老化对电动汽车用充电连接装置性能影响研究

高燕万，王娇娇，李 晓，陈 赫

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

随着电动汽车行业的快速发展，如何解决电动汽车所带来的安全问题，是新能源汽车行业持续的话题和难点，由于人们对新事物的认知需要一个过程，任何一次有关电动汽车安全事故都会导致公众对电动汽车安全性的疑虑进一步加深，阻碍电动汽车的发展和普及。电动汽车安全事故中车辆发生热失控导致着火是消费者最担心最关注的问题，据有关部门调查数据显示，电动汽车着火事件中有近三分之一是在充电过程中发生的，其中充电接口在充电过程中过热导致的安全事故也屡屡发生。分析研究车辆接口在充电过程中的不同部位的热分布和温升值，指导完善车辆接口的工艺技术提升，对提高车辆使用过程中的安全性能有重要意义。

本文通过采用一种加速充电接口老化的方法，模拟充电接口在实际使用时实际的工况，考量充电接口在标准规定的寿命条件下性能的可靠性。充电接口实际使用时会沾染灰尘、雨水以及腐蚀性液体，风沙颗粒的积聚也会加速充电接口尤其是端子的磨损，影响接口的电气性能。目前行业对充电接口的测试方法主要是依据GB/T 20234.1-2015《电动汽车传导充电用连接装置通用要求》进行，要求较低，与实际使用情况存在差异。电动汽车充电接口插头和插座在充电开始（或结束）时插头插入（或拔出）的过程中，当插入（或拔出）力沿各个方向出现偏差，长时间积累会对接口的性能产生较大影响，采用专业测试设备的精准定位插拔和实际使用时车主的随机插拔存在很大差异。为进一步精确验证产品性能，提高使用安全性，本次研究在进行寿命试验时，采用人工插拔10000次配合一种加速充电接口老化的方式，模拟充电接口在使用过程中逐渐腐蚀、磨损和老化的实际情况，通过比较初始状态恒定电流温升和老化循环测试后相同电流下的温升，老化后达到70K温升值的电流与额定电流的比较，来验证其整个寿命过程中的电气性能。

2 试验系统的搭建

本研究中测试系统由交流恒流源、数据采集器、人工插拔测试工装、上位机等部分组成，连接装置的原理图如图1所示。交流恒流源输出的正负极分别连接至图中DC+与DC-，温度传感器分别位于车辆插座DC+与DC-端子与线缆的压接处、端子与端子的连接处、线缆外表皮，并采集同一时间下的环境温度。

图1 测试原理图

3 试验数据分析

本研究对装配有冠簧端子和片簧端子两种电动汽车直流充电接口，进行了初始状态下温升测试，老化耐久测试及老化后温升测试，老化后70K温升电流标定试验。下面分别对上述两种端子结构的充电接口测试验证结果进行比较分析。

3.1 初始状态和老化后300A电流温升比较

为了全面了解老化过程对充电接口电气性能的影响，本次研究分别测试了初试状态和老化后同一接口通以相同电流（300A）。对温度达到稳定状态时，端子与线缆的压接处，端子与端子的连接处，线缆外表皮的温升做详细统计，试验情况如表1所示。

表1 插座300A电流下的温升

为了更直观地比较片簧端子和冠簧端子在300A电流下的温升差异，将试验数据做成图2。

图2 片簧和冠簧端子插座300A电流情况下温升曲线

分析图2的试验数据可以得到，初始状态下充电接口通300A电流，端子与端子的连接处温升值最高，为116.5K和95.7K，端子与线缆压接处温升次之，缆线外皮的温升值最小，最大值为72.7K。目前市场上常用50mm2线缆的绝缘层最低耐温值为125℃，故线缆选用的安全性符合设计使用要求。片簧端子的温升值要高于冠簧端子，温升差值为39K。

为进一步比较分析泥盐水插拔对电动汽车直流充电接口性能造成的影响，充电接口经过老化耐久试验后不同部位的温升数据见表2。

将表2中的数据进行分析处理，结果如图3所示。

通过对比初始状态和老化耐久后的300A电流温升值，装配有片簧端子的充电接口老化后的温升值较初始状态最大值提高了85.9K，装配有冠簧端子的充电接口老化后的温升值较初始转态最大值提高了88.1K，可知泥盐水老化耐久循环测试对于考量充电接口安全性能有着重要影响。虽然初始状态下因冠簧端子散热效果比片簧端子更好，温升值更低，但老化耐久循环测试对冠簧端子结构的影响更大，这与端子本身结构特点相关。

表2 老化后插座300A电流下的温升

图3 片簧和冠簧端子插座老化后300A电流情况下温升曲线

3.2 老化循环测试

考虑实际使用工况，车辆插头在使用过程中沾染灰尘、雨水以及腐蚀性液体，端子的电性能会受到不同程度的影响，GB/T 20234.1-2015 《电动汽车传导充电用连接装置通用要求》 中测试车辆接口寿命是采用新生产样品在无污染的环境下使用专用设备进行10000连续插拔，要求机械和电子锁止装置及附件应能继续使用；外壳或隔板无明显破损；插销上的绝缘帽无松脱；插座内的密封圈（如果有）无损坏；无电气连接或机械连接松脱；无密封胶渗漏。但实际的使用环境要比实验室测试条件严酷得多，因此在本节测试时结合实际使用情况，用经由一些特定的成分混合组成的含有一定比例泥土的盐碱性水溶液加速污染。测试电动汽车充电接口在经受老化、泥盐水浸泡污染以及正常使用过程中的机械应力、电应力和热应力后，能否保证电气性能符合要求、不出现有害影响以及各部分构件损坏。

将装配有片簧端子和冠簧端子的5个测试样品分别进行了9次老化循环试验，试验后统计每次老化试验端子压接处温度达到125±5℃所需电流值，比较初始状态和老化后电流值的调整值，同时比较分析装配有片簧端子和冠簧端子的充电接口样品在测试过程中达到试验条件要求的电流值差异，以此为依据分析其性能的优劣。具体结果如表3所示。

测试样品的端子压接处温度达到125±5℃所需电流值变化趋势如图4所示。

由表3可知片簧端子和冠簧端子的充电接口端子压接处温度达到125±5℃所需电流值随着老化循环测试次数的增加而减小，同时对比1#片簧端子充电接口和3#冠簧端子充电接口的端子压接处温度达到125±5℃所需电流值，最大差值达到31A，可知使用片簧端子的充电接口比使用冠簧端子的充电接口抵抗老化耐久的能力更优。

表3 端子压接处温度达到125±5℃所需电流值

图4 片簧和冠簧端子插座温度达到125℃电流分布曲线

3.3 老化后70K温升电流值标定

传统的燃油汽车达到一定的公里数或年限后，会采取集中报废的处理方式，新能源汽车亦有10年或30万公里的寿命要求，但是车辆充电桩安装完成后，暂无使用寿命和服务年限的标准要求，存在车辆充电接口达到GB/T 20234.1-2015《电动汽车传导充电用连接装置通用要求》的插拔次数后仍继续使用的隐患。经调研，大部分车辆的充电插座布置在左右后翼子板，部分车辆接口布置在前左翼子板处，但充电时车辆处于停车状态，发动机不工作（PHEV车辆），所处位置最高环境温度不会超过55℃，而充电接口上使用的塑料件一般可耐125℃高温，所以本次研究在老化测试后增加了车辆接口70K温升电流值标定试验，考察车辆接口在标准规定的寿命测试后能继续使用的能力。具体通过比较充电接口老化测试后温升值达到70K时的实际电流值与正常使用时的电流值的差来判定其是否可以继续使用。具体测试统计结果见图5。

图5 插座老化后70K温升电流值

分析图中数据，插座在泥盐水老化试验后，达到极限温升70K对应的电流值除4#样品外，其他试验插座电流值均在170A以上，大于本次试验所用的充电接口的额定电流值150A，可继续使用，但具体使用时长需要进一步测试研究。

4 总结与建议

通过对两结构的产品开展的温升试验，分析试验数据，得出以下结论。

1）现有2015版国标接口，可以通过改进端子结构，采用冠簧端子，降低充电过程中的端子温升，满足常温情况下充电300A的温升需求，但要加强其结构的耐磨损性能。

2）在满足2015版国标要求的前提下，可以提高测试条件，增加泥盐水老化测试，模拟充电接口实际使用情况，提高单一部件安全等级，进一步提升电动汽车日常使用时安全性，推动行业持续健康发展。

后续工作可以从以下几个方面开展。

1）摸底测试车辆充电接口在性能超过标准规定值的条件下，具体可承受的插拔次数。

2）研究端子压接方式的不同对端子温升的影响，主要分析充电连接装置采用传统压接工艺和超声波焊接工艺，二者在相同电流下端子温升的差异，扎实研究工作的理论基础。

3）增加测试验证的样品数量，获取更多的数据支撑。

4）研究低温充电和高温充电对端子温升的影响，探究目前2015版国标中端子温升不超过50K的要求是否适用于高温条件下充电车辆接口的温升测试。