彭 旺

(比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118)

現(xiàn)階段，國內(nèi)電動汽車充電問題主要集中于車輛插座過溫故障率的急劇上升，此問題有以下幾個主要來源：制作工藝不成熟導(dǎo)致車輛插座與車輛插頭匹配度不高，端子與簧片磨損嚴(yán)重；線束與端子的壓接不穩(wěn)定，部分接觸位置阻值偏高；惡劣的充電環(huán)境以及缺少必要的維護(hù)保養(yǎng)造成高溫氧化，進(jìn)而端子與簧片有效接觸面積急劇減少從而加速溫升；溫度檢測裝置的缺失或放置不合理造成端子的實(shí)際溫度無法被有效監(jiān)測，以致車輛無法對插座進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。本文主要針對以上幾點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)階段車輛插座問題分析

充電接口為電動汽車充電時(shí)電能傳輸?shù)奈锢磉B接，包含充電插頭、插座[1]，我國制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求交流車輛插座額定電流不超過63 A(AC)[2]；直流車輛插座額定電流不超過250 A(DC)[3]。

現(xiàn)階段市場上已經(jīng)投運(yùn)了很多交流63 A、直流250 A充電的電動汽車，特別是電動客車。因客車特殊的運(yùn)營模式以及本身場地面積的限制，車輛集中在充電場站進(jìn)行充電，這就要求大功率快速充電以保證車輛的正常運(yùn)營?；诖爽F(xiàn)狀，充電功率升高后帶來的就是車輛插座在大功率充電一段時(shí)間后開始出現(xiàn)燒灼和過溫等現(xiàn)象。

過溫產(chǎn)生過程：插拔和污染等造成鍍層磨損、增大接觸電阻、造成溫度升高→大功率充電時(shí)更加速產(chǎn)生高溫并加劇氧化→氧化后接觸電阻繼續(xù)增大進(jìn)而惡性循環(huán)造成過溫。具體原因分析如下：

1.1 充電接口匹配及端子壓接工藝問題

符合國標(biāo)要求的充電接口初步插合后，口和座會存在一定的縫隙，這種匹配的間隙會使產(chǎn)品受力時(shí)力量集中于一點(diǎn)，而大功率充電的配套電纜相對都比較重，特別是250 A的直流車輛插頭基本都是使用95 mm2的電纜，充電時(shí)，電纜重量形成的力都集中在車輛插座局部位置，導(dǎo)致端子受力變形、簧片擠壓變形、端子鍍層磨損等。

充電連接部分發(fā)熱是充電過溫的主要原因，而車輛插座和車輛插頭的電纜壓接位置則是主要發(fā)熱源之一。若端子與線纜的壓接不到位則極易產(chǎn)生高溫(根源是現(xiàn)階段機(jī)械壓接銅絲與銅片的工藝不穩(wěn)定)。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，部分車輛插座端子壓接部分熱縮管熔化，拆解時(shí)已無法完全剝離。

1.2 使用環(huán)境惡劣

現(xiàn)階段出現(xiàn)問題較為嚴(yán)重的地方均是充電集中的充電場站，這類場所一般有以下特點(diǎn)：

1) 灰塵、粉塵、雜物較多，且下雨天就會變得非常潮濕。

2) 車輛插頭和車輛插座均未采用較好的防護(hù)措施；充電場站也沒有規(guī)范的充電操作意識，充電結(jié)束后隨地放置車輛插頭，車輛插座也缺乏規(guī)范的維護(hù)保養(yǎng)。

長時(shí)間后就會導(dǎo)致車輛插座附著灰塵、雜物、水漬等。

1.3 車輛插座的技術(shù)要求不統(tǒng)一

國標(biāo)規(guī)定車輛插座的插拔壽命為10 000次[4]，市場上的大部分車輛插座在試驗(yàn)時(shí)均可達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻在2～3個月后就會逐漸出現(xiàn)過溫?zé)频痊F(xiàn)象。并且國標(biāo)也未明確插拔壽命中端子的鍍層厚度、接觸電阻、接口溫升等要求。

目前市場上不同的車輛插座廠家有著各自的制造工藝和標(biāo)準(zhǔn)，端子的鍍層材料、材料硬度、鍍層厚度均不相同，相互匹配時(shí)就會出現(xiàn)很多問題。比如車輛插頭的端子材料硬度較大，插合時(shí)存在一定角度就會導(dǎo)致車輛插頭與車輛插座在簧片表面產(chǎn)生極大的動摩擦，破壞車輛插座簧片的鍍層等，進(jìn)一步導(dǎo)致車輛插座的簧片在大功率充電時(shí)氧化。

如實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的車輛插頭防觸帽已脫落，端子前端尖銳，插入車輛插座時(shí)會加速磨損車輛插座、破壞車輛插座的簧片鍍層等。

1.4 車輛插座的溫度檢測不到位

GB/T 18487.1—2015已要求車輛插座必須有溫度檢測的功能[5]，但是市面上多數(shù)車輛插頭無該功能。若僅靠車輛插座的溫度檢測功能并不能準(zhǔn)確地檢測到充電的實(shí)際最高溫度點(diǎn)。并且市場上部分溫感布置于車輛插座殼體內(nèi)部(并未與端子直接接觸)，其檢測的溫度與實(shí)際最高溫度最大相差可達(dá)60 ℃以上。

因?yàn)闇囟葯z測的偏差，直接導(dǎo)致車輛的保護(hù)程序無法準(zhǔn)確保護(hù)車輛插座，有可能導(dǎo)致車輛插座被擊穿或其他充電安全問題等。

1.5 車輛插座溫度保護(hù)策略不合理

現(xiàn)階段市場上配合車輛插座的溫度保護(hù)策略基本上都是設(shè)定某個溫度上限值，若檢測溫度達(dá)到上限值則直接停止充電。此保護(hù)程序有以下缺點(diǎn)：無法有效保護(hù)車輛插座，無法提前防止車輛插座快速老化；車輛插座故障后會頻繁跳槍，導(dǎo)致車輛無法充電，引起客戶抱怨。

1.6 端子及電纜氧化的惡性循環(huán)

由于上述使用環(huán)境以及產(chǎn)品本身的原因和溫度保護(hù)的缺失，導(dǎo)致車輛插座以及電纜壓接處的溫度不斷升高產(chǎn)生氧化物，隨著這些氧化物的持續(xù)堆積，端子表面有效接觸面積也越來越小，接觸電阻不斷增加，而在下次充電時(shí)溫度又會上升，形成惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致車輛插座氧化嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)使用。

2 車輛插座改進(jìn)方案

2.1 完善車輛插座維護(hù)保養(yǎng)及操作規(guī)范

針對集中充電的充電場站，需規(guī)范充電場站工作人員的充電操作，如：充電結(jié)束后應(yīng)及時(shí)將車輛插頭放回正確位置，而不是丟于地上。針對車輛插座的使用情況，應(yīng)定期對車輛插座進(jìn)行專業(yè)的保養(yǎng)，如：用專業(yè)的工具將車輛插座的灰塵、水漬、異物清除；車輛插座應(yīng)根據(jù)不同狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行清理或更換等。

2.2 車輛插座材料及鍍層改善

現(xiàn)市場上車輛插座接觸件的材料繁多。但對于電動汽車充電行業(yè)，推薦使用導(dǎo)電性能好、硬度適中、耐磨損[6]、耐高溫的材料。這樣能夠減少車輛插座插拔時(shí)接口的磨損，并且車輛插座過溫時(shí)不容易造成接觸件的性能降低。而對于鍍層的要求則更高，一般來說，電接觸表面氧化物居多[7]需考慮其防氧化能力、耐磨能力等。

2.3 端子壓接工藝及防氧化處理

現(xiàn)市場上主流的車輛插座制造廠家大部分使用六邊形壓接、六邊形加點(diǎn)壓接、四點(diǎn)壓接、不規(guī)則壓接等，如圖1所示。

四點(diǎn)壓接 六邊形壓接 六邊形加點(diǎn)壓接

圖1 壓接工藝示意圖

通過對不同廠家不同壓接工藝的各性能對比發(fā)現(xiàn)，這些壓接工藝中只有不規(guī)則壓接和六邊形加點(diǎn)結(jié)合壓接兩種性能相對較好，六邊形壓接相較四點(diǎn)壓接的壓縮比、連接阻值均小很多。

現(xiàn)有的壓接工藝已無法滿足目前電動汽車行業(yè)的大功率需求，所以在之后的產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)當(dāng)引進(jìn)更加先進(jìn)的壓接技術(shù)，如電阻焊接、超聲波焊接等。而對于壓接處的防氧化處理，則可使用鍍錫處理等新技術(shù)[8]。

2.4 溫度傳感器布置

依據(jù)前述可知，溫感在殼體內(nèi)部檢測到的溫度和實(shí)際所測量的溫度相差可能達(dá)到60 ℃以上，而國標(biāo)中對端子溫升的要求是不超過50 K。根據(jù)市場的情況，為準(zhǔn)確檢測車輛插座的溫度，應(yīng)將溫感布置于端子壓接處或是端子表面。

為改善溫感效果，則需要開發(fā)一種絕緣性能好且導(dǎo)熱性能也好的材料，既能將溫感的低壓與充電回路的高壓隔離，又能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測端子的溫度。另外還需要對車輛插座殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，以提升車輛插座的接口密封效果。

2.5 充電保護(hù)程序的優(yōu)化

為能夠充分保護(hù)車輛插座，防止其提前老化，現(xiàn)有的解決方案只能是通過犧牲充電功率來降低車輛插座的溫度。而如何優(yōu)化充電功率實(shí)現(xiàn)對車輛插座的保護(hù)是現(xiàn)階段最需要研究的。

保護(hù)溫度的上限值，需要根據(jù)車輛插座各材料的最低耐受溫度值進(jìn)行設(shè)定，防止因溫度過高而導(dǎo)致車輛插座不可恢復(fù)的老化或損傷。表1為常用車輛插座不同部件材料的耐受溫度。

表1 交、直流車輛插座材料耐受溫度

通過對深圳某場站50輛電動車4個月充電數(shù)據(jù)的記錄分析，可得出以下結(jié)論：

1) 頻繁跳槍一類保護(hù)程序無法識別出來，存在高溫?fù)舸╋L(fēng)險(xiǎn)。

2) 跳過槍一類溫度達(dá)到88 ℃以上的次數(shù)很少。

3) 未跳過槍一類僅偶爾因車輛插頭損壞導(dǎo)致車輛插座高溫(可證明此保護(hù)程序有一定防止老化的效果)。

所以根據(jù)上述的耐受溫度以及事后數(shù)據(jù)分析對直流車輛插座制定了溫度保護(hù)策略，如圖2所示。圖中I3為最高允許充電電流，T1為依據(jù)實(shí)際使用狀況給車輛設(shè)定的溫度保護(hù)起始點(diǎn)(對產(chǎn)品不造成損傷的最高溫度)；I2為可接受的最低充電電流，T2為車輛插座的額定溫度；I2～I(xiàn)1為電流緩沖區(qū)域，T2～T4為溫度緩沖區(qū)域；T5為跳槍溫度上限。

圖2 直流車輛插座溫度保護(hù)策略

此保護(hù)程序有以下優(yōu)點(diǎn)：可識別出故障車輛插座；可一定程度防止車輛插座老化；盡量滿足了充電時(shí)間最短的要求。

2.6 車輛插座相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化

針對車輛插座的壽命試驗(yàn)，國標(biāo)并未考慮到實(shí)際使用環(huán)境以及使用工況?，F(xiàn)需要針對實(shí)際使用條件擬定一種試驗(yàn)方法，推薦SAE J1772—2017附錄H中的試驗(yàn)方法[9]，此試驗(yàn)方法能模擬甚至高于實(shí)際使用的工況，加速老化以提前獲取產(chǎn)品性能指標(biāo)[10]，其考慮了插拔的機(jī)械磨損、車輛插座的循環(huán)溫升、車輛插頭重力等的機(jī)械負(fù)載、灰塵水漬等的污染、高溫高濕環(huán)境造成的老化等因素。

2.7 進(jìn)一步改進(jìn)方向

1) 快換端子。眼下大功率充電最大的困難就是充電端子磨損或過溫?fù)p壞，下階段可開發(fā)能夠快速進(jìn)行更換的端子。

2) 弓式充電[11]。針對電動客車等需要集中快速充電的情況，可搭配使用弓式充電。弓式充電可實(shí)現(xiàn)大功率充電，由于其結(jié)構(gòu)特征，充電接觸面較大，且較易進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，可以有效減少車輛插座燒灼現(xiàn)象的發(fā)生并維持其預(yù)計(jì)使用壽命使其不衰減。

3) 車輛插座增加主動冷卻。結(jié)構(gòu)上，用導(dǎo)熱性能好的材料將發(fā)熱最嚴(yán)重的端子的熱量通過導(dǎo)熱材料引出，并進(jìn)行集中冷卻，或是通過液體的形式將車輛插座端子的溫度降低，均是可行的方案[12]。

3 結(jié)束語

隨著電動汽車充電技術(shù)的快速發(fā)展，大功率充電的要求也越來越高，目前需要從產(chǎn)品制作工藝的提高到使用環(huán)境和保養(yǎng)要求的規(guī)范化，再到電動汽車本身自我保護(hù)能力的加強(qiáng)，這些方法都能從源頭上減少車輛插座過溫故障的發(fā)生。但是要從根本上解決問題仍然有賴于新的充電方案的實(shí)施，這就要求在不斷改進(jìn)和不斷發(fā)掘中進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，用創(chuàng)新型的充電方案最終實(shí)現(xiàn)零故障的目標(biāo)。