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2010年3月，日本成立了名為“CHAdeMO”電動(dòng)汽車快速充電器協(xié)會(huì);今年5月，通用、大眾等8大車企聯(lián)合發(fā)表聲明，將共同推廣“Combo”快速充電系統(tǒng)。 我國電動(dòng)汽車雖然已經(jīng)起步多年，但“標(biāo)準(zhǔn)未出、建設(shè)先行”的中國特色，使電動(dòng)車市場、充電建設(shè)面臨尷尬。和歐美日等發(fā)達(dá)國家相比，在國際標(biāo)準(zhǔn)舞臺(tái)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)汽車快速充電器實(shí)現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)化的組織。日語「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(shè)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(jié)果表明，10分鐘可使電動(dòng)汽車行駛50-60km最符合用戶實(shí)際需求，經(jīng)濟(jì)性(充電器成本)和實(shí)用性(時(shí)間消耗)也最好。 
▲充電器參數(shù)的設(shè)定 功率過大將導(dǎo)致充電基礎(chǔ)設(shè)施投資加大;大功率充電設(shè)備對安全性設(shè)計(jì)的要求更苛刻。由圖中黃色曲線和第二縱坐標(biāo)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(jù)實(shí)際運(yùn)行及統(tǒng)計(jì)資料分析，設(shè)定電動(dòng)車耗電量為7km/kWh最合理。若以此為依據(jù)確定充電10分鐘可行駛50-60km為設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(dǎo)致的電池老化。造成電池容量降低的主因是高溫和過壓的影響與控制。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)汽車必須設(shè)有電池管理裝置，以滿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(biāo)準(zhǔn)來進(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(xiǎn)。如此，快充目的便不可能實(shí)現(xiàn)。即使將來電池性能提高了，快充效果同樣難以得到。車載電池受到電池管理系統(tǒng)對溫度的監(jiān)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(nèi)，使溫度過高的問題得以回避。 CHAdeMO 采用的快速充電方式如圖所示，電流受控于汽車的CAN總線信號(hào)。即在監(jiān)視電池狀態(tài)的同時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算充電所需電流值，通過通訊線向充電器發(fā)送通知;快速充電器及時(shí)接收來自汽車的電流命令，并按規(guī)定值提供電流。
▲CHAdeMO快速充電系統(tǒng) 通過電池管理系統(tǒng)一邊監(jiān)視電池狀況，一邊實(shí)時(shí)控制電流，完全實(shí)現(xiàn)了快速、安全充電所需各項(xiàng)功能，確保充電不受電池通用性限制。即使未來電池性能提高，充電基礎(chǔ)設(shè)施也不會(huì)因電池升級(jí)換代而淘汰。3.連接器與接口 作為快速充電的公共設(shè)施，需要通過標(biāo)準(zhǔn)化來實(shí)現(xiàn)充電器對電動(dòng)車的通用性。除通訊協(xié)議外，連接器與接口須納入標(biāo)準(zhǔn)化范圍。由于安全設(shè)計(jì)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(shù)，應(yīng)對潛在風(fēng)險(xiǎn)。
CHAdeMO連接器與接口電路 CHAdeMO 方式除了數(shù)據(jù)控制線外，還采用CAN 總線作為通信接口，由于其抗噪性優(yōu)越且檢錯(cuò)能力高，通信穩(wěn)定性、可靠性高，因此作為車載控制器的分散型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而被廣泛應(yīng)用�？焖俪潆姴捎肅AN技術(shù)時(shí)，安全起見特意在網(wǎng)關(guān)與其他車載設(shè)備分離，使ECU 和充電器控制單元實(shí)現(xiàn)1 對1通信。4.快充回路設(shè)計(jì) 供電系統(tǒng)和電池系統(tǒng)通過絕緣變壓器分離，可防止因單一故障使供電系統(tǒng)的電壓增加到電池系統(tǒng)。此外，不僅設(shè)置了提高效率的改善回路，還設(shè)置了可消除高次諧波影響的交流過濾器。 在電池系統(tǒng)方面，為防止對鋰離子電池造成不良影響，在出口處設(shè)計(jì)了可以消除波紋電壓噪聲的過濾器。為檢測充電狀態(tài)下車內(nèi)是否漏電，充電器回路源頭專門安裝了地線檢測器。這使充電器和車輛之間的保險(xiǎn)絲直徑變細(xì)。一旦漏電，可降低保險(xiǎn)絲較細(xì)的安全隱憂。實(shí)際上，通過電流旁路達(dá)到保護(hù)目的的保險(xiǎn)絲并不能發(fā)揮應(yīng)有作用，但地線檢測器可以消除風(fēng)險(xiǎn)，提高充電器的安全性能。
▲CHAdeMO快充回路設(shè)計(jì) 5.快速充電過程(1)充電準(zhǔn)備 按下快速充電器“開始”按鈕，啟動(dòng)充電程序。充電器關(guān)閉“d1”保護(hù)，充電器側(cè)的12 V電壓通過2 號(hào)模擬引腳向車輛供電，同時(shí)觸發(fā)“f”光電耦合器。車輛識(shí)別充電操作正式開始，電池的最大電壓、電池容量等參數(shù)通過CAN 方式傳達(dá)給充電器。
▲CHAdeMO快速充電過程 充電器接收到信息后，確認(rèn)該車輛為自身可供電的車輛后，將自身最大電壓、最大輸出電流等數(shù)據(jù)通過CAN 方式發(fā)送至車輛側(cè)。車輛收到該信號(hào)后，確認(rèn)與自身吻合后將充電指令通過“k”電晶體傳導(dǎo)至4號(hào)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(nèi)的出口回路在短路及地線等方面有無異常。每次充電都按照該方法進(jìn)行絕緣確認(rèn)試驗(yàn)，防止因連接器電纜老化引起短路等事故。絕緣試驗(yàn)結(jié)束后，通過關(guān)閉“d2”將充電器已做好全面準(zhǔn)備的信息經(jīng)10號(hào)的模擬引腳傳達(dá)給車輛。車輛根據(jù)“g”光電耦合器進(jìn)行識(shí)別，完成充電準(zhǔn)備。通過CAN 通信進(jìn)行全部準(zhǔn)備動(dòng)作是可行的，上述充電準(zhǔn)備程序，所需時(shí)間僅數(shù)秒。(2)通電 車輛關(guān)閉電池系統(tǒng)入口側(cè)配置的EV 接觸器。車輛邊監(jiān)視電池系統(tǒng)，判斷可能充電的最大電流，邊將該參數(shù)值通過CAN以0.1s間隔時(shí)間發(fā)送至充電器。充電器根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流控制，供應(yīng)與該參數(shù)值一致的電流。其間，車輛還監(jiān)視車載電池狀態(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(jù)CAN通信向充電器發(fā)出輸出電流為“零”指示;②根據(jù)CAN 通信向充電器發(fā)出輸出“出錯(cuò)”指示;③將“k”切斷，向充電器發(fā)送禁止充電模擬信號(hào);④開放EV 接觸器，將輸入電流斷開。 充電器側(cè)也監(jiān)視著自身各回路電流、電壓和溫度，超過限制值時(shí)通過CAN發(fā)送“出錯(cuò)”信號(hào)停止供電。此外，還設(shè)計(jì)了充電超出預(yù)想時(shí)間自動(dòng)停止供電功能。當(dāng)然也可手動(dòng)按下“停止”按鈕結(jié)束充電。 (3)結(jié)束充電 結(jié)束充電時(shí)，車輛通過CAN通信發(fā)送零電流指示信號(hào)、充電電流歸零后，開放EV接觸器、切斷“k”電晶體，將模擬停止信號(hào)發(fā)送至充電器，確認(rèn)輸出電流為零后開放“d1”、“d2”繼電保護(hù)�！癲2”繼電的保護(hù)作用主要是向EV 接觸器的螺線管提供12 伏電源。 EV接觸器開關(guān)是根據(jù)車輛的判斷由EV接觸器控制繼電保護(hù)開關(guān)操作的。設(shè)計(jì)上EV接觸器的螺線管電源由充電器提供，以避免車輛側(cè)的誤操作引起EV接觸器誤關(guān)閉。連接器未插入狀態(tài)下，由于螺線管未導(dǎo)電而降低了EV 接觸器誤關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)，可防止插口處電池電壓超出300 伏。 地線即便很細(xì)，但由于設(shè)置了地線檢測器因此是安全的。如果地線斷了，那么“f”、“g”、“j”光電耦合器信號(hào)將同時(shí)消失，立即引起充電器輸出停止和EV接觸器開放的連鎖反應(yīng)。由此可見，連接器引腳布局和充電系統(tǒng)整體安全設(shè)計(jì)緊密相連。 充電停止后，出口回路的電壓確認(rèn)降到20 伏以下后，開放連接器的閘口，這樣一連串充電的程序全部結(jié)束。 二、快速充電國際標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)向 將快速充電器作為公共基礎(chǔ)設(shè)施推廣普及時(shí)，需要統(tǒng)一接口，且需提供不同車型均能充電的基礎(chǔ)設(shè)施，需要統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)國家的必爭之地。當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)之爭也絕不可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去，如果各國都采取本國標(biāo)準(zhǔn)，汽車進(jìn)出口則會(huì)遭遇尷尬。技術(shù)先進(jìn)、性價(jià)比高、安全、便捷、快速以及系統(tǒng)穩(wěn)定性，都是標(biāo)準(zhǔn)追求的目標(biāo)。未來快速充電器必定實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)。 1.日本JARI草案 上世紀(jì)90年代末，日本充電器標(biāo)準(zhǔn)由原日本電動(dòng)車協(xié)會(huì)(現(xiàn)日本汽車研究所)策劃制定。如今，CHArge de Move連接器等物理接口均采用此規(guī)格。 關(guān)于通訊協(xié)議，在以舊規(guī)格為基礎(chǔ)的同時(shí)，考慮到不同充電器的設(shè)計(jì)方針，以東京電力為中心，汽車公司、電源設(shè)備廠家等又添加了一些內(nèi)容：(1)汽車和充電器規(guī)格信息及汽車電流命令值的數(shù)據(jù)通訊，包括開始充電、充電中、停止充電各階段中，雙方互相通知各自的情況，通過控制程序切實(shí)進(jìn)行安全充電。(2)為不同種類EV可與快速充電器正確連接，規(guī)定了正確操作程序。為使充電能夠安全開始、結(jié)束，充電器和汽車雙方每次充電時(shí)都需各種確認(rèn)、驗(yàn)證操作，任何一方操作持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，控制程序則不成立，或有可能無法充電。(3)在新規(guī)格中，明確所有在充電開始、停止中各步驟的等待時(shí)間及實(shí)施事項(xiàng)。通過對發(fā)生異常情況的明確規(guī)定，實(shí)現(xiàn)在所有運(yùn)行條件中安全充電運(yùn)行。 日本全部采用CHArge de Move方式快速充電器以及與此對應(yīng)的電力汽車事實(shí)上也就成為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)計(jì)今后會(huì)進(jìn)入專為更大范圍普及的技術(shù)改進(jìn)并開展推廣政策的階段。作為普及活動(dòng)的團(tuán)體，在2010年3月成立了“CHArge de Move協(xié)議會(huì)”。截至今年5月，包括全球著名汽車制造商豐田、日產(chǎn)在內(nèi)，已有超過430家汽車和充電器制造商加入成為其會(huì)員。目前，已有為數(shù)不少的汽車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已安裝238座并投入使用。在日本，按照CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)審核文件，許多國家在此草案的基礎(chǔ)上，提出了連接器以及功能擴(kuò)展等方面的修正草案。CHAdeMO會(huì)員正通過互相配合、改進(jìn)技術(shù)、解決難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)和相關(guān)的企業(yè)、團(tuán)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(biāo)準(zhǔn)。 2.美國的SAE探討 特斯拉汽車公司推出了搭載大容量電池的電動(dòng)汽車，隨之開始了有關(guān)快速充電規(guī)格的探討。當(dāng)初在SAE中，多數(shù)意見認(rèn)為將電池搭載量設(shè)定在50kWh左右、快速充電的輸出為200kW規(guī)格較為合適。但有意見指出為實(shí)現(xiàn)如此大的容量，就要有大型化纜線及連接器，這樣就不利于普通用戶特別是老人和女性的操作。 另外在完善基礎(chǔ)設(shè)施階段中，有系統(tǒng)負(fù)荷過大需要加強(qiáng)配電線設(shè)備等問題。普遍認(rèn)為日本提案中的50kW功率標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮到了充電時(shí)間和設(shè)備規(guī)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，為了將來能在插電式混動(dòng)車上使用，提議將車體開孔控制在最小范圍內(nèi)。另一方面，如果組合連接器尺寸過大，則會(huì)降低操作便利性;在鎖止機(jī)構(gòu)等安全方面，如果很復(fù)雜也會(huì)產(chǎn)生實(shí)用化欠佳問題。 3.歐洲IEC的探討 以戴姆勒、雷諾、RWE為中心、被稱為e-Mobility項(xiàng)目的團(tuán)體提出將AC三相400V電線配置在充電機(jī)上，同時(shí)附加認(rèn)證計(jì)費(fèi)裝置的方案。主要依據(jù)是在路旁設(shè)置充電機(jī)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(jī)作為共通基礎(chǔ)設(shè)施，只需添加認(rèn)證使用者及結(jié)算漫游功能，誰都可用。該團(tuán)體還提出了采用PLC作為系統(tǒng)通訊方法的方案，但就高速、低速選擇及規(guī)格化范圍沒有達(dá)成統(tǒng)一意見。AC充電方式，通過IEC 61851-22還在繼續(xù)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(tuán)體提出了通過更小容量防止側(cè)壁浸水的SCAME方案，結(jié)果使歐洲委員會(huì)命令CEN-CENELEC制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，現(xiàn)在克萊斯勒又加入其中。未來上述車企的所有電動(dòng)車將使用同一種制式充電接口。推廣聯(lián)合充電系統(tǒng)，能夠兼容四種直流和交流充電模式，意在從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層面與純電動(dòng)車領(lǐng)跑者日產(chǎn)形成對抗。 4.中國的新動(dòng)向 2010年底，全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)牽頭起草了《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置》等三項(xiàng)系列推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)，并在2012年1月獲得審核通過。 寶馬集團(tuán)新能源汽車充電系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理Albrecht Pfeiffer認(rèn)為，中國的交流充電標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)相比有11處明顯區(qū)別，其中3處有安全隱患。中國目前還未對PWM(脈寬調(diào)制)占空比進(jìn)行定義。已出臺(tái)的GB/T20234.2-2011標(biāo)準(zhǔn)中，刪去了PWM占空比描述。最新版本的GB/T18487.1標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(xiǎn)。如果高水平通信沒有PWM指示點(diǎn)，直流充電和現(xiàn)有Combo就不可能組合在一起。 面對國內(nèi)眾多無序化小規(guī)模車廠和國外廠家開始量產(chǎn)的狀況，政府一直致力于結(jié)束充電標(biāo)準(zhǔn)各自為政的亂局，但是全國電動(dòng)車充電標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)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)車充電標(biāo)準(zhǔn)的“土政策”。 事實(shí)上，我國電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)絕大多數(shù)是參照國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)制定的。產(chǎn)品技術(shù)、水平、質(zhì)量、研發(fā)、創(chuàng)新等環(huán)節(jié)，均不能與汽車工業(yè)發(fā)達(dá)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)汽車標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際操作上也很難捍衛(wèi)中國在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織中的話語權(quán)。 來源：第一電動(dòng)月刊 |
