10月30日,，在DEKRA德凱主辦的“2018電動(dòng)汽車安全·創(chuàng)新論壇”上,，筆者有幸學(xué)習(xí)了電動(dòng)汽車充電樁電纜標(biāo)準(zhǔn)及失效分析進(jìn)行了深入分析。

　　在電動(dòng)汽車逐漸替代傳統(tǒng)燃油車的大趨勢(shì)下，電動(dòng)汽車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)汽車的充電配套設(shè)施的需求也是與之俱增。然而,，電動(dòng)汽車充電樁的故障率卻一直處在一個(gè)不低的水平,。其中又以充電線纜的損壞占到了相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

　　一、全球充電樁電纜標(biāo)準(zhǔn)

　　電動(dòng)汽車充電用電纜作為新型電線電纜,，其使用要求不同于傳統(tǒng)的電線線纜,，目前，電動(dòng)汽車充電用電纜國(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)。

　　2017年中國(guó)新能源電動(dòng)汽車銷量占全球銷量的50%,，全球新能源汽車主要市場(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)的銷量總和占全球電動(dòng)汽車銷量的86%。近些年,，這些地區(qū)都公布或更新了,，電動(dòng)汽車充電線纜相關(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:

　　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)各自優(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。

　?、?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。

　?、?所有產(chǎn)品均為無鹵,，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,。

　?、?產(chǎn)品中沒有直流充電線纜可選。

　?、?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,。

　　②.缺少評(píng)估線纜實(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)汽車充電樁線纜市場(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原因,，電動(dòng)汽車充電線纜的質(zhì)量形式則更加嚴(yán)峻,。

　　電動(dòng)汽車充電電纜是連接電動(dòng)汽車和充電樁的載體，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)淖饔茫瑫r(shí)需要將車輛以及動(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程,。

　　二,、典型失效模式分析

　　1.電纜的扭曲鼓包

　　充電線纜在使用時(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，剖開鼓包區(qū)域線纜可以發(fā)現(xiàn)絕緣線芯已經(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,，線纜存在鼓包并不會(huì)導(dǎo)致后續(xù)正常使用的安全問題，但是由于內(nèi)部線芯彎折錯(cuò)位,，使得線芯斷裂破損,，導(dǎo)致線纜失效或是電阻值增大，產(chǎn)生過熱隱患等等,。

　　圖 1 電纜扭曲鼓包

　　2.電纜的護(hù)套開裂

　　充電線纜多為戶外設(shè)施,，在長(zhǎng)久使用后，護(hù)套老化彎折磨損出現(xiàn)開裂,，這種情況主要集中在大截面的電纜上,。此外，市場(chǎng)上的充電線纜介于成本原因多為TPE材料的絕緣護(hù)套,，并非TPU材料,，而此類材料的絕緣護(hù)套在低溫環(huán)境下更容易失去線纜特有的“柔韌性”，變硬變脆,，容易破裂,，產(chǎn)生安全隱患。

　　圖 2 電纜護(hù)套開裂

　　3.信號(hào)線斷線

　　在充電電纜中,，由于主線芯與信號(hào)線芯界面差異過大,，因此兩者彎曲時(shí)在承受相同表面張力的情況下，信號(hào)線芯往往更加容易出現(xiàn)斷線,，導(dǎo)致充電過程中通訊阻斷,，充電過程控制失效,，引起過充、供電不足,、防護(hù)裝置失效等一系列問題,，從而引發(fā)充電過程中的安全事故。此外,，雖然相比于主線芯,，信號(hào)線損壞更加容易，但是由于目前相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)此要求監(jiān)控檢測(cè),，缺少檢測(cè)裝置,，往往信號(hào)線斷線導(dǎo)致的線纜失效問題更難以察覺，更具隱藏性,，在問題發(fā)生后的排查難度也相對(duì)較大,。

　　圖 3 電纜截面圖圖              圖 4 電纜信號(hào)線斷裂

　　以上三種常見的充電樁充電線纜失效模式，顯然信號(hào)線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)線相較于主線芯依然存在著更高的損壞風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)充電線纜主線芯完好,，信號(hào)通訊線纜已經(jīng)損壞的情況下,，如果充電過程依然在進(jìn)行，控制器由于無法得到電池端反饋回來的電池狀態(tài)而不能正確的調(diào)配輸出功率,，那么在已經(jīng)不受控制的充電過程中安全隱患是顯而易見的,；其次，即使控制器在通訊信號(hào)斷開時(shí)做出反應(yīng)停止充電過程,，那么在后續(xù)的問題排查過程中,，依然需要再次檢測(cè)信號(hào)線來確定是否信號(hào)線斷裂是電纜失效的問題點(diǎn)。這一步驟完全可以并到控制器應(yīng)對(duì)信號(hào)線斷裂采取措施的過程中確定,，通過在電動(dòng)車充電過程中添加通訊信號(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)問題,，都可以通過在電動(dòng)車充電過程中添加通訊信號(hào)檢測(cè)，能有得到有效解決和緩解,。那么就會(huì)有人問:”導(dǎo)致充電過程異常停止的因素除開信號(hào)線斷裂還有很多種,，為什么偏偏只提加信號(hào)線檢測(cè)？”

　　首先,，綜上所述,，由于信號(hào)線損壞而導(dǎo)致充電線纜失效的觸發(fā)率相對(duì)于其他失效因素偏高，在此種失效模式下，無論是充電過程仍舊繼續(xù)還是被切斷,，添加信號(hào)線檢測(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)汽車傳導(dǎo)式充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文案里，確實(shí)沒有要求對(duì)充電過程中的通訊信號(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,。從新能源汽車充電這一現(xiàn)象，可以延伸到很多其他類似的場(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)距離拉線供電控制的應(yīng)用場(chǎng)景,，加入信號(hào)線檢測(cè)，不僅可以及時(shí)的反饋出控制通訊端出現(xiàn)的問題,，而且還能能大大的縮減問題出現(xiàn)后排查的工作量,。

　　圖 5 信號(hào)線檢測(cè)可開發(fā)方向

　　四、通訊信號(hào)檢測(cè)方案分析

　　目前,，常見的通訊控制信號(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,，通過串電阻的方式來檢測(cè)電流,，但是此方案非隔離，目前信號(hào)線檢測(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，通過電磁感來檢測(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)線檢測(cè)多數(shù)情況下只需要檢測(cè)信號(hào)線是否正常,，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.磁通門電流傳感器,，隔離方案,，相較于霍爾，具有更高的精度線性度,，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),。