亞濕熱氣候下充電設(shè)備的環(huán)境失效研究與評價標(biāo)準(zhǔn)

陳永強，呂國偉，劉國榮

（1.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510663； 2.威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

新能源汽車充電設(shè)備在我國多種氣候環(huán)境下使用時，其環(huán)境適應(yīng)性直接影響充電設(shè)備的使用穩(wěn)定性、服役周期內(nèi)的安全性和可靠性以及新能源汽車充電設(shè)備產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

我國地域遼闊，氣候環(huán)境多樣，其中亞濕熱環(huán)境是我國典型氣候環(huán)境之一，新能源汽車充電設(shè)備在亞濕熱氣候環(huán)境下環(huán)境適應(yīng)性研究在國內(nèi)尚屬空白。因此，本文開展了充電樁在亞濕熱氣候下環(huán)境失效測試與評價技術(shù)研究。

1 亞濕熱氣候下充電設(shè)備的環(huán)境失效研究

1.1 充電設(shè)備內(nèi)外老化腐蝕環(huán)境條件的研究

首先開展亞濕熱氣候下充電設(shè)備內(nèi)外老化腐蝕環(huán)境條件的研究，充分掌握了充電設(shè)備在亞濕熱氣候下實際服役的環(huán)境嚴(yán)酷度，并分析了導(dǎo)致充電設(shè)備服役失效的主要環(huán)境因素。研究成果如下：

1）我國亞濕熱地區(qū)大氣環(huán)境具有較高的老化嚴(yán)酷度等級，室外使用的充電設(shè)備長期處于高輻照、高溫、高濕的環(huán)境中，高分子標(biāo)準(zhǔn)參考材料嚴(yán)酷度表征結(jié)果顯示，我國亞濕熱地區(qū)的大氣環(huán)境嚴(yán)酷度是干熱地區(qū)的1.2倍；

2）針對室外使用的充電設(shè)備，在散熱機制的作用下，內(nèi)部空氣平均溫度一般不超過35 ℃，相對濕度在80 %以上，且充電設(shè)備在實際使用過程中，內(nèi)部電子元器件最高溫度可達70 ℃以上，充電設(shè)備內(nèi)部環(huán)境更為嚴(yán)苛，充電設(shè)備內(nèi)部電子元器件的亞濕熱氣候環(huán)境可靠性、耐久性檢測需針對電子元器件實際服役溫濕度進行設(shè)計；

3）我國亞濕熱地區(qū)大氣腐蝕嚴(yán)酷度分析表明，亞濕熱地區(qū)內(nèi)陸大氣環(huán)境腐蝕等級在C3等級，越接近海岸線，腐蝕等級越高，沿海城市大氣腐蝕等級為C5；

4）利用標(biāo)準(zhǔn)銅片進行充電設(shè)備內(nèi)部腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷度表征研究，結(jié)果顯示：室外使用的充電設(shè)備，其內(nèi)部腐蝕等級為Gx，而室內(nèi)使用的充電設(shè)備一般在G2以下。

1.2亞濕熱環(huán)境腐蝕失效機理研究

隨后開展了充電設(shè)備技術(shù)部件亞濕熱環(huán)境腐蝕失效機理研究，開發(fā)了充電設(shè)備亞濕熱環(huán)境適應(yīng)性分析方法以及量化評價方法，利用模糊綜合評判方法，確定了影響充電設(shè)備關(guān)鍵部件環(huán)境失效的主要環(huán)境因素，建立了充電設(shè)備電氣模塊性能與環(huán)境因素的時間序列關(guān)系，掌握了充電設(shè)備關(guān)鍵性能隨時間的變化規(guī)律。研究成果如下：

1）室外使用的充電設(shè)備亞濕熱氣候環(huán)境下的失效行為規(guī)律研究表明：金屬部件的腐蝕失效是充電設(shè)備零部件的主要失效形式，其中溫濕度及污染物是導(dǎo)致充電設(shè)備腐蝕失效的主要環(huán)境因素；

2）充電設(shè)備關(guān)鍵性能演變規(guī)律研究表明：長期使用的充電設(shè)備，其防護性能呈現(xiàn)下降趨勢，影響充電設(shè)備的安全性及充電效率；

3）開發(fā)充電設(shè)備亞濕熱氣候環(huán)境適應(yīng)性分析評價方法，研究充電設(shè)備主要元器件的性能隨時間變化的規(guī)律，結(jié)果表明：對于室外長期使用的充電設(shè)備，溫度對直流充電設(shè)備電氣結(jié)構(gòu)可靠性的影響，在開始階段為很高，濕度的影響為低，污染物的影響為很低。隨著時間增長，溫度的影響下降，濕度和污染物的影響上升。長期監(jiān)控結(jié)果顯示，濕度對直流充電設(shè)備電氣結(jié)構(gòu)可靠性的影響最大，溫度次之，污染物最低。

1.3建立抗腐蝕性的人工加速試驗方法

進一步從理論上分析充電設(shè)備內(nèi)部環(huán)境對電氣模塊性能的影響，針對充電設(shè)備內(nèi)部電子元器件開展腐蝕試驗相關(guān)性研究以及帶電狀態(tài)對充電設(shè)備金屬部件腐蝕的影響研究，建立了充電設(shè)備帶電金屬材料抗腐蝕性的人工加速試驗方法。研究成果如下：

1）基于綜合模糊評價方法，理論分析亞濕熱氣候環(huán)境中溫度、濕度以及污染物對充電設(shè)備電氣模塊性能的影響，結(jié)果顯示，濕度是影響充電設(shè)備內(nèi)部電氣部件的主要環(huán)境因素，溫度次之，污染物最低；

2）基于充電設(shè)備電氣部件環(huán)境分析結(jié)果，建立針對充電設(shè)備內(nèi)部電氣部件的人工加速試驗方法，包括高溫試驗、交變濕熱試驗、太陽輻射試驗、流動混合氣體腐蝕試驗以及長霉試驗；

3）開展充電設(shè)備帶電金屬材料的抗腐蝕性研究，建立了充電設(shè)備帶電金屬材料抗腐蝕性的人工加速試驗方法。結(jié)果表明，電流因素加劇了純銅材質(zhì)的腐蝕程度，但對純銅鍍銀材質(zhì)基本沒有影響，對比結(jié)果顯示，帶電動態(tài)腐蝕速率是靜態(tài)腐蝕速率的2倍。

1.4評價亞濕熱環(huán)境下充電設(shè)備質(zhì)量優(yōu)劣提供了參考標(biāo)準(zhǔn)

針對充電設(shè)備設(shè)計、選材以及質(zhì)量測試評價的需求，提出了《亞濕熱環(huán)境下的新能源汽車充電設(shè)備技術(shù)規(guī)范》，為實際應(yīng)用評價亞濕熱環(huán)境下充電設(shè)備質(zhì)量優(yōu)劣提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。研究成果如下：

1）針對充電設(shè)備的亞濕熱環(huán)境適應(yīng)性，提出充電設(shè)備在亞濕熱環(huán)境下的特殊要求，包括安裝使用場景、外殼防護等級、高溫試驗、交變濕熱試驗、太陽輻射試驗、流動混合氣體腐蝕試驗、長霉試驗等，并應(yīng)用于電動汽車充電設(shè)施檢測評價平臺建設(shè)及環(huán)境適應(yīng)性檢測；

2）評價亞濕熱環(huán)境下新能源汽車充電設(shè)備的節(jié)能要求、電磁兼容要求和特殊性能要求。

2 《亞濕熱環(huán)境下的新能源汽車充電設(shè)備技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

《亞濕熱環(huán)境下的新能源汽車充電設(shè)備技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了亞濕熱環(huán)境下的新能源汽車充電設(shè)備的安裝使用場景分類、技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)則。目標(biāo)在于評價亞濕熱環(huán)境下新能源汽車充電設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性、節(jié)能要求、電磁兼容要求和特殊性能要求。

2.1環(huán)境適應(yīng)性要求

1）充電設(shè)備按GB/T 4208-2017進行外殼防護等級試驗，不同安裝使用場景的充電設(shè)備的外殼防護等級要求見表1。

2）充電設(shè)備按GB/T 2423.2-2008進行高溫試驗，試驗溫度穩(wěn)定并持續(xù)16 h，試驗溫度見表1。高溫試驗過程中、高溫試驗后恢復(fù)至正常溫度，電動汽車充電設(shè)備工作正常無故障。

3）充電設(shè)備按 GB/T 2423.4-2008第7.3.3條的方法2進行交變濕熱試驗，循環(huán)次數(shù)6次，交變濕熱試驗高溫溫度見表1。第6次循環(huán)試驗結(jié)束前2 h，對電動汽車充電設(shè)備進行介電強度和絕緣電阻試驗，試驗要求見表2。交變濕熱試驗后恢復(fù)至正常溫濕度，電動汽車充電設(shè)備工作正常無故障。

表1 安裝使用場景、外殼防護等級及氣候環(huán)境適應(yīng)性要求

表2 介電強度和絕緣電阻試驗要求

4）充電設(shè)備的塑料殼體材料或殼體上塑料部件，按GB/T 2423.24-2013第7.3條程序B進行太陽輻射試驗。試樣的材料、厚度應(yīng)和充電設(shè)備殼體上的塑料材料、厚度一致的三個試樣，試樣尺寸約為 150 mm×100 mm。整個試驗持續(xù)期間相對濕度為（93±3）%，輻射強度為 1 120×（1±10 %）W/m2，照射期間實驗箱溫度為55 ℃，太陽輻射試驗周期見表1。太陽輻射試驗后試樣不應(yīng)出現(xiàn)變型翹曲、開裂碎裂、脆化粉化等劣化現(xiàn)象。

5）充電設(shè)備按GB/T 2423.51-2020的方法4進行流動混合氣體腐蝕試驗，試驗持續(xù)時間見表1。流動混合氣體腐蝕試驗后，電動汽車充電設(shè)備工作正常無故障。

6）充電設(shè)備的PCB板、接插件、密封件等部件，按GB/T 2423.16-2008的試驗方法1進行防長霉試驗。長霉程度等級不低2a級。

2.2節(jié)能要求

對于所有應(yīng)用場景下的電動汽車充電設(shè)備，交流充電樁的節(jié)能性能應(yīng)符合表3的要求，非車載充電機應(yīng)符合表4和表5的要求。

表3 交流充電樁的節(jié)能要求

表5 非車載充電機運行模式的節(jié)能要求

待機模式：充電設(shè)備的節(jié)能要求的各項測試時間不少于1 min，讀數(shù)周不大于500 ms，取算數(shù)平均值得到相應(yīng)的功率。充電設(shè)備斷開與車輛模擬設(shè)備、測試負(fù)載的連接，使充電設(shè)備的工作狀態(tài)為待機模式1，連續(xù)記錄電動汽車充電設(shè)備無車輛模式的輸入有功功率和測試時間。充電設(shè)備連接車輛模擬設(shè)備，斷開測試負(fù)載，使被測設(shè)備的工作狀態(tài)為待機模式2，連續(xù)記錄充電設(shè)備空閑模式的輸入有功功率和測試時間。

運行模式：充電設(shè)備連接車輛模擬設(shè)備和測試負(fù)載，調(diào)節(jié)充電設(shè)備、車輛模擬設(shè)備和測試負(fù)載，使充電設(shè)備的工作狀態(tài)為運行模式，交流充電樁輸出額定電壓和額定電流，非車載充電機按照表4的要求調(diào)整輸出電壓和輸出電流，連續(xù)記錄充電設(shè)備運行模式的輸入有功功率、輸出有功功率和測試時間。

表4 非車載充電機待機模式的節(jié)能要求

2.3電磁兼容要求

充電設(shè)備的射頻騷擾、靜電放電抗擾度、浪涌抗擾度應(yīng)符合表6的要求。射頻騷擾按照GB 4824-2013進行。靜電放電抗擾度按照GB/T 17626.2-2018進行；浪涌抗擾度按照GB/T 17626.5-2016進行。

表6 充電設(shè)備的射頻騷擾、靜電放電抗擾度、浪涌抗擾度要求

2.4特殊性能要求

充電設(shè)備的額定功率應(yīng)不超過安裝場所的配電容量的90 %，連接電源接入點與充電設(shè)備的配電電纜導(dǎo)體截面積的選擇應(yīng)符合GB 50217-2018中3.6規(guī)定的要求，且長度應(yīng)不超過50 m，若電纜導(dǎo)體截面積提高一個等級，配電電纜的長度可以為100 m以下。

充電設(shè)備應(yīng)配備用于雷電防護的浪涌保護裝置，其安裝和選型應(yīng)符合GB/T 18487.1-2015中11.7規(guī)定的要求。

充電設(shè)備應(yīng)具備急停保護功能，交流充電樁的急停保護試驗按照NB/T 33008.2-2018中5.4.3進行；非車載充電機的急停保護試驗按照NB/T 33008.1-2018中5.3.10進行。交流充電樁應(yīng)符合NB/T33002-2018中7.7.4規(guī)定的要求；非車載充電機應(yīng)符合NB/T33001-2018中6.9規(guī)定的要求。

落地式充電設(shè)備應(yīng)有水浸保護功能，水位傳感器的安裝高度需低于內(nèi)部最低帶電導(dǎo)體（導(dǎo)線除外）的安裝高度。

3 環(huán)境失效研究的創(chuàng)新性及科學(xué)性

1）利用高精度銅測試片，開展充電設(shè)備在亞濕熱氣候下實際服役環(huán)境嚴(yán)酷度量化表征研究，確定了充電設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境腐蝕嚴(yán)酷度，為人工加速試驗方法提供數(shù)據(jù)支撐。

2）基于充電設(shè)備在亞濕熱環(huán)境失效行為統(tǒng)計及環(huán)境失效規(guī)律研究，開發(fā)亞濕熱環(huán)境下充電設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性分析及評價方法，實現(xiàn)充電設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性的量化分析與評價，為充電設(shè)備產(chǎn)品長期亞濕熱環(huán)境下使用的安全性和耐久性研究提供了新思路。

3）基于充電設(shè)備實際服役環(huán)境嚴(yán)酷度、環(huán)境失效行為以及人工加速試驗方法研究，提出了充電設(shè)備整機和零部件的環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為實際應(yīng)用評價充電設(shè)備質(zhì)量優(yōu)劣提供參考標(biāo)準(zhǔn)。

4 亞濕熱氣候下充電設(shè)備的環(huán)境失效研究成果前景和建議

針對充電設(shè)備產(chǎn)品存在亞濕熱環(huán)境長期使用導(dǎo)致的充電設(shè)備服役壽命短、安全隱患大等問題，系統(tǒng)開展充電設(shè)備在亞濕熱氣候下環(huán)境失效測試與評價方法研究，建立了充電設(shè)備相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)要求，為充電設(shè)備質(zhì)量控制提供關(guān)鍵技術(shù)支持，進一步提高充電設(shè)備在亞濕熱環(huán)境下的服役壽命和安全可靠性，為華南地區(qū)十四五充電設(shè)備大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

目前只針對亞濕熱環(huán)境下的充電設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性檢測評價技術(shù)進行研究，建議后續(xù)進一步針對不同氣候環(huán)境、人文環(huán)境下的充電設(shè)備失效問題進行深入和系統(tǒng)的研究。