快速充电标准的国际动向

　　2010年3月，日本成立了名为“CHAdeMO”电动汽车快速充电器协会;今年5月，通用、大众等8大车企联合发表声明，将共同推广“Combo”快速充电系统。

　　我国电动汽车虽然已经起步多年，但“标准未出、建设先行”的中国特色，使电动车市场、充电建设面临尴尬。和欧美日等发达国家相比，在国际标准舞台上的角色并未受到重视。

　　一、从“一杯茶即得”谈起

　　“CHAdeMO”是一个旨在推动电动汽车快速充电器实现国际标准化的组织。日语「茶でも」的发音是“CHAdeMO”，其谐音汉译是“一杯茶即得”的意思，寓意追求电动汽车快速充电所需时间，仅需喝上一杯茶的功夫即可。

　　1.功率与时间的设定

　　充电输出功率增大可使充电时间缩短，从而提高充电的便利性。CHAdeMO的研究结果表明，10分钟可使电动汽车行驶50-60km最符合用户实际需求，经济性(充电器成本)和实用性(时间消耗)也最好。

▲充电器参数的设定

　　功率过大将导致充电基础设施投资加大;大功率充电设备对安全性设计的要求更苛刻。由图中黄色曲线和第二纵坐标可看出，缩短充电时间、提高充电功率，充电器成本将成倍增加，充电功率大于50kW以后，对缩短充电时间的影响也不明显。根据实际运行及统计资料分析，设定电动车耗电量为7km/kWh最合理。若以此为依据确定充电10分钟可行驶50-60km为设计目标，快速充电器输出功率正好在40～50kW。

　　2.抑制电池老化对策

　　快速充电的技术焦点在于如何避免因快充导致的电池老化。造成电池容量降低的主因是高温和过压的影响与控制。高压、高温极易损坏电池极板，使电容量急速下降。所以，电动汽车必须设有电池管理装置，以满足对锂离子电池在使用中对电压、温度等的管控要求。

　　由于电池性能会因材料特性、使用工况而发生变化，如果靠充电器的模拟一种标准来进行，避免电池老化的方法就只能以最坏的使用环境和最差的电池为前提，确定充电电流才最安全、最保险。如此，快充目的便不可能实现。即使将来电池性能提高了，快充效果同样难以得到。车载电池受到电池管理系统对温度的监测与管理，能够自动将充电电流控制在符合电池温度要求的范围内，使温度过高的问题得以回避。

　　CHAdeMO 采用的快速充电方式如图所示，电流受控于汽车的CAN总线信号。即在监视电池状态的同时，实时计算充电所需电流值，通过通讯线向充电器发送通知;快速充电器及时接收来自汽车的电流命令，并按规定值提供电流。

▲CHAdeMO快速充电系统

　　通过电池管理系统一边监视电池状况，一边实时控制电流，完全实现了快速、安全充电所需各项功能，确保充电不受电池通用性限制。即使未来电池性能提高，充电基础设施也不会因电池升级换代而淘汰。

　　3.连接器与接口

　　作为快速充电的公共设施，需要通过标准化来实现充电器对电动车的通用性。除通讯协议外，连接器与接口须纳入标准化范围。由于安全设计必须以最大电压和最大电流为前提，所以连接器必须有足够安全系数，应对潜在风险。

CHAdeMO连接器与接口电路

　　CHAdeMO 方式除了数据控制线外，还采用CAN 总线作为通信接口，由于其抗噪性优越且检错能力高，通信稳定性、可靠性高，因此作为车载控制器的分散型网络技术而被广泛应用。快速充电采用CAN技术时，安全起见特意在网关与其他车载设备分离，使ECU 和充电器控制单元实现1 对1通信。

　　4.快充回路设计

　　供电系统和电池系统通过绝缘变压器分离，可防止因单一故障使供电系统的电压增加到电池系统。此外，不仅设置了提高效率的改善回路，还设置了可消除高次谐波影响的交流过滤器。

　　在电池系统方面，为防止对锂离子电池造成不良影响，在出口处设计了可以消除波纹电压噪声的过滤器。为检测充电状态下车内是否漏电，充电器回路源头专门安装了地线检测器。这使充电器和车辆之间的保险丝直径变细。一旦漏电，可降低保险丝较细的安全隐忧。实际上，通过电流旁路达到保护目的的保险丝并不能发挥应有作用，但地线检测器可以消除风险，提高充电器的安全性能。

▲CHAdeMO快充回路设计

　　5.快速充电过程

　　(1)充电准备

　　按下快速充电器“开始”按钮，启动充电程序。充电器关闭“d1”保护，充电器侧的12 V电压通过2 号模拟引脚向车辆供电，同时触发“f”光电耦合器。车辆识别充电操作正式开始，电池的最大电压、电池容量等参数通过CAN 方式传达给充电器。

▲CHAdeMO快速充电过程

　　充电器接收到信息后，确认该车辆为自身可供电的车辆后，将自身最大电压、最大输出电流等数据通过CAN 方式发送至车辆侧。车辆收到该信号后，确认与自身吻合后将充电指令通过“k”电晶体传导至4号模拟引脚。充电器接收到该指令后，将连接器锁定后向出口回路短暂加压，测试包括连接器接口在内的出口回路在短路及地线等方面有无异常。每次充电都按照该方法进行绝缘确认试验，防止因连接器电缆老化引起短路等事故。绝缘试验结束后，通过关闭“d2”将充电器已做好全面准备的信息经10号的模拟引脚传达给车辆。车辆根据“g”光电耦合器进行识别，完成充电准备。通过CAN 通信进行全部准备动作是可行的，上述充电准备程序，所需时间仅数秒。

　　(2)通电

　　车辆关闭电池系统入口侧配置的EV 接触器。车辆边监视电池系统，判断可能充电的最大电流，边将该参数值通过CAN以0.1s间隔时间发送至充电器。充电器根据稳态电流控制，供应与该参数值一致的电流。其间，车辆还监视车载电池状态及供电电流。若检出异常，将用以下4 种方法之一停止充电：①根据CAN通信向充电器发出输出电流为“零”指示;②根据CAN 通信向充电器发出输出“出错”指示;③将“k”切断，向充电器发送禁止充电模拟信号;④开放EV 接触器，将输入电流断开。

　　充电器侧也监视着自身各回路电流、电压和温度，超过限制值时通过CAN发送“出错”信号停止供电。此外，还设计了充电超出预想时间自动停止供电功能。当然也可手动按下“停止”按钮结束充电。

　　(3)结束充电

　　结束充电时，车辆通过CAN通信发送零电流指示信号、充电电流归零后，开放EV接触器、切断“k”电晶体，将模拟停止信号发送至充电器，确认输出电流为零后开放“d1”、“d2”继电保护。“d2”继电的保护作用主要是向EV 接触器的螺线管提供12 伏电源。

　　EV接触器开关是根据车辆的判断由EV接触器控制继电保护开关操作的。设计上EV接触器的螺线管电源由充电器提供，以避免车辆侧的误操作引起EV接触器误关闭。连接器未插入状态下，由于螺线管未导电而降低了EV 接触器误关闭的风险，可防止插口处电池电压超出300 伏。

　　地线即便很细，但由于设置了地线检测器因此是安全的。如果地线断了，那么“f”、“g”、“j”光电耦合器信号将同时消失，立即引起充电器输出停止和EV接触器开放的连锁反应。由此可见，连接器引脚布局和充电系统整体安全设计紧密相连。

　　充电停止后，出口回路的电压确认降到20 伏以下后，开放连接器的闸口，这样一连串充电的程序全部结束。

　　二、快速充电国际标准化动向

　　将快速充电器作为公共基础设施推广普及时，需要统一接口，且需提供不同车型均能充电的基础设施，需要统一与连接器的物理接口，以及前述通讯协议软件接口。

　　技术标准是抢占技术制高点的神兵利器，成为世界各国尤其是工业发达国家的必争之地。当然标准之争也绝不可能永远持续