電動汽車充電設(shè)備用插頭過溫問題研究

成 瀚 桂 林 劉兵仁

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315315）

引言

自2021年起，新能源汽車全面進(jìn)入市場驅(qū)動階段，全年市場滲透率達(dá)13.4 %，新能源汽車市場“黃金十五年”正在到來。

新能源汽車市場的快速發(fā)展，也極大地促進(jìn)了充電設(shè)施行業(yè)的繁榮。中國充電聯(lián)盟官方發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年10月底，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施累計數(shù)量225.3萬臺，同比增長50.4 %。其中公共類充電樁106.2萬臺，同比增長59.4 %；私人類充電樁119.1萬臺，同比增長43.3 %。

新能源充電設(shè)備均需要大電流的持續(xù)工作，這對充電設(shè)備的持續(xù)大電流穩(wěn)定性要求高。配合充電設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)插頭也需要持續(xù)滿載工作，一般都需要持續(xù)滿載充電10 h甚至更久。這和一般的家用用電器的插頭的使用環(huán)境和載流大小要求嚴(yán)很多，一般的家用用電器的插頭不會滿載使用，且不會大電流長時間持續(xù)工作。今天我們要研究的就是隨車充電槍（圖1）上使用的16 A標(biāo)準(zhǔn)插頭的過溫問題。

圖1 充電槍示意圖

1 背景介紹

本款產(chǎn)品是我司設(shè)計開發(fā)的一款隨車充充電槍，可以隨時插到16 A墻壁插座上給電動汽車進(jìn)行充電。充電參數(shù)：220 VAC 16 A。需要滿足持續(xù)滿載運行。

產(chǎn)品上市后陸續(xù)出現(xiàn)有客戶反饋插頭經(jīng)常溫度很高，形成過熱保護(hù)，甚至出現(xiàn)插頭過熱變形、燒毀等不良。如圖2所示。

圖2 燒毀插頭

針對本插頭過溫問題進(jìn)行系統(tǒng)分析和改善驗證。

2 機(jī)理、原因分析和試驗驗證

2.1 溫升影響機(jī)理

電流的熱效應(yīng)是電流產(chǎn)生溫升的原理：當(dāng)電流流經(jīng)導(dǎo)體時，因為導(dǎo)體本身電阻的原因，電流做功產(chǎn)生熱量。

焦耳-楞次定律是解釋這種電流熱效應(yīng)的理論依據(jù)，它表明電流通過導(dǎo)體因?qū)w電阻所產(chǎn)生的熱量和流經(jīng)的電流大小的平方，導(dǎo)體本身的電阻值以及電流通過的時間成正比。即：

式中：

Q—電路產(chǎn)生的熱量（J）；

I—電路的電流（A）；

R—電路中總電阻（Ω）；

t—通電時間（s）。

從式（1）可知，電路的發(fā)熱量的大小的主要由電路中的電阻決定的。

電路中的電阻主要由兩部分組成：

式中：

R—電路中總電阻（Ω）；

R1—導(dǎo)體的內(nèi)阻（Ω）；

R2—導(dǎo)體之間的接觸電阻（Ω）；

導(dǎo)體電阻定律：

式中：

R—導(dǎo)體的內(nèi)阻（Ω）；

ρ—電阻率；

L—導(dǎo)體長度；

S—導(dǎo)體橫截面積。

根據(jù)電阻定律可以分析到，導(dǎo)體的內(nèi)阻R1跟導(dǎo)體的長度L、電阻率ρ成正比，跟導(dǎo)體的橫截面積S成反比。

導(dǎo)體之間的接觸電阻R2主要由以下兩部分組成：

1）集中電阻：電流通過實際接觸面時，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來的電阻。

2）膜層電阻：由于接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的膜層電阻。

接觸電阻的大小主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響。研究發(fā)現(xiàn)正壓力增大集中電阻減小，接觸電阻降低；接觸面積減小，接觸電阻增大。

即接觸電阻R2與導(dǎo)體之間的接觸壓力F和接觸面積S成反比。

2.2 原因分析

從充電槍產(chǎn)品的實際使用場景分析，充電槍上插頭使用過程中的過溫問題主要可能是以下兩個方面的原因?qū)е拢?/p>

1）配合插頭使用的墻壁插座設(shè)計不合理，導(dǎo)致配合使用的時候，插頭插銷和插座的插套接觸不好（接觸電阻增大）或者插套的導(dǎo)電性能（導(dǎo)體內(nèi)阻）不足，導(dǎo)致插頭的插銷過溫；

2）充電槍上供電插頭本身的導(dǎo)體電阻過大，導(dǎo)致插頭在滿載使用時自身溫度過高。

2.3 試驗驗證

根據(jù)以上分析的原因，進(jìn)行以下試驗驗證：

1）驗證客退插座的溫升：用一個合格的插頭，配合客退的插座進(jìn)行溫升試驗；驗證數(shù)據(jù)見圖3，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，客退插座的溫升數(shù)據(jù)均滿足標(biāo)準(zhǔn) （45 K ） 要求，沒有出現(xiàn)溫度異常過高的現(xiàn)象，從而得出結(jié)論：客退插座滿足溫升要求；

圖3 客退插座溫升數(shù)據(jù)

2）驗證客退插頭的溫升：用一個合格的插座，配合客退的插頭進(jìn)行溫升試驗；驗證數(shù)據(jù)見圖4，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，有3個試樣的客退插頭的溫升數(shù)據(jù)超標(biāo)，最大的溫升達(dá)到了74.5 K，從而得出結(jié)論：部分客退插頭出現(xiàn)過溫不良。

圖4 客退插頭溫升數(shù)據(jù)

3 插頭過溫分析和驗證

3.1 原因分析

根據(jù)上面的試驗驗證，得出有部分的客退插頭出線了過溫不良異常；針對這些不良的客退插頭，進(jìn)一步進(jìn)行樣品拆解和原因分析，發(fā)現(xiàn)以下兩點現(xiàn)象：

1）線纜鉚接散絲；

2）壓鉚后插銷鉚接處有裂痕；

3）鉚接后牢固度不夠。

3.2 試驗驗證

針對以上不良現(xiàn)象分別進(jìn)行以下試驗，以驗證每種現(xiàn)象對插頭溫升的影響大小。

1）驗證散絲對插頭溫升的影響：將散絲的銅絲焊接到插頭插銷上進(jìn)行溫升試驗；驗證數(shù)據(jù)見圖5，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，散絲與插頭溫升成正相關(guān)；

圖5 散絲驗證數(shù)據(jù)

2）驗證壓鉚裂痕對插頭溫升的影響：將插銷壓鉚裂痕處用焊錫進(jìn)行修復(fù)，然后進(jìn)行溫升試驗；試驗數(shù)據(jù)見圖6，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，壓鉚裂痕與插頭溫升成正相關(guān)；

圖6 鉚接牢固度驗證數(shù)據(jù)

4）驗證鉚接牢固度要求：對客退的插頭剝離外皮后，對鉚接處進(jìn)行吊重測試，測試要求單根線束200 N不脫落。對10個樣品進(jìn)行拉脫力測試，均未脫落。

3.3 驗證結(jié)論

目前的鉚接方案是一種不對稱的U形端子壓接方案，容易產(chǎn)生以上兩種的鉚接不良，從而導(dǎo)致鉚接后的導(dǎo)電橫截面積S減少，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的鉚接電阻R增大，導(dǎo)致插頭持續(xù)大電流工作時過溫異常。

插頭支架的三個插銷的布局角度均布120 °布局（圖3），插頭支架壓鉚方向與LN的插銷以及U形端子方向有60 °的偏角（圖7）。在壓鉚完成后U形端子與插銷產(chǎn)生一個60 °的扭轉(zhuǎn)（圖8）。扭轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生了局部裂痕（圖9），導(dǎo)致插銷和端子連接處的導(dǎo)體橫截面積S減小，導(dǎo)體電阻R增大，產(chǎn)生過溫不良。

圖7 插銷布局圖

圖8 鉚接角度示意圖

圖9 散絲不良圖

4 改善方案及驗證

4.1 改善方案

考慮到支架的結(jié)構(gòu)和鉚接工藝方向，普通的U形開口端子無法滿足要求，會產(chǎn)生散絲和扭轉(zhuǎn)的壓鉚不良。我們重新設(shè)計壓鉚結(jié)構(gòu)，選用空心圓柱形端子結(jié)構(gòu)（圖10）。

圖10 鉚接不良圖

此種結(jié)構(gòu)有兩個特點：

1）本鉚接結(jié)構(gòu)是一種同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，同心圓環(huán)的鉚接軸線與插銷共軸，避免了壓鉚后的扭轉(zhuǎn)問題。

2）同時它還是一種閉環(huán)的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，避免壓鉚的時候的開口散絲問題；口部設(shè)計有導(dǎo)向的喇叭口結(jié)構(gòu)，給線束足夠的導(dǎo)向，避免線束彎曲斷絲問題。

4.2 方案驗證

按照新的壓鉚結(jié)構(gòu)進(jìn)行打樣驗證（圖12），控制鉚接壓力以及鉚接牢固度要求不變。然后進(jìn)行溫升驗證。試驗數(shù)據(jù)見圖13。

圖11 空心圓柱結(jié)構(gòu)圖

圖12 圓柱鉚接示意圖

圖13 改善后溫升數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，新方案的改善效果明顯。 5個樣件的LN極的最高溫升25.7 K，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求45 K；轉(zhuǎn)換成實際溫度50.8 ℃，遠(yuǎn)低于插頭變形溫度（110 ℃左右）。

5 總結(jié)

通過本研究我們得出線束壓鉚的工藝要求以及注意事項。線束壓鉚工藝是一項特殊的、重要的過程工藝。壓鉚工藝的好壞直接關(guān)系到線束和端子之間的連接強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。我們在后續(xù)的管控過程中不能僅僅只管控鉚接后的端子拉脫力，還要重點管控鉚接后的導(dǎo)電性能。

通過本研究，后續(xù)在設(shè)計線束端子的鉚接結(jié)構(gòu)的時候需要考慮端子的結(jié)構(gòu)選型和鉚接工藝方向?qū)Χ俗咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。