亞濕熱氣候下充電設備的環境失效研究與評價標準

陳永強，呂國偉，劉國榮

（1.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663； 2.威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

新能源汽車充電設備在我國多種氣候環境下使用時，其環境適應性直接影響充電設備的使用穩定性、服役周期內的安全性和可靠性以及新能源汽車充電設備產業的可持續發展。

我國地域遼闊，氣候環境多樣，其中亞濕熱環境是我國典型氣候環境之一，新能源汽車充電設備在亞濕熱氣候環境下環境適應性研究在國內尚屬空白。因此，本文開展了充電樁在亞濕熱氣候下環境失效測試與評價技術研究。

1 亞濕熱氣候下充電設備的環境失效研究

1.1 充電設備內外老化腐蝕環境條件的研究

首先開展亞濕熱氣候下充電設備內外老化腐蝕環境條件的研究，充分掌握了充電設備在亞濕熱氣候下實際服役的環境嚴酷度，并分析了導致充電設備服役失效的主要環境因素。研究成果如下：

1）我國亞濕熱地區大氣環境具有較高的老化嚴酷度等級，室外使用的充電設備長期處于高輻照、高溫、高濕的環境中，高分子標準參考材料嚴酷度表征結果顯示，我國亞濕熱地區的大氣環境嚴酷度是干熱地區的1.2倍；

2）針對室外使用的充電設備，在散熱機制的作用下，內部空氣平均溫度一般不超過35 ℃，相對濕度在80 %以上，且充電設備在實際使用過程中，內部電子元器件最高溫度可達70 ℃以上，充電設備內部環境更為嚴苛，充電設備內部電子元器件的亞濕熱氣候環境可靠性、耐久性檢測需針對電子元器件實際服役溫濕度進行設計；

3）我國亞濕熱地區大氣腐蝕嚴酷度分析表明，亞濕熱地區內陸大氣環境腐蝕等級在C3等級，越接近海岸線，腐蝕等級越高，沿海城市大氣腐蝕等級為C5；

4）利用標準銅片進行充電設備內部腐蝕環境嚴酷度表征研究，結果顯示：室外使用的充電設備，其內部腐蝕等級為Gx，而室內使用的充電設備一般在G2以下。

1.2亞濕熱環境腐蝕失效機理研究

隨后開展了充電設備技術部件亞濕熱環境腐蝕失效機理研究，開發了充電設備亞濕熱環境適應性分析方法以及量化評價方法，利用模糊綜合評判方法，確定了影響充電設備關鍵部件環境失效的主要環境因素，建立了充電設備電氣模塊性能與環境因素的時間序列關系，掌握了充電設備關鍵性能隨時間的變化規律。研究成果如下：

1）室外使用的充電設備亞濕熱氣候環境下的失效行為規律研究表明：金屬部件的腐蝕失效是充電設備零部件的主要失效形式，其中溫濕度及污染物是導致充電設備腐蝕失效的主要環境因素；

2）充電設備關鍵性能演變規律研究表明：長期使用的充電設備，其防護性能呈現下降趨勢，影響充電設備的安全性及充電效率；

3）開發充電設備亞濕熱氣候環境適應性分析評價方法，研究充電設備主要元器件的性能隨時間變化的規律，結果表明：對于室外長期使用的充電設備，溫度對直流充電設備電氣結構可靠性的影響，在開始階段為很高，濕度的影響為低，污染物的影響為很低。隨著時間增長，溫度的影響下降，濕度和污染物的影響上升。長期監控結果顯示，濕度對直流充電設備電氣結構可靠性的影響最大，溫度次之，污染物最低。

1.3建立抗腐蝕性的人工加速試驗方法

進一步從理論上分析充電設備內部環境對電氣模塊性能的影響，針對充電設備內部電子元器件開展腐蝕試驗相關性研究以及帶電狀態對充電設備金屬部件腐蝕的影響研究，建立了充電設備帶電金屬材料抗腐蝕性的人工加速試驗方法。研究成果如下：

1）基于綜合模糊評價方法，理論分析亞濕熱氣候環境中溫度、濕度以及污染物對充電設備電氣模塊性能的影響，結果顯示，濕度是影響充電設備內部電氣部件的主要環境因素，溫度次之，污染物最低；

2）基于充電設備電氣部件環境分析結果，建立針對充電設備內部電氣部件的人工加速試驗方法，包括高溫試驗、交變濕熱試驗、太陽輻射試驗、流動混合氣體腐蝕試驗以及長霉試驗；

3）開展充電設備帶電金屬材料的抗腐蝕性研究，建立了充電設備帶電金屬材料抗腐蝕性的人工加速試驗方法。結果表明，電流因素加劇了純銅材質的腐蝕程度，但對純銅鍍銀材質基本沒有影響，對比結果顯示，帶電動態腐蝕速率是靜態腐蝕速率的2倍。

1.4評價亞濕熱環境下充電設備質量優劣提供了參考標準

針對充電設備設計、選材以及質量測試評價的需求，提出了《亞濕熱環境下的新能源汽車充電設備技術規范》，為實際應用評價亞濕熱環境下充電設備質量優劣提供了參考標準。研究成果如下：

1）針對充電設備的亞濕熱環境適應性，提出充電設備在亞濕熱環境下的特殊要求，包括安裝使用場景、外殼防護等級、高溫試驗、交變濕熱試驗、太陽輻射試驗、流動混合氣體腐蝕試驗、長霉試驗等，并應用于電動汽車充電設施檢測評價平臺建設及環境適應性檢測；

2）評價亞濕熱環境下新能源汽車充電設備的節能要求、電磁兼容要求和特殊性能要求。

2 《亞濕熱環境下的新能源汽車充電設備技術規范》標準內容

《亞濕熱環境下的新能源汽車充電設備技術規范》規定了亞濕熱環境下的新能源汽車充電設備的安裝使用場景分類、技術要求、試驗方法和檢驗規則。目標在于評價亞濕熱環境下新能源汽車充電設備的環境適應性、節能要求、電磁兼容要求和特殊性能要求。

2.1環境適應性要求

1）充電設備按GB/T 4208-2017進行外殼防護等級試驗，不同安裝使用場景的充電設備的外殼防護等級要求見表1。

2）充電設備按GB/T 2423.2-2008進行高溫試驗，試驗溫度穩定并持續16 h，試驗溫度見表1。高溫試驗過程中、高溫試驗后恢復至正常溫度，電動汽車充電設備工作正常無故障。

3）充電設備按 GB/T 2423.4-2008第7.3.3條的方法2進行交變濕熱試驗，循環次數6次，交變濕熱試驗高溫溫度見表1。第6次循環試驗結束前2 h，對電動汽車充電設備進行介電強度和絕緣電阻試驗，試驗要求見表2。交變濕熱試驗后恢復至正常溫濕度，電動汽車充電設備工作正常無故障。

表1 安裝使用場景、外殼防護等級及氣候環境適應性要求

表2 介電強度和絕緣電阻試驗要求

4）充電設備的塑料殼體材料或殼體上塑料部件，按GB/T 2423.24-2013第7.3條程序B進行太陽輻射試驗。試樣的材料、厚度應和充電設備殼體上的塑料材料、厚度一致的三個試樣，試樣尺寸約為 150 mm×100 mm。整個試驗持續期間相對濕度為（93±3）%，輻射強度為 1 120×（1±10 %）W/m2，照射期間實驗箱溫度為55 ℃，太陽輻射試驗周期見表1。太陽輻射試驗后試樣不應出現變型翹曲、開裂碎裂、脆化粉化等劣化現象。

5）充電設備按GB/T 2423.51-2020的方法4進行流動混合氣體腐蝕試驗，試驗持續時間見表1。流動混合氣體腐蝕試驗后，電動汽車充電設備工作正常無故障。

6）充電設備的PCB板、接插件、密封件等部件，按GB/T 2423.16-2008的試驗方法1進行防長霉試驗。長霉程度等級不低2a級。

2.2節能要求

對于所有應用場景下的電動汽車充電設備，交流充電樁的節能性能應符合表3的要求，非車載充電機應符合表4和表5的要求。

表3 交流充電樁的節能要求

表5 非車載充電機運行模式的節能要求

待機模式：充電設備的節能要求的各項測試時間不少于1 min，讀數周不大于500 ms，取算數平均值得到相應的功率。充電設備斷開與車輛模擬設備、測試負載的連接，使充電設備的工作狀態為待機模式1，連續記錄電動汽車充電設備無車輛模式的輸入有功功率和測試時間。充電設備連接車輛模擬設備，斷開測試負載，使被測設備的工作狀態為待機模式2，連續記錄充電設備空閑模式的輸入有功功率和測試時間。

運行模式：充電設備連接車輛模擬設備和測試負載，調節充電設備、車輛模擬設備和測試負載，使充電設備的工作狀態為運行模式，交流充電樁輸出額定電壓和額定電流，非車載充電機按照表4的要求調整輸出電壓和輸出電流，連續記錄充電設備運行模式的輸入有功功率、輸出有功功率和測試時間。

表4 非車載充電機待機模式的節能要求

2.3電磁兼容要求

充電設備的射頻騷擾、靜電放電抗擾度、浪涌抗擾度應符合表6的要求。射頻騷擾按照GB 4824-2013進行。靜電放電抗擾度按照GB/T 17626.2-2018進行；浪涌抗擾度按照GB/T 17626.5-2016進行。

表6 充電設備的射頻騷擾、靜電放電抗擾度、浪涌抗擾度要求

2.4特殊性能要求

充電設備的額定功率應不超過安裝場所的配電容量的90 %，連接電源接入點與充電設備的配電電纜導體截面積的選擇應符合GB 50217-2018中3.6規定的要求，且長度應不超過50 m，若電纜導體截面積提高一個等級，配電電纜的長度可以為100 m以下。

充電設備應配備用于雷電防護的浪涌保護裝置，其安裝和選型應符合GB/T 18487.1-2015中11.7規定的要求。

充電設備應具備急停保護功能，交流充電樁的急停保護試驗按照NB/T 33008.2-2018中5.4.3進行；非車載充電機的急停保護試驗按照NB/T 33008.1-2018中5.3.10進行。交流充電樁應符合NB/T33002-2018中7.7.4規定的要求；非車載充電機應符合NB/T33001-2018中6.9規定的要求。

落地式充電設備應有水浸保護功能，水位傳感器的安裝高度需低于內部最低帶電導體（導線除外）的安裝高度。

3 環境失效研究的創新性及科學性

1）利用高精度銅測試片，開展充電設備在亞濕熱氣候下實際服役環境嚴酷度量化表征研究，確定了充電設備內部微環境腐蝕嚴酷度，為人工加速試驗方法提供數據支撐。

2）基于充電設備在亞濕熱環境失效行為統計及環境失效規律研究，開發亞濕熱環境下充電設備環境適應性分析及評價方法，實現充電設備環境適應性的量化分析與評價，為充電設備產品長期亞濕熱環境下使用的安全性和耐久性研究提供了新思路。

3）基于充電設備實際服役環境嚴酷度、環境失效行為以及人工加速試驗方法研究，提出了充電設備整機和零部件的環境適應性技術要求，形成技術標準，為實際應用評價充電設備質量優劣提供參考標準。

4 亞濕熱氣候下充電設備的環境失效研究成果前景和建議

針對充電設備產品存在亞濕熱環境長期使用導致的充電設備服役壽命短、安全隱患大等問題，系統開展充電設備在亞濕熱氣候下環境失效測試與評價方法研究，建立了充電設備相應的環境適應性技術要求，為充電設備質量控制提供關鍵技術支持，進一步提高充電設備在亞濕熱環境下的服役壽命和安全可靠性，為華南地區十四五充電設備大規模建設和應用提供技術支撐。

目前只針對亞濕熱環境下的充電設備環境適應性檢測評價技術進行研究，建議后續進一步針對不同氣候環境、人文環境下的充電設備失效問題進行深入和系統的研究。