2018年10月30日，在DEKRA德凱主辦的“2018電動(dòng)汽車(chē)安全·創(chuàng)新論壇”上，筆者有幸學(xué)習(xí)了電動(dòng)汽車(chē)充電樁電纜標(biāo)準(zhǔn)及失效分析進(jìn)行了深入分析。
在電動(dòng)汽車(chē)逐漸替代傳統(tǒng)燃油車(chē)的大趨勢(shì)下，電動(dòng)汽車(chē)每年的全球出貨量也是以驚人的速度增長(zhǎng)。而與此同時(shí)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的充電配套設(shè)施的需求也是與之俱增。然而，電動(dòng)汽車(chē)充電樁的故障率卻一直處在一個(gè)不低的水平。其中又以充電線(xiàn)纜的損壞占到了相當(dāng)?shù)谋壤?br />
一、全球充電樁電纜標(biāo)準(zhǔn)
電動(dòng)汽車(chē)充電用電纜作為新型電線(xiàn)電纜，其使用要求不同于傳統(tǒng)的電線(xiàn)線(xiàn)纜，目前，電動(dòng)汽車(chē)充電用電纜國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已于2017年5月12日正式頒布，12月1日開(kāi)始執(zhí)行。表1為全球各地區(qū)充電樁電纜的主要標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)。
表 1 全球充電樁電纜的主要標(biāo)準(zhǔn)
2017年中國(guó)新能源電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量占全球銷(xiāo)量的50%，全球新能源汽車(chē)主要市場(chǎng)一次為：1中國(guó)、2歐洲、3北美、4日韓、5其他。其中中國(guó)、歐洲、北美三個(gè)地區(qū)的銷(xiāo)量總和占全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的86%。近些年，這些地區(qū)都公布或更新了，電動(dòng)汽車(chē)充電線(xiàn)纜相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文案。其中中國(guó)、歐洲、北美三個(gè)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)解析對(duì)比如下表2、表3所示:
表 2 全球三大主要市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)解析
表 3 國(guó)標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)標(biāo)注中在電纜材料主要性能差異度對(duì)比
針對(duì)于全球三大主要市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，總結(jié)出三份標(biāo)準(zhǔn)各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)如下：
1.中國(guó)市場(chǎng)GB/T 33594
優(yōu)點(diǎn)：①.絕緣護(hù)套材料和成品性能較全，可靠性高。
②.材料選擇性多。
③.符合中國(guó)市場(chǎng)國(guó)情。
缺點(diǎn)：①.材料及整纜的耐高溫性能可以考慮提高。
2.歐洲市場(chǎng)EN 50620：
優(yōu)點(diǎn)：①.絕緣及護(hù)套材料性能指標(biāo)齊全。
②.所有產(chǎn)品均為無(wú)鹵，符合新能源綠色環(huán)保的理念。
缺點(diǎn)：①.絕緣和護(hù)套材料組合單一，可選擇性較少。
②.產(chǎn)品中沒(méi)有直流充電線(xiàn)纜可選。
?、?缺少耐刮磨、抗擠壓、濕熱、高低溫循環(huán)等試驗(yàn)。
北美市場(chǎng)UL 62：
優(yōu)點(diǎn)：①.材料范圍廣，PVC、TPE、CPE等均可使用。
?、?著重考慮到耐環(huán)境、電性能、燃燒等，如90度長(zhǎng)期絕緣電阻、相對(duì)電容和穩(wěn)定因數(shù)、VW-1測(cè)試等。
缺點(diǎn)：①.標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)規(guī)格選型規(guī)定較為混亂。
?、?缺少評(píng)估線(xiàn)纜實(shí)際使用的測(cè)試，如搖擺試驗(yàn)、耐液體試驗(yàn)、高低溫循環(huán)、濕熱測(cè)試、抗撕裂測(cè)試等。
從上述分析中可以得知，目前電動(dòng)汽車(chē)充電樁線(xiàn)纜市場(chǎng)確實(shí)仍處于剛剛起步的階段，全球三大市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)都多少存在著缺陷以及不完善的地方。而在實(shí)際市場(chǎng)情況中，由于廠(chǎng)家壓縮成本，認(rèn)證測(cè)試不完善，環(huán)境因素考慮不周全等諸類(lèi)原因，電動(dòng)汽車(chē)充電線(xiàn)纜的質(zhì)量形式則更加嚴(yán)峻。
電動(dòng)汽車(chē)充電電纜是連接電動(dòng)汽車(chē)和充電樁的載體，其基本作用是傳輸電能。然而，隨著充電技術(shù)的發(fā)展，為了更好的完成充電，電動(dòng)汽車(chē)和充電樁之間需要進(jìn)行通信，并且在必要時(shí)進(jìn)行自動(dòng)控制。因此，充電過(guò)程對(duì)充電電纜提出了更高的要求，充電電纜不僅需要具有電量傳輸?shù)淖饔?，同時(shí)需要將車(chē)輛以及動(dòng)力電池的狀態(tài)和信息傳遞至充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，在必要條件下，對(duì)充電動(dòng)作進(jìn)行控制，以便安全可靠地完成充電過(guò)程。
二、典型失效模式分析
1.電纜的扭曲鼓包
充電線(xiàn)纜在使用時(shí)不可避免的會(huì)被扭曲彎折拖動(dòng)，久而久之，隨著材料的老化或者使用者操作不當(dāng)，電纜上會(huì)產(chǎn)生部分區(qū)域出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，剖開(kāi)鼓包區(qū)域線(xiàn)纜可以發(fā)現(xiàn)絕緣線(xiàn)芯已經(jīng)錯(cuò)位且有扭曲變相現(xiàn)象。雖然在外表皮絕緣護(hù)套未損壞的情況下，線(xiàn)纜存在鼓包并不會(huì)導(dǎo)致后續(xù)正常使用的安全問(wèn)題，但是由于內(nèi)部線(xiàn)芯彎折錯(cuò)位，使得線(xiàn)芯斷裂破損，導(dǎo)致線(xiàn)纜失效或是電阻值增大，產(chǎn)生過(guò)熱隱患等等。
2.電纜的護(hù)套開(kāi)裂
充電線(xiàn)纜多為戶(hù)外設(shè)施，在長(zhǎng)久使用后，護(hù)套老化彎折磨損出現(xiàn)開(kāi)裂，這種情況主要集中在大截面的電纜上。此外，市場(chǎng)上的充電線(xiàn)纜介于成本原因多為T(mén)PE材料的絕緣護(hù)套，并非TPU材料，而此類(lèi)材料的絕緣護(hù)套在低溫環(huán)境下更容易失去線(xiàn)纜特有的“柔韌性”，變硬變脆，容易破裂，產(chǎn)生安全隱患。
3.信號(hào)線(xiàn)斷線(xiàn)
在充電電纜中，由于主線(xiàn)芯與信號(hào)線(xiàn)芯界面差異過(guò)大，因此兩者彎曲時(shí)在承受相同表面張力的情況下，信號(hào)線(xiàn)芯往往更加容易出現(xiàn)斷線(xiàn)，導(dǎo)致充電過(guò)程中通訊阻斷，充電過(guò)程控制失效，引起過(guò)充、供電不足、防護(hù)裝置失效等一系列問(wèn)題，從而引發(fā)充電過(guò)程中的安全事故。此外，雖然相比于主線(xiàn)芯，信號(hào)線(xiàn)損壞更加容易，但是由于目前相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有對(duì)此要求監(jiān)控檢測(cè)，缺少檢測(cè)裝置，往往信號(hào)線(xiàn)斷線(xiàn)導(dǎo)致的線(xiàn)纜失效問(wèn)題更難以察覺(jué)，更具隱藏性，在問(wèn)題發(fā)生后的排查難度也相對(duì)較大。
以上三種常見(jiàn)的充電樁充電線(xiàn)纜失效模式，顯然信號(hào)線(xiàn)斷裂相比其他兩種更具隱藏性與頻發(fā)性，即使在模式1與模式2的情況下，信號(hào)線(xiàn)相較于主線(xiàn)芯依然存在著更高的損壞風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)充電線(xiàn)纜主線(xiàn)芯完好，信號(hào)通訊線(xiàn)纜已經(jīng)損壞的情況下，如果充電過(guò)程依然在進(jìn)行，控制器由于無(wú)法得到電池端反饋回來(lái)的電池狀態(tài)而不能正確的調(diào)配輸出功率，那么在已經(jīng)不受控制的充電過(guò)程中安全隱患是顯而易見(jiàn)的；其次，即使控制器在通訊信號(hào)斷開(kāi)時(shí)做出反應(yīng)停止充電過(guò)程，那么在后續(xù)的問(wèn)題排查過(guò)程中，依然需要再次檢測(cè)信號(hào)線(xiàn)來(lái)確定是否信號(hào)線(xiàn)斷裂是電纜失效的問(wèn)題點(diǎn)。這一步驟完全可以并到控制器應(yīng)對(duì)信號(hào)線(xiàn)斷裂采取措施的過(guò)程中確定，通過(guò)在電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中添加通訊信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)這一功能。
三、通訊信號(hào)檢測(cè)必要性分析
上訴兩點(diǎn)問(wèn)題，都可以通過(guò)在電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中添加通訊信號(hào)檢測(cè)，能有得到有效解決和緩解。那么就會(huì)有人問(wèn):”導(dǎo)致充電過(guò)程異常停止的因素除開(kāi)信號(hào)線(xiàn)斷裂還有很多種，為什么偏偏只提加信號(hào)線(xiàn)檢測(cè)？”
首先，綜上所述，由于信號(hào)線(xiàn)損壞而導(dǎo)致充電線(xiàn)纜失效的觸發(fā)率相對(duì)于其他失效因素偏高，在此種失效模式下，無(wú)論是充電過(guò)程仍舊繼續(xù)還是被切斷，添加信號(hào)線(xiàn)檢測(cè)都能得到相應(yīng)的益處。前者可以得到通訊中斷的反饋信息，從而終止充電過(guò)程，保障安全，后者能夠讓排查工作減少一部分內(nèi)容，并且由于此因素的高觸發(fā)率，也能大概率的讓排查工作一步到位。
其次，目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)式充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文案里，確實(shí)沒(méi)有要求對(duì)充電過(guò)程中的通訊信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。這只是基于德凱這次論壇會(huì)議內(nèi)容而延伸出的一個(gè)討論。從新能源汽車(chē)充電這一現(xiàn)象，可以延伸到很多其他類(lèi)似的場(chǎng)景，尤其在一些大型的應(yīng)用場(chǎng)景下，例如工業(yè)生產(chǎn)中的電機(jī)機(jī)床控制和保護(hù)，交通系統(tǒng)的指示燈信號(hào)燈控制和巡檢、礦場(chǎng)油田等其他需要長(zhǎng)距離拉線(xiàn)供電控制的應(yīng)用場(chǎng)景，加入信號(hào)線(xiàn)檢測(cè)，不僅可以及時(shí)的反饋出控制通訊端出現(xiàn)的問(wèn)題，而且還能能大大的縮減問(wèn)題出現(xiàn)后排查的工作量。
圖 5 信號(hào)線(xiàn)檢測(cè)可開(kāi)發(fā)方向
四、通訊信號(hào)檢測(cè)方案分析
目前，常見(jiàn)的通訊控制信號(hào)，多為小電流信號(hào)，范圍在0～20mA、0～30V之間。因此，控制信號(hào)的監(jiān)測(cè)，莫種程度上就是電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)。
當(dāng)前較為普遍的低成本小電流檢測(cè)方案主要有以下四種：
1. 電阻分流，顧名思義，通過(guò)串電阻的方式來(lái)檢測(cè)電流，但是此方案非隔離，目前信號(hào)線(xiàn)檢測(cè)的發(fā)展更有可能是在原有系統(tǒng)上做一個(gè)升級(jí)，因此該方案適用性不大。
2. 電流互感器，通過(guò)電磁感來(lái)檢測(cè)交流電流，但是由于通信信號(hào)多為直流信號(hào)，因此此方案也不適用。
3. 霍爾電流傳感器，隔離方案，高精度，高線(xiàn)性度，交直流都能檢測(cè)，價(jià)格低廉，并且在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)線(xiàn)檢測(cè)多數(shù)情況下只需要檢測(cè)信號(hào)線(xiàn)是否正常，不需要檢測(cè)通訊信號(hào)大小，所以霍爾電流傳感器在此應(yīng)用下有非常強(qiáng)的適用性。
4. 磁通門(mén)電流傳感器，隔離方案，相較于霍爾，具有更高的精度線(xiàn)性度，同樣交直流都能檢測(cè)，但是價(jià)格相較霍爾略高。因此在信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用中，針對(duì)于小信號(hào)，亦或是需要檢測(cè)通訊信號(hào)大小值的場(chǎng)景下，磁通門(mén)電流傳感具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。
綜上所述，從性能、適用性、成本三方面總和考慮，基于霍爾原理以及磁通門(mén)原理的隔離型電流傳感器，相對(duì)與其他電流檢測(cè)方案，更加適用于通訊信號(hào)檢測(cè)。
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