热带海岛电动汽车充电设施环境技术标准分析

2023-05-28庞松岭黎智赵海龙王俊陈川黄廷城

环境技术 2023年4期

庞松岭，黎智，赵海龙，王俊，陈川，黄廷城

（1.海南电网有限责任公司电力科学研究院，海口 570311；2.热带智能电网实验室，海口 570311；3.中国电器科学研究院股份有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 510663；4.重庆大学电气工程学院，重庆 400000）

引言

随着新能源电动汽车的大范围推广及产业化应用，电动汽车的充电需求也在不断的增加[1-2],新能源汽车充电设施作为中国“新基建”的重点建设领域，必将在未来数年得到进一步推广应用。

近年来，国内出台了多项政策，支持推动电动汽车的健康快速发展。根据《海南省清洁能源汽车发展规划》，力争在2030 年达到新增和更换新能源汽车比例100 %。提出打造全岛“一张网”的运营模式工作要求，积极推动“碳达峰、碳中和”工作，构建低碳化海岛交通系统。

在新能源发展工作的推进过程中，电动汽车充电设施也面临着一系列环境适应性和标准体系完善等难题。海南省地处热带北缘，属热带季风气候，边缘热带湿润气候区夏季经常出现高温配合高湿天气，年平均日照时数2 000 h，沿海地区长期维持高盐雾环境条件[3]，电动汽车充电设施在投运1～2年后出现不同程度的外壳腐蚀、涂层开裂、柜内凝露、发热异常、材料老化发霉等环境缺陷问题，设备结构件和关键元器件在热带海岛多种复杂环境因素影响下容易发生环境失效问题[4-5]，难以保障设备使用可靠性和电能计量的精准性[6]，给电动汽车充电设施的正常运行及使用带来了严重的安全隐患。

环境适应性是设备和材料的重要评价指标[7]，而当前耐候性试验不满足热带沿海地区电动汽车充电设施实际工况需求[8]，为此本文针对海岛高温、高湿、高盐雾等复杂环境下电动汽车充电设施的服役环境特征和可靠性开展分析，基于热带海岛环境因素对电动汽车充电设施本体和关键部件的影响，对当前电动汽车充电设施环境试验相关标准要求进行分析，并提出针对电动汽车充电设施环境技术的结论和建议。

1 服役环境特征

电动汽车充电设施可划分为传导式充电和无线充电两大类，当前电动汽车多采用传导式充电方式。传导式充电设施主要包括非车载充电机和交流充电桩，电动汽车充电设施的服役环境主要可划分为室外和室内，见表1。

表1 电动汽车充电设施服役环境划分

表 2 环境因素导致的电动汽车充电设施故障分析

根据表1 所述，电动汽车充电设施大多安装于户外，长期运行于严酷自然环境下。在热带海岛严酷环境下，与外部环境直接接触的充电连接装置、显示屏等元件将直接受高温、高湿、高辐照、高盐雾等严酷环境影响，容易造成充电枪的电子锁锈蚀、屏幕外壳材料老化等问题。设备金属防护外壳锈蚀、密封件老化会降低对内部元器件的保护能力减弱，造成外部环境的渗透。当内部的功能模块、电能表等部件将受到高湿、盐雾等环境因素影响，容易造成接触电阻和腐蚀速率的增加，导致发热异常及绝缘故障等问题[9-11]，影响电动汽车充电设施使用可靠性。

2 可靠性分析

电动汽车充电设施是一套复杂的系统集成设备，由各功能模块、显示屏、电能表、电气元件等构成，各部件和材料的使用可靠性问题不容忽视。通过对海南省近1 年充电设施的运行维护情况进行统计，列出了典型热带海岛电动汽车充电设施故障树，见图1。

图2 内部元件锈蚀严重

由图1 可知，在热带海岛电动汽车充电设施故障树中，中间事件划分为紧急故障和一般故障，按照故障程度的不同，紧急故障可分为锁枪故障和绝缘故障等，该类安全问题影响较大，需要重点处理。一般故障主要为部件故障，包括了充电设施的常用功能部件，可分为功能模块、显示屏、充电连接装置和电能表。

通过对海南已失效的电动汽车充电设施进行调研，选取典型失效部件进行分析，了解部件故障的主要现象和原因，见表2。

上述分析可见，电动汽车充电设施的环境适应能力直接影响设备的使用可靠性。在热带海岛环境下需要重点考虑下列部件材料的环境适应能力和耐久等级：外壳防护性能、功能模块的电子线路板和芯片的耐腐蚀性、电子锁防锈性、显示屏和充电连接装置材料的耐老化性、内部元器件的耐高温性及充电设施整体环境防护技术的提升。

3 环境试验标准分析

本章对电动汽车充电设施的环境试验技术标准进行统计分析，包括非车载充电机和交流充电桩。产品环境试验要求涉及国家标准、行业标准、团体标准以及电网企业标准等13 项，见表3。

上述标准均对电动汽车充电设施的环境试验方法和技术要求提出了相关规定，本章主要对标准中提出的环境试验方法和严酷度要求进行统计分析，包括：高温试验、湿热试验、盐雾试验、防霉变试验、防太阳辐射试验、耐老化试验、耐腐蚀及防锈试验和防护等级试验。

3.1 高温试验

当前部分行业标准、团体标准和企业标准对电动汽车充电设施的高温试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GB/T 2423.2-2008《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验B：高温》的规定，见表4。

表4 电动汽车充电设施的高温试验要求

由表4 可以看出，上述标准的高温试验均未考虑充电设施的运行工况，充电设施尤其是非车载充电机在进行快速充电时，大功率作用下设备内部温度可能会升高至70 ℃以上，高于上述标准规定的温度。

3.2 交变湿热试验

当前部分行业标准、团体标准和企业标准对电动汽车充电设施的交变湿热试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GBT 2423.4-2008《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验Db：交变湿热试验方法（12 h+12 h 循环）》的规定，见表5。

表5 电动汽车充电设施的交变湿热试验要求

由表5 可以看出，不同标准对充电设施所规定的严酷度等级不同，交变湿热试验主要验证设备或元器件在高湿度与温度循环变化下设备能否正常运行的能力，中电联团队标准主要面向高温沿海地区，虽然其严酷度要求相比其它标准有所提升，但仍不足以全面有效的反映充电设施在热带海岛地区不同严酷环境下的耐久可靠性。

3.3 防盐雾试验

当前部分行业标准、团体标准和企业标准对电动汽车充电设施的防盐雾试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GB/T 2423.17-2008 《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验Ka：盐雾》和GB/T 1771-2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》的规定进行，见表6。

表6 电动汽车充电设施的防盐雾试验要求

热带海岛海盐粒子浓度要高于内陆地区约2～3 个数量级[4]，高盐雾环境更容易引起设备各种腐蚀性问题，应根据充电设施不同零部件的运行环境不同而选择不同的试验严酷度要求和耐久性分级评价方法。

3.4 防霉变试验

当前部分行业标准、团体标准和企业标准对电动汽车充电设施的防霉变试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GB/T 2423.16-2008《电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验j 及导则：长霉》的规定进行，见表7。

表7 电动汽车充电设施的防霉变试验要求

热带海岛地区高湿、强降雨环境利于霉菌的生长繁殖，造成设备表面污染，由表7 可以看出，当前部分标准针对热带海岛充电设施防霉变试验要求缺失。

3.5 防太阳辐射试验

当前仅在团体标准中对电动汽车充电设施的防太阳辐射试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GB/T 2423.24-2013《环境试验第2 部分试验方法试验Sa 模拟地面上的太阳辐射及其试验导则》的程序B规定进行，见表8。

表8 电动汽车充电设施的防太阳辐射试验要求

据统计，海南岛年平均日照时数2 000 h，部分热带边缘地区≥2 500 h，年平均太阳辐射量6 000 MJ/m2，热带海岛高强度的太阳辐射和长时间的持续日照影响着设备结构和电气性能，由表8 可以看出，当前国内对充电设施的防太阳辐射试验要求的严酷度要求相较热带海岛实际环境条件偏低，难以全面对应热带海岛地区充电设施的实际运行指标。

3.6 耐老化试验

当前仅在国家标准中对电动汽车充电设施的耐老化试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GB/T 11918.1-2014《工业用插头插座和耦合器第1 部分通用要求》的规定进行，见表9。

表9 电动汽车充电设施的耐老化试验要求

热带海岛特殊环境会造成充电设施橡胶、热塑性等材料的老化，将直接影响充电设施的性能。材料老化对充电设施的稳定运行造成重大隐患，应针对热带海岛地区环境特点提出耐老化试验方法，针对性提出防护措施，进而提高抗老化材料应用标准和施工工艺导则。

3.7 耐腐蚀及防锈试验

当前部分国家标准和行业标准对电动汽车充电设施的耐腐蚀及防锈试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GB/T 11918.1-2014《工业用插头插座和耦合器第1部分通用要求》的规定进行，见表10。

表10 电动汽车充电设施的耐腐蚀及防锈试验要求

热带海岛特殊环境会造成充电设施腐蚀和金属材料锈蚀，热带海岛盐雾中的氯离子对充电设施的金属部分起到了腐蚀破坏作用，导致机械部件、操作机构卡涩、失灵，同时湿气、盐雾、霉菌会腐蚀电路板导体，甚至造成无法挽回的短路。由表10 可以看出，当前充电设施标准缺失多环境应力下耐腐蚀与防锈试验的耐久可靠要求。

3.8 防护等级试验

当前部分行业标准、团体标准和企业标准对电动汽车充电设施的防护等级试验方法和技术要求提出相关规定，按照国标GB 4208-2017《外壳防护等级（IP 代码）（IEC 60529，IDT）》的规定进行，见表11。

表11 电动汽车充电设施的防护等级试验要求

在热带海岛雨天过后，部分充电设施内部有进水现象，存在漏电等安全隐患，当前的充电设施防护标准偏低，亟需完善其密封性的耐久可靠验证。

根据上述电动汽车充电设施的多类环境试验标准技术要求可知：

1）当前标准主要针对电动汽车充电设施整机环境试验提出相应要求，试验周期短，缺乏关键部件的环境试验技术要求和整体的耐久性试验评价，与热带海岛电动汽车充电设施服役寿命要求有较大差距。

2）环境试验方法均为单一因素试验，没有综合考虑多种复杂环境因素对带工况电动汽车充电设施的影响，难以准确验证设备在热带海岛环境下的真实服役状态。

3）部分环境试验要求缺失和试验严酷等级要求偏低：

①部分环境试验要求缺失，例如电动汽车充电设施耐老化试验要求，仅国家标准GB/T 11918.1-2014《工业用插头插座和耦合器第1 部分通用要求》针对充电连接装置提出了规定，而面向热带海岛地区的设备整机和其他关键部件的耐老化试验要求和耐久性评价要求缺失。

②部分试验严酷等级要求偏低，热带海岛地区年平均相对湿度82 %，部分热带边缘地区年平均日照时数≥2 500 h，年平均太阳辐射量6 000 MJ/m2，且电动汽车充电设施尤其是非车载充电机在进行快速充电时，设备内部温度可能会升高至70 ℃以上，当前部分标准的高温试验、交变湿热试验和防太阳辐射试验严酷等级等环境试验难以适应热带海岛地区的实际应用要求。