從充電樁線纜失效模式談開去

-----淺談通訊信號檢測的必要性

（浙江巨磁智能技術(shù)有限公司）

Magtron? ?Allard

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

在電動汽車逐漸替代傳統(tǒng)燃油車的大趨勢下，電動汽車每年的全球出貨量也是以驚人的速度增長。而與此同時對于電動汽車的充電配套設(shè)施的需求也是與之俱增。然而，電動汽車充電樁的故障率卻一直處在一個不低的水平。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，電動汽車充電用電纜國家標(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。

表 1 全球充電樁電纜的主要標(biāo)準(zhǔn)

IEC標(biāo)準(zhǔn) IEC 62893-1/2/3:2017

歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 50620:2017(交流35mm2以下)

中國標(biāo)準(zhǔn) GB/T 33594-2017

美國/加拿大標(biāo)準(zhǔn) UL 62? CSA C22.2 No.49

日本標(biāo)準(zhǔn) JCS 4522

2017年中國新能源電動汽車銷量占全球銷量的50%，全球新能源汽車主要市場一次為：1中國、2歐洲、3北美、4日韓、5其他。其中中國、歐洲、北美三個地區(qū)的銷量總和占全球電動汽車銷量的86%。近些年，這些地區(qū)都公布或更新了，電動汽車充電線纜相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文案。其中中國、歐洲、北美三個地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)解析對比如下表2、表3所示:

表 2 全球三大主要市場標(biāo)準(zhǔn)解析

標(biāo)準(zhǔn) 額定電壓 額定溫度 主要型號 材料

GB/T 33594 AC 450/750V

DV 1000V -40℃～90℃ S90S90 S90S90PS90 S90F S90S90PF

S90U S90S90PU S90UPU EU EUPU EF EFPF EYU EYUPU EYYJ EYYJPYJ 絕緣：S90? E（Y）

護(hù)套：S90? F U YJ

EN 50620 AC 300/500V

DC 450/750V -40℃～90℃ H05BZ5-F H07BZ5-F H05BZ6-F H07BZ6-F 絕緣：EVI-1 EVI-2

護(hù)套：EVM-1 EVM-2

UL 62 AC 300V

DC 600V -40℃～105℃ EVJ EVJE EVJT EV EVE EVT 絕緣及護(hù)套：CPE CSM EP TPE PVC

表 3 國標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)標(biāo)注中在電纜材料主要性能差異度對比

絕緣和護(hù)套材料性能對比

序號 測試項目 GB/T 33594 EN 50620 UL 62

1 絕緣護(hù)套熱延伸 √ / √

2 絕緣護(hù)套高溫壓力 √ / √

3 絕緣熱收縮 √ / √

4 絕緣護(hù)套低溫拉伸OD≥12.5mm √ / √

5 絕緣護(hù)套耐臭氧 √ / √

6 絕緣護(hù)套鹵素 √ / √

7 護(hù)套耐水解 √ / √

8 護(hù)套耐酸堿 √ / √

9 護(hù)套皂化實驗 √ / √

10 護(hù)套抗撕裂 √ / √

針對于全球三大主要市場標(biāo)準(zhǔn)要求以及實驗內(nèi)容，總結(jié)出三份標(biāo)準(zhǔn)各自優(yōu)缺點如下：

1.中國市場GB/T 33594

優(yōu)點：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.符合中國市場國情。

缺點：①.材料及整纜的耐高溫性能可以考慮提高。

2.歐洲市場EN 50620：

優(yōu)點：①.絕緣及護(hù)套材料性能指標(biāo)齊全。

? ? ? ②.所有產(chǎn)品均為無鹵，符合新能源綠色環(huán)保的理念。

缺點：①.絕緣和護(hù)套材料組合單一，可選擇性較少。

? ? ? ②.產(chǎn)品中沒有直流充電線纜可選。

? ? ? ③.缺少耐刮磨、抗擠壓、濕熱、高低溫循環(huán)等試驗。

北美市場UL 62：

優(yōu)點：①.材料范圍廣，PVC、TPE、CPE等均可使用。

? ? ? ②.著重考慮到耐環(huán)境、電性能、燃燒等，如90度長期絕緣電阻、相對電容和穩(wěn)定因數(shù)、VW-1測試等。

缺點：①.標(biāo)準(zhǔn)中對規(guī)格選型規(guī)定較為混亂。

? ? ? ②.缺少評估線纜實際使用的測試，如搖擺試驗、耐液體試驗、高低溫循環(huán)、濕熱測試、抗撕裂測試等。

從上述分析中可以得知，目前電動汽車充電樁線纜市場確實仍處于剛剛起步的階段，全球三大市場的標(biāo)準(zhǔn)都多少存在著缺陷以及不完善的地方。而在實際市場情況中，由于廠家壓縮成本，認(rèn)證測試不完善，環(huán)境因素考慮不周全等諸類原因，電動汽車充電線纜的質(zhì)量形式則更加嚴(yán)峻。

電動汽車充電電纜是連接電動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，電動汽車和充電樁之間需要進(jìn)行通信，并且在必要時進(jìn)行自動控制。因此，充電過程對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?，同時需要將車輛以及動力電池的狀態(tài)和信息傳遞至充電樁進(jìn)行實時交互，在必要條件下，對充電動作進(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

充電線纜在使用時不可避免的會被扭曲彎折拖動，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.信號線斷線

在充電電纜中，由于主線芯與信號線芯界面差異過大，因此兩者彎曲時在承受相同表面張力的情況下，信號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)并沒有對此要求監(jiān)控檢測，缺少檢測裝置，往往信號線斷線導(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較大。

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圖 3 電纜截面圖圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖 4 電纜信號線斷裂

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，信號線相較于主線芯依然存在著更高的損壞風(fēng)險。當(dāng)充電線纜主線芯完好，信號通訊線纜已經(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斷開時做出反應(yīng)停止充電過程，那么在后續(xù)的問題排查過程中，依然需要再次檢測信號線來確定是否信號線斷裂是電纜失效的問題點。這一步驟完全可以并到控制器應(yīng)對信號線斷裂采取措施的過程中確定，通過在電動車充電過程中添加通訊信號檢測，實現(xiàn)這一功能。

三、通訊信號檢測必要性分析

上訴兩點問題，都可以通過在電動車充電過程中添加通訊信號檢測，能有得到有效解決和緩解。那么就會有人問:”導(dǎo)致充電過程異常停止的因素除開信號線斷裂還有很多種，為什么偏偏只提加信號線檢測？”

首先，綜上所述，由于信號線損壞而導(dǎo)致充電線纜失效的觸發(fā)率相對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，添加信號線檢測都能得到相應(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，目前的國家標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于電動汽車傳導(dǎo)式充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文案里，確實沒有要求對充電過程中的通訊信號進(jìn)行檢測。這只是基于德凱這次論壇會議內(nèi)容而延伸出的一個討論。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景，尤其在一些大型的應(yīng)用場景下，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)的指示燈信號燈控制和巡檢、礦場油田等其他需要長距離拉線供電控制的應(yīng)用場景，加入信號線檢測，不僅可以及時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 信號線檢測可開發(fā)方向

四、通訊信號檢測方案分析

目前，常見的通訊控制信號，多為小電流信號，范圍在0～20mA、0～30V之間。因此，控制信號的監(jiān)測，莫種程度上就是電流信號的監(jiān)測。

當(dāng)前較為普遍的低成本小電流檢測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電流，但是此方案非隔離，目前信號線檢測的發(fā)展更有可能是在原有系統(tǒng)上做一個升級，因此該方案適用性不大。

2.電流互感器，通過電磁感來檢測交流電流，但是由于通信信號多為直流信號，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，價格低廉，并且在實際應(yīng)用中，信號線檢測多數(shù)情況下只需要檢測信號線是否正常，不需要檢測通訊信號大小，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，但是價格相較霍爾略高。因此在信號檢測應(yīng)用中，針對于小信號，亦或是需要檢測通訊信號大小值的場景下，磁通門電流傳感具有比較明顯的優(yōu)勢。

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，相對與其他電流檢測方案，更加適用于通訊信號檢測。