快速充電標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際動(dòng)向

　　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(guó)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(guó)特色，使電動(dòng)車市場(chǎng)、充電建設(shè)面臨尷尬。和歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在國(guó)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)鋰離子電池在使用中對(duì)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(duì)溫度的監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guó)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(guó)尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的必爭(zhēng)之地。當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)也絕不可能永遠(yuǎn)持續(xù)