放電連接裝置環(huán)境可靠性測試與失效分析

李 曉， 蔡志濤， 王嬌嬌， 陳 赫

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300）

1 引言

國內(nèi)新能源汽車正處于高速發(fā)展階段，隨著技術(shù)的升級換代以及基礎(chǔ)功能的愈加完善，消費者接受程度已明顯大幅提升，更多車企也將目標(biāo)對準(zhǔn)了新能源汽車市場。面對競爭日益激烈的市場環(huán)境，為了奪得消費者青睞，汽車制造廠商把更多的精力轉(zhuǎn)向了附加功能的創(chuàng)新與研發(fā)，以滿足用戶的更多需求。目前，某些品牌車輛配備的放電連接裝置備受關(guān)注，可實現(xiàn)車外220V交流放電功能，即通過自帶的放電連接裝置將電池包電量轉(zhuǎn)為220V民用交流電，從而對外部用電器供電。它既能夠支持野外旅行時的大功率電器使用，也能夠接洗車機，或是接氣泵為汽車輪胎充氣等，極大地提升了用戶使用舒適度。放電連接裝置還能夠給其他新能源汽車或是插電混動車補充電量，實現(xiàn)對其他車輛的救援。放電功能已成為一大亮點，可以預(yù)見將廣泛應(yīng)用于更多汽車品牌上，然而技術(shù)創(chuàng)新對整車功能安全設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)，戶外復(fù)雜的使用環(huán)境及操作者使用方法不當(dāng)都可能影響功能安全，嚴重情況下甚至?xí)?dǎo)致車輛起火威脅駕駛?cè)藛T生命安全，造成惡性傷亡事故。

本文分別選取了3種品牌新能源汽車放電連接裝置樣品進行環(huán)境可靠性測試，分析了失效模式和失效機理，對各樣品可靠性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和性能表現(xiàn)做出了客觀評價。

2 實驗?zāi)康?/h2>

1） 測試樣品在通用汽車環(huán)境試驗條件下的工作狀態(tài)，是否滿足其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2） 開展放電連接裝置失效分析，驗證樣品失效時的安全性能。

3） 提出樣品存在問題及改進措施建議。

4） 通過進一步分析失效情況，以期相關(guān)研究結(jié)論能服務(wù)于產(chǎn)業(yè)研究、產(chǎn)品設(shè)計與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定、完善。

3 實驗方案設(shè)計

預(yù)判可能造成放電連接裝置失效的主要環(huán)境因素有降雨、高溫和極端環(huán)境改變，因此針對以上因素，將待測試的放電連接裝置按生產(chǎn)廠家分組為1#、2#和3#三組，分別對其進行防水測試、高溫運行測試及濕熱循環(huán)測試。為驗證樣品失效時的安全性能，設(shè)計了耐燃性能測試，使用干涉測試。

1） 防水測試：測試樣品的防水能力。

2） 高溫運行測試：恒定溫度下，測試樣品長時間穩(wěn)定運行的能力。

3） 濕熱循環(huán)測試：溫度周期變化時，測試樣品正常工作的能力。

4） 耐燃性能測試：測試樣品材料耐燃性。

5） 使用干涉測試：測試樣品與民用插排的接合匹配情況。

4 測試實驗結(jié)果

4.1 防水測試

放電連接裝置防水測試裝置如圖1所示，將樣品放置在防水試驗機中，設(shè)置防水試驗機參數(shù)，進行IPX5的防水試驗，試驗后進行絕緣測試，驗證樣品是否可以在雨天進行戶外使用。

試驗結(jié)果如圖2～圖4所示，1#、2#和3#測試樣品在試驗中發(fā)生進水現(xiàn)象，試驗結(jié)束后對樣品進行功能測試，無法進行正常工作。

圖1 防水測試裝置

圖2 1#樣品進水后絕緣失敗圖

圖3 2#樣品進水后絕緣失敗圖

圖4 3#樣品進水后絕緣失敗圖

4.2 高溫運行測試

放電連接裝置高溫運行測試現(xiàn)場如圖5所示，將樣品放置在溫箱中，溫度調(diào)節(jié)至60℃，待溫度穩(wěn)定后啟動樣品使之正常工作，觀察樣品是否能在高溫條件下滿負載工作12h，記錄其工作狀態(tài)。

圖5 高溫運行測試裝置

1#樣品高溫運行測試結(jié)果如圖6所示，實驗前期，樣品工作正常，測試30min后，由于產(chǎn)品自身發(fā)熱，溫度不斷上升，超過了樣品的溫度保護閾值80℃，使產(chǎn)品開啟保護停止運行，未達到高溫運行的試驗要求。

2#樣品高溫運行測試結(jié)果如圖7所示，在試驗過程中樣品一直處于正常工作狀態(tài)，在試驗期間進行排查過程中發(fā)現(xiàn)樣品發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，判斷其沒有過溫保護功能，故人為中斷實驗，未達到高溫運行的試驗要求，其高溫運行后樣品狀態(tài)如圖8所示。

3#樣品高溫運行測試結(jié)果如圖9所示，實驗前期，樣品工作正常，測試1h后，由于產(chǎn)品自身發(fā)熱，溫度不斷上升，超過了樣品的溫度保護閾值80℃，使產(chǎn)品開啟保護停止運行，未達到高溫運行的試驗要求。

圖6 1#樣品高溫運行失敗圖

圖7 2#樣品高溫運行圖

圖8 2#樣品高溫運行后樣品狀態(tài)

圖9 3#樣品高溫運行失敗圖

4.3 濕熱循環(huán)測試

放電連接裝置濕熱循環(huán)測試現(xiàn)場如圖10所示，將被測樣品置于環(huán)境測試工裝中，模擬樣品處于工作狀態(tài)。

圖10 濕熱循環(huán)測試現(xiàn)場

參照GB/T 2423.34標(biāo)準(zhǔn)開展?jié)駸嵫h(huán)測試，試驗條件要求如下。

1） 輸出負載：滿載。

2） 環(huán)境濕度：95%。

3） 溫度周期規(guī)律為：①65℃ （室內(nèi)） 溫度下保持2h；②溫度在2h內(nèi)均勻地降到-20℃；③-20℃溫度下保持1h；④溫度在1.5h內(nèi)均勻地升到40℃；⑤40℃溫度下保持1h；溫度在0.5h內(nèi)均勻上升到65℃。

4） 持續(xù)30個循環(huán)，試驗過程中記錄試驗數(shù)據(jù)。做完測試在常溫環(huán)境下至少恢復(fù)4h后對試樣進行功能測試［1］。

1#樣品濕熱循環(huán)測試結(jié)果如圖11所示，放電連接裝置在測試122h后，產(chǎn)品失效，原因是受濕熱循環(huán)測試影響民用插排故障無法正常使用。其測試后狀態(tài)如圖12所示。

圖11 1#樣品濕熱循環(huán)測試失敗圖

圖12 1#樣品濕熱循環(huán)測試后狀態(tài)

2#樣品濕熱循環(huán)測試結(jié)果如圖13所示，放電連接裝置在測試136h后，產(chǎn)品失效，原因是受濕熱循環(huán)測試影響民用插排故障無法正常使用。其測試后狀態(tài)如圖14所示。

圖13 2#樣品濕熱循環(huán)測試失敗圖

3#樣品濕熱循環(huán)測試結(jié)果如圖15所示，放電連接裝置在測試144h后，產(chǎn)品失效，原因是受濕熱循環(huán)測試影響民用插排故障無法正常使用。其測試后狀態(tài)如圖16所示。

圖14 2#樣品濕熱循環(huán)測試后狀態(tài)

4.4 耐燃性能測試

放電連接裝置耐燃性能測試裝置如圖17所示，將被測樣品置于固定臺架上，通過灼熱絲加熱。

圖15 3#樣品濕熱循環(huán)測試失敗圖

參照GB/T 20234.1-2015中耐燃性能測試要求開展實驗，試驗條件要求如下。

設(shè)定灼熱絲溫度為850℃，持續(xù)燃燒1min，關(guān)閉火焰槍，待樣品晾置1h后，觀察3種放電連接裝置耐燃實驗后狀態(tài)［2］如圖18～圖20所示。

圖16 3#樣品濕熱循環(huán)測試后狀態(tài)

圖17 耐燃性能測試裝置

圖18 1#耐燃試驗后樣品情況

圖19 2#耐燃試驗后樣品情況

觀察可知，1#材料測試樣品燃燒后可以停止繼續(xù)燃燒，經(jīng)測試可保證防火需求；2#材料測試樣品燃燒后主體面有輕微燃燒損壞，經(jīng)測試可保證防火需求；3#材料測試樣品燃燒后無法主動熄滅火焰，未通過耐燃性測試。

圖20 3#耐燃試驗后樣品情況

4.5 使用干涉測試

3種放電連接裝置與民用插排插接測試，插合部分尺寸滿足要求，但插頭外形尺寸各異，從圖中可觀察到，只有3#插頭能夠完全插進插孔內(nèi)，1#與2#插頭不能完全插進插孔內(nèi)，存在安全隱患。

5 總結(jié)

1） 目前放電連接裝置主要失效部位為民用插排端，說明目前民用插排產(chǎn)品暫時無法滿足車規(guī)級使用要求。

2） 放電連接裝置應(yīng)選用級別更高的耐燃材料，滿足耐燃性能要求，否則存在較大的起火安全隱患。

3） 放電連接裝置應(yīng)安裝過溫保護模塊，設(shè)置過溫保護閾值，防止在高溫環(huán)境中長時間工作，致使產(chǎn)品持續(xù)發(fā)熱，造成部分接觸點溫度過高，進而發(fā)生過熱自燃。

4） 過溫保護閾值設(shè)置不合理會引起放電連接裝置失效。在產(chǎn)品設(shè)計階段應(yīng)充分結(jié)合產(chǎn)品高溫環(huán)境下工作的自發(fā)熱情況，設(shè)置合理的過溫保護閾值。閾值設(shè)置過低，雖然理論上可在設(shè)定高溫條件下工作，但是由于疊加了產(chǎn)品自身發(fā)熱，溫度升高快，高于預(yù)期設(shè)置閾值，使產(chǎn)品過度保護而無法達到試驗標(biāo)準(zhǔn)。

5） 放電連接裝置產(chǎn)品尺寸要求需進一步補充，只保證插合部分尺寸滿足要求，不對外形及安裝尺寸加以限定，可能會導(dǎo)致使用過程中插頭與插座無法完全插合，電路虛接帶來安全隱患。