電動汽車充電設施安規體系的分析

吳連日

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電動汽車充電設施安規體系的分析

吳連日

(浙江萬馬新能源研究院，浙江 杭州 310012)

為了更好地解決電動汽車充電安全問題，首先必須確定整個電動汽車充電設施所包含的所有組成部分，確定這些組成部分所處的環境狀況與使用條件，在全工況下整個生命周期內的使用安全情況。同時要充分考慮因絕緣失效、器件故障等將會產生的危險源有哪些，如何對這些危險源進行提前預防或處理，保證電動汽車充電設施在整個生命周期內不會產生設備物理安全事故及造成人身安全事故，這就是電動汽車充電設施安規體系所要分析的主要內容。只有明白了整個充電設施的安規體系才能系統地從各個角度去防范危險源產生危險的條件，安規體系主要是整個充電設施全工況下整個生命周期內的物理安全預防。

絕緣等級；危險電壓；安規體系；產品生命周期；接地系統；污染等級

0 引言

隨著電動汽車的全球化推廣進度，電動汽車走進尋常百姓家已不再是遙遠的事情，但隨著電動汽車走進尋常百姓家的還有各種形式的充電樁或充電機設施，大的如電動公交車大功率充電堆，小的如模式2的便攜式充電控制盒，住建部也在2015年發布了《住房城鄉建設部關于加強城市電動汽車充電設施規劃建設工作的通知》(建規[2015]199號文)，里面明文規定：自2016年起，城鄉規劃主管部門提出的新建居住(小)區和大型公共建筑的規劃條件，核發相關建設工程規劃許可證時，必須嚴格執行新建停車場配建充電設施的比例要求，新建住宅配建停車位應100%預留充電設施建設安裝條件，新建的大于2萬平方米的商場、賓館、醫院、辦公樓等大型公共建筑配建停車場和社會公共停車場，具有充電設施的停車位應不少于總停車位的10%。普通老百姓與充電設施直接接觸的機會就越來越多，但充電設施與其他電力設施在安全要求上具有一定的相同性，但又有極大的差異性，相同性是指它們的電壓危險等級都是遠超過安全電壓的危險電壓，電力系統終端經過長時間的使用，具有一整套行之有效的安全防范措施，它的危險基本上就是交流觸電危險，到尋常百姓家的電基本上都是有足夠的安全保障的，家用電器中普通老百姓是無法直接接觸到危險電壓的。具有危險電壓的配電端基本是由專業電工負責操作，因而安全保障是充分的。而電動汽車充電設施是新生事物，它不但存在著較大的交流觸電危險，還存在著直流高壓觸電危險和電池能量危險(還有少量的電容能量危險)；交流充電槍與直流充電槍存在著直接接觸與間接接觸危險，且充電槍外層絕緣在戶外由于紫外輻射和摩擦損傷等存在著絕緣下降與失效風險等。如何正確設計防范各種危險在產品生命周期內不會發生或能提前告警，采取更換損壞或絕緣性能下降的零部件，解除危險源就是整個產品安規體系需要定義規范的主要內容。

對于任何廠家任何產品發生安全事故時對整個行業的影響都是負面且影響巨大深遠的。但目前對產品安規體系整體重視程度存在些許不足，部分產品的安規體系存在漏洞，需要一個正確全面的產品安規體系進行引導，這也是作者希望能通過這篇文章達到的目的，由于作者本身也不是從事安規工作的，如文中有不正確的地方還希望專家們指正。

產品的安規體系必須根據產品的整個生命周期、產品生產過程的管理體系、產品的所有與危險源有關安規器件、供應商生產安規器件的過程管理體系、元器件的材料絕緣特性與故障模式、供電系統與接地系統、應用環境污染等級、絕緣體系、絕緣衰減、存在的各種危險源模式、單一故障模式與處理機制、防護機殼、環境可靠性(氣壓、溫濕度、IP防護、防風、防震等)、售后管理體制、風險管理機制、標志標識管理、操作人員的專業培訓等進行全方位整個生命周期的安全管理。對于屬于電力電子產品的電動汽車充電產品，從危險源的種類來看主要有電擊危險、能量危險、過熱危險、著火危險、機械危險、電磁危險、化學危險、聲壓危險等。

下面根據電動汽車交流充電和直流充電的不同特點進行產品的安規體系分析。從電力電子的產品安規體系進行系統分析，對于電動汽車充電交直流充電設施相同的部分的安規內容作統一分析，不同部分再進行分開分析。對于任何產品它們的安規體系都是統一不可分割的，如機械危險防護用的機殼同時也防電擊保護主要措施之的電氣隔離的重要組成部分、接地系統保護的重要組成部分、環境防護的重要組成部分，這里只是為了分析方便將其分開進行。

1 環境條件

充電設施的使用環境其實是比較惡劣的，有室內的，也有室外的，有帶空調的室內環境，也有不帶空調的室內環境，有帶雨棚的室外環境，也有不帶雨棚的室外環境。從地理位置來講，從近赤道的南海礁島地區到最北端的漠河地區，從使用可能性來講都是存在的，但目前我國的充電相關標準是沒有覆蓋整個可能的使用環境的，相關充電設施生產廠家與充電運營企業必須根據充電設施實際可能的使用環境進行相應安全等級的設計與使用范圍限定。

1.1 環境溫度

充電設施在低溫下可能存在著功能問題，對于充電設施內部基本不存在安全問題，但對充電槍的塑料件或橡膠件存在著低溫脆裂風險，可能會導致危險電壓絕緣不足造成電擊危險，這在設計與選型時必須考慮低溫充電槍導線必須是適應低溫環境的，并應有相應標識警示說明，一旦出現脆裂現象就不能再用。在高溫環境下卻存在著過熱危險、著火危險、絕緣性能下降導致的電擊危險等，因此，必須根據充電設施實際上可能的最高環境工作溫度對相應的所有發熱器件或存在過熱危險或著火危險的器件、零部件、整機進行熱降額設計(或通風散熱設計)、可燃性等級選型、絕緣壽命設計等。在使用過程中充電設施在溫度過高時是可以通過功率降額來減少熱危險的。

根據充電設施的特征，無論是交流充電設施、直流充電設施或其他形式的充電設施如充電堆之類的都應采用防火外殼設計，外殼所有材料的可燃性等級要求為至少V-1級，內部零部件和其他零部件材料的可燃性等級至少為V-2級或HF-2級。

防火外殼的開孔設計、開孔方式應滿足防火外殼設計的所有要求(詳細參考IEC60695-2-20和GB/T 5169相關章節)。

外殼所有操作者可觸及的地方，溫度應滿足相應國家標準(GB/T 18487.1)要求，對于有防止直接接觸的部分溫度過高應有明顯的警識(參考GB/Ｔ5465.2)。

對于與絕緣相關的安規器件的絕緣材料也應選擇能滿足它實際可能的最高工作溫度相應等級的材料，并要有至少10o以上的溫度裕量，并要根據其在最高溫度下長期工作絕緣性能下降不應導致其會產生電擊危險，也就是要保證在整個生命周期內的絕緣都是可靠的，這個主要涉及變壓器、電感、PCB、光耦、部分絕緣隔離板、絕緣墊片、涂覆材料等。

1.2 環境濕度

充電設施內部基本是采用阻燃性等級較高的元器件或材料，低濕度對安全性影響不大，但高濕度對電擊危險及接觸電流的爬電距離與電氣間隙的影響極大，是需要重點考慮的。而充電設施完全可能在海邊、海島、江邊等濕度極大環境中使用，這種環境下設計時相對濕度應在4%~100%內考慮。由于充電設施使用環境通常為污染等級III的狀態下，濕度大會導致內部各種危險電壓源與機殼、可直接接觸部分或可間接接觸部分的爬電距離或電氣間隙不足存在電擊危險可能，或接觸電流過大產生電擊危險可能。

因此在充電設施的設計時，應按照相應的污染等級及潮濕條件選擇最大電氣間隙和爬電距離。對于部分因濕度影響較大的區域或元器件應采取防止因濕度導致電氣間隙和爬電距離變小的措施：如變壓器浸漆、密封、表面涂覆防水絕緣材料、罐封等。

1.3 大氣壓

目前相關標準的電氣間隙是根據海拔高度2000 m以下設計的，當海拔高度上升時，標準大氣壓力會下降，相應的電氣間隙就需要增加，具體的海拔修正系統可以參考GB/T 16935.1中的表A.2。對于依賴自然冷卻散熱或風冷散熱的充電設施還要考慮氣壓下降對散熱的影響，由于空氣變稀薄了，散熱條件變差，器件的溫升會變高，對應的過熱危險也會增加，設計時必須根據充電設施可能使用的最高海拔進行熱設計，保證不產生過熱危險以及絕緣性能下降而產生的電擊危險。同理，海拔升高是可以通過降低充電設施的工作功率來降低過熱危險的。

1.4 紫外暴露

對于可能暴露在紫外線下的充電設施上的各種塑料件或橡膠件應先經過相應的耐紫外輻射的評估，其機械強度與絕緣特性在充電設施的整個生命周期內都應滿足絕緣隔離和防電擊危險等安全要求；同時在單一故障下它們也是能滿足不存在觸電危險、對火焰蔓延防護功能存在、對零件拋出危險防護功能存在、對其他危險的防護功能存在等，不因紫外暴露而生產防護失效的狀況。充電設施紫外暴露的關鍵器件有充電槍、顯示屏等。

1.5 IP防護

無論是戶外使用還是室內使用，充電機都必須滿足標準所要求的最低防護要求。

在戶外使用的交流充電機和直流充電機在下雨天氣時，充電槍槍頭與充電槍槍座之間的防護必須滿足IP55的防護要求，并且即使有小量雨水進入也不會使危險電壓與操作人員可接觸到區域、雨水滲入區域的電氣間隙和爬電距離小于對應工作電壓要求的最小絕緣規定。當充電槍槍頭與充電槍槍座之間的防護不能滿足IP55的防護要求時，應及時更換，對此各生產廠家或充電運營單位應該有相應的保障機制。

2 電擊危險的防護

電擊危險的防護是根據每個功能電路的決定性電壓等級決定了所要求的最低防護水平。第一層次是要做好直接接觸防護：防止直接接觸和直接接觸情況下的防護。第二層次是做好間接防護。第三層次是保證要有良好的接地保護系統。第四層次是確保整個充電設施的絕緣系統安全。

2.1 防止直接接觸

(1) 通過屏障和外殼的方式進行

交流充電機的主功率輸入輸出電路都是決定性電壓等級C的電壓，屬危險電壓；控制與顯示部分的電壓等級是決定性電壓等級A的電壓，屬安全電壓，但很多充電機廠家的控制電路與顯示電路與主功率電路間沒有做到雙重絕緣或加或加強絕緣，或是控制電壓在工作中與主功率電路是有直接相連的，因此也屬于危險電壓。

直流充電機輸入是危險交流電壓，輸出是危險直流電壓，同時存在輸出端電解電容存貯能量在短時放電過程中的能量危險(電動汽車里面存在動力電池，在充電時直流輸出端也存在著電池能量危險)；直流充電機的控制電路與顯示電路的決定性電壓等級也是安全的，但如果為它們供電輔助電源沒有做到雙重絕緣或加或加強絕緣，或是控制電壓在工作中與主功率電路是有直接相連的，也屬于危險電壓。

這在工作中就必須要有直接接觸防護的外殼和隔離檔板；這種外殼與檔板在不使用工具的情況下是不能拆卸的；滿足這種防護要求的聚合物材料在生產與使用中因材料特性產生的收縮或變形均不應暴露出危險零部件，也不應使爬電距離與電氣間隙減小到低于所要求的最小值。

因此，無論是交流充電機還是不同類型的直流充電機的外殼及所有外部裝飾部件(如顯示屏、面板、燈板、門板等)必須是具有電氣防護功能的。

(2) 通過帶電導體絕緣的方式進行防護

帶電導體如是可直接接觸的，其表面就進行絕緣處理，表面絕緣除了要根據帶電導體自身的決定性電壓等級來確定其表面絕緣等級外，還要考慮其相鄰電路的決定性電壓等級，由此來決定它們之間的絕緣等級；同時也要考慮與非接地可接觸零部件之間的絕緣等級。

表1 可接觸非接地零部件與DVC A或DVC B電路之間的絕緣要求

注：基于電路中決定性電壓等級較高電路的電壓

這部分除了交直流充電機內部電路涉及維修人員操作區的以外，對充電機使用人員或操作人員主要涉及的是充電槍部分，充電槍導線與槍頭部分都是操作人員可接觸的非接地零部件(充電槍外套與外殼是絕緣材料，無法起到保護接地作用)，內部的導線有決定性電壓等級C的危險電壓，它們之間就需要采用加強絕緣措施。

2.2 直接接觸防護

(1) 通過決定性電壓等級A進行保護

決定性電壓等級A的電路與其他危險電壓要采取雙重絕緣或加強絕緣、或采取了滿足安全要求的保護屏蔽、或對與其相鄰的電路進行了滿足要求的能量限制或電壓限制。

(2) 通過保護阻抗進行保護

保護阻抗的設計要保證在可接觸的帶電導體零部件上，無論是正常條件下或是在單一故障條件下，測得的通過保護阻抗流向地和流向可同時接觸到的帶電零部件間的電流不超過規定的接觸電流。

保護阻抗還要滿足無論是在潮濕環境還是干燥環境下，無論是在正常條件還是在單一故障條件下，保證保護阻抗的設計在可同時接觸到的帶電零部件間出現的放電能量不超過能量危險水平。

(3) 通過受限制電壓保護

接地電路在通過分壓電路將電壓降低至決定性電壓等級A以下，同時該電路與其他危險電壓等級電路必須采取滿足要求的保護隔離措施，在正常與單一故障條件下，包含分壓電路的單一故障時，該電路的電壓都不超過決定性等級A。

2.3 間接接觸的防護

間接接觸防護是為防止絕緣失效時可能由可觸及導電部分引起的觸電電流，間接防護如果是依賴安裝期間提供的措施時則在安裝說明應提供詳細的安裝措施并標明相關危害。

這對交直流充電機中的系統接地就屬于間接接觸防護的重要內容，且是依賴于安裝期間提供的接地措施的，因此充電機安裝說明中必須對充電機接地提供詳細的接地要求、接地電阻要求、接地導線要求、連接方式要求、材料要求、施工要求等，防止操作人員與維修人員在使用與維修時產生間接接觸危險。

(1) 帶電部分與可觸及導電部分之間的絕緣

設備帶電部分與可觸及導電部分之間的絕緣應滿足無論在正常工作下還是單一故障情況下，包括功能絕緣、基本絕緣、或輔助絕緣的失效，都不能出現高于決定性電壓等級A的電壓的絕緣要求；且滿足它們之間所需的電氣間隙與爬電距離要求。

這個比較典型的是直流充電槍電路。直流充電槍的CC1、CC2、A+、A-與地線、輸出正負線之間都是可以直接觸及的，因此CC1、CC2、A+、A-的相關電路及為它們提供電源的輔助電源與直流充電機的交流(或直流)輸入、直流輸出間的絕緣必須要是雙重絕緣或加強絕緣，且它們之間的電氣間隙與爬電距離應滿足相應電壓等級的安全要求。

(2) 保護連接與保護接地

無論是交流充電機還是不同類型的直流充電機，當其輸入是電網電壓時，就應該提供可靠的保護接地與保護連接，當直流充電機的輸入是直流電源時，也應提供可靠的保護接地，這樣直流輸出端的絕緣監測系統才能正常可靠工作。

為保證保護連接的良好的電氣接觸，連接方式應選擇用直接通過金屬接觸、或專門的保護連接導體、或導電部件進行連接，這些導體或部件在按規定使用時是不會被卸掉的。出故障時相應的連接應能承受因此而引起的最大熱應力或動應力，在故障期間保護連接要一直保持有效。保護連接阻抗與故障狀態下過流電流的大小相關，必須滿足相應的標準要求。

目前所有的交流充電機與各種類型的直流充電機均符合保護類型I的保護要求，因此加電后外部保護接地導體應始終保持連接，且外部保護接地導體的橫截面積要符合GB16895.3的要求。外部保護接地導體必須是防腐蝕的、單獨連接的、不能用作其他機械組件用、容易辨識的(如黃綠色)等。

結合充電機來講，就是所有可直接觸及的金屬部分都必須進行保護連接與保護接地，如機殼、機柜、門、電氣安裝支架、門、面板組件等都要通過導線與保護地進行連接，接地導線截面積均應滿足標準要求，所有充電機都應有保護接地排，保護接地排均應是導電性能良好且防腐蝕的(如紫銅排)，電網電源的接地導線截面積必須滿足表2的要求(為重點強調，將原文件中的要求直接引如下表)。

表2 外部保護接地導體的橫截面積

注：只有當外部保護接地導體使用與相導體采用相同的金屬時，本表的取值有效。否則，外部保護接地導體橫截面積應使其電導率與本表規定等效。

由于交流充電機和直流充電機的部分安全保護是通過剩余電流保護裝置來保證的，因此在不同使用場景中都要保證充電機前級的配電系統中含有可靠適配的剩余電流保護裝置，與前級變電裝置相連的保護接地是滿足相關安全要求的：導體材質、導體截面積、接地電阻、連接阻抗與可靠性、防腐蝕等。

2.4 電氣間隙與爬電距離的要求

交流充電機與各類形式的直流充電機的各功能電路、充電槍、機殼、保護地、零部件及它們相互之間的電氣間隙與爬電距離都應按照GB/T 16935.1的原理給出最低要求。在設計電氣間隙、爬電距離和絕緣穿透距離時應當考慮產品使用環境的污染等級、過電壓類別、電源接地系統、絕緣電壓、絕緣位置、絕緣類型等因素，并要考慮生產制造公差及絕緣性能在生命周期內下降因素，并留一定的裕量。

(1) 主要影響因素

(a) 污染等級

無論是室內使用還是室外使用，除少數室內使用空調環境的地下封閉停車場外，充電機的實際使用環境都達不到污染等級2要求，目前絕大部分充電機產品的實際使用環境基本上都是污染等級3的使用環境，部分甚至是污染等級4的環境，這是設計者在設計時必須要考慮到的。

(b) 過電壓等級

對于采用電網供電的充電機設施，如前級配電系統加了瞬態過電壓限制并將過電壓限制在低水平的電路設備，屬過電壓等級I，非永久連接的便攜式充電機、充電寶、拉桿相式充電機等屬于過電壓等級II的設備，其他的充電機則屬于過電壓等級III的設備。過電壓等級會影響電路絕緣電壓要求。

(c) 電源接地系統

由于交流充電槍中相線、零線與地線間都是可以直接接觸到的，在單一模式下是存在觸電危險的，必須借助于前端的剩余電流保護裝置與保護接地進行保護，保護接地與電源接地系統的方式關聯度很大，必須根據接地系統的類型來確認剩余電流保護裝置安裝的位置。

(d) 絕緣電壓

充電機的各功能電路應根據系統電壓與過電壓等級來確定脈沖耐受電壓值和暫時過電壓值。具體數據可參考GB/T 16935.1。

(2) 電路之間與周邊電路之間的絕緣

對充電機各功能電路及其周邊電路之間的基本絕緣、附加絕緣、加強絕緣的設計要考慮脈沖電壓、暫時過電壓和工作電壓。爬電距離由工作電壓的有效值決定，電氣間隙和固體絕緣是由有較高脈沖電壓要求的電路和電路的決定性電壓等級所決定。

例如直流充電槍直流輸出線與A+、A-信號間的絕緣所需的電氣間隙與絕緣層厚度就由它們間的最高可能工作電壓與它們所屬的決定性電壓等級來確定。根據相應標準和要求它們間的絕緣電壓不低于2500 Vac。

直接連接電網的電路與其周邊電路之間的電氣間隙和固體絕緣應根據脈沖電壓、暫時過電壓、或最大工作電壓中要求最嚴酷的進行設計。不連接到電網的電路與其周邊電路之間的電氣間隙和固體絕緣要求要根據脈沖電壓和其重復峰值電壓、或最大工作電壓中要求較嚴酷的一個進行設計。

充電機內部的功能絕緣，對于過電壓類等級I的電路按跨在電路絕緣帶上的工作電壓來設計；對于過電壓等級II、III、IV的零部件或電路按跨在絕緣帶上的脈沖電壓來設計。

(3) 電氣間隙

各功能電路的功能絕緣、基本絕緣、或附加絕緣的最小電氣間隙應滿足GB/T 16935.1中規定同對于高海拔(超過2000 m以上使用的充電設施)也要根據GB/T 16935.1表A2的修正因子進行修正。對于任何非絕緣導電零部件與金屬外殼間電氣間隙在變形試驗后也要符合規定的最小電氣間隙要求。

(4) 爬電距離

充電機在設計各功能電路、各導電零部件間的爬電距離時要充分考慮固體絕緣表面長期退化。相對于功能絕緣、基本絕緣和附加絕緣的爬電距離在同等電壓下，加強絕緣的爬電距離要加倍。

(5) 涂覆

在直流充電機普遍采用直通風散熱系統進行散熱時，三防漆的涂覆和其他方式的表面處理提供絕緣防止表面污染是可以減小電路的電氣間障、爬電距離要求的。特別是對戶外使用充電機，絕緣系統安全隔離帶處的電氣間隙和爬電距離(如變壓器的原副邊、光耦的原副邊管腳間、PCB上原副邊電路間等)因環境中導電顆粒的進入會導致在產品生命周期內絕緣下降導致存在的電擊危險，因此，在戶外使用的充電機產品特別是通過PCB等表面可能積聚灰塵的零部件進行電氣隔離的，應在絕緣系統安全隔離帶處的零部件表面進行三防漆等具有絕緣功能的涂覆，保證產品整個生命周期內絕緣性能不會因導電灰塵等的污染而產生電擊危險。

2.5 充電機各功能電路的絕緣系統區分

交流充電機的絕緣系統框圖，如圖1所示。

圖1 交流充電機的絕緣系統框圖

必須強調的是：

(1) 固定式交流充電機輸入與電網間必須是永久性連接措施；輸入、輸出與機殼至少要做到加強絕緣或雙重絕緣，機殼接接保護地，同時輸入、輸出與機殼間至少做到基本絕緣，才能保證機殼的直接接觸防護安全。

(2) 交流充電機的機殼必須是具有機械防護、電氣防護、防火防護三重功能。

(3) 機殼必須是與保護地永久性連接。

(4) 控制電路CC、CP是可以直接接觸的，它們與危險等級電壓間必須是采用加強絕緣的。

在輸出端的交流接觸器正常應該滿足加強絕緣的要求，在單一故障條件下也應滿足基本絕緣要求，但目前的交流接觸器的部分故障模式是主觸點粘連，這種故障模式下就達不到基本絕緣的要求，存在電擊危險，必須與剩余電流保護裝置形成關聯保護，因此對于任何模式的交流充電機它們的輸入前級必須配置剩余電流保護裝置，否則是無法滿足安全要求的。由于交流充電槍的三根相線輸出端子、一根零線輸出端子與地線端子都是可同時直接接觸到的，如果每根相線、零線都是獨立的交流接觸器，單一故障模式下，通過剩余電流保護裝置能提供防觸電保護；但如果是共用一個交流接觸器的話，單一故障模式下(如控制發生故障)，存在同時直接接觸到不同相線的或相線與零線的可能，這樣是存在著電擊危險的；因此，從安全角度出發，每根相線、零線都是獨立的交流接觸器，每個交流接觸器控制也是獨立的，充電機上電過程、使用過程、單一故障過程中不同相線或相線與零線都不會同時產生帶電危險狀況，再通過剩余電流保護裝置能提供防觸電保護。

直流充電機絕緣系統框圖，如圖2所示。

圖2 直流充電機絕緣系統框圖

必須強調的是：

(1) 固定的駐立式直流充電機輸入與電網間必須是永久性連接措施；分體式直流充電機直流輸出與充電樁直流輸入必須是永久性連接。

(2) 交流(或直流)輸入、直流輸出與機殼至少要做加強絕緣或雙重絕緣，交流輸入通過機殼永久性接保護地，加輸入與機殼間至少所需的基本絕緣，才能保證機殼與交流輸入間的安全；直流輸出與機殼間也必須是加強絕緣才能保證直流輸出與機殼的安全要求。這包括直流充電機內部的模塊的原副邊危險電壓與機殼間的絕緣同樣要滿足上述要求。

(3) 直流充電機、充電樁等的機殼必須是具有機械防護、電氣防護、防火防護三重功能的。

(4) 直流充電機、充電樁等的機殼必須是與保護地永久連接。

(5) 控制電路CC1、CC2與輔助源輸出A+、A-是可以直接接觸到的，S+、S-用探針也是可接觸到的，因此它們與危險等級電壓(包含交流輸出、直流輸出)間必須采用加強絕緣。

對于直流充電機的安全防護，由于輸入是電網電源(或高壓直流電源)，輸出是高壓直流電，都是高危險等級的，且輸出功率都比較大，特別是大功率充電機或充電站它們的配電都是工業級的，一般情況下都是由專業人員進行管理與操作，但電動汽車充電時很多使用人員都是非專業的，甚至部分充電機使用區域還會有小孩玩耍，甚至會玩充電槍槍頭，因此，對直流充電機的安全要求會遠遠高于工業產品，不能只參照工業品的電壓等級去做相應的安全要求。

直接接觸防護與間接接觸防護都要采用《GB/ T 16842 外殼對人和設備的防護檢驗用試具》標準要求的試具，按照《GB/T 4943-2011信息技術設備安全第1部分：通用要求》和《GB/T 16935.1-2008 低壓系統內設備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗》要求進行安全測試試驗，直接接觸防護與間接接觸防護都是以設計好為前提的預防措施。

對于直流充電機還應考慮接地Y電容不能過大，以免造成接觸電流超過安全要求，這在出廠檢驗時必須測試且合格的。只有是駐立式永久性連接設備且保護導體截面積也滿足安全要求且流過保護導體最大電流不超過每相電流的5%情況下，才允許接觸電流超過安全要求的有效值3.5 mAac或10 mAdc，且必須在設備外能明顯看到位置有大漏電流危險的警示標識。便攜式充電機、拉桿箱式充電機或其他接插式充電設備等非永久性連接設備不充許它們接觸電流超過安全要求的3.5 mAac或10 mAdc。

同時，直流充電機在充電過程中，PE斷針是無法檢測到的，這也是存在著一定的電擊危險的風險的，在標準的優化中需要完善。

無論是交流充電機還是直流充電機，所有危險電壓與機殼、操作人員可接觸區、維修人員可接觸區、充電槍槍頭、充電槍槍座等在正常工作條件下、單一故障條件下、整個生命周期里的絕緣要求都必須滿足相關絕緣系統的安全要求，所有安全要求都是最小安全要求，在設計時要充分考慮充電機在所有可能工作環境及整個生命周期里環境污染、絕緣老化等帶來的絕緣下降，絕緣距離的設計裕量是必須的且充足的。同時在設計時還要考慮單一故障時帶來的潛在危險，由于充電機特有的應用場景，小部分單一故障時存在危險或潛在危險時必須能及時告警并及時維修，解除危險。

3 能量危險

3.1 操作人員接觸區能量危險

在交流充電機中，充電過程交流充電槍中被鎖定的，操作人員接觸不到危險電壓或危險能量，對于操作人員來講是不存在能量危險的；在單一故障條件下，交流充電機可能存在觸電危險，但不存在能量危險，電擊危險是通過與交流輸入端剩余電流保護裝置來提供安全保護。

對于直流充電機來講，由于充電槍是被鎖定的，在充電過程中操作人員是接觸不到危險電壓或危險能量的；但在直流充電機中如泄放電路故障時，充電過程是可以正常進行的，目前也有部分廠家的產品是沒有告警的，這種情況下直流輸出接觸器如粘連時充電槍頭由于正負端子操作人員或其他人員(如小孩)是可能同時接觸到的，這時就存在能量風險；因此泄放電路故障時應該要有告警提示。

3.2 維修人員接觸區能量危險

對于維修人員來講，由于交流充電機內部是有輔助電源，輔助電源是有電解電容的，在斷電后一段時間內部分電路是存在能量危險的，因此在設計時必須對電解電容加泄放電阻，保證在規定時間內電解電容的電壓下降到安全電壓以下或能量下降到安全水平以下。

對于直流充電機，特別模塊電源中應用了大量電解電容，輔助電源內也有高壓電解電容存在，因此，內部的電容器應在斷電10 s內放電至電壓低于決定性電壓等級A以下或能量下降到安全能量水平(20 J)以下。如不能滿足，則應放置相應的警示符號與危險能量的放電時間在外殼、或電容器的保護屏障、或電容器附近清晰可見位置，并在維修手冊中也要說明。

對于有動力電池的車端，也應在正常工作條件下、單一故障模式下均應能保證對操作人員、維修人員不產生能量危險或有明顯警示標識。

4 機械危險

機械危險是指充電機在生產、使用的正常條件下和單一故障條件下操作設備不應產生機械危險。充電設備機構的棱緣、凸起、拐角、孔洞、護罩和手柄等能夠接觸的部位應圓滑，在正常使用時不能引起傷害。

固定充電設備在使用時必須具有結構穩定性，在所使用區域必須能抗當地最大風力不會發生傾倒危險。同時固定式充電機應具有一定的抗震能力。對于便攜式充電機或拉桿箱式充電機在使用過程中也應具有一定的結構穩定性，不應具有傾倒危險存在。

如充電設備提供的搬動手柄、吊環等，則搬運手柄、吊環等必須能承受設備重量四倍的力。對于壁掛式充電機，固定到墻壁或支架的安裝支架、機構等要承受大小等于設備重量四倍力。

在充電設備發生故障時可能拋射出導致危險的零部件或零部件碎片，充電機外殼應該將這些零部件或零部件碎片隔離在充電機內部。充電機對拋射防護的相關防護措施必須是使用工具才能拆卸的。

如果螺釘、螺母、墊圈、彈簧或類似零件的松動會引起危險或導致與危險電壓間的附加絕緣、加強絕緣的電氣間隙與爬電距離減小到安全要求以下時，應充分固定，確保能承受充電機在生產搬運、運輸、安裝等過程所產生的機械應力。

交流充電機與直流充電機的外殼都是電氣防護外殼，無論是金屬外殼、鑄造件外殼、塑膠件外殼或外殼部件等都必須滿足相應的厚度標準，配線系統的連接點也應滿足相應標準要求。外殼任意部分在經過標準規定的應力試驗后，產生的形變處不能導致與危險電壓源的絕緣距離不滿足與危險源安全等級要求的最小電氣間隙與爬電距離要求。

5 著火危險

交流充電機與直流充電機所涉及的所有材料、配線、繞制元器件、以及集成電路、電氣開關器件、電子開關器件、阻容器件等所有零部件應能將引燃危險和火焰蔓延的可能性減小，同時應使用防火外殼。防火外殼所用材料其阻燃性根據GB/T 5169.17要求應滿足5VB級。直流充電機風道中的防塵網、過濾棉、檔板等及其他開孔中的任何零部件應滿足：

(1)至少滿足V-1可燃性等級，任意尺寸不超過100 mm：

(2)至少滿足V-2可燃性等級，任意尺寸不超過25 mm；

(3) 至少滿足V-2可燃性等級，且該部件有由可燃性等級為V-1材料構成的檔板阻隔在它與可能的起火源之間。

所有使用防火外殼的零部件它們的外殼材料距離起弧零部件的空氣間隙應大于13 mm。

充電機防火外殼內的元器件和其他零部件的材料可燃性等級應為V-2及以上，或滿足IEC規定的元器件標準全部安全要求。

防火外殼的開孔必須具有直接觸防護、能量危險防護、和防火蔓延等功能，能防止熔化金屬和燃燒物掉落到防火外殼以外；門和蓋是操作人員正常工作時是關緊的、無法拆下的。

6 聲壓危險

無論是交流充電機還是直流充電機所產生的噪聲必須符合相應的國家標準要求。

7 電磁危險

無論是交流充電機還是直流充電機的電磁兼容應滿足GB18487.2規定要求，以防止電磁危險。

雷擊過電流危險和殘壓過電壓危險對于戶外充電機來講也是應該高度重視的，特別要在雷雨季節在戶外充電機進行充電操作時要有充電安全保障或警示標識，這同時也涉及到充電機的接地系統的可靠性、防雷裝置的可靠性和安全警告標識的合理性。

8 電氣故障保護

所有充電機的交流輸入、交流輸出、直流輸入、直流輸出、內部受限制電源的輸出電路都應提供短路和過流保護，提供的保護裝置應具有足夠的分斷能力來切斷所連接的端口可能的最大短路電流。

充電機所有與安全關聯的故障或保護必須提供可見的或可聽到的告警提示。

充電機內部所有的安規器件如斷路器、電路印制板、塑殼斷路器、繼電器、熔斷裝置、X電容、Y電容、高壓電解電容、接觸電流保護裝置、光耦、變壓器、電感、電子開關、導線、連接器、限制瞬時過壓的電路或裝置、風機等無論是正常工作條件下、還是任何可能的單一故障模式下，均不應產生電擊危險、能量危險、著火危險、過熱危險等，也不應使任何跨接在危險電壓與決定性電壓等級A、決定性電壓等級B之間的絕緣距離下降導致電氣間隙、爬電距離提供的隔離保護不足，在任何工作狀況下都不可忽視與防護外殼間絕緣距離下降產生的安全隱患。

9 連接要求

充電機的所有外部導線的連接方式與位置均應滿足防火、防電擊、防能量危險的要求，不應因為絕緣失效的可能引起電擊危險。連接配線必須能在各種生產過程、運輸過程和使用過程中消除應力，應標有額定值且應適合于安裝中要求使用的配線尺寸和類型；輸入電源連接應該是永久性連接，導線的連接點應不承受應力，導線外套在生產過程與使用過程中不會受磨損。設備的每個電源應提供斷開方式，當電網斷開裝置處于分斷時，無論是在正常工作狀態還是單一故障狀態下，斷開裝置應保證提供至少基本絕緣的隔離。

充電機內部的所有導線在安裝、運輸、使用過程中均應受到保護，不受損傷，它們的絕緣、走線路徑、連接點等均應滿足后期使用時的電氣應力、機械應力、熱應力和環境條件要求，相互接觸或靠近時的距離均應滿足在整個生命周期中可能出現的最高工作電壓的絕緣隔離要求。

10 標識

標識是充電設施安全防護的重要組成部分。

10.1 整機標識

整機所有相關標識必須在外部可見，在正常條件下要保持清晰可辨，并應該永久標注制造商名稱、型號、產地、批次、額定參數等。

10.2 安全標識

對于重要安規元器件也必須在元器件本體上或安裝位置附近顯著可見處標注與安全相關的重要參數，如熔斷器、端子、連接器件、開關器件、斷路器等。

對于充電機而言，除了產品的永久性銘牌外，輸入輸出端電壓電流極性、接地標識、保護性接地標識、危險電壓與安全電壓之間的隔離帶等都是要有明顯標識或標志的，注意不能缺省。

10.3 警告標識

警告標識通常采用黃底黑字，滿足最小尺寸要求，字跡與標識要清晰可見。

幾個重要的警告標識：

(1) 灼熱表面應有過溫警示標識。

(2) 能量危險處需要危險警示標識。

(3) 存在電擊危險之處必須要有危險警示標識。

(4) 接觸電流超過規定安全值時要有大漏電流危險 警示標識。注意：大漏電流危險警示標識只能是駐立式永久性連接設備，保護導體截面積是滿足安全要求的且流過接觸導體的最大電流不超過每相電流的5%情況下才能使用。

(5) 存在聲壓危險區域因有聲壓危險警示標識。

(6) 存在機械危險區域也應有危險警示標識等。

11 文檔要求

們充電機應有與安全相關的安裝說明書、操作說明書、維修說明書等，這些都是重要不可省缺的安全組成部分。

12 結論

電動汽車充電設施的安規體系是一個從前級配電、供電體系、接地系統、標志標識、環境污染狀況、絕緣系統、安規器件、生產過程、運輸過程、使用過程、連接、材料、防火、過熱危險、電氣保護等都關聯的系統性、涉及產品整個生命周期的防護保障體系。安規是以預防為主，不僅僅是出廠時的簡單安全測試，產品的絕緣、電氣防護性能、元器件的安全性能等都會因環境污染、工作時間流逝等而減弱，而現場應用的也存在多樣性，因而，充電設施的安全在存在任何可能產生安全危險、絕緣等級下降的狀況時，無論此種狀況是在正常使用時還是單一故障條件下都應能提前警示，提前更換消除危險源。

目前，充電設施廠家良莠不齊，小數廠家的產品安規體系不完善，產品整個生命周期內的安全意識有待提高，整個行業的安全狀況還是任重而道遠。

[1] 電動汽車傳導充電系統第1部分: 通用要求: GB/T 18487.1—2015[S].

Electric vehicle conductive charging system part 1: general requirements: GB/T 18487.1—2015[S].

[2] 信息技術設備安全第1部分: 通用要求: GB/T 4943— 2011[S].

Information technology equipment-safety-part 1: general requirements: GB/T 4943—2011[S].

[3] 低壓系統內設備的絕緣配合第1部分: 原理、要求和試驗: GB/T 16935.1—2008[S].

Insulation coordination for equipment within low-voltage system-part 1: principles, requirements and tests: GB/T 16935.1—2008[S].

[4] 電動汽車非車載傳導充電設備電磁兼容要求: GB/T 18487.2—2008[S].

EMC requirements for OFF board electric vehicle charging systems: GB/T 18487.2—2008[S].

[5] 家用和類似用途插頭插座第1部分: 通用要求: GB 2099.01—2008[S].

Plugs and socket-outlets for household and similar purposes- part 1: general requirements: GB 2099.01— 2008[S].

[6] 電氣設備用圖形符號圖形符號第2部分: 圖形符號: GB/T 5465.2[S].

Graphical symbol for use on electrical equipment-part 2: graphical symbols: GB/T 5465.2[S].

[7] 外殼對人和設備的防護檢驗用試具: GB/T 16842—2016[S].

Protection of persons and equipment by enclosures-probe for verification: GB/T 16842—2016[S].

[8] 工業用插頭插座和耦合器第1部分: 通用要求: GB/T 11918.1—2014[S].

Plugs, socket-outlet and couplers for industrial purposes- part 1: general requirements: GB/T 11918.1—2014[S].

[9] 測量、控制和實驗室用電氣設備安全通用要求: GB 4793.1—2007[S].

Safety requirements for electrical equipment for measurement, control, and laboratory use-part 1: general requirements: GB 4793.1—2007[S].

[10] Information technology equipment – safety-part 1: general requirements: IEC 60950—2013[S].

[11] Electric vehicle conductive charging system-part 1: general requirements: IEC 61851.1[S].

[12] 機殼防護等級(IP代碼): GB/T 4208[S].

Degrees of protection provided for enclosure (IP code): GB/T 4208[S].

[13] Fire hazard testing-part 2: glowing/hot wire based test method – section 20: hot wire coil ignitability test on material: IEC60695-2-20[S].

[14]電工電子產品著火危險試驗第1部分:著火試驗術語: GB/T 5169.1[S].

Fire hazard testing for electric and electronic products- part 1: terminology concerning fire tests: GB/T 5169.1[S].

[15]建筑物電氣裝置第5-54部分: 電氣設備的選擇和安裝—接地配置、保護導體和保護聯結導體: GB16895.3[S].

Electrical installations of buildings—part 5-54: selection and erection of electrical equipment — earthing arrangements, protective conductors and protective bonding conductors: GB16895.3[S].

[16] 電工電子產品著火危險試驗第17部分: 試驗火焰500W火焰試驗方法: GB/T 5169.17[S].

Fire hazard testing for electric and electronic products – part 17: testing flames – 500 W flame test methods: GB/T 5169.17[S].

WU Lianri

insulation class; hazardous voltage; safety system; product life cycle; grounding systems; degrees of pollution

2017-09-02；

2017-09-30

吳連日(1971—)，男，主要從事通信電源、電動汽車充電產品、儲能等方面的研究。E-mail: wulianri@wanmagroup.com