電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)分級(jí)與測(cè)試方法

馬憶民

黑龍江省墾區(qū)工商行政管理局哈爾濱分局 黑龍江省哈爾濱市 150088

1 充電模式

一個(gè)完整的車用充電站系統(tǒng)，包含直接充電設(shè)備、配電設(shè)備、管理輔助設(shè)備等三個(gè)部分。直接充電設(shè)備將斷路器（Breaker）及電路設(shè)計(jì)、充電插頭加電線（Plug+Cable）、充電設(shè)備外殼、通訊模組、計(jì)價(jià)模組、智慧電表以及電力轉(zhuǎn)換設(shè)備等整合在一起。而配電設(shè)備包含了系統(tǒng)變壓器、高壓保護(hù)設(shè)備、低壓保護(hù)設(shè)備以及低壓開(kāi)關(guān)配電設(shè)備等電力保護(hù)控制裝置。管理輔助設(shè)備包含電池模組管理系統(tǒng)、電池存儲(chǔ)架構(gòu)、軟體控制系統(tǒng)等。其中直接充電設(shè)備是充電站的核心模組，占有充電站研發(fā)制造成本的50%左右。

充電站依照功能不同可分割為四個(gè)模組，即配電系統(tǒng)模組、充電系統(tǒng)模組、電池管理系統(tǒng)模組以及充電站監(jiān)控系統(tǒng)模組，結(jié)合周邊設(shè)備后可依照充電站設(shè)置需求適時(shí)調(diào)整。

本研究以美國(guó)電力研究所公告的對(duì)于充電器等級(jí)的定義，采用其中對(duì)于充電模式的解釋和分類。一級(jí)充電模式使用標(biāo)準(zhǔn)125V交流電壓供電，使用者可以直接使用常設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)110V插座，或是搭配停車場(chǎng)提供的充電纜線，系統(tǒng)額定電流通常為15-20A（安培）。一級(jí)充電模式作為基礎(chǔ)的充電架構(gòu)，由于這種類型需要電路分布非常廣泛，電動(dòng)汽車廠商都會(huì)提供充電纜線以及配套的車載型充電裝置，為車用電池模組補(bǔ)充電力。依照搭載不同容量的電池模組，一級(jí)充電模式受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)容納的電流量，通常充電的時(shí)間約需要8個(gè)小時(shí)以上。

二級(jí)充電設(shè)計(jì)規(guī)格，通常被應(yīng)用于私人住宅或公共設(shè)施，作為電動(dòng)汽車供電設(shè)備的基本或優(yōu)先配置。二級(jí)充電的系統(tǒng)指定電壓涵蓋220-240V的交流電，電源系統(tǒng)采用單相分支電路。以SAEJ1722標(biāo)準(zhǔn)為例，該認(rèn)證的二級(jí)充電系統(tǒng)連接器，最高只能容許80A的交流電。然而目前采用大電流的交流電充電設(shè)備仍為少數(shù)，普遍額定交流電多以40A的交流電為主，系統(tǒng)允許最大電流為32A，功率約為7.7KW。

由于二級(jí)充電系統(tǒng)使用的電壓較一級(jí)充電系統(tǒng)高，因此可以提供比一級(jí)充電系統(tǒng)更快的充電速度，協(xié)助電動(dòng)車的車載電池模組進(jìn)行更高效率的電能補(bǔ)充作業(yè)。因此美國(guó)電業(yè)法也規(guī)定，電動(dòng)汽車用充電系統(tǒng)必須使用特別的設(shè)備，以提供較高的安全要求等級(jí)。而SAE也已經(jīng)開(kāi)始著手進(jìn)行車輛制造商與電動(dòng)汽車供電設(shè)備業(yè)者之間的系統(tǒng)整合，并對(duì)電動(dòng)汽車相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化的工作。其中，標(biāo)準(zhǔn)化的充電系統(tǒng)耦合器（coupler），將可應(yīng)用于EV或PHEV車型，對(duì)于一級(jí)和二級(jí)充電系統(tǒng)的耦合器以及電動(dòng)汽車的充電插座來(lái)說(shuō)，未來(lái)每一款車型使用的充電界面都相同。

三級(jí)充電就是直接使用高壓直流電為電動(dòng)車輛載具進(jìn)行充電，由于充電耗用時(shí)間更短，所以又被稱為快速充電。直流充電作為商業(yè)營(yíng)運(yùn)使用或公共場(chǎng)所配置的技術(shù)，其功能比較類似傳統(tǒng)燃料補(bǔ)給的加油站，可以令電動(dòng)車輛的電池模組經(jīng)由這個(gè)系統(tǒng)快速充回電力。目前的直流充電技術(shù)已經(jīng)可以做到10-15分鐘之內(nèi)完成電池60%以上的能量補(bǔ)充，30分鐘能夠到達(dá)80%。直流充電系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，容許電流值普遍能到750A以上的大電流。因此三級(jí)充電模式通常使用固定式車外充電機(jī)或充電樁，先將市區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)的交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電，透過(guò)充電機(jī)和車輛之間的通訊協(xié)定與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行溝通后，確認(rèn)系統(tǒng)安全無(wú)誤才將高壓電流傳輸至車載電池模組中存儲(chǔ)。

2 充電技術(shù)

目前較為成熟的電動(dòng)汽車充電技術(shù)以感應(yīng)式充電和傳導(dǎo)式充電2種模式為主。上述兩種充電模式全都可用于各種等級(jí)的充電系統(tǒng)，由于兩種系統(tǒng)模式并不相容，因此電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，僅能選擇其中一種充電模式進(jìn)行運(yùn)作。

傳導(dǎo)式充電系統(tǒng)是指包含交流與直流電力輸入的充電裝置。由于充電過(guò)程牽涉到高壓電流與大電流的傳輸，因此在人員防護(hù)與產(chǎn)品電器安全性能的要求，較一般家用電器標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)的更高。一般電動(dòng)汽車傳導(dǎo)式充電系統(tǒng)，通常具備兩組電機(jī)與一組機(jī)械功能，經(jīng)由電力網(wǎng)絡(luò)提供的電能進(jìn)行充電。此外，充電系統(tǒng)的連結(jié)界面為了完成充電程序必須具備以下幾項(xiàng)功能：確認(rèn)電動(dòng)汽車與供電設(shè)備連結(jié)正確，完成接地保護(hù)與電流監(jiān)控，系統(tǒng)電能供給與中斷，充電額定能力選擇通知，防止連結(jié)器意外脫落與避免車子的移動(dòng)等功能。

目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具備能量化生產(chǎn)能力的感應(yīng)式充電系統(tǒng)，就是以美國(guó)和日本為首的大型車用零組件系統(tǒng)供應(yīng)商，例如美國(guó)的Delphi以及北歐瑞典的Volvo等車廠，都曾發(fā)布過(guò)類似的感應(yīng)式充電技術(shù)。然而從現(xiàn)有各階段充電系統(tǒng)來(lái)評(píng)估，現(xiàn)階段制定的充電站標(biāo)準(zhǔn)仍然以傳導(dǎo)式充電系統(tǒng)為主流，使大部分充電系統(tǒng)設(shè)備商向傳統(tǒng)纜線充電的標(biāo)準(zhǔn)靠攏。

而感應(yīng)式充電系統(tǒng)仍受限于電力允許傳輸能量不足，以及系統(tǒng)相關(guān)量化生產(chǎn)的技術(shù)尚不成熟的原因，多數(shù)充電系統(tǒng)設(shè)備制造商的一級(jí)與二級(jí)電動(dòng)汽車用充電系統(tǒng)仍以傳導(dǎo)式充電系統(tǒng)為主，經(jīng)由兩種充電模式在制造成本、電力傳輸效率、操作安全性等方面比較之后，本研究認(rèn)為，在電動(dòng)汽車推廣的初級(jí)階段，以電纜線作為能量傳輸途徑的傳導(dǎo)式充電系統(tǒng)仍占設(shè)備主導(dǎo)地位；而隨著電動(dòng)汽車逐漸普及市場(chǎng)，感應(yīng)式充電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與設(shè)備需求量隨著充電站市場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)方便性需求，以及節(jié)約空間的訴求浮出水面后，將逐漸普及到電動(dòng)汽車充電市場(chǎng)。

3 充電系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目

3.1 電器安全類測(cè)試

此測(cè)試主要是針對(duì)充電系統(tǒng)設(shè)備以及電動(dòng)車輛端，進(jìn)行人員電擊保護(hù)、端子接地阻抗、端子座強(qiáng)度、表面溫度、沿面及空間距離、啟斷容量、絕緣電組、耐電壓、耦合器耐溫、連接器短路等測(cè)試項(xiàng)目。以充電設(shè)備電源端為例，應(yīng)執(zhí)行之電氣安全測(cè)試如下表1所示。

3.2 機(jī)械安全類

充電系統(tǒng)為了避免人員使用充電設(shè)備時(shí)，因?yàn)椴僮魇д`引起的意外事故，必須訂定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，確保充電系統(tǒng)周邊設(shè)備具備足夠安全的機(jī)械強(qiáng)度，避免因?yàn)椴豢深A(yù)期的外力破壞而發(fā)生危險(xiǎn)。機(jī)械安全測(cè)試，主要對(duì)充電系統(tǒng)設(shè)備的硬件架構(gòu)，進(jìn)行可靠性相關(guān)試驗(yàn)，例如機(jī)體的耐沖擊、插拔力、耐插拔、耐震動(dòng)、壓毀、掉落及穩(wěn)定性等測(cè)試。以充電設(shè)備電源端為例，需執(zhí)行的機(jī)械安全測(cè)試如表2：

電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，如果采用大電流對(duì)車載電池模組進(jìn)行快速充電，需要整體系統(tǒng)負(fù)荷巨大的電壓與電流，會(huì)衍生出幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題：充電界面是否過(guò)熟、電池模組能否接受快速充電而不會(huì)引起隔離膜穿刺，導(dǎo)致電池模組爆炸的危險(xiǎn)等。為確保電動(dòng)汽車的充電站系統(tǒng)設(shè)備使用的安全，必須通過(guò)一系列安全性測(cè)試，通過(guò)后才能進(jìn)一步量化生產(chǎn)普及。因此，本文建議針對(duì)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)備，采用型式試驗(yàn)方式，從電器安全、機(jī)械安全這兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

表1 電源端電器安全類基礎(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目

表2 電源端機(jī)械安全類基礎(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目