電動(dòng)汽車直流充電接口互操作性測(cè)試與分析

孫文嘉，李 曉，李 楊，王嬌嬌

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

隨著新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，尤其是中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，得到了快速的成長(zhǎng)［1］。直流充電可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的快速能量補(bǔ)給，是一種重要的傳導(dǎo)充電形式。以直流充電樁為代表的充電設(shè)施的建設(shè)也在實(shí)現(xiàn)著爆炸式的發(fā)展［2］。直流充電接口作為連接供電設(shè)備和電動(dòng)汽車之間的橋梁，是影響充電過(guò)程互聯(lián)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(xiàn)的各種匹配情況下，都應(yīng)能保證其連接的可靠性和安全性。因此，為保證充電過(guò)程的安全性，必須對(duì)充電接口的性能進(jìn)行嚴(yán)格控制。中國(guó)在2015年推出了關(guān)于充電接口的現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB／T 20234-2015，包含GB／T 20234.1-2015、GB／T 20234.2-2015和GB／T 20234.3-2015三項(xiàng)，涵蓋了接口的尺寸功能、機(jī)械可靠性、電氣安全性和使用壽命等方面［4-5］。在國(guó)際上，日本、美國(guó)、歐洲等各個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為成熟的國(guó)家和地區(qū)，也都在積極推動(dòng)充電連接裝置的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，并積極開展相關(guān)測(cè)試認(rèn)證業(yè)務(wù)［3，6］。

2 互操作性測(cè)試試驗(yàn)背景

鑒于消費(fèi)者在電動(dòng)汽車日常使用過(guò)程中使用場(chǎng)所的不固定性和充電需求的隨機(jī)性，無(wú)法保證在充電時(shí)所使用的車輛插頭和車輛插座為同一品牌的產(chǎn)品。然而，在試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，往往在同一品牌之間開展。因此，為更好地模擬消費(fèi)者在日常使用過(guò)程中的實(shí)際情況，了解不同品牌之間充電接口匹配使用時(shí)的性能表現(xiàn)，有必要針對(duì)充電接口開展互操作性測(cè)試研究。

本文中的互操作性測(cè)試研究選取在中國(guó)市場(chǎng)上具有代表性的若干款直流充電接口，進(jìn)行不同品牌的充電接口互相配合后的一些電氣性能試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)主要通過(guò)端子溫升、接觸電阻、核心部件尺寸精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)［7］，對(duì)各個(gè)產(chǎn)品的具體性能表現(xiàn)做出客觀評(píng)價(jià)。

3 試驗(yàn)實(shí)施方法

3.1 測(cè)試樣品分組

將進(jìn)行匹配性測(cè)試的直流充電接口按生產(chǎn)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(chǎn)品規(guī)格均為750 V／250 A。

3.2 試驗(yàn)方法、流程及設(shè)備

圖1 電壓降測(cè)量導(dǎo)線安裝示意圖

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

3）針對(duì)各品牌的試驗(yàn)樣品，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)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(nèi)徑尺寸，插座部分選取DC+和DC-端子的端子內(nèi)孔內(nèi)徑尺寸和端子外柱外徑尺寸。

圖3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)示意圖

4）圖4所示為測(cè)量端子溫升的試驗(yàn)裝置，其主體裝置包括交流恒流源、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和試驗(yàn)臺(tái)面。

圖4 端子溫升測(cè)試裝置示意圖

4 測(cè)試結(jié)果

在進(jìn)行直流充電接口的互操作性測(cè)試時(shí)，為了客觀地評(píng)價(jià)出各個(gè)充電接口在各種匹配組合下的電氣性能表現(xiàn)，分別將每一個(gè)直流充電插頭依次匹配每一個(gè)直流充電插座進(jìn)行接觸電阻和端子溫升的測(cè)試。

為了進(jìn)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(jìn)而提出相關(guān)對(duì)策，針對(duì)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(guān)測(cè)試。測(cè)試主要針對(duì)充電接口中的帶電部件和支撐帶電體部分的核心關(guān)鍵尺寸展開。對(duì)于車輛插頭樣品，測(cè)量了功率端子DC+和DC-的端子外徑尺寸和端子孔內(nèi)徑尺寸；對(duì)于車輛插座樣品，測(cè)量了功率端子DC+和DC-的端子內(nèi)孔內(nèi)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(cè)試結(jié)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(shù)患者作為研究對(duì)象，將其隨機(jī)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(duì)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(duì)比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)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(cè)試結(jié)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(píng)價(jià)

樣品4#和1#均表現(xiàn)為在與3組插座樣品配合時(shí)性能較好，與1組插座樣品配合時(shí)電氣性能處于國(guó)標(biāo)限制的控制線上下浮動(dòng)，與2組插座樣品配合時(shí)電氣性能超出了國(guó)標(biāo)的限值。4#和1#插頭的樣品電氣性能表現(xiàn)對(duì)比分析而言，4#更為均衡一些，1#性能浮動(dòng)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，均未能滿足試驗(yàn)測(cè)試要求 （即端子溫升超出了50 K的國(guó)標(biāo)限值）。2#的電氣性能較差，其在與所有插座樣品配合進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，均無(wú)法滿足國(guó)標(biāo)限值要求，端子溫升基本都已達(dá)到60 K以上，最高甚至已經(jīng)超出70 K。

結(jié)合接觸電阻和端子溫升情況進(jìn)行分析，當(dāng)接觸電阻在0.18 mΩ以下時(shí)，一般均可滿足國(guó)標(biāo)中端子溫升的限值要求；當(dāng)接觸電阻大于0.23 mΩ時(shí)，往往會(huì)超限，可基本判定為產(chǎn)品失效。當(dāng)接觸電阻處于0.18 mΩ至0.23 mΩ之間時(shí)，溫升是否超限與充電接口自身的散熱性密切相關(guān)。相對(duì)而言，直流充電接口接觸電阻與端子溫升的對(duì)應(yīng)關(guān)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(cè)試的過(guò)程中，與F#插座匹配時(shí)接觸電阻相對(duì)略大于與A#插座匹配時(shí)，但端子溫升測(cè)試結(jié)果與F#插座匹配的結(jié)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(gè)決定性因素，但絕非唯一因素，充電接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取等均會(huì)對(duì)最終的端子溫升產(chǎn)生影響。尤其是對(duì)于直流充電接口，其通電電流較大，考慮產(chǎn)熱Q=I2Rt時(shí)，產(chǎn)熱量較大，散熱對(duì)于接口性能的影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸電阻的影響。因此，針對(duì)直流充電接口，尤其是未來(lái)更大功率的充電接口，考慮多方面改善散熱會(huì)更為有效。

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同品牌車輛插頭／插座在不同匹配組合時(shí)，性能表現(xiàn)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(xiàn)測(cè)試未通過(guò)的情況較多。基于充電過(guò)程中的安全性考慮，以及實(shí)際使用中直流充電的流動(dòng)性和互操作的需求較強(qiáng)，直流充電接口進(jìn)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(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果見表2。

表1 直流車輛插頭1#～4#的尺寸測(cè)試數(shù)據(jù) （單位：mm）

表2 直流車輛插座A#～F#的尺寸測(cè)試數(shù)據(jù) （單位：mm）

4.6 尺寸精度分析評(píng)價(jià)

根據(jù)尺寸測(cè)試的結(jié)果顯示，在4個(gè)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(yōu)秀；在6個(gè)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(yōu)秀。

針對(duì)具體測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，2#和4#車輛插頭的尺寸問(wèn)題表現(xiàn)于DC+和DC-端子的端子外徑出現(xiàn)了下偏差，相對(duì)而言4#插頭的偏差量級(jí)遠(yuǎn)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(wèn)題則表現(xiàn)在DC+和DC-端子的端子孔內(nèi)徑比理論值偏大，上偏差超差在0.07 mm左右。各個(gè)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(duì)尺寸偏小，偏差在0.1 mm的量級(jí)上；B#和C#插座的端子內(nèi)孔尺寸略小于理論值0.02 mm～0.03 mm；E#和F#的端子內(nèi)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(shí)際值會(huì)較理論值略大；軸類型尺寸在精度方面偏向于走下偏差，實(shí)際值會(huì)較理論值略小。但是由于直流充電接口經(jīng)受的電流值較大，因此為了使接觸情況更加優(yōu)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(nèi)孔這一接觸導(dǎo)體部分的孔類型尺寸較小于理論值。

5 結(jié)果與討論

直流充電接口的DC+、DC-端子的接觸導(dǎo)體部分和支撐帶電體部分尺寸同樣對(duì)接口的電氣性能影響較大，均屬關(guān)鍵尺寸。同時(shí)由于直流充電接口的線纜線徑較粗，因此一旦發(fā)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(dǎo)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(dǎo)致對(duì)導(dǎo)體部分的固定程度不足，尤其是當(dāng)充電接口在插合狀態(tài)下經(jīng)受線纜彎扭等擰壓力的作用時(shí)，該插座的支撐帶電體不能及時(shí)與插頭部分緊密作用抵消作用力，就會(huì)導(dǎo)致端子接觸導(dǎo)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(cè)試中出現(xiàn)性能不太穩(wěn)定的現(xiàn)象。結(jié)合電氣性能和尺寸精度的測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)直流充電接口的端子孔內(nèi)徑、端子外柱等支撐帶電體的尺寸偏差達(dá)到0.1 mm量級(jí)、以及端子外徑、端子內(nèi)孔等導(dǎo)體部分的尺寸偏差達(dá)到0.05 mm的量級(jí)時(shí)，就會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車交流充電接口的性能產(chǎn)生較為顯著的影響。

目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB／T 20234.3-2015中，對(duì)直流充電接口的尺寸偏差要求為：對(duì)插頭的端子孔、插座的端子外柱這兩個(gè)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(duì)插座的端子內(nèi)孔部分給出了0.2 mm的偏差范圍。而根據(jù)本次匹配性測(cè)試的結(jié)果，考慮到直流接口的實(shí)際使用特點(diǎn)，可以考慮適當(dāng)減小直流插座端子外柱部分的偏差范圍。此外，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中直流插頭端子外徑僅允許存在下偏差，直流插座端子內(nèi)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(diǎn)，如果在不影響插拔力的前提下，可以適當(dāng)考慮允許直流插座端子內(nèi)孔存在下偏差，即允許直流插座的端子內(nèi)孔略小于理論值。結(jié)合本次測(cè)試中的B#插座和C#插座的電氣性能情況，其端子內(nèi)孔略小，導(dǎo)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(shí)，性能表現(xiàn)甚至優(yōu)于符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)上偏差要求的D#插座樣品。

6 總結(jié)

1）部分廠家的充電接口，尤其是直流250 A充電接口，在進(jìn)行端子溫升測(cè)試的過(guò)程中，溫度上升劇烈，達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)端子溫升遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)限值。

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

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

4）針對(duì)直流充電接口的尺寸精度，測(cè)試結(jié)果顯示：支撐帶電體部分和接觸導(dǎo)體部分都應(yīng)盡量控制在0.05 mm的精度范圍之內(nèi)。

5）對(duì)于直流250 A充電接口，當(dāng)接觸電阻在0.18 mΩ以下時(shí)，端子溫升測(cè)試結(jié)果一般較好；當(dāng)接觸電阻大于0.23 mΩ時(shí)，端子溫升往往會(huì)超限。

6）當(dāng)發(fā)熱量到達(dá)一定程度后，散熱能力將會(huì)取代發(fā)熱量成為影響接口性能的主要因素。因此，對(duì)于大功率充電接口，如何增加其散熱能力將會(huì)至關(guān)重要。