電動汽車直流充電接口互操作性測試與分析

孫文嘉，李 曉，李 楊，王嬌嬌

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

隨著新能源產業技術的不斷進步，電動汽車產業，尤其是中國電動汽車產業，得到了快速的成長［1］。直流充電可以實現電動汽車的快速能量補給，是一種重要的傳導充電形式。以直流充電樁為代表的充電設施的建設也在實現著爆炸式的發展［2］。直流充電接口作為連接供電設備和電動汽車之間的橋梁，是影響充電過程互聯互通和安全性的重要因素之一［3］，在用戶日常使用所可能出現的各種匹配情況下，都應能保證其連接的可靠性和安全性。因此，為保證充電過程的安全性，必須對充電接口的性能進行嚴格控制。中國在2015年推出了關于充電接口的現行國標GB／T 20234-2015，包含GB／T 20234.1-2015、GB／T 20234.2-2015和GB／T 20234.3-2015三項，涵蓋了接口的尺寸功能、機械可靠性、電氣安全性和使用壽命等方面［4-5］。在國際上，日本、美國、歐洲等各個汽車產業發展較為成熟的國家和地區，也都在積極推動充電連接裝置的標準化和統一化，并積極開展相關測試認證業務［3，6］。

2 互操作性測試試驗背景

鑒于消費者在電動汽車日常使用過程中使用場所的不固定性和充電需求的隨機性，無法保證在充電時所使用的車輛插頭和車輛插座為同一品牌的產品。然而，在試驗室進行測試過程中，往往在同一品牌之間開展。因此，為更好地模擬消費者在日常使用過程中的實際情況，了解不同品牌之間充電接口匹配使用時的性能表現，有必要針對充電接口開展互操作性測試研究。

本文中的互操作性測試研究選取在中國市場上具有代表性的若干款直流充電接口，進行不同品牌的充電接口互相配合后的一些電氣性能試驗，并對試驗數據進行分析。試驗主要通過端子溫升、接觸電阻、核心部件尺寸精度等關鍵技術指標［7］，對各個產品的具體性能表現做出客觀評價。

3 試驗實施方法

3.1 測試樣品分組

將進行匹配性測試的直流充電接口按生產廠家分組為：1#、2#、3#、4#車輛插頭和A#、B#、C#、D#、E#、F#車輛插座。產品規格均為750 V／250 A。

3.2 試驗方法、流程及設備

圖1 電壓降測量導線安裝示意圖

2）直流充電接口的各個車輛插頭分別與各個車輛插座配合進行試驗，參照GB／T 20234.1-2015和GB／T 11918.1-2014中端子溫升的測試方法，通以250 A的交流電，利用熱電偶和數據采集儀，測量端子壓接部位的溫度變化情況，并記錄溫度數據［4-5］，如圖2所示。

3）針對各品牌的試驗樣品，利用三坐標測量機測量其核心的帶電部件和支撐帶電體部分的尺寸精度 （圖3）。插頭部分選取DC+和DC-端子的端子外徑尺寸和端子孔內徑尺寸，插座部分選取DC+和DC-端子的端子內孔內徑尺寸和端子外柱外徑尺寸。

圖3 三坐標測量機示意圖

4）圖4所示為測量端子溫升的試驗裝置，其主體裝置包括交流恒流源、溫度傳感器、數據采集儀和試驗臺面。

圖4 端子溫升測試裝置示意圖

4 測試結果

在進行直流充電接口的互操作性測試時，為了客觀地評價出各個充電接口在各種匹配組合下的電氣性能表現，分別將每一個直流充電插頭依次匹配每一個直流充電插座進行接觸電阻和端子溫升的測試。

為了進一步分析各匹配組合下，直流充電接口的性能差異形成的主要原因，進而提出相關對策，針對所有插頭和插座樣品開展了相互配合部分尺寸精度的相關測試。測試主要針對充電接口中的帶電部件和支撐帶電體部分的核心關鍵尺寸展開。對于車輛插頭樣品，測量了功率端子DC+和DC-的端子外徑尺寸和端子孔內徑尺寸；對于車輛插座樣品，測量了功率端子DC+和DC-的端子內孔內徑尺寸和端子外柱外徑尺寸。

4.1 直流充電接口接觸電阻

各匹配組合下的端子接觸電阻測試結果如圖5～圖8所示。

1）直流車輛插頭1#與各品牌插座配合 （圖5）。

選取2017年2月—2018年6月90例肺癌手術患者作為研究對象，將其隨機分為兩組。其中，觀察組男女比例為30∶15，年齡為55～81歲，平均（65.37±1.44）歲。對照組中，男女比例為31∶14，年齡為56～80歲，平均（66.41±1.32）歲。兩組患者的一般資料對比，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

圖5 插頭1#各匹配組合下接觸電阻情況

2）直流車輛插頭2#與各品牌插座配合 （圖6）。

圖6 插頭2#各匹配組合下接觸電阻情況

3）直流車輛插頭3#與各品牌插座配合 （圖7）。

圖7 插頭3#各匹配組合下接觸電阻情況

4）直流車輛插頭4#與各品牌插座配合 （圖8）。

圖8 插頭4#各匹配組合下接觸電阻情況

4.2 直流充電接口端子溫升

各匹配組合下的端子溫升測試結果如圖9～圖12所示。

1）直流車輛插頭1#與各品牌插座配合 （圖9）。

圖9 插頭1#各匹配組合下端子溫升情況

2）直流車輛插頭2#與各品牌插座配合 （圖10）。

圖10 插頭2#各匹配組合下端子溫升情況

3）直流車輛插頭3#與各品牌插座配合 （圖11）。

圖11 插頭3#各匹配組合下端子溫升情況

4）直流車輛插頭4#與各品牌插座配合 （圖12）。

圖12 插頭4#各匹配組合下端子溫升情況

4.3 電氣性能分析評價

樣品4#和1#均表現為在與3組插座樣品配合時性能較好，與1組插座樣品配合時電氣性能處于國標限制的控制線上下浮動，與2組插座樣品配合時電氣性能超出了國標的限值。4#和1#插頭的樣品電氣性能表現對比分析而言，4#更為均衡一些，1#性能浮動情況略大一些。直流車輛插頭3#的電氣性能較為一般，其在與3組插座樣品配合進行試驗時，均未能滿足試驗測試要求 （即端子溫升超出了50 K的國標限值）。2#的電氣性能較差，其在與所有插座樣品配合進行試驗時，均無法滿足國標限值要求，端子溫升基本都已達到60 K以上，最高甚至已經超出70 K。

結合接觸電阻和端子溫升情況進行分析，當接觸電阻在0.18 mΩ以下時，一般均可滿足國標中端子溫升的限值要求；當接觸電阻大于0.23 mΩ時，往往會超限，可基本判定為產品失效。當接觸電阻處于0.18 mΩ至0.23 mΩ之間時，溫升是否超限與充電接口自身的散熱性密切相關。相對而言，直流充電接口接觸電阻與端子溫升的對應關系并沒有足夠的密切。例如直流車輛插頭1#在與A#插座和F#插座匹配測試的過程中，與F#插座匹配時接觸電阻相對略大于與A#插座匹配時，但端子溫升測試結果與F#插座匹配的結果反而好于與A#插座配合的情況。這表明了接觸電阻是影響端子溫升的一個決定性因素，但絕非唯一因素，充電接口的結構設計、材料選取等均會對最終的端子溫升產生影響。尤其是對于直流充電接口，其通電電流較大，考慮產熱Q=I2Rt時，產熱量較大，散熱對于接口性能的影響會遠遠大于接觸電阻的影響。因此，針對直流充電接口，尤其是未來更大功率的充電接口，考慮多方面改善散熱會更為有效。

試驗結果表明，不同品牌車輛插頭／插座在不同匹配組合時，性能表現也有著比較明顯的差異。由于250 A的直流充電接口本身電流大，端子溫升情況較高，因此，匹配組合配合性不佳的情況下，出現測試未通過的情況較多?；诔潆娺^程中的安全性考慮，以及實際使用中直流充電的流動性和互操作的需求較強，直流充電接口進行性能提升的需求較為迫切，以保證互操作充電下的匹配可靠性。

4.4 插頭尺寸精度

直流車輛插頭1#～4#的尺寸精度測試結果見表1。

4.5 插座尺寸精度

直流車輛插座A#～F#的尺寸精度測試結果見表2。

表1 直流車輛插頭1#～4#的尺寸測試數據 （單位：mm）

表2 直流車輛插座A#～F#的尺寸測試數據 （單位：mm）

4.6 尺寸精度分析評價

根據尺寸測試的結果顯示，在4個品牌的直流車輛插頭樣品中，1#插頭樣品的尺寸精度控制最為優秀；在6個品牌的直流車輛插座樣品中，D#插頭樣品的尺寸精度控制最為優秀。

針對具體測試數據進行分析，2#和4#車輛插頭的尺寸問題表現于DC+和DC-端子的端子外徑出現了下偏差，相對而言4#插頭的偏差量級遠小于2#樣品，4#最大僅在0.011 mm，而2#則在0.3 mm左右；3#樣品的尺寸問題則表現在DC+和DC-端子的端子孔內徑比理論值偏大，上偏差超差在0.07 mm左右。各個品牌的直流車輛插座樣品，A#插座的端子外柱這一支撐帶電體部分相對尺寸偏小，偏差在0.1 mm的量級上；B#和C#插座的端子內孔尺寸略小于理論值0.02 mm～0.03 mm；E#和F#的端子內孔尺寸則均偏大，最大偏差甚至接近0.1 mm。

大部分廠家直流充電接口的孔類型尺寸在尺寸精度方面偏向于走上偏差，實際值會較理論值略大；軸類型尺寸在精度方面偏向于走下偏差，實際值會較理論值略小。但是由于直流充電接口經受的電流值較大，因此為了使接觸情況更加優異，以得到更好的電氣性能，也有廠家在滿足插拔力要求的前提下，使直流插座的端子內孔這一接觸導體部分的孔類型尺寸較小于理論值。

5 結果與討論

直流充電接口的DC+、DC-端子的接觸導體部分和支撐帶電體部分尺寸同樣對接口的電氣性能影響較大，均屬關鍵尺寸。同時由于直流充電接口的線纜線徑較粗，因此一旦發生彎扭，充電接口需承受的擰壓力作用較大。因此，直流充電接口不僅接觸導體部分，支撐帶電體部分的尺寸精度也同樣比較重要。以A#插座為例，其支撐帶電體部分的尺寸偏小0.1 mm左右。該尺寸偏小易導致對導體部分的固定程度不足，尤其是當充電接口在插合狀態下經受線纜彎扭等擰壓力的作用時，該插座的支撐帶電體不能及時與插頭部分緊密作用抵消作用力，就會導致端子接觸導體部分受力而降低電氣性能。這也在一定程度上解釋了A#插座在測試中出現性能不太穩定的現象。結合電氣性能和尺寸精度的測試結果可知，當直流充電接口的端子孔內徑、端子外柱等支撐帶電體的尺寸偏差達到0.1 mm量級、以及端子外徑、端子內孔等導體部分的尺寸偏差達到0.05 mm的量級時，就會對電動汽車交流充電接口的性能產生較為顯著的影響。

目前現行標準GB／T 20234.3-2015中，對直流充電接口的尺寸偏差要求為：對插頭的端子孔、插座的端子外柱這兩個支撐帶電體部分，均給出了0.2 mm的偏差范圍；插頭的端子外徑部分給出了0.05 mm的偏差范圍；對插座的端子內孔部分給出了0.2 mm的偏差范圍。而根據本次匹配性測試的結果，考慮到直流接口的實際使用特點，可以考慮適當減小直流插座端子外柱部分的偏差范圍。此外，現行標準中直流插頭端子外徑僅允許存在下偏差，直流插座端子內孔僅允許存在上偏差，但考慮到直流接口的大電流使用特點，如果在不影響插拔力的前提下，可以適當考慮允許直流插座端子內孔存在下偏差，即允許直流插座的端子內孔略小于理論值。結合本次測試中的B#插座和C#插座的電氣性能情況，其端子內孔略小，導致與插頭端子的接觸更為緊密，反而利于性能的提升，尤其是在與類似直流車輛插頭2#這樣的端子外徑偏小的插頭配合使用時，性能表現甚至優于符合現行標準上偏差要求的D#插座樣品。

6 總結

1）部分廠家的充電接口，尤其是直流250 A充電接口，在進行端子溫升測試的過程中，溫度上升劇烈，達到溫度穩定時端子溫升遠超標準限值。

2）不同品牌的充電接口在進行互操作匹配性測試的過程中，在不同的匹配組合下表現出了明顯的性能差異。顯示出了試驗室檢測的局限性和進行互操作匹配性測試的必要性。

3）充電插頭的端子外徑、端子孔內徑，充電插座的端子內孔孔徑、端子外柱直徑等接觸導體部分和支撐帶電體部分的尺寸對充電接口的電氣性能影響較大，屬于充電接口的關鍵尺寸。

4）針對直流充電接口的尺寸精度，測試結果顯示：支撐帶電體部分和接觸導體部分都應盡量控制在0.05 mm的精度范圍之內。

5）對于直流250 A充電接口，當接觸電阻在0.18 mΩ以下時，端子溫升測試結果一般較好；當接觸電阻大于0.23 mΩ時，端子溫升往往會超限。

6）當發熱量到達一定程度后，散熱能力將會取代發熱量成為影響接口性能的主要因素。因此，對于大功率充電接口，如何增加其散熱能力將會至關重要。