国内外电动汽车充电连接装置测试方法对比研究

任山　黄炘　张妍懿

摘 要：新能源汽车免购置税鼓励政策于2014年下半年发布，充电连接装置作为新增的测试项目，其标准和测试方法受到了广泛关注。文章介绍了国内外充电连接装置标准的进展、分析了国内外标准在充电连接装置电气设计和结构设计方面的区别，重点对欧洲、美国和中国的充电连接装置测试评价方法进行了比较研究。开展了部分项目的测试验证试验，针对比较容易失效的项目做了详细分析，为充电连接装置的测试验证和开发提供参考，同时对充电连接装置的标准修订和测试认证提出了建议。

关键词：电动汽车；充电连接装置；标准；测试评价

前言

能源和环保的压力，推动着国内外电动汽车技术进步和示范推广。同时充电设施的建设也在持续进行。作为连接电动车和充电桩的桥梁，充电接口的结构和连接装置的安全性至关重要，需要按照统一的标准进行开发和测试。2011年12月我国推出了三项充电连接装置的国标，分别规定了充电连接装置的技术要求、交流充电接口和直流充电接口的电气规格和结构尺寸。日本、美国和欧洲也积极推动本地区充电接口的标准化和国际间的协调[1]，并已经开展充电连接装置的测试认证。文章分析了国内外相关标准，结合试验研究了充电连接装置的技术要求和测试方法，在此基础上，提出了今后充电连接装置的标准和认证建议。

1 国内外充电连接装置的标准进展

充电连接装置是连接电动汽车和供电设备的组件，根据不同的充电连接方式，可能包括供电接口、充电接口和缆上控制盒等部件[1]，如图1所示。标准主要规定了产品结构尺寸、电气安全、机械强度、耐环境可靠性、使用寿命等方面的技术要求。

目前国内外的标准主要有：

（1）GB/T20234.1-2011、GB/T20234.2-2011、GB/T20234.3-2011：2011年12月发布，采用了交流7针、直流9针的接口设计，是国内汽车、电力、电工行业共同起草的充电连接装置标准，解决了国内各个电网公司及车企充电接口不同的问题。目前国内新生产的电动车和充电桩多数采用此标准接口。

（2）IEC 62196-1、IEC 62196-3、IEC 62196-3：国际电动委员会制定的标准，欧洲应用最广，2012年发布了IEC62196-1通用技术要求和IEC62196-2交流充电接口标准，其中交流接口规定了type-1、type-2和type-2三种规格。IEC62196-3直流充电接口标准争议较大，还在讨论中[1]。

（3）SAE J1772和UL2251：美国SAE标准，2010年发布，规定了5芯交流充电接口，后来被IEC62196-2采纳为type-1接口[2]。目前在美国和日本已有较多应用，如丰田PHEV、IQEV、日产Leaf、通用Volt等车型。UL2251是充电连接装置的认证测试标准，其中关于尺寸结构和电气定义部分引用自SAE J1772。

（4）CHAdeMO：日本丰田、日产、三菱、富士重工和东京电力公司共同发起推广的快速充电方式[2]，目标在于推动10分钟充电50～60km的快速充电器的标准化和国际化，目前在全世界建立了约2700个CHAdeMO接口的直流充电桩，其中约2/3在日本，约1/3在欧美地区。

目前美国和欧洲研究推出交流和直流混合的COMBO充电接口，单个接口实现了交流和直流两种充电方式。

2 充电接口电气规格和区别

在GB/T20234.1和IEC62196-1中，定义了四种电动汽车充电模式，与之相对应的充电连接装置及测试对象也有区别，如表1所示。

由于不同地区的电压电流不同，不同标准在电气规格方面也有区别，如表2所示，其中SAE J1772的交流接口也是IEC62196-2的type-1类型，对应电气规格为250V/32A。

3 充电连接装置的测试方法和试验研究

国内外充电连接装置的测试认证主要依据GB/T20234.1-2011、IEC62196-1：2012和UL2251标准。新国标是以GB/T20234-2006为基础进行修订的，2006版的标准非等效采用了IEC62196-1：2003。因此GB/T20234.1-2011和IEC62196-1：2012非常类似，从尺寸、结构安全、电气安全、使用寿命、环境可靠性等几个方面规定了充电连接装置的通用要求和试验方法，且多数试验项目一致。UL2251的测试项目与前两个标准类似，测试方法上有区别，引用了UL840等相关标准，同时增加了部分安全性和环境试验要求。以下就不同方面的测试要求和方法进行分析。

3.1 结构安全方面

结构安全相关的测试主要有插拔力、锁止装置、电缆及其连接、机械强度、螺钉、载流部件和连接、车辆碾压等项目。

标准均规定了插拔力的范围，便于人工操作，在产品设计的时候需要调整端子插接的紧固程度，既要保证插拔力适中，也要保证接触电阻不会太大引起接触不良的现象。

车辆碾压是三个标准有所区别的项目，充电连接装置在使用过程中可能由于操作失误，遭受车辆碾压，不应引起防护等级降低、绝缘性能破坏等隐患。三个标准对于模拟车辆碾压的条件基本一致，均要求采用P225/75R15规格的轮胎，施加5000N左右的力，以8±2km/h的速度压过连接装置，但IEC62196.1中又额外增加了一次压力增加至11000N的测试，两次均通过才合格，对外壳材料的韧性要求进一步提高。图2为进行碾压试验后的样品，经过碾压后外壳开裂，造成安全隱患。

UL2251特别规定了车断插座的振动试验。由于充电插座安装在车身上，在车辆行驶的过程中一直承受车身传递来的机械振动，可能引起紧固件松动、触点不良等现象，因此UL2251规定了10～55Hz，振幅1mm，持续1h的扫频振动试验，但国标和IEC的标准均没有规定。

三个标准对于其他几项试验的要求和测试方法规定类似，要求充电连接装置能抗冲击、曲挠、跌落等，载流部件要求使用指定范围内的材料。

3.2 电气安全方面

电气安全相关的测试包括防触电保护、接地措施、绝缘电阻和电气强度、爬电距离、电气间隙和穿透密封胶距离、耐电痕化、分断能力、限制短路电流耐受试验。充电连接装置连接电网和电动车，电压较高，在任何使用状况下都应保证良好的绝缘，即使出现操作失误也不能影响人身安全。

三个标准对电气安全的要求都很严格，其中防触电保护、绝缘电阻、电气强度、耐电痕化是常见的安规项目，技术要求和试验方法均来自于IEC相关标准，技术条件类似。“爬电距离、电气间隙和穿透密封胶距离”的要求有所区别，GB/T20231.1规定比较简单，引用了GB/T11918-2001《工业用插头插座和耦合器 第1部分：通用要求》26条款，依据不同电压等级进行规定。而IEC62196-1和UL2251均根据产品材料、电压等级、使用条件和可能污染程度分级别要求，更细致合理。

“接地措施”中的短时耐大电流试验、分断能力和限制短路电流耐受试验涉及到高电压或者大电流测试，是对产品电气安全要求最严格的几个项目，对于试验能力也提出很高要求，应能在额定电压下提供10kA或更高的冲击电流。

分断能力是指允许切断最大的负载的能力，在发生电流故障时能安全切断电路，而不发生触头熔接、爆炸等异常状况。通过开关进行电路分断时，有电弧产生，电流越大，分断时电弧越强；有电弧是导电的，可能形成相间电弧短路事故，导致电路不能分断出现危险，标准主要根据是否有控制导引进行不同条件的测试。交流充电连接装置允许不带控制导引，直流要求必须带控制导引。对于不带控制导引的連接装置，在日常使用过程中比较容易遇到带电分断的情况，要求进行50次分断能力测试；带控制导引的连接装置在拔出前已经通过控制装置断开充电电路，但考虑到可能的故障，规定了3次的带电分断试验。直流充电连接装置设计时要求拔出前必须先断开充电电路，不允许带电插拔。

交流分断时由于电压电流的周期特性，相对比较容易；直流的电压电流是持续的，分断时能量可能是同等电气规格交流分断的数倍。目前IEC标准对直流充电连接装置的分断试验暂时没有要求，注明“在考虑中”，国标规定按照同等规格的交流参数进行3次试验。采用国内某企业的750V/250A直流充电连接装置按照GB/T20234.1进行了分断测试，电路顺利断开，但是充电端子局部出现烧黑现象。若采用直流参数进行分断，情况会更恶劣。

短时耐大电流试验在三个标准中的规定基本一样， 目的主要考核接地保护的持续有效性。IEC标准允许在温升试验和短时耐大电流二选一进行，国标和UL标准需要两个项目都进行。

限制短路电流耐受试验是测试在一定电压和功率因数下，忍受短路电流冲击时，连接装置不会触头熔焊影响断开操作，绝缘保护不会失效。试验要求电路中串联与额定电流相同或高一级规格的熔断器，具体测试条件见表3。

采用某750V/250A直流充电连接装置进行了限制短路电流耐受试验，先进行了750V/10kA预期电流试验，电流持续时间设置为100ms。然后按照要求进行正式试验，结果如图3所示。其中图3最上方的电流波形及实际试验的电流冲击，电压有效值为746V，电流在瞬间达到5900A后熔断器断开，过程约8ms，样品没有发生异常，连接装置实际承受的电流冲击比预期小。也就是说，在电网发生短路时，熔断器应先进行保护，连接装置不会发生熔焊或绝缘失效的危险。如果连接装置先于熔断器损坏，则可能引起危险。

3.3 使用寿命测试

使用模式1和模式2充电时，充电连接装置可能在带电情况下进行插拔，使用模式3和模式4充电时，只能是先连接好再通电或者断开电以后才能拔出。三个标准均要求10000次的空载带电插拔，UL2251增加了10000次的带载插拔，要求更加严格。

3.4 环境可靠性

充电连接装置在室内室外都使用，可能长期遭受光照、高低温、腐蚀、淋雨砂尘等，为确保长期安全可靠的工作，标准中均规定了各种相关项目。主要有材料的耐热老化、防水防尘等级、腐蚀与防锈、灼热丝试验等。GB/T20234.1和IEC62196-1要求基本一样，UL2251还规定了露点试验、阻燃试验等项目。

4 结束语

充电接口的电气规格、结构尺寸和通讯协议涉及各个组织的利益，存在较大争议，利益难以协调一致，今后较长的时间内几种不同的交直流充电接口仍会共存。各标准对充电模式的定义基本一致。

充电连接装置的技术条件和测试方法趋于统一。各个组织对产品的安全性、使用过程中的可靠性，以及材料等级都有很高的要求，UL对安规和环境试验方面的考虑相对多一点。

标准对于部分与传统电气连接件有区别的装置，如控制导引装置、电子锁和缆上控制盒，标准中考虑很少，但其安全可靠性和寿命也很重要，在实际的示范运行中也多次遇到过电子锁引起的问题，可能是今后标准需要进一步考虑的内容。

参考文献

[1]甄子健，孟祥峰.国内外电动汽车交流充电接口技术与标准对比分析研究[J].汽车工程学报，2012，2（1）：1-7.

[2]陈凌.电动汽车传导式充电接口[J].国内外机电一体化技术，2012，5：53-55.

[3]贾俊国，倪峰.电动汽车充电接口标准化探讨[J].电力系统自动化，2011，35（8）：76-80.

[4]桑林，徐洪海，管翔.电动汽车交流充电接口控制导引电路试验设计[J].电测与仪表，2013，50（566）：112-120.

[5]周红斌.电动汽车充电解耦的电子锁的研究[J].设计研究，2012，2：25-28.

作者简介：任山（1970-），男，高级工程师，硕士。