在運電動汽車充電設(shè)施關(guān)鍵問題研究

劉曼佳，甘依依，游 力，鄧桂平

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

電動汽車的迅猛發(fā)展帶動了電動汽車充電設(shè)施行業(yè)的快速擴張。預(yù)計到2020年，我國電動汽車規(guī)模將達到500×104輛，需要新建480×104個充電樁。以湖北為例，2016～2017年，國家電網(wǎng)公司在湖北省總計新建充電站267座、充電樁1 530臺。隨著充電設(shè)施的大面積投運，其是否能安全健康運行直接關(guān)系到用戶的綠色出行和充電樁行業(yè)的良性發(fā)展。通過分析提出電動汽車充電設(shè)施在運行中存在的關(guān)鍵問題，并提出合理解決建議，對促進電動汽車充電設(shè)施行業(yè)健康發(fā)展具有積極意義。

1 國內(nèi)電動汽車充電樁參數(shù)配置

1.1 交流充電樁

交流充電樁具備計量計費、運營平臺接入功能，可廣泛使用于居民小區(qū)停車場、城市公用停車場、專用充電站。主流交流充電樁主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 交流充電樁主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Major technical index of mainstream AC electric vehicle chargers

1.2 直流充電樁

直流充電樁內(nèi)置多個并聯(lián)功率變換模塊，實際充電過程中可根據(jù)電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）所反饋的充電需求動態(tài)調(diào)整輸出功率，可廣泛使用于城市集中快充站、公交專用快充站、高速公路服務(wù)區(qū)快充站，為電動汽車提供直流快速充電。主流直流充電樁主要技術(shù)指標如表2所示。

表2 直流充電樁主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Major technical index of mainstream DC electric vehicle chargers

2 在運電動汽車充電設(shè)施關(guān)鍵問題

2.1 充電設(shè)施互操作性問題

1）樁-車通信互動問題

目前，樁-車通信互動問題是阻礙直流充電樁對電動汽車正常充電的關(guān)鍵問題之一。對直流充電樁而言，在整個充電流程中，并不與電動汽車蓄電池產(chǎn)生直接互動，其功率輸出過程完全被動聽從車載電池管理系統(tǒng)（BMS）所發(fā)出的通信報文指令。雖然GB/T 33003-2010《電動汽車非車載充電機監(jiān)控單元與電池管理系統(tǒng)通信協(xié)議》中已規(guī)定了樁-車通信協(xié)議的具體標準，然而由于目前標準尚存在不完善之處、執(zhí)行力度不夠，充電樁和電動汽車質(zhì)量良莠不齊，充電樁檢測認證機制不夠完善，導(dǎo)致在實際充電操作過程中常常出現(xiàn)由于樁-車通信報文信息不準確/不一致或通信質(zhì)量差而導(dǎo)致充電樁無法充電的問題。

2）人-機互動問題

在充電設(shè)備現(xiàn)場檢測、安裝以及調(diào)試環(huán)節(jié)，由于缺乏統(tǒng)一檢測內(nèi)容和操作規(guī)程，導(dǎo)致在現(xiàn)場會出現(xiàn)技術(shù)人員各項作業(yè)無規(guī)程可依的混亂現(xiàn)象，存在諸多質(zhì)量及安全隱患。在用戶操作環(huán)節(jié)，目前有過半充電樁上的功能按鈕設(shè)計不能實現(xiàn)其所標榜的按時間、金額或電量顯示的功能；此外在易用性方面，充電樁操作流程數(shù)及操作時間不同，部分充電樁操作流程復(fù)雜且不便捷，部分充電樁識別卡信息緩慢。以上典型問題都對用戶操作體驗造成了諸多不良影響[1]。

2.2 充電設(shè)施安全可靠性問題

為了縮短用戶充電時間，充電樁普遍采用高電壓、大電流的工作方式，這對安全提出了極高的要求。新國標對充電設(shè)施安全方面的充電溫度監(jiān)控、機械鎖與電子鎖聯(lián)動、絕緣檢測和泄放電路等都進行了規(guī)定。

然而在實際使用中，很多充電樁都安裝在露天環(huán)境中，常常在風(fēng)吹雨淋日曬等惡劣環(huán)境下工作，加之目前充電樁產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，安全性能方面的技術(shù)指標和試驗項目在安裝前和使用中未經(jīng)檢測，無形中都增加了安全隱患和降低了使用可靠性。例如，有的充電樁沒有設(shè)置急停開關(guān)，不符合國標要求，在使用中有安全隱患；有的充電樁的主回路電線銅線截面積達不到要求使電線發(fā)熱、加速老化，帶來安全隱患；部分充電樁未設(shè)置“超時錯誤”處理機制，會導(dǎo)致過充等安全隱患[2]；部分充電樁在充電過程中出現(xiàn)非正常中斷，部分充電樁系統(tǒng)健壯性較差，異?；謴?fù)能力較弱，易死機。

在區(qū)域配電網(wǎng)可靠性方面，充電設(shè)施屬于配電網(wǎng)負荷端，當(dāng)大量充電設(shè)施接入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)，其產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題和電壓質(zhì)量問題勢必將對區(qū)域電網(wǎng)的供電可靠性造成影響[3]。

2.3 充電設(shè)施計量運營問題

部分充電站存在未安裝計量考核表計或直流充電樁交流側(cè)未安裝電能計量裝置的情況，導(dǎo)致無法考核充電站在運行過程中的耗電量或無法考核直流充電樁交直流轉(zhuǎn)換的電能損耗。同時，大部分安裝在充電樁內(nèi)的1.0級直流電能表均未進行過計量檢定也未加封簽。上述問題將嚴重影響運營商的運營利潤，同時也極易造成與用戶之間的交易糾紛問題。

2.4 充電設(shè)施運行能效問題

電動汽車充電設(shè)施運行能效水平將直接影響電動汽車充電效率、充電服務(wù)質(zhì)量、充電站運營能耗成本和用戶充電成本，但目前對電動汽車充電設(shè)施的運行能效問題關(guān)注較少。同時，由于國內(nèi)市場上的充電樁產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，且充電樁產(chǎn)品尚處于自愿認證階段，許多企業(yè)送檢的設(shè)備和實際供貨的設(shè)備技術(shù)參數(shù)差別較大；另外，目前充電樁相關(guān)技術(shù)標準中對其能效方面的技術(shù)指標要求單一，僅包括充電機充電效率和功率因數(shù)2個技術(shù)指標，且這2個指標在充電樁安裝前和使用中都未經(jīng)檢測，使得實際運行的充電樁充電效率無法得到保障[4]；此外，充電樁運行一段時間后，因有的車型大電流頻繁充電，造成充電樁整體電壓、電流輸出降低[5]，進一步降低了充電樁的充電效率，最終增加了充電設(shè)施運營成本及能耗水平。

3 解決措施

3.1 充電設(shè)施互操作性問題解決措施

對于樁-車通信互動問題，建議繼續(xù)完善和細化通信協(xié)議相關(guān)標準的內(nèi)容，特別針對通信協(xié)議的物理層、鏈路層和應(yīng)用層開展標準化工作，具體包括充電握手階段、充電參數(shù)配置和充電階段、充電結(jié)束階段，以及報文格式和故障響應(yīng)處理檢查，比如當(dāng)報文出現(xiàn)問題時，是否能夠發(fā)出正確告警信息，或采取恰當(dāng)處理措施；對于人-機互動問題，建議抓緊制定出臺有關(guān)充電設(shè)施現(xiàn)場安裝調(diào)試和檢測環(huán)節(jié)的操作規(guī)范，同時對充電樁本體設(shè)備的基本功能出臺建議性設(shè)計規(guī)范，以將人為操作風(fēng)險降至最低并提高用戶體驗。

雖然國家級的機制尚未出臺，但目前一些核心的企業(yè)可以聯(lián)合起來成立相關(guān)的充電聯(lián)盟，這種情況在國外也有例可循。例如，在日本就有一些充電企業(yè)、車廠和電力公司，如東京電力成立聯(lián)盟，保證聯(lián)盟間的設(shè)備和車輛互聯(lián)互通。

3.2 充電設(shè)施安全可靠性問題解決措施

隨著充電設(shè)施建設(shè)爆發(fā)期來臨，各種充電設(shè)備企業(yè)蜂涌而入，但是技術(shù)門檻并不高，因此，應(yīng)當(dāng)樹立起嚴格的行業(yè)安全門檻，把充電安全作為企業(yè)的重要責(zé)任。各充電樁生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)率先樹立標桿，加強技術(shù)創(chuàng)新，將電池、充電機、模塊、電網(wǎng)等環(huán)節(jié)充分協(xié)同，形成更有效的安全管理。

同時，新出爐的充電樁國家標準重點明確了電動汽車充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)性、通用性、安全性要求，并對充電溫度監(jiān)控、機械鎖與電子鎖聯(lián)動、絕緣檢測和泄放電路等都進行了規(guī)定。例如增加了充電樁的安全隔離保護、充電溫度控制、機械鎖和電子鎖聯(lián)動、過載和短路保護等安全措施，新國標極大地提高了充電樁等相關(guān)配套設(shè)施的防水、防漏電等安全可靠性，無論是在露天還是封閉的環(huán)境下，都能對充電樁使用起到絕對的安全保障。

在充電樁并網(wǎng)可靠性方面，未來配電網(wǎng)規(guī)劃改造應(yīng)充分考慮電動汽車充電負荷，使配電網(wǎng)具備能充分接納大規(guī)模充電樁接入的容量；同時，在充電側(cè)，要加強電能質(zhì)量治理工作，對于充電樁本體要通過技術(shù)創(chuàng)新來減少設(shè)備運行對電網(wǎng)造成的諧波污染，進而雙向提升電網(wǎng)供電可靠性。

3.3 充電設(shè)施計量運營問題解決措施

監(jiān)管部門應(yīng)出臺強制政策，在所有充電樁中加裝計量考核表計，針對直流充電樁應(yīng)在交直流轉(zhuǎn)換兩側(cè)同時加裝電能表；同時，應(yīng)統(tǒng)一由第三方檢測機構(gòu)開展充電樁電能表全檢工作并加封鉛封，以保證貿(mào)易結(jié)算依據(jù)的可信度，減少貿(mào)易結(jié)算糾紛。

3.4 充電設(shè)施運行能效問題解決措施

從技術(shù)角度改進功率模塊、提升單體啟動和輸出能效、降低待機能耗，從規(guī)劃管理角度提高使用率、減少空置率等方面系統(tǒng)考慮優(yōu)化充電設(shè)施能效水平[6]。同時，細化完善充電樁能效部分的設(shè)計、運行及檢測標準，對在廠充電樁開展能效評級，對在運充電樁開展第三方能效評估工作，對能效不達標的設(shè)備應(yīng)強制整改或不予市場準入。

4 結(jié)語

電動汽車充電設(shè)施作為直接面向普通用戶的電網(wǎng)終端電氣設(shè)備，其互操作性、安全性、可靠性、計量問題和能效問題將對用戶、電網(wǎng)和運營商三方利益造成直接影響。因此，必須從充電樁體自身外觀和功能設(shè)計、用戶操作、技術(shù)人員作業(yè)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、運營商運營成本等方面進行全盤考慮，從設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、檢測、運行維護等各個環(huán)節(jié)采取必要措施，例如制定一系列電動汽車充電設(shè)施設(shè)計標準、操作規(guī)范及考核制度，從根本上杜絕問題隱患，引導(dǎo)規(guī)范電動汽車充電設(shè)施行業(yè)的良性發(fā)展。

（References）

[1]王艷華,繆金.充電樁發(fā)展現(xiàn)狀及問題對策研究[J].中國市場,2016(41):45-51.WANG Yanhua,MIU Jin.Analysis of current situation and countermeasures of electric vehicle chargers[J].China Market,2016(41):45-51.

[2]謝偉才.電動汽車充電樁的設(shè)計與研究[J].通訊世界,2016(2):105-107.XIE Weicai.The design and analysis of electric vehicle chargers[J].Telecom World,2016(2):105-107.

[3]魯莽,周小兵,張維.國內(nèi)外電動汽車充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究[J].華中電力,2010(5):16-20.LU Mang,ZHOU Xiaobin,ZHANG Wei.Research on development of charging facilities for electric vehicles at home and abroad[J].Central China Electric Power,2010(5):16-20.

[4]周志堅,趙陽,馬浩,等.高速公路電動汽車充電樁現(xiàn)場檢測方法[J].智能電網(wǎng),2016(4):432-436.ZHOUZhijian,ZHAO Yang,MA Hao,etal.A kind of field test method for electric vehicle charging pile[J].Smart Grid,2016(4):432-436.

[5]杜航.計及電動汽車充電負荷的配網(wǎng)安全性與可靠性研究[D].北京：華北電力大學(xué),2014.DU Hang.Safety and reliability evaluation of distribution system with EV chargingload[D].Beijing:North China Electric Power University,2014.

[6]羅漢武.電動汽車靈活接入的充電設(shè)施需求預(yù)測、運行與能效評估方法研究[D].武漢:武漢大學(xué),2013.LUO Hanwu.Study on the forecasting,operation and energy efficiency evaluation method for electricvehicle chargingfacilities[D].Wuhan:Wuhan University,2013.