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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。即在監視電池狀態的同時，實時計算充電所需電流值，通過通訊線向充電器發送通知;快速充電器及時接收來自汽車的電流命令，并按規定值提供電流。
▲CHAdeMO快速充電系統 通過電池管理系統一邊監視電池狀況，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，由于其抗噪性優越且檢錯能力高，通信穩定性、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。快速充電采用CAN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“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間隔時間發送至充電器。充電器根據穩態電流控制，供應與該參數值一致的電流。其間，車輛還監視車載電池狀態及供電電流。若檢出異常，將用以下4 種方法之一停止充電：①根據CAN通信向充電器發出輸出電流為“零”指示;②根據CAN 通信向充電器發出輸出“出錯”指示;③將“k”切斷，向充電器發送禁止充電模擬信號;④開放EV 接觸器，將輸入電流斷開。 充電器側也監視著自身各回路電流、電壓和溫度，超過限制值時通過CAN發送“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發達國家的必爭之地。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，汽車進出口則會遭遇尷尬。技術先進、性價比高、安全、便捷、快速以及系統穩定性，都是標準追求的目標。未來快速充電器必定實現統一國際標準。 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車協會(現日本汽車研究所)策劃制定。如今，CHArge de Move連接器等物理接口均采用此規格。 關于通訊協議，在以舊規格為基礎的同時，考慮到不同充電器的設計方針，以東京電力為中心，汽車公司、電源設備廠家等又添加了一些內容：(1)汽車和充電器規格信息及汽車電流命令值的數據通訊，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，通過控制程序切實進行安全充電。(2)為不同種類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始、結束，充電器和汽車雙方每次充電時都需各種確認、驗證操作，任何一方操作持續時間超過設定時間，控制程序則不成立，或有可能無法充電。(3)在新規格中，明確所有在充電開始、停止中各步驟的等待時間及實施事項。通過對發生異常情況的明確規定，實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事實上也就成為了行業標準。預計今后會進入專為更大范圍普及的技術改進并開展推廣政策的階段。作為普及活動的團體，在2010年3月成立了“CHArge de Move協議會”。截至今年5月，包括全球著名汽車制造商豐田、日產在內，已有超過430家汽車和充電器制造商加入成為其會員。目前，已有為數不少的汽車公司及充電器制造商采用了CHA de MO協議。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會員正通過互相配合、改進技術、解決難點，實現和相關的企業、團體超越各自的領域范疇與利益關系緊密合作，使快速充電技術能夠成為國際通用標準。 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汽車，隨之開始了有關快速充電規格的探討。當初在SAE中，多數意見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。但有意見指出為實現如此大的容量，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。 另外在完善基礎設施階段中，有系統負荷過大需要加強配電線設備等問題。普遍認為日本提案中的50kW功率標準，充分考慮到了充電時間和設備規模以及與成本的平衡，有一定的科學合理性。 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車上使用，提議將車體開孔控制在最小范圍內。另一方面，如果組合連接器尺寸過大，則會降低操作便利性;在鎖止機構等安全方面，如果很復雜也會產生實用化欠佳問題。 3.歐洲IEC的探討 以戴姆勒、雷諾、RWE為中心、被稱為e-Mobility項目的團體提出將AC三相400V電線配置在充電機上，同時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有達成統一意見。AC充電方式，通過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更小容量防止側壁浸水的SCAME方案，結果使歐洲委員會命令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始探討。 去年，福特、通用、大眾、奧迪、寶馬、戴姆勒和保時捷提出了直流combo快速聯合充電標準系統，現在克萊斯勒又加入其中。未來上述車企的所有電動車將使用同一種制式充電接口。推廣聯合充電系統，能夠兼容四種直流和交流充電模式，意在從行業標準層面與純電動車領跑者日產形成對抗。 4.中國的新動向 2010年底，全國汽車標準化技術委員會牽頭起草了《電動汽車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。 寶馬集團新能源汽車充電系統項目經理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產生安全風險。如果高水平通信沒有PWM指示點，直流充電和現有Combo就不可能組合在一起。 面對國內眾多無序化小規模車廠和國外廠家開始量產的狀況，政府一直致力于結束充電標準各自為政的亂局，但是全國電動車充電標準的統一還有待時日。深圳、合肥、重慶等城市已各自制定了電動車充電標準的“土政策”。 事實上，我國電動汽車標準絕大多數是參照國外有關標準和國際標準制定的。產品技術、水平、質量、研發、創新等環節，均不能與汽車工業發達國家和跨國零部件企業相比。因此，即使政府頒布了國家電動汽車標準，實際操作上也很難捍衛中國在國際標準化組織中的話語權。 來源：第一電動月刊 |
