有關電動汽車無線充電系統安全性能要求和測試方法的集中探討

鄭世欣

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018；

2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅天水741018）

1 引言

當前，我國是充電基礎設施發展最快的國家，據充電聯盟和公開數據整理統計，2016年底，我國公共類充電樁建設、運營數量超過15萬個，保有量全球第一。另外，根據《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015－2020年）》的規劃，到2020年，國內將新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個。但由于傳統的有線接觸式充電技術瓶頸，在新能源汽車發展的過程中，充電難、充電慢是制約市場發展的因素之一。最近幾年，能夠克服上述問題的無線充電模式逐漸進入公眾的視野，無線充電技術的應用可稱為電動汽車的新革命。

無線充電也稱為非接觸能量傳輸技術，是利用電磁場或電磁波進行能量傳遞。作為一種新型的充電技術，電動汽車無線充電技術相較于傳統的有線充電方式（交流慢充和直流快充），避免了機械磨損，可適應多種惡劣環境和氣候環境，同時具有更高的通用性。無線充電系統可用于電動汽車在車庫、停車場、充電站等場所的無人值守自動充電，大幅提升土地使用效率，構建電動汽車充電公共服務設施建設和運營的新模式，加速實施我國新能源汽車發展戰略。

2 電動汽車無線充電系統組成

電動汽車的無線充電系統的原理如圖1所示，由電源盒、地面發射板以及車載接收板3個部分組成。目前的無線充電主要是單向Grid to Vehicle（G2V）供電，以后必然發展為雙向供電，即G2V＋V2G。為方便起見，文中將“地面發射板”簡稱“地面設備”，將“車載接收板”簡稱為“車載設備”。

圖1 電動汽車進行無線充電的基本原理

與傳統動力電池采用插頭充電的方式不同，電動汽車在利用無線充電時，無需通過接觸插座內的接口來傳輸電能。其充電原理與變壓器的工作原理類似，以電磁場為媒介，將其一次、二次線圈分置于車外和車內，通過高頻磁場的耦合傳輸電能。

無線充電對技術的要求較高，充電效率與線圈大小以及距離有緊密關系。隨著線圈間距離的增大，能量傳輸效率逐漸降低。為了縮短用戶充電時間，無線充電系統普遍采用高電壓、大電流的大功率工作方式，這對無線充電系統的使用安全提出了極高的要求。因此對無線充電系統的高效正常運作，安全性是首要考慮的問題。

本文主要從電動汽車無線充電系統的電氣安全、機械安全、雷擊安全、電磁輻射安全四個方面，結合實際情況并參考當前國際先進標準，簡要分析陳述出相應的驗收規范要求和測試方法，并進行集中探討。

3 電動汽車無線充電系統安全性能規范要求及測試方法

3.1 電氣安全

3.1.1 絕緣電阻

用開路電壓為表1中規定的電壓等級的測試儀器進行測量，無線充電系統非電氣連接的各帶電回路之間、各獨立帶電回路與地（金屬外殼）之間絕緣電阻不應小于20M。

表1 絕緣電阻測試儀器的電壓等級

試驗要求：

地面設備，輸入對地（機殼）、輸出對地（機殼）絕緣電阻測試的要求：試驗電壓DC 1000V，測試時間30s，絕緣阻抗不低于20MΩ；

車載設備，輸入對機殼、輸出對機殼絕緣電阻測試的要求：試驗電壓DC 1000V，測試時間30s，絕緣阻抗不低于20MΩ。

3.1.2 耐電壓試驗

電動汽車充電設備非電氣連接的各帶電回路之間、各獨立帶電回路與地（金屬外殼）之間，按其工作電壓應能承受表2所規定歷時lmin的工頻耐電壓試驗，試驗過程中應無絕緣擊穿和飛弧現象。

表2 耐電壓試驗的試驗電壓等級

試驗要求：

地面設備，輸入對地（機殼）、輸出對地（機殼）耐壓測試：按表2要求進行耐壓試驗，測試時間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現象；輸入對通訊端口、輸出對通訊端口耐壓測試：按表2要求進行耐壓試驗，測試時間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現象。

車載設備，輸入對地（機殼）、輸出對地（機殼）耐壓測試：按表2要求進行耐壓試驗，測試時間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現象；輸入對通訊端口、輸出對通訊端口耐壓測試：按表2要求進行耐壓試驗，測試時間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現象。

3.1.3 沖擊耐壓

地面設備各帶電回路之間、各帶電回路與地（金屬外殼）之間，按其工作電壓應能承受表3所規定標準雷擊波的短時沖擊電壓試驗。試驗過程中應無擊穿放電。

表3 沖擊耐壓試驗的試驗電壓等級

試驗要求：在地面設備的非電氣連接的各帶電回路之間、各獨立帶電回路與地（金屬外殼）之間按表3規定施加3次正極性和3次負極性標準雷電波的短時沖擊電壓，每次間隙不小于 5s，脈沖波形 1.2／50μs，電源阻抗500Ω，試驗時其他回路和外露的導電部分接地，試驗過程中，試驗部位不應出現擊穿放電，允許出現不導致損壞絕緣的閃絡。如果出現閃絡，則應復查介電強度，介電強度試驗電壓為規定值的75%。

3.1.4 接地電阻

地面設備保護連接導體接地連續性應滿足以下要求：

a）額定電流小于或等于16A時，保護連接導體的阻值不能超過0.1，測試后保護連接導體不能損壞；

b）額定電流大于16A時，保護連接導體的壓降不能超過2.5V，測試后保護連接導體不能損壞。

車載設備等電位連續性應滿足如下要求：

a）額定電流小于或等于16A時，任意兩點之間的阻值不能超過0.1，測試后產品不能損壞；

b）額定電流大于16A時，任意兩點之間的壓降不能超過2.5V，測試后產品不能損壞。

3.1.5 接觸電流

地面設備的輸入火線、零線對保護地（PE）的接觸電流應不大于3.5mA。

當接觸電流大于3.5mA時，接觸電流有效值不應超過每相輸入額定電流值的5%，控制柜保護接地導線的截面積不應小于1.0mm2，且在靠近設備的交流電源連接端處，應設有標有警告語或類似詞語的標識。

試驗要求：在充電設備正常工作時，用接觸電流測試儀器（模擬人體阻抗）進行測試，測試每根輸入火線、零線與保護地線的泄漏電流值。

測試前電網輸入與充電設備之間需要加入一個隔離變壓器設備，其輸出容量需要大于充電設備工作時的輸出功率。

3.1.6 設備內電容器的放電

地面設備在設計上應當滿足，在電網電源外部斷接后，滿足IPXXB防護等級；或者，在電網電源外部斷接后10s，在人員可觸及的導電部分之間或任何導電部分和保護導體之間的電壓應該不大于直流60V或者存儲的能量應小于0.2J。

試驗要求：地面設備正常工作時，從設備外部連接端子斷開后開始計時，人員可觸及的導電部分之間或任何導電部分和保護導體之間的電壓降低至直流60V或者存儲的能量降低至0.2J時停止計時，這段時間即為放電時間，放電時間要求不超過10s。或者，檢查設備外部連接處斷開后的連接端子，若能滿足IPXXB防護等級，則不需要進行放電時間的測試。

3.1.7 爬電距離和電氣間隙

地面設備的電氣間隙和爬電距離應滿足表4規定的要求。

表4 無線充電系統地面設備的電氣間隙和爬電距離要求

車載設備的電氣間隙和爬電距離應滿足表5規定的要求。

表5 無線充電系統車載設備的電氣間隙和爬電距離要求

3.2 機械安全

3.2.1 一般要求

地面設備采用的材料應能承受機械、電氣、熱和環境應力，可在指定的環境條件下運行。

有絕緣材料外殼的無線充電設備在滿足以上條件的情況下，小凹痕、小程度的表面開裂或剝落損傷可以忽略，只要裂縫沒有危害到無線充電設備的正常使用。

正常使用的情況下，應通過使用合適的材料或針對裸露表面的保護涂層以確保防腐蝕保護。

3.2.2 環境條件

地面設備應當能夠耐受正常的汽車溶劑和液體、振動與沖擊影響，外殼、擋板及其它絕緣部件的材料應符合GB／T 5169.16的可燃性標準要求和其它適當的應用條件要求。

3.2.3 絕緣材料耐熱（防火）

絕緣材料的裸露部分、帶電部件的絕緣部分應耐熱和火。

外部導體不應被視為載流部件。

在有疑問的情況下，有必要確定絕緣材料是否保留載流部件和接地電路是否接地。設備在有問題的絕緣材料被移除、導體處于正常工作位置的情況下進行檢查。

地面設備以下部件所使用材料的適用性，需要通過GB／T 5169.10給出的灼熱絲試驗進行驗證。

a）裝配組件；

b）來自裝配組件的零件。

試驗應在a）或b）的材料最薄部分進行測試。

灼熱絲尖端溫度要求為：

a）960℃，如果必須保留載流部件；

b）850℃，對于安裝在空心墻的外殼；

c）650℃，對于所有其他部件，包括必須保留保護導體的部件。

這個尖端溫度適用于平坦的表面，不適用于凹陷、凸起、窄槽或尖銳的邊緣，如果可能，離配件邊緣不小于9mm。

符合以下條件，則可認為通過了灼熱絲測試。

a）沒有可見的火焰和無持續發光；

b）火焰或標本的灼熱發光現象或周邊物體的灼熱發光現象在灼熱絲移除后30秒內消失，并且周邊部件沒有被完全燒毀。不應引發紙張的持續燃燒。

說明：地面設備耐熱（防火）性能主要使用灼熱絲試驗來進行評估，實際上，灼熱絲試驗主要是評估材料在局部過熱情況下防止起火的能力，若材料已經起火，如果能有效的防止火焰蔓延，能否將火焰控制在設備內部不造成更大的事故，卻是灼熱絲試驗無法評價的。

表6所示給出了國際最先進的地面設備適用的耐熱（防火）性能試驗方法，可根據實際情況選擇使用。

表6 國際標準相關材料耐熱（防火）試驗方法的應用

3.2.4 球壓試驗

根據GB／T 5169.21的要求，對需要進行球壓實驗的絕緣材料進行球壓試驗。該試驗在加熱柜中進行，其溫度：a）（125±5）℃，含帶電體的部件；b）（80±5）℃，其它部件。

對于會產生形變的材料，其直徑不應超過2毫米。該測試不應在陶瓷材料上進行。

3.2.5 振動和沖擊

車載設備處于不工作狀態，使其承受上下、左右、前后三個方向的掃頻振動試驗，每一方向試驗8h，掃頻振動試驗條件按照表7的要求進行。

表7 掃頻振動試驗條件

沖擊試驗要求：

車載設備處于不工作狀態，承受峰值加速度為500m／s2、標稱脈沖持續時間為18ms的半正弦脈沖沖擊。

3.3 雷擊安全

3.3.1 雷擊沖擊電流

地面設備的交流輸入電源線路浪涌保護器的沖擊電流和標稱放電電流值應符合表8規定的C級要求。

3.3.2 雷擊沖擊電流試驗要求

參考標準：GB 50057《建筑物防雷設計規范》。

試驗等級：C級防雷－20 kA沖擊電流；沖擊電流（電壓）波形為 1.2／50 us＋8／20 us混合波。

測試方法：在雷擊實驗室進行，將浪涌電流回路分別連接到L－N、L－PE和N－PE中進行雷擊沖擊電流測試。

試驗限值：符合C級（20 kA）沖擊電流要求。

表8 電源線路的浪涌保護器的沖擊電流和標稱放電電流參數推薦值

3.4 電磁場輻射安全

3.4.1 電磁場曝露參考限值

地面設備電磁場輻射值應符合ICNIRP 2010《限制時變電場和磁場曝露的導則》中規定的公眾曝露參考限值，如表9所示。

表9 時變電場和磁場曝露的參考限值（未畸變有效值）

3.4.2 測量點位置示意圖

原邊設備和副邊設備應對齊。車前、車后、車左和車右的測量點距離車體表面為0.2m。如圖2所示。

3.4.3 電磁場輻射測試說明

電磁場輻射測試需要進行下面兩種條件下的電磁場曝露值測試：

a）電動汽車正常擺放位置（變壓器無偏移）；

b）電動汽車在最大偏移（X軸／Y軸最大偏移）條件下測試。

圖2 測量點示例

車外、車內測試選取點如表10。

4 結束語

在未來5年，隨著國家對充電基礎設施的大力推進，在全國各大城市組建城際快充網絡，實現互聯互通，充電難的問題或許可得到緩解。屆時，希望隨著無線充電技術的不斷更新換代，將來電動汽車的無線充電安全問題會得到很好的解決。

表10 測試選取點