龐松嶺，黎智，趙海龍，王俊，陳川，黃廷城

（1.海南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，?？?570311；2.熱帶智能電網(wǎng)實驗室，海口 570311；3.中國電器科學研究院股份有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663；4.重慶大學電氣工程學院，重慶 400000）

引言

隨著新能源電動汽車的大范圍推廣及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，電動汽車的充電需求也在不斷的增加[1-2],新能源汽車充電設(shè)施作為中國“新基建”的重點建設(shè)領(lǐng)域，必將在未來數(shù)年得到進一步推廣應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)出臺了多項政策，支持推動電動汽車的健康快速發(fā)展。根據(jù)《海南省清潔能源汽車發(fā)展規(guī)劃》，力爭在2030 年達到新增和更換新能源汽車比例100 %。提出打造全島“一張網(wǎng)”的運營模式工作要求，積極推動“碳達峰、碳中和”工作，構(gòu)建低碳化海島交通系統(tǒng)。

在新能源發(fā)展工作的推進過程中，電動汽車充電設(shè)施也面臨著一系列環(huán)境適應(yīng)性和標準體系完善等難題。海南省地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候，邊緣熱帶濕潤氣候區(qū)夏季經(jīng)常出現(xiàn)高溫配合高濕天氣，年平均日照時數(shù)2 000 h，沿海地區(qū)長期維持高鹽霧環(huán)境條件[3]，電動汽車充電設(shè)施在投運1～2年后出現(xiàn)不同程度的外殼腐蝕、涂層開裂、柜內(nèi)凝露、發(fā)熱異常、材料老化發(fā)霉等環(huán)境缺陷問題，設(shè)備結(jié)構(gòu)件和關(guān)鍵元器件在熱帶海島多種復雜環(huán)境因素影響下容易發(fā)生環(huán)境失效問題[4-5]，難以保障設(shè)備使用可靠性和電能計量的精準性[6]，給電動汽車充電設(shè)施的正常運行及使用帶來了嚴重的安全隱患。

環(huán)境適應(yīng)性是設(shè)備和材料的重要評價指標[7]，而當前耐候性試驗不滿足熱帶沿海地區(qū)電動汽車充電設(shè)施實際工況需求[8]，為此本文針對海島高溫、高濕、高鹽霧等復雜環(huán)境下電動汽車充電設(shè)施的服役環(huán)境特征和可靠性開展分析，基于熱帶海島環(huán)境因素對電動汽車充電設(shè)施本體和關(guān)鍵部件的影響，對當前電動汽車充電設(shè)施環(huán)境試驗相關(guān)標準要求進行分析，并提出針對電動汽車充電設(shè)施環(huán)境技術(shù)的結(jié)論和建議。

1 服役環(huán)境特征

電動汽車充電設(shè)施可劃分為傳導式充電和無線充電兩大類，當前電動汽車多采用傳導式充電方式。傳導式充電設(shè)施主要包括非車載充電機和交流充電樁，電動汽車充電設(shè)施的服役環(huán)境主要可劃分為室外和室內(nèi)，見表1。

表1 電動汽車充電設(shè)施服役環(huán)境劃分

表 2 環(huán)境因素導致的電動汽車充電設(shè)施故障分析

根據(jù)表1 所述，電動汽車充電設(shè)施大多安裝于戶外，長期運行于嚴酷自然環(huán)境下。在熱帶海島嚴酷環(huán)境下，與外部環(huán)境直接接觸的充電連接裝置、顯示屏等元件將直接受高溫、高濕、高輻照、高鹽霧等嚴酷環(huán)境影響，容易造成充電槍的電子鎖銹蝕、屏幕外殼材料老化等問題。設(shè)備金屬防護外殼銹蝕、密封件老化會降低對內(nèi)部元器件的保護能力減弱，造成外部環(huán)境的滲透。當內(nèi)部的功能模塊、電能表等部件將受到高濕、鹽霧等環(huán)境因素影響，容易造成接觸電阻和腐蝕速率的增加，導致發(fā)熱異常及絕緣故障等問題[9-11]，影響電動汽車充電設(shè)施使用可靠性。

2 可靠性分析

電動汽車充電設(shè)施是一套復雜的系統(tǒng)集成設(shè)備，由各功能模塊、顯示屏、電能表、電氣元件等構(gòu)成，各部件和材料的使用可靠性問題不容忽視。通過對海南省近1 年充電設(shè)施的運行維護情況進行統(tǒng)計，列出了典型熱帶海島電動汽車充電設(shè)施故障樹，見圖1。

圖2 內(nèi)部元件銹蝕嚴重

由圖1 可知，在熱帶海島電動汽車充電設(shè)施故障樹中，中間事件劃分為緊急故障和一般故障，按照故障程度的不同，緊急故障可分為鎖槍故障和絕緣故障等，該類安全問題影響較大，需要重點處理。一般故障主要為部件故障，包括了充電設(shè)施的常用功能部件，可分為功能模塊、顯示屏、充電連接裝置和電能表。

通過對海南已失效的電動汽車充電設(shè)施進行調(diào)研，選取典型失效部件進行分析，了解部件故障的主要現(xiàn)象和原因，見表2。

上述分析可見，電動汽車充電設(shè)施的環(huán)境適應(yīng)能力直接影響設(shè)備的使用可靠性。在熱帶海島環(huán)境下需要重點考慮下列部件材料的環(huán)境適應(yīng)能力和耐久等級：外殼防護性能、功能模塊的電子線路板和芯片的耐腐蝕性、電子鎖防銹性、顯示屏和充電連接裝置材料的耐老化性、內(nèi)部元器件的耐高溫性及充電設(shè)施整體環(huán)境防護技術(shù)的提升。

3 環(huán)境試驗標準分析

本章對電動汽車充電設(shè)施的環(huán)境試驗技術(shù)標準進行統(tǒng)計分析，包括非車載充電機和交流充電樁。產(chǎn)品環(huán)境試驗要求涉及國家標準、行業(yè)標準、團體標準以及電網(wǎng)企業(yè)標準等13 項，見表3。

上述標準均對電動汽車充電設(shè)施的環(huán)境試驗方法和技術(shù)要求提出了相關(guān)規(guī)定，本章主要對標準中提出的環(huán)境試驗方法和嚴酷度要求進行統(tǒng)計分析，包括：高溫試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、防霉變試驗、防太陽輻射試驗、耐老化試驗、耐腐蝕及防銹試驗和防護等級試驗。

3.1 高溫試驗

當前部分行業(yè)標準、團體標準和企業(yè)標準對電動汽車充電設(shè)施的高溫試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GB/T 2423.2-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法試驗B：高溫》的規(guī)定，見表4。

表4 電動汽車充電設(shè)施的高溫試驗要求

由表4 可以看出，上述標準的高溫試驗均未考慮充電設(shè)施的運行工況，充電設(shè)施尤其是非車載充電機在進行快速充電時，大功率作用下設(shè)備內(nèi)部溫度可能會升高至70 ℃以上，高于上述標準規(guī)定的溫度。

3.2 交變濕熱試驗

當前部分行業(yè)標準、團體標準和企業(yè)標準對電動汽車充電設(shè)施的交變濕熱試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GBT 2423.4-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法 試驗Db： 交變濕熱試驗方法（12 h+12 h 循環(huán)）》的規(guī)定，見表5。

表5 電動汽車充電設(shè)施的交變濕熱試驗要求

由表5 可以看出，不同標準對充電設(shè)施所規(guī)定的嚴酷度等級不同，交變濕熱試驗主要驗證設(shè)備或元器件在高濕度與溫度循環(huán)變化下設(shè)備能否正常運行的能力，中電聯(lián)團隊標準主要面向高溫沿海地區(qū)，雖然其嚴酷度要求相比其它標準有所提升，但仍不足以全面有效的反映充電設(shè)施在熱帶海島地區(qū)不同嚴酷環(huán)境下的耐久可靠性。

3.3 防鹽霧試驗

當前部分行業(yè)標準、團體標準和企業(yè)標準對電動汽車充電設(shè)施的防鹽霧試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GB/T 2423.17-2008 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法試驗Ka：鹽霧》和GB/T 1771-2007《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》的規(guī)定進行，見表6。

表6 電動汽車充電設(shè)施的防鹽霧試驗要求

熱帶海島海鹽粒子濃度要高于內(nèi)陸地區(qū)約2～3 個數(shù)量級[4]，高鹽霧環(huán)境更容易引起設(shè)備各種腐蝕性問題，應(yīng)根據(jù)充電設(shè)施不同零部件的運行環(huán)境不同而選擇不同的試驗嚴酷度要求和耐久性分級評價方法。

3.4 防霉變試驗

當前部分行業(yè)標準、團體標準和企業(yè)標準對電動汽車充電設(shè)施的防霉變試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GB/T 2423.16-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法 試驗j 及導則：長霉》的規(guī)定進行，見表7。

表7 電動汽車充電設(shè)施的防霉變試驗要求

熱帶海島地區(qū)高濕、強降雨環(huán)境利于霉菌的生長繁殖，造成設(shè)備表面污染，由表7 可以看出，當前部分標準針對熱帶海島充電設(shè)施防霉變試驗要求缺失。

3.5 防太陽輻射試驗

當前僅在團體標準中對電動汽車充電設(shè)施的防太陽輻射試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GB/T 2423.24-2013《環(huán)境試驗第2 部分試驗方法試驗Sa 模擬地面上的太陽輻射及其試驗導則》的程序B規(guī)定進行，見表8。

表8 電動汽車充電設(shè)施的防太陽輻射試驗要求

據(jù)統(tǒng)計，海南島年平均日照時數(shù)2 000 h，部分熱帶邊緣地區(qū)≥2 500 h，年平均太陽輻射量6 000 MJ/m2，熱帶海島高強度的太陽輻射和長時間的持續(xù)日照影響著設(shè)備結(jié)構(gòu)和電氣性能，由表8 可以看出，當前國內(nèi)對充電設(shè)施的防太陽輻射試驗要求的嚴酷度要求相較熱帶海島實際環(huán)境條件偏低，難以全面對應(yīng)熱帶海島地區(qū)充電設(shè)施的實際運行指標。

3.6 耐老化試驗

當前僅在國家標準中對電動汽車充電設(shè)施的耐老化試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GB/T 11918.1-2014《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1 部分通用要求》的規(guī)定進行，見表9。

表9 電動汽車充電設(shè)施的耐老化試驗要求

熱帶海島特殊環(huán)境會造成充電設(shè)施橡膠、熱塑性等材料的老化，將直接影響充電設(shè)施的性能。材料老化對充電設(shè)施的穩(wěn)定運行造成重大隱患，應(yīng)針對熱帶海島地區(qū)環(huán)境特點提出耐老化試驗方法，針對性提出防護措施，進而提高抗老化材料應(yīng)用標準和施工工藝導則。

3.7 耐腐蝕及防銹試驗

當前部分國家標準和行業(yè)標準對電動汽車充電設(shè)施的耐腐蝕及防銹試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GB/T 11918.1-2014《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1部分通用要求》的規(guī)定進行，見表10。

表10 電動汽車充電設(shè)施的耐腐蝕及防銹試驗要求

熱帶海島特殊環(huán)境會造成充電設(shè)施腐蝕和金屬材料銹蝕，熱帶海島鹽霧中的氯離子對充電設(shè)施的金屬部分起到了腐蝕破壞作用，導致機械部件、操作機構(gòu)卡澀、失靈，同時濕氣、鹽霧、霉菌會腐蝕電路板導體，甚至造成無法挽回的短路。由表10 可以看出，當前充電設(shè)施標準缺失多環(huán)境應(yīng)力下耐腐蝕與防銹試驗的耐久可靠要求。

3.8 防護等級試驗

當前部分行業(yè)標準、團體標準和企業(yè)標準對電動汽車充電設(shè)施的防護等級試驗方法和技術(shù)要求提出相關(guān)規(guī)定，按照國標GB 4208-2017《外殼防護等級（IP 代碼）（IEC 60529，IDT）》的規(guī)定進行，見表11。

表11 電動汽車充電設(shè)施的防護等級試驗要求

在熱帶海島雨天過后，部分充電設(shè)施內(nèi)部有進水現(xiàn)象，存在漏電等安全隱患，當前的充電設(shè)施防護標準偏低，亟需完善其密封性的耐久可靠驗證。

根據(jù)上述電動汽車充電設(shè)施的多類環(huán)境試驗標準技術(shù)要求可知：

1）當前標準主要針對電動汽車充電設(shè)施整機環(huán)境試驗提出相應(yīng)要求，試驗周期短，缺乏關(guān)鍵部件的環(huán)境試驗技術(shù)要求和整體的耐久性試驗評價，與熱帶海島電動汽車充電設(shè)施服役壽命要求有較大差距。

2）環(huán)境試驗方法均為單一因素試驗，沒有綜合考慮多種復雜環(huán)境因素對帶工況電動汽車充電設(shè)施的影響，難以準確驗證設(shè)備在熱帶海島環(huán)境下的真實服役狀態(tài)。

3）部分環(huán)境試驗要求缺失和試驗嚴酷等級要求偏低：

①部分環(huán)境試驗要求缺失，例如電動汽車充電設(shè)施耐老化試驗要求，僅國家標準GB/T 11918.1-2014《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1 部分通用要求》針對充電連接裝置提出了規(guī)定，而面向熱帶海島地區(qū)的設(shè)備整機和其他關(guān)鍵部件的耐老化試驗要求和耐久性評價要求缺失。

②部分試驗嚴酷等級要求偏低，熱帶海島地區(qū)年平均相對濕度82 %，部分熱帶邊緣地區(qū)年平均日照時數(shù)≥2 500 h，年平均太陽輻射量6 000 MJ/m2，且電動汽車充電設(shè)施尤其是非車載充電機在進行快速充電時，設(shè)備內(nèi)部溫度可能會升高至70 ℃以上，當前部分標準的高溫試驗、交變濕熱試驗和防太陽輻射試驗嚴酷等級等環(huán)境試驗難以適應(yīng)熱帶海島地區(qū)的實際應(yīng)用要求。

4 結(jié)論與建議

本文通過分析熱帶海島電動汽車充電設(shè)施服役環(huán)境特征、可靠性和環(huán)境試驗技術(shù)標準，得出以下結(jié)論：

1）通過故障樹分析，電動汽車充電設(shè)施的使用安全問題以及功能模塊、顯示屏、充電連接裝置和電能表等部件受環(huán)境因素影響較為嚴重，當前充電設(shè)施在熱帶海島惡劣環(huán)境下的可靠性應(yīng)用效果有限，難以保障設(shè)備長時間的可靠性使用。

2）當前的電動汽車充電設(shè)施環(huán)境試驗標準均為單因素環(huán)境試驗方法，部分試驗規(guī)定的嚴酷等級與設(shè)備實際使用情況存在較大差距，應(yīng)考慮多因素環(huán)境應(yīng)力在長期綜合作用下對設(shè)備的影響，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的精準評估。

3）部分充電設(shè)施的環(huán)境試驗項目和試驗對象不齊全，缺乏綜合環(huán)境試驗、耐久性評價等試驗要求和耐老化等試驗對象要求，還需要針對熱帶熱帶海島環(huán)境應(yīng)用條件進行研究完善。

基于上述結(jié)論，可進一步分析得出適用于熱帶海島地區(qū)電動汽車充電設(shè)施的相關(guān)研究方向和建議：

1）開展熱帶海島充電設(shè)施服役微環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用，精準監(jiān)測大功率充電設(shè)施在快速充電狀態(tài)下的設(shè)備內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)，開發(fā)適用于熱帶海島環(huán)境電動汽車充電設(shè)施微環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2）開展熱帶海島電動汽車充電設(shè)施多因素綜合環(huán)境試驗方法研究，開發(fā)多因素綜合環(huán)境試驗設(shè)備，完善不同應(yīng)用環(huán)境下設(shè)備整機、關(guān)鍵部件和材料的環(huán)境試驗方法和嚴酷度要求，構(gòu)建電動汽車充電設(shè)施熱帶環(huán)境耐久性標準體系，提高設(shè)備使用可靠性。

3）針對熱帶海島環(huán)境特點開展充電設(shè)施綜合環(huán)境、耐腐蝕等環(huán)境試驗研究，完善熱帶海島不同環(huán)境應(yīng)力下充電設(shè)施的環(huán)境試驗項目、試驗要求和嚴酷程度，構(gòu)建充電設(shè)施熱帶環(huán)境耐久性評價標準，包括環(huán)境條件、試驗方法、耐久性評價與分級等要求。