亚湿热气候下充电设备的环境失效研究与评价标准

陈永强，吕国伟，刘国荣

（1.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510663； 2.威凯检测技术有限公司，广州 510663）

引言

新能源汽车充电设备在我国多种气候环境下使用时，其环境适应性直接影响充电设备的使用稳定性、服役周期内的安全性和可靠性以及新能源汽车充电设备产业的可持续发展。

我国地域辽阔，气候环境多样，其中亚湿热环境是我国典型气候环境之一，新能源汽车充电设备在亚湿热气候环境下环境适应性研究在国内尚属空白。因此，本文开展了充电桩在亚湿热气候下环境失效测试与评价技术研究。

1 亚湿热气候下充电设备的环境失效研究

1.1 充电设备内外老化腐蚀环境条件的研究

首先开展亚湿热气候下充电设备内外老化腐蚀环境条件的研究，充分掌握了充电设备在亚湿热气候下实际服役的环境严酷度，并分析了导致充电设备服役失效的主要环境因素。研究成果如下：

1）我国亚湿热地区大气环境具有较高的老化严酷度等级，室外使用的充电设备长期处于高辐照、高温、高湿的环境中，高分子标准参考材料严酷度表征结果显示，我国亚湿热地区的大气环境严酷度是干热地区的1.2倍；

2）针对室外使用的充电设备，在散热机制的作用下，内部空气平均温度一般不超过35 ℃，相对湿度在80 %以上，且充电设备在实际使用过程中，内部电子元器件最高温度可达70 ℃以上，充电设备内部环境更为严苛，充电设备内部电子元器件的亚湿热气候环境可靠性、耐久性检测需针对电子元器件实际服役温湿度进行设计；

3）我国亚湿热地区大气腐蚀严酷度分析表明，亚湿热地区内陆大气环境腐蚀等级在C3等级，越接近海岸线，腐蚀等级越高，沿海城市大气腐蚀等级为C5；

4）利用标准铜片进行充电设备内部腐蚀环境严酷度表征研究，结果显示：室外使用的充电设备，其内部腐蚀等级为Gx，而室内使用的充电设备一般在G2以下。

1.2亚湿热环境腐蚀失效机理研究

随后开展了充电设备技术部件亚湿热环境腐蚀失效机理研究，开发了充电设备亚湿热环境适应性分析方法以及量化评价方法，利用模糊综合评判方法，确定了影响充电设备关键部件环境失效的主要环境因素，建立了充电设备电气模块性能与环境因素的时间序列关系，掌握了充电设备关键性能随时间的变化规律。研究成果如下：

1）室外使用的充电设备亚湿热气候环境下的失效行为规律研究表明：金属部件的腐蚀失效是充电设备零部件的主要失效形式，其中温湿度及污染物是导致充电设备腐蚀失效的主要环境因素；

2）充电设备关键性能演变规律研究表明：长期使用的充电设备，其防护性能呈现下降趋势，影响充电设备的安全性及充电效率；

3）开发充电设备亚湿热气候环境适应性分析评价方法，研究充电设备主要元器件的性能随时间变化的规律，结果表明：对于室外长期使用的充电设备，温度对直流充电设备电气结构可靠性的影响，在开始阶段为很高，湿度的影响为低，污染物的影响为很低。随着时间增长，温度的影响下降，湿度和污染物的影响上升。长期监控结果显示，湿度对直流充电设备电气结构可靠性的影响最大，温度次之，污染物最低。

1.3建立抗腐蚀性的人工加速试验方法

进一步从理论上分析充电设备内部环境对电气模块性能的影响，针对充电设备内部电子元器件开展腐蚀试验相关性研究以及带电状态对充电设备金属部件腐蚀的影响研究，建立了充电设备带电金属材料抗腐蚀性的人工加速试验方法。研究成果如下：

1）基于综合模糊评价方法，理论分析亚湿热气候环境中温度、湿度以及污染物对充电设备电气模块性能的影响，结果显示，湿度是影响充电设备内部电气部件的主要环境因素，温度次之，污染物最低；

2）基于充电设备电气部件环境分析结果，建立针对充电设备内部电气部件的人工加速试验方法，包括高温试验、交变湿热试验、太阳辐射试验、流动混合气体腐蚀试验以及长霉试验；

3）开展充电设备带电金属材料的抗腐蚀性研究，建立了充电设备带电金属材料抗腐蚀性的人工加速试验方法。结果表明，电流因素加剧了纯铜材质的腐蚀程度，但对纯铜镀银材质基本没有影响，对比结果显示，带电动态腐蚀速率是静态腐蚀速率的2倍。

1.4评价亚湿热环境下充电设备质量优劣提供了参考标准

针对充电设备设计、选材以及质量测试评价的需求，提出了《亚湿热环境下的新能源汽车充电设备技术规范》，为实际应用评价亚湿热环境下充电设备质量优劣提供了参考标准。研究成果如下：

1）针对充电设备的亚湿热环境适应性，提出充电设备在亚湿热环境下的特殊要求，包括安装使用场景、外壳防护等级、高温试验、交变湿热试验、太阳辐射试验、流动混合气体腐蚀试验、长霉试验等，并应用于电动汽车充电设施检测评价平台建设及环境适应性检测；

2）评价亚湿热环境下新能源汽车充电设备的节能要求、电磁兼容要求和特殊性能要求。

2 《亚湿热环境下的新能源汽车充电设备技术规范》标准内容

《亚湿热环境下的新能源汽车充电设备技术规范》规定了亚湿热环境下的新能源汽车充电设备的安装使用场景分类、技术要求、试验方法和检验规则。目标在于评价亚湿热环境下新能源汽车充电设备的环境适应性、节能要求、电磁兼容要求和特殊性能要求。

2.1环境适应性要求

1）充电设备按GB/T 4208-2017进行外壳防护等级试验，不同安装使用场景的充电设备的外壳防护等级要求见表1。

2）充电设备按GB/T 2423.2-2008进行高温试验，试验温度稳定并持续16 h，试验温度见表1。高温试验过程中、高温试验后恢复至正常温度，电动汽车充电设备工作正常无故障。

3）充电设备按 GB/T 2423.4-2008第7.3.3条的方法2进行交变湿热试验，循环次数6次，交变湿热试验高温温度见表1。第6次循环试验结束前2 h，对电动汽车充电设备进行介电强度和绝缘电阻试验，试验要求见表2。交变湿热试验后恢复至正常温湿度，电动汽车充电设备工作正常无故障。

表1 安装使用场景、外壳防护等级及气候环境适应性要求

表2 介电强度和绝缘电阻试验要求

4）充电设备的塑料壳体材料或壳体上塑料部件，按GB/T 2423.24-2013第7.3条程序B进行太阳辐射试验。试样的材料、厚度应和充电设备壳体上的塑料材料、厚度一致的三个试样，试样尺寸约为 150 mm×100 mm。整个试验持续期间相对湿度为（93±3）%，辐射强度为 1 120×（1±10 %）W/m2，照射期间实验箱温度为55 ℃，太阳辐射试验周期见表1。太阳辐射试验后试样不应出现变型翘曲、开裂碎裂、脆化粉化等劣化现象。

5）充电设备按GB/T 2423.51-2020的方法4进行流动混合气体腐蚀试验，试验持续时间见表1。流动混合气体腐蚀试验后，电动汽车充电设备工作正常无故障。

6）充电设备的PCB板、接插件、密封件等部件，按GB/T 2423.16-2008的试验方法1进行防长霉试验。长霉程度等级不低2a级。

2.2节能要求

对于所有应用场景下的电动汽车充电设备，交流充电桩的节能性能应符合表3的要求，非车载充电机应符合表4和表5的要求。

表3 交流充电桩的节能要求

表5 非车载充电机运行模式的节能要求

待机模式：充电设备的节能要求的各项测试时间不少于1 min，读数周不大于500 ms，取算数平均值得到相应的功率。充电设备断开与车辆模拟设备、测试负载的连接，使充电设备的工作状态为待机模式1，连续记录电动汽车充电设备无车辆模式的输入有功功率和测试时间。充电设备连接车辆模拟设备，断开测试负载，使被测设备的工作状态为待机模式2，连续记录充电设备空闲模式的输入有功功率和测试时间。

运行模式：充电设备连接车辆模拟设备和测试负载，调节充电设备、车辆模拟设备和测试负载，使充电设备的工作状态为运行模式，交流充电桩输出额定电压和额定电流，非车载充电机按照表4的要求调整输出电压和输出电流，连续记录充电设备运行模式的输入有功功率、输出有功功率和测试时间。

表4 非车载充电机待机模式的节能要求

2.3电磁兼容要求

充电设备的射频骚扰、静电放电抗扰度、浪涌抗扰度应符合表6的要求。射频骚扰按照GB 4824-2013进行。静电放电抗扰度按照GB/T 17626.2-2018进行；浪涌抗扰度按照GB/T 17626.5-2016进行。

表6 充电设备的射频骚扰、静电放电抗扰度、浪涌抗扰度要求

2.4特殊性能要求

充电设备的额定功率应不超过安装场所的配电容量的90 %，连接电源接入点与充电设备的配电电缆导体截面积的选择应符合GB 50217-2018中3.6规定的要求，且长度应不超过50 m，若电缆导体截面积提高一个等级，配电电缆的长度可以为100 m以下。

充电设备应配备用于雷电防护的浪涌保护装置，其安装和选型应符合GB/T 18487.1-2015中11.7规定的要求。

充电设备应具备急停保护功能，交流充电桩的急停保护试验按照NB/T 33008.2-2018中5.4.3进行；非车载充电机的急停保护试验按照NB/T 33008.1-2018中5.3.10进行。交流充电桩应符合NB/T33002-2018中7.7.4规定的要求；非车载充电机应符合NB/T33001-2018中6.9规定的要求。

落地式充电设备应有水浸保护功能，水位传感器的安装高度需低于内部最低带电导体（导线除外）的安装高度。

3 环境失效研究的创新性及科学性

1）利用高精度铜测试片，开展充电设备在亚湿热气候下实际服役环境严酷度量化表征研究，确定了充电设备内部微环境腐蚀严酷度，为人工加速试验方法提供数据支撑。

2）基于充电设备在亚湿热环境失效行为统计及环境失效规律研究，开发亚湿热环境下充电设备环境适应性分析及评价方法，实现充电设备环境适应性的量化分析与评价，为充电设备产品长期亚湿热环境下使用的安全性和耐久性研究提供了新思路。

3）基于充电设备实际服役环境严酷度、环境失效行为以及人工加速试验方法研究，提出了充电设备整机和零部件的环境适应性技术要求，形成技术标准，为实际应用评价充电设备质量优劣提供参考标准。

4 亚湿热气候下充电设备的环境失效研究成果前景和建议

针对充电设备产品存在亚湿热环境长期使用导致的充电设备服役寿命短、安全隐患大等问题，系统开展充电设备在亚湿热气候下环境失效测试与评价方法研究，建立了充电设备相应的环境适应性技术要求，为充电设备质量控制提供关键技术支持，进一步提高充电设备在亚湿热环境下的服役寿命和安全可靠性，为华南地区十四五充电设备大规模建设和应用提供技术支撑。

目前只针对亚湿热环境下的充电设备环境适应性检测评价技术进行研究，建议后续进一步针对不同气候环境、人文环境下的充电设备失效问题进行深入和系统的研究。