惡劣工況下大功率直流充電車輛插頭可靠性研究

孫揚，呂國偉，羅梓才，潘景輝

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510300）

引言

隨著電動汽車行業(yè)逐漸成熟，電動汽車電池包的容量和能量密度越來越高，對現(xiàn)有主流補能體系造成一定壓力。單次補能時間過長導致充電排隊，從而催生大功率充電行業(yè)快速發(fā)展。

中電聯(lián)和國家電網(wǎng)在2020 年發(fā)表的《電動汽車ChaoJi 傳導充電白皮書》對大功率充電做出了明確規(guī)劃：“電動汽車傳導直流大功率充電是指充電功率在350 kW 或以上，使得電池SOC 能夠達到（80~90）%（10~15）min 以單槍給動力電池傳導充電的技術。”白皮書指出，2022~2035 年為過渡期，ChaoJi 接口與GB/T 18487.1-2015 國標接口在市場上并存，在國際市場上，依據(jù)SAEJ1772 的CCS1 接口與2015 國標接口性能類似，兩者結構如圖1 和圖2 所示。按《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃（2021-2035 年）》的規(guī)劃，大功率直流充電設施基建將高速發(fā)展。充電設施的可靠性是影響充電效率的重要因素。車輛充電插頭相對其他零部件的使用頻率更高，各種惡劣環(huán)境因素都有可能導致其可靠性下降。本文針對大功率直流充電背景下過渡階段中各類型直流充電車輛插頭在惡劣使用環(huán)境下的各項性能進行測試，并對比分析其可靠性，為大功率直流充電設施的設計提供依據(jù)。

圖1 直流充電插頭充電能力范圍（北美地區(qū)）

1 現(xiàn)行直流車輛插頭可靠性測試標準

對于現(xiàn)行直流車輛插頭的考核主要由GB/T 20234.1-2015、GB/T20234.3-2015、GB/T 11918.1-2014 等標準進行，其中對樣品的老化后可靠性關注度不高，對于溫升測試前設置的惡劣工況的復雜程度和持續(xù)時間相較實際使用工況下有一定的差距。依據(jù)現(xiàn)行標準GB/T 18487.1-2015，測試樣品最大電流為250 A，目前過渡期的液冷接口沒有可以直接依據(jù)的溫升測試限值作為參考。本研究對于自然冷卻、主動冷卻與不同插頭結構下的溫升基于定義的惡劣工況下進行了溫升測試，樣品的最大電流較現(xiàn)行標準內更高，冷卻方式更多樣，旨在研究目前市場上何種結構的直流車輛插頭可靠性更好。

對于直流車輛接口的可靠性研究，前人對單一溫升性能有所考核，但其溫升未考慮其日常使用環(huán)境下老化后的樣品是否能夠保持其溫升性能無衰減。或研究惡劣工況設置為單一變量，對于日常直流車輛插頭的使用環(huán)境模擬的復雜度有所欠缺。本研究定義了一種惡劣工況的前置條件，更進一步的模擬日常直流車輛插頭的使用環(huán)境。對現(xiàn)有的直流車輛插頭的可靠性進行了進一步的研究。

2 測試樣品及測試環(huán)境搭建

2.1 測試樣品

目前國內直流充電接口執(zhí)行國標GB/T 18487.1-2015、 國 標GB/T 20234.1-2015、GB/T 20234.3-2015。根據(jù)其充電線纜冷卻方案可分為3 種：自然冷卻、油冷、液冷。最大電壓1 000 V DC，最大電流（自然冷卻）300 A DC，主動冷卻（液冷與油冷）最大電流800 A DC。主動冷卻為國標2015 的修訂新增，目前暫未發(fā)布。自然冷卻方案為行業(yè)普遍認識（當充電電流低于400 A 時，采用自然冷卻）依據(jù)北美充電標準SAJ 1772的CCS1 直流車輛插頭采取自然冷卻，最大電流400 A DC，最大電壓1 000 V DC，見圖1。

本研究對四種規(guī)格的直流充電插頭進行了試驗驗證。具體規(guī)格見表1。為排除壓接因素干擾，樣品端子壓接統(tǒng)一為超聲波壓接方式。

表1 樣品直流充電插頭規(guī)格

對于編號國標1#、2#、3#測試樣品，其溫升補點如圖2 所示，對其DC+端子、DC-端子、DC+絕緣帽、DC-絕緣帽進行溫升布點。

對于編號CCS1 0#測試樣品，其溫升補點如圖3 所示，對其DC+端子、DC-端子、DC+絕緣帽、DC-絕緣帽進行溫升布點。

圖3 CCS1 直流車輛插頭溫升布點

通過供應商資料結合日常送檢樣品與抽查工作的樣本調研，目前直流充電插頭供應商大多采用紫銅、錫青銅、黃銅等材質作為端子基材，使用PA66 尼龍作為槍頭與內部支架材料。本研究選擇的四種規(guī)格直流插頭樣品關鍵件如表2。

表2 樣品直流充電插頭規(guī)格

表3 模擬惡劣環(huán)境處理前后溫升對比

2.2 測試環(huán)境搭建

溫升測試環(huán)境由可編程直流源、溫升數(shù)據(jù)采集器、水冷工裝等部分組成，如圖4 所示。

圖4 測試原理圖

反復拔插實驗由充電樁插頭插座壽命試驗機、上位機組成。試驗方法按照GB/T 20234.1-2015《電動汽車傳導連接裝置 第1 部分：通用要求》7.12 使用壽命(正常操作)內規(guī)定的試驗步驟進行，測試循環(huán)測試增加為15 000 次。

氣候類環(huán)境腐蝕交變鹽霧試驗來進行模擬，參照GB/T 2423.18-2021/IEC 60068-2-52:2017《環(huán)境試驗第2 部分：試驗方法 試驗Kb:鹽霧，交變（氯化鈉溶液）》，試驗方法3 來進行。為達到模擬樣品的實際使用壽命中出現(xiàn)的老化現(xiàn)象，交變鹽霧試驗；試驗方法3 中測試循環(huán)時間延長為3 個循環(huán)，試驗裝置示意圖如圖5 所示。

圖5 大氣循環(huán)腐蝕裝置示意圖

粉塵污染測試參照GB/T 4208-2017《外殼防護等級（IP 代碼）》標準中的試驗方法進行測試，為達到模擬樣品的實際使用壽命中出現(xiàn)的老化現(xiàn)象,與常規(guī)型式試驗測試不同，粉塵污染時將移除測試樣品的防塵罩，模擬日常直流充電插頭的污染狀況，并將粉塵污染測試延長至14*24 h。

2.3 惡劣工況定義

本研究給出了一種惡劣工況定義，旨在模擬日常直流車輛插頭的使用環(huán)境，以便模擬樣品在使用老化后的樣品狀態(tài)。測試流程按照圖6 來進行。具體試驗內容如2.2 所述，整體惡劣工況測試循環(huán)3 次。

圖6 惡劣工況模擬流程圖

3 模擬惡劣環(huán)境測試及結果分析

3.1 溫升測試電流設置

對于每個直流車輛插頭，選取3 組樣品進行測試，將樣品加載在其對應的低壓大電流充電曲線上進行溫升測試，其中測試電流循環(huán)曲線為對應的各規(guī)格充電樁日常使用中高頻使用的輸出模式，其電流曲線如圖7 所示。其中樣品2#國標和3#國標按照曲線1 提供低壓大電流，0#CCS1 按照曲線2 提供低壓大電流，4#國標按照曲線3提供低壓大電流。單次電流循環(huán)周期為30 min，電流持續(xù)3 個循環(huán)，持續(xù)時間為1.5 h。

圖7 模擬電流單循環(huán)周期曲線

3.2 基準溫升數(shù)據(jù)

基于圖7 的電流曲線，樣品0#CCS1 各測試點溫升如圖8（a）所示，樣品1#國標如圖8（b）所示、2#國標如圖8（c）所示、3#國標如圖8（d）所示。

圖8 測試點溫升曲線

3.3 模擬惡劣環(huán)境處理后溫升數(shù)據(jù)

基于圖7 的電流曲線，樣品0#CCS1 各測試點溫升如圖9（a）所示，樣品1#國標如圖9（b）所示、2#國標如圖9（c）所示、3#國標如圖9（d）所示。

圖9 模擬惡劣環(huán)境處理后的溫升曲線

由圖8 與圖9 對比可以得出四種類型直流車輛插頭在進過模擬惡劣環(huán)境處理后溫升前后對比差值，具體差值見表4。

3.4 測試結果分析

測試結果表明，對于現(xiàn)行國標2015 的直流車輛插頭，在沒有對插頭結構工藝及其端子結構有升級的情況下，通過增設主動冷卻裝置對直流車輛插頭進行散熱，其抗惡劣環(huán)境能力相較于傳統(tǒng)被動式冷卻的直流車輛插頭具有顯著性提高，惡劣環(huán)境所帶來的材料老化與涂層磨損對其溫升影響較小，在具備主動冷卻裝置的情況下，現(xiàn)有國標2015 插頭結構可以滿足最大600 A 的充電電流，在惡劣環(huán)境下仍有較高的可靠性。樣品0#CCS1 與樣品3#國標作為傳統(tǒng)風冷樣品對照組，其抗惡劣環(huán)境能力較低，其中樣品0#CCS1在模擬惡劣環(huán)境處理前后差值較大，考慮其在粉塵污染、交變鹽霧處理階段，因DC+與DC-端子耦合面端子空隙較大與充電電流最大值高于樣品國標3#，其在相同模擬惡劣環(huán)境處理后，抗溫升能力不及樣品國標3#，兩組被動冷卻方案樣品在后續(xù)研究工作可以從不同材料方面開展，研究耐久性更好的端子涂層，對端子技術、壓接工藝進行優(yōu)化，提高其在惡劣工況下的抗溫升能力，保證其使用可靠性。

4 結論

本文基于大功率充電背景，通過對四種不同規(guī)格的直流車輛插頭開展溫升試驗，對比經(jīng)過惡劣環(huán)境處理前后的溫升數(shù)據(jù)，得出以下結論。

對現(xiàn)有檢驗檢測工作，在對直流車輛插頭測試時，建議重點關注樣品耦合面的材料問題，對絕緣冒及其其他貼近載流部件的非金屬材料進行驗證，保證其在惡劣工況下仍能保證較高的穩(wěn)定性。