基于模擬惡劣運行環(huán)境下的電動汽車直流充電槍發(fā)熱行為的檢測方法及評價研究

黃明皓 韋一力 李婷婷 吳芳芳 葉 成 王連成 石 磊

(1.浙江華電器材檢測研究所有限公司 國家電網(wǎng)公司電力器材安全性能檢測技術(shù)實驗室，杭州 310015;2.浙江萬馬專用線纜科技有限公司，杭州 311305)

工業(yè)和汽車排放的尾氣是當(dāng)前造成溫室效應(yīng)、破壞環(huán)境和影響生活的重要因素，為此世界多國正在商議并尋找減少尾氣排放和能源消耗的辦法。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人民對汽車的需求與使用越來越多，汽車排放的尾氣也急速增多。研究與開發(fā)新型環(huán)保節(jié)能汽車成為了當(dāng)前話題，其中開發(fā)新能源電動汽車成為了首選。因此電動汽車充電電纜(EV電纜)的性能研究也成為新型環(huán)保、節(jié)能、安全、耐用的電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題[1]。目前，中國質(zhì)量認(rèn)證中心也推出了電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)用電纜安全認(rèn)證業(yè)務(wù)。但關(guān)于開展充電槍與充電座匹配性能、人為暴力插拔、粉塵污染等原因?qū)е掳l(fā)熱現(xiàn)象的機理及評估技術(shù)；高溫高濕度狀態(tài)下，充電槍安全性能評價及檢測技術(shù)研究還較少[2-4]。本試驗對充電槍使用過程中的粉塵污染情況進行模擬，得出粉塵污染對充電槍發(fā)熱情況的影響；通過設(shè)備對不同插針材質(zhì)的充電槍進行插拔實驗，并對不同插針材質(zhì)充電槍產(chǎn)品進行評價；模擬高溫濕環(huán)境，對高溫濕環(huán)境下充電槍的發(fā)熱情況進行研究，提出一種高溫濕環(huán)境下充電槍的檢測技術(shù)。

1 試驗樣品及方法

1.1 試驗樣品

目前市場充電樁電纜大多執(zhí)行GB/33594-2017《電動汽車充電用電纜》標(biāo)準(zhǔn)。通過市場需求調(diào)研及原材料性能分析，針對確定選用兩種不同充電電纜材料的充電槍，參數(shù)如表1所示。

表1 兩種充電電纜材料的主要參數(shù)

目前市場上充電槍大多采用紫銅、錫青銅、黃銅等材質(zhì)作為插針材料。針對插拔試驗選取TPE絕緣+TPE護套作為電纜材料，充電槍插針材質(zhì)具體規(guī)格參數(shù)如表2。

表2 3種充電槍插針的主要參數(shù)

1.2 粉塵污染試驗

本次試驗選取材料類型為90℃TPE絕緣+90℃TPE護套電纜材質(zhì)、錫青銅鍍銀5μm插針材質(zhì)的充電槍進行粉塵污染試驗。

選取5組充電槍樣品進行試驗，首先將被試樣品參考GB/T 11918.1-2014《工業(yè)用插頭插座耦合器 第一部分：通用要求》標(biāo)準(zhǔn)中的溫升試驗，采用大電流發(fā)生器提供低壓大電流，試驗電流為125A交流電流。試驗設(shè)備處于室內(nèi)環(huán)境，為盡量減少環(huán)境溫度對溫升的影響，將環(huán)境溫度穩(wěn)定為20℃[5]。在充電槍插頭內(nèi)部預(yù)置精度為±0.3K的鉑電阻作為溫度傳感器測量插針附近的溫升狀況。其它測量點包括充電槍電纜表面與充電槍外殼處，具體位置如圖1所示。

圖1 溫升試驗測溫點

將充電槍樣品插頭插座接合后通入額定125A的直流電進行溫升試驗，持續(xù)時間為2h。分別與1h與2h時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。而后參考GB/T 4208-2017《外殼防護等級(IP代碼)》標(biāo)準(zhǔn)中的試驗方法，將樣品放入粉塵試驗箱中進行粉塵試驗，其基本原理如圖2所示，密閉試驗箱內(nèi)的粉末循環(huán)泵使滑石粉懸浮，對樣品進行粉塵污染試驗[6]。為模擬樣品實際使用壽命中出現(xiàn)的老化情況，將粉塵污染試驗的時長延長至7*24h。粉塵試驗完成后再次進行溫升試驗并對比前后數(shù)據(jù)，判斷長時間粉塵污染試驗是否影響設(shè)備正常運行，是否存在安全隱患。

圖2 粉塵試驗原理圖

1.3 高溫高濕度環(huán)境下充電槍溫升試驗

選取兩種不同電纜材料的充電槍各5組，對其進行溫升試驗后進行高溫濕環(huán)境試驗，試驗方法參考GB/T 2423.3-2016《環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Cab：恒定濕熱試驗》，將樣品放入高溫濕試驗箱，試驗箱內(nèi)的濕熱用水導(dǎo)電率不超過20μD/cm；試驗溫濕度參考江浙地區(qū)夏季溫濕度，將環(huán)境設(shè)置為38℃、80%RH[7]。傳統(tǒng)濕熱環(huán)境試驗大多是先將樣品放入高溫濕試驗箱后先進行高溫濕試驗，待試驗結(jié)束后再針對其電氣或機械性能進行檢測試驗。本試驗為模擬充電槍再工作中實際存在的濕熱工作環(huán)境，在高溫濕環(huán)境下對樣品通電進行溫升試驗，將其與常溫環(huán)境下樣品發(fā)熱情況對比，得出不同電纜材質(zhì)的充電槍在高溫濕環(huán)境下的發(fā)熱情況。

1.4 反復(fù)插拔試驗

選取3種不同材質(zhì)、鍍層規(guī)格的充電槍各5組，將樣品插座、插頭分別固定在QL-CB充電接口插拔綜合試驗裝置上，使活動部件進行往復(fù)運動，插拔速率為每分鐘7.5個行程，插入拔出速度為(0.8±0.1)m/s，接觸時間為3s。為模擬充電槍實際使用壽命，將插拔次數(shù)設(shè)為20000次[5]。 插拔試驗完成后再次進行溫升試驗并對比試驗前后溫升數(shù)據(jù)，得出反復(fù)插拔試驗對不同插針材質(zhì)、不同插針鍍層厚度的充電槍發(fā)熱情況的影響。

2 試驗結(jié)果

2.1 粉塵污染試驗對充電槍發(fā)熱情況影響

將試驗結(jié)果取平均值得到粉塵污染試驗試驗前后溫升對比圖(圖3、圖4)。由圖可知，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的粉塵污染試驗對充電槍發(fā)熱有一定影響。溫升試驗一小時后，電纜、槍體外部變化不大，插針附近溫度平均有5K左右的上升。溫升試驗兩小時后，溫度穩(wěn)定后，插針溫度平均上升約3K，電纜、槍體表面溫度變化不大。本試驗說明粉塵污染試驗對于IP等級合格的充電槍發(fā)熱影響有限。

圖3 粉塵污染試驗前后溫升試驗1h溫度對比圖

圖4 粉塵污染試驗前后溫升試驗2h溫度對比圖

2.2 高溫濕環(huán)境對不同材料充電電纜發(fā)熱情況影響

試驗完成繪制折線圖如圖5～圖8，在溫升試驗開始1小時后，高溫濕環(huán)境下的充電槍各部位溫度均有明顯上升；溫升試驗開始兩小時后，充電槍溫升過程完成，插針溫度變化不大，電纜表面以及槍體表面溫度略有上升。該試驗說明高溫濕環(huán)境會加速充電槍的發(fā)熱過程，但是對充電槍端子的溫度影響不大，主要影響的是充電槍電纜表面和槍體表面的溫度。高溫濕環(huán)境對充電槍的發(fā)熱情況的影響在于加速了其溫升過程，電纜與槍體表面溫度升高，插針溫度無明顯變化。

TPE電纜材料充電槍試驗完成后，對TPU電纜材料的充電槍進行重復(fù)試驗作比較，繪制折線圖如上。由上圖可知，高溫濕環(huán)境對充電槍電纜與槍體表面的發(fā)熱情況大體上具有促進作用，對內(nèi)部插針部位的發(fā)熱情況無明顯影響。

圖5 TPE充電槍電纜高溫濕常溫試驗1h溫升對比圖

圖6 TPE充電槍電纜高溫濕常溫試驗2h溫升對比圖

圖7 TPU充電槍電纜高溫濕常溫試驗1h溫升對比圖

圖8 TPU充電槍電纜高溫濕常溫試驗2h溫升對比圖

2.3 反復(fù)插拔試驗

經(jīng)過20000次反復(fù)插拔試驗，黃銅鍍銀材質(zhì)充電槍的溫升情況如圖9、圖10所示。在溫升開始1h與2h時記錄的溫度均有明顯上升。在發(fā)熱穩(wěn)定后，插針溫度上升約12K，電纜與槍體表面溫度上升約5K。該試驗說明反復(fù)插拔試驗對充電槍的發(fā)熱情況具有顯著影響，長期使用后的充電槍發(fā)熱情況會日趨嚴(yán)重，存在一定的安全隱患。

黃銅插針材質(zhì)的充電槍插拔試驗完成后，繼續(xù)對另外兩張插針型號的充電槍重復(fù)上述試驗記錄溫度結(jié)果如圖11、圖12所示。20000次插拔試驗對各種插針型號的充電槍發(fā)熱情況均產(chǎn)生顯著影響。

圖9 黃銅鍍銀5μm插針插拔前后溫升1h對比圖

圖10 黃銅鍍銀5μm插針插拔前后溫升2h對比圖

由圖11、圖12可知，不同材質(zhì)的充電槍盡管其導(dǎo)電率不同，其發(fā)熱情況無明顯區(qū)別，針對鍍銀層厚度的不同，鍍銀層較厚的充電槍溫度略低。經(jīng)過20000次插拔試驗后，錫青銅鍍銀5μm插針材質(zhì)的充電槍其插針溫度平均上升了16K，同材質(zhì)鍍銀層3um的充電槍其插針溫度平均上升了約12k。在鍍銀層完全磨損的條件下，5μm鍍銀層的樣品溫度上升更高，側(cè)面反映了鍍銀層越厚，越能保護插針和插座的銅芯材質(zhì)在長期對插使用中產(chǎn)生的氧化、銹蝕及磨損影響充電槍體與插座之間的導(dǎo)電率。

圖11 插拔試驗前溫升2h對比圖

圖12 插拔試驗后溫升2h對比圖

綜上，多次插拔試驗會加劇充電槍的發(fā)熱情況；盡管黃銅與錫青銅兩種插針的導(dǎo)電率不同，但對充電槍的溫升情況影響有限，對充電槍整體的發(fā)熱情況影響不大；鍍銀層的厚度對充電槍的發(fā)熱情況有一定的影響，鍍銀層越厚，充電槍的工作溫度越低。

3 結(jié)論

選取了多種不同規(guī)格、型號的充電槍電纜，對其實際使用環(huán)境進行模擬，得出粉塵污染、高溫高濕環(huán)境和多次插拔試驗對不同電纜材料、插針型號充電槍的影響。得出結(jié)論如下：

(1)粉塵污染試驗對IP等級合格的充電槍來說，整體發(fā)熱量影響有限，插針溫度平均上升約3K，電纜、槍體表面溫度變化不大。

(2)高溫濕環(huán)境會加速充電槍的溫升過程，但是對充電槍端子的溫升影響不大，對充電槍電纜表面和槍體表面的溫度有一點的影響。高溫濕環(huán)境對充電槍的發(fā)熱情況的影響在于加速了其溫升過程，電纜與槍體表面溫度略有升高，插針溫度無明顯變化。

(3)反復(fù)插拔試驗對充電槍的發(fā)熱情況具有顯著影響，長期使用后的充電槍存在一定的安全隱患。

(4)黃銅材質(zhì)的插針與錫青銅材質(zhì)的插針雖然材料導(dǎo)電率有所差別，但是發(fā)熱情況區(qū)別不大。針對鍍銀層厚度的不同，錫青銅鍍銀5um插針材質(zhì)的充電槍其插針溫度平均上升了16K，同材質(zhì)鍍銀層3μm的充電槍其插針溫度平均上升了約12k。說明經(jīng)過插拔試驗對鍍銀層的磨損，使得鍍銀層較厚的充電槍發(fā)熱情況加劇。體現(xiàn)了鍍銀層對插針的保護作用。鍍銀層的厚度對充電槍的發(fā)熱情況有一定的影響，鍍銀層越厚，充電槍的工作溫度越低。