放电连接装置环境可靠性测试与失效分析

李 晓， 蔡志涛， 王娇娇， 陈 赫

（中国汽车技术研究中心有限公司， 天津 300300）

1 引言

国内新能源汽车正处于高速发展阶段，随着技术的升级换代以及基础功能的愈加完善，消费者接受程度已明显大幅提升，更多车企也将目标对准了新能源汽车市场。面对竞争日益激烈的市场环境，为了夺得消费者青睐，汽车制造厂商把更多的精力转向了附加功能的创新与研发，以满足用户的更多需求。目前，某些品牌车辆配备的放电连接装置备受关注，可实现车外220V交流放电功能，即通过自带的放电连接装置将电池包电量转为220V民用交流电，从而对外部用电器供电。它既能够支持野外旅行时的大功率电器使用，也能够接洗车机，或是接气泵为汽车轮胎充气等，极大地提升了用户使用舒适度。放电连接装置还能够给其他新能源汽车或是插电混动车补充电量，实现对其他车辆的救援。放电功能已成为一大亮点，可以预见将广泛应用于更多汽车品牌上，然而技术创新对整车功能安全设计提出了巨大的挑战，户外复杂的使用环境及操作者使用方法不当都可能影响功能安全，严重情况下甚至会导致车辆起火威胁驾驶人员生命安全，造成恶性伤亡事故。

本文分别选取了3种品牌新能源汽车放电连接装置样品进行环境可靠性测试，分析了失效模式和失效机理，对各样品可靠性、安全性及环境适应性等关键技术指标和性能表现做出了客观评价。

2 实验目的

1） 测试样品在通用汽车环境试验条件下的工作状态，是否满足其设计标准。

2） 开展放电连接装置失效分析，验证样品失效时的安全性能。

3） 提出样品存在问题及改进措施建议。

4） 通过进一步分析失效情况，以期相关研究结论能服务于产业研究、产品设计与相关标准的制定、完善。

3 实验方案设计

预判可能造成放电连接装置失效的主要环境因素有降雨、高温和极端环境改变，因此针对以上因素，将待测试的放电连接装置按生产厂家分组为1#、2#和3#三组，分别对其进行防水测试、高温运行测试及湿热循环测试。为验证样品失效时的安全性能，设计了耐燃性能测试，使用干涉测试。

1） 防水测试：测试样品的防水能力。

2） 高温运行测试：恒定温度下，测试样品长时间稳定运行的能力。

3） 湿热循环测试：温度周期变化时，测试样品正常工作的能力。

4） 耐燃性能测试：测试样品材料耐燃性。

5） 使用干涉测试：测试样品与民用插排的接合匹配情况。

4 测试实验结果

4.1 防水测试

放电连接装置防水测试装置如图1所示，将样品放置在防水试验机中，设置防水试验机参数，进行IPX5的防水试验，试验后进行绝缘测试，验证样品是否可以在雨天进行户外使用。

试验结果如图2～图4所示，1#、2#和3#测试样品在试验中发生进水现象，试验结束后对样品进行功能测试，无法进行正常工作。

图1 防水测试装置

图2 1#样品进水后绝缘失败图

图3 2#样品进水后绝缘失败图

图4 3#样品进水后绝缘失败图

4.2 高温运行测试

放电连接装置高温运行测试现场如图5所示，将样品放置在温箱中，温度调节至60℃，待温度稳定后启动样品使之正常工作，观察样品是否能在高温条件下满负载工作12h，记录其工作状态。

图5 高温运行测试装置

1#样品高温运行测试结果如图6所示，实验前期，样品工作正常，测试30min后，由于产品自身发热，温度不断上升，超过了样品的温度保护阈值80℃，使产品开启保护停止运行，未达到高温运行的试验要求。

2#样品高温运行测试结果如图7所示，在试验过程中样品一直处于正常工作状态，在试验期间进行排查过程中发现样品发生烧蚀现象，判断其没有过温保护功能，故人为中断实验，未达到高温运行的试验要求，其高温运行后样品状态如图8所示。

3#样品高温运行测试结果如图9所示，实验前期，样品工作正常，测试1h后，由于产品自身发热，温度不断上升，超过了样品的温度保护阈值80℃，使产品开启保护停止运行，未达到高温运行的试验要求。

图6 1#样品高温运行失败图

图7 2#样品高温运行图

图8 2#样品高温运行后样品状态

图9 3#样品高温运行失败图

4.3 湿热循环测试

放电连接装置湿热循环测试现场如图10所示，将被测样品置于环境测试工装中，模拟样品处于工作状态。

图10 湿热循环测试现场

参照GB/T 2423.34标准开展湿热循环测试，试验条件要求如下。

1） 输出负载：满载。

2） 环境湿度：95%。

3） 温度周期规律为：①65℃ （室内） 温度下保持2h；②温度在2h内均匀地降到-20℃；③-20℃温度下保持1h；④温度在1.5h内均匀地升到40℃；⑤40℃温度下保持1h；温度在0.5h内均匀上升到65℃。

4） 持续30个循环，试验过程中记录试验数据。做完测试在常温环境下至少恢复4h后对试样进行功能测试［1］。

1#样品湿热循环测试结果如图11所示，放电连接装置在测试122h后，产品失效，原因是受湿热循环测试影响民用插排故障无法正常使用。其测试后状态如图12所示。

图11 1#样品湿热循环测试失败图

图12 1#样品湿热循环测试后状态

2#样品湿热循环测试结果如图13所示，放电连接装置在测试136h后，产品失效，原因是受湿热循环测试影响民用插排故障无法正常使用。其测试后状态如图14所示。

图13 2#样品湿热循环测试失败图

3#样品湿热循环测试结果如图15所示，放电连接装置在测试144h后，产品失效，原因是受湿热循环测试影响民用插排故障无法正常使用。其测试后状态如图16所示。

图14 2#样品湿热循环测试后状态

4.4 耐燃性能测试

放电连接装置耐燃性能测试装置如图17所示，将被测样品置于固定台架上，通过灼热丝加热。

图15 3#样品湿热循环测试失败图

参照GB/T 20234.1-2015中耐燃性能测试要求开展实验，试验条件要求如下。

设定灼热丝温度为850℃，持续燃烧1min，关闭火焰枪，待样品晾置1h后，观察3种放电连接装置耐燃实验后状态［2］如图18～图20所示。

图16 3#样品湿热循环测试后状态

图17 耐燃性能测试装置

图18 1#耐燃试验后样品情况

图19 2#耐燃试验后样品情况

观察可知，1#材料测试样品燃烧后可以停止继续燃烧，经测试可保证防火需求；2#材料测试样品燃烧后主体面有轻微燃烧损坏，经测试可保证防火需求；3#材料测试样品燃烧后无法主动熄灭火焰，未通过耐燃性测试。

图20 3#耐燃试验后样品情况

4.5 使用干涉测试

3种放电连接装置与民用插排插接测试，插合部分尺寸满足要求，但插头外形尺寸各异，从图中可观察到，只有3#插头能够完全插进插孔内，1#与2#插头不能完全插进插孔内，存在安全隐患。

5 总结

1） 目前放电连接装置主要失效部位为民用插排端，说明目前民用插排产品暂时无法满足车规级使用要求。

2） 放电连接装置应选用级别更高的耐燃材料，满足耐燃性能要求，否则存在较大的起火安全隐患。

3） 放电连接装置应安装过温保护模块，设置过温保护阈值，防止在高温环境中长时间工作，致使产品持续发热，造成部分接触点温度过高，进而发生过热自燃。

4） 过温保护阈值设置不合理会引起放电连接装置失效。在产品设计阶段应充分结合产品高温环境下工作的自发热情况，设置合理的过温保护阈值。阈值设置过低，虽然理论上可在设定高温条件下工作，但是由于叠加了产品自身发热，温度升高快，高于预期设置阈值，使产品过度保护而无法达到试验标准。

5） 放电连接装置产品尺寸要求需进一步补充，只保证插合部分尺寸满足要求，不对外形及安装尺寸加以限定，可能会导致使用过程中插头与插座无法完全插合，电路虚接带来安全隐患。