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機械設計

鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計

時間:2021/2/7 15:30:24   作者:未知   來源:網絡文摘   閱讀:1   評論:0

近年來,國家一直大力支持新能源汽車行業發展,與之對應的充電設施的完備性和推廣是新能源汽車發展的一個重要保障。2015年10月,國家發改委印發的《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015-2020)》中規劃,到2020年,我國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,以滿足全國500萬輛電動車的充電需求。2016年4月,國家在《2016年能源工作指導意見》中指出,2016年計劃建設充電站2000多座,分散式公共充電樁10萬個,私人專用充電樁86萬個,各類充電設施總投資300億元?梢,未來五年,充電基礎設施市場規模將達到1500億元,間接拉動2萬億元的市場規模,到2020年要基本建成滿足超過500萬輛電動汽車充電需求的基礎設施體系。

充電樁的使用環境遍布在全國各地,既要經受風雨、光照、高溫、低溫等極端惡劣的天氣,又要保證足夠的強度來保護內部電氣元件不受外部沖撞作用的影響,同時又必須具備對應的防火、阻燃、絕緣等性能來保證其用電安全。這就對充電樁殼體的環境可靠性造成了極大的挑戰。目前市面上主要有鈑金結構的充電樁殼體和塑料結構的充電樁殼體兩種。由于鈑金結構具有強度高、耐燃、耐高溫、散熱好等特點,因此占據了絕大部分的市場。但是,由于鈑金結構充電樁殼體材料主要是碳鋼薄鋼板,銹蝕現象普遍,不僅嚴重影響產品的外觀形象,更影響產品使用壽命及安全。因此,單純依靠傳統的鈑金噴涂加工工藝,難以滿足日益嚴格的充電樁產品環境可靠性需求,開展充電樁防腐蝕設計迫在眉睫。

一、充電樁技術要求
充電樁按照充電方式分為交流充電樁與直流充電樁、交直流一體充電樁三種。直流充電樁一般安裝在高速公路,充電站等地;交流充電樁一般安裝在小區、停車場、道路停車位、高速公路服務區等位置。根據國網Q/GDW 485-2010標準的要求,充電樁樁體應當滿足以下技術條件。
環境條件
⑴工作環境溫度:-20℃~+50℃;
⑵相對濕度:5%~95%;
⑶海拔高度:≤2000m;
⑷抗震能力:地面水平加速度0.3g;地面垂直加速度0.15g;設備應能承受同時作用持續三個正弦波,并且安全系數大于1.67。
耐環境要求
⑴充電樁外殼防護等級應達到:室內IP32;室外IP54,并配置必要的防雨、防曬裝置;
⑵三防(防潮濕,防霉變,防鹽霧)要求:保護充電機內印刷線路板、接插件等電路應進行防潮濕、防霉變、防鹽霧處理,使充電機能在室外潮濕、含鹽霧的環境下正常運行;
⑶防銹(防氧化)保護:充電樁鐵質外殼和暴露在外的鐵質支架、零件應采取雙層防銹措施,非鐵質的金屬外殼也應具有防氧化保護膜或進行防氧化處理;
⑷充電樁外殼應當能承受GB 7251.3-2005中8.2.10規定的耐沖擊強度試驗。
二、鈑金充電樁殼體結構特點
充電樁一般由充電樁樁體、充電插座、保護控制裝置、計量裝置、刷卡裝置、人機交互界面等組成,如圖1所示。
鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計

鈑金結構充電樁樁體材質采用低碳鋼板,厚度約為1.5mm,加工方式采用鈑金塔沖、折彎、焊接成形工藝。部分類型的充電樁考慮到戶外防護和隔熱的需求,采用雙層結構設計。產品整體造型以長方形為主,框架整體焊接,為了保證外觀的優美,局部添加圓角曲面;為了保證充電樁整體強度,一般焊有加強筋或加強板;樁體外表面一般布置有面板指示燈、面板按鍵、充電接口及散熱孔等,后門或側面備有防盜鎖,樁體通過地腳螺栓固定在安裝基座上。緊固件一般采用電鍍鋅或不銹鋼材質。為了保證充電樁樁體具有一定耐腐蝕性,充電樁一般整體采用戶外粉末涂料噴涂或者戶外油漆來保證它的服役年限。常見的工藝路線如圖2所示。

鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計

三、銹蝕產生原因分析
    采用傳統的防腐工藝路線處理的充電樁,按照預估壽命,本應能夠滿足充電樁服役年限不少于8年的要求,實際卻不斷的收到客戶的反饋信息,發現充電樁在現場服役一年至兩年內,都不同程度的發生了銹蝕,部分區域甚至發生了大片的涂層脫落、涂層褪色的現象,嚴重的影響了公司形象。經過現場調查和走訪,我們對充電樁銹蝕的部位及原因進行了針對性的分析。
如下圖3,單純的依靠傳統的防腐工藝處理,無法滿足充電樁在實際服役過程中環境可靠性要求,必須采取綜合、全面、自上而下的防腐蝕設計,才能保證產品質量,滿足客戶要求。

鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計


鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計

圖3

四、鈑金結構充電樁樁體防腐蝕設計
    結構設計
⑴樁體結構表面避免尖角設計。
⑵頂蓋部位建議帶有5°以上坡度,防止頂部積水,造成滲水和腐蝕。
⑶相對密封產品采用除濕器進行除濕,防止凝露產生。對有散熱需求而開散熱孔產品宜采用濕度控制器+加熱器進行除濕,防止凝露產生。
⑷焊接充分考慮戶外環境,外部焊縫采用滿焊,如不能滿焊,未焊接到位處需進行焊縫密封膠處理保證產品滿足IP54防水要求。
⑸對于門板加強筋等密封焊接結構,噴涂不能進入密封結構內部,采用噴涂后組裝,或采用鍍鋅板焊接,或者焊接后電泳再噴涂等方式改進設計。
⑹焊接結構應避免狹窄縫隙、噴槍不能進入的狹小空間等情況。
⑺散熱孔盡量采用組裝式設計,避免狹小的焊縫和夾層。
⑻外購鎖桿、鉸鏈等盡量采用304不銹鋼材質,耐中性鹽霧時間GB 2423.17不小于96h。
⑼銘牌固定方式改為防水抽芯鉚釘或背膠粘貼,需用螺釘固定時必須做防水處理。
⑽所有緊固件的選用應選擇鋅鎳合金鍍層或304不銹鋼處理,鋅鎳合金緊固件滿足中性鹽霧試驗96h不出白銹,外露緊固件全部選用304不銹鋼材質。
⑾鋅鎳合金緊固件避免與不銹鋼材質貼合使用。
⑿充電樁安裝地腳孔需預先加工,不得放上充電樁后打孔。地面打孔后應清除打孔后的地面灰塵再進行安裝。充電樁底部進線孔應采用防火泥密封,防止地表水汽從進線孔進入樁體內部。安裝后可在樁體與水泥安裝臺間涂抹硅酮密封膠,加強樁體底部密封。
工藝設計
從充電樁的結構特點我們可以看出,大部分充電樁的結構中都存在大量的焊縫、夾層、半封閉或封閉的結構,這對充電樁的工藝設計造成了較大的挑戰。傳統的靜電噴粉工藝由于靜電屏蔽作用的存在,粉層無法在夾層、焊縫和空腔結構中附著,造成了極大的腐蝕隱患。為了解決這個問題,工藝人員提出了三種工藝設計方案:
⑴雙層粉末涂層體系。底涂層:環氧重防腐粉末50μm;面粉:純聚酯耐候粉末50μm;總厚度:不小于100μm。
⑵電泳底層+粉末涂層體系。底涂層:電泳20~30μm;面粉:純聚酯耐候粉末50μm;總厚度:不小于70μm。
⑶浸涂+粉末噴涂體系。底涂層:水性環氧防腐底漆(浸涂)25~30μm;面粉:純聚酯耐候粉末50μm;總厚度:不小于80μm。
五、試驗驗證
為了驗證幾種涂層體系的耐鹽霧性能,我們加工了三臺采用不同涂層體系的充電樁,整機進行了為期96h的中性鹽霧試驗。圖4所示為試驗用的充電樁。

鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計


圖4

下圖為樣機涂層體系

鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計

圖5

試驗結果
1號樣機試驗結果見圖6,2號樣機的試驗結果見圖7。從試驗結果來看,2號樣機在難以處理的夾層、焊縫、散熱孔位置的耐鹽霧性能明顯優于1號樣機。

鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計


圖6 1號樣機試驗結果

鈑金結構充電樁殼體防腐蝕設計


圖7 2號樣機的試驗結果

六、結束語
    我國幅員遼闊,氣候環境復雜,為充電樁的環境適應性帶來了嚴峻的挑戰。如何解決好充電樁的環境可靠性問題,一直是國內各個充電樁廠家面對的難題。充電樁市場的爆發式增長,也暴露出來了各種各樣的問題:市場準入、標準、技術能力、品質控制的不完善;行業新軍多,研發、生產積累不夠;產品良莠不齊,故障率高、報廢快等等。充電樁樁體作為保護充電設備安全的“第一道壁壘”,如果不能給客戶提供優質、可靠的性能,無疑會極大的影響品牌質量的提升。因此,一定要在產品設計的前期,梳理各類設計需求,結合外部應用環境和電氣要求,系統的、合理化的進行充電樁產品設計。

鈑金結構充電樁作為電動汽車充電設備的主流產品在實際的使用過程中一直面臨著惡劣環境的嚴苛挑戰,面對其暴露出來的種種問題,筆者通過調研,發現銹蝕是樁體使用過程中普遍存在的現象,并總結多年工作經驗,結合大量試驗驗證,提出對鈑金結構充電樁樁體系統的防腐蝕設計思路,取得了較好的市場反饋效果,期望對各位同行有所幫助。


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