電動汽車交流充電樁的充電安全分析研究

楊雪蛟

（上海市質量監督檢驗技術研究院電子電器家用電器質量檢驗所，上海 201114）

引言

隨著我國城鎮化進程加速、人民生活水平不斷提高，私家車的需求將出現大幅度增長，家庭交通出行領域的能耗和碳排放占比將會逐步提高。實現我國雙碳目標需要包括交通和能源在內的各行業的共同努力。而提升交通終端用能的電氣化，發展電動汽車、新能源汽車是推動交通領域碳達峰、碳中和的重要措施。2022年初國家能源局等九部委共同印發了《關于進一步提升電動汽車充電基礎設施服務保障能力的實施意見》，圍繞加快推進居住社區的充電設施建設安裝，提升城鄉地區充換電保障能力等方面，提出了一系列的政策措施。在國家持續大力推動和各類市場主體的積極努力下，我國新能源汽車產銷規模持續快速增長，帶動車用能源體系從傳統的能源轉向電力清潔能源。充電設施的安全有效則是促進新能源汽車產業與能源電力轉型協同發展的關鍵。截止2022年9月，全國充電基礎設施累計數量為448.8萬臺[1]，隨車配建私人充電樁增量持續上升。與此同時，由于充電樁充電過程中故障失效所造成的人員觸電和起火事故也大幅發生，充電樁的充電安全問題也日益突顯[2,3]。

針對新能源汽車的充電安全問題，現有交流充電樁產品的輸出功率一般為單相3.5 kW或7 kW，是給乘用電動交通工具配套的產品，屬于電動汽車常規充電產品，其拓撲結構如圖1所示，主要通過CP控制導引的信號變化和控制開關S2的通斷來為電動汽車進行充電。而乘用電動汽車主要為家庭/私人用戶使用，故該產品主要的使用人群為私人用戶/車主、分時租賃電動汽車用戶，即大部分使用人員不具備專業的操作能力。同時，交流充電樁產品尚未納入“CCC”強制認證，該類產品的安裝使用環境以家庭住所、小區停車場為主，屬于大功率電器設備，交流充電樁產品存在的充電安全隱患易造成使用人員觸電和場所著火等風險。因此，能夠選取能覆蓋市場主體規模的、具有代表性的交流充電樁進行合適的充電安全試驗，通過試驗結果來分析、發現交流充電樁存在的充電安全問題就尤為重要。本文依據交流充電樁的國家標準，通過合理的選取試驗樣品和試驗項目，最大程度的反映出交流充電樁的充電安全問題，并對試驗結果進行分析，為市場監管部門的管理、消費者的使用和充電設施產業的發展提供依據。

圖1 交流充電樁充電控制導引電路原理圖

1 試驗樣品與試驗項目

1.1 樣品選擇

由于上海市在我國新能源電動汽車產業規模較大，消費市場保有量和使用率較高，具有一定代表性，故本次試驗選取了上海市生產和流通領域內的新能源汽車交流充電樁16臺產品進行試驗來驗證交流充電樁的充電安全性能。選取的交流充電樁產品型號以主流產品或有代表性的產品為主（額定功率均為7 kW，額定電流均為32A），共16臺交流充電樁樣品：涉及產品生產企業共16家，涉及有限責任公司、股份有限公司等2種所有制形式；從企業規模來看，16臺產品中，小型企業產品4臺，中型企業產品8臺，大型企業產品4臺；從產品標稱企業所在地區來看，上海市6臺，廣東省4臺，湖北省2臺，江蘇省2臺，北京市2臺；從所屬領域來看，生產領域3臺，線下流通領域10臺，線上電商平臺3臺。本次試驗所選樣品的特點：

1）本次試驗樣品為上海市生產和流通領域內的新能源汽車交流充電樁產品，其中生產領域3臺，流通領域10臺，電商平臺3臺。本次試驗樣品覆蓋較平均。

2）本次試驗產品的產地涉及5個省市區域，由于新能源汽車交流充電樁產業集中度相對較高的特點，與新能源汽車交流充電樁產品分布情況相符。

1.2 試驗項目

結合充電樁在實際使用中由于環境因素（高溫、高濕等）易造成絕緣性能老化、充電控制失效等易觸發人員觸電危險和場所失火風險等問題[4]，試驗項目的選擇著重考慮容易失效的絕緣安全性能和異常故障保護功能兩大類。具體試驗項目見表1。

表1 檢測項目分類

2 試驗結果與不合格分析

2.1 試驗結果統計

對本次試驗的所有檢驗項目的測試結果進行統計，檢驗項目及合格率情況見表2。

不同渠道選取樣品的合格率情況見表3。

表3 不同渠道樣品試驗結果

本次試驗共選取了3種領域16臺新能源汽車交流充電樁樣品，其中生產領域3臺，流通領域10臺，電商平臺3臺。經檢測合格14臺，合格率為87.5 %。線下選取樣品合格13臺，合格率為100.0 %；線上選取樣品合格1臺，合格率為33.3 %。本次試驗發現有2臺來源于線上電商平臺的產品試驗項目不符合要求，不合格產品的保護時間超過了限值，或未保護，或與要求不一致。在實際使用過程中，可能會造成充電設備損壞、使用者人身觸電、場所火災等風險。

2.2 不合格項目分析

由表2可知，本次試驗的不合格項目主要集中在充電異常狀態測試項目上。充電異常狀態測試項目中有兩臺試驗樣品試驗結果不符合GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》標準要求[5]，由于采樣電路設計或控制邏輯錯誤造成電動汽車交流充電樁設備在遇到信號故障、過流等異常狀態下未在規定時間內停止充電，不合格樣品的試驗波形分析如下：

表2 檢驗項目合格率情況

不合格樣品1：充電異常狀態測試/CP接地測試：充電前出現該故障，供電控制裝置超時保護（未在100 ms內控制開關S1切換到+12 V連接狀態且不閉合交流供電回路），交流回路出現短暫電壓通路情況。如圖2所示。

圖2 不合格樣品1-CP接地測試（充電前）

不合格樣品1：充電異常狀態測試/CP接地測試：充電中出現該故障，供電控制裝置超時保護（未在100 ms內斷開交流供電回路）。如圖3所示。

圖3 不合格樣品1-CP接地測試（充電中）

不合格樣品1：充電異常狀態測試/輸出過流測試：充電中出現該故障，充電樁未按標準要求在規定時間內（5 s＜ΔX＜10 s）中止充電過程，繼續為電動汽車進行充電。如圖4所示。

圖4 不合格樣品1-輸出過流測試

不合格樣品2：充電異常狀態測試/斷開開關S2測試：充電中出現該情況，供電控制裝置在100 ms內斷開交流供電回路，但CP信號未按標準要求持續輸出PWM。如圖5所示。

圖5 不合格樣品2-斷開開關S2測試（斷開S2時）

不合格樣品2：充電異常狀態測試/斷開開關S2測試：CP信號未持續輸出PWM；重新閉合開關S2時，充電樁未按要求重新導通交流供電回路。如圖6所示。

圖6 不合格樣品2-斷開開關S2測試（重新閉合S2時）

3 結語

本文通過對市場上主流的電動汽車交流充電樁樣品進行絕緣安全性能和故障保護功能試驗，發現問題樣品均來源于網購平臺，不合格試驗項目集中在充電異常狀態未進行有效保護，對試驗結果進行分析后可推測不合格樣品在采樣電路設計和控制保護邏輯存在問題，這些問題會對使用者造成觸電危害。本文的研究內容不僅為電動汽車充電樁生產制造廠家的研發重點提供技術支持，為消費者購買和使用充電樁產品給予指導意見，同時有利于規范電動汽車充電樁的市場秩序和監督管理，提高產品質量，推動電動汽車產業的整體發展。