電動汽車充電標準解析

電動汽車充電標準解析 

摘要
本文對的電動汽車充電標準，特別是中國的充電標準做一些梳理，以方便大家了解當前存在的一些問題 。

1)電力低壓配電系統概覽
充電產業，在媒體上號稱有1000億，不過現實的問題是中國的標準目前都在修訂中，這個有些搞笑了。談充電網絡這個概念，是需要從ISO和IEC的標準體系談起的。電動汽車充電系統，首先是建立在的低壓配電電網存在較大差異的條件下進行的。如圖1所示，從電網的基礎來看，電壓和頻率存在較大的差異，而更大的差異來自家庭的三相到戶的情況、家庭總的功率容量和電能質量這些較為細節的點。

其實正是有著這個大背景，既造成了后續的充電標準的差異，也造成了迫切融合的需求發生，如果按照普通電氣來開發車輛的交流充電/直流系統是完成不可接受的，如果造成過大的差異，就會造成車輛在不同地區不同版本，整個成本一下子就上去不少。

圖1 低壓配電電壓頻率

2)電動汽車充電標準系統
電動汽車汽車充電系統標準有以下幾個標委會牽頭：

A)IEC TC 23 電動委員會
電氣附件 Electrical accessories SC 23H 工業插頭插座Industrial plugs and socket-outlets

B)IEC TC69電動委員會
電動道路車輛及電動工業貨車技術委員會 Electric road vehicles and electric industrialtrucks

C)ISO的TC22 電氣電子設備 Electrical and electronic equipment
產業在電氣化的過程中，畢竟由歐洲(德國為主)、美國、日本和中國這幾個國家的汽車公司所主導，所以目前電動汽車供電設備(EVSE)與電動汽車之間的互聯，主要由這幾個標準來界定。在這些關鍵的標準里面，基本上中國都派出了人員參與，擔任一定的職責。

圖2 電動乘用車相關充電標準

2.1 IEC TC69 分標委
該標委會主要是協調車輛和電氣之間的內容，偏向于系統層面的內容。下面的標準，又可以細分成三個部分

2.1.1 常規充電要求
主要用來界定一些基本要求：
IEC61851‐1: 充電系統總體要求
IEC61851‐21‐1: 充電系統 車載充電機EMC要求
IEC61851‐21‐2: 充電系統 非車載充電系統EMC要求
IEC61851‐23: 直流充電樁
IEC61851:24:直流充電通信要求

2.1.2 無線充電標準
無線標準，這將是下一波充電和交互的主要形態，這個工作主要由TC69分標委負責。
IEC61980‐1: 無線充電基本要求
IEC61980‐2: 無線充電通信
IEC61980‐3: 特殊要求

2.1.3 V2G標準
這個部分是涉及到我們要講的電網與電動汽車網絡通信的要求，由于車輛的電池的壽命實際情況，還遠一些。
ISO 15118‐1: V2G基本信息
ISO 15118‐2: V2G拓撲和OSI層
ISO 15118‐3: V2G物理&數據鏈路層
ISO 15118‐4 Ed.1: V2G網絡和拓撲
ISO 15118‐5 Ed.1: V2G物理&數據鏈路層測試
ISO 15118‐6 Ed. 1.0: V2G 無線充電

2.1.4 安全標準
zui后zui為核心的安全標準是TC22分標委下面的ISO/IEC 17409安全要求。

2.2 IEC SC23H 分標委
該分標委主要是處理接頭的，下面界定充電接口的物理性狀的要求，如表1所示，這是導致不同充電接口不一樣的那部分。不過也是由于本身的局部電網的差異造成了一定差異性。
IEC62196‐1: 插頭插座基本要求
IEC62196‐2: 交流尺寸和互換性要求，主要包含Type1(美國、加拿大、韓國、日本、澳大利亞等地)、Type2(歐盟)和中國標準三種。
IEC62196‐3+62196‐3‐1: 直流尺寸和互換性要求，包含在Type1
和Type2上演進的Combo1&2系統和中國直流充電接口和CHAdeMO四種類型，其中前兩者使用的控制邏輯都是一樣的基于PLC的，而后兩個都是基于CAN協議的。
表1 電動汽車車端充電插座概覽

這里需要說明的是，如前所述，歐洲特別是德國有三相電的充電訴求，使得該接口很復雜，有好幾種配置，單相交流、三相交流、低功率直流和中等功率直流，特斯拉在歐洲和現在中國使用的直流充電配置，就是如圖3的zui右邊的連接方式。

圖3 Type2 的不同配置

在美國，SAE汽車工程協會制定了SAE的相關標準，大部分是與以上的IEC/ISO標準兼容的，不過具備更多的實踐意味。
1.SAEJ1772 對應IEC61851，順帶定義了IEC62196的所有內容
2.SAEJ 2847 J2931 直流充電消息、通信和拓撲
3.SAE J2836 USER CASE
4.SAE J2953 電動汽車和充電設施互通性
5.SAE J2894/2 充電設備電能質量/測試辦法
6.SAEJ2954 無線充電

3)中國充電標準
中國的充電標準體系如下:

3.1已有的充電標準
1.GB/T 18487.1-2001 電動車輛傳導充電系統 一般要求
2.GB/T 18487.2-2001 電動車輛傳導充電系統
電動車輛與交流/直流電源的連接要求：
3.GB/T 18487.3-2001 電動車輛傳導充電系統 電動車輛交流/直流充電機(站)
4.GB/T 20234.1-2011 電動汽車傳導充電用連接裝置 第1部分:通用要求
5.GB/T 20234.2-2011 電動汽車傳導充電用連接裝置 第2部分:交流充電接口
6.GB/T 20234.3-2011 電動汽車傳導充電用連接裝置 第3部分:直流充電接口
7.GB/T 27930-2011 電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議
8.QCT 895-2011 電動汽車用傳導式車載充電機

3.2電網對充電設施的要求
1.GB/T 29316-2012 電動汽車充換電設施電能質量技術要求
2.GB/T 29317-2012 電動汽車充換電設施術語
3.GB/T 28569-2012 電動汽車交流充電樁電能計量
4.GB/T 29318-2012 電動汽車非車載充電機電能計量

3.3在進行中的相關要求
1.電動汽車充電線纜盒通用要求
2.電動汽車無線充電系統通用要求
3.電動汽車充電連接裝置檢驗試驗規范車輛側
4.電動汽車智能車載終端車與充換電設施互動控制技術條件

這里重點談一談，當前的一些問題。充電這個事情，其實是屬于汽車標委會和電力標委會乃至電工標委會綜合的那塊，里面包含了低壓配電、電能質量、車輛控制、電氣連接等要求。這個事情和傳統的車主導或者是電力企業主導都不一樣，兩邊坐一塊你覺得會怎么樣？輕易是不會出結果的，兩邊都需要拿出證據、數據乃至測試結果，還有標委會下面的相關單位也得提意見，這活一點都不好干。

這次修訂的20234.1.2.3，主要是接口方面，主要是對電子鎖位置、引腳尺寸、干涉情況做個系統性的修正，如圖4所示。

圖4 引腳和干涉問題
4)直流充電的安全性問題
直流充電這個事情安全性很重要，要基本考慮以下的問題：
1. 絕緣失效 水、塵、對地絕緣退化、機械損壞
2. 帶電部件直接接觸 基本保護失效(外殼、機械損壞、絕緣)
3. 過高電壓
1. 外部(電網) 閃變 和內部開關切換
2. 內部(系統) 轉換器、控制失效和通信失效
4. 過流 轉換器|控制|通信失效
5. 短路 水、塵、 絕緣失效、電子失效、機械損壞
6. 意外反向能流 轉換器|控制|通信失效
7. 交流保護設備斷開 交直流電路意外連接、控制通信失效
8. 插頭|插座上意外高電壓斷開設備失效、電子失效和帶載斷開
9. 過溫 塵土、連接性能衰退、未完成插合和過流
10. 熱斷開 鎖止|控制|通信失效
11. PE失效 機械損壞

在美國，即使在標準里面規定了很多措施，車廠拼命在努力保證安全，美國道路安全局NHTSA在評估這塊的的實驗的里面，對直流充電系統也做了更多的故障注入試驗，有了系統層面的通盤的考慮，對各種各樣可能發生的問題去考慮。高壓系統：對于高壓系統的一些問題，即使車輛做的很高，如果直流充電樁有各種問題，不受控整車需要有個正確的反應。
* DC Bus Short Test
* DC Bus Held High Test
* Overcharge Test
* Charge Connector HV Connection Disturbance

控制系統：整車的12V系統，甚至是連接的信號系統受到各種各樣的干擾和問題。
* Ground Fault Test
* Chassis Ground Offset Test
* 12V System Under voltage Test
* 12V System Disturbance Test
* 12V System EMI/EMC Test
* BMS Internal Fault Detection
* System Overvoltage Test (12V Board Net)
* Charge Operation Disturbance Test
* Charge Connector Control Signal Disturbance Test
* Charge Connector Field Ground Connection Disturbance

其他：各種各樣奇葩的系統問題。
* Vehicle Crash or Bump Test
* Vehicle Movement Test
* Visual Inspection of Charge Port
* Cooling Heating System

摘取幾個很有趣的實驗結果：
a)冷卻液給鉗住了
4充電電流，從40degC開始(通過反復的加速和制動能量回收，將電池系統的溫度提升上去)，限制冷卻液流動，溫度上升到42.5degC。

b)過壓10%
輸出電壓由于是和電池系統相等的，充電樁如果在設置上出錯，設置升到比較高電壓，是需要等SOC高到一定程度的，電壓沒有那么容易上去，當SOC比較高的時候，系統發現這個問題，有一段恒壓之后的上升，系統分析SOC和輸出電壓，然后切斷了系統。

c)接口的斷開
從分斷盒里面，將正極、負極切斷。

d)總線短路
充電機沒有啟動起來，車也沒有要求輸出電壓，車載系統是先檢測輸入電壓的情況來判斷要不要給充電。

5)充電兼容性測試
我接觸充電的事務五年多，這是*回要做測試，所以還是要竭力給宣傳一下，這次不管怎么樣，總歸是對的。電動汽車充電接口及通訊協議標準GB/T18487.1、GB/T20234、GB/T27930已完成送審稿，國家標準《電動汽車傳導充電互操作性測試規范》、《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議一致性測試》已完成征求意見稿，為驗證標準開展電動汽車傳導充電互操作性測試活動，現將有關事項通知如下：

目的：統一測試程序，驗證測試內容；統一測試平臺，驗證電動汽車和充電設施；開展實驗室測試與電動汽車和充電設施實際充電測試結果對比，驗證標準。

測試過程
1.*階段：測試準備。選定測試實驗室，統一測試程序及測試平臺，成立測試專家組。
2.第二階段：產品測試
3.第三階段：實車實樁驗證。

整個測試系統主要還是用分斷盒來測試的如下四部分：
直流充電樁測試：連接確認測試、自檢階段測試、充電準備就緒測試、充電階段測試、正常充電結束測試、充電連接、控制時序測試、通信中斷測試、開關S斷開測試、車輛接口斷開測試、絕緣故障測試、PE斷針測試、其他充電故障、輸出電壓控制誤差測試、輸出電流控制誤差測試、輸出電流控制時間測試、輸出電流停止速率測試、反灌沖擊電流測試、CAN通信干擾測試、控制導引電阻值測試。

交流充電樁測試：連接確認測試、充電準備就緒測試、啟動及充電階段測試、正常充電結束測試、充電連接控制時序測試、斷開開關S3測試、CC中斷測試、CC接地測試、CP中斷測試、CP接地測試、CP斷電測試、PE斷針測試、失電狀態測試、輸出過流測試、PWM中斷測試、PWM自恢復測試、PWM占空比變化和電流測試、占空比超限測試、PWM頻率超限測試、CP回路電阻測試、CC回路電阻測試。

電動汽車直流充電測試：連接確認測試、自檢階段測試、充電準備就緒測試、充電階段測試、正常充電結束測試、充電連接控制時序測試、通信中斷測試、開關S斷開測試、車輛接口斷開測試、絕緣故障測試、PE斷針測試、其他充電故障測試、輸出電壓控制誤差測試、輸出電流控制誤差測試、輸出電流控制時間測試、輸出電流停止速率測試、反灌沖擊電流測試、CAN通信干擾測試、控制導引電阻測試。

電動汽車直流充電測試：連接確認測試、充電準備就緒測試、啟動及充電階段測試、正常充電結束測試、充電連接控制時序測試、斷開開關S3測試、CC中斷測試、CC接地測試、CP中斷測試、CP接地測試、CP斷電測試、PE斷針測試、失電狀態測試、輸出過流測試、PWM中斷測試、PWM自恢復測試、PWM占空比變化和電流測試、PWM占空比超限測試、PWM頻率超限測試、CP回路電阻測試、CC回路電阻測試。

對比一下SAE J2953 電動汽車和充電設施互通性測試，這個測試偏向于驗證這些產品行不行，而不是驗證互相的兼容性，所以對CP信號的規格完*全沒怎么做過多測試，對比一下下面的J2953做出來的測試報告，側重點差距有些大。

不管怎么說，用試驗來驗證規范，這真是可喜的一大步了。
不看你一定后悔！電動汽車充電標準zui詳解析
圖5 互通性測試報告

本文小結
1) 充電這個事情，無論車企和充電產業的，都逃不開，大家的利益其實比較一致，怎么掌握個洽談機制很重要。
2) 后續新能源汽車的發展，很大一部分和基礎設施有關，這里不僅有這個充電的規范，還有充電怎么和停車位進行耦合的事情，這個技術層面的不能讓事變好，但是做不好讓人難受。
3) 按照現在標準討論的模式，充電標準還需要一些改進和優化的過程。