高温超导电缆在高功率电动汽车充电站的开发与测试

《Journal of Cleaner Production》：Development and testing of a high-temperature superconducting cable for high-power electric vehicle charging stations

　　

摘要

电动汽车（EV）充电站的传统大功率充电电缆面临功率容量有限和重量过大等挑战。高温超导（HTS）电缆凭借其紧凑的结构、零直流损耗和高电流密度，为电动汽车大功率充电提供了有前景的解决方案。本研究设计、制造并测试了一种适用于直流充电站的柔性高温超导电缆，该电缆集成了可与电动汽车电池连接的接头以及用于液氮循环的液氮接口。研究团队搭建了一个测量充电电缆在工作过程中温度和应变的平台，并探究了弯曲变形对临界电流的影响。实验结果表明，充电电缆在300秒内即可从室温冷却至液氮温度，无弯曲时临界电流为605 A，当弯曲角度层达到65°且温度变化在0.2 K以内时，临界电流下降至350 A。

引言

在"双碳"目标和能源短缺的压力下，电动汽车与可再生能源的融合无疑是车辆发展的未来方向（Kostopoulos等，2020；He和Wu，2024；Li等，2024）。

随着电动汽车充电需求的不断增加，大功率充电受到了越来越多的关注。根据当前技术趋势，基于直流的快速充电技术有望大幅缩短充电时间，从而缓解里程焦虑（Wu等，2024）。

市场上的大功率充电系统通常采用强制冷却方法来应对发热问题。保时捷（Nagel和Remisch，2018）推出了一种大功率液冷充电电缆设计，该充电电缆通过集成的液冷通道直接冷却，从而在大电流传输过程中增强散热，充电电流可达500 A。此外，特斯拉（Sun等，2021）开发了V3超充，采用液冷电缆，电流可达520 A。尽管液冷能够散发充电电缆的热量，但焦耳热随电流的平方增长，最终限制了充电容量。高温超导（HTS）电缆以其零直流电阻和高电流密度（Xiao等，2013；Quéval等，2024）的特点，有望克服功率限制。然而，由于在本出版物之前尚无关于电动汽车充电站超导充电电缆的报道，据我们所知，需要开展基础设计研究。

近年来，随着高温超导电缆技术的成熟，它已被提出用于多种创新应用，包括电力电网（Qiu等，2020；Chen等，2024）、天然气与电力联合输送系统（Zhang等，2014）、航空航天电力系统（Sadeghi等，2024；Yang等，2025）、混合高温超导储能系统（Zhu等，2013；Li等，2021）以及交通运输混合能源管道（Chen等，2023）。此外，研究人员开发了各种电缆结构以满足不同需求，包括绞合叠带电缆（TSTC）（Zhai等，2022；Takayasu等，2017；Teng等，2025）、Roebel组装导体电缆（RACC）（Goldacker，2015；Bayer等，2015；Hao等，2022）、管内导体电缆（CICC）（Jin等，2023）以及圆形芯导体电缆（CORC）（Mulder等，2016；Shi等，2022；Xiao等，2022）。然而，不同结构的高温超导电缆在受到变形时对临界电流的影响各不相同。特别是在电动汽车充电站中，弯曲比其他变形更为常见。Takayasu等（2012）在77 K和4.2 K自磁场条件下评估了不同弯曲半径的ReBCO TSTC电缆性能，发现对于长度为2100 mm、弯曲半径为70 mm的TSTC电缆，临界电流降至初始值的94%，低于95%的可逆损伤阈值。Lai等（2024）对500 mm长的ReBCO TSTC电缆进行了弯曲测试。他们发现，在弯曲半径为200 mm时，最大应变达到0.54%，超过了0.45%的可逆损伤阈值。尽管TSTC电缆具有良好的弯曲性能，但其叠带沿轴向绞合，导致机械柔性有限，需要复杂的增强和精密组装，增加了制造难度和成本，限制了其在充电电缆应用中的适用性。此外，电缆内部有限的液氮冷却路径使其难以满足大功率充电电缆的快速冷却需求。Otten等（2016）在77 K下使用弯曲装置测试了1050 mm长、由不同公司的ReBCO带材缠绕的RACC电缆。结果表明，SuperPower的带材表现最佳，弯曲半径为46 mm时电缆临界电流仅下降5.9%。RACC电缆由两组或多组涂层导体绞合并交替排列成辫状结构组成。尽管它们具有良好的弯曲性能，但由于没有刚性芯子，其结构稳定性主要依赖于层间摩擦，导致抗拉性能较差，而抗拉性能是充电站应用中频繁插拔的关键要求。多位研究人员（Zhou等，2024；Ye等，2025；Teyber等，2022；Wu等，2022；Yan等，2025）通过实验弯曲测试和有限元模拟对CORC电缆的机械性能进行了广泛研究。这些研究表明，优化的多层螺旋结构可以缓解应变集中，在弯曲条件下保持载流能力，并承受拉伸和压缩载荷。Pierro等（2019）使用两点弯曲法对3 mm直径的CORC电缆进行了弯曲测试。临界电流测量显示，在弯曲半径为32 mm时，超过了带材的可逆损伤阈值。Anvar等（2018）将5 mm直径的CORC电缆弯曲至50 mm半径，电缆应变超过了不可逆退化应变阈值。同时，Hu等（2021）使用两点弯曲法对6 mm直径的CORC电缆进行了弯曲测试。他们发现，在弯曲半径为53 mm时临界电流开始退化。尽管CORC电缆的结构确保了良好的弯曲耐受性和抗拉强度，但其在高温超导充电站中的应用仍面临实际限制。传统电缆配置最初是为电力传输开发的，并非针对低温环境下紧凑型超导充电电缆而设计，可能导致复杂的终端结构。因此，有必要对高温超导电缆和终端结构进行深入研究。

本文的重点包括设计双极同轴直流高温超导电缆、缠绕1.5 m长的电缆芯、制造液氮低温容器和终端接头。然后研究了其在液氮（LN?）冷却过程中的热稳定性，并定量分析了多次弯曲变形对电缆临界电流的影响。这些发现为高温超导技术在电动汽车大功率充电站的发展提供了参考。

各节摘要

设计要求

电缆的设计要求总结于表1中。根据电动汽车（EV）充电行业当前的快充等级分类（Zhao等，2025；Rachid等，2025；Sawant和Zambare，2024），400 A直流充电电流对应于三级快充。在本研究中，超导电缆的设计额定电流为700 A，以满足现代电动汽车快速充电站的需求。目标是在实现最小

电缆原型

根据表2和表3中的设计参数，缠绕了1.5 m长的超导充电电缆，如图5所示。该电缆由两层YBCO带材缠绕在波纹管芯上构成。在缠绕过程中，将电流和电压引线集成到电缆中，减少了附加接触电阻对测量结果的影响。

实验平台

如图6所示，电缆测试平台由三部分组成。第一部分是高温

充电电缆的冷却与热应变测试

在1.5 m长电缆的冷却过程中测量了温度分布和热应变。沿电缆均匀分布了七个温度测量点和七个应变测量点，如图9所示。黄色矩形代表电缆芯。蓝色箭头上方的符号LF和RF表示位于中央测量点（标记为MF）左侧和右侧的应变片位置，红色下方的符号C和D

结论

本研究开发了一种1.5 m长的高温超导直流充电电缆，专为700 A电动汽车充电站设计，并制造了与高温超导充电电缆匹配的液氮终端和电极终端。然后重点对该结构进行了实验测试。主要结论如下。

• (1)
  冷却过程中热应变在250 s时达到最大值-500 με，对电缆的正常运行影响可忽略不计。电缆需要约300 s才能冷却

CRediT作者贡献声明

Yong Yang：写作–审阅与编辑、指导、方法学、概念化。Kefan Liu：写作–原稿撰写、验证、数据管理。Yujia Zhu：验证、方法学、调查。Kun Su：可视化、概念化。Xiaohang Li：指导、资源。Yu Liu：验证。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本文所述工作的个人关系。

致谢

本研究由陕西省自然科学基础研究计划资助（项目编号：2025JC-YBMS-064）；作者感谢L. Quéval教授（法国巴黎萨克雷大学中央理工学校）在审稿过程中提出的建设性意见和深刻建议。他的宝贵反馈极大地改进了本文，特别是在弯曲解释、术语一致性和临界电流测量解释方面，以及

Yong Yang|Kefan Liu|Yujia Zhu|Kun Su|Xiaohang Li|Yu Liu