新能源汽車交流充電插座過(guò)溫問(wèn)題分析與改善方案

趙 斌，戴力強(qiáng)，陳 雪，劉 杰，趙 佳，3

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000；3.清華大學(xué)，北京 100084）

隨著全球能源短缺問(wèn)題日益突出和各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，新能源汽車逐漸成為交通領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。新能源汽車除續(xù)航外，其充電設(shè)施成為可持續(xù)性的關(guān)鍵因素之一，而充電時(shí)，交流充電與直流充電相比，具有安裝簡(jiǎn)單、成本較低、充電設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。交流充電通常適用于低頻率和低電量需求的場(chǎng)景，如家庭、小區(qū)停車場(chǎng)等輕度使用環(huán)境。根據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟運(yùn)營(yíng)報(bào)告，截至2023年5月，國(guó)內(nèi)公共充電樁數(shù)量新增208.4萬(wàn)臺(tái)，其中直流充電樁87.7萬(wàn)臺(tái)占比42.08%，交流充電樁120.7萬(wàn)臺(tái)占比57.92%。交流充電由于方便性占比依然很高，同時(shí)為方便客戶充電，汽車整車市場(chǎng)針對(duì)純電模式續(xù)航200km以下的混動(dòng)車型還推出了基于交流充電插座結(jié)構(gòu)上的交/直流充電槍轉(zhuǎn)換復(fù)式充電接口功能，通過(guò)轉(zhuǎn)接裝置，車輛既可以使用交流充電槍也可以使用直流充電槍進(jìn)行日常充電，如吉利的領(lǐng)克05混動(dòng)車型和比亞迪的宋Plus DMI車型等。交流充電固然重要且使用方便，但仍存在一些諸如充電過(guò)溫等影響客戶使用感受的痛點(diǎn)問(wèn)題。

1 現(xiàn)狀及問(wèn)題

新能源汽車相比燃油車，能量補(bǔ)給時(shí)充電速率慢和充電安全問(wèn)題尤為突出。雖然通常稱為慢充的交流充電的功率較小，但仍會(huì)存在充電安全問(wèn)題。目前針對(duì)快充的直流充電和電池包溫升安全問(wèn)題已經(jīng)受到業(yè)界廣泛關(guān)注[1-4]，但針對(duì)慢充的交流充電，業(yè)界專業(yè)人士關(guān)注較少，本文重點(diǎn)圍繞新能源汽車交流充電安全案例問(wèn)題進(jìn)行挖掘分析。

新能源汽車充電的速率本質(zhì)上取決于充電的功率，一般乘用車平臺(tái)電壓均為400V，少數(shù)車型可做到800V，如保時(shí)捷Taycan。根據(jù)歐姆定律，P=U·I，當(dāng)平臺(tái)電壓恒定時(shí)，增大電功率只能通過(guò)提升電流實(shí)現(xiàn)；根據(jù)焦耳定律，Q=I2·R·t，在散熱能力固定的條件下，可知當(dāng)時(shí)間t恒定時(shí)，電流I越大，電流產(chǎn)生的熱能Q越高，超過(guò)臨界值則會(huì)出現(xiàn)熱失衡，而當(dāng)電流I一定時(shí)，時(shí)間t持續(xù)越久，電流產(chǎn)生的熱能Q也會(huì)越高，超過(guò)臨界值同樣會(huì)出現(xiàn)熱失衡，故長(zhǎng)時(shí)間使用高電流充電會(huì)產(chǎn)生很高的熱能，導(dǎo)致充電的溫度升高，產(chǎn)生過(guò)溫現(xiàn)象。新能源汽車在充電過(guò)程中整車控制模塊采集到溫度過(guò)高的信號(hào)時(shí)，會(huì)命令充電控制模塊限制充電電流或停止充電，進(jìn)而降低充電槍與充電插座金屬端子接觸充電時(shí)導(dǎo)體的溫度，并且在溫度升高過(guò)快或溫度傳感器失靈等特殊條件下，高溫會(huì)直接導(dǎo)致充電插座發(fā)生燒蝕，給客戶帶來(lái)使用困擾。溫升過(guò)高引起的因素有很多，諸如制作工藝不成熟，端子與簧片磨損嚴(yán)重，線束與端子連接不穩(wěn)定，溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)不合理，溫控策略設(shè)計(jì)不合適等[1]。在諸多因素中，線束與端子連接屬于工藝和本質(zhì)材料影響溫度升高的關(guān)鍵因素，故本文對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)剖析。

2 工作原理

新能源汽車在交流充電過(guò)程中，充電回路通過(guò)充電槍與充電插座接觸傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)整個(gè)回路中電流的流通，在該過(guò)程中交流充電插座線束總成可視為功率非常小的回路負(fù)載，負(fù)載電阻值在充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的熱能，該熱能值是引起充電溫升變化的直接因素。接觸電阻原理如圖1所示。

圖1 接觸電阻原理圖

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定充電過(guò)程中溫升[5]ΔT≤50K。

式中：T1——充電過(guò)程中測(cè)量溫度值；T0——環(huán)境溫度值。

交流充電插座內(nèi)部溫度傳感器實(shí)時(shí)上報(bào)整車溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)，在溫度超過(guò)閾值時(shí)，整車會(huì)間接反饋充電處于溫度過(guò)高的異常工作故障狀態(tài)。由于導(dǎo)線自身不具備調(diào)節(jié)電流大小的能力，故下文中的闡述針對(duì)交流充電插座內(nèi)部的端子部分，依據(jù)焦耳定律進(jìn)行溫升分析。

導(dǎo)線電阻值理論計(jì)算方法為[6]：

式中：ρ——導(dǎo)線電阻率；L——導(dǎo)線長(zhǎng)度；S——導(dǎo)線橫截面積；α——電阻溫度系數(shù)。

電纜使用TR銅線，標(biāo)稱線徑為6mm2，基于圖1所示原理，計(jì)算總成內(nèi)阻值如下，在20℃環(huán)境溫度下，基于標(biāo)準(zhǔn)限制數(shù)值選型[7]。

導(dǎo)線電阻值計(jì)算公式：

式中：Rw——導(dǎo)線電阻值；ρw——導(dǎo)線電阻率；Lw——導(dǎo)線長(zhǎng)度。

參考標(biāo)準(zhǔn)推薦值，6mm2導(dǎo)線20℃時(shí)，ρwmax=3.14mΩ/m，ρwmin=2.89mΩ/m。為方便下文中故障樣件對(duì)比，采集實(shí)車取樣，統(tǒng)一將新品樣件導(dǎo)線長(zhǎng)度設(shè)置為1.37m，Rwmin=3.959mΩ，Rwmax=4.3018mΩ。

取上限值代入如下計(jì)算公式：

式中：Ra——總成電阻值；Rsc——充電座端子壓接電阻值；Rst——充電座端子接觸電阻值；Rw——導(dǎo)線電阻值；Rcc——連接器端子壓接電阻值；Rct——連接器端子接觸電阻值。

新件壓接Rsc=0.09mΩ，新件接觸Rst=0.68mΩ，老化壓接Rsc’=0.18mΩ，老化接觸Rst’=1.36mΩ。

故得樣件的內(nèi)阻理論最大值如下：新件Ra=5.8418mΩ，老化后Ra’=7.3818mΩ。故理論合格品要求新件Ra≤5.8418mΩ，老化后Ra’≤7.3818mΩ。

在溫度環(huán)境20℃下，新的總成樣件完工時(shí)，測(cè)試內(nèi)阻值合格品應(yīng)滿足如上理論計(jì)算值。

3 試驗(yàn)對(duì)比分析

在同一條件下根據(jù)實(shí)車取樣，故障件與對(duì)比樣件統(tǒng)一設(shè)置樣件的導(dǎo)線長(zhǎng)度為1.37m。

按照正常壓接工藝準(zhǔn)備大量樣本作為對(duì)比樣件，使用直流低電阻測(cè)試儀（TH2516）測(cè)量成品數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 樣本導(dǎo)通電阻測(cè)試值

對(duì)比圖2中各組數(shù)據(jù)，樣件導(dǎo)通電阻的實(shí)測(cè)值，均與理論計(jì)算值相符，最小4.92mΩ，最大5.76mΩ，滿足設(shè)計(jì)值要求。

準(zhǔn)備試驗(yàn)車標(biāo)定故障樣件1和2與隨機(jī)抽取2組合格新品樣件3和4進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，使用溫升阻抗測(cè)試儀(YHW-100A) 采集溫度變化值[8]，繪制溫升曲線，如圖3所示。

圖3 故障樣件和新品樣件溫升曲線

測(cè)試溫升過(guò)程中，在溫度穩(wěn)定后分別測(cè)得故障樣件2最大溫升71.3K，新品樣件3最大溫升27.4K，從圖示數(shù)據(jù)觀察可得故障樣件2溫升最大實(shí)測(cè)穩(wěn)定值ΔT=71.3K＞50K，新品樣件1的溫升最大實(shí)測(cè)穩(wěn)定值ΔT=27.4K＜50K，故障樣件的溫升值嚴(yán)重超過(guò)限制要求。

故障樣件與新品樣件使用相同的工藝、材質(zhì)加工而成，并在相同的條件下進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，故排除外界因素對(duì)樣品本身的影響后，從產(chǎn)品本身分析問(wèn)題原因。首先測(cè)量其導(dǎo)通電阻值（表1），可觀察到故障樣件的導(dǎo)通電阻值明顯超過(guò)理論計(jì)算值1.5～2倍。從導(dǎo)通電阻的構(gòu)成進(jìn)行下一步拆解分析，使用直流低電阻測(cè)試儀測(cè)量得到的故障樣件和新品樣件的接觸電阻值[9]見(jiàn)表2，可觀察到故障樣件與新品樣件的接觸電阻測(cè)試值相近，均符合設(shè)計(jì)值要求。再使用直流低電阻測(cè)試儀測(cè)量得到故障樣件和新品樣件的壓接電阻值[9]（表3），發(fā)現(xiàn)故障樣件的壓接電阻值相比新品樣件的壓接電阻值明顯增大，并且其測(cè)量值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)限值的10倍以上。

表1 導(dǎo)通電阻測(cè)試值

表2 接觸電阻測(cè)試值

表3 壓接電阻測(cè)試值

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6]中對(duì)TR圓銅導(dǎo)線的規(guī)范要求，銅絲本身可視為均勻?qū)щ娊橘|(zhì)，工作中受均勻老化，在一定長(zhǎng)度的不同位置測(cè)量電阻率會(huì)近似相同，結(jié)合前文中端子與導(dǎo)線連接處的壓接電阻Rsc+導(dǎo)線電阻Rw＞導(dǎo)線電阻Rw，忽略導(dǎo)線本身均勻老化的影響，可根據(jù)故障樣件的接觸電阻和壓接電阻實(shí)測(cè)對(duì)比值判定為壓接電阻異常，導(dǎo)致故障樣件的溫升過(guò)高。

壓接電阻的異常與端子壓接的品質(zhì)、材質(zhì)變化有關(guān)。首先端子壓接品質(zhì)一般通過(guò)壓接斷面狀態(tài)分析，QC/T 29106和USCAR21標(biāo)準(zhǔn)為端子壓縮比和壓縮率的測(cè)量提供了理論方法，但對(duì)壓接品質(zhì)合格參數(shù)并未提供明確要求，各整車廠對(duì)端子壓縮比的要求也各不相同，一般端子壓縮比在70%～90%為合格狀態(tài)，有研究分析高壓端子壓縮比在65%～80%之間最佳[10]。將故障樣件進(jìn)行剖切分析，使用截面分析儀分析故障樣件的端子金相壓縮比，如圖4所示，端子壓接尺寸測(cè)試值見(jiàn)表4，壓接區(qū)無(wú)明顯空隙缺陷，故障樣件1壓縮比分別為80.8%和78.6%，故障樣件2壓縮比分別為78.5%和78.3%，說(shuō)明故障樣件本身壓接工藝和品質(zhì)均無(wú)問(wèn)題。

表4 端子壓接尺寸測(cè)試值

圖4 故障樣件的端子金相壓縮比

進(jìn)一步分析，考慮到TR圓銅導(dǎo)線壓接處的剝線存在外露的情況，在高溫條件下通電載流過(guò)程中容易發(fā)生氧化，推測(cè)導(dǎo)線受高溫老化影響可能已產(chǎn)生氧化，故將剖切的故障樣件使用SEM電子掃描顯微鏡進(jìn)行掃描能譜分析，如圖5和圖6所示，分析元素成分是否受到高溫及通載老化后發(fā)生電腐蝕氧化。

圖5 端子元素能譜分析

圖6 導(dǎo)線元素能譜分析

從圖5中可以看出在壓接端子的非鍍層區(qū)的兩側(cè)斷面隨機(jī)取點(diǎn)7022和7023進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)具有較高的氧原子含量，而在鍍層區(qū)7024則未發(fā)現(xiàn)氧原子，說(shuō)明端子鍍層處未發(fā)生氧化。從圖6中可看出，對(duì)壓接處單體銅絲隨機(jī)取點(diǎn)7225、7235、7243進(jìn)行能譜掃描分析，發(fā)現(xiàn)銅絲表層具有較高含量的氧原子，可判斷出故障樣件在導(dǎo)線壓接區(qū)的銅絲已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的氧化物阻礙自由電子的定向流動(dòng)導(dǎo)致連接電阻也增大，間接引起溫升過(guò)高問(wèn)題。

4 方案論證

目前新能源領(lǐng)域應(yīng)用的高壓電纜纜芯多采用純銅TR導(dǎo)線和鍍錫銅TRX導(dǎo)線[6]，本文論證純銅導(dǎo)線的氧化問(wèn)題，提出更改為采用不易腐蝕的鍍錫銅導(dǎo)線并驗(yàn)證可行性。

鍍錫銅導(dǎo)線較純銅導(dǎo)線增加了生產(chǎn)工藝和鍍層金屬，成本略高，同時(shí)電阻率較純銅線高[6]，但鍍錫銅導(dǎo)線具有更好的抗腐蝕性[11]。使用相同工藝加工的純銅導(dǎo)線樣件與鍍錫銅導(dǎo)線樣件在通循環(huán)載流后，常溫下測(cè)試導(dǎo)通電阻，見(jiàn)圖7a，在高溫老化持續(xù)通流后，常溫下進(jìn)行通電溫升測(cè)試，見(jiàn)圖7b。老化測(cè)試條件見(jiàn)表5。

表5 老化測(cè)試條件

圖7 鍍錫銅導(dǎo)線測(cè)試

由圖7a可知，在通一定循環(huán)次數(shù)的載流后，純銅導(dǎo)線的導(dǎo)通電阻相比鍍錫銅導(dǎo)線有明顯上升趨勢(shì)，但結(jié)果未超出設(shè)計(jì)值，而觀察圖7b可知，在進(jìn)行了高溫條件的加速老化后，純銅導(dǎo)線的測(cè)試溫度明顯大幅上升，溫升大于50K，其中鍍錫銅導(dǎo)線最大溫升46K，純銅導(dǎo)線最大溫升66K，說(shuō)明鍍錫銅導(dǎo)線相比純銅導(dǎo)線對(duì)交流充電過(guò)程中溫升具有一定改善作用。根據(jù)上文論證得到的純銅導(dǎo)線在高溫老化下發(fā)生氧化的情況，對(duì)比可知鍍錫銅導(dǎo)線相比純銅導(dǎo)線更耐腐蝕，外層的鍍錫層可保護(hù)內(nèi)層的銅芯不被氧化，使用更可靠，對(duì)充電插座溫升過(guò)高的問(wèn)題起到有效改善作用。

5 結(jié)論

綜合上述論證過(guò)程，研究交流充電插座線束總成采用6mm2純銅導(dǎo)線壓接進(jìn)行連接的產(chǎn)品在高溫條件進(jìn)行充電工作會(huì)出現(xiàn)溫升過(guò)高的情況，推薦使用抗腐蝕性能更好的鍍錫銅導(dǎo)線。

對(duì)于壓接接觸的導(dǎo)線與端子連接，交流充電過(guò)程中使用純銅導(dǎo)線在高溫工作環(huán)境下，導(dǎo)線發(fā)生老化容易導(dǎo)致溫升過(guò)高，其原因?yàn)殂~導(dǎo)體層與氧原子反應(yīng)產(chǎn)生氧化物，從而導(dǎo)致壓接區(qū)的連接電阻增大，產(chǎn)生較大的熱能，導(dǎo)致熱失衡。鍍錫銅導(dǎo)線相比純銅導(dǎo)線具有更好的抗腐蝕氧化能力，在相同的老化條件后，鍍錫銅導(dǎo)線比純銅導(dǎo)線更穩(wěn)定，老化前后內(nèi)阻變化較小，溫升變化較小，可有效改善溫升過(guò)高問(wèn)題。