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(tǒng)概覽
充電產(chǎn)業(yè)，在媒體上號稱有1000億，不過現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)，首先是建立在的低壓配電電網(wǎng)存在較大差異的條件下進行的。如圖1所示，從電網(wǎng)的基礎(chǔ)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(zhì)量這些較為細節(jié)的點。

其實正是有著這個大背景，既造成了后續(xù)的充電標準的差異，也造成了迫切融合的需求發(fā)生，如果按照普通電氣來開發(fā)車輛的交流充電/直流系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)
電動汽車汽車充電系統(tǒng)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(yè)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(yè)貨車技術(shù)委員會 Electric road vehicles and electric industrialtrucks

C)ISO的TC22 電氣電子設(shè)備 Electrical and electronic equipment
產(chǎn)業(yè)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(dǎo)，所以目前電動汽車供電設(shè)備(EVSE)與電動汽車之間的互聯(lián)，主要由這幾個標準來界定。在這些關(guān)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(zé)。

圖2 電動乘用車相關(guān)充電標準

2.1 IEC TC69 分標委
該標委會主要是協(xié)調(diào)車輛和電氣之間的內(nèi)容，偏向于系統(tǒng)層面的內(nèi)容。下面的標準，又可以細分成三個部分

2.1.1 常規(guī)充電要求
主要用來界定一些基本要求：
IEC61851‐1: 充電系統(tǒng)總體要求
IEC61851‐21‐1: 充電系統(tǒng) 車載充電機EMC要求
IEC61851‐21‐2: 充電系統(tǒng) 非車載充電系統(tǒng)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(tài)，這個工作主要由TC69分標委負責(zé)。
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(wǎng)與電動汽車網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)鏈路層
ISO 15118‐4 Ed.1: V2G網(wǎng)絡(luò)和拓撲
ISO 15118‐5 Ed.1: V2G物理&數(shù)據(jù)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(dǎo)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(wǎng)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(tǒng)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(xié)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(fù)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(xiàn)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(xié)會制定了SAE的相關(guān)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(yīng)IEC61851，順帶定義了IEC62196的所有內(nèi)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(shè)施互通性
5.SAE J2894/2 充電設(shè)備電能質(zhì)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(dǎo)充電系統(tǒng) 一般要求
2.GB/T 18487.2-2001 電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)
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(dǎo)充電系統(tǒng) 電動車輛交流/直流充電機(站)
4.GB/T 20234.1-2011 電動汽車傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議
8.QCT 895-2011 電動汽車用傳導(dǎo)式車載充電機

3.2電網(wǎng)對充電設(shè)施的要求
1.GB/T 29316-2012 電動汽車充換電設(shè)施電能質(zhì)量技術(shù)要求
2.GB/T 29317-2012 電動汽車充換電設(shè)施術(shù)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(guān)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(tǒng)通用要求
3.電動汽車充電連接裝置檢驗試驗規(guī)范車輛側(cè)
4.電動汽車智能車載終端車與充換電設(shè)施互動控制技術(shù)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(zhì)量、車輛控制、電氣連接等要求。這個事情和傳統(tǒng)的車主導(dǎo)或者是電力企業(yè)主導(dǎo)都不一樣，兩邊坐一塊你覺得會怎么樣？輕易是不會出結(jié)果的，兩邊都需要拿出證據(jù)、數(shù)據(jù)乃至測試結(jié)果，還有標委會下面的相關(guān)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(tǒng)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(wǎng)) 閃變 和內(nèi)部開關(guān)切換
2. 內(nèi)部(系統(tǒng)) 轉(zhuǎn)換器、控制失效和通信失效
4. 過流 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器|控制|通信失效
7. 交流保護設(shè)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(shè)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(guī)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(tǒng)也做了更多的故障注入試驗，有了系統(tǒng)層面的通盤的考慮，對各種各樣可能發(fā)生的問題去考慮。高壓系統(tǒng)：對于高壓系統(tǒng)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(yīng)。
* DC Bus Short Test
* DC Bus Held High Test
* Overcharge Test
* Charge Connector HV Connection Disturbance

控制系統(tǒng)：整車的12V系統(tǒng)，甚至是連接的信號系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)果：
a)冷卻液給鉗住了
4充電電流，從40degC開始(通過反復(fù)的加速和制動能量回收，將電池系統(tǒng)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(tǒng)相等的，充電樁如果在設(shè)置上出錯，設(shè)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(tǒng)發(fā)現(xiàn)這個問題，有一段恒壓之后的上升，系統(tǒng)分析SOC和輸出電壓，然后切斷了系統(tǒng)。

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(tǒng)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(wù)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(xié)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(dǎo)充電互操作性測試規(guī)范》、《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)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(dǎo)充電互操作性測試活動，現(xiàn)將有關(guān)事項通知如下：

目的：統(tǒng)一測試程序，驗證測試內(nèi)容；統(tǒng)一測試平臺，驗證電動汽車和充電設(shè)施；開展實驗室測試與電動汽車和充電設(shè)施實際充電測試結(jié)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(tǒng)一測試程序及測試平臺，成立測試專家組。
2.第二階段：產(chǎn)品測試
3.第三階段：實車實樁驗證。

整個測試系統(tǒng)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(jié)束測試、充電連接、控制時序測試、通信中斷測試、開關(guān)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(dǎo)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(jié)束測試、充電連接控制時序測試、斷開開關(guān)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(tài)測試、輸出過流測試、PWM中斷測試、PWM自恢復(fù)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(jié)束測試、充電連接控制時序測試、通信中斷測試、開關(guān)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(dǎo)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(jié)束測試、充電連接控制時序測試、斷開開關(guān)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(tài)測試、輸出過流測試、PWM中斷測試、PWM自恢復(fù)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(shè)施互通性測試，這個測試偏向于驗證這些產(chǎn)品行不行，而不是驗證互相的兼容性，所以對CP信號的規(guī)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(cè)重點差距有些大。

不管怎么說，用試驗來驗證規(guī)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(jié)
1) 充電這個事情，無論車企和充電產(chǎn)業(yè)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(xù)新能源汽車的發(fā)展，很大一部分和基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)，這里不僅有這個充電的規(guī)范，還有充電怎么和停車位進行耦合的事情，這個技術(shù)層面的不能讓事變好，但是做不好讓人難受。
3) 按照現(xiàn)在標準討論的模式，充電標準還需要一些改進和優(yōu)化的過程。