电动汽车直流充电接口互操作性测试与分析

孙文嘉，李 晓，李 杨，王娇娇

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

随着新能源产业技术的不断进步，电动汽车产业，尤其是中国电动汽车产业，得到了快速的成长［1］。直流充电可以实现电动汽车的快速能量补给，是一种重要的传导充电形式。以直流充电桩为代表的充电设施的建设也在实现着爆炸式的发展［2］。直流充电接口作为连接供电设备和电动汽车之间的桥梁，是影响充电过程互联互通和安全性的重要因素之一［3］，在用户日常使用所可能出现的各种匹配情况下，都应能保证其连接的可靠性和安全性。因此，为保证充电过程的安全性，必须对充电接口的性能进行严格控制。中国在2015年推出了关于充电接口的现行国标GB／T 20234-2015，包含GB／T 20234.1-2015、GB／T 20234.2-2015和GB／T 20234.3-2015三项，涵盖了接口的尺寸功能、机械可靠性、电气安全性和使用寿命等方面［4-5］。在国际上，日本、美国、欧洲等各个汽车产业发展较为成熟的国家和地区，也都在积极推动充电连接装置的标准化和统一化，并积极开展相关测试认证业务［3，6］。

2 互操作性测试试验背景

鉴于消费者在电动汽车日常使用过程中使用场所的不固定性和充电需求的随机性，无法保证在充电时所使用的车辆插头和车辆插座为同一品牌的产品。然而，在试验室进行测试过程中，往往在同一品牌之间开展。因此，为更好地模拟消费者在日常使用过程中的实际情况，了解不同品牌之间充电接口匹配使用时的性能表现，有必要针对充电接口开展互操作性测试研究。

本文中的互操作性测试研究选取在中国市场上具有代表性的若干款直流充电接口，进行不同品牌的充电接口互相配合后的一些电气性能试验，并对试验数据进行分析。试验主要通过端子温升、接触电阻、核心部件尺寸精度等关键技术指标［7］，对各个产品的具体性能表现做出客观评价。

3 试验实施方法

3.1 测试样品分组

将进行匹配性测试的直流充电接口按生产厂家分组为：1#、2#、3#、4#车辆插头和A#、B#、C#、D#、E#、F#车辆插座。产品规格均为750 V／250 A。

3.2 试验方法、流程及设备

图1 电压降测量导线安装示意图

2）直流充电接口的各个车辆插头分别与各个车辆插座配合进行试验，参照GB／T 20234.1-2015和GB／T 11918.1-2014中端子温升的测试方法，通以250 A的交流电，利用热电偶和数据采集仪，测量端子压接部位的温度变化情况，并记录温度数据［4-5］，如图2所示。

3）针对各品牌的试验样品，利用三坐标测量机测量其核心的带电部件和支撑带电体部分的尺寸精度 （图3）。插头部分选取DC+和DC-端子的端子外径尺寸和端子孔内径尺寸，插座部分选取DC+和DC-端子的端子内孔内径尺寸和端子外柱外径尺寸。

图3 三坐标测量机示意图

4）图4所示为测量端子温升的试验装置，其主体装置包括交流恒流源、温度传感器、数据采集仪和试验台面。

图4 端子温升测试装置示意图

4 测试结果

在进行直流充电接口的互操作性测试时，为了客观地评价出各个充电接口在各种匹配组合下的电气性能表现，分别将每一个直流充电插头依次匹配每一个直流充电插座进行接触电阻和端子温升的测试。

为了进一步分析各匹配组合下，直流充电接口的性能差异形成的主要原因，进而提出相关对策，针对所有插头和插座样品开展了相互配合部分尺寸精度的相关测试。测试主要针对充电接口中的带电部件和支撑带电体部分的核心关键尺寸展开。对于车辆插头样品，测量了功率端子DC+和DC-的端子外径尺寸和端子孔内径尺寸；对于车辆插座样品，测量了功率端子DC+和DC-的端子内孔内径尺寸和端子外柱外径尺寸。

4.1 直流充电接口接触电阻

各匹配组合下的端子接触电阻测试结果如图5～图8所示。

1）直流车辆插头1#与各品牌插座配合 （图5）。

选取2017年2月—2018年6月90例肺癌手术患者作为研究对象，将其随机分为两组。其中，观察组男女比例为30∶15，年龄为55～81岁，平均（65.37±1.44）岁。对照组中，男女比例为31∶14，年龄为56～80岁，平均（66.41±1.32）岁。两组患者的一般资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

图5 插头1#各匹配组合下接触电阻情况

2）直流车辆插头2#与各品牌插座配合 （图6）。

图6 插头2#各匹配组合下接触电阻情况

3）直流车辆插头3#与各品牌插座配合 （图7）。

图7 插头3#各匹配组合下接触电阻情况

4）直流车辆插头4#与各品牌插座配合 （图8）。

图8 插头4#各匹配组合下接触电阻情况

4.2 直流充电接口端子温升

各匹配组合下的端子温升测试结果如图9～图12所示。

1）直流车辆插头1#与各品牌插座配合 （图9）。

图9 插头1#各匹配组合下端子温升情况

2）直流车辆插头2#与各品牌插座配合 （图10）。

图10 插头2#各匹配组合下端子温升情况

3）直流车辆插头3#与各品牌插座配合 （图11）。

图11 插头3#各匹配组合下端子温升情况

4）直流车辆插头4#与各品牌插座配合 （图12）。

图12 插头4#各匹配组合下端子温升情况

4.3 电气性能分析评价

样品4#和1#均表现为在与3组插座样品配合时性能较好，与1组插座样品配合时电气性能处于国标限制的控制线上下浮动，与2组插座样品配合时电气性能超出了国标的限值。4#和1#插头的样品电气性能表现对比分析而言，4#更为均衡一些，1#性能浮动情况略大一些。直流车辆插头3#的电气性能较为一般，其在与3组插座样品配合进行试验时，均未能满足试验测试要求 （即端子温升超出了50 K的国标限值）。2#的电气性能较差，其在与所有插座样品配合进行试验时，均无法满足国标限值要求，端子温升基本都已达到60 K以上，最高甚至已经超出70 K。

结合接触电阻和端子温升情况进行分析，当接触电阻在0.18 mΩ以下时，一般均可满足国标中端子温升的限值要求；当接触电阻大于0.23 mΩ时，往往会超限，可基本判定为产品失效。当接触电阻处于0.18 mΩ至0.23 mΩ之间时，温升是否超限与充电接口自身的散热性密切相关。相对而言，直流充电接口接触电阻与端子温升的对应关系并没有足够的密切。例如直流车辆插头1#在与A#插座和F#插座匹配测试的过程中，与F#插座匹配时接触电阻相对略大于与A#插座匹配时，但端子温升测试结果与F#插座匹配的结果反而好于与A#插座配合的情况。这表明了接触电阻是影响端子温升的一个决定性因素，但绝非唯一因素，充电接口的结构设计、材料选取等均会对最终的端子温升产生影响。尤其是对于直流充电接口，其通电电流较大，考虑产热Q=I2Rt时，产热量较大，散热对于接口性能的影响会远远大于接触电阻的影响。因此，针对直流充电接口，尤其是未来更大功率的充电接口，考虑多方面改善散热会更为有效。

试验结果表明，不同品牌车辆插头／插座在不同匹配组合时，性能表现也有着比较明显的差异。由于250 A的直流充电接口本身电流大，端子温升情况较高，因此，匹配组合配合性不佳的情况下，出现测试未通过的情况较多。基于充电过程中的安全性考虑，以及实际使用中直流充电的流动性和互操作的需求较强，直流充电接口进行性能提升的需求较为迫切，以保证互操作充电下的匹配可靠性。

4.4 插头尺寸精度

直流车辆插头1#～4#的尺寸精度测试结果见表1。

4.5 插座尺寸精度

直流车辆插座A#～F#的尺寸精度测试结果见表2。

表1 直流车辆插头1#～4#的尺寸测试数据 （单位：mm）

表2 直流车辆插座A#～F#的尺寸测试数据 （单位：mm）

4.6 尺寸精度分析评价

根据尺寸测试的结果显示，在4个品牌的直流车辆插头样品中，1#插头样品的尺寸精度控制最为优秀；在6个品牌的直流车辆插座样品中，D#插头样品的尺寸精度控制最为优秀。

针对具体测试数据进行分析，2#和4#车辆插头的尺寸问题表现于DC+和DC-端子的端子外径出现了下偏差，相对而言4#插头的偏差量级远小于2#样品，4#最大仅在0.011 mm，而2#则在0.3 mm左右；3#样品的尺寸问题则表现在DC+和DC-端子的端子孔内径比理论值偏大，上偏差超差在0.07 mm左右。各个品牌的直流车辆插座样品，A#插座的端子外柱这一支撑带电体部分相对尺寸偏小，偏差在0.1 mm的量级上；B#和C#插座的端子内孔尺寸略小于理论值0.02 mm～0.03 mm；E#和F#的端子内孔尺寸则均偏大，最大偏差甚至接近0.1 mm。

大部分厂家直流充电接口的孔类型尺寸在尺寸精度方面偏向于走上偏差，实际值会较理论值略大；轴类型尺寸在精度方面偏向于走下偏差，实际值会较理论值略小。但是由于直流充电接口经受的电流值较大，因此为了使接触情况更加优异，以得到更好的电气性能，也有厂家在满足插拔力要求的前提下，使直流插座的端子内孔这一接触导体部分的孔类型尺寸较小于理论值。

5 结果与讨论

直流充电接口的DC+、DC-端子的接触导体部分和支撑带电体部分尺寸同样对接口的电气性能影响较大，均属关键尺寸。同时由于直流充电接口的线缆线径较粗，因此一旦发生弯扭，充电接口需承受的拧压力作用较大。因此，直流充电接口不仅接触导体部分，支撑带电体部分的尺寸精度也同样比较重要。以A#插座为例，其支撑带电体部分的尺寸偏小0.1 mm左右。该尺寸偏小易导致对导体部分的固定程度不足，尤其是当充电接口在插合状态下经受线缆弯扭等拧压力的作用时，该插座的支撑带电体不能及时与插头部分紧密作用抵消作用力，就会导致端子接触导体部分受力而降低电气性能。这也在一定程度上解释了A#插座在测试中出现性能不太稳定的现象。结合电气性能和尺寸精度的测试结果可知，当直流充电接口的端子孔内径、端子外柱等支撑带电体的尺寸偏差达到0.1 mm量级、以及端子外径、端子内孔等导体部分的尺寸偏差达到0.05 mm的量级时，就会对电动汽车交流充电接口的性能产生较为显著的影响。

目前现行标准GB／T 20234.3-2015中，对直流充电接口的尺寸偏差要求为：对插头的端子孔、插座的端子外柱这两个支撑带电体部分，均给出了0.2 mm的偏差范围；插头的端子外径部分给出了0.05 mm的偏差范围；对插座的端子内孔部分给出了0.2 mm的偏差范围。而根据本次匹配性测试的结果，考虑到直流接口的实际使用特点，可以考虑适当减小直流插座端子外柱部分的偏差范围。此外，现行标准中直流插头端子外径仅允许存在下偏差，直流插座端子内孔仅允许存在上偏差，但考虑到直流接口的大电流使用特点，如果在不影响插拔力的前提下，可以适当考虑允许直流插座端子内孔存在下偏差，即允许直流插座的端子内孔略小于理论值。结合本次测试中的B#插座和C#插座的电气性能情况，其端子内孔略小，导致与插头端子的接触更为紧密，反而利于性能的提升，尤其是在与类似直流车辆插头2#这样的端子外径偏小的插头配合使用时，性能表现甚至优于符合现行标准上偏差要求的D#插座样品。

6 总结

1）部分厂家的充电接口，尤其是直流250 A充电接口，在进行端子温升测试的过程中，温度上升剧烈，达到温度稳定时端子温升远超标准限值。

2）不同品牌的充电接口在进行互操作匹配性测试的过程中，在不同的匹配组合下表现出了明显的性能差异。显示出了试验室检测的局限性和进行互操作匹配性测试的必要性。

3）充电插头的端子外径、端子孔内径，充电插座的端子内孔孔径、端子外柱直径等接触导体部分和支撑带电体部分的尺寸对充电接口的电气性能影响较大，属于充电接口的关键尺寸。

4）针对直流充电接口的尺寸精度，测试结果显示：支撑带电体部分和接触导体部分都应尽量控制在0.05 mm的精度范围之内。

5）对于直流250 A充电接口，当接触电阻在0.18 mΩ以下时，端子温升测试结果一般较好；当接触电阻大于0.23 mΩ时，端子温升往往会超限。

6）当发热量到达一定程度后，散热能力将会取代发热量成为影响接口性能的主要因素。因此，对于大功率充电接口，如何增加其散热能力将会至关重要。