◆文/長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 張葵葵

目前，電動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額越來越大，為促進(jìn)充換電基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)濟(jì)高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，讓電動(dòng)汽車在交通領(lǐng)域被廣泛采用，需要在充換電標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行研究。但世界各組織制定的充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)有很多，直接影響到充電設(shè)施的普及與推廣。本文將國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)標(biāo)準(zhǔn)、國際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)、美國汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織(ESO)標(biāo)準(zhǔn)、全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(NTCAS)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，分析電動(dòng)汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)的建立。

一、電動(dòng)汽車的主要標(biāo)準(zhǔn)化組織

與電動(dòng)汽車充電有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可分為3個(gè)部分：電動(dòng)汽車充電設(shè)施(元件)標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)汽車并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)。在電動(dòng)汽車充電元件標(biāo)準(zhǔn)化中，ISO主要致力于將電動(dòng)汽車作為一個(gè)整體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，其他的標(biāo)準(zhǔn)則在組件級(jí)別上進(jìn)行規(guī)范。電動(dòng)汽車并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是處理電動(dòng)汽車充電/放電的，充電/放電過程中，電動(dòng)汽車在電網(wǎng)中就像分布式能源。電網(wǎng)整合標(biāo)準(zhǔn)制定有兩個(gè)主要的參與組織，即電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)和保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)。電動(dòng)汽車充電和電網(wǎng)整合的安全標(biāo)準(zhǔn)，主要參照美國消防協(xié)會(huì)(NFPA)和電氣規(guī)程(NEC)這些組織機(jī)構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn)。

制定電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)最多的3個(gè)組織是美國SAE、歐洲ESO以及中國的NTCAS。SAE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)有9 000多名工程師參與標(biāo)準(zhǔn)修訂和維護(hù)，共制定了81項(xiàng)汽車電氣化標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)定義了有關(guān)電動(dòng)汽車的術(shù)語，如電動(dòng)汽車安全性、電動(dòng)汽車通信、電池、電動(dòng)汽車充電、電動(dòng)汽車電磁兼容性、電源質(zhì)量、額定功率和連接器的協(xié)議。ESO制定了在歐洲實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)，其已建立了95個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中包含了電動(dòng)汽車和相關(guān)系統(tǒng)的所有特征。中國NTCAS已經(jīng)為所有類型的電動(dòng)汽車建立了GB和QGDW標(biāo)準(zhǔn)，已發(fā)布和正在準(zhǔn)備的標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)為79個(gè)。

二、電動(dòng)汽車術(shù)語和詞匯標(biāo)準(zhǔn)

1.電動(dòng)汽車術(shù)語

ISOOTR 8713：2012定義了術(shù)語和詞匯。SAE標(biāo)準(zhǔn)J1715僅涵蓋了混合電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車方面的術(shù)語，SAE標(biāo)準(zhǔn)J1715/2增加了電池術(shù)語。ESO標(biāo)準(zhǔn)EN13447：2001為整個(gè)歐洲國家的電動(dòng)汽車建立了相關(guān)術(shù)語，包括電力傳動(dòng)系、牽引系統(tǒng)、電池、電池組、導(dǎo)電部件、電路、輔助絕緣的定義。NTCAS標(biāo)準(zhǔn)GB/T29317定義了電動(dòng)汽車充換電設(shè)施術(shù)語。表1給出了主要標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的電動(dòng)汽車術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)。

表 1 主要標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的電動(dòng)汽車術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)

電動(dòng)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(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車。

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

(2)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)：第二種電動(dòng)汽車由電力和燃料驅(qū)動(dòng)。因此，它包括一個(gè)油箱和一個(gè)電池，當(dāng)負(fù)載或速度上升時(shí)由汽車的制動(dòng)系統(tǒng)或內(nèi)部內(nèi)燃機(jī)充電。它不能用插座從外部充電。

(3)插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)：是HEV的升級(jí)版，不過，它包括一個(gè)新的電池充電系統(tǒng)，可以由外部充電點(diǎn)提供能源。

(4)增程電動(dòng)汽車(EREV)：就是相當(dāng)于給普通的電動(dòng)汽車裝了一個(gè)內(nèi)燃機(jī)，但是這個(gè)內(nèi)燃機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)車輪，而是給車輛供電用。驅(qū)動(dòng)這輛車跑起來的，依舊是車輛的電動(dòng)機(jī)。燃料被轉(zhuǎn)換成電能，并儲(chǔ)存在電池中。

(5)燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)：這種電動(dòng)汽車是為長距離運(yùn)行而開發(fā)的。其能將氫和氧的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。因此，它沒有油箱，但是有高壓氫罐。它包含一個(gè)充電器。

圖1 5種電動(dòng)汽車

在本文中，引自標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語有：

(1)供應(yīng)設(shè)備(EVSE)是指“充換電站”的基礎(chǔ)設(shè)施，用于將電能從電源傳遞到電動(dòng)汽車充電器，EVSE也稱為充電點(diǎn)，它將電源線、連接器和接口整合到市電中，從而為電動(dòng)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(shè)備或插頭和插座。

(2)可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(RESS)是指任何具有充放電能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)，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(shù)語，見圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車充電電纜和插頭插座等常見術(shù)語示意

2.電動(dòng)汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)

不同組織的充電標(biāo)準(zhǔn)主要集中在傳導(dǎo)充電方法上，感應(yīng)充電或無線充電和電池交換技術(shù)，圖3顯示了主要標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量。

圖3 電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量比較

⑴IEC充換電標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61851-1-2017第1部分，規(guī)定了電動(dòng)車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)的一般要求，適用電動(dòng)道路運(yùn)輸車輛(EV)和插電式混合動(dòng)力車輛(PHEV)的車載充電設(shè)備。充換電設(shè)備供電和輸出額定電壓輸出范圍為高達(dá)1 000V的AC電源和1 500V的直流電源。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的方面包括：①供應(yīng)設(shè)備(EVSE)的特性和運(yùn)行條件；②供應(yīng)設(shè)備與電動(dòng)汽車之間的連接規(guī)范；③供應(yīng)設(shè)備的電氣安全要求。

IEC 61851-21-1:2017電動(dòng)車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第21-1部分規(guī)定了電動(dòng)車輛傳導(dǎo)車載充電器連接交流/直流電源的EMC要求。IEC 61851-21-1:2018電動(dòng)車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第21-2部分規(guī)定了電動(dòng)車輛傳導(dǎo)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(yè)用卡車以及主要設(shè)計(jì)用于越野車的車輛。IEC 61851-24:2014電動(dòng)車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第24部分規(guī)定了電動(dòng)車輛直流充電站和電動(dòng)車輛之間為進(jìn)行直流充電控制而發(fā)生的數(shù)字通信要求。

IEC 61980-1-2015電動(dòng)車輛無線功率傳輸(WPT)系統(tǒng)第1部分給出了一般要求。IECTS 61980-2:2019電動(dòng)車輛無線功率傳輸(WPT)系統(tǒng)第2部分給出了電動(dòng)道路車輛(EV)和基礎(chǔ)設(shè)施之間通信的特殊要求。IEC TS 61980-3:2019電動(dòng)車輛無線功率傳輸(WPT)系統(tǒng)第3部分規(guī)定了磁場(chǎng)無線功率傳輸系統(tǒng)的特殊要求。

IEC TS 62840-1:2016電動(dòng)汽車電池交換系統(tǒng)第1部分規(guī)定了換電總則和指南。IEC 62840-2:2016電動(dòng)汽車電池交換系統(tǒng)第2部分規(guī)定了換電安全要求。

IEC 62196-1和IEC 62196-2定義了用于為電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電的插頭和插座，解決全球區(qū)域企業(yè)單獨(dú)開發(fā)不兼容的問題，規(guī)范了不同電力基礎(chǔ)設(shè)施使用的插頭和插座。IEC 62196-1：2014規(guī)定了插頭、插座、車輛連接器和車輛插孔的一般要求，充電時(shí)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(biāo)準(zhǔn)化了3種類型的連接系統(tǒng)，稱為類型 1、2 和 3。IEC TS 62196-3-1：2020 規(guī)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(biāo)準(zhǔn)都是基于IEC 61851-1，IEC 61851-1定義了3種電纜和插接設(shè)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(nèi)容; 情況C，其中電纜永久連接到充電站，見表3。這些標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)汽車直接連接到電源，在3～10h內(nèi)充滿電。模式4可以在10min內(nèi)為電動(dòng)汽車充滿電量，但由于它使用離網(wǎng)電池，因此實(shí)現(xiàn)成本是最昂貴的。IEC62196-1標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化，并使用IEC 62893規(guī)定直流電纜連接。

表2 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電插頭插座、車輛耦合器的3種類型

表3 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)連接的3種電纜和插接情況

表4 EV充電的4種模式