便攜式隨車(chē)充電器產(chǎn)品試驗(yàn)與質(zhì)量分析

朱洋洋，賀 春，陳 卓

便攜式隨車(chē)充電器產(chǎn)品試驗(yàn)與質(zhì)量分析

朱洋洋，賀 春，陳 卓

(許昌開(kāi)普檢測(cè)研究院股份有限公司, 河南 許昌 461000)

針對(duì)便攜式隨車(chē)充電器的使用安全問(wèn)題，進(jìn)行了一定量的測(cè)試與分析。從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)以及測(cè)試分析等方向?qū)Ρ銛y式隨車(chē)充電器進(jìn)行了使用安全方面的評(píng)估。闡明了其使用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)所在，以及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了深入分析。

電動(dòng)汽車(chē)；便攜式；充電器; 監(jiān)測(cè)；質(zhì)量

0 引言

便攜式隨車(chē)充電器是一種家用便攜式充電設(shè)備。其主要特點(diǎn)是體積小、成本低、便于攜帶，一般在購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)時(shí)會(huì)由車(chē)輛供應(yīng)商隨車(chē)贈(zèng)送。其使用環(huán)境一般在疏于管理的私人場(chǎng)合，如小區(qū)停車(chē)場(chǎng)，自家車(chē)庫(kù)等，只要能夠提供符合GB 2099.1和GB 1002要求的插座(220 V國(guó)標(biāo)三孔插座)即可進(jìn)行充電。雖然充電用時(shí)校長(zhǎng)，但是在充電樁較少的情況下，其對(duì)車(chē)主是一種非常方便實(shí)用的充電方式。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1—2015 電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求中，將其歸類(lèi)為充電模式2[1]。該充電模式的主要特點(diǎn)是：直接從電網(wǎng)取電，但是連接器車(chē)輛端具備符合國(guó)標(biāo)的控制導(dǎo)引電路。車(chē)輛端的插頭是標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)標(biāo)插頭，供電端是標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)標(biāo)三孔插頭，基本上隨時(shí)隨地都可以進(jìn)行充電[2]。

其在方便性上有著巨大優(yōu)勢(shì)，但其在安全性上相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)就較充電樁大。首先便攜式隨車(chē)充電器是通過(guò)轉(zhuǎn)換家用插座上的市電而進(jìn)行充電的，而家用插座這一端的發(fā)熱等[3]是無(wú)法進(jìn)行安全監(jiān)控的。對(duì)線徑也有一定要求，且不只是便攜式隨車(chē)充電器的線徑需要管控，對(duì)家用插座的引線線徑也需要有限制，而家用插座的線徑容量是一個(gè)無(wú)法管控的因素，主要表現(xiàn)在使用人員大多不夠?qū)I(yè)，插座布線人員安全風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)參差不齊等。

因其制造成本較低，所以市面上的獲得方大部分是由電動(dòng)汽車(chē)供應(yīng)商隨車(chē)贈(zèng)送，市場(chǎng)上自行購(gòu)買(mǎi)也很方便，這極大區(qū)別于公共充電樁的管理，充電樁是經(jīng)過(guò)公共專(zhuān)業(yè)人士安裝并經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)收的，能大大降低使用上的安全風(fēng)險(xiǎn)。

便攜式隨車(chē)充電器的充電功率雖然相對(duì)于充電樁和電動(dòng)汽車(chē)來(lái)講較小，但是對(duì)于普通住宅來(lái)講，充電功率已經(jīng)可以長(zhǎng)時(shí)間(十小時(shí)或可能更多)達(dá)到3 kW甚至更高，而住宅電器日常的用電功率普遍在1 kW以下，即使是使用空調(diào)這樣的大功率電器，其短時(shí)間(空調(diào)剛開(kāi)機(jī)的半小時(shí)內(nèi))大功率用電也在2 kW以下[4]。因此就充電功率來(lái)講，老百姓使用便攜式隨車(chē)充電器進(jìn)行大功率充電也有著較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文從產(chǎn)品試驗(yàn)與質(zhì)量角度進(jìn)行分析，探索一條保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低老百姓應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的方法。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

2015年底，我國(guó)發(fā)布的五項(xiàng)關(guān)于充電樁的新國(guó)標(biāo)在種類(lèi)上已經(jīng)包含了便攜式隨車(chē)充電器產(chǎn)品[1]，五項(xiàng)新國(guó)標(biāo)為：

1) GB/T 18487.1—2015電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求

2) GB/T 27930—2015 電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議

3) GB/T 20234.1—2015電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分：通用要求

4) GB/T 20234.2—2015 電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分：交流充電接口

5) GB/T 20234.3—2015電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電用連接裝置第3部分：直流充電接口

其中，GB/T 18487.1—2015、GB/T 20234.1— 2015、GB/T 20234.2—2015與便攜式隨車(chē)充電器相關(guān)。

另外，能源局也牽頭起草了一項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：NB/T 40227—2016 電動(dòng)汽車(chē)模式2充電的纜上控制與保護(hù)裝置(IC-CPD)。該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18487.1—2015，以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62752—2016制定的關(guān)于便攜式隨車(chē)充電器充電安全及性能的標(biāo)準(zhǔn)。

因電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的巨大競(jìng)爭(zhēng)，在充電接口標(biāo)準(zhǔn)方面各個(gè)國(guó)家都力求能夠主導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)充電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)際上主流的便攜式隨車(chē)充電器標(biāo)準(zhǔn)分為了三大類(lèi)。

1) 日本和北美的標(biāo)準(zhǔn)。在直流充電方面日本和北美的CCS1標(biāo)準(zhǔn)接口大相徑庭，但是卻在交流充電方面用著同樣的接口。該接口主要為單相供電，通過(guò)CP信號(hào)載波來(lái)控制充電的啟停以及充電參數(shù)的配置的功能。

2) 歐洲的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的標(biāo)準(zhǔn)雖同是采用PWM載波功能進(jìn)行充電的啟停控制以及充電參數(shù)的配置，但其接口尺寸及定義區(qū)別于前者，而且與我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不一樣。

3) 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用CP物理信號(hào)進(jìn)行充電的啟停控制以及充電參數(shù)的配置，區(qū)別于國(guó)際上的其他標(biāo)準(zhǔn)。接口定義與尺寸與國(guó)際上其他標(biāo)準(zhǔn)也有較大差別。

2 主要試驗(yàn)項(xiàng)目與機(jī)理分析

完整的試驗(yàn)項(xiàng)目在NB/T 40227—2016等標(biāo)準(zhǔn)中有要求，在此就不一一列舉，我們重點(diǎn)關(guān)注與老百姓充電安全性、可靠性相關(guān)的幾個(gè)項(xiàng)目，詳細(xì)測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)表1。

2.1 充電連接裝置尺寸項(xiàng)目機(jī)理分析

連接裝置尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)決定了充電槍頭是否能夠順利可靠插入充電插座，以及在插入充電插座后的導(dǎo)體接觸情況和插入耦合后的鎖止情況等。當(dāng)充電插頭與車(chē)輛插座的尺寸配合不夠緊密，則會(huì)造成插合不牢固或者插不進(jìn)去的情況。而充電連接的插合出問(wèn)題后，會(huì)導(dǎo)致接合處接觸阻抗過(guò)大，從而引發(fā)過(guò)熱或者起火的發(fā)生。

表1 采用的測(cè)試項(xiàng)目以及依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

另外尺寸檢查中的電子鎖及機(jī)械鎖部分也同樣是為了保證充電中的連接穩(wěn)定可靠，當(dāng)電子鎖或機(jī)械鎖部分出問(wèn)題后，也會(huì)間接導(dǎo)致起火的發(fā)生。

所以這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)除了考慮是否能插上充電，更重要的是充電安全性。

2.2 剩余電流保護(hù)項(xiàng)目機(jī)理分析

本項(xiàng)測(cè)試對(duì)應(yīng)的是當(dāng)觸電發(fā)生時(shí)便攜式隨車(chē)充電器能夠起到智能保護(hù)的作用。

正常情況下火線與零線在同一回路上，根據(jù)基爾霍夫電流定律，其二者流經(jīng)的電流應(yīng)完全一致，在隨車(chē)充電器的保護(hù)開(kāi)關(guān)上表現(xiàn)為方向相反大小一致的兩個(gè)電流，當(dāng)因人觸電或其他原因?qū)е铝鹘?jīng)火線的電流一部分經(jīng)過(guò)人體或其他物體然后與大地形成回路時(shí)，火線與零線的電流將不一致，該電流差值就是剩余電流，此時(shí)若便攜式隨車(chē)充電器可以在監(jiān)測(cè)到該電流時(shí)立即斷開(kāi)輸出，就能夠防止可能的觸電事故發(fā)生。

測(cè)試中漏電脫扣電流的大小是在能夠?qū)е氯税l(fā)生觸電危險(xiǎn)時(shí)的剩余電流值，無(wú)論是充電啟動(dòng)前人員已經(jīng)發(fā)生了可以導(dǎo)致觸電的動(dòng)作，或者是充電中突然發(fā)生了人員觸電的動(dòng)作，便攜式隨車(chē)充電器的剩余電流保護(hù)功能均應(yīng)立即進(jìn)行保護(hù)。

2.3 互操作項(xiàng)目機(jī)理分析

便攜式隨車(chē)充電器在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上需要考慮兩個(gè)不同方向的能力：充電兼容性以及充電安全性。即：既能在不安全的情況下不能啟動(dòng)充電或停止充電，又能夠在安全的情況下正常穩(wěn)定的充電。

圖1 充電模式2的控制導(dǎo)引電路原理圖

2.3.1充電安全狀態(tài)

控制導(dǎo)引各項(xiàng)參數(shù)表征了充電狀態(tài)以及充電中和充電前的安全狀態(tài)，當(dāng)這些參數(shù)不在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，充電器與電動(dòng)汽車(chē)均有可能判斷錯(cuò)誤當(dāng)前狀態(tài)，造成無(wú)法正常充電或者對(duì)危險(xiǎn)故障不能保護(hù)的情況發(fā)生[5]。

在正常啟動(dòng)和停止的充電過(guò)程中，充電器與電動(dòng)汽車(chē)的控制導(dǎo)引信號(hào)以及充電的啟動(dòng)停止邏輯需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。這樣才能夠保證整個(gè)充電過(guò)程的“兼容性”和“安全性”。

充電中的CP信號(hào)生承載了多項(xiàng)充電信息。如圖2的電路圖所示，當(dāng)S2開(kāi)關(guān)閉合，且CP和PE 在車(chē)輛接口處的觸點(diǎn)接觸良好時(shí)，CP信號(hào)是高電平為6 V的PWM信號(hào)，充電處于正常的狀態(tài)中。當(dāng)CP或者PE中任何一個(gè)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，則表征了連接的斷開(kāi)，此時(shí)CP對(duì)PE的電壓變?yōu)?2 V。

圖2 車(chē)輛插頭CP及CC觸點(diǎn)尺寸示意圖

如圖3所示，充電插頭中動(dòng)力觸點(diǎn)的插合深度為29 mm；如圖2所示，CP觸點(diǎn)的插合深度為15 mm，遠(yuǎn)小于動(dòng)力觸電的插合深度[6]。因此充電連接器的連接狀態(tài)完全可以依賴CP對(duì)PE的電壓而定。

圖3 車(chē)輛插頭動(dòng)力觸點(diǎn)尺寸示意圖

致害機(jī)理同連接尺寸，當(dāng)充電連接接觸不良而繼續(xù)充電時(shí)，可致起火等事故；而當(dāng)連接已經(jīng)斷開(kāi)時(shí)，充電插頭仍然帶電，則會(huì)有導(dǎo)致觸電的可能[7]。

當(dāng)車(chē)輛充滿或者車(chē)輛端發(fā)生絕緣異常等故障需要斷開(kāi)充電連接時(shí)，會(huì)以S2斷開(kāi)的方式“告訴”充電裝置斷開(kāi)輸出接觸器(S2開(kāi)關(guān)電路位置見(jiàn)圖1)。充電器應(yīng)具備此停止充電功能，而且依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在S2開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后100 ms內(nèi)停止充電。

另有一個(gè)跟安全無(wú)關(guān)的定義，當(dāng)S2開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并觸發(fā)充電裝置保護(hù)后，S2開(kāi)關(guān)又重新閉合時(shí)，充電裝置應(yīng)重新閉合充電連接繼續(xù)充電。此舉是為了在優(yōu)先保證充電安全的前提下兼顧充電的兼容性。

2.3.2充電參數(shù)配置

電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)充電電流：

電動(dòng)汽車(chē)的充電方式分兩種，一種是直流充電，一種是交流充電。交流充電是由車(chē)載充電機(jī)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電的，而車(chē)載充電機(jī)的設(shè)計(jì)考慮到公共充電樁的充電電流，一般都在30 A左右。

家庭配電線路的設(shè)計(jì)電流：

國(guó)標(biāo)家庭配電插座有兩種功率等級(jí)：10 A和16 A。(參見(jiàn)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 2099.1和GB 1002)

從總?cè)萘可峡矗秒婋娖鞯墓β室呀?jīng)遠(yuǎn)超供電裝置的功率容量了。因此，作為使用國(guó)標(biāo)家庭配電插座的便攜式充電器需要通過(guò)某種機(jī)制來(lái)給車(chē)載充電機(jī)傳送其輸入容量的信息，這樣車(chē)載充電機(jī)的充電電流才不會(huì)超過(guò)供電回路的容量[8]。

國(guó)標(biāo)規(guī)定電動(dòng)汽車(chē)供電裝置應(yīng)通過(guò)控制導(dǎo)引信號(hào)中的PWM波形占空比來(lái)告訴電動(dòng)汽車(chē)以多大的充電電流進(jìn)行充電，用以防止供電回路的過(guò)流充電行為發(fā)生。PWM波形占空比與最大充電電流對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 PWM占空比與最大充電電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

另外，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電電流超過(guò)了控制導(dǎo)引信號(hào)中的PWM占空比代表的最大充電電流時(shí)，便攜式隨車(chē)充電器應(yīng)能夠主動(dòng)防護(hù)，以防止過(guò)電流充電的發(fā)生[9]。

2.4 誤接線及電源故障項(xiàng)目機(jī)理分析

用電設(shè)備均需具備電擊防護(hù)功能，便攜式隨車(chē)充電器一般都是全身絕緣外殼的雙重絕緣設(shè)計(jì)，且體積小，在其上面不可能發(fā)生觸電情況。但是被其充電的電動(dòng)汽車(chē)在充電時(shí)卻有觸電的風(fēng)險(xiǎn)[10]。因此為使電動(dòng)汽車(chē)在充電時(shí)具有合格的電擊防護(hù)功能，便攜式隨車(chē)充電器在電源插頭處應(yīng)保證可靠接地，當(dāng)插座上沒(méi)有可靠接地時(shí)，便攜式隨車(chē)充電器應(yīng)發(fā)出故障告警，并不允許充電。

為安全起見(jiàn)，用電系統(tǒng)需要將可觸及的金屬部分接地，以保證人體可觸及的導(dǎo)體部分與大地等電位[11]。在等電位的導(dǎo)體上任何活動(dòng)都不會(huì)有危險(xiǎn)，因此用電系統(tǒng)的可靠接地是用電安全的根本保障。

電動(dòng)汽車(chē)輪胎為橡膠制品，屬于絕緣體，因此電動(dòng)汽車(chē)本身無(wú)可靠接地。當(dāng)有充電器連接到電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，就需要充電器可靠接地。

3 試驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 充電連接裝置尺寸項(xiàng)目

經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，充電連接器尺寸并未出現(xiàn)插合或鎖止等較大問(wèn)題，主要問(wèn)題都發(fā)生在一些個(gè)性化設(shè)計(jì)上面。比如：機(jī)械鎖的鎖舌斜面不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；為了讓機(jī)械鎖頭的鎖舌更加堅(jiān)固而加寬了鎖舌上部的寬度；將未插入車(chē)輛插座的部分做成了流線設(shè)計(jì)，未按照標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；鎖舌頭部距離底部距離比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定短。這些問(wèn)題都不影響實(shí)際充電的安全性能。

3.2 剩余電流保護(hù)項(xiàng)目

檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，所有被測(cè)樣品均可以對(duì)剩余電流進(jìn)行保護(hù)，但是存在保護(hù)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況。

具體測(cè)試出的不符合項(xiàng)目有：實(shí)際動(dòng)作電流值低于額定剩余不動(dòng)作電流(Δo)的標(biāo)準(zhǔn)值；閉合剩余電流時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超差；突加剩余電流時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超差；脈動(dòng)直流剩余電流連續(xù)上升到動(dòng)作閥值時(shí)未保護(hù)；保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值[12]。

3.3 互操作項(xiàng)目

檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有部分被測(cè)樣品不符合國(guó)標(biāo)的規(guī)定。具體測(cè)試的項(xiàng)目中，問(wèn)題較大的有：充電中控制導(dǎo)引異常時(shí)，充電器保護(hù)時(shí)間不在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)(見(jiàn)圖4)；充電中斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2時(shí)，充電器保護(hù)時(shí)間不在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)(見(jiàn)圖5)；充電中的過(guò)流保護(hù)點(diǎn)超過(guò)了國(guó)標(biāo)限制值[2](見(jiàn)圖6)。

3.4 誤接線及電源故障項(xiàng)目

檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有部分被測(cè)樣品在充電插座上沒(méi)有地線時(shí)依然啟動(dòng)充電。

圖注：CH3：CP信號(hào) CH1：輸出電流 CH4：輸出電壓

圖注：CH3：CP信號(hào) CH1：輸出電流 CH4：輸出電壓

圖注：CH3：CP信號(hào) CH1：輸出電流 CH4：輸出電壓

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，便攜式充電器的使用還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

目前國(guó)內(nèi)的新能源電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正處在高速發(fā)展階段，與之配套的便攜式隨車(chē)充電器產(chǎn)品也需要進(jìn)一步完善產(chǎn)品質(zhì)量，我們建議要對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行全面深入的起火風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、觸電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和電磁兼容評(píng)估[13]，以保證整個(gè)新能源電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的健康有序發(fā)展。

[1] GB/T 18487.1—2015電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分: 通用要求[S].

[2] 張濤, 張東方, 王凌云, 等. 計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)充電模式的主動(dòng)配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化重構(gòu)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2018, 46(8): 1-9.

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[4] 王滿商, 李正明, 汪洋. 考慮電動(dòng)汽車(chē)不確定性因素的配電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化布置[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(1): 67-72.

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[5] GB/T 34657.1—2017電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電互操作性測(cè)試規(guī)范第一部分: 供電設(shè)備[S].

[6] GB/T 20234.2—2015 電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分: 交流充電接口[S].

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Test and quality analysis of portable car charger

ZHU Yangyang, HE Chun, CHEN Zhuo

(Xuchang KETOP Testing Research Institute Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

A certain amount of tests and analyses are made on the service safety of portable car charger. This paper evaluates the service safety of portable car charger in terms of related standards, electric vehicle industry and test analysis, etc. It expounds the risk in the process of its use and the relationship between the risk points and the standards, and makes an in-depth analysis of the risk points.

electric vehicle; portable; charger; monitor; quality

2020-02-20

朱洋洋(1987—)，男，本科，研究方向?yàn)榻恢绷鞒潆姌冻鋼Q電系統(tǒng)；E-mail: zhuyangyang@ketop.cn

賀 春（1973—）,男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)；E-mail: hechun@ketop.cn

陳 卓（1978—）,男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)。E-mail: chenzhuo@ketop.cn