《電子技術(shù)應(yīng)用》
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從充電樁線纜失效模式談開去

淺談通訊信號(hào)檢測的必要性
2018-11-29

  10月30日,在DEKRA德凱主辦的“2018電動(dòng)汽車安全·創(chuàng)新論壇”上,筆者有幸學(xué)習(xí)了電動(dòng)汽車充電樁電纜標(biāo)準(zhǔn)及失效分析進(jìn)行了深入分析。

  在電動(dòng)汽車逐漸替代傳統(tǒng)燃油車的大趨勢下,電動(dòng)汽車每年的全球出貨量也是以驚人的速度增長。而與此同時(shí)對(duì)于電動(dòng)汽車的充電配套設(shè)施的需求也是與之俱增。然而,電動(dòng)汽車充電樁的故障率卻一直處在一個(gè)不低的水平。其中又以充電線纜的損壞占到了相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

  一、全球充電樁電纜標(biāo)準(zhǔn)

  電動(dòng)汽車充電用電纜作為新型電線電纜,其使用要求不同于傳統(tǒng)的電線線纜,目前,電動(dòng)汽車充電用電纜國家標(biāo)準(zhǔn)已于2017年5月12日正式頒布,12月1日開始執(zhí)行。表1為全球各地區(qū)充電樁電纜的主要標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)。

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  2017年中國新能源電動(dòng)汽車銷量占全球銷量的50%,全球新能源汽車主要市場一次為:1中國、2歐洲、3北美、4日韓、5其他。其中中國、歐洲、北美三個(gè)地區(qū)的銷量總和占全球電動(dòng)汽車銷量的86%。近些年,這些地區(qū)都公布或更新了,電動(dòng)汽車充電線纜相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文案。其中中國、歐洲、北美三個(gè)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)解析對(duì)比如下表2、表3所示:

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  針對(duì)于全球三大主要市場標(biāo)準(zhǔn)要求以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,總結(jié)出三份標(biāo)準(zhǔn)各自優(yōu)缺點(diǎn)如下:

  1.中國市場GB/T 33594

  優(yōu)點(diǎn):①.絕緣護(hù)套材料和成品性能較全,可靠性高。

 ?、?材料選擇性多。

 ?、?符合中國市場國情。

  缺點(diǎn):①.材料及整纜的耐高溫性能可以考慮提高。

  2.歐洲市場EN 50620:

  優(yōu)點(diǎn):①.絕緣及護(hù)套材料性能指標(biāo)齊全。

 ?、?所有產(chǎn)品均為無鹵,符合新能源綠色環(huán)保的理念。

  缺點(diǎn):①.絕緣和護(hù)套材料組合單一,可選擇性較少。

 ?、?產(chǎn)品中沒有直流充電線纜可選。

 ?、?缺少耐刮磨、抗擠壓、濕熱、高低溫循環(huán)等試驗(yàn)。

  北美市場UL 62:

  優(yōu)點(diǎn):①.材料范圍廣,PVC、TPE、CPE等均可使用。

 ?、?著重考慮到耐環(huán)境、電性能、燃燒等,如90度長期絕緣電阻、相對(duì)電容和穩(wěn)定因數(shù)、VW-1測試等。

  缺點(diǎn):①.標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)規(guī)格選型規(guī)定較為混亂。

 ?、?缺少評(píng)估線纜實(shí)際使用的測試,如搖擺試驗(yàn)、耐液體試驗(yàn)、高低溫循環(huán)、濕熱測試、抗撕裂測試等。

  從上述分析中可以得知,目前電動(dòng)汽車充電樁線纜市場確實(shí)仍處于剛剛起步的階段,全球三大市場的標(biāo)準(zhǔn)都多少存在著缺陷以及不完善的地方。而在實(shí)際市場情況中,由于廠家壓縮成本,認(rèn)證測試不完善,環(huán)境因素考慮不周全等諸類原因,電動(dòng)汽車充電線纜的質(zhì)量形式則更加嚴(yán)峻。

  電動(dòng)汽車充電電纜是連接電動(dòng)汽車和充電樁的載體,其基本作用是傳輸電能。然而,隨著充電技術(shù)的發(fā)展,為了更好的完成充電,電動(dòng)汽車和充電樁之間需要進(jìn)行通信,并且在必要時(shí)進(jìn)行自動(dòng)控制。因此,充電過程對(duì)充電電纜提出了更高的要求,充電電纜不僅需要具有電量傳輸?shù)淖饔?,同時(shí)需要將車輛以及動(dòng)力電池的狀態(tài)和信息傳遞至充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,在必要條件下,對(duì)充電動(dòng)作進(jìn)行控制,以便安全可靠地完成充電過程。

  二、典型失效模式分析

  1.電纜的扭曲鼓包

  充電線纜在使用時(shí)不可避免的會(huì)被扭曲彎折拖動(dòng),久而久之,隨著材料的老化或者使用者操作不當(dāng),電纜上會(huì)產(chǎn)生部分區(qū)域出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象,剖開鼓包區(qū)域線纜可以發(fā)現(xiàn)絕緣線芯已經(jīng)錯(cuò)位且有扭曲變相現(xiàn)象。雖然在外表皮絕緣護(hù)套未損壞的情況下,線纜存在鼓包并不會(huì)導(dǎo)致后續(xù)正常使用的安全問題,但是由于內(nèi)部線芯彎折錯(cuò)位,使得線芯斷裂破損,導(dǎo)致線纜失效或是電阻值增大,產(chǎn)生過熱隱患等等。

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  圖 1 電纜扭曲鼓包

  2.電纜的護(hù)套開裂

  充電線纜多為戶外設(shè)施,在長久使用后,護(hù)套老化彎折磨損出現(xiàn)開裂,這種情況主要集中在大截面的電纜上。此外,市場上的充電線纜介于成本原因多為TPE材料的絕緣護(hù)套,并非TPU材料,而此類材料的絕緣護(hù)套在低溫環(huán)境下更容易失去線纜特有的“柔韌性”,變硬變脆,容易破裂,產(chǎn)生安全隱患。

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  圖 2 電纜護(hù)套開裂

  3.信號(hào)線斷線

  在充電電纜中,由于主線芯與信號(hào)線芯界面差異過大,因此兩者彎曲時(shí)在承受相同表面張力的情況下,信號(hào)線芯往往更加容易出現(xiàn)斷線,導(dǎo)致充電過程中通訊阻斷,充電過程控制失效,引起過充、供電不足、防護(hù)裝置失效等一系列問題,從而引發(fā)充電過程中的安全事故。此外,雖然相比于主線芯,信號(hào)線損壞更加容易,但是由于目前相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)此要求監(jiān)控檢測,缺少檢測裝置,往往信號(hào)線斷線導(dǎo)致的線纜失效問題更難以察覺,更具隱藏性,在問題發(fā)生后的排查難度也相對(duì)較大。

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  圖 3 電纜截面圖圖              圖 4 電纜信號(hào)線斷裂

  以上三種常見的充電樁充電線纜失效模式,顯然信號(hào)線斷裂相比其他兩種更具隱藏性與頻發(fā)性,即使在模式1與模式2的情況下,信號(hào)線相較于主線芯依然存在著更高的損壞風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)充電線纜主線芯完好,信號(hào)通訊線纜已經(jīng)損壞的情況下,如果充電過程依然在進(jìn)行,控制器由于無法得到電池端反饋回來的電池狀態(tài)而不能正確的調(diào)配輸出功率,那么在已經(jīng)不受控制的充電過程中安全隱患是顯而易見的;其次,即使控制器在通訊信號(hào)斷開時(shí)做出反應(yīng)停止充電過程,那么在后續(xù)的問題排查過程中,依然需要再次檢測信號(hào)線來確定是否信號(hào)線斷裂是電纜失效的問題點(diǎn)。這一步驟完全可以并到控制器應(yīng)對(duì)信號(hào)線斷裂采取措施的過程中確定,通過在電動(dòng)車充電過程中添加通訊信號(hào)檢測,實(shí)現(xiàn)這一功能。

  三、通訊信號(hào)檢測必要性分析

  上訴兩點(diǎn)問題,都可以通過在電動(dòng)車充電過程中添加通訊信號(hào)檢測,能有得到有效解決和緩解。那么就會(huì)有人問:”導(dǎo)致充電過程異常停止的因素除開信號(hào)線斷裂還有很多種,為什么偏偏只提加信號(hào)線檢測?”

  首先,綜上所述,由于信號(hào)線損壞而導(dǎo)致充電線纜失效的觸發(fā)率相對(duì)于其他失效因素偏高,在此種失效模式下,無論是充電過程仍舊繼續(xù)還是被切斷,添加信號(hào)線檢測都能得到相應(yīng)的益處。前者可以得到通訊中斷的反饋信息,從而終止充電過程,保障安全,后者能夠讓排查工作減少一部分內(nèi)容,并且由于此因素的高觸發(fā)率,也能大概率的讓排查工作一步到位。

  其次,目前的國家標(biāo)準(zhǔn)中,關(guān)于電動(dòng)汽車傳導(dǎo)式充電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文案里,確實(shí)沒有要求對(duì)充電過程中的通訊信號(hào)進(jìn)行檢測。這只是基于德凱這次論壇會(huì)議內(nèi)容而延伸出的一個(gè)討論。從新能源汽車充電這一現(xiàn)象,可以延伸到很多其他類似的場景,尤其在一些大型的應(yīng)用場景下,例如工業(yè)生產(chǎn)中的電機(jī)機(jī)床控制和保護(hù),交通系統(tǒng)的指示燈信號(hào)燈控制和巡檢、礦場油田等其他需要長距離拉線供電控制的應(yīng)用場景,加入信號(hào)線檢測,不僅可以及時(shí)的反饋出控制通訊端出現(xiàn)的問題,而且還能能大大的縮減問題出現(xiàn)后排查的工作量。

  圖 5 信號(hào)線檢測可開發(fā)方向

  四、通訊信號(hào)檢測方案分析

  目前,常見的通訊控制信號(hào),多為小電流信號(hào),范圍在0~20mA、0~30V之間。因此,控制信號(hào)的監(jiān)測,莫種程度上就是電流信號(hào)的監(jiān)測。

  當(dāng)前較為普遍的低成本小電流檢測方案主要有以下四種:

  1.電阻分流,顧名思義,通過串電阻的方式來檢測電流,但是此方案非隔離,目前信號(hào)線檢測的發(fā)展更有可能是在原有系統(tǒng)上做一個(gè)升級(jí),因此該方案適用性不大。

  2.電流互感器,通過電磁感來檢測交流電流,但是由于通信信號(hào)多為直流信號(hào),因此此方案也不適用。

  3.霍爾電流傳感器,隔離方案,高精度,高線性度,交直流都能檢測,價(jià)格低廉,并且在實(shí)際應(yīng)用中,信號(hào)線檢測多數(shù)情況下只需要檢測信號(hào)線是否正常,不需要檢測通訊信號(hào)大小,所以霍爾電流傳感器在此應(yīng)用下有非常強(qiáng)的適用性。

  4.磁通門電流傳感器,隔離方案,相較于霍爾,具有更高的精度線性度,同樣交直流都能檢測,但是價(jià)格相較霍爾略高。因此在信號(hào)檢測應(yīng)用中,針對(duì)于小信號(hào),亦或是需要檢測通訊信號(hào)大小值的場景下,磁通門電流傳感具有比較明顯的優(yōu)勢。

  綜上所述,從性能、適用性、成本三方面總和考慮,基于霍爾原理以及磁通門原理的隔離型電流傳感器,相對(duì)與其他電流檢測方案,更加適用于通訊信號(hào)檢測。


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