老化對(duì)電動(dòng)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(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，如何解決電動(dòng)汽車所帶來的安全問題，是新能源汽車行業(yè)持續(xù)的話題和難點(diǎn)，由于人們對(duì)新事物的認(rèn)知需要一個(gè)過程，任何一次有關(guān)電動(dòng)汽車安全事故都會(huì)導(dǎo)致公眾對(duì)電動(dòng)汽車安全性的疑慮進(jìn)一步加深，阻礙電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及。電動(dòng)汽車安全事故中車輛發(fā)生熱失控導(dǎo)致著火是消費(fèi)者最擔(dān)心最關(guān)注的問題，據(jù)有關(guān)部門調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，電動(dòng)汽車著火事件中有近三分之一是在充電過程中發(fā)生的，其中充電接口在充電過程中過熱導(dǎo)致的安全事故也屢屢發(fā)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(dǎo)完善車輛接口的工藝技術(shù)提升，對(duì)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(shí)際使用時(shí)實(shí)際的工況，考量充電接口在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壽命條件下性能的可靠性。充電接口實(shí)際使用時(shí)會(huì)沾染灰塵、雨水以及腐蝕性液體，風(fēng)沙顆粒的積聚也會(huì)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(yè)對(duì)充電接口的測(cè)試方法主要是依據(jù)GB/T 20234.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置通用要求》進(jìn)行，要求較低，與實(shí)際使用情況存在差異。電動(dòng)汽車充電接口插頭和插座在充電開始（或結(jié)束）時(shí)插頭插入（或拔出）的過程中，當(dāng)插入（或拔出）力沿各個(gè)方向出現(xiàn)偏差，長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)對(duì)接口的性能產(chǎn)生較大影響，采用專業(yè)測(cè)試設(shè)備的精準(zhǔn)定位插拔和實(shí)際使用時(shí)車主的隨機(jī)插拔存在很大差異。為進(jìn)一步精確驗(yàn)證產(chǎn)品性能，提高使用安全性，本次研究在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)，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(shí)際情況，通過比較初始狀態(tài)恒定電流溫升和老化循環(huán)測(cè)試后相同電流下的溫升，老化后達(dá)到70K溫升值的電流與額定電流的比較，來驗(yàn)證其整個(gè)壽命過程中的電氣性能。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

本研究中測(cè)試系統(tǒng)由交流恒流源、數(shù)據(jù)采集器、人工插拔測(cè)試工裝、上位機(jī)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(fù)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(shí)間下的環(huán)境溫度。

圖1 測(cè)試原理圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本研究對(duì)裝配有冠簧端子和片簧端子兩種電動(dòng)汽車直流充電接口，進(jìn)行了初始狀態(tài)下溫升測(cè)試，老化耐久測(cè)試及老化后溫升測(cè)試，老化后70K溫升電流標(biāo)定試驗(yàn)。下面分別對(duì)上述兩種端子結(jié)構(gòu)的充電接口測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行比較分析。

3.1 初始狀態(tài)和老化后300A電流溫升比較

為了全面了解老化過程對(duì)充電接口電氣性能的影響，本次研究分別測(cè)試了初試狀態(tài)和老化后同一接口通以相同電流（300A）。對(duì)溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(xì)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)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(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，初始狀態(tài)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(chǎng)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(shè)計(jì)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(jìn)一步比較分析泥鹽水插拔對(duì)電動(dòng)汽車直流充電接口性能造成的影響，充電接口經(jīng)過老化耐久試驗(yàn)后不同部位的溫升數(shù)據(jù)見表2。

將表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果如圖3所示。

通過對(duì)比初始狀態(tài)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(tài)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(zhuǎn)態(tài)最大值提高了88.1K，可知泥鹽水老化耐久循環(huán)測(cè)試對(duì)于考量充電接口安全性能有著重要影響。雖然初始狀態(tài)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(huán)測(cè)試對(duì)冠簧端子結(jié)構(gòu)的影響更大，這與端子本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相關(guān)。

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(huán)測(cè)試

考慮實(shí)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(huì)受到不同程度的影響，GB/T 20234.1-2015 《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置通用要求》 中測(cè)試車輛接口壽命是采用新生產(chǎn)樣品在無污染的環(huán)境下使用專用設(shè)備進(jìn)行10000連續(xù)插拔，要求機(jī)械和電子鎖止裝置及附件應(yīng)能繼續(xù)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(nèi)的密封圈（如果有）無損壞；無電氣連接或機(jī)械連接松脫；無密封膠滲漏。但實(shí)際的使用環(huán)境要比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件嚴(yán)酷得多，因此在本節(jié)測(cè)試時(shí)結(jié)合實(shí)際使用情況，用經(jīng)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(cè)試電動(dòng)汽車充電接口在經(jīng)受老化、泥鹽水浸泡污染以及正常使用過程中的機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力和熱應(yīng)力后，能否保證電氣性能符合要求、不出現(xiàn)有害影響以及各部分構(gòu)件損壞。

將裝配有片簧端子和冠簧端子的5個(gè)測(cè)試樣品分別進(jìn)行了9次老化循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)每次老化試驗(yàn)端子壓接處溫度達(dá)到125±5℃所需電流值，比較初始狀態(tài)和老化后電流值的調(diào)整值，同時(shí)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(cè)試過程中達(dá)到試驗(yàn)條件要求的電流值差異，以此為依據(jù)分析其性能的優(yōu)劣。具體結(jié)果如表3所示。

測(cè)試樣品的端子壓接處溫度達(dá)到125±5℃所需電流值變化趨勢(shì)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(dá)到125±5℃所需電流值隨著老化循環(huán)測(cè)試次數(shù)的增加而減小，同時(shí)對(duì)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(dá)到125±5℃所需電流值，最大差值達(dá)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(yōu)。

表3 端子壓接處溫度達(dá)到125±5℃所需電流值

圖4 片簧和冠簧端子插座溫度達(dá)到125℃電流分布曲線

3.3 老化后70K溫升電流值標(biāo)定

傳統(tǒng)的燃油汽車達(dá)到一定的公里數(shù)或年限后，會(huì)采取集中報(bào)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(wù)年限的標(biāo)準(zhǔn)要求，存在車輛充電接口達(dá)到GB/T 20234.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置通用要求》的插拔次數(shù)后仍繼續(xù)使用的隱患。經(jīng)調(diào)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(shí)車輛處于停車狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作（PHEV車輛），所處位置最高環(huán)境溫度不會(huì)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(cè)試后增加了車輛接口70K溫升電流值標(biāo)定試驗(yàn)，考察車輛接口在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壽命測(cè)試后能繼續(xù)使用的能力。具體通過比較充電接口老化測(cè)試后溫升值達(dá)到70K時(shí)的實(shí)際電流值與正常使用時(shí)的電流值的差來判定其是否可以繼續(xù)使用。具體測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。

圖5 插座老化后70K溫升電流值

分析圖中數(shù)據(jù)，插座在泥鹽水老化試驗(yàn)后，達(dá)到極限溫升70K對(duì)應(yīng)的電流值除4#樣品外，其他試驗(yàn)插座電流值均在170A以上，大于本次試驗(yàn)所用的充電接口的額定電流值150A，可繼續(xù)使用，但具體使用時(shí)長(zhǎng)需要進(jìn)一步測(cè)試研究。

4 總結(jié)與建議

通過對(duì)兩結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開展的溫升試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

1）現(xiàn)有2015版國(guó)標(biāo)接口，可以通過改進(jìn)端子結(jié)構(gòu)，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(qiáng)其結(jié)構(gòu)的耐磨損性能。

2）在滿足2015版國(guó)標(biāo)要求的前提下，可以提高測(cè)試條件，增加泥鹽水老化測(cè)試，模擬充電接口實(shí)際使用情況，提高單一部件安全等級(jí)，進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車日常使用時(shí)安全性，推動(dòng)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

后續(xù)工作可以從以下幾個(gè)方面開展。

1）摸底測(cè)試車輛充電接口在性能超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的條件下，具體可承受的插拔次數(shù)。

2）研究端子壓接方式的不同對(duì)端子溫升的影響，主要分析充電連接裝置采用傳統(tǒng)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(shí)研究工作的理論基礎(chǔ)。

3）增加測(cè)試驗(yàn)證的樣品數(shù)量，獲取更多的數(shù)據(jù)支撐。

4）研究低溫充電和高溫充電對(duì)端子溫升的影響，探究目前2015版國(guó)標(biāo)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(cè)試。