?國內(nèi)外電動汽車充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)綜述

小毛HYL 2021-06-14

展開全文

電動汽車是節(jié)能環(huán)保型車輛，由于對環(huán)境影響相對較小，其前景被廣泛看好。但發(fā)展初期，各國對未來市場的發(fā)展沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，且各國配電網(wǎng)絡(luò)的電壓頻率等電氣特性存在較大差異，故在制定標(biāo)準(zhǔn)上有所區(qū)別。標(biāo)準(zhǔn)的差異既造成了后續(xù)全球充電接口不統(tǒng)一、通信協(xié)議不兼容的現(xiàn)狀，也引出了目前迫切融合的需求。

本文介紹了國內(nèi)外電動汽車充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀，主要從充電系統(tǒng)一般要求、充電接口、交流充電控制導(dǎo)引、直流充電通信協(xié)議等方面闡述了國內(nèi)外技術(shù)方案的共性與差異，并對后續(xù)充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的融合及發(fā)展規(guī)劃做了展望。

1. 電動汽車充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)概述

全球范圍內(nèi)電動汽車充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，主要有國際電工委員會（Intermnational Electro technical Commission，IEC）標(biāo)準(zhǔn)、歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會（European Norm，EN）標(biāo)準(zhǔn)、美國汽車工程師協(xié)會（Society of Automotive Engineers，SAE）標(biāo)準(zhǔn)、日本電動汽車協(xié)會（CHArge de Move，CHAdeMO）標(biāo)準(zhǔn)以及我國GB/T標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 IEC 標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61851 系列標(biāo)準(zhǔn)是由 IEC組織制定的國際上最早的充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，對其他國家充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定具有重要的參考意義。

IEC 61851-1規(guī)定了充電系統(tǒng)的通用要求，是IEC 61851系列標(biāo)準(zhǔn)的綱領(lǐng)性文件，在 2017 年2 月發(fā)布的第三版文件中，整合了對交流充電設(shè)施的要求．取代了IEC 61851-22; 2001 交流充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61851-1 適用于交流標(biāo)稱最大值為1000V，直流標(biāo)稱最大值為1500V的電動車輛車載和非車載充電設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電動汽車4 種充電模式、3種充電連接方式和充電接口及其相關(guān)要求等。

IEC 61851-21-1 規(guī)定了對充電系統(tǒng)車載充電機的 EMC要求，IEC 61851-21-2 規(guī)定了對充電系統(tǒng)非車載充電機的 EMC 要求，但要求對象不涵蓋無線充電系統(tǒng)。

IEC 61851-23 規(guī)定了對充電系統(tǒng)直流充電設(shè)施的要求，包括直流充電樁的連接線纜和插頭裝置。

IEC 61851-24 規(guī)定了對充電系統(tǒng)電動車輛和直流充電樁通信協(xié)議的要求。

IEC 62196 系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對充電系統(tǒng)連接裝置的要求，包括插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔的一般要求、尺寸兼容性與互換性要求。

1.2 EN 標(biāo)準(zhǔn)

歐盟電動汽車充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系包括 EN 61851 系列標(biāo)準(zhǔn)、EN 62196 系列標(biāo)準(zhǔn)以及 CLC/TS 50457系列標(biāo)準(zhǔn)，主要涉及充電設(shè)備、充電站、插頭插座及通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，從表1可看出，其中 EN 61851 系列標(biāo)準(zhǔn)、EN 62196 系列標(biāo)準(zhǔn)采標(biāo)相應(yīng)的IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，本文后面不再贅述。

1.3 SAE 標(biāo)準(zhǔn)

SAE 充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，大部分與相應(yīng)IEC標(biāo)準(zhǔn)兼容。SAE J1772 對應(yīng)IEC 61851 相關(guān)要求，并定義了IEC 62196關(guān)于充電接口的相關(guān)要求。

SAE J2847-1 規(guī)定了電動汽車與公共電網(wǎng)間能量傳輸?shù)耐ㄓ嵰?，SAE J2847-2 規(guī)定了與非車載充電機之間通信要求和規(guī)格，SAE J2847-3 規(guī)定了V2G 反向送電通信架構(gòu)和要求。

SAE J2953 規(guī)定了電動汽車和插電式混合動力汽車和充電設(shè)施（EVSE）間互操作性要求和測試規(guī)范。

1.4 我國標(biāo)準(zhǔn)

我國充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) （表2）包括充電系統(tǒng)的通用要求、交直流接口規(guī)范、充電設(shè)施與電池管理系統(tǒng)間的通信協(xié)議要求及一致性測試要求、傳導(dǎo)充電互操作性測試規(guī)范等。

我國第二大類充電標(biāo)準(zhǔn)是國家能源局制定的標(biāo)準(zhǔn)，主要對充電設(shè)施的技術(shù)要求、試驗規(guī)范做出了要求，主要標(biāo)準(zhǔn)見表3。

2.1 lEC標(biāo)準(zhǔn)

充電接口國際標(biāo)準(zhǔn)主要由 IEC62196-1、IEC 62196-2 和 IEC 62196-3 三部分組成。

IEC 62196-1《電動汽車傳導(dǎo)充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔—第1部分∶通用要求》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了充電接口的通用要求，第3 版于2014 年 6月份發(fā)布。

IEC 62196-2《電動汽車傳導(dǎo)充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔—第 2部分∶交流插針、導(dǎo)電銅管附件的尺寸互換性要求》規(guī)定了交流充電接口的結(jié)構(gòu)和物理尺寸，第2版于2016 年2 月份發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)包括了3 種交流充電接口方案，分別定義為Typel、Type2、Type3，其中 Typel主要支持國家為美國和日本，Type2 的主要支持國家為德國，Type3 的主要支持國家為意大利和法國。

IEC 62196-3《電動汽車傳導(dǎo)充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔—第 3 部分∶直流插針、導(dǎo)電銅管附件的尺寸互換性要求》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了傳導(dǎo)式充電接口的直流接口尺寸互換性要求，采納了日本、中國、美國和德國等四國的提案，包含在 Typel 和 Type2 上演進的 Combol&2 系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)第1版于2014 年6月發(fā)布。

國內(nèi)外充電接口式樣及適用標(biāo)準(zhǔn)見表4。

2.2 SAE 標(biāo)準(zhǔn)

SAE J1772《電動汽車和插電式混合動力汽車傳導(dǎo)式充電接口》規(guī)定了電動汽車充電接口的通用要求、物理結(jié)構(gòu)和尺寸、控制導(dǎo)引電路，2017年 10 月修訂最新版。標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的交流充電接口的結(jié)構(gòu)尺寸和 IEC 62196-2 中的 Typel一致。

SAE J1772 涵蓋交流充電標(biāo)準(zhǔn)與直流充電標(biāo)準(zhǔn)，均分別區(qū)分Level1與Level2 兩種規(guī)格。這兩種規(guī)格主要是輸出功率不同。

SAE Level1和Level2 交流充電接口界面如圖1所示，電氣參數(shù)見表5。

SAE Level 和Level2 直流充電接口界面如圖2 所示，電氣參數(shù)見表6。

2.3 我國標(biāo)準(zhǔn)

GB/T20234 標(biāo)準(zhǔn)是參考IEC 62196，并根據(jù)我國實際情況制定的，分為一般要求、交流接口和直流接口3個部分。

根據(jù)行業(yè)發(fā)展需要，GB/T 20234已經(jīng)修訂到2015版。新標(biāo)準(zhǔn)中增加了額定工作電壓（優(yōu)選值）1000V（DC）以及額定工作電流（優(yōu)選值）10A（AC）、80A（DC）和200A （DC），刪除了額定工作電流超過 16A（不含 16A）的充電連接裝置應(yīng)具備控制導(dǎo)引電路的要求，明確了直流充電接口的車輛插頭應(yīng)安裝電子鎖鎖止裝置等要求。

國內(nèi)外充電接口標(biāo)準(zhǔn)的差異分析

充電接口作為電網(wǎng)與電動汽車交互的重要組件，其標(biāo)準(zhǔn)化是實現(xiàn)連接器物理連接和互換性的基礎(chǔ)。下文主要闡述 GB/T20234 與IEC 62196 主要相似及不同之處，首先介紹交流充電接口部分∶

（1）布置形式

IEC 62196-2 規(guī)定了3 種交流充電接口物理結(jié)構(gòu)，定義為 Typel、Type2、Type3，分別來自于美國、德國和意大利的提案。中國的交流充電接口總體布置和 Type2 最為接近，采用7 芯結(jié)構(gòu)，可單相充電和三相充電。

（2）鎖止方式

GB/T20234.2—2015 同時規(guī)定了機械鎖和電子鎖兩種鎖止方式，而 Type2 只規(guī)定了電子鎖一種方案。

（3）公針和母針的布置

Type2 中車輛插座使用的是公針，車輛插頭使用的是母針，GB/T 20234.2—2015的布置相反。Type2 滿足連接器設(shè)計中供電側(cè)使用母針的原則，但是由于 V2G 的研究和應(yīng)用已成為發(fā)展的趨勢，供電和受電是相對的。另外，GB/T 20234.2—2015 在車輛充電插頭的頂端設(shè)計了絕緣帽，同時控制導(dǎo)引電路也保證了在接口完全連接前插頭上不帶電。

（4）控制導(dǎo)引針的長短

CB/T 20234.2—2015 規(guī)定車輛插頭兩個控制針都采用短針，與Typel 一致，而 Type2中采用一長一短的方案。

（5）電氣參數(shù)

表7為IEC 62196-2∶ 2016 和 GB/T20234.2—2015 規(guī)定的交流充電優(yōu)選額定電壓、電流及頻率。

下面介紹直流充電部分∶

直流充電接口技術(shù)要求主要涉及外形尺寸、針腳數(shù)、鎖止方式、電氣性能要求等。我國標(biāo)準(zhǔn)和其他標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于直流充電接口的簡要對比見表 8。

從表4看出，各國直流充電接口型式區(qū)別較大，主要特點概述如下∶

1）IEC/SAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小功率直流充電時，可以使用交流接口標(biāo)準(zhǔn)中定義的Typel/Type2 交流口，但當(dāng)直流充電時其充電線纜必須滿足標(biāo)稱充電電流。另外為彌補大功率充電的缺憾，在 Typel/Type2 的基礎(chǔ)上衍生出了 Combol&2組合式充電接口，其將直流和交流車輛插座合二為一，具有以下特點∶

①充電功率更高，最高可達 200kW 以上。

②交直流車輛插座合二為一，減小車輛插座占用的空間，降低成本，可兼容現(xiàn)有的交流充電設(shè)施。

③采用電力載波通信方式（Power Line Communication PLC），可擴展性強，便于今后有序充電技術(shù)的發(fā)展。

④ 充電線纜采用5芯連接，降低成本。

2）CHAdeMO和GB/T標(biāo)準(zhǔn)充電接口針腳定義相近，采用機械鎖和電子鎖相結(jié)合的鎖止方式，且適用CAN通信協(xié)議，其抗噪性能優(yōu)越且檢錯能力、通信安定性和可靠性較高。

3）接口針腳布置方面，與交流接口類似，國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)插座使用母針，車輛插頭使用公針，而其他標(biāo)準(zhǔn)恰恰相反。

4）結(jié)構(gòu)方面，CHAdeMO結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且PE線規(guī)格小，信號傳輸易受干擾。國標(biāo)接口結(jié)構(gòu)的公差配合尚存在問題，大電流充電時接口部位過熱嚴(yán)重，導(dǎo)致連接器壽命短。

3. 電動汽車充電通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

3.1 交流充電控制導(dǎo)引功能

物理結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化只是保證了接口物理連接的互換性除此之外，還需要用控制導(dǎo)引電路完成連接狀態(tài)的判斷和電過程的安全控制。

3.1.1 交流充電的控制導(dǎo)引電路

雖然國內(nèi)外交流充電接口擁有多種不同物理接口方案但是控制導(dǎo)引電路已基本可以兼容。以中國的交流充電接口標(biāo)準(zhǔn)為例，其典型控制導(dǎo)引電路如圖 3 所示。

車輛控制裝置通過測量檢測點3 與 PE 之間的電壓值來確認(rèn)當(dāng)前充電連接裝置（電纜）的額定容量，通過測量檢測點2的 PWM 信號占空比確認(rèn)當(dāng)前供電設(shè)備的最大供電電流。

3.2 直流充電的通訊協(xié)議概述

直流充電通信的國際標(biāo)準(zhǔn)主要由 IEC 61851-24 和 ISO 15118 系列標(biāo)準(zhǔn)組成。

IEC 61851-24 規(guī)定了電動汽車與直流充電站之間的充電控制數(shù)字通信格式規(guī)范與時序要求。

ISO15118 系列標(biāo)準(zhǔn)主要涉及電動汽車與電力電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的基本要求、接口網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用協(xié)議要求及一致性測試、無線通信的通用信息和用例定義等。

我國直流充電通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) GB/T 27930—2015，規(guī)定了電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間基于控制器局域網(wǎng) （CAN）的通信物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的定義。

直流充電通信協(xié)議差異概述

歐美 CCS 系統(tǒng)是基于交流控制導(dǎo)引電路，采用 PLC 技術(shù)通信。CHAdeMO 和 GB/T的直流導(dǎo)引電路由于和交流分開，采用 CAN 通信完成，在通信的安全穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯。但著眼未來 V2G 的發(fā)展趨勢，未來基于以太網(wǎng)的直流通信或許是各國標(biāo)準(zhǔn)融合的方向。

4. 發(fā)展趨勢

2019年12 月，工信部發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》（征求意見稿），指出要促進新能源汽車與能源的融合發(fā)展、強化標(biāo)準(zhǔn)對接與數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展新格局。筆者認(rèn)為未來提升用戶充電體驗，需要從以下三個方面努力∶

1）超大功率充電

歐美國家主導(dǎo)的 CCS 系統(tǒng)在 2020 年預(yù)計可以實現(xiàn) 350kW 充電功率，日本升級后的 CHAdeMO 3.0最高可支持 500kW 超充。我國大功率充電標(biāo)準(zhǔn)也在加緊制定中，遠景目標(biāo)充電電壓 1000（1500）V，最大充電電流 500（600） A，最高功率達 900kW。研制標(biāo)準(zhǔn)涉及充電連接器組件、通信協(xié)議、充電機，旨在形成與現(xiàn)有充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系兼容的大功率充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國大功率充電發(fā)展規(guī)劃如圖 4所示。

2）智慧充電

未來電動汽車充電時間隨機性強、需求電量大的動態(tài)特性將對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、高效運行提出了新的挑戰(zhàn)。因此發(fā)展智慧充電業(yè)務(wù)，使得電動汽車與電網(wǎng)間的能量及通信的雙向互動顯得尤為重要，既可以減少電動汽車充電對電網(wǎng)的影響，保障電動汽車的可靠能源供給，也可以改善電網(wǎng)供電可靠性，提高電網(wǎng)運行效率（圖 5）。

目前ISO 15118 系列標(biāo)準(zhǔn)、SAE J2847、J2758 系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在相關(guān)方面給出了規(guī)范化的建議。

3）無線充電

我國無線充電的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還在逐步完善，預(yù)計2025年以后隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)成熟，無線充電產(chǎn)業(yè)也將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

無線充電原理示意圖如圖6所示，我國無線充電發(fā)展規(guī)劃如圖7所示，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表9。

相比國內(nèi)，國外無線充電發(fā)展相對快一些，但離規(guī)?；?仍尚需時日，其中IEC 和 SAE 發(fā)行相關(guān)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)見表10。