陳永強(qiáng)，呂國(guó)偉

1.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣東廣州 510663；2.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東廣州 510663)

0 引言

電動(dòng)汽車大功率充電是為了縮短充電時(shí)間提出的新型充電技術(shù)，以提升車主的消費(fèi)體驗(yàn)。當(dāng)前我國(guó)大功率充電技術(shù)需求主要包括：

(1)購(gòu)買了大航程電動(dòng)汽車的車主；

(2)出租車、網(wǎng)約車、物流車、特種作業(yè)車輛這類非常關(guān)注充電時(shí)間的司機(jī)；

(3)沒有固定車位的電動(dòng)汽車車主、節(jié)假日高速公路休息區(qū)快速補(bǔ)電的車主。

只要充電功率不小于350 kW，以單槍方式給動(dòng)力電池傳導(dǎo)充電80%～90%容量只需10～15 min的充電技術(shù)就可以稱為大功率充電(High Power Charging,HPC)。

廣義的大功率充電技術(shù)上可分為傳導(dǎo)直流大功率充電技術(shù)、傳導(dǎo)交流大功率充電技術(shù)和無線大功率充電技術(shù)。目前狹義的將傳導(dǎo)直流大功率充電簡(jiǎn)稱為大功率充電。大功率充電技術(shù)與現(xiàn)有的2015版充電技術(shù)是并行的技術(shù)路線。

1 2015版充電連接組件的缺陷

隨著在役充電設(shè)施的基數(shù)不斷上升，充電運(yùn)營(yíng)企業(yè)不時(shí)上報(bào)充電連接組件在充電一段時(shí)間后開始出現(xiàn)燒灼和過溫等事故。通過事故分析，充電連接組件過溫產(chǎn)生的原因:

(1)公差配合缺陷

制作工藝不成熟導(dǎo)致充電連接組件插頭與插座匹配度不高,公差配合存在很大缺陷，不符合IPXXB的要求，端子與簧片磨損嚴(yán)重。

(2)壓接工藝缺陷

機(jī)械壓接工藝不穩(wěn)定導(dǎo)致線纜與連接組件端子的壓接不到位，導(dǎo)致部分接觸阻值偏高，目前推薦使用不規(guī)則壓接或六邊形加點(diǎn)結(jié)合壓接工藝，配合鍍錫防氧化處理工藝。

(3)防塵防水缺陷

充電場(chǎng)站灰塵、潮濕積水，加上充電連接組件缺乏必要的維護(hù)保養(yǎng)，導(dǎo)致充電連接組件與電纜壓接處的溫度不斷升高產(chǎn)生氧化物，隨著氧化物的堆積，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。

(4)指標(biāo)缺失缺陷

2015版相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未明確充電連接組件中端子的鍍層厚度、接口溫度和接觸電阻等指標(biāo)，而溫度檢測(cè)裝置的缺失造成連接組件的實(shí)際溫度無法被有效監(jiān)測(cè)。

(5)控制導(dǎo)引電路缺陷

中國(guó)2015版控制導(dǎo)引電路在PE發(fā)生斷針的情況下，無法進(jìn)行判斷(見圖1—圖2)。此外2015版控制導(dǎo)引電路還存在沒有硬節(jié)點(diǎn)信號(hào)等缺陷。

圖1 保護(hù)接地連續(xù)性正常狀態(tài)下CC的變化

圖2 保護(hù)接地連續(xù)性丟失(PE斷針)狀態(tài)下CC的變化

目前全球共有3套充電體系：歐盟和美國(guó)特斯拉CCS Combo(2012)體系、日本CHAdeMO(2.0)體系、中國(guó)GB/T(2015)體系。CCS Combo(2012)體系采用PLC通信協(xié)議，目前只有幾家芯片公司可以提供通信芯片，成本比較高，導(dǎo)引電路也存在一些潛在缺陷。日本CHAdeMO(2.0)體系的連接組件采用了非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成本非常高，地線非常細(xì)，傳輸信號(hào)很容易受到干擾；另外導(dǎo)引電路上也存在一些缺陷。分析這3套體系標(biāo)準(zhǔn)還有一些共同的問題：充電接口尺寸普遍大，機(jī)械強(qiáng)度不足；沒有考慮未來的升級(jí)。

2 大功率充電(HPC)技術(shù)的解決方案

為有效解決2015版充電連接組件的缺陷，滿足廣大電動(dòng)汽車用戶的需求，完善大功率充電技術(shù)迫在眉睫。為此中電聯(lián)大功率充電技術(shù)工作組設(shè)計(jì)了全新的HPC充電連接組件、全新的HPC控制導(dǎo)引電路、全新的HPC轉(zhuǎn)換器，還針對(duì)性地啟動(dòng)編寫全新的HPC通信協(xié)議。

工作組吸取上一代充電技術(shù)升級(jí)換代的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，將大功率充電技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)聚焦在安全性、可靠性和兼容性，特別關(guān)注兼容性，保證大功率充電連接組件標(biāo)準(zhǔn)與2015版充電連接組件標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)，滿足新樁與舊車的兼容以及舊樁與新車的兼容。

2.1 大功率充電(HPC)連接組件

目前新的大功率充電連接組件解決了2015版充電連接組件的各種缺陷，同時(shí)兼容未來以太網(wǎng)通信技術(shù)。

從圖3—圖4可見：新一代大功率充電(HPC)充電連接組件優(yōu)化了公差配合，滿足IPXXB；減少了兩根信號(hào)電纜；尺寸最小，動(dòng)力針為大功率預(yù)留足夠的傳輸能力；增加定位結(jié)構(gòu)，減少充電過程中的傾斜應(yīng)力；電子鎖從原來的槍上移到了車內(nèi)，提供多方向安裝方式，可以排成CCS的方式，也可以像現(xiàn)在的CHAdeMO排在車上不同的位置；交流直流分開，提高了可靠性；在熱管理系統(tǒng)上也進(jìn)行了重新的評(píng)估和設(shè)計(jì)，包括充電電流的設(shè)計(jì)，提出了對(duì)連接器和插座的測(cè)試方法，目前在國(guó)內(nèi)的3個(gè)試點(diǎn)運(yùn)行，得到了行業(yè)普遍認(rèn)可。

圖3 大功率充電(HPC)充電連接組件設(shè)計(jì)

圖4 大功率充電(HPC)充電連接組件實(shí)物

2.2 大功率充電(HPC)控制導(dǎo)引電路草稿

如圖5和表1所示，新的控制導(dǎo)引電路，最大的改進(jìn)是增加了安全性，增加了應(yīng)急點(diǎn)，一旦發(fā)生故障不通過通信協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)變化通知對(duì)方及時(shí)暫停充電。另外增加了一個(gè)編碼電阻，可識(shí)別出對(duì)方使用的是新舊系統(tǒng)，做到向前兼容。

圖5 大功率充電(HPC)的新控制導(dǎo)引電路草稿

表1大功率充電(HPC)的新控制導(dǎo)引電路的監(jiān)測(cè)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)

參數(shù)位置誤差/%最小值標(biāo)稱值最大值參數(shù)位置誤差/%最小值標(biāo)稱值最大值U1/V樁端511.412.012.6U2/V車端511.412.012.6R1/Ω樁端39701 0001 030R4/Ω車端31 4551 5001 545R′1/Ω樁端31 9402 0002 060R′4/Ω車端32 9103 0003 090R2/Ω樁端319 40020 00020 600R5/Ω車端39701 0001 030R3/Ω樁端3485500515S2車端常閉S1樁端常開S3車端常閉

注:U2為小于60 V DC的任意電壓值，這里以標(biāo)稱值12 V為例。

2.3 大功率充電(HPC)轉(zhuǎn)換器

經(jīng)歷過上一代充電技術(shù)升級(jí)的車企、樁企和運(yùn)營(yíng)公司，只能把原有設(shè)備開膛破腹地進(jìn)行徹底換代。2015年全國(guó)公共充電樁數(shù)量是5.77萬只，而2020年1月全國(guó)在役公共充電樁的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到51.6萬只。唯一的方法就是新方案的兼容性，兼容性包括新樁對(duì)舊車、舊樁對(duì)新車兩部分。

新樁怎么兼容舊車？

辦法一，新樁配備有一新一舊兩個(gè)充電系統(tǒng)和充電連接組件，如圖6所示。

圖6 新樁帶新、舊兩個(gè)接口方案

辦法二，使用國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)建議的轉(zhuǎn)換柜，如圖7所示。使用轉(zhuǎn)換柜時(shí)，左邊連接新樁，轉(zhuǎn)換柜自帶舊接口給舊車充電，轉(zhuǎn)換柜自帶控制導(dǎo)引轉(zhuǎn)換翻譯電路，充電安全得到一定的保障，但是成本絕對(duì)不低。

圖7 使用IEC的轉(zhuǎn)換柜方案

舊樁怎么兼容新車？

為了防止充電過程中的誤插拔，HPC草案把電子鎖緊裝置從充電插頭搬到了車輛插座上。新車在使用舊樁時(shí)只要使用轉(zhuǎn)換器就能接上舊樁了。轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)草案見圖8。

圖8 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)草案

新車通過HPC控制導(dǎo)引電路分析可知接入的是新樁還是舊樁，新樁則自動(dòng)進(jìn)入充電；當(dāng)舊樁連接新車時(shí)，如圖9—圖11所示：檢測(cè)點(diǎn)1由原來的6 V轉(zhuǎn)換為4 V，檢測(cè)點(diǎn)2由原來的0 V轉(zhuǎn)換為4 V，檢測(cè)點(diǎn)3由原來的12 V轉(zhuǎn)換為5.2 V，舊樁提醒用戶使用轉(zhuǎn)換器。

圖9 舊樁使用轉(zhuǎn)換器給新車充電

圖10 HPC控制導(dǎo)引電路鑒別新舊車

參數(shù)單位電壓檢測(cè)點(diǎn)(Detecting Point)1V6.00檢測(cè)點(diǎn)(Detecting Point)2V0.00檢測(cè)點(diǎn)(Detecting Point)3V12.00S2狀態(tài)閉合S3狀態(tài)閉合參數(shù)單位電壓檢測(cè)點(diǎn)(Detecting Point)1V4.00檢測(cè)點(diǎn)(Detecting Point)2V4.00檢測(cè)點(diǎn)(Detecting Point)3V5.2S2狀態(tài)閉合S3狀態(tài)閉合

圖11 HPC控制導(dǎo)引電路鑒別新舊車

2.4 大功率充電(HPC)通信協(xié)議

通過上述分析，通過HPC充電連接組件、HPC控制導(dǎo)引電路、HPC轉(zhuǎn)換器3個(gè)新技術(shù)的配合使用，無需對(duì)舊樁舊車進(jìn)行任何升級(jí)換代就能實(shí)現(xiàn)大功率充電技術(shù)的應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)舊樁給新車、新樁給舊車的充電。

不同的控制導(dǎo)引電路就需要配合不同的通信協(xié)議。大功率充電技術(shù)需要對(duì)現(xiàn)有通信協(xié)議的內(nèi)容結(jié)構(gòu)甚至交互過程做相應(yīng)的修改。如何解決兼容性問題？首先進(jìn)行版本的信息互換，做出版本判斷，然后切換到相應(yīng)的處理模塊實(shí)現(xiàn)兼容。大功率充電(HPC)通信協(xié)議修訂建議見表2。還有熱管理問題、即插即充問題、輸出能力動(dòng)態(tài)調(diào)整問題、新控制導(dǎo)引電路中控制時(shí)序與通信協(xié)議的配合等問題正由工作組成員與樁企、車企、運(yùn)營(yíng)商等相關(guān)方討論完善中。

表2 大功率充電通信協(xié)議修訂建議

3 大功率充電技術(shù)的最新發(fā)展

隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的增加和消費(fèi)者對(duì)快速充電要求，大功率充電受到國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注，在產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用的前期，開展示范試點(diǎn)，用事實(shí)數(shù)據(jù)為大功率充電的規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2019年3月日本CHAdeMO發(fā)布了CHAdeMO 3.0標(biāo)準(zhǔn)，該方案基本采用了中國(guó)的HPC方案，在兼容性方面做了一些修改。在中日HPC方案基礎(chǔ)上，下一步中國(guó)將和日本聯(lián)合遞交HPC安全I(xiàn)EC標(biāo)準(zhǔn)提案，與歐盟和美國(guó)的特斯拉體系進(jìn)行協(xié)同，最終成為唯一的新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，包括它的物理連接外形、充電系統(tǒng)安全指標(biāo)、通信協(xié)議等。預(yù)計(jì)2022年電動(dòng)汽車大功率充電技術(shù)將走進(jìn)日常百姓生活。