiLASTIC™ RBB-6300-50，RBB-2030-40，DY32-502U，DY32-366U做成的橡膠密封圈和線束密封圈都取得瞭很好的防水效果。
▲圖4. 充電槍頭的設計
● 超級充電樁導熱灌封
新一代直流快充模塊最主要的特點是采用瞭全灌膠工藝，這樣可以使得模塊適應惡劣的工作環境，通過積塵高濕測試、加速高鹽霧測試以及在海南、西雙版納、敦煌、拉薩等外場長期可靠性測試，驗證瞭模塊在惡劣場景的長期可靠性。
這裡涉及很重要的問題：灌膠工藝後，發熱每個元器件的工作溫度和工作狀態需要確認才能讓整體的壽命達到預期的工作時間。因此，這種工藝對於直流快充模塊的熱管理提出瞭苛刻的要求，特別是對於佈局和器件的散熱設計，都有很高的性能要求。而且在這種工藝下，模塊效率、熱管理和模塊的可靠性會相互影響，也會決定整個直流快充模塊的綜合特性。
▲圖5. 模塊密封設計
DOWSIL™ TC-6015導熱灌封膠作為一種快速導熱散熱膠，為充電模塊的長期工作提供足夠的穩定性和可靠性。
總結：在充電設施的快速發展中，除瞭電源、線纜、接口等大的模塊工程設計的不斷改進，也離不開材料技術的進步。各種基礎材料的特性改善體現在新能源產業鏈裡的方方面面，好的材料是工程設計的基礎，也是各種設施設備快速建設背後的保障。
一直以來，陶氏公司就致力於為電動汽車原始設備制造商（OEM）及汽車電子供應商提供創新產品和解決方案，助推並保障可持續交通智能升級。憑借在材料科學領域的成熟應用經驗和深刻洞察，陶氏公司深諳當下電動汽車充電設施相關行業領域中備受矚目且競相著力的兩大創新方向，即充電熱管理和充電保護與組裝，並針對這兩個核心方向持續為全產業鏈帶來豐富、創新且高性能的有機矽解決方案。