国内外电动汽车交流充电接口技术与标准对比分析研究甄子健百精

1、甄子健 等:国内外电动汽车交流充电接口技术与标准对比分析研究 第1期 001 第2卷 第1期2012年1月汽车工程学报Chinese Journal of Automotive Engineering Vol.2 No.1Jan. 2012国内外电动汽车交流充电接口技术与标准对比分析研究甄子健1,孟祥峰2(1.科技部高技术研究发展中心,北京 100044;2.中国汽车技术研究中心,天津 300162摘 要:研究了电动汽车充电接口标准化涉及的关键问题,分析了电动汽车充电接口国内外标准的现状与动态,着重从物理结构、控制导引电路和通讯协议上对比分析了国内外交流充电接口技术方案及其差异,并重点对中德方

2、案的差异进行了对比分析,对后续标准的统一和协调进行了总结和预测。关键词:电动汽车;充电接口;标准中图分类号:U469.72+2文献标志码:A收稿日期:2011-08-11基金项目:国家高技术研究发展(863计划课题(2007AA11A133;电动汽车充放电接口及安全防护技术研究与标准制定(2011AA11A281State of the Art and Research of the Charging CouplerStandards in China and AbroadZhen Zijian 1,Meng Xiangfeng 2(1. The High Technology Researc

3、h and Development Center,Beijing 100044,China;2. China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300162,ChinaAbstract :The key factors for the standardization of charging couplers were researched. The state of the art standardization work of China and abroad was analyzed, the differences of

4、AC couplers were contrasted, the advantages and disadvantages were analyzed under three main headings, e.g. physical structure, control pilot circuit and communication protocols. At last, the harmonization trend was predicted.Keywords:electric vehicle;charging coupler;standards 充电接口是电动汽车充电过程中连接电动汽车和

5、供电设备的最重要的部件,电动汽车充电接口标准的统一对于促进电动汽车推广应用和充电基础设施的建设具有重要意义。随着电动汽车产业化程度的逐步提高和充电基础设施建设的快速推进,充电接口的标准化受到了国内外汽车行业、电力行业、电工行业以及其它相关行业的极大关注,也受到国内外政府机构的重视。在此情况下,中国、美国、日本和欧洲等国家和地区都纷纷开始研究电动汽车充电接口相关技术,并努力促进充电接口标准在各自国家和地区乃至全世界的统一。到目前为止,国际上的充电接口方案由原来的五花八门逐渐向国际统一的趋势发展,但是由于各国电力基础设施、标准化进程等存在很多差异,充电接口国际标准的协调和统一存在着诸多困难。本文研

6、究和分析了目前国内外电动汽车充电接口的相关技术、标准化的现状与动态,并重点对交流充电接口的技术方案和相关标准进行了第2卷 002 汽车工程学报对比分析,在此基础上,对国际标准协调提出了建议。1 电动汽车充电接口及其标准1.1 充电连接装置的组成电动汽车充电连接装置是指电动汽车充电时,连接电动汽车和供电设备的组件,除电缆外,还可能包括供电接口、车辆接口、缆上控制盒等部件。充电连接装置示意图如图1所示。供电插座和供电插头组成了供电接口,车辆插头和车辆插座组成了车辆接口,供电接口和车辆接口共同组成充电接口,而充电接口、电缆、缆上控制盒等部件组成了充电连接装置。在充电连接装置的所有组成部件中,供电接口

7、和车辆接口的标准化是最重要也最迫切需要解决的问题。电动汽车车辆接口供电接口电动汽车供电设备供电插座供电插头缆上控制盒 电缆车辆插头车辆插座电动汽车传导式充电连接装置图1 电动汽车传导充电用连接装置示意图图2 电动汽车充电连接方式1.2 充电连接方式根据国际标准IEC 61851-1电动汽车传导式充电系统 第1部分 通用要求1的规定,电动汽车和供电设备之间的连接方式可分为3种(图2。动力电池供电插头供电插座地面供电设备车载充电机连接式动力电池地面供电设备车载充电机(1将电动汽车和交流电网连接时,使用和电动汽车固定连接在一起的充电电缆和供电插头。(2将电动汽车和交流电网连接时,使用带 有供电插头和

8、车辆插头的活动电缆。(3将电动汽车和交流电网连接时,使用和供电设备固定连接在一起的充电电缆和车辆插头。1.3 充电模式和充电接口的分类根据国际标准IEC 61851-1电动汽车传导式充电系统 第1部分 通用要求的规定,按照是否包含控制导引电路,以及该电路的安装位置,电动汽车充电模式分为4类。(1使用车载充电机,不包括控制导引电路。(2使用车载充电机,在充电连接线缆上安装控制导引电路。(3使用车载充电机,在地面的固定供电装置中安装控制导引电路。(4使用非车载充电机,在地面固定供电装置中安装控制导引电路。其中,前3种充电模式中充电机都是安装在电动汽车上,电源侧的供电装置向车辆提供交流动力电池供电插

9、头供电插座地面供电设备车载充电机车辆插头/插座连接方式B连接方式(1连接方式(2连接方式(3甄子健 等:国内外电动汽车交流充电接口技术与标准对比分析研究第1期 003电能,可以统称为交流充电方式,使用交流充电接口;而充电模式(4中,充电机安装在地面上,向车辆提供直流电能,直接为电动汽车的动力蓄电池充电,因此也称直流充电方式,使用直流充电接口。直流充电和交流充电在充电过程的控制方式、动力线和控制线针脚的数量方面都有很大差别。另外,根据充电过程中是否有物理接触,还可以分为传导式充电和感应式充电两种方式。目前的应用以传导充电方式为主,感应充电尚处于研究和应用的初期阶段。1.4 国内外充电接口标准现状

10、目前,IEC(国际电工委员会和ISO(国际标准化组织都在加速制定充电基础设施方面的国际标准。但是由于各国的电力基础不一样,加上电动汽车还处于市场化的前期阶段,各国的技术路线还有很大差别,因此国际标准的制定过程也困难重重。国内电动汽车充电方面的标准化工作,在国家标准委、科技部、工信部和能源局等4部委的组织领导下,正在积极推进,并取得了阶段性进展。1.4.1 国内标准情况关于电动汽车充电接口,我国于2006年制定完成并发布了一项国家标准GB/T 20234电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求2,该标准非等效采用了IEC 62196-1:20033,规定了充电接口的定义、分类、

11、通用要求、试验方法,并未规定充电接口的物理结构和规格尺寸。根据行业发展需要,工业和信息化部于2009年下达了充电接口的汽车行业标准制定计划,该行业标准已经于2010年11月发布:QC/T 841-2010电动汽车传导式充电接口4。该标准规定了电动汽车传导式充电接口的术语与定义、技术参数、充电模式、分类及功能定义、结构尺寸、性能要求、试验方法和检验规则,标准规定了交流和直流两种充电接口。为了进一步提高充电接口标准的地位和作用,经相关部委和专家讨论,以现有的标准为基础,结合国际标准的最新动态和国内电动汽车与充电基础设施建设应用需求,由汽车、电力、电工3个行业的企业和专家共同组成起草组,制定充电接口

12、的系列国家标准,该系列国家标准已于2011年初完成报批稿。中国的充电接口国家标准体系和IEC标准基本一致,分为一般要求、交流接口和直流接口3个部分,在第2部分和第3部分中,除了规定了物理结构尺寸外,还规定了控制导引电路和安全保护策略。这3项系列国家标准发布后,将取代GB/T 20234-2006和QC/T 841-2011。1.4.2 国际标准情况充电接口的国际标准由IEC 62196-1、 IEC 62196-2和IEC 62196-3三部分组成,分别是:(1IEC 62196-1电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔 第1部分 通用要求5。该标准规定了充电接口的通用要求,该标准

13、第2版已经于2011年10月份发布。(2IEC 62196-2电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔 第2部分 交流插针、导电铜管附件的尺寸互换性要求6。该标准规定交流充电接口的结构和物理尺寸,原计划2010年底完成,由于国际协调难度很大,标准方案进行了多次大的修改,2011年10月才发布。该标准包括了3种交流充电接口方案,分别定义为type1、type2、type3,这3种方案分别来自于美国、德国和意大利的提案。值得注意的是,虽然国内外交流充电接口拥有多种不同物理接口方案,但是在充电导引电路和有序充电控制(脉冲宽度调制PWM方面已经基本统一到IEC 61851-1电动汽车传导式充

14、电系统 第1部分 通用要求中。第2卷004 汽车工程学报 (3IEC 62196-3电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔 第3部分 直流插针、导电铜管附件的尺寸互换性要求7。该标准目前处于WD(工作组草案阶段,草案包括了4种直流充电接口方案,分别来自于日本、中国、美国和德国的提案。1.4.3 其它国家和地区标准情况目前,国外电动汽车充电接口标准有美国的 SAE J 1772-20108和以日本为主的CHAdeMO 企业联盟标准。SAE J 1772-2010电动汽车和插电式混合动力汽车传导式充电接口是美国汽车工程师协会标准,该标准规定了电动汽车交流充电接口的通用要求、物理结构和尺

15、寸、控制导引电路。 该标准所规定的交流充电接口的结构尺寸和IEC 62196-2中的type1一致。CHAdeMO 标准实际上是由日本牵头成立的企业联盟标准,规定了直流充电接口以及非车载充电机的相关标准,目前该标准所规定的技术方案也已提交到IEC。2 交流充电接口的物理结构及其标准充电接口物理结构的标准化是实现充电物理连接互换性的基础,其标准化工作主要涉及外形、针脚数及布置、锁止方式、充电相数、电压和电流的额定值等。2.1 国内外交流充电接口物理结构的主要方案目前中国标准和国际标准中关于交流接口的物理结构及其额定值见表1。从表1可以看出:(1国际标准中主要有3种交流充电接口物理结构,其中typ

16、e1 主要支持国家为美国和日本,type2的主要支持国家为德国,type3的主要支持国家为意大利和法国。(2中国的交流充电接口总体布置和type2(德国方案最为接近,都采用7芯结构,可单相充电和三相充电(中国三相充电为预留。(3在锁止方式上,中国标准和美国方案比较一致,都首选简单可靠的机械锁,同时可以配合使用电子锁提高安全性。(4交流充电分单相充电和三相充电,电流额定值主要包括16 A、32 A、63 A 等。(5采用单相充电的物理接口采用5芯结构,三相充电使用7芯结构。2.2 中德交流充电接口方案在物理结构上的差异2.2.1 供电端接口供电端接口,中国方案中同时规定了机械和电子两种锁止方式;

17、德国方案只有电子锁一种方案。IEC 62196-2:2010中国标准(待批准国标type1(美国type2(德国type3(意大利单控制导引双控制导引相数单相单相三相单相单相双相单相三相为预留电流32 A(美国80 A70 A63 A16 A a.c.32 A 32 A 16/32 A 电压不超过250 V 不超过480 V 250 V250 V500 V 220 V针脚和锁止5芯,机械锁(电子锁未规定7芯,电子锁4芯5芯7芯,机械锁(电子锁为可选/接口形式表1 交流充电接口国内外主要技术方案甄子健 等:国内外电动汽车交流充电接口技术与标准对比分析研究 第1期 005KK 检测点1R 1检测点

18、3检测点2CC设备地车身地电动汽车D1供电插头车辆插头供电设备CPCPCCLN LN PEPEPWMS 1+12V车载充电机供电控制装置12345车辆插座车辆接口供电插座供电接口12345车辆控制装置漏电流保护器检测点4S3R2S2R3RC2.2.2 车辆端接口(1锁止德国方案中只规定电子锁,没有规定机械锁;中国方案中同时有机械锁和电子锁两种方案,且机械锁按钮可以和控制导引电路联动。(2公针和母针的布置德国方案中车辆插座使用的是公针,车辆插头使用的是母针;中国方案的布置相反。德国方案满足连接器设计中供电侧使用母针的原则,但是由于V2G(车辆到电网的研究和应用已成为发展的趋势,供电和受电是相对的

19、。另外,中国方案在车辆充电插头的顶端设计了绝缘帽,同时控制导引电路也保证了在接口完全连接前插头上不带电。经过中德双方专家的多次交流,两种公母端布置实际上只是一种技术选择,不存在绝对的优劣之分。(3控制导引针的长短中国方案中两个控制针都采用短针(和美国相同,而德国方案中采用一长一短的方案。(4尺寸公差中国方案和IEC 的德国方案在尺寸公差等细节上存在一些差异,这些属于较为轻微的差异,不会对互换性产生实质性影响。3 交流充电接口的控制导引与通讯协议标准物理结构的标准化只是保证了接口物理连接的互换性,除此之外,还需要用控制导引电路完成连接状态的判断和充电过程的安全控制,另外需要通讯协议标准实现充电过

20、程充电功率的实时调节,实现有序充电。3.1 交流充电的控制导引电路充电导引电路至少应具有如下几个功能:(1充电连接状态的判断。(2充电电缆承载电流的识别。(3带载切断的安全保护。目前中国标准和国外标准中,虽然物理结构还有很多差异,但是控制导引电路已基本可以兼容。以中国的交流充电接口标准为例9,其典型控制导引电路如图3所示。3.1.1 充电连接状态的判断在交流充电的7个针脚中,CC 针和CP 针最短,当CC 针或CP 针与对应的插孔导体连接后,说明所有的针脚都已经连接,这可以通过检测点1、检测点2和检测点3的电压变化进行判断。供电控制装置可以根据这些电压值判断连接状态,从而控制主回路开关K 的闭

21、合或打开。图3 电动汽车交流充电控制导引电路006 汽车工程学报 第2卷 3.1.2 充电电缆承载电流的识别 波不同的占空比代表电网或充电桩此时可提供的 最大输出功率，电动汽车充电控制装置可以根据 该参数以及电池状态调整充电电流，从而实现有 序充电。 电压 +Vcc 目前的交流充电连接装置可分为 16 A 和 32 A 两种功率等级。电阻 RC 是充电连接装置内置电阻， 其电阻值是和电缆承载电流的大小相匹配的。车 载充电机可以通过判断检测点 3 的电压值判断电 缆的承载能力，从而确定充电电流的上限。 3.1.3 带载切断（误操作）的安全保护 在充电过程中，由于误操作或者意外原因，有 可能使充电

22、插头在带载时断开，导引电路需要降低 或避免这种操作带来的危害，其实现原理如下： -Vcc 1/f 最大供电电流 I/A （1）开关 S3 设计成和机械锁按钮联动，当 机械锁按下时车载充电机可以通过检测点 3 的电 压变化判断充电插头有拔出的趋势，在主回路断 开前提前降低或切断电流输出，避免拉弧和其它 危害。 （2）CC 针和 CP 针为短针，这两个控制导引 针会先于主回路的 L、N 断开，利用这个时间差， 充电桩可以通过检测点 1 或检测点 4，车载充电机 通过检测点 2 和点 3 的电压变化判断充电插头将 要断开，在主回路断开前提前降低或切断电流输 出，避免拉弧和其它危害。 3.2 交流充电

23、的通讯协议 交流充电过程中，使用通讯协议可以达到更 多的人机交互和控制功能。目前交流充电标准中 的 PWM（脉冲宽度调制）可以实现最简单的供电 侧监控，根据电网负荷实现电网调度中心对各个 充电桩输出功率的自动调整和控制，实现有序充 电。而 CAN（控制局域网络）或 PLC（动力线载波） 等通讯协议可以实现充电交互、电费计量、访问 网络等更多功能。目前 PWM 在国内外标准中已基 本统一，而 CAN 或 PLC 等高级通讯协议的标准尚 在制定过程中。 使用 PWM 实现有序充电的原理如图 4 所示。 电网（或充电站）调度中心可以控制每个充电桩 的供电控制装置向电动汽车发送 PWM 方波，该方 9

24、0 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 占空比 /% 图 4 充电调度和有序充电示意图 4 结论 充电接口标准涉及到电动汽车、充电基础设 施、充电设备，属于非常重要的基础性标准，国 内标准的统一和世界标准的协调对于电动汽车的 推广具有重要意义，通过本文的分析，在电动汽 车交流充电接口标准化领域有如下结论和建议： （1）各国对统一交流充电接口标准的意义已 达成高度共识，虽然目前阶段充电接口物理尺寸还 未统一，但经过多方磋商，已在控制导引电路和 PWM 有序充电控制等方面达成一致。物理尺寸的 差异可以通过转换接头或车辆自带线

25、缆得以解决。 因此，可以初步实现不同方案之间的充电互换性。 （2）我国电动汽车研发、示范和产业化的进 展较快，充电接口标准在部分借鉴国际标准基础 上再创新，已经具备一定基础，发布条件已成熟， 需要尽快发布国家标准。 （3）交流充电接口中，中国方案和德国方案 第1期 甄子健 等：国内外电动汽车交流充电接口技术与标准对比分析研究 007 最为接近，但是仍然存在一些差异，这些差异各 有优缺点，在进一步充分交流和试验验证的基础 上，中德两国应该加强沟通与协调。 （4）作为国际电动汽车技术与产业发展的重 要一极，作为 IEC/ISO 标准的成员国，我国应积 极参与国际标准制定，注意与国际标准的协调。 （

26、5）随着电动汽车和充电技术的进步，应进 一步研究探讨充电接口新技术及其标准化，譬如 三相充电、交直流兼容充电、感应式充电、V2G 及其高级通讯协议等，进一步完善充电标准体系。 参考文献 (References: 1 IEC 61851 - 1 ： 2010. Electric Vehicle Conductive Charging System，Part 1：General RequirementsS. Switzerland：International Electrotechnical Commission， 2010. 2 GB/T 20234-2006. 电动汽车传导充电用插头、插座、

27、车辆耦合器和车辆插孔通用要求 S. 北京：中国标准 出版社，2006. GB/T 20234 - 2006. Plug ， Socket-outlets ， Vehicle Couplers and Vehicle Inlets for Conductive Charging of Electric Vehicles General RequirementsS. Beijing： China Standard Press，2006.（in Chinese） 3 IEC 621961：2003. Plugs，Socket-outlets，Vehicle Couplers and Vehicle

28、Inlets Conductive Charging of Electric Vehicles， Part 1： General RequirementsS. Switzerland： International Electrotechnical Commission，2003. 4 QC/T 841-2010. 电动汽车传导式充电接口 S. 北京： 中国计划出版社，2011. QC/T 841 - 2010. Electric Vehicle Conductive Charge CouplerS. Beijing：China Project Press，2011. （in Chinese） 5 IEC 621961：2011. Plugs，Socket-outlets，Vehicle Couplers and Vehicle Inlets Conductive Charging of Electric Vehicles，Part 1：General RequirementsS. Switzerland：International Electrotechnical Commission， 2011. 6 IEC 621962：2011. Plugs，Socket-outlets，Vehicle Couplers and Vehicl