鄭世欣

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；

2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741018）

1 引言

當(dāng)前，我國是充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展最快的國家，據(jù)充電聯(lián)盟和公開數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)，2016年底，我國公共類充電樁建設(shè)、運(yùn)營數(shù)量超過15萬個(gè)，保有量全球第一。另外，根據(jù)《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015－2020年）》的規(guī)劃，到2020年，國內(nèi)將新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個(gè)。但由于傳統(tǒng)的有線接觸式充電技術(shù)瓶頸，在新能源汽車發(fā)展的過程中，充電難、充電慢是制約市場發(fā)展的因素之一。最近幾年，能夠克服上述問題的無線充電模式逐漸進(jìn)入公眾的視野，無線充電技術(shù)的應(yīng)用可稱為電動(dòng)汽車的新革命。

無線充電也稱為非接觸能量傳輸技術(shù)，是利用電磁場或電磁波進(jìn)行能量傳遞。作為一種新型的充電技術(shù)，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)相較于傳統(tǒng)的有線充電方式（交流慢充和直流快充），避免了機(jī)械磨損，可適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和氣候環(huán)境，同時(shí)具有更高的通用性。無線充電系統(tǒng)可用于電動(dòng)汽車在車庫、停車場、充電站等場所的無人值守自動(dòng)充電，大幅提升土地使用效率，構(gòu)建電動(dòng)汽車充電公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營的新模式，加速實(shí)施我國新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略。

2 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)組成

電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)的原理如圖1所示，由電源盒、地面發(fā)射板以及車載接收板3個(gè)部分組成。目前的無線充電主要是單向Grid to Vehicle（G2V）供電，以后必然發(fā)展為雙向供電，即G2V＋V2G。為方便起見，文中將“地面發(fā)射板”簡稱“地面設(shè)備”，將“車載接收板”簡稱為“車載設(shè)備”。

圖1 電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電的基本原理

與傳統(tǒng)動(dòng)力電池采用插頭充電的方式不同，電動(dòng)汽車在利用無線充電時(shí)，無需通過接觸插座內(nèi)的接口來傳輸電能。其充電原理與變壓器的工作原理類似，以電磁場為媒介，將其一次、二次線圈分置于車外和車內(nèi)，通過高頻磁場的耦合傳輸電能。

無線充電對技術(shù)的要求較高，充電效率與線圈大小以及距離有緊密關(guān)系。隨著線圈間距離的增大，能量傳輸效率逐漸降低。為了縮短用戶充電時(shí)間，無線充電系統(tǒng)普遍采用高電壓、大電流的大功率工作方式，這對無線充電系統(tǒng)的使用安全提出了極高的要求。因此對無線充電系統(tǒng)的高效正常運(yùn)作，安全性是首要考慮的問題。

本文主要從電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的電氣安全、機(jī)械安全、雷擊安全、電磁輻射安全四個(gè)方面，結(jié)合實(shí)際情況并參考當(dāng)前國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，簡要分析陳述出相應(yīng)的驗(yàn)收規(guī)范要求和測試方法，并進(jìn)行集中探討。

3 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)安全性能規(guī)范要求及測試方法

3.1 電氣安全

3.1.1 絕緣電阻

用開路電壓為表1中規(guī)定的電壓等級的測試儀器進(jìn)行測量，無線充電系統(tǒng)非電氣連接的各帶電回路之間、各獨(dú)立帶電回路與地（金屬外殼）之間絕緣電阻不應(yīng)小于20M。

表1 絕緣電阻測試儀器的電壓等級

試驗(yàn)要求：

地面設(shè)備，輸入對地（機(jī)殼）、輸出對地（機(jī)殼）絕緣電阻測試的要求：試驗(yàn)電壓DC 1000V，測試時(shí)間30s，絕緣阻抗不低于20MΩ；

車載設(shè)備，輸入對機(jī)殼、輸出對機(jī)殼絕緣電阻測試的要求：試驗(yàn)電壓DC 1000V，測試時(shí)間30s，絕緣阻抗不低于20MΩ。

3.1.2 耐電壓試驗(yàn)

電動(dòng)汽車充電設(shè)備非電氣連接的各帶電回路之間、各獨(dú)立帶電回路與地（金屬外殼）之間，按其工作電壓應(yīng)能承受表2所規(guī)定歷時(shí)lmin的工頻耐電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中應(yīng)無絕緣擊穿和飛弧現(xiàn)象。

表2 耐電壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓等級

試驗(yàn)要求：

地面設(shè)備，輸入對地（機(jī)殼）、輸出對地（機(jī)殼）耐壓測試：按表2要求進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，測試時(shí)間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現(xiàn)象；輸入對通訊端口、輸出對通訊端口耐壓測試：按表2要求進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，測試時(shí)間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現(xiàn)象。

車載設(shè)備，輸入對地（機(jī)殼）、輸出對地（機(jī)殼）耐壓測試：按表2要求進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，測試時(shí)間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現(xiàn)象；輸入對通訊端口、輸出對通訊端口耐壓測試：按表2要求進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，測試時(shí)間1min，測試過程中無絕緣擊穿和飛弧現(xiàn)象。

3.1.3 沖擊耐壓

地面設(shè)備各帶電回路之間、各帶電回路與地（金屬外殼）之間，按其工作電壓應(yīng)能承受表3所規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)雷擊波的短時(shí)沖擊電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中應(yīng)無擊穿放電。

表3 沖擊耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓等級

試驗(yàn)要求：在地面設(shè)備的非電氣連接的各帶電回路之間、各獨(dú)立帶電回路與地（金屬外殼）之間按表3規(guī)定施加3次正極性和3次負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)雷電波的短時(shí)沖擊電壓，每次間隙不小于 5s，脈沖波形 1.2／50μs，電源阻抗500Ω，試驗(yàn)時(shí)其他回路和外露的導(dǎo)電部分接地，試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)部位不應(yīng)出現(xiàn)擊穿放電，允許出現(xiàn)不導(dǎo)致?lián)p壞絕緣的閃絡(luò)。如果出現(xiàn)閃絡(luò)，則應(yīng)復(fù)查介電強(qiáng)度，介電強(qiáng)度試驗(yàn)電壓為規(guī)定值的75%。

3.1.4 接地電阻

地面設(shè)備保護(hù)連接導(dǎo)體接地連續(xù)性應(yīng)滿足以下要求：

a）額定電流小于或等于16A時(shí)，保護(hù)連接導(dǎo)體的阻值不能超過0.1，測試后保護(hù)連接導(dǎo)體不能損壞；

b）額定電流大于16A時(shí)，保護(hù)連接導(dǎo)體的壓降不能超過2.5V，測試后保護(hù)連接導(dǎo)體不能損壞。

車載設(shè)備等電位連續(xù)性應(yīng)滿足如下要求：

a）額定電流小于或等于16A時(shí)，任意兩點(diǎn)之間的阻值不能超過0.1，測試后產(chǎn)品不能損壞；

b）額定電流大于16A時(shí)，任意兩點(diǎn)之間的壓降不能超過2.5V，測試后產(chǎn)品不能損壞。

3.1.5 接觸電流

地面設(shè)備的輸入火線、零線對保護(hù)地（PE）的接觸電流應(yīng)不大于3.5mA。

當(dāng)接觸電流大于3.5mA時(shí)，接觸電流有效值不應(yīng)超過每相輸入額定電流值的5%，控制柜保護(hù)接地導(dǎo)線的截面積不應(yīng)小于1.0mm2，且在靠近設(shè)備的交流電源連接端處，應(yīng)設(shè)有標(biāo)有警告語或類似詞語的標(biāo)識。

試驗(yàn)要求：在充電設(shè)備正常工作時(shí)，用接觸電流測試儀器（模擬人體阻抗）進(jìn)行測試，測試每根輸入火線、零線與保護(hù)地線的泄漏電流值。

測試前電網(wǎng)輸入與充電設(shè)備之間需要加入一個(gè)隔離變壓器設(shè)備，其輸出容量需要大于充電設(shè)備工作時(shí)的輸出功率。

3.1.6 設(shè)備內(nèi)電容器的放電

地面設(shè)備在設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)滿足，在電網(wǎng)電源外部斷接后，滿足IPXXB防護(hù)等級；或者，在電網(wǎng)電源外部斷接后10s，在人員可觸及的導(dǎo)電部分之間或任何導(dǎo)電部分和保護(hù)導(dǎo)體之間的電壓應(yīng)該不大于直流60V或者存儲(chǔ)的能量應(yīng)小于0.2J。

試驗(yàn)要求：地面設(shè)備正常工作時(shí)，從設(shè)備外部連接端子斷開后開始計(jì)時(shí)，人員可觸及的導(dǎo)電部分之間或任何導(dǎo)電部分和保護(hù)導(dǎo)體之間的電壓降低至直流60V或者存儲(chǔ)的能量降低至0.2J時(shí)停止計(jì)時(shí)，這段時(shí)間即為放電時(shí)間，放電時(shí)間要求不超過10s?；蛘?，檢查設(shè)備外部連接處斷開后的連接端子，若能滿足IPXXB防護(hù)等級，則不需要進(jìn)行放電時(shí)間的測試。

3.1.7 爬電距離和電氣間隙

地面設(shè)備的電氣間隙和爬電距離應(yīng)滿足表4規(guī)定的要求。

表4 無線充電系統(tǒng)地面設(shè)備的電氣間隙和爬電距離要求

車載設(shè)備的電氣間隙和爬電距離應(yīng)滿足表5規(guī)定的要求。

表5 無線充電系統(tǒng)車載設(shè)備的電氣間隙和爬電距離要求

3.2 機(jī)械安全

3.2.1 一般要求

地面設(shè)備采用的材料應(yīng)能承受機(jī)械、電氣、熱和環(huán)境應(yīng)力，可在指定的環(huán)境條件下運(yùn)行。

有絕緣材料外殼的無線充電設(shè)備在滿足以上條件的情況下，小凹痕、小程度的表面開裂或剝落損傷可以忽略，只要裂縫沒有危害到無線充電設(shè)備的正常使用。

正常使用的情況下，應(yīng)通過使用合適的材料或針對裸露表面的保護(hù)涂層以確保防腐蝕保護(hù)。

3.2.2 環(huán)境條件

地面設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠耐受正常的汽車溶劑和液體、振動(dòng)與沖擊影響，外殼、擋板及其它絕緣部件的材料應(yīng)符合GB／T 5169.16的可燃性標(biāo)準(zhǔn)要求和其它適當(dāng)?shù)膽?yīng)用條件要求。

3.2.3 絕緣材料耐熱（防火）

絕緣材料的裸露部分、帶電部件的絕緣部分應(yīng)耐熱和火。

外部導(dǎo)體不應(yīng)被視為載流部件。

在有疑問的情況下，有必要確定絕緣材料是否保留載流部件和接地電路是否接地。設(shè)備在有問題的絕緣材料被移除、導(dǎo)體處于正常工作位置的情況下進(jìn)行檢查。

地面設(shè)備以下部件所使用材料的適用性，需要通過GB／T 5169.10給出的灼熱絲試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

a）裝配組件；

b）來自裝配組件的零件。

試驗(yàn)應(yīng)在a）或b）的材料最薄部分進(jìn)行測試。

灼熱絲尖端溫度要求為：

a）960℃，如果必須保留載流部件；

b）850℃，對于安裝在空心墻的外殼；

c）650℃，對于所有其他部件，包括必須保留保護(hù)導(dǎo)體的部件。

這個(gè)尖端溫度適用于平坦的表面，不適用于凹陷、凸起、窄槽或尖銳的邊緣，如果可能，離配件邊緣不小于9mm。

符合以下條件，則可認(rèn)為通過了灼熱絲測試。

a）沒有可見的火焰和無持續(xù)發(fā)光；

b）火焰或標(biāo)本的灼熱發(fā)光現(xiàn)象或周邊物體的灼熱發(fā)光現(xiàn)象在灼熱絲移除后30秒內(nèi)消失，并且周邊部件沒有被完全燒毀。不應(yīng)引發(fā)紙張的持續(xù)燃燒。

說明：地面設(shè)備耐熱（防火）性能主要使用灼熱絲試驗(yàn)來進(jìn)行評估，實(shí)際上，灼熱絲試驗(yàn)主要是評估材料在局部過熱情況下防止起火的能力，若材料已經(jīng)起火，如果能有效的防止火焰蔓延，能否將火焰控制在設(shè)備內(nèi)部不造成更大的事故，卻是灼熱絲試驗(yàn)無法評價(jià)的。

表6所示給出了國際最先進(jìn)的地面設(shè)備適用的耐熱（防火）性能試驗(yàn)方法，可根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。

表6 國際標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)材料耐熱（防火）試驗(yàn)方法的應(yīng)用

3.2.4 球壓試驗(yàn)

根據(jù)GB／T 5169.21的要求，對需要進(jìn)行球壓實(shí)驗(yàn)的絕緣材料進(jìn)行球壓試驗(yàn)。該試驗(yàn)在加熱柜中進(jìn)行，其溫度：a）（125±5）℃，含帶電體的部件；b）（80±5）℃，其它部件。

對于會(huì)產(chǎn)生形變的材料，其直徑不應(yīng)超過2毫米。該測試不應(yīng)在陶瓷材料上進(jìn)行。

3.2.5 振動(dòng)和沖擊

車載設(shè)備處于不工作狀態(tài)，使其承受上下、左右、前后三個(gè)方向的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，每一方向試驗(yàn)8h，掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件按照表7的要求進(jìn)行。

表7 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)條件

沖擊試驗(yàn)要求：

車載設(shè)備處于不工作狀態(tài)，承受峰值加速度為500m／s2、標(biāo)稱脈沖持續(xù)時(shí)間為18ms的半正弦脈沖沖擊。

3.3 雷擊安全

3.3.1 雷擊沖擊電流

地面設(shè)備的交流輸入電源線路浪涌保護(hù)器的沖擊電流和標(biāo)稱放電電流值應(yīng)符合表8規(guī)定的C級要求。

3.3.2 雷擊沖擊電流試驗(yàn)要求

參考標(biāo)準(zhǔn)：GB 50057《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》。

試驗(yàn)等級：C級防雷－20 kA沖擊電流；沖擊電流（電壓）波形為 1.2／50 us＋8／20 us混合波。

測試方法：在雷擊實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，將浪涌電流回路分別連接到L－N、L－PE和N－PE中進(jìn)行雷擊沖擊電流測試。

試驗(yàn)限值：符合C級（20 kA）沖擊電流要求。

表8 電源線路的浪涌保護(hù)器的沖擊電流和標(biāo)稱放電電流參數(shù)推薦值

3.4 電磁場輻射安全

3.4.1 電磁場曝露參考限值

地面設(shè)備電磁場輻射值應(yīng)符合ICNIRP 2010《限制時(shí)變電場和磁場曝露的導(dǎo)則》中規(guī)定的公眾曝露參考限值，如表9所示。

表9 時(shí)變電場和磁場曝露的參考限值（未畸變有效值）

3.4.2 測量點(diǎn)位置示意圖

原邊設(shè)備和副邊設(shè)備應(yīng)對齊。車前、車后、車左和車右的測量點(diǎn)距離車體表面為0.2m。如圖2所示。

3.4.3 電磁場輻射測試說明

電磁場輻射測試需要進(jìn)行下面兩種條件下的電磁場曝露值測試：

a）電動(dòng)汽車正常擺放位置（變壓器無偏移）；

b）電動(dòng)汽車在最大偏移（X軸／Y軸最大偏移）條件下測試。

圖2 測量點(diǎn)示例

車外、車內(nèi)測試選取點(diǎn)如表10。

4 結(jié)束語

在未來5年，隨著國家對充電基礎(chǔ)設(shè)施的大力推進(jìn)，在全國各大城市組建城際快充網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，充電難的問題或許可得到緩解。屆時(shí)，希望隨著無線充電技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，將來電動(dòng)汽車的無線充電安全問題會(huì)得到很好的解決。

表10 測試選取點(diǎn)