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不看你一定后悔!全球电动汽车充电标准最详解析

朱玉龙 朱玉龙

【第一电动网】(专栏作者 朱玉龙)本文对全球的电动汽车充电标准,特别是中国的充电标准做一些梳理,以方便大家了解当前存在的一些问题 。

1)全球电力低压配电系统概览

充电产业,在媒体上号称有1000亿,不过现实的问题是中国的标准目前都在修订中,这个有些搞笑了。谈充电网络这个概念,是需要从ISO和IEC的标准体系谈起的。电动汽车充电系统,首先是建立在全球的低压配电电网存在较大差异的条件下进行的。如图1所示,从电网的基础来看,电压和频率存在较大的差异,而更大的差异来自家庭的三相到户的情况、家庭总的功率容量和电能质量这些较为细节的点。

其实正是有着这个大背景,既造成了后续的充电标准的差异,也造成了迫切融合的需求发生,如果按照普通电气来开发车辆的交流充电/直流系统是完成不可接受的,如果造成过大的差异,就会造成车辆在全球不同地区不同版本,整个成本一下子就上去不少。

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图1 全球低压配电电压频率

2)电动汽车充电标准系统

电动汽车汽车充电系统标准有以下几个标委会牵头:

A)IEC TC 23 国际电动委员会

电气附件 Electrical accessories SC 23H 工业插头插座Industrial plugs and socket-outlets

B)IEC TC69国际电动委员会

电动道路车辆及电动工业货车技术委员会 Electric road vehicles and electric industrial trucks

C)ISO的TC22 电气电子设备 Electrical and electronic equipment

产业在电气化的过程中,毕竟由欧洲(德国为主)、美国、日本和中国这几个国家的汽车公司所主导,所以目前电动汽车供电设备(EVSE)与电动汽车之间的互联,主要由这几个标准来界定。在这些关键的标准里面,基本上中国都派出了人员参与,担任一定的职责。

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图2 电动乘用车相关充电标准

2.1 IEC TC69 分标委

该标委会主要是协调车辆和电气之间的内容,偏向于系统层面的内容。下面的标准,又可以细分成三个部分

2.1.1 常规充电要求

主要用来界定一些基本要求:

IEC61851‐1: 充电系统总体要求

IEC61851‐21‐1: 充电系统 车载充电机EMC要求

IEC61851‐21‐2: 充电系统 非车载充电系统EMC要求

IEC61851‐23: 直流充电桩

IEC61851:24:直流充电通信要求

2.1.2 无线充电标准

无线标准,这将是下一波充电和交互的主要形态,这个工作主要由TC69分标委负责。

IEC61980‐1: 无线充电基本要求

IEC61980‐2: 无线充电通信

IEC61980‐3: 特殊要求

2.1.3 V2G标准

这个部分是涉及到我们要讲的电网与电动汽车网络通信的要求,由于车辆的电池的寿命实际情况,还远一些。

ISO 15118‐1: V2G基本信息

ISO 15118‐2: V2G拓扑和OSI层

ISO 15118‐3: V2G物理&数据链路层

ISO 15118‐4 Ed.1: V2G网络和拓扑

ISO 15118‐5 Ed.1: V2G物理&数据链路层测试

ISO 15118‐6 Ed. 1.0: V2G 无线充电

2.1.4 安全标准

最后最为核心的安全标准是TC22分标委下面的ISO/IEC 17409安全要求。

2.2 IEC SC23H 分标委

该分标委主要是处理接头的,下面界定充电接口的物理性状的要求,如表1所示,这是导致全球不同充电接口不一样的那部分。不过也是由于本身的局部电网的差异造成了一定差异性。

IEC62196‐1: 插头插座基本要求

IEC62196‐2: 交流尺寸和互换性要求,主要包含Type1(美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚等地)、Type2(欧盟)和中国标准三种。

IEC62196‐3+62196‐3‐1: 直流尺寸和互换性要求,包含在Type1和Type2上演进的Combo1&2系统和中国直流充电接口和CHAdeMO四种类型,其中前两者使用的控制逻辑都是一样的基于PLC的,而后两个都是基于CAN协议的。

表1 电动汽车车端充电插座概览

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这里需要说明的是,如前所述,欧洲特别是德国有三相电的充电诉求,使得该接口很复杂,有好几种配置,单相交流、三相交流、低功率直流和中等功率直流,特斯拉在欧洲和现在中国使用的直流充电配置,就是如图3的最右边的连接方式。

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图3 Type2 的不同配置

在美国,SAE汽车工程协会制定了SAE的相关标准,大部分是与以上的IEC/ISO标准兼容的,不过具备更多的实践意味。

1.SAEJ1772 对应IEC61851,顺带定义了IEC62196的所有内容

2.SAEJ 2847 J2931 直流充电消息、通信和拓扑

3.SAE J2836 USER CASE

4.SAE J2953 电动汽车和充电设施互通性

5.SAE J2894/2 充电设备电能质量/测试办法

6.SAEJ2954 无线充电

3)中国充电标准

中国的充电标准体系如下:

3.1已有的充电标准

1.GB/T 18487.1-2001 电动车辆传导充电系统 一般要求

2.GB/T 18487.2-2001 电动车辆传导充电系统

电动车辆与交流/直流电源的连接要求:

3.GB/T 18487.3-2001 电动车辆传导充电系统 电动车辆交流/直流充电机(站)

4.GB/T 20234.1-2011 电动汽车传导充电用连接装置 第1部分:通用要求

5.GB/T 20234.2-2011 电动汽车传导充电用连接装置 第2部分:交流充电接口

6.GB/T 20234.3-2011 电动汽车传导充电用连接装置 第3部分:直流充电接口

7.GB/T 27930-2011 电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议

8.QCT 895-2011 电动汽车用传导式车载充电机

3.2电网对充电设施的要求

1.GB/T 29316-2012 电动汽车充换电设施电能质量技术要求

2.GB/T 29317-2012 电动汽车充换电设施术语

3.GB/T 28569-2012 电动汽车交流充电桩电能计量

4.GB/T 29318-2012 电动汽车非车载充电机电能计量

3.3在进行中的相关要求

1.电动汽车充电线缆盒通用要求

2.电动汽车无线充电系统通用要求

3.电动汽车充电连接装置检验试验规范车辆侧

4.电动汽车智能车载终端车与充换电设施互动控制技术条件

这里重点谈一谈,当前的一些问题。充电这个事情,其实是属于汽车标委会和电力标委会乃至电工标委会综合的那块,里面包含了低压配电、电能质量、车辆控制、电气连接等要求。这个事情和传统的车主导或者是电力企业主导都不一样,两边坐一块你觉得会怎么样?轻易是不会出结果的,两边都需要拿出证据、数据乃至测试结果,还有标委会下面的相关单位也得提意见,这活一点都不好干。

这次修订的20234.1.2.3,主要是接口方面,主要是对电子锁位置、引脚尺寸、干涉情况做个系统性的修正,如图4所示。

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图4 引脚和干涉问题

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4)直流充电的安全性问题

直流充电这个事情安全性很重要,要基本考虑以下的问题:

1. 绝缘失效 水、尘、对地绝缘退化、机械损坏

2. 带电部件直接接触 基本保护失效(外壳、机械损坏、绝缘)

3. 过高电压

1. 外部(电网) 闪变 和内部开关切换

2. 内部(系统) 转换器、控制失效和通信失效

4. 过流 转换器|控制|通信失效

5. 短路 水、尘、 绝缘失效、电子失效、机械损坏

6. 意外反向能流 转换器|控制|通信失效

7. 交流保护设备断开 交直流电路意外连接、控制通信失效

8. 插头|插座上意外高电压断开设备失效、电子失效和带载断开

9. 过温 尘土、连接性能衰退、未完成插合和过流

10. 热断开 锁止|控制|通信失效

11. PE失效 机械损坏

在美国,即使在标准里面规定了很多措施,车厂拼命在努力保证安全,美国道路安全局NHTSA在评估这块的的实验的里面,对直流充电系统也做了更多的故障注入试验,有了系统层面的通盘的考虑,对各种各样可能发生的问题去考虑。高压系统:对于高压系统的一些问题,即使车辆做的很高,如果直流充电桩有各种问题,不受控整车需要有个正确的反应。

* DC Bus Short Test

* DC Bus Held High Test

* Overcharge Test

* Charge Connector HV Connection Disturbance

控制系统:整车的12V系统,甚至是连接的信号系统受到各种各样的干扰和问题。

* 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:各种各样奇葩的系统问题。

* Vehicle Crash or Bump Test

* Vehicle Movement Test

* Visual Inspection of Charge Port

* Cooling Heating System

摘取几个很有趣的实验结果:

a)冷却液给钳住了

45A充电电流,从40degC开始(通过反复的加速和制动能量回收,将电池系统的温度提升上去),限制冷却液流动,温度上升到42.5degC。

b)过压10%

输出电压由于是和电池系统相等的,充电桩如果在设置上出错,设置升到比较高电压,是需要等SOC高到一定程度的,电压没有那么容易上去,当SOC比较高的时候,系统发现这个问题,有一段恒压之后的上升,系统分析SOC和输出电压,然后切断了系统。

c)接口的断开

从分断盒里面,将正极、负极切断。

d)总线短路

充电机没有启动起来,车也没有要求输出电压,车载系统是先检测输入电压的情况来判断要不要给充电。

5)充电兼容性测试

我接触充电的事务五年多,这是第一回要做测试,所以还是要竭力给宣传一下,这次不管怎么样,总归是对的。电动汽车充电接口及通讯协议标准GB/T18487.1、GB/T20234、GB/T27930已完成送审稿,国家标准《电动汽车传导充电互操作性测试规范》、《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议一致性测试》已完成征求意见稿,为验证标准开展电动汽车传导充电互操作性测试活动,现将有关事项通知如下:

目的:统一测试程序,验证测试内容;统一测试平台,验证电动汽车和充电设施;开展实验室测试与电动汽车和充电设施实际充电测试结果对比,验证标准。

测试过程

1.第一阶段:测试准备。选定测试实验室,统一测试程序及测试平台,成立测试专家组。

2.第二阶段:产品测试

3.第三阶段:实车实桩验证。

活动报名地址:http://dls.cec.org.cn/dongtai/2015-09-16/143147.html

整个测试系统主要还是用分断盒来测试的如下四部分:

1. 直流充电桩测试:连接确认测试、自检阶段测试、充电准备就绪测试、充电阶段测试、正常充电结束测试、充电连接、控制时序测试、通信中断测试、开关S断开测试、车辆接口断开测试、绝缘故障测试、PE断针测试、其他充电故障、输出电压控制误差测试、输出电流控制误差测试、输出电流控制时间测试、输出电流停止速率测试、反灌冲击电流测试、CAN通信干扰测试、控制导引电阻值测试。

2. 交流充电桩测试:连接确认测试、充电准备就绪测试、启动及充电阶段测试、正常充电结束测试、充电连接控制时序测试、断开开关S3测试、CC中断测试、CC接地测试、CP中断测试、CP接地测试、CP断电测试、PE断针测试、失电状态测试、输出过流测试、PWM中断测试、PWM自恢复测试、PWM占空比变化和电流测试、占空比超限测试、PWM频率超限测试、CP回路电阻测试、CC回路电阻测试。

3. 电动汽车直流充电测试:连接确认测试、自检阶段测试、充电准备就绪测试、充电阶段测试、正常充电结束测试、充电连接控制时序测试、通信中断测试、开关S断开测试、车辆接口断开测试、绝缘故障测试、PE断针测试、其他充电故障测试、输出电压控制误差测试、输出电流控制误差测试、输出电流控制时间测试、输出电流停止速率测试、反灌冲击电流测试、CAN通信干扰测试、控制导引电阻测试。

4. 电动汽车直流充电测试:连接确认测试、充电准备就绪测试、启动及充电阶段测试、正常充电结束测试、充电连接控制时序测试、断开开关S3测试、CC中断测试、CC接地测试、CP中断测试、CP接地测试、CP断电测试、PE断针测试、失电状态测试、输出过流测试、PWM中断测试、PWM自恢复测试、PWM占空比变化和电流测试、PWM占空比超限测试、PWM频率超限测试、CP回路电阻测试、CC回路电阻测试。

对比一下SAE J2953 电动汽车和充电设施互通性测试,这个测试偏向于验证这些产品行不行,而不是验证互相的兼容性,所以对CP信号的规格完完全全没怎么做过多测试,对比一下下面的J2953做出来的测试报告,侧重点差距有些大。

不管怎么说,用试验来验证规范,这真是可喜的一大步了。

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图5 互通性测试报告

本文小结

1) 充电这个事情,无论车企和充电产业的,都逃不开,大家的利益其实比较一致,怎么掌握个洽谈机制很重要。

2) 后续新能源汽车的发展,很大一部分和基础设施有关,这里不仅有这个充电的规范,还有充电怎么和停车位进行耦合的事情,这个技术层面的不能让事变好,但是做不好绝对让人难受。

3) 按照现在标准讨论的模式,充电标准还需要一些改进和优化的过程。

来源:第一电动网

作者:朱玉龙

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