基于新国标的智能充电枪的研究与设计

作者：魏德米勒电联接（上海）有限公司，闫方波 亚太区事业部总监

1.前言

　　新能源汽车作为新能源和汽车的共同发展愿景，在能源汽车技术路线图中指出，2020年新能源汽车销量超过汽车总销量的7%，2025年超过15%，2030年超过40%。在 2015 年《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020）》 中明确提出到 2020 年，新增集中式充换电站超过 1.2 万座，分散式充电桩超过 480 万个， 以满足全国 500 万辆电动汽车充电需求。2017年，根据国家能源局的指导意见，计划年内建成充电桩90万个：其中，公共充电桩10万个，私人充电桩80万个。

　　充电枪作为电动汽车充电连接器，是连接充电桩等充电设施与电动汽车的“桥梁”，同时在充电的时候也连捆绑着使用者的安全；品质的好坏直接影响了充电性能及安全性。因此，充电枪是至关重要的，甚至可以代表着电动汽车充电技术的优劣！

　　2015年12月28日国家发布了新版电动汽车充电枪及通信协议的标准，其中新国标直流充电枪增加了：电止锁、R4电阻、温度传感器以及线径的调整等要求。由于直流充电枪都是大电流高电压，电流一般大于100A，电压一般为750/1000V；且电动汽车的充电场所多为户外，如户外的停车场。其次，在实际使用中操作者不一定是专业人员。这些特性决定了直流充电枪需要高安全性和高适用性。

2.大好形势下的“隐忧”

　　从2013年以来，尤其是最近几年，大批国内外企业纷纷进入充电桩和充电枪行业，仅充电枪生产制造企业就过百家之多。同时，2015年新国标的制定与实施，统一了国标与欧标在充电接口上的要求，解决了桩车互联互通的障碍，也极大的促进了充电枪企业快速发展。

　　由于大量新企业进入充电桩的生产、运营和服务领域，针对充电枪的质量、设计和可靠性等方面缺乏相应的规定和管理；导致在这一“朝阳”下，市场上的隐忧若隐若现：质量良莠不齐，外观大小不一，可靠性与安全性大相径庭，导致大批充电桩企业难以分辨、无从选择。再加上最低价中标和市场定价的混乱，有时甚至会出现低价劣质、高价劣质、“劣币驱逐良币”的现象。造成大量的安全隐患！

2.1 安全第一

　　充电枪尤其是直流充电枪作为大电流高电压元器件，作为电动汽车与充电桩之间的连接部件，其安全性是最为重要的，不仅仅关系到设备的安全，而且更加关系到人员的安全。设备的安全是要确保在充电枪的运行过程中，产生充电枪本身的损伤、充电桩的损伤、以及相连电动汽车的损伤，甚至是整个充电站的损失。经常见诸报端的是这个充电枪失火了，那个充电桩因为充电枪漏电燃烧了，还有一些是直接引燃了电动汽车，都造成不小的损失。人身的安全更加重要，要确保在充电桩运行整个过程中，凡是有人员操作的过程中，要确保人员的安全、避免遭受到意外漏电和电击。         

2.2长期可靠性

　　充电枪是长期使用部件，尤其是在实际使用工况条件下，通常处于户外阳光直射，雨水侵袭，裸漏污染，车辆碾压，撞击冲击的状态。对于充电强在长期运行条件下的性能提出了很高的要求。尤其是现场充电人员的使用习惯不同，经常出现不正确的充电方式和充完电不复位的情况，使充电枪的接口部分直接暴露于自然环境，进一步增加了充电枪在实际使用过程中的风险，故障率大幅增加。

2.3 价格乱象

　　在前期低价中标，要求不明确的背景下，充电枪价格时常偏离正常合理的水平，往往带来劣质产品中标，优质产品出局，最终损害充电桩生产企业，充电运营商和使用者的切身利益与安全。因此，一个合理的市场价格体系，透明统一的技术要求和认证，是对这一产品最有效的发展良方。

　　而要确保安全、可靠性和抑制价格乱象，则需要在产品的设计、选材和工艺三个方面着手，以优良的设计、精心的选材、严格的工艺要求来保证产品的安全特性，同时为充电枪质量的正确评定 而打下基础。

3.针对充电枪产品特性的优化与设计

　　充电枪包括了智能连接器和充电电缆两大部分，涉及机械、电子、通讯、材料、电气、人机工程等多学科的知识，涵盖了成型、注塑、机械、电子、装配和测试等工艺，是一个高度集成的产品。

3.1充电枪技术要求的更新

　　2015年12月，中国发布新的充电枪国家标准，统一了充电接口，并增加了新的要求，具体如下：

GB/T 20234.1-2015《电动汽车传导充电用连接装置  第1部分：通用要求 》2.2 GB/T 20234.3-2015《电动汽车传导充电用连接装置  第3部分：直流充电接口 》

3.2直流充电枪设计分析：

3.2.1直流充电枪电子锁设计：

　　新版国标对直流充电枪的锁止装置明确规定“对于直流充电的车辆接口，应在车辆插头上安装电子锁止装置，防止车辆接口带载分断。”因此，电子锁止装置是直流充电枪的安全保证。而可靠的电子锁止装置又是从设计之初就确定的。

电子锁可以保证充电插头插入充电插座到位后进行充电；电子锁可以保证充电时插头有效、可靠的处于插座中；电子锁可以保证充电付费后，充电插头方可从充电插座取出。

　　直流充电枪的电子锁，不同于传统行业的电子锁。在性能方面要求可侦测性，高可靠性和高适用性；在结构方面要求空间尺寸小，低功耗，和充电插座无缝对接，易安装和易维护等。结合电网客户和车厂客户的实际需求，需要通过各种方式来满足充电接口电子锁的各种要求。

　　针对现有技术的不足，我们提出了一种全新的电机锁止装置的设计方案，以克服现有技术的不足。该技术方案包括：壳体、设置于所述壳体内的齿条、齿轮、顶杆和驱动机构，所述齿条与所述齿轮相互啮合，且所述齿条固设于所述顶杆上，所述驱动机构与所述齿轮连接，用于驱动所述齿轮转动，所述壳体上设置有用于允许所述顶杆的两端自由伸进和伸出的开口。如下图所示：

　　在使用新的电机锁紧装置之后，经过长寿命测试，其可靠性比目前的解决方案有显著提高，而且具有低功耗、小尺寸的优势。

3.2.2直流充电枪尾部结构设计：

　　目前直流充电枪的尾部结构设计：一般采用锌合金压片和TPU线缆尾套来固定、密封电缆；如下图所示：

　　但在长期使用中，发现充电枪尾部的线缆压片的力度不够，压不住电缆，导致电缆松动；且在充电枪工作时，由于电缆温度升高，质地变软，也易造成电缆松动，从而导致密封尾部电缆破损、密封失效等。

　　在电缆运行过程中个，不仅由于电缆的呼吸特性，而且随着环境温度的变化，电缆的外形尺寸都会有变化，从而导致密封效果的下降甚至是失效。所以，一个有效的密封结是保证充电枪长期可靠性和寿命的关键。

　　针对现有尾部电缆密封容易失效的问题，我们提出了一种全新的一体式双O型密封圈结构的电缆密封装置的设计方案。

　　密封件外表面设置有双凹槽,且与双凹槽对应的内表面上设有双凸筋；所述压紧螺帽为倒U型；当锁紧时，旋转压紧螺帽，同时压紧螺帽与压紧环顶部接触，并压缩密封件，密封件受压后导致双凹槽压缩变形,使双凸筋抱紧电缆。

　　针对尾部电缆易松脱的问题，我们也开发了一种快速锁紧、限位并防松的电缆引入装置结构:

3.2.3直流充电枪外观设计及材料选择：

　　目前市面上的直流充电枪，产品外观设计大同小异，相互模仿，眼前一亮的创意几乎没有。加工工艺，千遍一律用单色注塑，成本低，产品单一，难以满足高标准客户和用户。

　　直流充电枪因为线径较粗，线径较大，通常会单独做出一个把手。这和手持工具类产品相似；都涉及到人手抓握这一特点。其在使用的时候需要使用者发力来控制；所以人手抓握的地方多会做一些防滑处理，一眼看去强度就比较高。而且把手的舒适性和角度也会影响使用者手持的体验感受。这些特性在前期的工业设计中都需要考虑。

　　产品设计色彩运用，充电枪颜色搭配，有色系占主导，视觉冲击力强；对于工具类产品设计，中性色稳重耐看更适合充电枪。

3.2.4外观设计核心要素：

　　汽车直流充电枪在符合人体工程学的基础上主要以直线和曲线结合型为主。在今后的设计中可以多学习手持类相关产品来进行设计，做到美观简洁时尚大气，又符合人机要求，另外还可以查询每年的流行色进行产品的合理配色，使产品更加符合消费者的审美需求。

　　该外观设计在充分考虑了人机工程学的基础上，以流动的线条感为依托，幻化出这款曲线感很强的充电枪，贯穿整个枪身的美工线是该产品的点睛之笔，使产品更加生动；美工线和整个枪身造型相呼应，使产品层次分明。

　　材料采用塑胶、金属相结合，加工工艺上有原色注塑、表面细纹、电镀、丝印等。通过简单的工艺与材料的融合设计，使得产品更加易用、成熟，更具可靠性和专业水平。同时，使产品更具科技气息。

　　该外观设计的灵感来源是大黄蜂，它是山涧林野的小霸主，充满了野性和速度感。这款充电枪整体用了曲线的设计原理，但是流线中又有强硬的棱线，刚柔并济，使产品更加生动。手持部分做了防滑处理，更适合抓握，按键处做了盲点处理，提升了用户体验。

4.结束语

　　该新型智能直流充电枪在技术与安全性上处于行业内领先水平，既便与特斯拉的智能充电枪相比，也具有如下优势：

　　其一，内置温度传感器可以时时感知充电过程中的温度并发出时时状态，供充电桩做出相应的反应，调整充电状态。

　　其二，其独特的闭锁机构可以大幅提高使用时的安全性，确保使用者在现场应用时的人身安全。

　　其三，从材料上也突出其安全性、耐高温、耐候性等特点，使之成为全天候的充电连接器。符合国内从南到北，从西部高原到东部沿海的各种温度、海拔环境下的应用。

　　其四，该充电枪是依据新国标的要求设计开发和生产制造的，其测试也是依据新国标进行，可以保证在各种符合新国标的充电桩的有效高效使用。

　　其五，该充电枪的额定电流和额定电压均高于特斯拉充电枪的技术标准，可以预见，该充电枪完全可以替代特斯拉自有充电枪，使特斯拉电动汽车更加适用于中国市场。

　　其六，其独特的外形设计符合人体工学的要求，给使用者带来舒适的使用感受。

　　总之，该新型智能直流充电枪可以适配包括特斯拉电动汽车在内的各型电动汽车，为电动汽车厂商、充电桩厂商和运营商提供质量可靠、经济的充电连接解决方案，更可为电动汽车使用者带来安全、高效便捷的体验。

　　同时，随着电动汽车的广泛应用和充电桩的广泛建设，对于能源节约和环境保护是显而易见的。

　　在能耗方面：经过有效测算，一台较燃油汽车重量重的电动汽车，行驶一百公里的能耗是燃油汽车的52.2%。在环境保护方面：电动汽车从全寿命周期来评估更为清洁：在行驶里程相同的条件下，电动汽车温室气体排放比同等汽油车减少80%以上；制造过程的排放减少20%以上；因此总计减少50%左右。尤其随着国内新能源在一次发电比重的上升和电池回收技术的突破，未来在制造环节和电池回收环节的排放将进一步减少，必将使得电动汽车温室气体排放量在其全案寿命周期内更低，保守估计比同等汽油车排放减少70~80%。目前中国车辆保有量大约在2亿辆车普及和技术的更新，越来越多的，随着电动汽车的大幅度推广，其节能环保的效益会更加突出与明显。“绿水青山也是金山银山”也必将实现。 

　　从国际上来看：德国在2030年，荷兰、挪威在2025年，法国、英国在2040年都将取消化石能源车辆的销售，取而代之的是新能源车辆，尤其是电动车辆。中国也在积极研究在2040年前后采取相同措施。

　　总之：该智能直流充电枪的广泛应用对于提升行业标准、提质升级、安全可靠运行具有积极的推动作用；对于国际领先新能源汽车制造企业和国内标杆汽车制造企业将本增效、提质将本、优化服务具有积极的带动意义；对于促进并保持中国新能源汽车在全球的技术领先具有积极的贡献；对于社会所关注的节能环保具有实际的带动价值。

　　在该智能充电枪未来的发展路径中，将继续在保持充电枪基本功能的同时，积极拓展其作为智能物联网关键节点的新功能、新特色。不断推出智能型、轻量化、高可靠、耐候性的高品质长寿命电动汽车充电枪。为企业、行业、人民、社会和环保等各利益攸关方继续新的贡献！