老化對電動汽車用充電連接裝置性能影響研究

高燕萬，王嬌嬌，李 曉，陳 赫

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

隨著電動汽車行業的快速發展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，是新能源汽車行業持續的話題和難點，由于人們對新事物的認知需要一個過程，任何一次有關電動汽車安全事故都會導致公眾對電動汽車安全性的疑慮進一步加深，阻礙電動汽車的發展和普及。電動汽車安全事故中車輛發生熱失控導致著火是消費者最擔心最關注的問題，據有關部門調查數據顯示，電動汽車著火事件中有近三分之一是在充電過程中發生的，其中充電接口在充電過程中過熱導致的安全事故也屢屢發生。分析研究車輛接口在充電過程中的不同部位的熱分布和溫升值，指導完善車輛接口的工藝技術提升，對提高車輛使用過程中的安全性能有重要意義。

本文通過采用一種加速充電接口老化的方法，模擬充電接口在實際使用時實際的工況，考量充電接口在標準規定的壽命條件下性能的可靠性。充電接口實際使用時會沾染灰塵、雨水以及腐蝕性液體，風沙顆粒的積聚也會加速充電接口尤其是端子的磨損，影響接口的電氣性能。目前行業對充電接口的測試方法主要是依據GB/T 20234.1-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置通用要求》進行，要求較低，與實際使用情況存在差異。電動汽車充電接口插頭和插座在充電開始（或結束）時插頭插入（或拔出）的過程中，當插入（或拔出）力沿各個方向出現偏差，長時間積累會對接口的性能產生較大影響，采用專業測試設備的精準定位插拔和實際使用時車主的隨機插拔存在很大差異。為進一步精確驗證產品性能，提高使用安全性，本次研究在進行壽命試驗時，采用人工插拔10000次配合一種加速充電接口老化的方式，模擬充電接口在使用過程中逐漸腐蝕、磨損和老化的實際情況，通過比較初始狀態恒定電流溫升和老化循環測試后相同電流下的溫升，老化后達到70K溫升值的電流與額定電流的比較，來驗證其整個壽命過程中的電氣性能。

2 試驗系統的搭建

本研究中測試系統由交流恒流源、數據采集器、人工插拔測試工裝、上位機等部分組成，連接裝置的原理圖如圖1所示。交流恒流源輸出的正負極分別連接至圖中DC+與DC-，溫度傳感器分別位于車輛插座DC+與DC-端子與線纜的壓接處、端子與端子的連接處、線纜外表皮，并采集同一時間下的環境溫度。

圖1 測試原理圖

3 試驗數據分析

本研究對裝配有冠簧端子和片簧端子兩種電動汽車直流充電接口，進行了初始狀態下溫升測試，老化耐久測試及老化后溫升測試，老化后70K溫升電流標定試驗。下面分別對上述兩種端子結構的充電接口測試驗證結果進行比較分析。

3.1 初始狀態和老化后300A電流溫升比較

為了全面了解老化過程對充電接口電氣性能的影響，本次研究分別測試了初試狀態和老化后同一接口通以相同電流（300A）。對溫度達到穩定狀態時，端子與線纜的壓接處，端子與端子的連接處，線纜外表皮的溫升做詳細統計，試驗情況如表1所示。

表1 插座300A電流下的溫升

為了更直觀地比較片簧端子和冠簧端子在300A電流下的溫升差異，將試驗數據做成圖2。

圖2 片簧和冠簧端子插座300A電流情況下溫升曲線

分析圖2的試驗數據可以得到，初始狀態下充電接口通300A電流，端子與端子的連接處溫升值最高，為116.5K和95.7K，端子與線纜壓接處溫升次之，纜線外皮的溫升值最小，最大值為72.7K。目前市場上常用50mm2線纜的絕緣層最低耐溫值為125℃，故線纜選用的安全性符合設計使用要求。片簧端子的溫升值要高于冠簧端子，溫升差值為39K。

為進一步比較分析泥鹽水插拔對電動汽車直流充電接口性能造成的影響，充電接口經過老化耐久試驗后不同部位的溫升數據見表2。

將表2中的數據進行分析處理，結果如圖3所示。

通過對比初始狀態和老化耐久后的300A電流溫升值，裝配有片簧端子的充電接口老化后的溫升值較初始狀態最大值提高了85.9K，裝配有冠簧端子的充電接口老化后的溫升值較初始轉態最大值提高了88.1K，可知泥鹽水老化耐久循環測試對于考量充電接口安全性能有著重要影響。雖然初始狀態下因冠簧端子散熱效果比片簧端子更好，溫升值更低，但老化耐久循環測試對冠簧端子結構的影響更大，這與端子本身結構特點相關。

表2 老化后插座300A電流下的溫升

圖3 片簧和冠簧端子插座老化后300A電流情況下溫升曲線

3.2 老化循環測試

考慮實際使用工況，車輛插頭在使用過程中沾染灰塵、雨水以及腐蝕性液體，端子的電性能會受到不同程度的影響，GB/T 20234.1-2015 《電動汽車傳導充電用連接裝置通用要求》 中測試車輛接口壽命是采用新生產樣品在無污染的環境下使用專用設備進行10000連續插拔，要求機械和電子鎖止裝置及附件應能繼續使用；外殼或隔板無明顯破損；插銷上的絕緣帽無松脫；插座內的密封圈（如果有）無損壞；無電氣連接或機械連接松脫；無密封膠滲漏。但實際的使用環境要比實驗室測試條件嚴酷得多，因此在本節測試時結合實際使用情況，用經由一些特定的成分混合組成的含有一定比例泥土的鹽堿性水溶液加速污染。測試電動汽車充電接口在經受老化、泥鹽水浸泡污染以及正常使用過程中的機械應力、電應力和熱應力后，能否保證電氣性能符合要求、不出現有害影響以及各部分構件損壞。

將裝配有片簧端子和冠簧端子的5個測試樣品分別進行了9次老化循環試驗，試驗后統計每次老化試驗端子壓接處溫度達到125±5℃所需電流值，比較初始狀態和老化后電流值的調整值，同時比較分析裝配有片簧端子和冠簧端子的充電接口樣品在測試過程中達到試驗條件要求的電流值差異，以此為依據分析其性能的優劣。具體結果如表3所示。

測試樣品的端子壓接處溫度達到125±5℃所需電流值變化趨勢如圖4所示。

由表3可知片簧端子和冠簧端子的充電接口端子壓接處溫度達到125±5℃所需電流值隨著老化循環測試次數的增加而減小，同時對比1#片簧端子充電接口和3#冠簧端子充電接口的端子壓接處溫度達到125±5℃所需電流值，最大差值達到31A，可知使用片簧端子的充電接口比使用冠簧端子的充電接口抵抗老化耐久的能力更優。

表3 端子壓接處溫度達到125±5℃所需電流值

圖4 片簧和冠簧端子插座溫度達到125℃電流分布曲線

3.3 老化后70K溫升電流值標定

傳統的燃油汽車達到一定的公里數或年限后，會采取集中報廢的處理方式，新能源汽車亦有10年或30萬公里的壽命要求，但是車輛充電樁安裝完成后，暫無使用壽命和服務年限的標準要求，存在車輛充電接口達到GB/T 20234.1-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置通用要求》的插拔次數后仍繼續使用的隱患。經調研，大部分車輛的充電插座布置在左右后翼子板，部分車輛接口布置在前左翼子板處，但充電時車輛處于停車狀態，發動機不工作（PHEV車輛），所處位置最高環境溫度不會超過55℃，而充電接口上使用的塑料件一般可耐125℃高溫，所以本次研究在老化測試后增加了車輛接口70K溫升電流值標定試驗，考察車輛接口在標準規定的壽命測試后能繼續使用的能力。具體通過比較充電接口老化測試后溫升值達到70K時的實際電流值與正常使用時的電流值的差來判定其是否可以繼續使用。具體測試統計結果見圖5。

圖5 插座老化后70K溫升電流值

分析圖中數據，插座在泥鹽水老化試驗后，達到極限溫升70K對應的電流值除4#樣品外，其他試驗插座電流值均在170A以上，大于本次試驗所用的充電接口的額定電流值150A，可繼續使用，但具體使用時長需要進一步測試研究。

4 總結與建議

通過對兩結構的產品開展的溫升試驗，分析試驗數據，得出以下結論。

1）現有2015版國標接口，可以通過改進端子結構，采用冠簧端子，降低充電過程中的端子溫升，滿足常溫情況下充電300A的溫升需求，但要加強其結構的耐磨損性能。

2）在滿足2015版國標要求的前提下，可以提高測試條件，增加泥鹽水老化測試，模擬充電接口實際使用情況，提高單一部件安全等級，進一步提升電動汽車日常使用時安全性，推動行業持續健康發展。

后續工作可以從以下幾個方面開展。

1）摸底測試車輛充電接口在性能超過標準規定值的條件下，具體可承受的插拔次數。

2）研究端子壓接方式的不同對端子溫升的影響，主要分析充電連接裝置采用傳統壓接工藝和超聲波焊接工藝，二者在相同電流下端子溫升的差異，扎實研究工作的理論基礎。

3）增加測試驗證的樣品數量，獲取更多的數據支撐。

4）研究低溫充電和高溫充電對端子溫升的影響，探究目前2015版國標中端子溫升不超過50K的要求是否適用于高溫條件下充電車輛接口的溫升測試。