國內外電動汽車充換電設施標準及應用現狀(上)

一、電動汽車的主要標準化組織

與電動汽車充電有關的標準可分為3個部分：電動汽車充電設施(元件)標準、電動汽車并網標準和安全標準。在電動汽車充電元件標準化中，ISO主要致力于將電動汽車作為一個整體進行標準化，其他的標準則在組件級別上進行規范。電動汽車并網標準是處理電動汽車充電/放電的，充電/放電過程中，電動汽車在電網中就像分布式能源。電網整合標準制定有兩個主要的參與組織，即電氣工程師協會(IEEE)和保險商實驗室(UL)。電動汽車充電和電網整合的安全標準，主要參照美國消防協會(NFPA)和電氣規程(NEC)這些組織機構制定的標準。

制定電動汽車標準最多的3個組織是美國SAE、歐洲ESO以及中國的NTCAS。SAE標準委員會有9 000多名工程師參與標準修訂和維護，共制定了81項汽車電氣化標準，這些標準定義了有關電動汽車的術語，如電動汽車安全性、電動汽車通信、電池、電動汽車充電、電動汽車電磁兼容性、電源質量、額定功率和連接器的協議。ESO制定了在歐洲實施的標準，其已建立了95個標準，其中包含了電動汽車和相關系統的所有特征。中國NTCAS已經為所有類型的電動汽車建立了GB和QGDW標準，已發布和正在準備的標準總數為79個。

二、電動汽車術語和詞匯標準

1.電動汽車術語

ISOOTR 8713：2012定義了術語和詞匯。SAE標準J1715僅涵蓋了混合電動汽車和電動汽車方面的術語，SAE標準J1715/2增加了電池術語。ESO標準EN13447：2001為整個歐洲國家的電動汽車建立了相關術語，包括電力傳動系、牽引系統、電池、電池組、導電部件、電路、輔助絕緣的定義。NTCAS標準GB/T29317定義了電動汽車充換電設施術語。表1給出了主要標準化組織發布的電動汽車術語標準。

表 1 主要標準化組織發布的電動汽車術語標準

電動汽車主要有5種類型(如下所說明和圖1所示)，需要充換電的有電池電動汽車和插電式混合動力汽車。

(1)電池電動汽車(BEV)：這種電動汽車使用儲存在電池中的電作為主要能源來源。它沒有內燃機，也沒有燃料電池或燃料箱。司機可以將插座插入充電點為電池充電。有各種各樣的插座。

(2)混合動力電動汽車(HEV)：第二種電動汽車由電力和燃料驅動。因此，它包括一個油箱和一個電池，當負載或速度上升時由汽車的制動系統或內部內燃機充電。它不能用插座從外部充電。

(3)插電式混合動力汽車(PHEV)：是HEV的升級版，不過，它包括一個新的電池充電系統，可以由外部充電點提供能源。

(4)增程電動汽車(EREV)：就是相當于給普通的電動汽車裝了一個內燃機，但是這個內燃機不直接驅動車輪，而是給車輛供電用。驅動這輛車跑起來的，依舊是車輛的電動機。燃料被轉換成電能，并儲存在電池中。

(5)燃料電池電動汽車(FCEV)：這種電動汽車是為長距離運行而開發的。其能將氫和氧的化學能轉化成電能來驅動電動機。因此，它沒有油箱，但是有高壓氫罐。它包含一個充電器。

圖1 5種電動汽車

在本文中，引自標準中的術語有：

(1)供應設備(EVSE)是指“充換電站”的基礎設施，用于將電能從電源傳遞到電動汽車充電器，EVSE也稱為充電點，它將電源線、連接器和接口整合到市電中，從而為電動汽車電池提供能量。EVSE和市電之間的接口將直接“硬連線”到控制設備或插頭和插座。

(2)可充電儲能系統(RESS)是指任何具有充放電能力的儲能系統，如電池、電容器等。

(3)插頭、插座、車輛插孔、車輛連接器、車輛耦合器等術語，見圖2所示。

圖2 電動汽車充電電纜和插頭插座等常見術語示意

2.電動汽車充換電設施標準

不同組織的充電標準主要集中在傳導充電方法上，感應充電或無線充電和電池交換技術，圖3顯示了主要標準化組織制定的電動汽車充電標準數量。

圖3 電動汽車充電標準數量比較

⑴IEC充換電標準

IEC 61851-1-2017第1部分，規定了電動車輛傳導充電系統的一般要求，適用電動道路運輸車輛(EV)和插電式混合動力車輛(PHEV)的車載充電設備。充換電設備供電和輸出額定電壓輸出范圍為高達1 000V的AC電源和1 500V的直流電源。該標準涵蓋的方面包括：①供應設備(EVSE)的特性和運行條件；②供應設備與電動汽車之間的連接規范；③供應設備的電氣安全要求。

IEC 61851-21-1:2017電動車輛傳導充電系統第21-1部分規定了電動車輛傳導車載充電器連接交流/直流電源的EMC要求。IEC 61851-21-1:2018電動車輛傳導充電系統第21-2部分規定了電動車輛傳導非車載充電器連接交流/直流電源的EMC要求。

IEC 61851-23:2014 給出了DC快速充電裝置和EV之間的控制和通信連接要求，不適用于無軌電車、鐵路車輛、工業用卡車以及主要設計用于越野車的車輛。IEC 61851-24:2014電動車輛傳導充電系統第24部分規定了電動車輛直流充電站和電動車輛之間為進行直流充電控制而發生的數字通信要求。

IEC 61980-1-2015電動車輛無線功率傳輸(WPT)系統第1部分給出了一般要求。IECTS 61980-2:2019電動車輛無線功率傳輸(WPT)系統第2部分給出了電動道路車輛(EV)和基礎設施之間通信的特殊要求。IEC TS 61980-3:2019電動車輛無線功率傳輸(WPT)系統第3部分規定了磁場無線功率傳輸系統的特殊要求。

IEC TS 62840-1:2016電動汽車電池交換系統第1部分規定了換電總則和指南。IEC 62840-2:2016電動汽車電池交換系統第2部分規定了換電安全要求。

IEC 62196-1和IEC 62196-2定義了用于為電動汽車傳導充電的插頭和插座，解決全球區域企業單獨開發不兼容的問題，規范了不同電力基礎設施使用的插頭和插座。IEC 62196-1：2014規定了插頭、插座、車輛連接器和車輛插孔的一般要求，充電時額定工作電壓不超過500V/AC，額定電流不超過63A三相、73A單相，電源頻率為50～60Hz。而IEC 62196-2標準化了3種類型的連接系統，稱為類型 1、2 和 3。IEC TS 62196-3-1：2020 規定了用于直流充電的插頭、插座、車輛連接器和車輛插孔，額定工作電壓不超過1 500V/DC且額定電流不超過250A，以及額定電壓不超過1000V/AC且額定電流不超過250A，采用熱傳感。見表2，各種插頭插座、車輛耦合器的類型匯總。

這些標準都是基于IEC 61851-1，IEC 61851-1定義了3種電纜和插接設置，可用于為EV充電：情況A，其中電纜永久連接到 EV;情況B，其中電纜未永久連接到任何內容; 情況C，其中電纜永久連接到充電站，見表3。這些標準基于IEC 61851-1，它定義了從電源為EV充電的4種模式。模式1到3允許電動汽車直接連接到電源，在3～10h內充滿電。模式4可以在10min內為電動汽車充滿電量，但由于它使用離網電池，因此實現成本是最昂貴的。IEC62196-1標準適用于所有這4種模式(見表4)，而IEC62 196-2適用于模式1到3。IEC 62196-3將模式4直流充電標準化，并使用IEC 62893規定直流電纜連接。

表2 電動汽車傳導充電插頭插座、車輛耦合器的3種類型

表3 電動汽車與電網連接的3種電纜和插接情況

表4 EV充電的4種模式