國內外電動汽車充電連接裝置測試方法對比研究

任山　黃炘　張妍懿

摘 要：新能源汽車免購置稅鼓勵政策于2014年下半年發布，充電連接裝置作為新增的測試項目，其標準和測試方法受到了廣泛關注。文章介紹了國內外充電連接裝置標準的進展、分析了國內外標準在充電連接裝置電氣設計和結構設計方面的區別，重點對歐洲、美國和中國的充電連接裝置測試評價方法進行了比較研究。開展了部分項目的測試驗證試驗，針對比較容易失效的項目做了詳細分析，為充電連接裝置的測試驗證和開發提供參考，同時對充電連接裝置的標準修訂和測試認證提出了建議。

關鍵詞：電動汽車；充電連接裝置；標準；測試評價

前言

能源和環保的壓力，推動著國內外電動汽車技術進步和示范推廣。同時充電設施的建設也在持續進行。作為連接電動車和充電樁的橋梁，充電接口的結構和連接裝置的安全性至關重要，需要按照統一的標準進行開發和測試。2011年12月我國推出了三項充電連接裝置的國標，分別規定了充電連接裝置的技術要求、交流充電接口和直流充電接口的電氣規格和結構尺寸。日本、美國和歐洲也積極推動本地區充電接口的標準化和國際間的協調[1]，并已經開展充電連接裝置的測試認證。文章分析了國內外相關標準，結合試驗研究了充電連接裝置的技術要求和測試方法，在此基礎上，提出了今后充電連接裝置的標準和認證建議。

1 國內外充電連接裝置的標準進展

充電連接裝置是連接電動汽車和供電設備的組件，根據不同的充電連接方式，可能包括供電接口、充電接口和纜上控制盒等部件[1]，如圖1所示。標準主要規定了產品結構尺寸、電氣安全、機械強度、耐環境可靠性、使用壽命等方面的技術要求。

目前國內外的標準主要有：

（1）GB/T20234.1-2011、GB/T20234.2-2011、GB/T20234.3-2011：2011年12月發布，采用了交流7針、直流9針的接口設計，是國內汽車、電力、電工行業共同起草的充電連接裝置標準，解決了國內各個電網公司及車企充電接口不同的問題。目前國內新生產的電動車和充電樁多數采用此標準接口。

（2）IEC 62196-1、IEC 62196-3、IEC 62196-3：國際電動委員會制定的標準，歐洲應用最廣，2012年發布了IEC62196-1通用技術要求和IEC62196-2交流充電接口標準，其中交流接口規定了type-1、type-2和type-2三種規格。IEC62196-3直流充電接口標準爭議較大，還在討論中[1]。

（3）SAE J1772和UL2251：美國SAE標準，2010年發布，規定了5芯交流充電接口，后來被IEC62196-2采納為type-1接口[2]。目前在美國和日本已有較多應用，如豐田PHEV、IQEV、日產Leaf、通用Volt等車型。UL2251是充電連接裝置的認證測試標準，其中關于尺寸結構和電氣定義部分引用自SAE J1772。

（4）CHAdeMO：日本豐田、日產、三菱、富士重工和東京電力公司共同發起推廣的快速充電方式[2]，目標在于推動10分鐘充電50～60km的快速充電器的標準化和國際化，目前在全世界建立了約2700個CHAdeMO接口的直流充電樁，其中約2/3在日本，約1/3在歐美地區。

目前美國和歐洲研究推出交流和直流混合的COMBO充電接口，單個接口實現了交流和直流兩種充電方式。

2 充電接口電氣規格和區別

在GB/T20234.1和IEC62196-1中，定義了四種電動汽車充電模式，與之相對應的充電連接裝置及測試對象也有區別，如表1所示。

由于不同地區的電壓電流不同，不同標準在電氣規格方面也有區別，如表2所示，其中SAE J1772的交流接口也是IEC62196-2的type-1類型，對應電氣規格為250V/32A。

3 充電連接裝置的測試方法和試驗研究

國內外充電連接裝置的測試認證主要依據GB/T20234.1-2011、IEC62196-1：2012和UL2251標準。新國標是以GB/T20234-2006為基礎進行修訂的，2006版的標準非等效采用了IEC62196-1：2003。因此GB/T20234.1-2011和IEC62196-1：2012非常類似，從尺寸、結構安全、電氣安全、使用壽命、環境可靠性等幾個方面規定了充電連接裝置的通用要求和試驗方法，且多數試驗項目一致。UL2251的測試項目與前兩個標準類似，測試方法上有區別，引用了UL840等相關標準，同時增加了部分安全性和環境試驗要求。以下就不同方面的測試要求和方法進行分析。

3.1 結構安全方面

結構安全相關的測試主要有插拔力、鎖止裝置、電纜及其連接、機械強度、螺釘、載流部件和連接、車輛碾壓等項目。

標準均規定了插拔力的范圍，便于人工操作，在產品設計的時候需要調整端子插接的緊固程度，既要保證插拔力適中，也要保證接觸電阻不會太大引起接觸不良的現象。

車輛碾壓是三個標準有所區別的項目，充電連接裝置在使用過程中可能由于操作失誤，遭受車輛碾壓，不應引起防護等級降低、絕緣性能破壞等隱患。三個標準對于模擬車輛碾壓的條件基本一致，均要求采用P225/75R15規格的輪胎，施加5000N左右的力，以8±2km/h的速度壓過連接裝置，但IEC62196.1中又額外增加了一次壓力增加至11000N的測試，兩次均通過才合格，對外殼材料的韌性要求進一步提高。圖2為進行碾壓試驗后的樣品，經過碾壓后外殼開裂，造成安全隱患。

UL2251特別規定了車斷插座的振動試驗。由于充電插座安裝在車身上，在車輛行駛的過程中一直承受車身傳遞來的機械振動，可能引起緊固件松動、觸點不良等現象，因此UL2251規定了10～55Hz，振幅1mm，持續1h的掃頻振動試驗，但國標和IEC的標準均沒有規定。

三個標準對于其他幾項試驗的要求和測試方法規定類似，要求充電連接裝置能抗沖擊、曲撓、跌落等，載流部件要求使用指定范圍內的材料。

3.2 電氣安全方面

電氣安全相關的測試包括防觸電保護、接地措施、絕緣電阻和電氣強度、爬電距離、電氣間隙和穿透密封膠距離、耐電痕化、分斷能力、限制短路電流耐受試驗。充電連接裝置連接電網和電動車，電壓較高，在任何使用狀況下都應保證良好的絕緣，即使出現操作失誤也不能影響人身安全。

三個標準對電氣安全的要求都很嚴格，其中防觸電保護、絕緣電阻、電氣強度、耐電痕化是常見的安規項目，技術要求和試驗方法均來自于IEC相關標準，技術條件類似。“爬電距離、電氣間隙和穿透密封膠距離”的要求有所區別，GB/T20231.1規定比較簡單，引用了GB/T11918-2001《工業用插頭插座和耦合器 第1部分：通用要求》26條款，依據不同電壓等級進行規定。而IEC62196-1和UL2251均根據產品材料、電壓等級、使用條件和可能污染程度分級別要求，更細致合理。

“接地措施”中的短時耐大電流試驗、分斷能力和限制短路電流耐受試驗涉及到高電壓或者大電流測試，是對產品電氣安全要求最嚴格的幾個項目，對于試驗能力也提出很高要求，應能在額定電壓下提供10kA或更高的沖擊電流。

分斷能力是指允許切斷最大的負載的能力，在發生電流故障時能安全切斷電路，而不發生觸頭熔接、爆炸等異常狀況。通過開關進行電路分斷時，有電弧產生，電流越大，分斷時電弧越強；有電弧是導電的，可能形成相間電弧短路事故，導致電路不能分斷出現危險，標準主要根據是否有控制導引進行不同條件的測試。交流充電連接裝置允許不帶控制導引，直流要求必須帶控制導引。對于不帶控制導引的連接裝置，在日常使用過程中比較容易遇到帶電分斷的情況，要求進行50次分斷能力測試；帶控制導引的連接裝置在拔出前已經通過控制裝置斷開充電電路，但考慮到可能的故障，規定了3次的帶電分斷試驗。直流充電連接裝置設計時要求拔出前必須先斷開充電電路，不允許帶電插拔。

交流分斷時由于電壓電流的周期特性，相對比較容易；直流的電壓電流是持續的，分斷時能量可能是同等電氣規格交流分斷的數倍。目前IEC標準對直流充電連接裝置的分斷試驗暫時沒有要求，注明“在考慮中”，國標規定按照同等規格的交流參數進行3次試驗。采用國內某企業的750V/250A直流充電連接裝置按照GB/T20234.1進行了分斷測試，電路順利斷開，但是充電端子局部出現燒黑現象。若采用直流參數進行分斷，情況會更惡劣。

短時耐大電流試驗在三個標準中的規定基本一樣， 目的主要考核接地保護的持續有效性。IEC標準允許在溫升試驗和短時耐大電流二選一進行，國標和UL標準需要兩個項目都進行。

限制短路電流耐受試驗是測試在一定電壓和功率因數下，忍受短路電流沖擊時，連接裝置不會觸頭熔焊影響斷開操作，絕緣保護不會失效。試驗要求電路中串聯與額定電流相同或高一級規格的熔斷器，具體測試條件見表3。

采用某750V/250A直流充電連接裝置進行了限制短路電流耐受試驗，先進行了750V/10kA預期電流試驗，電流持續時間設置為100ms。然后按照要求進行正式試驗，結果如圖3所示。其中圖3最上方的電流波形及實際試驗的電流沖擊，電壓有效值為746V，電流在瞬間達到5900A后熔斷器斷開，過程約8ms，樣品沒有發生異常，連接裝置實際承受的電流沖擊比預期小。也就是說，在電網發生短路時，熔斷器應先進行保護，連接裝置不會發生熔焊或絕緣失效的危險。如果連接裝置先于熔斷器損壞，則可能引起危險。

3.3 使用壽命測試

使用模式1和模式2充電時，充電連接裝置可能在帶電情況下進行插拔，使用模式3和模式4充電時，只能是先連接好再通電或者斷開電以后才能拔出。三個標準均要求10000次的空載帶電插拔，UL2251增加了10000次的帶載插拔，要求更加嚴格。

3.4 環境可靠性

充電連接裝置在室內室外都使用，可能長期遭受光照、高低溫、腐蝕、淋雨砂塵等，為確保長期安全可靠的工作，標準中均規定了各種相關項目。主要有材料的耐熱老化、防水防塵等級、腐蝕與防銹、灼熱絲試驗等。GB/T20234.1和IEC62196-1要求基本一樣，UL2251還規定了露點試驗、阻燃試驗等項目。

4 結束語

充電接口的電氣規格、結構尺寸和通訊協議涉及各個組織的利益，存在較大爭議，利益難以協調一致，今后較長的時間內幾種不同的交直流充電接口仍會共存。各標準對充電模式的定義基本一致。

充電連接裝置的技術條件和測試方法趨于統一。各個組織對產品的安全性、使用過程中的可靠性，以及材料等級都有很高的要求，UL對安規和環境試驗方面的考慮相對多一點。

標準對于部分與傳統電氣連接件有區別的裝置，如控制導引裝置、電子鎖和纜上控制盒，標準中考慮很少，但其安全可靠性和壽命也很重要，在實際的示范運行中也多次遇到過電子鎖引起的問題，可能是今后標準需要進一步考慮的內容。

參考文獻

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作者簡介：任山（1970-），男，高級工程師，碩士。