張萱,朱金大
(1.國網(wǎng)電力科學研究院實驗驗證中心,江蘇南京 210061;2.國網(wǎng)電力科學研究院,江蘇南京 211000)
電動汽車和電網(wǎng)的互通兼容標準化現(xiàn)狀和發(fā)展
張萱1,朱金大2
(1.國網(wǎng)電力科學研究院實驗驗證中心,江蘇南京210061;2.國網(wǎng)電力科學研究院,江蘇南京211000)
全面介紹國內(nèi)外電動汽車充電標準化的現(xiàn)狀與動態(tài),電動汽車與電網(wǎng)通信接口標準化工作進展,著重從物理結構、通信方式上對比分析國內(nèi)外直流充電接口和通信接口技術方案及其差異,闡述了電動汽車充電互操作性測試標準的發(fā)展趨勢,對后續(xù)標準體系和協(xié)調進行了總結和預測。
電網(wǎng)交互;直流充電;電動汽車
全球經(jīng)濟的快速發(fā)展,將面臨能源供應短缺、生態(tài)環(huán)境污染等嚴峻挑戰(zhàn)。從行業(yè)發(fā)展、城市規(guī)劃、清潔能源應用等方面考慮,發(fā)展電動汽車,倡導“綠色出行”,實現(xiàn)交通能源全面轉型,符合能源持續(xù)利用戰(zhàn)略。2012年國科委發(fā)布《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》,把關鍵零部件技術、整車集成技術和公共平臺技術作為優(yōu)先發(fā)展的重點領域。為滿足我國電動汽車充換站建設的規(guī)范管理,截至2014年底,我國已發(fā)布電動汽車充換電標準17項,行業(yè)標準13項,目前有4項國家標準和3項行業(yè)標準正在報批,國家電網(wǎng)公司負責發(fā)布企業(yè)標準43項。涵蓋基礎設施、充電接口、通信協(xié)議等關鍵部件產(chǎn)品,初步建立了我國電動汽車充換電標準體系。直流充電機及其接口作為電動汽車充電系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié),其標準化程度將直接影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
1.1國內(nèi)標準體系現(xiàn)狀
我國電動汽車充電標準的制定工作是伴隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生,最早起步于翻譯和采用國際標準,GB/T 18487.1—2001《電動車輛傳導充電系統(tǒng)一般要求》[1]標準等效采用IEC 61851—1:2001[2];GB/T 20234—2006《電動汽車傳導充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔通用要求》[3]規(guī)定了充電接口的定義、分類、通用要求、試驗方法,但未統(tǒng)一充電接口的物理結構和規(guī)格尺寸,現(xiàn)在該標準已由GB/T 20234.1[4]、20234.2[5]、20234.3[6]系列標準代替,分別為通用要求、交流接口和直流接口3個部分,其中第3部分規(guī)定了直流接口的物理結構尺寸和安全保護策略。隨著技術革新和國際標準的推進,涉及充電系統(tǒng)、充電接口、通信協(xié)議的5項國標正在修訂,以便滿足最新技術要求。
電動汽車充換電設施標準化工作得到了國家、行業(yè)和企業(yè)的高度重視,國家標準化管理委員會牽頭制定了電動汽車充電設施標準化工作方案,開展了充電技術和設施標準體系研究。2010年7月,成立的能源行業(yè)電動汽車充電設施標準化技術委員會,致力于建立具有我國獨立知識產(chǎn)權的電動汽車充換電設施標準體系。為解決目前存在電動汽車充電不兼容的問題,中電纜提出編制充電兼容性檢測標準,根據(jù)國家標準委2014年批準計劃安排,《電動汽車充電連接裝置檢驗試驗規(guī)范》(20141712-T-524)已獲批準,《電動汽車非車載充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議一致性測試》正在公示階段。2015年3月召開標準編制啟動會上擬將《電動汽車充電連接裝置檢驗試驗規(guī)范》更名為《電動汽車充電連接系統(tǒng)互操作性測試規(guī)范》。這兩項標準將從充電接口和通信協(xié)議兩個方面,保證充電設備與電動汽車之間的互連互通,解決充電不兼容問題。
已發(fā)布的相關國家標準如表1所示。
表1 已發(fā)布的電動汽車充換電相關的國家標準Tab.1 The national standards for EV charging and battery swapping facilities published
1.2國際標準發(fā)展現(xiàn)狀
電動汽車充換電設施標準化工作得到越來越多的重視。國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)以及歐美日等國家的行業(yè)組織都正在制定電動汽車充換電設施相關標準。
1.2.1ISO/IEC標準現(xiàn)狀
ISO和IEC正在制修訂的充換電標準主要集中在充電系統(tǒng)、充電接口、通信以及電池更換等幾個方面。
充電系統(tǒng)標準主要是IEC 61851系列標準,該標準是國際上最早的電動汽車充電系統(tǒng)標準。
1)IEC 61851—1規(guī)定了充電系統(tǒng)的通用要求,該標準第2版已于2010年11月份發(fā)布,目前其修訂的第3版本正處于委員會草案(CD)階段。
2)IEC 61851—21[7]規(guī)定了電動汽車在交流/直流充電連接時的要求,目前其修訂的第2版本正處于委員會草案(CD)階段。工作組正在制定IEC 61851—21—1[8]、IEC 61851—21—2[9],這2個標準規(guī)定了車載充電機和非車載充電機的電磁兼容要求,新標準均處于委員會草案(CD)階段。
3)IEC 61851—22[10]規(guī)定了電動汽車交流充電系統(tǒng)要求,該標準第1版將于2001年發(fā)布。
4)IEC 61851—23[11]規(guī)定了電動汽車直流充電系統(tǒng)要求,該標準第1版將于2014年3月發(fā)布。
目前IEC正在對IEC61851—23直流充電系統(tǒng)開展一致性測試工作,已于2012年10月成立了一致性測試子工作組,參與國家主要有中國、日本、德國、美國;2013年1月底各國提交測試方案;2013年4月15日在加拿大多倫多召開一致性測試啟動會。目前一致性測試工作處于完善階段,可能將作為IEC的技術規(guī)范(TS)或公開規(guī)范(PAS)文檔發(fā)布,亦或納入IEC 61851—23第2版或為獨立標準。
充電接口標準主要是IEC 62196系列標準。
1)IEC 62196—1[12]規(guī)定了傳導式充電接口的通用要求,該標準第3版已于2014年6月發(fā)布。
2)IEC 62196—2[13]規(guī)定了傳導式充電接口的交流插針、導電銅管附件的尺寸互換性要求,該標準第1版已于2011年2月發(fā)布,目前正準備修訂第2版。
3)IEC 62196—3[14]規(guī)定了傳導式充電接口的直流插針、導電銅管附件的尺寸互換性要求,該標準第1版已于2014年6月發(fā)布,標準中采納了日本、中國、美國和德國等四國的提案。
通信標準主要是IEC 61851-24和ISO 15118系列標準:
1)IEC 61851—24[15]規(guī)定了直流充電的通信要求和協(xié)議,該標準第1版已于2014年3月發(fā)布。
2)IEC 15118—1[16]規(guī)定了電動汽車與電網(wǎng)通信接口的通用信息和用例定義,該標準第1版已于2013年4月發(fā)布。
3)IEC 15118—2[17]規(guī)定了電動汽車與電網(wǎng)通信接口的網(wǎng)絡和應用協(xié)議要求,該標準第1版已于2014年3月發(fā)布。
4)IEC 15118—3[18]規(guī)定了電動汽車與電網(wǎng)通信接口的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層要求,該標準第1版正處于委員會草案投票(CDV)階段。
5)IEC 15118—4[19]規(guī)定了電動汽車與電網(wǎng)通信接口的網(wǎng)絡和應用協(xié)議一致性測試,該標準第1版正處于委員會草案(CD)階段。
6)IEC 15118—5[20]規(guī)定了電動汽車與電網(wǎng)通信接口的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層一致性測試,該標準第1版正處于委員會草案(CD)階段。
7)IEC 15118—6[21]規(guī)定了電動汽車與電網(wǎng)通信接口對無線通信的通用信息和用例定義,該標準第1版正處于委員會草案(CD)階段。
電池更換標準主要是IEC 62840系列標準,這是世界第一個換電國際標準,也是由中國牽頭,國家電網(wǎng)公司負責提出的國際標準提案:
1)IEC 62840—1[20]規(guī)定了電動汽車電池更換系統(tǒng)通用要求,該標準第1版本正處于委員會草案(CD)階段。
2)IEC 62840—2[21]規(guī)定了電動汽車電池更換系統(tǒng)安全要求,該標準第1版本正處于委員會草案(CD)階段。
1.2.2美國標準現(xiàn)狀
美國負責電動汽車標準制修訂的機構為美國機動工程師協(xié)會SAE,該組織旨在為混合動力和電動汽車提供更安全高效的操作流程和駕駛體驗。已發(fā)布的電動汽車充電相關標準有:
1)SAE J 1772—2010《電動汽車和插電式混合動力汽車傳導式充電接口》[24],該標準規(guī)定了電動汽車交流充電接口的通用要求、物理結構和尺寸、控制導引電路。
2)SAE J 1939《路面車輛推薦操作規(guī)程》系列標準規(guī)定了包括CAN網(wǎng)絡物理層定義、數(shù)據(jù)鏈路層定義、應用層定義、網(wǎng)絡層定義、故障診斷和網(wǎng)絡管理。
1.2.3日本標準現(xiàn)狀
日本電動汽車協(xié)會JEVA專門負責電動汽車標準化的研究與標準的制定,已先后發(fā)布有關新能源汽車的60多項標準,形成了比較完善的純電動汽車與混合動力汽車標準法規(guī)體系??焖俪潆娬净A設施推進協(xié)會提出了CHAdeMO標準規(guī)定了直流充電接口以及非車載充電機的相關標準,致力于推進高效的快速充電站的發(fā)展和快速充電站及其系統(tǒng)的國際標準化。
直流充電接口作為電網(wǎng)與電動汽車交互的重要組件,其標準化是實現(xiàn)連接器物理連接和互換性的基礎,技術要求主要涉及外形尺寸、針腳數(shù)及布置、鎖止方式、額定電壓和電流等。我國現(xiàn)有標準和國際標準中關于直流充電接口的對比情況如表2所示。
1)IEC 62196-3直流充電接口標準中規(guī)定了4種直流充電接口物理結構,其中附錄AA的主要支持國家為日本,附錄BB的主要支持國家為中國,附錄EE的主要支持國家為美國,附錄FF的主要支持國家為德國。中國的直流充電接口已在GB/T 20234.3中發(fā)布。
2)最早實施的日本CHAdeMO形式的直流充電標準,采用CAN的通訊協(xié)議,因此除了常用的連接確認,充電導引及直流針腳之外還有額外的2根CAN通訊用針腳,因此整個CHAdeMO接口有多達10芯的連接針腳。中國直流充電也采用CAN通訊方式,所以充電接口定義和CHAdeMO非常接近。
3)中國定義額定電壓和電流分別是750 V和125 A/250 A,充電功率可以達到150 kW以上,相比CHAdeMO目前應用的功率要更高,因而二者在連接器設計中考慮到電氣間隙及爬電距離的影響,結構尺寸和樣式有很大的差異。
4)歐美的直流充電標準目前還在制定過程中,但小功率(25 kW左右)直流充電時,可以使用類似于交流接口標準中定義的美國(type1)及德國(type2交流充電口,當直流充電時其充電線纜必須滿足標稱充電電流。
5)德國和美國提出的組合式充電接口,以彌補目前沒有大功率直流接口的空缺。組合式充電接口是將直流和交流車輛插座合二為一,兼容現(xiàn)有的交流充電設施,采用電力載波通訊方式(PLC),直流充電只采用5芯連接,大大降低了充電線纜的成本。
3.1數(shù)字通信結構
目前國際上主流的充電交互數(shù)字通信結構有基于CAN通信電路,ISO 11898-1給出了CAN通信協(xié)議的明確定義,日本和中國充電系統(tǒng)主要采用這種通信結構。另外一種為在控制導引線上采用Homeplug Green PHY技術的通信方式,這是歐美國家充電系統(tǒng)的實現(xiàn)方式,滿足相關安、自動連接、IPv6無線通信、C/S模式等。
3.2充電控制概述
直流充電控制數(shù)據(jù)通信如圖1所示。這里不涉及直流電動汽車充電站或汽車內(nèi)部的控制協(xié)議,如直流電動汽車充電站和汽車中控制電池管理的交流/直流轉換器的電力控制協(xié)議。
3.3我國的直流充電數(shù)字通信
3.3.1直流充電協(xié)議中交換的信息
在充電過程中直流充電機和汽車之間應能交換相關信息,包括恒流充電狀態(tài)下電流請求、恒壓充電狀態(tài)下電壓請求、直流充電機的最大額定電壓、直流充電機的最大額定電流、通信協(xié)議軟件版本、汽車的最大電壓限值、絕緣檢測結果、充電前的短電路測試、用戶停止充電命令、數(shù)字通信丟失檢測、零電流確認、焊接檢測等。
圖1 直流充電機和電動汽車之間的數(shù)字通信Fig.1 Data communication between the DC charger and EVs
3.3.2基于CAN的直流充電機與BMS通信
1)物理層
物理層應符合ISO 11898—1:2003[25]、SAE J 1939—11:2006[26]中關于物理層的規(guī)定。充電機與BMS之間的通信速率可選用50 kbit/s、125 kbit/s或250 kbit/s。
2)數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層應符合SAE J1939—21:2006[27]中關于數(shù)據(jù)幀、消息傳輸?shù)囊?guī)定。
a.幀格式:CAN擴展幀的29位標識符。
b.協(xié)議數(shù)據(jù)單元:每個CAN數(shù)據(jù)幀包含一個單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元,見圖2。協(xié)議數(shù)據(jù)單元由7部分組成,分別是優(yōu)先權、保留位、數(shù)據(jù)頁、PDU格式、特定PDU、源地址和數(shù)據(jù)域。
圖2 協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDUFig.2 The format of Protocol Data Unit
c.參數(shù)組編號PGN:PGN的第二個字節(jié)為PDU格式(PF)值,高字節(jié)和低字節(jié)位均為00H。
d.傳輸協(xié)議功能:BMS與充電機之間傳輸9字節(jié)或以上的數(shù)據(jù)使用傳輸協(xié)議功能。
e.地址的分配:標準網(wǎng)絡地址用于保證信息標識符的唯一性以及表明信息的來源。
f.信息類型:CAN總線技術規(guī)范支持5種類型的信息,分別為命令、請求、廣播/響應、確認和組功能。
3)應用層
應用層采用參數(shù)和參數(shù)組定義的形式。采用PGN對參數(shù)組進行編號,各個節(jié)點根據(jù)PGN來識別數(shù)據(jù)包的內(nèi)容,并采用周期發(fā)送數(shù)據(jù)。
隨著電動汽車及快充技術應用日益廣泛,我國對電動汽車與電網(wǎng)以及充電設備交互的安全問題日漸重視,充電檢測技術建設工作將逐步開展,技術標準不斷修訂完善走向成熟,檢測標準化進程會進一步加快,其執(zhí)行力度也將會進一步加強。
1)我國將制定針對充電互操作檢測方法的標準。在我國電動汽車充換電設施系列標準中,針對我國電動汽車充電互連互通要求和檢測方法的標準存在缺失。目前能源局行標NB/T 33008.1《充電設備檢驗試驗規(guī)范第一部分:非車載充電機檢驗試驗規(guī)范》[28]尚無專門針對充電接口的檢驗試驗辦法和準則的內(nèi)容,國家電網(wǎng)企業(yè)標準Q/GDW590—2011《電動汽車傳導式充電接口檢驗技術規(guī)范》[29]只規(guī)定了機械性能、電氣性能等相關檢測方法,沒有對兼容性、安全性等方面進行標準化。IEC 61851—23已經(jīng)開展直流充電機一致性測試標準制定工作。2015年3月我國也開始開展對充電連接系統(tǒng)互操作測試標準和通信協(xié)議一致性測試兩項國家標準的編制,完善充電標準體系。
2)我國應進一步加強充電互操作性的實驗驗證能力建設提高電動汽車和電網(wǎng)交互接口可靠性和安全性。我國與歐美日先進國家相比,在電動汽車充換電領域的基礎研究、技術開發(fā)以及標準體系建設方面存在著一定的差距,能夠在國際上有影響的技術創(chuàng)新還偏少,特別是在參與國際標準制修訂過程中,我國對多項標準提出了相關建議,其中只有少部分得到采納,重要原因就是提出的建議缺少實驗數(shù)據(jù)支撐,難以獲得其他國家的認同。通過開展相應的試驗驗證技術研究和試驗系統(tǒng)建設,可對標準中涉及的關鍵技術參數(shù)和要求進行全面的實驗驗證和分析,在此基礎上才能對標準條款提出合理建議。這些國際標準中涉及很多有關電氣、機械、安全性、一致性等方面的數(shù)據(jù)、方法和流程等急需相關的實驗驗證數(shù)據(jù)支撐。因此一方面充分借鑒國際上相對成熟的標準成果;另一方面開展支撐標準化發(fā)展的試驗能力,這將有助于推進我國電動汽車充換電設施標準國際化工作。
電動汽車充換電標準是電動汽車與電網(wǎng)互動技術的重要組成部分,充電和通信接口標準屬于其中非常重要的基礎性標準,國內(nèi)標準的統(tǒng)一和國際標準的協(xié)調對電動汽車應用推廣將具有重要意義。本文分析了國內(nèi)外現(xiàn)有充換電標準化工作,并提出對未來標準化工作的發(fā)展方向和建議。為了把握交通能源動力系統(tǒng)轉型的戰(zhàn)略機遇,搶占未來汽車產(chǎn)業(yè)競爭制高點,我國必須堅持自主創(chuàng)新,加強相關標準的制定,力爭在全球電動汽車發(fā)展競爭中占據(jù)領先位置。
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[13]IEC 62196—2:2011 Ed1.0 Plugs,socket-outlets,vehicle connectorsand vehicle inlets-Conductive charging of electric vehicles-Part 2:Dimensional compatibility and interchangeability requirements for a.c.pin and contacttube accessories[S].Switzerland:International Electrotechnical Commission,2011.
[14]IEC 62196—3:2014 Ed1.0 Plugs,Socket-outlets,vehicle couplers and vehicle inlets-conductive charging of electric vehicles,Part 3:dimensional compatibility and interchangeability requirements for d.c.and a.c./d.c.pin and tube-type contact vehicle couplers[S].Switzerland:International Electrotechnical Commission,2014.
[15]IEC 61851—2—4:2014 Ed1.0 Electric vehicle conductive charging system-Part 24:Digital communication between a dc EV charging station and an electric vehicle for control of d.c.charging[S].Switzerland:International Electrotechnical Commission,2014.
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[17]ISO 15118-2:2014 Ed1.0 Road vehicles-Vehicle-to-Grid communication interface-Part 2:Network and application protocol requirements[S].Switzerland:International Organization for Standardization,2014.
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[28]NB/T 33008.1—2013.充電設備檢驗試驗規(guī)范第一部分:非車載充電機檢驗試驗規(guī)范[S].北京:中國電力出版社.
[29]Q/GDW 590—2011電動汽車傳導式充電接口檢驗技術規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2011.
(編輯徐花榮)
The Current Status and Development of Interactive Compatibility Standards between Electric Vehicles and Power Grid
ZHANG Xuan1,ZHU Jinda2
(1.Experiment and Verification Center,State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210061,Jiangsu,China;2.State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 211000,Jiangsu,China)
This paper presents a comprehensive introduction of the current status and development trends of the battery charging and swap Standard for EVs both at home and abroad,describing the interactive interface standardization between EVs and the power grid communication system,with focus on comparing the technical solutions of the DC charging interface and communication interface in terms of physical structure and communication protocol both at home and abroad.The paper also elaborates the development trend of charging interoperability test standard of EV charging and summarizes and predicts the following standard system and coordination work.
grid interactive;DC charging;electric vehicle
1674-3814(2015)11-0083-06
TM910
B
2015-06-01。
張萱(1984—),女,碩士,工程師,主要研究方向為電動汽車充換電標準及其檢測技術;
朱金大(1964—),男,高級工程師,主要研究方向為電動汽車充換電技術研究。
國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(2011AA05A110)。
Project Supported by the National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(2011AA05A110).