从充电桩线缆失效模式谈开去

【中国环保在线 技术前沿】2018年10月30日，在DEKRA德凯主办的“2018电动汽车安全·创新论坛”上，笔者有幸学习了电动汽车充电桩电缆标准及失效分析进行了深入分析。
在电动汽车逐渐替代传统燃油车的大趋势下，电动汽车每年的全球出货量也是以惊人的速度增长。而与此同时对于电动汽车的充电配套设施的需求也是与之俱增。然而，电动汽车充电桩的故障率却一直处在一个不低的水平。其中又以充电线缆的损坏占到了相当的比例。
一、全球充电桩电缆标准
电动汽车充电用电缆作为新型电线电缆，其使用要求不同于传统的电线线缆，目前，电动汽车充电用电缆国家标准已于2017年5月12日正式颁布，12月1日开始执行。表1为全球各地区充电桩电缆的主要标准标准号。表1 全球充电桩电缆的主要标准
2017年中国新能源电动汽车销量占全球销量的50%，全球新能源汽车主要市场一次为：1中国、2欧洲、3北美、4日韩、5其他。其中中国、欧洲、北美三个地区的销量总和占全球电动汽车销量的86%。近些年，这些地区都公布或更新了，电动汽车充电线缆相关的标准文案。其中中国、欧洲、北美三个地区的标准解析对比如下表2、表3所示:表2 全球三大主要市场标准解析表3 国标、欧标、美标标注中在电缆材料主要性能差异度对比
针对于全球三大主要市场标准要求以及实验内容，总结出三份标准各自优缺点如下：
1.中国市场GB/T 33594
优点：①.绝缘护套材料和成品性能较全，可靠性高。
②.材料选择性多。
③.符合中国市场国情。
缺点：①.材料及整缆的耐高温性能可以考虑提高。
2.欧洲市场EN 50620：
优点：①.绝缘及护套材料性能指标齐全。
②.所有产品均为无卤，符合新能源绿色环保的理念。
缺点：①.绝缘和护套材料组合单一，可选择性较少。
②.产品中没有直流充电线缆可选。
③.缺少耐刮磨、抗挤压、湿热、高低温循环等试验。
北美市场UL 62：
优点：①.材料范围广，PVC、TPE、CPE等均可使用。
②.着重考虑到耐环境、电性能、燃烧等，如90度长期绝缘电阻、相对电容和稳定因数、VW-1测试等。
缺点：①.标准中对规格选型规定较为混乱。
②.缺少评估线缆实际使用的测试，如摇摆试验、耐液体试验、高低温循环、湿热测试、抗撕裂测试等。
从上述分析中可以得知，目前电动汽车充电桩线缆市场确实仍处于刚刚起步的阶段，全球三大市场的标准都多少存在着缺陷以及不完善的地方。而在实际市场情况中，由于厂家压缩成本，认证测试不完善，环境因素考虑不周全等诸类原因，电动汽车充电线缆的质量形式则更加严峻。
电动汽车充电电缆是连接电动汽车和充电桩的载体，其基本作用是传输电能。然而，随着充电技术的发展，为了更好的完成充电，电动汽车和充电桩之间需要进行通信，并且在必要时进行自动控制。因此，充电过程对充电电缆提出了更高的要求，充电电缆不仅需要具有电量传输的作用，同时需要将车辆以及动力电池的状态和信息传递至充电桩进行实时交互，在必要条件下，对充电动作进行控制，以便安全可靠地完成充电过程。
二、典型失效模式分析
1.电缆的扭曲鼓包
充电线缆在使用时不可避免的会被扭曲弯折拖动，久而久之，随着材料的老化或者使用者操作不当，电缆上会产生部分区域出现鼓包现象，剖开鼓包区域线缆可以发现绝缘线芯已经错位且有扭曲变相现象。虽然在外表皮绝缘护套未损坏的情况下，线缆存在鼓包并不会导致后续正常使用的安全问题，但是由于内部线芯弯折错位，使得线芯断裂破损，导致线缆失效或是电阻值增大，产生过热隐患等等。
2.电缆的护套开裂
充电线缆多为户外设施，在长久使用后，护套老化弯折磨损出现开裂，这种情况主要集中在大截面的电缆上。此外，市场上的充电线缆介于成本原因多为TPE材料的绝缘护套，并非TPU材料，而此类材料的绝缘护套在低温环境下更容易失去线缆特有的“柔韧性”，变硬变脆，容易破裂，产生安全隐患。
3.信号线断线
在充电电缆中，由于主线芯与信号线芯界面差异过大，因此两者弯曲时在承受相同表面张力的情况下，信号线芯往往更加容易出现断线，导致充电过程中通讯阻断，充电过程控制失效，引起过充、供电不足、防护装置失效等一系列问题，从而引发充电过程中的安全事故。此外，虽然相比于主线芯，信号线损坏更加容易，但是由于目前相关的标准并没有对此要求监控检测，缺少检测装置，往往信号线断线导致的线缆失效问题更难以察觉，更具隐藏性，在问题发生后的排查难度也相对较大。
以上三种常见的充电桩充电线缆失效模式，显然信号线断裂相比其他两种更具隐藏性与频发性，即使在模式1与模式2的情况下，信号线相较于主线芯依然存在着更高的损坏风险。当充电线缆主线芯完好，信号通讯线缆已经损坏的情况下，如果充电过程依然在进行，控制器由于无法得到电池端反馈回来的电池状态而不能正确的调配输出功率，那么在已经不受控制的充电过程中安全隐患是显而易见的；其次，即使控制器在通讯信号断开时做出反应停止充电过程，那么在后续的问题排查过程中，依然需要再次检测信号线来确定是否信号线断裂是电缆失效的问题点。这一步骤完全可以并到控制器应对信号线断裂采取措施的过程中确定，通过在电动车充电过程中添加通讯信号检测，实现这一功能。
三、通讯信号检测必要性分析
上诉两点问题，都可以通过在电动车充电过程中添加通讯信号检测，能有得到有效解决和缓解。那么就会有人问:”导致充电过程异常停止的因素除开信号线断裂还有很多种，为什么偏偏只提加信号线检测？”
首先，综上所述，由于信号线损坏而导致充电线缆失效的触发率相对于其他失效因素偏高，在此种失效模式下，无论是充电过程仍旧继续还是被切断，添加信号线检测都能得到相应的益处。前者可以得到通讯中断的反馈信息，从而终止充电过程，保障安全，后者能够让排查工作减少一部分内容，并且由于此因素的高触发率，也能大概率的让排查工作一步到位。
其次，目前的国家标准中，关于电动汽车传导式充电相关标准文案里，确实没有要求对充电过程中的通讯信号进行检测。这只是基于德凯这次论坛会议内容而延伸出的一个讨论。从新能源汽车充电这一现象，可以延伸到很多其他类似的场景，尤其在一些大型的应用场景下，例如工业生产中的电机机床控制和保护，交通系统的指示灯信号灯控制和巡检、矿场油田等其他需要长距离拉线供电控制的应用场景，加入信号线检测，不仅可以及时的反馈出控制通讯端出现的问题，而且还能能大大的缩减问题出现后排查的工作量。图 5信号线检测可开发方向
四、通讯信号检测方案分析
目前，常见的通讯控制信号，多为小电流信号，范围在0～20mA、0～30V之间。因此，控制信号的监测，莫种程度上就是电流信号的监测。
当前较为普遍的低成本小电流检测方案主要有以下四种：
1.电阻分流，顾名思义，通过串电阻的方式来检测电流，但是此方案非隔离，目前信号线检测的发展更有可能是在原有系统上做一个升级，因此该方案适用性不大。
2.电流互感器，通过电磁感来检测交流电流，但是由于通信信号多为直流信号，因此此方案也不适用。
3.霍尔电流传感器，隔离方案，高精度，高线性度，交直流都能检测，价格低廉，并且在实际应用中，信号线检测多数情况下只需要检测信号线是否正常，不需要检测通讯信号大小，所以霍尔电流传感器在此应用下有非常强的适用性。
4.磁通门电流传感器，隔离方案，相较于霍尔，具有更高的精度线性度，同样交直流都能检测，但是价格相较霍尔略高。因此在信号检测应用中，针对于小信号，亦或是需要检测通讯信号大小值的场景下，磁通门电流传感具有比较明显的优势。
综上所述，从性能、适用性、成本三方面总和考虑，基于霍尔原理以及磁通门原理的隔离型电流传感器，相对与其他电流检测方案，更加适用于通讯信号检测。
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