基于模擬惡劣運行環境下的電動汽車直流充電槍發熱行為的檢測方法及評價研究

黃明皓 韋一力 李婷婷 吳芳芳 葉 成 王連成 石 磊

(1.浙江華電器材檢測研究所有限公司 國家電網公司電力器材安全性能檢測技術實驗室，杭州 310015;2.浙江萬馬專用線纜科技有限公司，杭州 311305)

工業和汽車排放的尾氣是當前造成溫室效應、破壞環境和影響生活的重要因素，為此世界多國正在商議并尋找減少尾氣排放和能源消耗的辦法。隨著汽車工業的發展和人民生活水平的提高，人民對汽車的需求與使用越來越多，汽車排放的尾氣也急速增多。研究與開發新型環保節能汽車成為了當前話題，其中開發新能源電動汽車成為了首選。因此電動汽車充電電纜(EV電纜)的性能研究也成為新型環保、節能、安全、耐用的電動汽車發展的關鍵問題[1]。目前，中國質量認證中心也推出了電動汽車傳導充電系統用電纜安全認證業務。但關于開展充電槍與充電座匹配性能、人為暴力插拔、粉塵污染等原因導致發熱現象的機理及評估技術；高溫高濕度狀態下，充電槍安全性能評價及檢測技術研究還較少[2-4]。本試驗對充電槍使用過程中的粉塵污染情況進行模擬，得出粉塵污染對充電槍發熱情況的影響；通過設備對不同插針材質的充電槍進行插拔實驗，并對不同插針材質充電槍產品進行評價；模擬高溫濕環境，對高溫濕環境下充電槍的發熱情況進行研究，提出一種高溫濕環境下充電槍的檢測技術。

1 試驗樣品及方法

1.1 試驗樣品

目前市場充電樁電纜大多執行GB/33594-2017《電動汽車充電用電纜》標準。通過市場需求調研及原材料性能分析，針對確定選用兩種不同充電電纜材料的充電槍，參數如表1所示。

表1 兩種充電電纜材料的主要參數

目前市場上充電槍大多采用紫銅、錫青銅、黃銅等材質作為插針材料。針對插拔試驗選取TPE絕緣+TPE護套作為電纜材料，充電槍插針材質具體規格參數如表2。

表2 3種充電槍插針的主要參數

1.2 粉塵污染試驗

本次試驗選取材料類型為90℃TPE絕緣+90℃TPE護套電纜材質、錫青銅鍍銀5μm插針材質的充電槍進行粉塵污染試驗。

選取5組充電槍樣品進行試驗，首先將被試樣品參考GB/T 11918.1-2014《工業用插頭插座耦合器 第一部分：通用要求》標準中的溫升試驗，采用大電流發生器提供低壓大電流，試驗電流為125A交流電流。試驗設備處于室內環境，為盡量減少環境溫度對溫升的影響，將環境溫度穩定為20℃[5]。在充電槍插頭內部預置精度為±0.3K的鉑電阻作為溫度傳感器測量插針附近的溫升狀況。其它測量點包括充電槍電纜表面與充電槍外殼處，具體位置如圖1所示。

圖1 溫升試驗測溫點

將充電槍樣品插頭插座接合后通入額定125A的直流電進行溫升試驗，持續時間為2h。分別與1h與2h時記錄相關數據。而后參考GB/T 4208-2017《外殼防護等級(IP代碼)》標準中的試驗方法，將樣品放入粉塵試驗箱中進行粉塵試驗，其基本原理如圖2所示，密閉試驗箱內的粉末循環泵使滑石粉懸浮，對樣品進行粉塵污染試驗[6]。為模擬樣品實際使用壽命中出現的老化情況，將粉塵污染試驗的時長延長至7*24h。粉塵試驗完成后再次進行溫升試驗并對比前后數據，判斷長時間粉塵污染試驗是否影響設備正常運行，是否存在安全隱患。

圖2 粉塵試驗原理圖

1.3 高溫高濕度環境下充電槍溫升試驗

選取兩種不同電纜材料的充電槍各5組，對其進行溫升試驗后進行高溫濕環境試驗，試驗方法參考GB/T 2423.3-2016《環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Cab：恒定濕熱試驗》，將樣品放入高溫濕試驗箱，試驗箱內的濕熱用水導電率不超過20μD/cm；試驗溫濕度參考江浙地區夏季溫濕度，將環境設置為38℃、80%RH[7]。傳統濕熱環境試驗大多是先將樣品放入高溫濕試驗箱后先進行高溫濕試驗，待試驗結束后再針對其電氣或機械性能進行檢測試驗。本試驗為模擬充電槍再工作中實際存在的濕熱工作環境，在高溫濕環境下對樣品通電進行溫升試驗，將其與常溫環境下樣品發熱情況對比，得出不同電纜材質的充電槍在高溫濕環境下的發熱情況。

1.4 反復插拔試驗

選取3種不同材質、鍍層規格的充電槍各5組，將樣品插座、插頭分別固定在QL-CB充電接口插拔綜合試驗裝置上，使活動部件進行往復運動，插拔速率為每分鐘7.5個行程，插入拔出速度為(0.8±0.1)m/s，接觸時間為3s。為模擬充電槍實際使用壽命，將插拔次數設為20000次[5]。 插拔試驗完成后再次進行溫升試驗并對比試驗前后溫升數據，得出反復插拔試驗對不同插針材質、不同插針鍍層厚度的充電槍發熱情況的影響。

2 試驗結果

2.1 粉塵污染試驗對充電槍發熱情況影響

將試驗結果取平均值得到粉塵污染試驗試驗前后溫升對比圖(圖3、圖4)。由圖可知，現有標準中的粉塵污染試驗對充電槍發熱有一定影響。溫升試驗一小時后，電纜、槍體外部變化不大，插針附近溫度平均有5K左右的上升。溫升試驗兩小時后，溫度穩定后，插針溫度平均上升約3K，電纜、槍體表面溫度變化不大。本試驗說明粉塵污染試驗對于IP等級合格的充電槍發熱影響有限。

圖3 粉塵污染試驗前后溫升試驗1h溫度對比圖

圖4 粉塵污染試驗前后溫升試驗2h溫度對比圖

2.2 高溫濕環境對不同材料充電電纜發熱情況影響

試驗完成繪制折線圖如圖5～圖8，在溫升試驗開始1小時后，高溫濕環境下的充電槍各部位溫度均有明顯上升；溫升試驗開始兩小時后，充電槍溫升過程完成，插針溫度變化不大，電纜表面以及槍體表面溫度略有上升。該試驗說明高溫濕環境會加速充電槍的發熱過程，但是對充電槍端子的溫度影響不大，主要影響的是充電槍電纜表面和槍體表面的溫度。高溫濕環境對充電槍的發熱情況的影響在于加速了其溫升過程，電纜與槍體表面溫度升高，插針溫度無明顯變化。

TPE電纜材料充電槍試驗完成后，對TPU電纜材料的充電槍進行重復試驗作比較，繪制折線圖如上。由上圖可知，高溫濕環境對充電槍電纜與槍體表面的發熱情況大體上具有促進作用，對內部插針部位的發熱情況無明顯影響。

圖5 TPE充電槍電纜高溫濕常溫試驗1h溫升對比圖

圖6 TPE充電槍電纜高溫濕常溫試驗2h溫升對比圖

圖7 TPU充電槍電纜高溫濕常溫試驗1h溫升對比圖

圖8 TPU充電槍電纜高溫濕常溫試驗2h溫升對比圖

2.3 反復插拔試驗

經過20000次反復插拔試驗，黃銅鍍銀材質充電槍的溫升情況如圖9、圖10所示。在溫升開始1h與2h時記錄的溫度均有明顯上升。在發熱穩定后，插針溫度上升約12K，電纜與槍體表面溫度上升約5K。該試驗說明反復插拔試驗對充電槍的發熱情況具有顯著影響，長期使用后的充電槍發熱情況會日趨嚴重，存在一定的安全隱患。

黃銅插針材質的充電槍插拔試驗完成后，繼續對另外兩張插針型號的充電槍重復上述試驗記錄溫度結果如圖11、圖12所示。20000次插拔試驗對各種插針型號的充電槍發熱情況均產生顯著影響。

圖9 黃銅鍍銀5μm插針插拔前后溫升1h對比圖

圖10 黃銅鍍銀5μm插針插拔前后溫升2h對比圖

由圖11、圖12可知，不同材質的充電槍盡管其導電率不同，其發熱情況無明顯區別，針對鍍銀層厚度的不同，鍍銀層較厚的充電槍溫度略低。經過20000次插拔試驗后，錫青銅鍍銀5μm插針材質的充電槍其插針溫度平均上升了16K，同材質鍍銀層3um的充電槍其插針溫度平均上升了約12k。在鍍銀層完全磨損的條件下，5μm鍍銀層的樣品溫度上升更高，側面反映了鍍銀層越厚，越能保護插針和插座的銅芯材質在長期對插使用中產生的氧化、銹蝕及磨損影響充電槍體與插座之間的導電率。

圖11 插拔試驗前溫升2h對比圖

圖12 插拔試驗后溫升2h對比圖

綜上，多次插拔試驗會加劇充電槍的發熱情況；盡管黃銅與錫青銅兩種插針的導電率不同，但對充電槍的溫升情況影響有限，對充電槍整體的發熱情況影響不大；鍍銀層的厚度對充電槍的發熱情況有一定的影響，鍍銀層越厚，充電槍的工作溫度越低。

3 結論

選取了多種不同規格、型號的充電槍電纜，對其實際使用環境進行模擬，得出粉塵污染、高溫高濕環境和多次插拔試驗對不同電纜材料、插針型號充電槍的影響。得出結論如下：

(1)粉塵污染試驗對IP等級合格的充電槍來說，整體發熱量影響有限，插針溫度平均上升約3K，電纜、槍體表面溫度變化不大。

(2)高溫濕環境會加速充電槍的溫升過程，但是對充電槍端子的溫升影響不大，對充電槍電纜表面和槍體表面的溫度有一點的影響。高溫濕環境對充電槍的發熱情況的影響在于加速了其溫升過程，電纜與槍體表面溫度略有升高，插針溫度無明顯變化。

(3)反復插拔試驗對充電槍的發熱情況具有顯著影響，長期使用后的充電槍存在一定的安全隱患。

(4)黃銅材質的插針與錫青銅材質的插針雖然材料導電率有所差別，但是發熱情況區別不大。針對鍍銀層厚度的不同，錫青銅鍍銀5um插針材質的充電槍其插針溫度平均上升了16K，同材質鍍銀層3μm的充電槍其插針溫度平均上升了約12k。說明經過插拔試驗對鍍銀層的磨損，使得鍍銀層較厚的充電槍發熱情況加劇。體現了鍍銀層對插針的保護作用。鍍銀層的厚度對充電槍的發熱情況有一定的影響，鍍銀層越厚，充電槍的工作溫度越低。