電動汽車交流充電樁安全風(fēng)險(xiǎn)解析與關(guān)鍵試驗(yàn)研究

劉洪，許毅，王婷婷

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 電子電器家用電器質(zhì)量檢驗(yàn)所，上海 201114）

引言

發(fā)展新能源車是國家在汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略方向。2019年和2020年，近兩年全國充電樁的保有量呈現(xiàn)迅猛增長態(tài)勢，截至2019年底，我國公共和私人擁有充電樁的保有量共計(jì)121.9萬臺，同比增長比率為50.8 %，累計(jì)銷售新能源汽車數(shù)量則高達(dá)420萬輛，車樁比為3.4∶1，公共類充電基礎(chǔ)設(shè)施的增長趨居穩(wěn)定，配建的隨車充電設(shè)施與新能源電動車呈同步增長態(tài)勢；據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，2020年上半年止，我國各種類型充電樁的保有量持續(xù)增長至132.2萬個，其中包括公共充電樁保有量55.8萬個，數(shù)量位居全球首位[1,2]。為滿足新能源汽車產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展和推進(jìn)的需求，對應(yīng)充電裝備基礎(chǔ)設(shè)施的管理和安全性保障工作亟待加強(qiáng)[2,3]。

本文首先對電動汽車充電設(shè)施中產(chǎn)品本身質(zhì)量可能存在的安全問題和風(fēng)險(xiǎn)源以及對應(yīng)的各種安全故障情況進(jìn)行詳盡的解析；其次，針對廣泛應(yīng)用且常引發(fā)事故的交流充電樁現(xiàn)場安全檢查和功能性檢測項(xiàng)目及技術(shù)要求進(jìn)行逐項(xiàng)解析；最后，深入研究了交流充電控制導(dǎo)引試驗(yàn)中充電設(shè)備試驗(yàn)電路和測試系統(tǒng)，以及非正常條件下充電結(jié)束/停止試驗(yàn)的技術(shù)要求，并給出幾種常見非正常條件下充電結(jié)束或停止的實(shí)例測試結(jié)果。

1 電動汽車充電產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)源解析

針對國內(nèi)多起電動汽車充電設(shè)施特別是普遍使用的交流充電樁引發(fā)的起火燃燒等安全事故，對風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析，除了因系統(tǒng)和設(shè)備安裝不當(dāng)或維護(hù)不及時引起的安全風(fēng)險(xiǎn)外，主要涉及產(chǎn)品本身質(zhì)量問題的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)包括以下幾方面：

1）漏電風(fēng)險(xiǎn)：①防電擊保護(hù)存在缺陷，存在接觸電流超標(biāo)現(xiàn)象，普遍問題是產(chǎn)品保護(hù)接地導(dǎo)體規(guī)格偏小、保護(hù)接地連接電阻偏大等情況。②未配備剩余電流保護(hù)器，或剩余電流保護(hù)器類型選用不當(dāng)，一旦因設(shè)備出現(xiàn)故障或絕緣下降產(chǎn)生剩余電流后，產(chǎn)品將無法有效及時的切斷電源，易導(dǎo)致人員觸電事故。③產(chǎn)品保護(hù)接地導(dǎo)體連續(xù)性持續(xù)監(jiān)測功能缺失，部分產(chǎn)品存在因接地連接點(diǎn)螺絲銹蝕松動或接地導(dǎo)體斷路異常，產(chǎn)品雖然仍能正常工作，但此時若出現(xiàn)漏電故障等，產(chǎn)品外殼及其金屬部分將可能帶電，存在電擊危險(xiǎn)。④設(shè)備不具備絕緣偵測功能和接地連續(xù)性偵測功能。

2）短路風(fēng)險(xiǎn)：①絕緣電阻較小，絕緣性能下降，可能導(dǎo)致相線對地短路或設(shè)備對地短路可能，嚴(yán)重時將存在火災(zāi)隱患。②過流保護(hù)功能失效，容易導(dǎo)致充電回路過溫，甚至導(dǎo)致輸出電纜絕緣層燒損，存在短路風(fēng)險(xiǎn)。

3）著火風(fēng)險(xiǎn)：①過載保護(hù)裝置規(guī)格偏大，一旦超出額定輸出電流和充電功率的充電需求，且未觸發(fā)過載保護(hù)裝置動作限值時，整個充電回路含充電電纜、連接點(diǎn)將存在過熱、甚至引起火災(zāi)的危險(xiǎn)，起不到保護(hù)作用。②供電和車輛插座均應(yīng)配置必要的溫度監(jiān)控裝置，供電設(shè)備和電動汽車兩套系統(tǒng)均應(yīng)配置監(jiān)測溫度和過溫保護(hù)的功能。

4）綜合風(fēng)險(xiǎn)：①外殼防護(hù)等級（IP）低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求（如：室內(nèi)IP 32，室外IP 54），尤其是室外場景應(yīng)用的情況，因產(chǎn)品實(shí)際達(dá)不到IP 54要求，經(jīng)過日曬雨淋，內(nèi)部元器件發(fā)生進(jìn)水、生銹、灰塵集聚等現(xiàn)象，可能引發(fā)防電擊保護(hù)功能和絕緣性能下降，最終導(dǎo)致漏電、短路等一系列安全風(fēng)險(xiǎn)。②接觸器發(fā)生觸頭粘連而造成機(jī)器的失控，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)機(jī)械事故和人身傷害。③車輛插頭未安裝配備電子鎖止裝置或是電子鎖止裝置出現(xiàn)失效的情況，導(dǎo)致無法避免充電過程中的帶電斷開，可產(chǎn)生使用者的觸電風(fēng)險(xiǎn)，同時直流充電機(jī)可能發(fā)生拉弧現(xiàn)象，從而引發(fā)著火風(fēng)險(xiǎn)。④用于急停的按鈕失靈，也會損壞設(shè)備甚至發(fā)生人身傷害事故。⑤通訊故障導(dǎo)致充電機(jī)未能及時停止充電，會造成設(shè)備損壞甚至造成人身傷害。

5）跳槍風(fēng)險(xiǎn)：①車樁之間的控制導(dǎo)引連接狀態(tài)跳轉(zhuǎn)和間隔未根據(jù)時序設(shè)置，如充電前的刷卡時間限定在數(shù)秒之內(nèi)完成，充電參數(shù)尚未設(shè)置完成，充電樁已經(jīng)開始發(fā)送9 V的PWM信號，導(dǎo)致充電設(shè)置失敗。②對于有操作界面的供電設(shè)備，未在規(guī)定時間內(nèi)完成人機(jī)交互如充電參數(shù)設(shè)置和確認(rèn)操作等，導(dǎo)致充電失敗。③通訊故障，引發(fā)報(bào)文發(fā)送錯誤或響應(yīng)不及時，導(dǎo)致車和樁之間的通訊失敗，無法進(jìn)行充電操作。

6）其他風(fēng)險(xiǎn)：啟動充電的時候，沖擊電流過大，瞬間電流沖擊的干擾造成設(shè)備工作異常、電路損壞等。

2 交流充電樁現(xiàn)場安全檢測項(xiàng)目與技術(shù)要求

關(guān)于普遍廣泛使用的交流充電樁自查項(xiàng)目及技術(shù)要求，重點(diǎn)是偏向于對產(chǎn)品質(zhì)量和安全等方面檢查，包含項(xiàng)目有：一致性檢查、結(jié)構(gòu)檢查、充電連接方式檢查、接地連續(xù)性試驗(yàn)、絕緣電阻試驗(yàn)、顯示功能試驗(yàn)，以及重要的控制導(dǎo)引相關(guān)安全和功能性系列試驗(yàn)，詳見表1。

3 交流充電的控制導(dǎo)引試驗(yàn)電路及測試系統(tǒng)

普遍使用的充電模式3（采用專用供電設(shè)備連接電動汽車至交流供電網(wǎng)）下三種連接方式A、B和C的控制導(dǎo)引電路原理，可參見標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1中關(guān)于控制導(dǎo)引電路與控制原理的說明[4]。

交流充電設(shè)備測試系統(tǒng)的基本電路構(gòu)架詳見圖1。

表1 交流充電樁現(xiàn)場檢測隱患項(xiàng)目及技術(shù)要求[4-7]

圖1 交流充電測試系統(tǒng)電路構(gòu)架圖

4 非正常條件下充電結(jié)束/停止

以下幾種非正常條件下充電結(jié)束或停止情況，評判方法參見標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1[4]，針對部分情況給出詳細(xì)說明和對應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)實(shí)例，詳見圖2。

1）充電進(jìn)程中，若檢測點(diǎn)1測得電壓值為9 V 、12 V或其它非6 V狀態(tài)，則在100 ms內(nèi)供電控制裝置應(yīng)切斷供電交流電；

2）充電模式3的連接方式A或B在充電進(jìn)程中，供電控制裝置對檢測點(diǎn)4實(shí)施監(jiān)測，若供電接口處由完全連接轉(zhuǎn)為切斷，則開關(guān)S1應(yīng)被供電控制裝置切換到+12 V狀態(tài)且在100 ms內(nèi)切斷供電交流電路。

3）車輛S2斷開：S2斷開，檢測點(diǎn)1電壓為9 V，在100 ms內(nèi)供電控制裝置應(yīng)切斷供電交流電路，但仍持續(xù)PWM輸出。該情況下，不需要重新插拔電纜線即可恢復(fù)再次充電。

4）過流保護(hù)：供電設(shè)備監(jiān)測車載充電機(jī)實(shí)際工作電流，當(dāng)供電設(shè)備PWM信號對應(yīng)的最大供電電流（Imax）≤20 A，且實(shí)際工作電流大于（Imax+2 A）并保持5 s時；供電設(shè)備PWM信號對應(yīng)的最大供電電流Imax＞20 A，且實(shí)際工作電流大于（Imax×1.1）并保持5 s時，則供電設(shè)備在5 s內(nèi)應(yīng)斷開輸出電源，并開關(guān)S1被控制切換到+12 V狀態(tài)，停止PWM輸出。該情況下，可以通過重新插拔電纜線恢復(fù)再次充電。

5 結(jié)語

近年來，電動汽車及配套充電基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)一度處于飛躍式快速發(fā)展期，但其經(jīng)濟(jì)收益狀態(tài)仍不容樂觀，電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)及其裝備的產(chǎn)業(yè)鏈涉及各方利益體，包括：運(yùn)營商、設(shè)備制造商、汽車制造商、連接器制造商等，建立充電設(shè)施安全管理體系，需要投入大量的人力、物力、財(cái)力，各環(huán)節(jié)企業(yè)的壓力都會進(jìn)一步加大。基于這一點(diǎn)考慮，產(chǎn)業(yè)內(nèi)很多充電設(shè)備企業(yè)和產(chǎn)品制造商有降低構(gòu)件成本和工藝標(biāo)準(zhǔn)從而降低出售價(jià)格來換取廣泛銷量和鋪設(shè)率的做法。國內(nèi)市場呈現(xiàn)魚龍混雜的狀況，同時產(chǎn)業(yè)存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、認(rèn)證檢測難度高等多方面問題。本文主要從電動汽車傳導(dǎo)充電產(chǎn)品自身功能和安全性保障的方面對各類可能存在的風(fēng)險(xiǎn)情況和風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行詳細(xì)分析和歸納，同時，重點(diǎn)對于有一定覆蓋廣度的交流充電樁現(xiàn)場安全檢測和技術(shù)要求進(jìn)行詳盡解析，給出標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求和符合性指標(biāo)，進(jìn)一步地，深入研究了交流充電控制導(dǎo)引試驗(yàn)，給出充電設(shè)備試驗(yàn)測試系統(tǒng)電路，并對幾種典型的非正常條件下充電結(jié)束/停止案例提供了檢測數(shù)據(jù)支持。大量標(biāo)準(zhǔn)化體系工作仍需不斷推進(jìn)，這些工作對于推動電動汽車充電系統(tǒng)和裝備生產(chǎn)企業(yè)提升品質(zhì)，同時促進(jìn)和規(guī)范產(chǎn)業(yè)內(nèi)各環(huán)節(jié)利益體之間形成良性合理的市場競爭狀態(tài)，具有有益的指導(dǎo)作用和積極影響。

圖2 非正常條件下充電結(jié)束/停止的典型實(shí)例

圖2 非正常條件下充電結(jié)束/停止的典型實(shí)例