基于模拟恶劣运行环境下的电动汽车直流充电枪发热行为的检测方法及评价研究

黄明皓 韦一力 李婷婷 吴芳芳 叶 成 王连成 石 磊

(1.浙江华电器材检测研究所有限公司 国家电网公司电力器材安全性能检测技术实验室，杭州 310015;2.浙江万马专用线缆科技有限公司，杭州 311305)

工业和汽车排放的尾气是当前造成温室效应、破坏环境和影响生活的重要因素，为此世界多国正在商议并寻找减少尾气排放和能源消耗的办法。随着汽车工业的发展和人民生活水平的提高，人民对汽车的需求与使用越来越多，汽车排放的尾气也急速增多。研究与开发新型环保节能汽车成为了当前话题，其中开发新能源电动汽车成为了首选。因此电动汽车充电电缆(EV电缆)的性能研究也成为新型环保、节能、安全、耐用的电动汽车发展的关键问题[1]。目前，中国质量认证中心也推出了电动汽车传导充电系统用电缆安全认证业务。但关于开展充电枪与充电座匹配性能、人为暴力插拔、粉尘污染等原因导致发热现象的机理及评估技术；高温高湿度状态下，充电枪安全性能评价及检测技术研究还较少[2-4]。本试验对充电枪使用过程中的粉尘污染情况进行模拟，得出粉尘污染对充电枪发热情况的影响；通过设备对不同插针材质的充电枪进行插拔实验，并对不同插针材质充电枪产品进行评价；模拟高温湿环境，对高温湿环境下充电枪的发热情况进行研究，提出一种高温湿环境下充电枪的检测技术。

1 试验样品及方法

1.1 试验样品

目前市场充电桩电缆大多执行GB/33594-2017《电动汽车充电用电缆》标准。通过市场需求调研及原材料性能分析，针对确定选用两种不同充电电缆材料的充电枪，参数如表1所示。

表1 两种充电电缆材料的主要参数

目前市场上充电枪大多采用紫铜、锡青铜、黄铜等材质作为插针材料。针对插拔试验选取TPE绝缘+TPE护套作为电缆材料，充电枪插针材质具体规格参数如表2。

表2 3种充电枪插针的主要参数

1.2 粉尘污染试验

本次试验选取材料类型为90℃TPE绝缘+90℃TPE护套电缆材质、锡青铜镀银5μm插针材质的充电枪进行粉尘污染试验。

选取5组充电枪样品进行试验，首先将被试样品参考GB/T 11918.1-2014《工业用插头插座耦合器 第一部分：通用要求》标准中的温升试验，采用大电流发生器提供低压大电流，试验电流为125A交流电流。试验设备处于室内环境，为尽量减少环境温度对温升的影响，将环境温度稳定为20℃[5]。在充电枪插头内部预置精度为±0.3K的铂电阻作为温度传感器测量插针附近的温升状况。其它测量点包括充电枪电缆表面与充电枪外壳处，具体位置如图1所示。

图1 温升试验测温点

将充电枪样品插头插座接合后通入额定125A的直流电进行温升试验，持续时间为2h。分别与1h与2h时记录相关数据。而后参考GB/T 4208-2017《外壳防护等级(IP代码)》标准中的试验方法，将样品放入粉尘试验箱中进行粉尘试验，其基本原理如图2所示，密闭试验箱内的粉末循环泵使滑石粉悬浮，对样品进行粉尘污染试验[6]。为模拟样品实际使用寿命中出现的老化情况，将粉尘污染试验的时长延长至7*24h。粉尘试验完成后再次进行温升试验并对比前后数据，判断长时间粉尘污染试验是否影响设备正常运行，是否存在安全隐患。

图2 粉尘试验原理图

1.3 高温高湿度环境下充电枪温升试验

选取两种不同电缆材料的充电枪各5组，对其进行温升试验后进行高温湿环境试验，试验方法参考GB/T 2423.3-2016《环境试验 第2部分：试验方法 试验Cab：恒定湿热试验》，将样品放入高温湿试验箱，试验箱内的湿热用水导电率不超过20μD/cm；试验温湿度参考江浙地区夏季温湿度，将环境设置为38℃、80%RH[7]。传统湿热环境试验大多是先将样品放入高温湿试验箱后先进行高温湿试验，待试验结束后再针对其电气或机械性能进行检测试验。本试验为模拟充电枪再工作中实际存在的湿热工作环境，在高温湿环境下对样品通电进行温升试验，将其与常温环境下样品发热情况对比，得出不同电缆材质的充电枪在高温湿环境下的发热情况。

1.4 反复插拔试验

选取3种不同材质、镀层规格的充电枪各5组，将样品插座、插头分别固定在QL-CB充电接口插拔综合试验装置上，使活动部件进行往复运动，插拔速率为每分钟7.5个行程，插入拔出速度为(0.8±0.1)m/s，接触时间为3s。为模拟充电枪实际使用寿命，将插拔次数设为20000次[5]。 插拔试验完成后再次进行温升试验并对比试验前后温升数据，得出反复插拔试验对不同插针材质、不同插针镀层厚度的充电枪发热情况的影响。

2 试验结果

2.1 粉尘污染试验对充电枪发热情况影响

将试验结果取平均值得到粉尘污染试验试验前后温升对比图(图3、图4)。由图可知，现有标准中的粉尘污染试验对充电枪发热有一定影响。温升试验一小时后，电缆、枪体外部变化不大，插针附近温度平均有5K左右的上升。温升试验两小时后，温度稳定后，插针温度平均上升约3K，电缆、枪体表面温度变化不大。本试验说明粉尘污染试验对于IP等级合格的充电枪发热影响有限。

图3 粉尘污染试验前后温升试验1h温度对比图

图4 粉尘污染试验前后温升试验2h温度对比图

2.2 高温湿环境对不同材料充电电缆发热情况影响

试验完成绘制折线图如图5～图8，在温升试验开始1小时后，高温湿环境下的充电枪各部位温度均有明显上升；温升试验开始两小时后，充电枪温升过程完成，插针温度变化不大，电缆表面以及枪体表面温度略有上升。该试验说明高温湿环境会加速充电枪的发热过程，但是对充电枪端子的温度影响不大，主要影响的是充电枪电缆表面和枪体表面的温度。高温湿环境对充电枪的发热情况的影响在于加速了其温升过程，电缆与枪体表面温度升高，插针温度无明显变化。

TPE电缆材料充电枪试验完成后，对TPU电缆材料的充电枪进行重复试验作比较，绘制折线图如上。由上图可知，高温湿环境对充电枪电缆与枪体表面的发热情况大体上具有促进作用，对内部插针部位的发热情况无明显影响。

图5 TPE充电枪电缆高温湿常温试验1h温升对比图

图6 TPE充电枪电缆高温湿常温试验2h温升对比图

图7 TPU充电枪电缆高温湿常温试验1h温升对比图

图8 TPU充电枪电缆高温湿常温试验2h温升对比图

2.3 反复插拔试验

经过20000次反复插拔试验，黄铜镀银材质充电枪的温升情况如图9、图10所示。在温升开始1h与2h时记录的温度均有明显上升。在发热稳定后，插针温度上升约12K，电缆与枪体表面温度上升约5K。该试验说明反复插拔试验对充电枪的发热情况具有显著影响，长期使用后的充电枪发热情况会日趋严重，存在一定的安全隐患。

黄铜插针材质的充电枪插拔试验完成后，继续对另外两张插针型号的充电枪重复上述试验记录温度结果如图11、图12所示。20000次插拔试验对各种插针型号的充电枪发热情况均产生显著影响。

图9 黄铜镀银5μm插针插拔前后温升1h对比图

图10 黄铜镀银5μm插针插拔前后温升2h对比图

由图11、图12可知，不同材质的充电枪尽管其导电率不同，其发热情况无明显区别，针对镀银层厚度的不同，镀银层较厚的充电枪温度略低。经过20000次插拔试验后，锡青铜镀银5μm插针材质的充电枪其插针温度平均上升了16K，同材质镀银层3um的充电枪其插针温度平均上升了约12k。在镀银层完全磨损的条件下，5μm镀银层的样品温度上升更高，侧面反映了镀银层越厚，越能保护插针和插座的铜芯材质在长期对插使用中产生的氧化、锈蚀及磨损影响充电枪体与插座之间的导电率。

图11 插拔试验前温升2h对比图

图12 插拔试验后温升2h对比图

综上，多次插拔试验会加剧充电枪的发热情况；尽管黄铜与锡青铜两种插针的导电率不同，但对充电枪的温升情况影响有限，对充电枪整体的发热情况影响不大；镀银层的厚度对充电枪的发热情况有一定的影响，镀银层越厚，充电枪的工作温度越低。

3 结论

选取了多种不同规格、型号的充电枪电缆，对其实际使用环境进行模拟，得出粉尘污染、高温高湿环境和多次插拔试验对不同电缆材料、插针型号充电枪的影响。得出结论如下：

(1)粉尘污染试验对IP等级合格的充电枪来说，整体发热量影响有限，插针温度平均上升约3K，电缆、枪体表面温度变化不大。

(2)高温湿环境会加速充电枪的温升过程，但是对充电枪端子的温升影响不大，对充电枪电缆表面和枪体表面的温度有一点的影响。高温湿环境对充电枪的发热情况的影响在于加速了其温升过程，电缆与枪体表面温度略有升高，插针温度无明显变化。

(3)反复插拔试验对充电枪的发热情况具有显著影响，长期使用后的充电枪存在一定的安全隐患。

(4)黄铜材质的插针与锡青铜材质的插针虽然材料导电率有所差别，但是发热情况区别不大。针对镀银层厚度的不同，锡青铜镀银5um插针材质的充电枪其插针温度平均上升了16K，同材质镀银层3μm的充电枪其插针温度平均上升了约12k。说明经过插拔试验对镀银层的磨损，使得镀银层较厚的充电枪发热情况加剧。体现了镀银层对插针的保护作用。镀银层的厚度对充电枪的发热情况有一定的影响，镀银层越厚，充电枪的工作温度越低。