熱帶海島電動汽車充電設施環境技術標準分析

龐松嶺，黎智，趙海龍，王俊，陳川，黃廷城

（1.海南電網有限責任公司電力科學研究院，海口 570311；2.熱帶智能電網實驗室，?？?570311；3.中國電器科學研究院股份有限公司 工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510663；4.重慶大學電氣工程學院，重慶 400000）

引言

隨著新能源電動汽車的大范圍推廣及產業化應用，電動汽車的充電需求也在不斷的增加[1-2],新能源汽車充電設施作為中國“新基建”的重點建設領域，必將在未來數年得到進一步推廣應用。

近年來，國內出臺了多項政策，支持推動電動汽車的健康快速發展。根據《海南省清潔能源汽車發展規劃》，力爭在2030 年達到新增和更換新能源汽車比例100 %。提出打造全島“一張網”的運營模式工作要求，積極推動“碳達峰、碳中和”工作，構建低碳化海島交通系統。

在新能源發展工作的推進過程中，電動汽車充電設施也面臨著一系列環境適應性和標準體系完善等難題。海南省地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候，邊緣熱帶濕潤氣候區夏季經常出現高溫配合高濕天氣，年平均日照時數2 000 h，沿海地區長期維持高鹽霧環境條件[3]，電動汽車充電設施在投運1～2年后出現不同程度的外殼腐蝕、涂層開裂、柜內凝露、發熱異常、材料老化發霉等環境缺陷問題，設備結構件和關鍵元器件在熱帶海島多種復雜環境因素影響下容易發生環境失效問題[4-5]，難以保障設備使用可靠性和電能計量的精準性[6]，給電動汽車充電設施的正常運行及使用帶來了嚴重的安全隱患。

環境適應性是設備和材料的重要評價指標[7]，而當前耐候性試驗不滿足熱帶沿海地區電動汽車充電設施實際工況需求[8]，為此本文針對海島高溫、高濕、高鹽霧等復雜環境下電動汽車充電設施的服役環境特征和可靠性開展分析，基于熱帶海島環境因素對電動汽車充電設施本體和關鍵部件的影響，對當前電動汽車充電設施環境試驗相關標準要求進行分析，并提出針對電動汽車充電設施環境技術的結論和建議。

1 服役環境特征

電動汽車充電設施可劃分為傳導式充電和無線充電兩大類，當前電動汽車多采用傳導式充電方式。傳導式充電設施主要包括非車載充電機和交流充電樁，電動汽車充電設施的服役環境主要可劃分為室外和室內，見表1。

表1 電動汽車充電設施服役環境劃分

表 2 環境因素導致的電動汽車充電設施故障分析

根據表1 所述，電動汽車充電設施大多安裝于戶外，長期運行于嚴酷自然環境下。在熱帶海島嚴酷環境下，與外部環境直接接觸的充電連接裝置、顯示屏等元件將直接受高溫、高濕、高輻照、高鹽霧等嚴酷環境影響，容易造成充電槍的電子鎖銹蝕、屏幕外殼材料老化等問題。設備金屬防護外殼銹蝕、密封件老化會降低對內部元器件的保護能力減弱，造成外部環境的滲透。當內部的功能模塊、電能表等部件將受到高濕、鹽霧等環境因素影響，容易造成接觸電阻和腐蝕速率的增加，導致發熱異常及絕緣故障等問題[9-11]，影響電動汽車充電設施使用可靠性。

2 可靠性分析

電動汽車充電設施是一套復雜的系統集成設備，由各功能模塊、顯示屏、電能表、電氣元件等構成，各部件和材料的使用可靠性問題不容忽視。通過對海南省近1 年充電設施的運行維護情況進行統計，列出了典型熱帶海島電動汽車充電設施故障樹，見圖1。

圖2 內部元件銹蝕嚴重

由圖1 可知，在熱帶海島電動汽車充電設施故障樹中，中間事件劃分為緊急故障和一般故障，按照故障程度的不同，緊急故障可分為鎖槍故障和絕緣故障等，該類安全問題影響較大，需要重點處理。一般故障主要為部件故障，包括了充電設施的常用功能部件，可分為功能模塊、顯示屏、充電連接裝置和電能表。

通過對海南已失效的電動汽車充電設施進行調研，選取典型失效部件進行分析，了解部件故障的主要現象和原因，見表2。

上述分析可見，電動汽車充電設施的環境適應能力直接影響設備的使用可靠性。在熱帶海島環境下需要重點考慮下列部件材料的環境適應能力和耐久等級：外殼防護性能、功能模塊的電子線路板和芯片的耐腐蝕性、電子鎖防銹性、顯示屏和充電連接裝置材料的耐老化性、內部元器件的耐高溫性及充電設施整體環境防護技術的提升。

3 環境試驗標準分析

本章對電動汽車充電設施的環境試驗技術標準進行統計分析，包括非車載充電機和交流充電樁。產品環境試驗要求涉及國家標準、行業標準、團體標準以及電網企業標準等13 項，見表3。

上述標準均對電動汽車充電設施的環境試驗方法和技術要求提出了相關規定，本章主要對標準中提出的環境試驗方法和嚴酷度要求進行統計分析，包括：高溫試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、防霉變試驗、防太陽輻射試驗、耐老化試驗、耐腐蝕及防銹試驗和防護等級試驗。

3.1 高溫試驗

當前部分行業標準、團體標準和企業標準對電動汽車充電設施的高溫試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GB/T 2423.2-2008《電工電子產品環境試驗 第2 部分：試驗方法試驗B：高溫》的規定，見表4。

表4 電動汽車充電設施的高溫試驗要求

由表4 可以看出，上述標準的高溫試驗均未考慮充電設施的運行工況，充電設施尤其是非車載充電機在進行快速充電時，大功率作用下設備內部溫度可能會升高至70 ℃以上，高于上述標準規定的溫度。

3.2 交變濕熱試驗

當前部分行業標準、團體標準和企業標準對電動汽車充電設施的交變濕熱試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GBT 2423.4-2008《電工電子產品環境試驗 第2 部分：試驗方法 試驗Db： 交變濕熱試驗方法（12 h+12 h 循環）》的規定，見表5。

表5 電動汽車充電設施的交變濕熱試驗要求

由表5 可以看出，不同標準對充電設施所規定的嚴酷度等級不同，交變濕熱試驗主要驗證設備或元器件在高濕度與溫度循環變化下設備能否正常運行的能力，中電聯團隊標準主要面向高溫沿海地區，雖然其嚴酷度要求相比其它標準有所提升，但仍不足以全面有效的反映充電設施在熱帶海島地區不同嚴酷環境下的耐久可靠性。

3.3 防鹽霧試驗

當前部分行業標準、團體標準和企業標準對電動汽車充電設施的防鹽霧試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GB/T 2423.17-2008 《電工電子產品環境試驗 第2 部分：試驗方法試驗Ka：鹽霧》和GB/T 1771-2007《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》的規定進行，見表6。

表6 電動汽車充電設施的防鹽霧試驗要求

熱帶海島海鹽粒子濃度要高于內陸地區約2～3 個數量級[4]，高鹽霧環境更容易引起設備各種腐蝕性問題，應根據充電設施不同零部件的運行環境不同而選擇不同的試驗嚴酷度要求和耐久性分級評價方法。

3.4 防霉變試驗

當前部分行業標準、團體標準和企業標準對電動汽車充電設施的防霉變試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GB/T 2423.16-2008《電工電子產品環境試驗 第2 部分：試驗方法 試驗j 及導則：長霉》的規定進行，見表7。

表7 電動汽車充電設施的防霉變試驗要求

熱帶海島地區高濕、強降雨環境利于霉菌的生長繁殖，造成設備表面污染，由表7 可以看出，當前部分標準針對熱帶海島充電設施防霉變試驗要求缺失。

3.5 防太陽輻射試驗

當前僅在團體標準中對電動汽車充電設施的防太陽輻射試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GB/T 2423.24-2013《環境試驗第2 部分試驗方法試驗Sa 模擬地面上的太陽輻射及其試驗導則》的程序B規定進行，見表8。

表8 電動汽車充電設施的防太陽輻射試驗要求

據統計，海南島年平均日照時數2 000 h，部分熱帶邊緣地區≥2 500 h，年平均太陽輻射量6 000 MJ/m2，熱帶海島高強度的太陽輻射和長時間的持續日照影響著設備結構和電氣性能，由表8 可以看出，當前國內對充電設施的防太陽輻射試驗要求的嚴酷度要求相較熱帶海島實際環境條件偏低，難以全面對應熱帶海島地區充電設施的實際運行指標。

3.6 耐老化試驗

當前僅在國家標準中對電動汽車充電設施的耐老化試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GB/T 11918.1-2014《工業用插頭插座和耦合器第1 部分通用要求》的規定進行，見表9。

表9 電動汽車充電設施的耐老化試驗要求

熱帶海島特殊環境會造成充電設施橡膠、熱塑性等材料的老化，將直接影響充電設施的性能。材料老化對充電設施的穩定運行造成重大隱患，應針對熱帶海島地區環境特點提出耐老化試驗方法，針對性提出防護措施，進而提高抗老化材料應用標準和施工工藝導則。

3.7 耐腐蝕及防銹試驗

當前部分國家標準和行業標準對電動汽車充電設施的耐腐蝕及防銹試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GB/T 11918.1-2014《工業用插頭插座和耦合器第1部分通用要求》的規定進行，見表10。

表10 電動汽車充電設施的耐腐蝕及防銹試驗要求

熱帶海島特殊環境會造成充電設施腐蝕和金屬材料銹蝕，熱帶海島鹽霧中的氯離子對充電設施的金屬部分起到了腐蝕破壞作用，導致機械部件、操作機構卡澀、失靈，同時濕氣、鹽霧、霉菌會腐蝕電路板導體，甚至造成無法挽回的短路。由表10 可以看出，當前充電設施標準缺失多環境應力下耐腐蝕與防銹試驗的耐久可靠要求。

3.8 防護等級試驗

當前部分行業標準、團體標準和企業標準對電動汽車充電設施的防護等級試驗方法和技術要求提出相關規定，按照國標GB 4208-2017《外殼防護等級（IP 代碼）（IEC 60529，IDT）》的規定進行，見表11。

表11 電動汽車充電設施的防護等級試驗要求

在熱帶海島雨天過后，部分充電設施內部有進水現象，存在漏電等安全隱患，當前的充電設施防護標準偏低，亟需完善其密封性的耐久可靠驗證。

根據上述電動汽車充電設施的多類環境試驗標準技術要求可知：

1）當前標準主要針對電動汽車充電設施整機環境試驗提出相應要求，試驗周期短，缺乏關鍵部件的環境試驗技術要求和整體的耐久性試驗評價，與熱帶海島電動汽車充電設施服役壽命要求有較大差距。

2）環境試驗方法均為單一因素試驗，沒有綜合考慮多種復雜環境因素對帶工況電動汽車充電設施的影響，難以準確驗證設備在熱帶海島環境下的真實服役狀態。

3）部分環境試驗要求缺失和試驗嚴酷等級要求偏低：

①部分環境試驗要求缺失，例如電動汽車充電設施耐老化試驗要求，僅國家標準GB/T 11918.1-2014《工業用插頭插座和耦合器第1 部分通用要求》針對充電連接裝置提出了規定，而面向熱帶海島地區的設備整機和其他關鍵部件的耐老化試驗要求和耐久性評價要求缺失。

②部分試驗嚴酷等級要求偏低，熱帶海島地區年平均相對濕度82 %，部分熱帶邊緣地區年平均日照時數≥2 500 h，年平均太陽輻射量6 000 MJ/m2，且電動汽車充電設施尤其是非車載充電機在進行快速充電時，設備內部溫度可能會升高至70 ℃以上，當前部分標準的高溫試驗、交變濕熱試驗和防太陽輻射試驗嚴酷等級等環境試驗難以適應熱帶海島地區的實際應用要求。

4 結論與建議

本文通過分析熱帶海島電動汽車充電設施服役環境特征、可靠性和環境試驗技術標準，得出以下結論：

1）通過故障樹分析，電動汽車充電設施的使用安全問題以及功能模塊、顯示屏、充電連接裝置和電能表等部件受環境因素影響較為嚴重，當前充電設施在熱帶海島惡劣環境下的可靠性應用效果有限，難以保障設備長時間的可靠性使用。

2）當前的電動汽車充電設施環境試驗標準均為單因素環境試驗方法，部分試驗規定的嚴酷等級與設備實際使用情況存在較大差距，應考慮多因素環境應力在長期綜合作用下對設備的影響，實現設備狀態的精準評估。

3）部分充電設施的環境試驗項目和試驗對象不齊全，缺乏綜合環境試驗、耐久性評價等試驗要求和耐老化等試驗對象要求，還需要針對熱帶熱帶海島環境應用條件進行研究完善。

基于上述結論，可進一步分析得出適用于熱帶海島地區電動汽車充電設施的相關研究方向和建議：

1）開展熱帶海島充電設施服役微環境在線監測技術研究及應用，精準監測大功率充電設施在快速充電狀態下的設備內部環境狀態，開發適用于熱帶海島環境電動汽車充電設施微環境在線監測系統。

2）開展熱帶海島電動汽車充電設施多因素綜合環境試驗方法研究，開發多因素綜合環境試驗設備，完善不同應用環境下設備整機、關鍵部件和材料的環境試驗方法和嚴酷度要求，構建電動汽車充電設施熱帶環境耐久性標準體系，提高設備使用可靠性。

3）針對熱帶海島環境特點開展充電設施綜合環境、耐腐蝕等環境試驗研究，完善熱帶海島不同環境應力下充電設施的環境試驗項目、試驗要求和嚴酷程度，構建充電設施熱帶環境耐久性評價標準，包括環境條件、試驗方法、耐久性評價與分級等要求。