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2010年3月，日本成立了名為“CHAdeMO”電動(dòng)汽車(chē)快速充電器協(xié)會(huì );今年5月，通用、大眾等8大車(chē)企聯(lián)合發(fā)表聲明，將共同推廣“Combo”快速充電系統。 我國電動(dòng)汽車(chē)雖然已經(jīng)起步多年，但“標準未出、建設先行”的中國特色，使電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)、充電建設面臨尷尬。和歐美日等發(fā)達國家相比，在國際標準舞臺上的角色并未受到重視。 一、從“一杯茶即得”談起 “CHAdeMO”是一個(gè)旨在推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)快速充電器實(shí)現國際標準化的組織。日語(yǔ)「茶でも」的發(fā)音是“CHAdeMO”，其諧音漢譯是“一杯茶即得”的意思，寓意追求電動(dòng)汽車(chē)快速充電所需時(shí)間，僅需喝上一杯茶的功夫即可。 1.功率與時(shí)間的設定 充電輸出功率增大可使充電時(shí)間縮短，從而提高充電的便利性。CHAdeMO的研究結果表明，10分鐘可使電動(dòng)汽車(chē)行駛50-60km最符合用戶(hù)實(shí)際需求，經(jīng)濟性(充電器成本)和實(shí)用性(時(shí)間消耗)也最好。 
▲充電器參數的設定 功率過(guò)大將導致充電基礎設施投資加大;大功率充電設備對安全性設計的要求更苛刻。由圖中黃色曲線(xiàn)和第二縱坐標可看出，縮短充電時(shí)間、提高充電功率，充電器成本將成倍增加，充電功率大于50kW以后，對縮短充電時(shí)間的影響也不明顯。根據實(shí)際運行及統計資料分析，設定電動(dòng)車(chē)耗電量為7km/kWh最合理。若以此為依據確定充電10分鐘可行駛50-60km為設計目標，快速充電器輸出功率正好在40～50kW。2.抑制電池老化對策 快速充電的技術(shù)焦點(diǎn)在于如何避免因快充導致的電池老化。造成電池容量降低的主因是高溫和過(guò)壓的影響與控制。高壓、高溫極易損壞電池極板，使電容量急速下降。所以，電動(dòng)汽車(chē)必須設有電池管理裝置，以滿(mǎn)足對鋰離子電池在使用中對電壓、溫度等的管控要求。 由于電池性能會(huì )因材料特性、使用工況而發(fā)生變化，如果靠充電器的模擬一種標準來(lái)進(jìn)行，避免電池老化的方法就只能以最壞的使用環(huán)境和最差的電池為前提，確定充電電流才最安全、最保險。如此，快充目的便不可能實(shí)現。即使將來(lái)電池性能提高了，快充效果同樣難以得到。車(chē)載電池受到電池管理系統對溫度的監測與管理，能夠自動(dòng)將充電電流控制在符合電池溫度要求的范圍內，使溫度過(guò)高的問(wèn)題得以回避。 CHAdeMO 采用的快速充電方式如圖所示，電流受控于汽車(chē)的CAN總線(xiàn)信號。即在監視電池狀態(tài)的同時(shí)，實(shí)時(shí)計算充電所需電流值，通過(guò)通訊線(xiàn)向充電器發(fā)送通知;快速充電器及時(shí)接收來(lái)自汽車(chē)的電流命令，并按規定值提供電流。
▲CHAdeMO快速充電系統 通過(guò)電池管理系統一邊監視電池狀況，一邊實(shí)時(shí)控制電流，完全實(shí)現了快速、安全充電所需各項功能，確保充電不受電池通用性限制。即使未來(lái)電池性能提高，充電基礎設施也不會(huì )因電池升級換代而淘汰。3.連接器與接口 作為快速充電的公共設施，需要通過(guò)標準化來(lái)實(shí)現充電器對電動(dòng)車(chē)的通用性。除通訊協(xié)議外，連接器與接口須納入標準化范圍。由于安全設計必須以最大電壓和最大電流為前提，所以連接器必須有足夠安全系數，應對潛在風(fēng)險。
CHAdeMO連接器與接口電路 CHAdeMO 方式除了數據控制線(xiàn)外，還采用CAN 總線(xiàn)作為通信接口，由于其抗噪性?xún)?yōu)越且檢錯能力高，通信穩定性、可靠性高，因此作為車(chē)載控制器的分散型網(wǎng)絡(luò )技術(shù)而被廣泛應用�？焖俪潆姴捎肅AN技術(shù)時(shí)，安全起見(jiàn)特意在網(wǎng)關(guān)與其他車(chē)載設備分離，使ECU 和充電器控制單元實(shí)現1 對1通信。4.快充回路設計 供電系統和電池系統通過(guò)絕緣變壓器分離，可防止因單一故障使供電系統的電壓增加到電池系統。此外，不僅設置了提高效率的改善回路，還設置了可消除高次諧波影響的交流過(guò)濾器。 在電池系統方面，為防止對鋰離子電池造成不良影響，在出口處設計了可以消除波紋電壓噪聲的過(guò)濾器。為檢測充電狀態(tài)下車(chē)內是否漏電，充電器回路源頭專(zhuān)門(mén)安裝了地線(xiàn)檢測器。這使充電器和車(chē)輛之間的保險絲直徑變細。一旦漏電，可降低保險絲較細的安全隱憂(yōu)。實(shí)際上，通過(guò)電流旁路達到保護目的的保險絲并不能發(fā)揮應有作用，但地線(xiàn)檢測器可以消除風(fēng)險，提高充電器的安全性能。
▲CHAdeMO快充回路設計 5.快速充電過(guò)程(1)充電準備 按下快速充電器“開(kāi)始”按鈕，啟動(dòng)充電程序。充電器關(guān)閉“d1”保護，充電器側的12 V電壓通過(guò)2 號模擬引腳向車(chē)輛供電，同時(shí)觸發(fā)“f”光電耦合器。車(chē)輛識別充電操作正式開(kāi)始，電池的最大電壓、電池容量等參數通過(guò)CAN 方式傳達給充電器。
▲CHAdeMO快速充電過(guò)程 充電器接收到信息后，確認該車(chē)輛為自身可供電的車(chē)輛后，將自身最大電壓、最大輸出電流等數據通過(guò)CAN 方式發(fā)送至車(chē)輛側。車(chē)輛收到該信號后，確認與自身吻合后將充電指令通過(guò)“k”電晶體傳導至4號模擬引腳。充電器接收到該指令后，將連接器鎖定后向出口回路短暫加壓，測試包括連接器接口在內的出口回路在短路及地線(xiàn)等方面有無(wú)異常。每次充電都按照該方法進(jìn)行絕緣確認試驗，防止因連接器電纜老化引起短路等事故。絕緣試驗結束后，通過(guò)關(guān)閉“d2”將充電器已做好全面準備的信息經(jīng)10號的模擬引腳傳達給車(chē)輛。車(chē)輛根據“g”光電耦合器進(jìn)行識別，完成充電準備。通過(guò)CAN 通信進(jìn)行全部準備動(dòng)作是可行的，上述充電準備程序，所需時(shí)間僅數秒。(2)通電 車(chē)輛關(guān)閉電池系統入口側配置的EV 接觸器。車(chē)輛邊監視電池系統，判斷可能充電的最大電流，邊將該參數值通過(guò)CAN以0.1s間隔時(shí)間發(fā)送至充電器。充電器根據穩態(tài)電流控制，供應與該參數值一致的電流。其間，車(chē)輛還監視車(chē)載電池狀態(tài)及供電電流。若檢出異常，將用以下4 種方法之一停止充電：①根據CAN通信向充電器發(fā)出輸出電流為“零”指示;②根據CAN 通信向充電器發(fā)出輸出“出錯”指示;③將“k”切斷，向充電器發(fā)送禁止充電模擬信號;④開(kāi)放EV 接觸器，將輸入電流斷開(kāi)。 充電器側也監視著(zhù)自身各回路電流、電壓和溫度，超過(guò)限制值時(shí)通過(guò)CAN發(fā)送“出錯”信號停止供電。此外，還設計了充電超出預想時(shí)間自動(dòng)停止供電功能。當然也可手動(dòng)按下“停止”按鈕結束充電。 (3)結束充電 結束充電時(shí)，車(chē)輛通過(guò)CAN通信發(fā)送零電流指示信號、充電電流歸零后，開(kāi)放EV接觸器、切斷“k”電晶體，將模擬停止信號發(fā)送至充電器，確認輸出電流為零后開(kāi)放“d1”、“d2”繼電保護�！癲2”繼電的保護作用主要是向EV 接觸器的螺線(xiàn)管提供12 伏電源。 EV接觸器開(kāi)關(guān)是根據車(chē)輛的判斷由EV接觸器控制繼電保護開(kāi)關(guān)操作的。設計上EV接觸器的螺線(xiàn)管電源由充電器提供，以避免車(chē)輛側的誤操作引起EV接觸器誤關(guān)閉。連接器未插入狀態(tài)下，由于螺線(xiàn)管未導電而降低了EV 接觸器誤關(guān)閉的風(fēng)險，可防止插口處電池電壓超出300 伏。 地線(xiàn)即便很細，但由于設置了地線(xiàn)檢測器因此是安全的。如果地線(xiàn)斷了，那么“f”、“g”、“j”光電耦合器信號將同時(shí)消失，立即引起充電器輸出停止和EV接觸器開(kāi)放的連鎖反應。由此可見(jiàn)，連接器引腳布局和充電系統整體安全設計緊密相連。 充電停止后，出口回路的電壓確認降到20 伏以下后，開(kāi)放連接器的閘口，這樣一連串充電的程序全部結束。 二、快速充電國際標準化動(dòng)向 將快速充電器作為公共基礎設施推廣普及時(shí)，需要統一接口，且需提供不同車(chē)型均能充電的基礎設施，需要統一與連接器的物理接口，以及前述通訊協(xié)議軟件接口。 技術(shù)標準是搶占技術(shù)制高點(diǎn)的神兵利器，成為世界各國尤其是工業(yè)發(fā)達國家的必爭之地。當然標準之爭也絕不可能永遠持續下去，如果各國都采取本國標準，汽車(chē)進(jìn)出口則會(huì )遭遇尷尬。技術(shù)先進(jìn)、性?xún)r(jià)比高、安全、便捷、快速以及系統穩定性，都是標準追求的目標。未來(lái)快速充電器必定實(shí)現統一國際標準。 1.日本JARI草案 上世紀90年代末，日本充電器標準由原日本電動(dòng)車(chē)協(xié)會(huì )(現日本汽車(chē)研究所)策劃制定。如今，CHArge de Move連接器等物理接口均采用此規格。 關(guān)于通訊協(xié)議，在以舊規格為基礎的同時(shí)，考慮到不同充電器的設計方針，以東京電力為中心，汽車(chē)公司、電源設備廠(chǎng)家等又添加了一些內容：(1)汽車(chē)和充電器規格信息及汽車(chē)電流命令值的數據通訊，包括開(kāi)始充電、充電中、停止充電各階段中，雙方互相通知各自的情況，通過(guò)控制程序切實(shí)進(jìn)行安全充電。(2)為不同種類(lèi)EV可與快速充電器正確連接，規定了正確操作程序。為使充電能夠安全開(kāi)始、結束，充電器和汽車(chē)雙方每次充電時(shí)都需各種確認、驗證操作，任何一方操作持續時(shí)間超過(guò)設定時(shí)間，控制程序則不成立，或有可能無(wú)法充電。(3)在新規格中，明確所有在充電開(kāi)始、停止中各步驟的等待時(shí)間及實(shí)施事項。通過(guò)對發(fā)生異常情況的明確規定，實(shí)現在所有運行條件中安全充電運行。 日本全部采用CHArge de Move方式快速充電器以及與此對應的電力汽車(chē)事實(shí)上也就成為了行業(yè)標準。預計今后會(huì )進(jìn)入專(zhuān)為更大范圍普及的技術(shù)改進(jìn)并開(kāi)展推廣政策的階段。作為普及活動(dòng)的團體，在2010年3月成立了“CHArge de Move協(xié)議會(huì )”。截至今年5月，包括全球著(zhù)名汽車(chē)制造商豐田、日產(chǎn)在內，已有超過(guò)430家汽車(chē)和充電器制造商加入成為其會(huì )員。目前，已有為數不少的汽車(chē)公司及充電器制造商采用了CHA de MO協(xié)議。這種快速充電器在歐美等市場(chǎng)已安裝238座并投入使用。在日本，按照CHAdeMO標準安裝的快速充電器有1154座投入使用。 CHAdeMO充電器的最大功率62.5kW，已經(jīng)以JARI草案向SEA、IEC提交了標準審核文件，許多國家在此草案的基礎上，提出了連接器以及功能擴展等方面的修正草案。CHAdeMO會(huì )員正通過(guò)互相配合、改進(jìn)技術(shù)、解決難點(diǎn)，實(shí)現和相關(guān)的企業(yè)、團體超越各自的領(lǐng)域范疇與利益關(guān)系緊密合作，使快速充電技術(shù)能夠成為國際通用標準。 2.美國的SAE探討 特斯拉汽車(chē)公司推出了搭載大容量電池的電動(dòng)汽車(chē)，隨之開(kāi)始了有關(guān)快速充電規格的探討。當初在SAE中，多數意見(jiàn)認為將電池搭載量設定在50kWh左右、快速充電的輸出為200kW規格較為合適。但有意見(jiàn)指出為實(shí)現如此大的容量，就要有大型化纜線(xiàn)及連接器，這樣就不利于普通用戶(hù)特別是老人和女性的操作。 另外在完善基礎設施階段中，有系統負荷過(guò)大需要加強配電線(xiàn)設備等問(wèn)題。普遍認為日本提案中的50kW功率標準，充分考慮到了充電時(shí)間和設備規模以及與成本的平衡，有一定的科學(xué)合理性。 之前，以通用、福特為首的汽車(chē)公司提出了AC普通充電用和DC快速充電用連接器一體化的組合連接器。通用、福特在DC快速充電利用方面是后起之秀，但是，為了將來(lái)能在插電式混動(dòng)車(chē)上使用，提議將車(chē)體開(kāi)孔控制在最小范圍內。另一方面，如果組合連接器尺寸過(guò)大，則會(huì )降低操作便利性;在鎖止機構等安全方面，如果很復雜也會(huì )產(chǎn)生實(shí)用化欠佳問(wèn)題。 3.歐洲IEC的探討 以戴姆勒、雷諾、RWE為中心、被稱(chēng)為e-Mobility項目的團體提出將AC三相400V電線(xiàn)配置在充電機上，同時(shí)附加認證計費裝置的方案。主要依據是在路旁設置充電機的利用率很高，由于歐盟電力自由化命令，電力零售也相對自由。將充電機作為共通基礎設施，只需添加認證使用者及結算漫游功能，誰(shuí)都可用。該團體還提出了采用PLC作為系統通訊方法的方案，但就高速、低速選擇及規格化范圍沒(méi)有達成統一意見(jiàn)。AC充電方式，通過(guò)IEC 61851-22還在繼續探討。在IEC中，除了YAZAKI(SAE J1772)之外，還提出了MENNEKES、SCAME的歐洲方案，e-Mobility支持最大到44kW的充電方案MENNEKES。對此，以法國電力公司為首的團體提出了通過(guò)更小容量防止側壁浸水的SCAME方案，結果使歐洲委員會(huì )命令CEN-CENELEC制定標準規格，轉移了討論方向。DC充電在2010年7月建立了IEC61851-23，以日本提案為中心開(kāi)始探討。 去年，福特、通用、大眾、奧迪、寶馬、戴姆勒和保時(shí)捷提出了直流combo快速聯(lián)合充電標準系統，現在克萊斯勒又加入其中。未來(lái)上述車(chē)企的所有電動(dòng)車(chē)將使用同一種制式充電接口。推廣聯(lián)合充電系統，能夠兼容四種直流和交流充電模式，意在從行業(yè)標準層面與純電動(dòng)車(chē)領(lǐng)跑者日產(chǎn)形成對抗。 4.中國的新動(dòng)向 2010年底，全國汽車(chē)標準化技術(shù)委員會(huì )牽頭起草了《電動(dòng)汽車(chē)傳導充電用連接裝置》等三項系列推薦性國家標準，并在2012年1月獲得審核通過(guò)。 寶馬集團新能源汽車(chē)充電系統項目經(jīng)理Albrecht Pfeiffer認為，中國的交流充電標準與國際標準相比有11處明顯區別，其中3處有安全隱患。中國目前還未對PWM(脈寬調制)占空比進(jìn)行定義。已出臺的GB/T20234.2-2011標準中，刪去了PWM占空比描述。最新版本的GB/T18487.1標準應包含PWM的占空比，而不用包括PWM的描述。不同占空比的共存會(huì )產(chǎn)生安全風(fēng)險。如果高水平通信沒(méi)有PWM指示點(diǎn)，直流充電和現有Combo就不可能組合在一起。 面對國內眾多無(wú)序化小規模車(chē)廠(chǎng)和國外廠(chǎng)家開(kāi)始量產(chǎn)的狀況，政府一直致力于結束充電標準各自為政的亂局，但是全國電動(dòng)車(chē)充電標準的統一還有待時(shí)日。深圳、合肥、重慶等城市已各自制定了電動(dòng)車(chē)充電標準的“土政策”。 事實(shí)上，我國電動(dòng)汽車(chē)標準絕大多數是參照國外有關(guān)標準和國際標準制定的。產(chǎn)品技術(shù)、水平、質(zhì)量、研發(fā)、創(chuàng )新等環(huán)節，均不能與汽車(chē)工業(yè)發(fā)達國家和跨國零部件企業(yè)相比。因此，即使政府頒布了國家電動(dòng)汽車(chē)標準，實(shí)際操作上也很難捍衛中國在國際標準化組織中的話(huà)語(yǔ)權。 來(lái)源：第一電動(dòng)月刊 |
