电动汽车直流充电枪电力电缆材料性能测试与评价

Posted 2021-04-28 电动学堂

文章来源：国家电网公司电力器材安全性能检测技术实验室；浙江华电器材检测研究所有限公司

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0引言

目前的研究大部分集中于电力电缆的 理化性能或者电气性能。 充电枪作为一种新兴的产品 ， 对不同材料充电枪电力电缆性能的研究较少 ， 而充电枪电力电缆绝缘材料以及护套材料性能直接影响了充电枪电力电缆的质量 、 应用范围以及应用时间 。

利用地面直流电源为电动汽车充电， 能在20min到2h之内充电至80% ， 充电功率大 ， 建设安装成本高 ， 对电池组及配套充电设备的材料 和安全性的要求更高。 大功率充电是未来发展的主流趋势 ， 能够大幅度缩短充电时间 ， 但是大电流必然带来发热问题 ， 大量热量的积累不仅会加速电缆绝缘或护套的老化 ， 甚至损坏电缆 ， 对使 用者带来生命和财产威胁。 因此 ， 研究电动 汽车直流充电枪用电力电缆材料的性能， 对于电动汽车系统运行的可靠性和安全性具有重大意义 。

本文选取三种充电枪电力电缆材料 ， 分别研究对充电枪使用可靠性和安全性的影响 ， 并对三种充电枪电缆材料进行评价 。

1试验样品及方法

1.1试验样品

目前市场充电桩电缆大多执行 GB/T33594要2017标准 。 通过市场需求调研及原材料性能分析 ， 确定三种目标产品 ， 主要参数如表1所示遥三种材料化学组分显示如表2所示 。

1.2热重测试

样品为新生产以及 70 ° C空气老化7天的充 电枪电力电缆的护套材料。

试剂为含氧量小于 10mg/kg的干燥氩气 。

试验设备为耐驰 TG209F3TarsusR型热重分析仪 ， 如图1所示 。

设备参数为起始温度 100 ° C ， 加热速率20K/mi n； 终止温度900 ° C ； 称重试样5~10mg ； 吹洗气体为氩气 ， 载气流速为20mL/min 。

将试样放置于 Al2O3坩埚底部 。 为减小误差 ，样品称重方式选用 TG209本身作为称重天平 。 按 照仪器制造商的说明书和设备参数操作设备。

1.3机械性能测试

根据国家标准 GB/T33594要2017规定 ， 电动汽车充电用电缆绝缘和护套材料老化前后的抗张强度和断裂伸长率检测方法按照国家标准GB/T2951.11要2008和GB/T2951.12要2008实施 ，从每个被试样品上切取足够长的样段， 供制取老化前机械性能试验用件至少5个 ， 供要求进行各种老化用试件至少5个 ， 应注意制备每个试件的 取样长度要求 100mm ， 在ETM204C型200N微 机控制电子万能试验机上做拉伸试验如图 2所 示， 每种试样进行3次测试 ， 将所得数据求出平 均值并统计。

热延伸性能试验按照国家标准 GB/T2951.21要2008实施袁从每一被试试样上切取两个绝缘样段和护套样段袁制备哑铃状试样并测量截面积遥在每个哑铃试样的中部标上20mm的标志 线。 将试件悬挂在型号为RL100的热老化试验箱中 ， 下夹头加重物 ， 见图3 。 在200益下负重10min后 ， 测量标记线间距离并计算伸长率 ， 然后在下夹头处把试样剪断 ， 并将试样保留在烘箱中5min ， 从烘箱中取出试样冷却至室温 ， 再次测量标记线间的距离 。

绝缘和护套材料的抗撕试验参照 GB/T33594要2017试验标准附录B ， 从电缆护套上制取3个试片 ， 磨平使之具有大致平行的表面 。 使用锋利 的刀片切出轴对称的缺口， 垂直于试片宽度 ， 并保证切口在线芯产生的凹槽的最薄处 ， 在切口长度方向的三个等距离的点用指针式测厚仪测量试 片厚度， 取中间值遥 ， 将试片切开端的两边分别夹在拉力试验机的上下夹具上 ， 以渊250依50冤mm/min的速率切开试片 ， 读取撕开试片到标记线是最大 的撕力。

2测试结果分析

对选取的三种充电枪电力电缆产品分别进行绝缘性能和护套性能测试， 并将测试结果进行对 比， 分析不同产品的优势 。

2.1热失重分析

不同材料的充电枪电力电缆外护套试样的热失重曲线如图 4所示 。 从测试曲线可以看出 ， 硅橡胶开始失重时的温度为397 ° C ， TPU开始失重的温度为282 ° C ， TPE开始失重的温度为206 ° C 。起始分解温度低， 表明材料抗氧化性能较差 ，易出现氧化降解， 同时表明硅橡胶的耐化学液体 性能最好。

热失重质量分数由小到大排序为 ： 硅橡胶约TPU约TPE ， 测试结束之后 ， 硅橡胶的残余质量分数为30% ， TPU和TPE的残余质量分数 几乎可以忽略不计。 由硅橡胶的主要化学组分可以看出 ， 硅橡胶主要元素为Si元素 ， 高分子有机物含量很少 ， 耐高温性能较好 ， 且添加了的炭黑 ， 硫化物等不可燃物质 ， 而TPE和TPU的主要成分均为高分子有机物 ， 在实验过程中 ， 会出 现高分子链断裂， 有机小分子组分挥发的现象 。 因此在试验过程中 ， 硅橡胶的失重质量要比TPE和TPU少 。

经 70 ° C168h空气老化后的护套热失重曲线与未老化之前的热失重曲线对比如图5所示遥由图5可以看出 ， 70 ° C空气老化对于TPU 和 TPE护套的热失重曲线影响不大 ， 两种材料老 化前后的开始热失重温度并没有出现明显的差异， 但是硅橡胶材料在空气老化前后 ， 其热失重曲线出现了比较明显的变化 ， 试验结束后的残余质量减小 ， 硅橡胶的热稳定性下降 。

2.2绝缘机械性能分析

TPE和硅橡胶绝缘材料机械性能测试结果如表3所示遥经测试袁两种绝缘材料的性能完全符合标准GB/T33594要2017的要求 。

由表 3测量结果可以看出 ， 老化前后TPE绝缘的抗拉强度以及断裂伸长率并未发生明显的变 化， 而硅橡胶在老化后袁 ， 其抗拉强度和断裂伸长 率比老化之前明显降低了， 硅橡胶在老化前后抗张强度和断裂伸长率的变化率要比TPE明显 。 在老化前后 ， 硅橡胶的抗拉强度和断裂伸长率均低于TPE遥TPE的抗撕强度比硅橡胶要高 。 材料的力学性能与它的晶体大小 ， 环境温度 ， 化学组成和外力特性有关 ， 由于TPE中包含大量的交联 大分子链， 室温试验不易断裂 。 通过TPE的热失 重曲线可以看出， 老化对TPE性能的影响并不显 著， 但硅橡胶的性能会因为老化而出现比较明显 的下降， 因此老化前后TPE的机械性能均优于 硅橡胶。

2.3护套机械物理性能分析

表 4列出了三种护套材料相关测试结果 ， 三种护套材料的主要性能完全符合设计和相关标准 的要求遥。

由表 4可以看出 ， TPU护套材料老化前后的抗拉强度 、 断裂伸长率以及抗撕强度值均明显高于TPE和硅橡胶 ， 表现出优异的耐老化性能 。 硅橡胶老化后抗拉强度和断裂伸长率的变化率较TPE和TPU明显要大 ， 可能是在老化过程中 ， 聚 硅氧烷中的有机基团，（如 CH3 等）在热和氧的共同作用下从硅氧烷主链上断裂， 同时形成了新的Si-O-Si交联点 ， 硅橡胶体系的有机成分减少 ，宏观上表现为力学性能下降。

3结论

本文选取了三种不同规格型号的充电枪电力电缆， 对两种绝缘材料和三种护套材料分别进行了机械性能测试和空气老化前后护套材料的热失重试验 ， 得出结论如下 ：

（1） 三种护套材料的热失重起始分解温度为 ： 硅橡胶>TPU>TPE ， 测试结束后 ， 硅橡胶的残余质量要明显大于TPU和TPE ， 说明硅橡胶的耐氧化性最好 ； 空气老化前后袁TPU和TPE的失重曲线并未出现明显的变化 ， 但硅橡胶的失重起始温

度降低， 残余质量减少 ， 老化后的热稳定性下降 。

（2） 对于两种绝缘材料 ， 老化前后硅橡胶机 械性能变化要比 TPE明显 ， 说明硅橡胶的适用温 度范围要大于 TPE袁而TPE的耐磨性能要优于硅 橡胶。

（3） 对于护套材料 ， 与TPE和硅橡胶相比 ，护套材料老化前后机械性能没有出现十分明显的变化， 且表现出优异的抗撕性能 ， 硅橡胶老化前后机械性能变化最大 。 TPU老化前后的抗拉强度和断裂伸长率均明显高于TPE和硅橡胶 。

（4） 硅橡胶耐高温性能优于TPU和TPE ， 可 以在较大温度范围内使用。 但老化对其性能的影响较大 。

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