國內(nèi)外電動汽車充電連接裝置測試方法對比研究

任山　黃炘　張妍懿

摘 要：新能源汽車免購置稅鼓勵政策于2014年下半年發(fā)布，充電連接裝置作為新增的測試項(xiàng)目，其標(biāo)準(zhǔn)和測試方法受到了廣泛關(guān)注。文章介紹了國內(nèi)外充電連接裝置標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展、分析了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在充電連接裝置電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的區(qū)別，重點(diǎn)對歐洲、美國和中國的充電連接裝置測試評價(jià)方法進(jìn)行了比較研究。開展了部分項(xiàng)目的測試驗(yàn)證試驗(yàn)，針對比較容易失效的項(xiàng)目做了詳細(xì)分析，為充電連接裝置的測試驗(yàn)證和開發(fā)提供參考，同時(shí)對充電連接裝置的標(biāo)準(zhǔn)修訂和測試認(rèn)證提出了建議。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電連接裝置；標(biāo)準(zhǔn)；測試評價(jià)

前言

能源和環(huán)保的壓力，推動著國內(nèi)外電動汽車技術(shù)進(jìn)步和示范推廣。同時(shí)充電設(shè)施的建設(shè)也在持續(xù)進(jìn)行。作為連接電動車和充電樁的橋梁，充電接口的結(jié)構(gòu)和連接裝置的安全性至關(guān)重要，需要按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)和測試。2011年12月我國推出了三項(xiàng)充電連接裝置的國標(biāo)，分別規(guī)定了充電連接裝置的技術(shù)要求、交流充電接口和直流充電接口的電氣規(guī)格和結(jié)構(gòu)尺寸。日本、美國和歐洲也積極推動本地區(qū)充電接口的標(biāo)準(zhǔn)化和國際間的協(xié)調(diào)[1]，并已經(jīng)開展充電連接裝置的測試認(rèn)證。文章分析了國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合試驗(yàn)研究了充電連接裝置的技術(shù)要求和測試方法，在此基礎(chǔ)上，提出了今后充電連接裝置的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證建議。

1 國內(nèi)外充電連接裝置的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

充電連接裝置是連接電動汽車和供電設(shè)備的組件，根據(jù)不同的充電連接方式，可能包括供電接口、充電接口和纜上控制盒等部件[1]，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、電氣安全、機(jī)械強(qiáng)度、耐環(huán)境可靠性、使用壽命等方面的技術(shù)要求。

目前國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)主要有：

（1）GB/T20234.1-2011、GB/T20234.2-2011、GB/T20234.3-2011：2011年12月發(fā)布，采用了交流7針、直流9針的接口設(shè)計(jì)，是國內(nèi)汽車、電力、電工行業(yè)共同起草的充電連接裝置標(biāo)準(zhǔn)，解決了國內(nèi)各個電網(wǎng)公司及車企充電接口不同的問題。目前國內(nèi)新生產(chǎn)的電動車和充電樁多數(shù)采用此標(biāo)準(zhǔn)接口。

（2）IEC 62196-1、IEC 62196-3、IEC 62196-3：國際電動委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)，歐洲應(yīng)用最廣，2012年發(fā)布了IEC62196-1通用技術(shù)要求和IEC62196-2交流充電接口標(biāo)準(zhǔn)，其中交流接口規(guī)定了type-1、type-2和type-2三種規(guī)格。IEC62196-3直流充電接口標(biāo)準(zhǔn)爭議較大，還在討論中[1]。

（3）SAE J1772和UL2251：美國SAE標(biāo)準(zhǔn)，2010年發(fā)布，規(guī)定了5芯交流充電接口，后來被IEC62196-2采納為type-1接口[2]。目前在美國和日本已有較多應(yīng)用，如豐田PHEV、IQEV、日產(chǎn)Leaf、通用Volt等車型。UL2251是充電連接裝置的認(rèn)證測試標(biāo)準(zhǔn)，其中關(guān)于尺寸結(jié)構(gòu)和電氣定義部分引用自SAE J1772。

（4）CHAdeMO：日本豐田、日產(chǎn)、三菱、富士重工和東京電力公司共同發(fā)起推廣的快速充電方式[2]，目標(biāo)在于推動10分鐘充電50～60km的快速充電器的標(biāo)準(zhǔn)化和國際化，目前在全世界建立了約2700個CHAdeMO接口的直流充電樁，其中約2/3在日本，約1/3在歐美地區(qū)。

目前美國和歐洲研究推出交流和直流混合的COMBO充電接口，單個接口實(shí)現(xiàn)了交流和直流兩種充電方式。

2 充電接口電氣規(guī)格和區(qū)別

在GB/T20234.1和IEC62196-1中，定義了四種電動汽車充電模式，與之相對應(yīng)的充電連接裝置及測試對象也有區(qū)別，如表1所示。

由于不同地區(qū)的電壓電流不同，不同標(biāo)準(zhǔn)在電氣規(guī)格方面也有區(qū)別，如表2所示，其中SAE J1772的交流接口也是IEC62196-2的type-1類型，對應(yīng)電氣規(guī)格為250V/32A。

3 充電連接裝置的測試方法和試驗(yàn)研究

國內(nèi)外充電連接裝置的測試認(rèn)證主要依據(jù)GB/T20234.1-2011、IEC62196-1：2012和UL2251標(biāo)準(zhǔn)。新國標(biāo)是以GB/T20234-2006為基礎(chǔ)進(jìn)行修訂的，2006版的標(biāo)準(zhǔn)非等效采用了IEC62196-1：2003。因此GB/T20234.1-2011和IEC62196-1：2012非常類似，從尺寸、結(jié)構(gòu)安全、電氣安全、使用壽命、環(huán)境可靠性等幾個方面規(guī)定了充電連接裝置的通用要求和試驗(yàn)方法，且多數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目一致。UL2251的測試項(xiàng)目與前兩個標(biāo)準(zhǔn)類似，測試方法上有區(qū)別，引用了UL840等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)增加了部分安全性和環(huán)境試驗(yàn)要求。以下就不同方面的測試要求和方法進(jìn)行分析。

3.1 結(jié)構(gòu)安全方面

結(jié)構(gòu)安全相關(guān)的測試主要有插拔力、鎖止裝置、電纜及其連接、機(jī)械強(qiáng)度、螺釘、載流部件和連接、車輛碾壓等項(xiàng)目。

標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了插拔力的范圍，便于人工操作，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候需要調(diào)整端子插接的緊固程度，既要保證插拔力適中，也要保證接觸電阻不會太大引起接觸不良的現(xiàn)象。

車輛碾壓是三個標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別的項(xiàng)目，充電連接裝置在使用過程中可能由于操作失誤，遭受車輛碾壓，不應(yīng)引起防護(hù)等級降低、絕緣性能破壞等隱患。三個標(biāo)準(zhǔn)對于模擬車輛碾壓的條件基本一致，均要求采用P225/75R15規(guī)格的輪胎，施加5000N左右的力，以8±2km/h的速度壓過連接裝置，但I(xiàn)EC62196.1中又額外增加了一次壓力增加至11000N的測試，兩次均通過才合格，對外殼材料的韌性要求進(jìn)一步提高。圖2為進(jìn)行碾壓試驗(yàn)后的樣品，經(jīng)過碾壓后外殼開裂，造成安全隱患。

UL2251特別規(guī)定了車斷插座的振動試驗(yàn)。由于充電插座安裝在車身上，在車輛行駛的過程中一直承受車身傳遞來的機(jī)械振動，可能引起緊固件松動、觸點(diǎn)不良等現(xiàn)象，因此UL2251規(guī)定了10～55Hz，振幅1mm，持續(xù)1h的掃頻振動試驗(yàn)，但國標(biāo)和IEC的標(biāo)準(zhǔn)均沒有規(guī)定。

三個標(biāo)準(zhǔn)對于其他幾項(xiàng)試驗(yàn)的要求和測試方法規(guī)定類似，要求充電連接裝置能抗沖擊、曲撓、跌落等，載流部件要求使用指定范圍內(nèi)的材料。

3.2 電氣安全方面

電氣安全相關(guān)的測試包括防觸電保護(hù)、接地措施、絕緣電阻和電氣強(qiáng)度、爬電距離、電氣間隙和穿透密封膠距離、耐電痕化、分?jǐn)嗄芰?、限制短路電流耐受試?yàn)。充電連接裝置連接電網(wǎng)和電動車，電壓較高，在任何使用狀況下都應(yīng)保證良好的絕緣，即使出現(xiàn)操作失誤也不能影響人身安全。

三個標(biāo)準(zhǔn)對電氣安全的要求都很嚴(yán)格，其中防觸電保護(hù)、絕緣電阻、電氣強(qiáng)度、耐電痕化是常見的安規(guī)項(xiàng)目，技術(shù)要求和試驗(yàn)方法均來自于IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)條件類似。“爬電距離、電氣間隙和穿透密封膠距離”的要求有所區(qū)別，GB/T20231.1規(guī)定比較簡單，引用了GB/T11918-2001《工業(yè)用插頭插座和耦合器 第1部分：通用要求》26條款，依據(jù)不同電壓等級進(jìn)行規(guī)定。而IEC62196-1和UL2251均根據(jù)產(chǎn)品材料、電壓等級、使用條件和可能污染程度分級別要求，更細(xì)致合理。

“接地措施”中的短時(shí)耐大電流試驗(yàn)、分?jǐn)嗄芰拖拗贫搪冯娏髂褪茉囼?yàn)涉及到高電壓或者大電流測試，是對產(chǎn)品電氣安全要求最嚴(yán)格的幾個項(xiàng)目，對于試驗(yàn)?zāi)芰σ蔡岢龊芨咭?，?yīng)能在額定電壓下提供10kA或更高的沖擊電流。

分?jǐn)嗄芰κ侵冈试S切斷最大的負(fù)載的能力，在發(fā)生電流故障時(shí)能安全切斷電路，而不發(fā)生觸頭熔接、爆炸等異常狀況。通過開關(guān)進(jìn)行電路分?jǐn)鄷r(shí)，有電弧產(chǎn)生，電流越大，分?jǐn)鄷r(shí)電弧越強(qiáng)；有電弧是導(dǎo)電的，可能形成相間電弧短路事故，導(dǎo)致電路不能分?jǐn)喑霈F(xiàn)危險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)是否有控制導(dǎo)引進(jìn)行不同條件的測試。交流充電連接裝置允許不帶控制導(dǎo)引，直流要求必須帶控制導(dǎo)引。對于不帶控制導(dǎo)引的連接裝置，在日常使用過程中比較容易遇到帶電分?jǐn)嗟那闆r，要求進(jìn)行50次分?jǐn)嗄芰y試；帶控制導(dǎo)引的連接裝置在拔出前已經(jīng)通過控制裝置斷開充電電路，但考慮到可能的故障，規(guī)定了3次的帶電分?jǐn)嘣囼?yàn)。直流充電連接裝置設(shè)計(jì)時(shí)要求拔出前必須先斷開充電電路，不允許帶電插拔。

交流分?jǐn)鄷r(shí)由于電壓電流的周期特性，相對比較容易；直流的電壓電流是持續(xù)的，分?jǐn)鄷r(shí)能量可能是同等電氣規(guī)格交流分?jǐn)嗟臄?shù)倍。目前IEC標(biāo)準(zhǔn)對直流充電連接裝置的分?jǐn)嘣囼?yàn)暫時(shí)沒有要求，注明“在考慮中”，國標(biāo)規(guī)定按照同等規(guī)格的交流參數(shù)進(jìn)行3次試驗(yàn)。采用國內(nèi)某企業(yè)的750V/250A直流充電連接裝置按照GB/T20234.1進(jìn)行了分?jǐn)鄿y試，電路順利斷開，但是充電端子局部出現(xiàn)燒黑現(xiàn)象。若采用直流參數(shù)進(jìn)行分?jǐn)?，情況會更惡劣。

短時(shí)耐大電流試驗(yàn)在三個標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定基本一樣， 目的主要考核接地保護(hù)的持續(xù)有效性。IEC標(biāo)準(zhǔn)允許在溫升試驗(yàn)和短時(shí)耐大電流二選一進(jìn)行，國標(biāo)和UL標(biāo)準(zhǔn)需要兩個項(xiàng)目都進(jìn)行。

限制短路電流耐受試驗(yàn)是測試在一定電壓和功率因數(shù)下，忍受短路電流沖擊時(shí)，連接裝置不會觸頭熔焊影響斷開操作，絕緣保護(hù)不會失效。試驗(yàn)要求電路中串聯(lián)與額定電流相同或高一級規(guī)格的熔斷器，具體測試條件見表3。

采用某750V/250A直流充電連接裝置進(jìn)行了限制短路電流耐受試驗(yàn)，先進(jìn)行了750V/10kA預(yù)期電流試驗(yàn)，電流持續(xù)時(shí)間設(shè)置為100ms。然后按照要求進(jìn)行正式試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。其中圖3最上方的電流波形及實(shí)際試驗(yàn)的電流沖擊，電壓有效值為746V，電流在瞬間達(dá)到5900A后熔斷器斷開，過程約8ms，樣品沒有發(fā)生異常，連接裝置實(shí)際承受的電流沖擊比預(yù)期小。也就是說，在電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，熔斷器應(yīng)先進(jìn)行保護(hù)，連接裝置不會發(fā)生熔焊或絕緣失效的危險(xiǎn)。如果連接裝置先于熔斷器損壞，則可能引起危險(xiǎn)。

3.3 使用壽命測試

使用模式1和模式2充電時(shí)，充電連接裝置可能在帶電情況下進(jìn)行插拔，使用模式3和模式4充電時(shí)，只能是先連接好再通電或者斷開電以后才能拔出。三個標(biāo)準(zhǔn)均要求10000次的空載帶電插拔，UL2251增加了10000次的帶載插拔，要求更加嚴(yán)格。

3.4 環(huán)境可靠性

充電連接裝置在室內(nèi)室外都使用，可能長期遭受光照、高低溫、腐蝕、淋雨砂塵等，為確保長期安全可靠的工作，標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定了各種相關(guān)項(xiàng)目。主要有材料的耐熱老化、防水防塵等級、腐蝕與防銹、灼熱絲試驗(yàn)等。GB/T20234.1和IEC62196-1要求基本一樣，UL2251還規(guī)定了露點(diǎn)試驗(yàn)、阻燃試驗(yàn)等項(xiàng)目。

4 結(jié)束語

充電接口的電氣規(guī)格、結(jié)構(gòu)尺寸和通訊協(xié)議涉及各個組織的利益，存在較大爭議，利益難以協(xié)調(diào)一致，今后較長的時(shí)間內(nèi)幾種不同的交直流充電接口仍會共存。各標(biāo)準(zhǔn)對充電模式的定義基本一致。

充電連接裝置的技術(shù)條件和測試方法趨于統(tǒng)一。各個組織對產(chǎn)品的安全性、使用過程中的可靠性，以及材料等級都有很高的要求，UL對安規(guī)和環(huán)境試驗(yàn)方面的考慮相對多一點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)對于部分與傳統(tǒng)電氣連接件有區(qū)別的裝置，如控制導(dǎo)引裝置、電子鎖和纜上控制盒，標(biāo)準(zhǔn)中考慮很少，但其安全可靠性和壽命也很重要，在實(shí)際的示范運(yùn)行中也多次遇到過電子鎖引起的問題，可能是今后標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步考慮的內(nèi)容。

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作者簡介：任山（1970-），男，高級工程師，碩士。