快速充電標準的國際動向

　　2010年3月，日本成立了名為“CHAdeMO”電動汽車快速充電器協會;今年5月，通用、大眾等8大車企聯合發(fā)表聲明，將共同推廣“Combo”快速充電系統。

　　我國電動汽車雖然已經起步多年，但“標準未出、建設先行”的中國特色，使電動車市場、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”是一個旨在推動電動汽車快速充電器實現國際標準化的組織。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，寓意追求電動汽車快速充電所需時間，僅需喝上一杯茶的功夫即可。

　　1.功率與時間的設定

　　充電輸出功率增大可使充電時間縮短，從而提高充電的便利性。CHAdeMO的研究結果表明，10分鐘可使電動汽車行駛50-60km最符合用戶實際需求，經濟性(充電器成本)和實用性(時間消耗)也最好。

▲充電器參數的設定

　　功率過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。由圖中黃色曲線和第二縱坐標可看出，縮短充電時間、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，對縮短充電時間的影響也不明顯。根據實際運行及統計資料分析，設定電動車耗電量為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

　　快速充電的技術焦點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，電動汽車必須設有電池管理裝置，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進行，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現。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對溫度的監(jiān)測與管理，能夠自動將充電電流控制在符合電池溫度要求的范圍內，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。即在監(jiān)視電池狀態(tài)的同時，實時計算充電所需電流值，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

　　通過電池管理系統一邊監(jiān)視電池狀況，一邊實時控制電流，完全實現了快速、安全充電所需各項功能，確保充電不受電池通用性限制。即使未來電池性能提高，充電基礎設施也不會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，需要通過標準化來實現充電器對電動車的通用性。除通訊協議外，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，應對潛在風險。

CHAdeMO連接器與接口電路

　　CHAdeMO 方式除了數據控制線外，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絡技術而被廣泛應用?？焖俪潆姴捎肅AN技術時，安全起見特意在網關與其他車載設備分離，使ECU 和充電器控制單元實現1 對1通信。

　　4.快充回路設計

　　供電系統和電池系統通過絕緣變壓器分離，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濾器。為檢測充電狀態(tài)下車內是否漏電，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絲直徑變細。一旦漏電，可降低保險絲較細的安全隱憂。實際上，通過電流旁路達到保護目的的保險絲并不能發(fā)揮應有作用，但地線檢測器可以消除風險，提高充電器的安全性能。

▲CHAdeMO快充回路設計

　　5.快速充電過程

　　(1)充電準備

　　按下快速充電器“開始”按鈕，啟動充電程序。充電器關閉“d1”保護，充電器側的12 V電壓通過2 號模擬引腳向車輛供電，同時觸發(fā)“f”光電耦合器。車輛識別充電操作正式開始，電池的最大電壓、電池容量等參數通過CAN 方式傳達給充電器。

▲CHAdeMO快速充電過程

　　充電器接收到信息后，確認該車輛為自身可供電的車輛后，將自身最大電壓、最大輸出電流等數據通過CAN 方式發(fā)送至車輛側。車輛收到該信號后，確認與自身吻合后將充電指令通過“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等方面有無異常。每次充電都按照該方法進行絕緣確認試驗，防止因連接器電纜老化引起短路等事故。絕緣試驗結束后，通過關閉“d2”將充電器已做好全面準備的信息經10號的模擬引腳傳達給車輛。車輛根據“g”光電耦合器進行識別，完成充電準備。通過CAN 通信進行全部準備動作是可行的，上述充電準備程序，所需時間僅數秒。

　　(2)通電

　　車輛關閉電池系統入口側配置的EV 接觸器。車輛邊監(jiān)視電池系統，判斷可能充電的最大電流，邊將該參數值通過CAN以0.1s間隔時間發(fā)送至充電器。充電器根據穩(wěn)態(tài)電流控制，供應與該參數值一致的電流。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開放EV 接觸器，將輸入電流斷開。

　　充電器側也監(jiān)視著自身各回路電流、電壓和溫度，超過限制值時通過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間自動停止供電功能。當然也可手動按下“停止”按鈕結束充電。

　　(3)結束充電

　　結束充電時，車輛通過CAN通信發(fā)送零電流指示信號、充電電流歸零后，開放EV接觸器、切斷“k”電晶體，將模擬停止信號發(fā)送至充電器，確認輸出電流為零后開放“d1”、“d2”繼電保護?！癲2”繼電的保護作用主要是向EV 接觸器的螺線管提供12 伏電源。

　　EV接觸器開關是根據車輛的判斷由EV接觸器控制繼電保護開關操作的。設計上EV接觸器的螺線管電源由充電器提供，以避免車輛側的誤操作引起EV接觸器誤關閉。連接器未插入狀態(tài)下，由于螺線管未導電而降低了EV 接觸器誤關閉的風險，可防止插口處電池電壓超出300 伏。

　　地線即便很細，但由于設置了地線檢測器因此是安全的。如果地線斷了，那么“f”、“g”、“j”光電耦合器信號將同時消失，立即引起充電器輸出停止和EV接觸器開放的連鎖反應。由此可見，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向

　　將快速充電器作為公共基礎設施推廣普及時，需要統一接口，且需提供不同車型均能充電的基礎設施，需要統一與連接器的物理接口，以及前述通訊協議軟件接口。

　　技術標準是搶占技術制高點的神兵利器，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(xù)