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电动汽车传导式充电接口全球标准介绍

作者:www.cechina.cn2012.10.16阅读 11133

  电动汽车的发展正在推动汽车,电力及能源产业的变革。在这一新兴产业中,标准化的进程至关重要,比如关于电动汽车和充电基础设施之间的充电接口标准,就影响了不同车型在不同国家和地区的电网之间如何快速,简便的进行电能的补充。
  目前全球主要采用的传导式充电接口系统有:
  IEC 62196-1,2:2012年1月发布,主要被欧洲国家所采用的交流充电标准。
  IEC 62196-3:目前还在制定过程中,预计2014年制定完成。主要内容是对直流充电接口的定义。
  SAE J1772:2010年1月发布,是最早实施的充电接口标准,被美国及日本广泛使用。其5芯的交流充电接口,在IEC 62196-2中被定义为type 1接口。
  CHAdeMO:该协会于2010年3月15日成立,成员单位大多数来自日本,主旨为推进快速充电规格在日本的统一,因此主要被日本车厂所采用。
  GB/T 20234.1,2,3-2011:2011年12月颁布,2012年3月实施,共三部分组成,形式接近于IEC 62196-1,2,3。虽然目前是国标推荐标准www.cechina.cn,但解决了中国国内不同地区,不同电网公司,充电接口不统一的问题。
  为了更好的对标准进行介绍,下面先列举标准中常用的充电接口术语定义(图1)。

  图1 标准中对充电接口各部分的术语定义

  供电插座 socket-outlet:供电接口中和电源供电线缆或供电设备连接在一起且固定安装的部分。
  供电插头 plug:供电接口中和充电线缆连接且可以移动的部分。
  车辆插座 vehicle inlet:车辆接口中固定安装在电动汽车上,并通过电缆和车载充电机或车载动力蓄电池相互连接的部分。
  车辆插头 vehicle connector:车辆接口中和充电线缆连接且可以移动的部分。
  不同标准的车辆插座界面比较(图2)

  图2 各国主要充电接口标准的比较

  传导式充电采用的方式
  在目前的电动汽车传导式电能补给过程中主要采用两种方式:直流充电(DC)和交流充电(AC)。一般来说由于直流非车载充电机可以产生较高的功率(100kW以上),所以充电时间较短,多用于需要快速充电的场合。而交流充电一般直接采用民用的220V或110V电压通过车载充电机对电池进行电能补充,由于受到车载充电机体积和散热条件的限制,其功率通常在7kW以下,所以充电时间较长,因此常利用夜间峰谷电对电动汽车进行交流慢速充电。
  交流充电
  交流充电由于受不同国家和地区电网系统的影响,在充电标准中对充电连接器电压和电流的要求也不尽相同。比如在德国三相电的使用比较普遍,即使个人用户在民宅中也可以使用,因此在IEC 62196-2标准中,定义了480V交流充电电压和63A充电电流,实际充电功率可以达到40kW以上。相比在国标GB/T 20234.2中虽然也定义了三相充电电压为440V,但因为中国私人住宅及小区进户直接能使用三相电的情况很少,所以目前交流充电电流最大只有32A,而实际多采用220V,16A进行充电。至于美标的SAE J1772因为只定义了5芯的充电接口,因此采用此标准的电动汽车只能使用单相交流充电,比如通用的沃蓝达(Volt)及日产的聆风(Leaf)。下表为不同标准定义的交流充电连接器最大电流及电压的对照表(表1):


  表1 各标准交流充电电压及电流的比较

  从交流接口的外形来看,三种标准也有区别,其中IEC的type2和GB标准最为接近,均采用7芯的布局,看似可以互相通用,但实际在车辆插头端由于分别采用了母头和公头插芯的设计,所以两者无法互换使用(图3)。SAE标准由于只使用5芯接口,因此它的充电连接界面和IEC type2和GB完全不兼容(图3)。但SAE和GB均采用了机械锁的结构,而IEC只采用内部电子锁机构对车辆插头和插座进行锁定。


  IEC 62196-2 type 2        GB/T 20234.2-2011                   SAE J1772
  图3 三种交流充电标准车辆插头接口界面比较

  不同标准的交流充电接口造成了在电动汽车发展初期全球充电难的问题。比如一辆通用的沃蓝达(Volt)采用的是SAE标准的5芯车辆插座,如果在德国行驶的话,就无法使用IEC type 2的7芯连接系统进行充电。当然解决方法也是有的,可以采用转接适配器或混合标准充电线缆的方式。如图4:供电插头使用的是IEC type 2的接口,而在车辆插头端使用的则是SAE标准接口。


  SAE J1772                                          IEC 62196-2 type 2
  图4 适合欧标充电设备与美标车辆连接的充电线缆

  直流充电
  由于IEC 62196-3直流充电标准还在制定当中,因此在各个国家和地区使用的直流充电接口方式也是五花八门。作为最早实施的日本CHAdeMO形式的直流充电标准,由于受日系车厂电动汽车推广较早的影响,目前在市场中应用最广,在日本CONTROL ENGINEERING China版权所有,欧洲及北美市场均可以找到采用此接口的直流充电设施服务于日产CONTROL ENGINEERING China版权所有,三菱等电动车型的使用。由于采用CAN的通讯协议,因此除了常用的连接确认,充电导引及直流针脚之外还有额外的两根CAN通讯用针脚,所以整个CHAdeMO接口有多达10芯的连接针脚。
  在中国市场由于目前直流充电采用的也是CAN的通讯方式,所以充电接口定义和CHAdeMO非常接近,但外观却有着天壤之别(图5)。在国标GB/T 20234.3中定义的充电电压和电流分别是750V和250A,充电功率可以达到150kW以上,相比CHAdeMO目前60kW的功率要高出一倍,所以在连接器设计中考虑到电气间隙及爬电距离的影响,结构尺寸有很大的不同,目前主要用于城市纯电动公交大巴的电能补充。


  图5 GB/T 20234.3-2011中的直流充电接口

  欧洲与北美的直流充电标准目前还在制定过程中,但在IEC 62196的定义中type 1及type 2的接口也是可以用来进行直流充电的,即在小功率(25kW左右)直流充电的时候欧标与美标采用的接口形式同交流充电口(图2),需要注意的是采用直流充电时充电线缆必须满足标称的额定充电电流。但由于受到本身结构设计的限制,type 1及type 2接口无法用于大功率直流充电(100kW)。
  为了解决未来电动汽车大功率充电问题,德国汽车企业提出了组合式充电接口(Com-bined charging)的概念,并得到了美国车企的响应CONTROL ENGINEERING China版权所有,因此新的直流充电方式应运而生,菲尼克斯电气作为一家专业的电气接口供应商承担了该产品的设计及标准制定工作(图6 左图)。相比较目前广泛使用的CHAdeMO充电方式,组合式充电接口具有以下的特点:1.充电功率更高(100kW以上),可以大幅缩短停车等待时间。2.直流和交流车辆插座(ve-hicle inlet)合二为一(图6 右图),减小了车辆插座占用的空间,并降低了成本。3.兼容现有的交流充电设施。4.采用电力载波通讯方式(Power Line Communication),可扩展性强,便于今后有序充电技术的发展。5.直流充电只采用5芯连接,降低了充电线缆的成本。从2012下半年开始将会有一批采用PLC通讯及组合式充电接口的电动汽车上路进行测试,而与之相关的ISO 15118及IEC 62196-3标准也在加紧制定中,预计在2014或2015年能够颁布实施。该标准是否会影响CHAdeMO及GB的直流充电标准,还需要经过市场的检验,不过从系统设计理念来看组合式充电接口会具有更广泛的应用前景。


  图6 标准正在制定中的交直流组合式充电接口

  展望
  汽车电气化是未来的发展趋势,考虑到目前的电池技术还需要完善,因此传统内燃机仍然会存在相当长的一段时间。所以采用内燃机和电池的混合动力技术将是近期发展的主要方向,而其中PHEV(插电式混合动力技术)由于对充电基础设施依赖较小,节能效果明显,将会得到较快的发展。所以针对于PHEV的车型主要采用的是交流慢充的方式,利用夜间的峰谷电进行220V,16A的交流充电,让电池在车辆起步及交通拥堵低速行驶的路况下发挥作用。大功率的直流充电技术适用于BEV(纯电动)车型的电能快速应急补充,在未来也会有很广泛的应用,由于其电流大电压高,考虑到安全因素和对电网的影响,不会用于家庭私人充电场合,更多的会出现在有人值守的公共快速充电站中。
  新的产业在发展初期,基本都会遇到标准纷繁复杂且互不兼容的情况,电动汽车产业也不例外。因此全球不同的充电接口标准依然会并存较长的时间,但随着电动汽车的普及,人们会越来越多的考虑标准的兼容性问题,即使各国家和地区的充电接口在结构外形上无法形成统一控制工程网版权所有,但涉及到车辆与充电基础设施的通讯方式最终也许会达成一致。
  结语
  菲尼克斯电气作为电动汽车充电连接器的全球供应商,针对于不同的充电接口标准开发了对应的产品,为行驶在不同国家和地区的电动汽车及充电基础设施提供可靠安全的充电连接。

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