与缩短电动汽车(EV)充电时间相关的议题存在许多众所周知的挑战，包括充电站的可用电量、充电站的电源转换电子组件、从充电站将电力传送到车辆的电源线，还有车辆本身的充电子系统。
上述的列表还可以添加一项：当数百安培的电力流经电源线时，通过I2R电流热效应功率损耗产生的热量，即使其电阻降低至1Ω以下也会有。降低该电流将热量控制在允许的范围内，将对充电时间带来直接影响。
图1：典型DC EV充电系统的关键组件，以复合充电系统(CCS) Type 1标准(J1772 AC + CCS)连接器为例。
(来源：Elsevier Ltd/Purdue University)
要注意的是，电源线自发热的现象并非EV充电独有：美国国家电气规范(National Electrical Code)以及其他地方类似的法规，都对降额的交流电(AC)电源线列出了详细表格，显示了不同电流水平下允许的最高环境温度；对于这些自发热电源线如何捆扎包装，以及沿着高功率AC电源线铺设低电压电源线也有了新的限制，比如像是Power over Ethernet(以太网供电，PoE) IEEE 802.3bt (典型值3/60W和4/100W)。
一支由美国普渡大学机械工程学院教授Issam Mudawar (还有Betty Ruth和Milton B. Hollander)所率领的、经验丰富的团队认为这样的障碍是一个机会，他们分析、设计并测试了一种方法，将电源线的载流量从目前最大的520A提升到超过2,400A。
37年来，Mudawar一直致力于利用液体沸腾为蒸气时获取热量的原理，来以更具有效的方法冷却电子组件；这项研究是与韩国光州科学技术院(Gwangju Institute of Science and Technology)合作进行的。在他们的研究完成时，520A是最高载流量，因为许多充电器远低于该数字(参考图2)。
图2：全球市场上现有EV充电器充电线通过的最大连续电流。在目前研究中以实验证实的最高可能电流也在图表中做为参考。
(来源：Elsevier Ltd/Purdue University)
为了实现显著的载流量提升，研究团队在电源线采用了以流体为基础的冷却技术。通过严格的流体与热建模、详细的方程以及对冷却动力学的深入理解完成了这一目标。该项目是从电源线的基础热模型开始的(如图3)，但这并不足以揭示流体动力学建模过程中的微妙之处和实际考虑因素。
图3：环形流动几何与边界状况示意图。
(来源：Elsevier Ltd/Purdue University)
他们添加了从多个角度表征系统动力学的复杂方程，包括先进的建模以及随后的仿真软件工具。通过捕获液体和蒸汽形式的热量，一种从液体到蒸气的冷却系统，能比纯液体冷却方式多去除至少10倍的热量。
不过，以高复杂度建立模型以及进行软件仿真是一回事，要构建并测试其结果又是另一回事：该团队安排了泵送高度过冷(subcooled)的介电液体(dielectric liquid) HFE-7100(一种用于各种关键工业应用的不可燃的液体)，让具备高沸点与低表面张力的介电液体流经一个同心圆环，来模仿实际电源线的某一段。以均匀加热、直径6.35mm的内环表面代表电导体，而23.62mm直径、绝热的外环表面则是代表外部电线导管。因为在这些功率、热量和流体流量水平上，管道本身就相当复杂，而且还需要各种传感器来控制与测量需要的参数(参考图4与图5)。
图4：(a)实验双相流回路示意图，(b)组装前的模块，(c)外环管道正中心固定加热器的蜂窝结构，(d)组装后的模块，(e)安装到实验设施上的绝缘模块。
(来源：Elsevier Ltd/Purdue University)
图5：集合了关键组件的实验设施。
(来源：Elsevier Ltd/Purdue University)
他们的原型模拟了现实世界EV充电站的所有特征：包括一个泵、一条与实际充电线拥有相同直径的管线、相同的控制器与仪器，内部的流速与温度也是相同的(参考图6)。他们的研究显示了在达到更高电流时，EV充电问题会有多复杂，以及要理解并解决那些问题，还需要做出哪些努力。
图6：普渡大学研究团队进行实验与测试的现场情况。
(来源：Elsevier Ltd/Purdue University)
在学术期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》有两篇在某些部分重叠的长篇论文详细描述了实验的内容，每一篇都有大量的分析、建模数据，以及详细的表格、见解与结果。这些论文还很贴心地以一整页的篇幅，解释了所有的术语、希腊字母、下标符号，以及缩写。
你是否参与过高电流的电源轨设计，其中的I2R电流热效应功率损耗会产生与IR压降无关的发热问题？即使在低电流(10A以下)的情况，如果电源线的规格不够且电阻过大而导致损耗，又该怎么办呢？欢迎分享经验！
(原文刊登于EDN姊妹网站EE Times，参考原文：Another EV Power Challenge: Cooling the Charger Cables，由Susan Hong编译。)
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