2024中国汽车论坛充换电分会集锦丨徐敏：充电枪安全设计与使用

　　2024年7月11-13日，2024中国汽车论坛在上海嘉定举办。本届论坛以“引领新变革，共赢新未来”为主题，由“闭门峰会、大会论坛、10多场主题论坛、9场重磅发布、主题参观活动”等多场会议和若干配套活动构成，各场会议围绕汽车行业热点重点话题，探索方向，引领未来。其中，在7月13日上午举办的“主题论坛十一：电动汽车充换电安全防护”上，菲尼克斯（南京）新能源汽车与技术有限公司研发与采购总监徐敏发表精彩演讲。以下内容为现场演讲实录：

　　各位领导，各位专家，大家中午好！

　　我是来自菲尼克斯（南京）新能源汽车的徐敏，下面我分享一下关于充电枪的安全设计与使用。

　　首先，花一点时间介绍一下菲尼克斯。

　　菲尼克斯是一家德国中型的家族企业，1923年成立于德国的埃森，距今已有101年的历史。在上世纪80年代开启国际化的布局，截止到2023年，菲尼克斯集团在全球60多个国家有业务开展，拥有50家子公司和30余个办事机构，全球的员工数量超过两万人。菲尼克斯深度参与国际&国内的标准的制定，我们的前任CTO Mr. Bent先生现在也是德国DKE德国电工协会的轮值主席。菲尼克斯不仅能够在全球领域为客户提供专业的电气工程方案的解决方案，同时在技术创新领域也有自己一些独到的见解。

　　这张PPT里面，左边这张比较大的图片是菲尼克斯全球总部所在地，布隆贝格。除了总部以外，集团公司在全球有三大竞争力中心，第一个是在美国的哈里斯堡，第二个是德国的巴特皮尔蒙特，第三个就是中国的南京。菲尼克斯在1993年开始进入中国市场，中国区总部位于江苏省的南京市，目前在南京有两家工厂在运营，员工超过两千人。

　　下面介绍一下的菲尼克斯电动汽车的业务。电动汽车在整个菲尼克斯集团属于新业务领域，但其实早在2010年开始菲尼克斯电气南京公司已经和国家电网、许继电气一起开始合作新能源汽车换电连接器。

　　德国电动汽车有限公司于2013年成立，位于德国的Schieder，负责电动汽车全球总部管理, 技术研发及生产交付；菲尼克斯（南京）新能源汽车技术有限公司于2015年成立，目前位于菲尼克斯电气集团南京总部，负责电动汽车中国区域业务管理，产品开发和生产交付。在2018年我们在波兰还成立一家新的工厂，主要是为德国电动汽车总部提供生产交付等服务。菲尼克斯德国和菲尼克斯南京两家新能源汽车公司，包含了从市场开拓、产品定义、技术开发、生产交付和服务等全价值链的服务。而波兰工厂主要是一家运营工厂，目前主要是为德国总部提供生产制造服务。在中国南京除了目前菲尼克斯电气两家已经投入运营的工厂以外，我们在南京的溧水区正在兴建我们的三号基地。这个新建基地未来会作为菲尼克斯（南京）新能源汽车技术有限公司的运营总部，预计在2025年正式投入运营。

　　下面跟大家分享一下电动汽车技术设施方面的政策引领。

　　在上午介绍中很多的领导专家都谈到了政策发展方向，其实对于从政府层面和行业趋势来讲，对充电基础设施的设备都是往高质量、高标准的发展的方向引导。上午很多专家领导对这方面都分享了很多了，我就不再赘述了。

　　下面回到今天分享的主题：充电枪的安全设计与使用。因为对于电动汽车来讲，它跟燃油车不同，车主需要充电补能。对于充电枪来讲，它也是充电桩三个易损零部件之一。这个产品有以下几个特点：

　　1、通流比较大，安全性要求高。

　　2、高频插拔，耐用性要求高。

　　3、是消费者直接能够接触到的零部件，它的易用性要求高。

　　以上这三个要求对我们充电枪的安全，可靠，和长期的质量稳定性都提出了一个非常高的要求。

　　再看一下充电运营场景。

　　我们把充电运营场景划分为四个典型的场景：

　　第一，私人充电，这个主要是在家庭、公司充电，车主的停留时间比较长。

　　第二，目的地充电，主要的充电场景是一些商场、超市、机关单位，车主去目的地去办一件事，停留的时间在几个小时左右。

　　第三，公共充电，就是现在市面上看到比较多的公共充电桩，主要目的是为了给车主提供快速补能服务。

　　第四，公共充电+，就是现在行业里面比较火爆的大功率液冷充电。

　　我们认为对于私人充电和目的地充电，这两个场景下充电功率和电流都不是特别大，对安全性和可靠性的要求相对来说没有那么高。而对与公共充电和液冷充电，因为它的电流相对是很大的，从125A到250A，甚至到500、600、800A，电流很大，功率最高也有几百千瓦，这么大的功率和电流对于整个设备的安全性和可靠性要求非常高。对于充电枪来讲，这种充电场景下，对这个产品的设计选材，生产制造、测试放行等方面都提出极高的要求。

　　下面跟大家分享的是充电枪在现场典型的失效场景。

　　第一，充电枪外壳破损：用户经常使用枪，不可避免地会产生一些跌落的风险，同时在一些极端情况下，充电枪如果放在地上会被汽车碾压导致外壳破裂；一旦外壳破损以后，充电枪IP防护失效，那么就可能会带来一些安全隐患。

　　第二，电子锁：如果电子锁失效，可能在充电结束时候就会把车锁住，导致车主产生一些抱怨。

　　第三，线缆：如果线缆过温会产生破损或者起火的风险。

　　第四，充电枪的防护，因为大家知道很多充电站没有雨棚，在露天环境下，下雨下雪，充电枪被用户使用完之后也有可能直接放在地上，雨雪天气可能会有泡水的风险，所以充电枪IP防护等级要求非常高。

　　第五，端子的烧蚀和起火的风险：因为端子区域，特别对大功率充电，它的充电电流非常高，如果接触电阻比较大的情况下，有可能会出现温升过高的安全风险。

　　第六，线缆：作为一个橡胶件在现场应用环境很苛刻，夏天有暴晒，有雨雪的浸泡，冬天温度非常低，所以在现场使用也会出现线缆破损、扭转、打结等失效情况。

　　所有的失效模式对充电枪的设计方案提出了一个极高的要求。

　　回到充电枪的外壳破损，怎么避免充电枪在使用环境下产生外壳破裂的情况？在设计选型的时候就要考虑材料的可靠性和强度。二是在外壳设计的时候要能够模拟现场应用的场景，提供足够的强度来保护内部零部件。三是在测试放行的时候必须按照现场高温、低温、雨水浸泡、跌落冲击、汽车碾压等极端场景来测试验证，确保在实际使用中能保证整个枪体能够和设计预想的方案一样，稳定可靠。

　　IP防护，这两年其实行业里面进步很大，很多的充电枪的防护等级已经从IP54提升到IP67。但是实际上充电枪并不是一次性使用的，它可能在现场会经历几年的使用周期。在几年使用以后，产品逐渐老化，还是否能保证IP67的防护等级呢？这个需要在设计过程中使用高可靠性的材料和密封方案，同时在测试的时候要考虑现场应用的场景。比如说高温、低温的存储，高低温的冲击，双85的老化，能够保证产品在未来使用几年之内防护等级不降低。最后还有就是生产过程产品的一致性，因为一把枪没有问题，100把、10000把枪有没有问题？如何保证产品一致性呢？我们在产品出货的时候，在终检的测试台上增加了一道气密检测，保证所有的充电枪在出货的时候能够100%达到IP67防护等级。

　　对于液冷充电来讲，最大的风险是热失控。充电瞬时的电流很大，电压很高。如果电流电压产生的热量不能及时被液冷系统带走，就会产生热失控，那么在现场就会出现枪头烧蚀和起火的风险。

　　对于现场的热失控，我们分析有可能来源于液冷系统的泄漏导致的短路。因为我们的枪采用水冷的结构，冷却液是水加乙二醇，这种材料是导电体，如果冷却液泄漏，就会导致充电枪瞬间短路，带来安全的风险。因此，在设计中，我们的液冷系统和载流导体设计的时候就采用物理隔离的方式，即便在极端的情况下，比如说水管接头脱落，水管破裂导致冷却液泄露，也不会和载流导体直接接触，通过物理隔离的方式能够保证在设计端能够避免相关风险的发生。

　　端子设计对于整枪的热设计非常重要。因为大家知道充电枪在使用的过程中，它是要经历全生命周期几万次的插拔，在公母端子接触区域是最容易产生接触电阻变高，然后产生热失控的风险。优秀的设计方案和制造工艺对于端子的接触区域是非常重要的。

　　同时，失效点也可能来源于端子和线缆的连接区域。端子和线缆通常采用压接的方式，在每一次充电过程中，其实对于压接区域就是一次温度冲击，在充电的开始温度是比较低的，随着充电电流变大，温度逐渐的上升，充电完成之后，温度又会逐渐的下降，每一次充电过程对于端子和线缆连接都是一次温充测试。如果压接工艺存在一些问题，比如说图片中压接区域存在细小的孔洞，在一万次、两万次充电过程以后，就可能在内部产生比较严重的应力释放，导致接触区域电阻的上升，从而有热失控的风险。我们采用的方案是B型压接的方式，通过压接模具、结构设计、材料的选型的高可靠性，能够保证在压接区域非常的致密，而且一致性非常好，这个连接区域在经过几万次的充电连接的温度冲击之后，依然能够保证低的接触电阻和可靠性。

　　零部件的选型，对于产品可靠性和安全至关重要。比如说绝缘材料，我们在选择塑胶绝缘材料的时候，通常考虑的是它的电气性能，比如说绝缘耐压，主要考虑的参数是CTI和GWIT。但是其实在考虑电气性能的同时，它的机械包括阻燃和耐温性能非常重要。

　　我们在选型的时候，除了考虑材料的电性能，还需要非常关注两个参数：一是阻燃等级，一款好的绝缘材料可以保证在极端的情况下，比如说载流导体过热导致起火，塑料材料也不会助燃或者自我燃烧。二是耐温等级，也就是材料相对工作温度RTI值，这个参数非常重要。如果选择耐温等级不高的材料，比如选择长期65度的耐温等级，实际上根据我们的充电枪的国标要求，端子区域的温度只需要小于90度都是可以的。如果65度的耐温等级绝缘材料在80-90度这种长期的工况下工作，材料的机械性能和电气性能都会快速地下降，这样就会导致未来可能在一些极端情况下，材料会的出现性能损失，出现有可能的安全风险。因此材料的选择对于产品的安全和耐用至关重要。

　　关于温度传感器选型也非常重要。刚刚提到热失控其实是充电系统里面最大的风险。充电枪里面会内置一些温度传感器，把实时的充电温度传递给桩，桩端根据温度的反馈适时决定充电决策。如果温度传感器的精度等级不够，可能给桩带来一个误判，也许在某一个时间段温度其实已经非常高了，但因为传感器温度反馈有延迟，可能给的反馈给桩的温度低于实际温度，那有可能产生一些风险。同时温度传感器的布置的位置非常重要，因为枪体内部最重要的两个点，刚刚提到一个是插拔区域，另一个就是压接区域，我们的产品在这两个区域都会布置温度传感器，让传感器尽可能地接近最高温升点，这样才能把最真实的温度参数传递给桩端，从而给出一个更好的充电策略。

　　最后，再讲一下我们在充电枪方面做的一些数字化的探索。

　　我们的HPC液冷充电枪在枪体内部增加了一个PCBA，这是一个嵌入式的设计。为什么做这个设计？因为我们的充电枪在内部集成了很多的传感器。除了刚刚提到的温度传感器，我们其实还加了一些漏液传感器，比如说液冷系统产生泄漏，它可以及时把信号传递给桩。我们还加入了加速度传感器，就是姿态检测传感器。因为我们的枪在现场使用的时候会出现跌落的风险，如果有加速传感器自带监测功能，现场出现了跌落的情况，我们的桩端就可以及时的监测到。所有的传感器，无论是四路温度传感器，还是六路温度传感器，还是漏液传感器和跌落传感器，每一路传感器都需要几根信号线传递信息。我们在增加了PCBA后，利用了嵌入式技术以后，不管你有多少传感器，我们只需要三根信号线就可以把所有的信号通过CAN通信的方式报文传递给桩，这样对于信号线缆的数量的需求大大地减少，同时信号的传递的质量和可靠性也会比较高，这是第一个优势。

　　第二，我们也借鉴了电池寿命的预测技术，刚刚早上很多领导专家也做了一些这方面的专业分享。作为充电枪来讲，传统来讲都是被动零部件，通电就能充电，断电就停止充电。用户其实并不知道充电枪的寿命怎么样，它还能使用多少次。我们在HPC充电枪里面加入PCBA和嵌入式软件以后，我们可以通过监测每次充电的温升曲线、斜率来和我们的理论值去做一个比对，数据通过云平台传递到我们的后台，通过AI数据的算法来监控。通过这个模型能够预测我们充电枪使用寿命还剩多少次，这样就可以让桩企或者运营商及时监控我们充电枪的实时状态，以及预测它未来的使用寿命，从而实现预测性的维护，避免安全风险的发生。

　　今天的分享就这么多，希望我们所有的行业的从业者一起携手助力双碳战略，共创电动汽车的美好未来。

　　谢谢大家！

　　（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）