新能源汽車交流充電插座過溫問題分析與改善方案

趙 斌，戴力強，陳 雪，劉 杰，趙 佳，3

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000；2.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150000；3.清華大學，北京 100084）

隨著全球能源短缺問題日益突出和各國對環境保護的重視，新能源汽車逐漸成為交通領域的發展趨勢。新能源汽車除續航外，其充電設施成為可持續性的關鍵因素之一，而充電時，交流充電與直流充電相比，具有安裝簡單、成本較低、充電設備維護簡單等優勢。交流充電通常適用于低頻率和低電量需求的場景，如家庭、小區停車場等輕度使用環境。根據中國充電聯盟運營報告，截至2023年5月，國內公共充電樁數量新增208.4萬臺，其中直流充電樁87.7萬臺占比42.08%，交流充電樁120.7萬臺占比57.92%。交流充電由于方便性占比依然很高，同時為方便客戶充電，汽車整車市場針對純電模式續航200km以下的混動車型還推出了基于交流充電插座結構上的交/直流充電槍轉換復式充電接口功能，通過轉接裝置，車輛既可以使用交流充電槍也可以使用直流充電槍進行日常充電，如吉利的領克05混動車型和比亞迪的宋Plus DMI車型等。交流充電固然重要且使用方便，但仍存在一些諸如充電過溫等影響客戶使用感受的痛點問題。

1 現狀及問題

新能源汽車相比燃油車，能量補給時充電速率慢和充電安全問題尤為突出。雖然通常稱為慢充的交流充電的功率較小，但仍會存在充電安全問題。目前針對快充的直流充電和電池包溫升安全問題已經受到業界廣泛關注[1-4]，但針對慢充的交流充電，業界專業人士關注較少，本文重點圍繞新能源汽車交流充電安全案例問題進行挖掘分析。

新能源汽車充電的速率本質上取決于充電的功率，一般乘用車平臺電壓均為400V，少數車型可做到800V，如保時捷Taycan。根據歐姆定律，P=U·I，當平臺電壓恒定時，增大電功率只能通過提升電流實現；根據焦耳定律，Q=I2·R·t，在散熱能力固定的條件下，可知當時間t恒定時，電流I越大，電流產生的熱能Q越高，超過臨界值則會出現熱失衡，而當電流I一定時，時間t持續越久，電流產生的熱能Q也會越高，超過臨界值同樣會出現熱失衡，故長時間使用高電流充電會產生很高的熱能，導致充電的溫度升高，產生過溫現象。新能源汽車在充電過程中整車控制模塊采集到溫度過高的信號時，會命令充電控制模塊限制充電電流或停止充電，進而降低充電槍與充電插座金屬端子接觸充電時導體的溫度，并且在溫度升高過快或溫度傳感器失靈等特殊條件下，高溫會直接導致充電插座發生燒蝕，給客戶帶來使用困擾。溫升過高引起的因素有很多，諸如制作工藝不成熟，端子與簧片磨損嚴重，線束與端子連接不穩定，溫度檢測設計不合理，溫控策略設計不合適等[1]。在諸多因素中，線束與端子連接屬于工藝和本質材料影響溫度升高的關鍵因素，故本文對此進行重點剖析。

2 工作原理

新能源汽車在交流充電過程中，充電回路通過充電槍與充電插座接觸傳導實現整個回路中電流的流通，在該過程中交流充電插座線束總成可視為功率非常小的回路負載，負載電阻值在充電時會產生一定的熱能，該熱能值是引起充電溫升變化的直接因素。接觸電阻原理如圖1所示。

圖1 接觸電阻原理圖

標準規定充電過程中溫升[5]ΔT≤50K。

式中：T1——充電過程中測量溫度值；T0——環境溫度值。

交流充電插座內部溫度傳感器實時上報整車溫度檢測數據，在溫度超過閾值時，整車會間接反饋充電處于溫度過高的異常工作故障狀態。由于導線自身不具備調節電流大小的能力，故下文中的闡述針對交流充電插座內部的端子部分，依據焦耳定律進行溫升分析。

導線電阻值理論計算方法為[6]：

式中：ρ——導線電阻率；L——導線長度；S——導線橫截面積；α——電阻溫度系數。

電纜使用TR銅線，標稱線徑為6mm2，基于圖1所示原理，計算總成內阻值如下，在20℃環境溫度下，基于標準限制數值選型[7]。

導線電阻值計算公式：

式中：Rw——導線電阻值；ρw——導線電阻率；Lw——導線長度。

參考標準推薦值，6mm2導線20℃時，ρwmax=3.14mΩ/m，ρwmin=2.89mΩ/m。為方便下文中故障樣件對比，采集實車取樣，統一將新品樣件導線長度設置為1.37m，Rwmin=3.959mΩ，Rwmax=4.3018mΩ。

取上限值代入如下計算公式：

式中：Ra——總成電阻值；Rsc——充電座端子壓接電阻值；Rst——充電座端子接觸電阻值；Rw——導線電阻值；Rcc——連接器端子壓接電阻值；Rct——連接器端子接觸電阻值。

新件壓接Rsc=0.09mΩ，新件接觸Rst=0.68mΩ，老化壓接Rsc’=0.18mΩ，老化接觸Rst’=1.36mΩ。

故得樣件的內阻理論最大值如下：新件Ra=5.8418mΩ，老化后Ra’=7.3818mΩ。故理論合格品要求新件Ra≤5.8418mΩ，老化后Ra’≤7.3818mΩ。

在溫度環境20℃下，新的總成樣件完工時，測試內阻值合格品應滿足如上理論計算值。

3 試驗對比分析

在同一條件下根據實車取樣，故障件與對比樣件統一設置樣件的導線長度為1.37m。

按照正常壓接工藝準備大量樣本作為對比樣件，使用直流低電阻測試儀（TH2516）測量成品數據。測量數據如圖2所示。

圖2 樣本導通電阻測試值

對比圖2中各組數據，樣件導通電阻的實測值，均與理論計算值相符，最小4.92mΩ，最大5.76mΩ，滿足設計值要求。

準備試驗車標定故障樣件1和2與隨機抽取2組合格新品樣件3和4進行對比測試，使用溫升阻抗測試儀(YHW-100A) 采集溫度變化值[8]，繪制溫升曲線，如圖3所示。

圖3 故障樣件和新品樣件溫升曲線

測試溫升過程中，在溫度穩定后分別測得故障樣件2最大溫升71.3K，新品樣件3最大溫升27.4K，從圖示數據觀察可得故障樣件2溫升最大實測穩定值ΔT=71.3K＞50K，新品樣件1的溫升最大實測穩定值ΔT=27.4K＜50K，故障樣件的溫升值嚴重超過限制要求。

故障樣件與新品樣件使用相同的工藝、材質加工而成，并在相同的條件下進行了對比測試，故排除外界因素對樣品本身的影響后，從產品本身分析問題原因。首先測量其導通電阻值（表1），可觀察到故障樣件的導通電阻值明顯超過理論計算值1.5～2倍。從導通電阻的構成進行下一步拆解分析，使用直流低電阻測試儀測量得到的故障樣件和新品樣件的接觸電阻值[9]見表2，可觀察到故障樣件與新品樣件的接觸電阻測試值相近，均符合設計值要求。再使用直流低電阻測試儀測量得到故障樣件和新品樣件的壓接電阻值[9]（表3），發現故障樣件的壓接電阻值相比新品樣件的壓接電阻值明顯增大，并且其測量值超過標準設計限值的10倍以上。

表1 導通電阻測試值

表2 接觸電阻測試值

表3 壓接電阻測試值

根據標準[6]中對TR圓銅導線的規范要求，銅絲本身可視為均勻導電介質，工作中受均勻老化，在一定長度的不同位置測量電阻率會近似相同，結合前文中端子與導線連接處的壓接電阻Rsc+導線電阻Rw＞導線電阻Rw，忽略導線本身均勻老化的影響，可根據故障樣件的接觸電阻和壓接電阻實測對比值判定為壓接電阻異常，導致故障樣件的溫升過高。

壓接電阻的異常與端子壓接的品質、材質變化有關。首先端子壓接品質一般通過壓接斷面狀態分析，QC/T 29106和USCAR21標準為端子壓縮比和壓縮率的測量提供了理論方法，但對壓接品質合格參數并未提供明確要求，各整車廠對端子壓縮比的要求也各不相同，一般端子壓縮比在70%～90%為合格狀態，有研究分析高壓端子壓縮比在65%～80%之間最佳[10]。將故障樣件進行剖切分析，使用截面分析儀分析故障樣件的端子金相壓縮比，如圖4所示，端子壓接尺寸測試值見表4，壓接區無明顯空隙缺陷，故障樣件1壓縮比分別為80.8%和78.6%，故障樣件2壓縮比分別為78.5%和78.3%，說明故障樣件本身壓接工藝和品質均無問題。

表4 端子壓接尺寸測試值

圖4 故障樣件的端子金相壓縮比

進一步分析，考慮到TR圓銅導線壓接處的剝線存在外露的情況，在高溫條件下通電載流過程中容易發生氧化，推測導線受高溫老化影響可能已產生氧化，故將剖切的故障樣件使用SEM電子掃描顯微鏡進行掃描能譜分析，如圖5和圖6所示，分析元素成分是否受到高溫及通載老化后發生電腐蝕氧化。

圖5 端子元素能譜分析

圖6 導線元素能譜分析

從圖5中可以看出在壓接端子的非鍍層區的兩側斷面隨機取點7022和7023進行元素分析，發現具有較高的氧原子含量，而在鍍層區7024則未發現氧原子，說明端子鍍層處未發生氧化。從圖6中可看出，對壓接處單體銅絲隨機取點7225、7235、7243進行能譜掃描分析，發現銅絲表層具有較高含量的氧原子，可判斷出故障樣件在導線壓接區的銅絲已經發生氧化反應，產生的氧化物阻礙自由電子的定向流動導致連接電阻也增大，間接引起溫升過高問題。

4 方案論證

目前新能源領域應用的高壓電纜纜芯多采用純銅TR導線和鍍錫銅TRX導線[6]，本文論證純銅導線的氧化問題，提出更改為采用不易腐蝕的鍍錫銅導線并驗證可行性。

鍍錫銅導線較純銅導線增加了生產工藝和鍍層金屬，成本略高，同時電阻率較純銅線高[6]，但鍍錫銅導線具有更好的抗腐蝕性[11]。使用相同工藝加工的純銅導線樣件與鍍錫銅導線樣件在通循環載流后，常溫下測試導通電阻，見圖7a，在高溫老化持續通流后，常溫下進行通電溫升測試，見圖7b。老化測試條件見表5。

表5 老化測試條件

圖7 鍍錫銅導線測試

由圖7a可知，在通一定循環次數的載流后，純銅導線的導通電阻相比鍍錫銅導線有明顯上升趨勢，但結果未超出設計值，而觀察圖7b可知，在進行了高溫條件的加速老化后，純銅導線的測試溫度明顯大幅上升，溫升大于50K，其中鍍錫銅導線最大溫升46K，純銅導線最大溫升66K，說明鍍錫銅導線相比純銅導線對交流充電過程中溫升具有一定改善作用。根據上文論證得到的純銅導線在高溫老化下發生氧化的情況，對比可知鍍錫銅導線相比純銅導線更耐腐蝕，外層的鍍錫層可保護內層的銅芯不被氧化，使用更可靠，對充電插座溫升過高的問題起到有效改善作用。

5 結論

綜合上述論證過程，研究交流充電插座線束總成采用6mm2純銅導線壓接進行連接的產品在高溫條件進行充電工作會出現溫升過高的情況，推薦使用抗腐蝕性能更好的鍍錫銅導線。

對于壓接接觸的導線與端子連接，交流充電過程中使用純銅導線在高溫工作環境下，導線發生老化容易導致溫升過高，其原因為銅導體層與氧原子反應產生氧化物，從而導致壓接區的連接電阻增大，產生較大的熱能，導致熱失衡。鍍錫銅導線相比純銅導線具有更好的抗腐蝕氧化能力，在相同的老化條件后，鍍錫銅導線比純銅導線更穩定，老化前后內阻變化較小，溫升變化較小，可有效改善溫升過高問題。