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电动汽车充电设备的电气安全保护
摘要 电动汽车行业快速发展，因充电而引发的安全事故也时有发生，充电设备和动力电池是事故发生的两大主体，当前对电气安全的考核还处于满足相关标准的层面，缺乏完善的考核评价指标。本文针对电动汽车充电设备的电气安全保护，提出了一种基于综合权重的合格率考核指标，将抽象的电气安全保护能力量化处理，并对一台箱式充电站进行了充电设备电气安全保护合格率的测试，验证了考核指标的有效性。
关键词：电动汽车，充电设备，电气安全保护，权重系数，合格率中图分类号
电动汽车充电设备电气安全事故类型
0 引言
电动汽车产业发展至今，充电技术已不是阻碍行业发展的难题，如何保证设备安全稳定运行将变得更加重要。尤其是在一些大型的场站建设中，由于当前充电设备包括充电桩或是充电机的质量参差不齐，部分没有独立开发能力的企业采用简化处理或外购的方式生产，导致设备间的兼容性差、接口标准不统一、运营维护能力弱等潜在问题，并诱发不可预估的安全事故。
现行国家标准和相应行业标准中都对电动汽车充电设备的电气安全提出了要求，能够在出厂检测和定期检查中满足要求的将被视为安全产品。这样的体系下只存在通过与否的考核指标，并不能表明产品的电气安全保护能力的可靠性究竟有多高，也不能为进一步为产品电气安全性能的提高提供助力。为此，相关领域的研究人员做了大量工作。现有的方法是通过提高参数测量精度或改进控制方法，提高充电设备的电气安全性能，文献仅描述了提高，具体提高了多大程度也没有一个具体的指标可以衡量。文献建立了充电设备电气性能及部分安全项目的评价体系，但未能给出有效的考核指标。为了提高充电设备的电气安全保护能力，一种可行的方法是提出一种量化的考核指标，本文提出电气安全保护合格率考核指标（以下简称合格率），应用于电动汽车出厂检测和定期检查的评价体系中，旨在为电动汽车充电设备电气安全性能提供有效标识，并促进设备制造企业对提高对安全性能的要求。本文针对合格率的考核指标，对涉及到的安全事故与现行要求对应；基于层次分析法和实际数据，对不同检测项目按重要性不同从主观和客观两方面给予权重并对合格率进行计算；最后，根据考核步骤对一台箱式充电站进行测试，以验证本文的考核方法。对今后电动汽车出厂检测和用户进行产品选择具有指导意义，对设备的电气安全性能的提高具有推进作用。1
1.1 电动汽车充电系统电气安全事故分布
图是电动汽车充电系统简化示意图，其中红色虚线框所示为充电站，主要包括（，充电控制单元）、（，功率分配单元）、充电功率模块等。充电过程中电气安全事故发生的主体在于充电设备本身和动力电池两方面，主要表现为：电池本身故障引起的动力电池自燃、爆炸等安全事故，电池系统与充电站充电机通讯故障导致电池过充等引起的安全事故，充电机本身出现过流、短路、漏电等异常状况或未能对这些状况进行有效处理造成的安全事故。本文提出的合格率考核指标主要针对第三种情况下的电气安全保护，另外两种情况下的保护能力考核将由本课题另外两类考核指标给出。图1 智能充电系统
Fig.1 Intelligent Charging System
1.2电动汽车充电设备电气安全保护测试项目
本文根据现行国家标准、行业标准和相关文献对充电设备电气安全故障及电气安全保护相关要求，将可能涉及到的电气安全保护的检测项目列写如表所示。将不同检测项目根据引起异常的因素源头进行分类，用户输出侧、电网输入侧和充电设备内部。用户输出侧因素主要包括电池充电过程中的过流、过压、短路等因素引起的异常隐患；电网输入侧因素主要是由电网的电能质量问题造成的电压、谐波等可能脱离安全工作范围引起的异常隐患；充电设备内部因素主要包括绝缘电阻、冲击耐压等固有参数的不可靠造成的异常隐患。在表的最后一列，列出了各个电气安全保护检测项目在相关标准中的具体章节，作为对检测项目内容及测试要求的具体参考。 鉴于更多标准仍在制定当中，部分设备的检测仍有特殊要求，表中列举的项目将需要进一步合理完善，但本文提供的量化方法仍然有效。 表1 电动汽车充电设备电气安全保护检测项目
Tab.1 Electric Vehicle Charging Equipment Electrical Safety Protection Test Items
2合格率的定义及计算
2.1 某种电气安全保护检测项目的合格率
对电动汽车充电设备的某电气安全保护项目进行测试的过程中，根据测试项目的性质不同，将表中的项目分为常规的安全保护测试和额外的安全运行测试两类。这样设置的目的在于，对于用户输出侧和电网输入侧的相关检测项目的检测并保护的限值与正常工作的参数范围相近，可能会出现误动作保护的情况，需要设置一组与保护限值相近的安全运行测试验证误动作出现的概率，研究将安全保护测试标识为 ，将安全运行测试标识为 。同时对不同类型项目的测试次数和和测试结果的判定作如下规定：测试次数：规定测试次数为，其中为安全保护测试次数，另外的次为安全运行测试次数。结果判定：检测过程中，检测的内容和是否满足保护合格的判定标准参照表中参阅标准一列引用的具体标准。对安全保护测试项目，能够按相应标准进行有效响应称为一次安全保护检合格，标识为 ，否则称为一次安全检测失败，标识为 ；对于安全运行检测，检测过程中没有出现误动作称为一次安全运行合格，标识为 ，否则称为一次安全运行失败，标识为 。检测过程中成功次数与总检测次数的比值即为本项电气安全检测项目的合格率： （1）电动汽车充电设备电气安全保护合格率计算 不同检测项目的重要程度不同，理应按照重要程度划分不同的检测次数，这里对不同检测项目均采用相同测试次数的归一化处理，是为了实际检测和计算过程中便于处理。为了能够体现不同测试项目之间的重要程度关系，本文引入了综合权重的概念，通过权重的设置提高重要程度高的检测项目在总合格率中的占比。定义各定义测试项目 的综合权重为 ，利用每个检测项目与其权重乘积的加和来表征总的合格率，则检测结果的合格率为： （2）
具体综合权重的定义与计算方法将在下一章节给出。
2.3 对现行考核办法改进的意义
当前行业内对电气安全的考核基于设备出厂时的型式检测，只有合格与不合格的两种判定，即与，并不能表征出其安全性的程度。对于发展良好的领域，比如食品药品安全和家电节能降耗都有相应的量化指标对其等级进行划分，在电动汽车领域，也已经有部分指标具有了量化的要求，比如充电设备的效率达到等。合格率量化指标的提出，可以使制造企业在追求效率向靠近的同时，使设备的电气安全保护的合格率具有同样的追求。3电气安全保护测试项目权重的确定
公式中，为了表征不同检测项目的重要性引入了综合权重的概念，本节将对权重的确定与计算方法进行介绍。层次分析法（）是一种主流的权重确定方法，缺点在于其主观性过于明显，本文在层次分析法的基础上加入了基于实际数据的客观权重部分，组成了公式中的综合权重。基于层次分析法的主观权重计算 是一种把定性分析结果量化的决策分析的方法，它的主要思想是通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，对两两指标之间的重要程度作比较判断建立判断矩阵，通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应特征向量，就可以得出不同方案重要性程度的权重，为最佳方案的选择提供依据。本文基于方法，参考前述文献，建立了图所示的评价体系。目标层为电气安全保护能力评价指标，准则层为表中列出的检测项目，因素层为安全隐患因素的来源分类。判断矩阵采用标度，即标度代表某项相对于另一项同样重要，标度代表某项相对于另一项最重要；由科研院所和相关企业技术人员综合该检测项目在实际工程运行中的危害程度，得出重要性相对值，这里判断矩阵过于庞大不宜在文中列写。中权重向量计算法主要有几何平均法、算术平均法、特征向量法和最小二乘法种，这里采用几何平均法进行求解，并计算得到一致性比例，满足层次分析法对判断矩阵的要求。得到权重向量如表所示。 Calculation results of subjective weights
图2 层次分析法指标体系
Three layers system in Analytic Hierarchy Process
3.2 基于实际数据的客观权重计算
为了弥补方法中客观因素缺失的特点，增加基于实际数据的客观权重计算方法。利用设备测试和实际运行中故障报表的历史数据计算不同检测项目的实际数据中的信息熵，熵值越小表明这个指标变异程度越大，提供的信息量越大，在评价中起到的作用越大，反之亦然。得到客观权重： （3）
式中 为基于实际数据得到的信息熵，得到的这组信息熵数据经检验后可以作为经验值使用。
3.3 综合权重的确定
前文分别得到了两组权重向量，在主观权重和客观权重之间依然存在分配关系，研究采用标准离差法确定两者的比例分配。标准离差法本身也是一种客观分析方法，计算主观和客观权重的标准差 ，将标准差更大的一项赋予更大的比重 。 （10）
最后得到综合权重： （11）
4 量化步骤与实例分析
根据前文论述，将指标的量化计算步骤结合具体实例操作如下：（）确定电动汽车充电设备电气安全保护的测试项目，具体如表所示；（）从专家角度用方法得到客观权重向量，从历史数据等实际数据中用公式（）得到客观权重向量，按标准离差得到综合权重向量；（）安排被测充电设备对每个检测项目按节中的要求进行测试，并记录下检测结果，即每个项目是否合格。 Test results
注：表示试验达到预期结果；表示试验没有达到预期结果。以过流保护为例，设备单个模块过流阈值设定在，安全保护测试过程中逐步加大负载至，测试电气安全保护是否有效动作；安全运行测试过程中，以负载电流充电，并加入瞬时的电流尖峰扰动，不超过个周波，测试电气安全保护保护是否发生误动作。每组测试进行次，结果见表所示。其他项目与此类似，不再赘述。 （）综合每个检测项目的结果及其综合权重，由公式（）得到最终结果合格率。得到各检测项目的合格率和总的合格率如表所示，最终合格率为 Test results
从图表中可以看出，并不是所有的检测项目的每次测试都通过了，如果采用仅测试一次的型式检测中会出现以下两种极端情况：未通过的检测项目未发生在型式检测中且设备具有安全隐患；未通过的检测项目发生在型式检测中且检测失败的发生是由不可预计的检测设备失效或误动作造成而设备本身是好的。这些情况无疑会给使用者的安全或生产商的利益带来不必要的麻烦，而采用合格率的量化考核指标可以有效降低误动作、检测设备失效这些小概率事件带来的干扰，也能通过指标的量化减少检测过程中的漏网之鱼。设备生产单位对测试结果中出现异常的检测项进行排查，并改进设计，再次进行测试，结果提升到表中的。 Test results
5 总结本文针对当前行业中对电动汽车充电设施电气安全保护能力考核方法欠缺的现状，提出了电动汽车充电设备电气安全保护合格率的考核指标，定义了其计算过程与具体含义，并对实际设备进行了考核。相关设备的考核指标的量化，为电动汽车综合评价体系添砖加瓦，对电气安全保护能力的提高起劲助推。 |
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