姉川尚史

2018年8月，日本電動汽車快速充電器協(xié)會（CHAdeMO）同意與中國電力企業(yè)聯(lián)合會（CEC）共同開發(fā)下一代直流快速充電標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該協(xié)議，將對超高功率充電技術(shù)進(jìn)行重點開發(fā)，并對直流快速充電標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合修訂，以此推動全球充電基礎(chǔ)設(shè)施的普及。

關(guān)鍵詞 純電動汽車;混合動力汽車;充電;基礎(chǔ)設(shè)施;標(biāo)準(zhǔn)化

0 前言

目前，日本國內(nèi)市場已開始實施由日本電動汽車快速充電器協(xié)會（CHAdeMO）所制定的充電標(biāo)準(zhǔn)，由此推出的電動汽車（EV）及快速充電器已于2009年開始上市銷售。CHAdeMO于2010年3月正式成立，并已在全球范圍內(nèi)逐步推動EV和充電基礎(chǔ)設(shè)施的普及工作，同時致力于建立基于快速供電系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)制度。2014年，CHAdeMO發(fā)布了直流電（DC）快速充電國際標(biāo)準(zhǔn)——IEC 61851-23/24，該標(biāo)準(zhǔn)綜合了日本CHAdeMO充電標(biāo)準(zhǔn)與中國、美國及德國的快速充電方案。

之后，CHAdeMO為了滿足市場需求，在上述標(biāo)準(zhǔn)修訂之前，擴(kuò)展了雙向供電功能，并提高了電能輸出效果及其服務(wù)功能。2018年8月，CHAdeMO與中國電力企業(yè)聯(lián)合會（CEC）就共同開發(fā)下一代快速充電標(biāo)準(zhǔn)（ChaoJi）達(dá)成了一致，兩國政府在北京舉行了簽字儀式。通過該項協(xié)議，共同展望了具有更高充電功率及安全性的充電技術(shù)，同時也為現(xiàn)有快速充電標(biāo)準(zhǔn)的整合工作打下了基礎(chǔ)，并進(jìn)一步推動了全球充電基礎(chǔ)設(shè)施的普及工作。

1 國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格及市場動向

受到2016年在歐洲及亞洲各國同時實施的EV政策導(dǎo)向的影響，上述國家和地區(qū)加速引入了快速充電器，特別是歐洲地區(qū)的保有量目前已超過了日本。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年4月，日本國內(nèi)的CHAdeMO快速充電器保有量為7 600臺，全球范圍內(nèi)的這一數(shù)據(jù)已達(dá)到25 300臺（圖1）。

日本政府創(chuàng)立CHAdeMO的初始目的是推進(jìn)全球范圍內(nèi)EV的普及工作，因此其所遵循的技術(shù)具有較高水平，且國際化程度較高。早在2010年，日本政府通過日本汽車研究所（JARI）向國際電工委員會（IEC）提交了全新的快速充電提案，日本由此成為議長國，IEC 61851-23/24項目也隨之開始啟動。

歐美主要汽車制造商在接到日本方面的提案后，立刻開始對CHAdeMO進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。之后過了近一年，至2010年12月，歐美汽車制造商提出了1項用于挑戰(zhàn)CHAdeMO的草案。該草案的創(chuàng)意是在交流電（AC）普通充電連接器上組合了DC充電用電源線，由此制成了具有葫蘆形狀的連接器。研究人員以該方案為基礎(chǔ)，啟動了針對快速充電器的研發(fā)進(jìn)程。但在德國和美國兩地，相關(guān)研究人員圍繞通信設(shè)備的規(guī)格問題進(jìn)行了較長時間的調(diào)整，德國和美國的7家主要汽車制造商在2011年10月發(fā)布了規(guī)格通用化宣言。這一事件的出現(xiàn)，在各大媒體上引發(fā)了一系列爭論。

就連接器而言，歐洲（類型2）和美國（類型1）的AC普通充電器規(guī)格有所不同，因此在采用通用控制方式時，尚不具備較高的兼容性。在針對IEC標(biāo)準(zhǔn)的討論過程中，來自中國的研究人員也提出了自己的標(biāo)準(zhǔn)方案。該方案在技術(shù)上選擇了與CHAdeMO相近的DC專用連接器和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信方式。討論的結(jié)果是：該方案于2014年3月以同時記載多個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的形式正式發(fā)布。同年10月，相關(guān)研究人員開始了關(guān)于MT5實驗標(biāo)準(zhǔn)的討論，針對高功率化多功能充電器及雙向供電功能的方案進(jìn)行了補充，同時還新增了中國方面于2018年所提出的規(guī)格為1.5 kV、600 A的新型連接器，審議項目也得以相繼追加（表1）。

為了維護(hù)各國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并確保其在全球市場上的競爭力，多數(shù)國家的標(biāo)準(zhǔn)通常會與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）及IEC等進(jìn)行相互整合。日本于2014年10月發(fā)行DC充電標(biāo)準(zhǔn)時，正確引用了IEC并標(biāo)明了3種系統(tǒng)形態(tài)及4種連接器。

在歐洲地區(qū)，用于審查區(qū)域性法規(guī)的歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)化委員會（CENELEC）決定在類型2組合型連接器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)可CHAdeMO，但歐盟充分利用了審議EV用充電基礎(chǔ)設(shè)施整備法案的機(jī)會。同時，出于整合各成員國的充電基礎(chǔ)設(shè)施的目的，歐盟方面限定只能使用類型2連接器。這對汽車行業(yè)的從業(yè)人員而言，帶來了不少困擾。針對這一問題，挪威、荷蘭等已采用CHAdeMO快速充電設(shè)備的國家和地區(qū)紛紛提出，之前采用的快速充電設(shè)備是按照國際標(biāo)準(zhǔn)而建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，歐盟提出的上述規(guī)定有失公允。最終法案作出了如下規(guī)定，用于公共場合的DC快速充電器應(yīng)安裝類型2連接器。因此，在2015年后的歐洲市場，支持類型2和CHAdeMO等多種方式的多臂充電器逐漸成為主流。同時，以大容量、高性能EV品牌著稱的特斯拉進(jìn)入了汽車市場，采用了電壓超過100 kW的獨立標(biāo)準(zhǔn)。雖然特斯拉針對主流汽車市場的要求而配備了專用充電器，但是在各國政府的要求下，其仍被迫增加了各種適配器和插頭。

由美國汽車工程師學(xué)會（SAE）所規(guī)定的快速充電器標(biāo)準(zhǔn)要求采用類型1組合式連接器，但是其所具有的法規(guī)強制性不如歐洲。就采用CHAdeMO充電器的車輛而言，其技術(shù)水平在行業(yè)市場中處于領(lǐng)先地位，而且日本方面已主導(dǎo)了DC充電標(biāo)準(zhǔn)項目的發(fā)展。2016年3月，在國際電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）正式發(fā)布CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)后，多臂充電器已逐漸在美國成為了主流，與歐洲方面一致。

就韓國而言，其所生產(chǎn)的EV主要面向歐美市場，因此也采用了類型1標(biāo)準(zhǔn)。不過，其采用CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)程與歐美相同，韓國方面仍以多臂充電器為主流。

亞洲地區(qū)的部分發(fā)展中國家對此類標(biāo)準(zhǔn)仍處于討論階段。由于在該類國家的國內(nèi)市場中，兩輪車和小型電動車（LEV）占比較高，所以并未直接采用目前的標(biāo)準(zhǔn)。政府部門在未來很有可能會修訂法規(guī)，以使其適用于LEV。

2 CHAdeMO的設(shè)計理念及其在確?？煽啃苑矫娴呐e措

自2010年第1版CHAdeMO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書發(fā)布以來，研究人員已進(jìn)一步細(xì)化了品質(zhì)要求，同時補充了迎合市場需求的功能，并發(fā)布了修訂版規(guī)格書。在其修訂歷程中，研究人員始終遵循著3條基本設(shè)計理念。

第1條設(shè)計理念為安全第一?？焖俪潆娖魇瞧胀ㄓ脩艨芍苯邮褂玫某潆娧b置。對用戶而言，其為1類采用高電壓、大電流的設(shè)備，所以具有較高的防觸電安全措施要求。在開發(fā)初期階段，CHAdeMO旗下的研究人員在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書中對硬件、系統(tǒng)等級、運用過程3個階段分別明確規(guī)定了其安全性要求。在安全對策方面，最重要的是與連接器相關(guān)的各類性能確認(rèn)書。作為系統(tǒng)級別的安全裝置，除了充電控制通信系統(tǒng)所使用的CAN總線以外，研究人員還為其設(shè)置了多條信號線。這是考慮到即便硬件出現(xiàn)故障，在發(fā)生異常時也能實時切斷電流。在具體使用及操作等方面，研究人員還對發(fā)生故障時的連接器斷開方法及緊急停止按鈕設(shè)置等方面作了詳細(xì)規(guī)定。

第2條設(shè)計理念為確保電氣品質(zhì)和可靠性。按照國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，安裝在公共場所的快速充電器不允許對配電線路及周圍的電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁兼容（EMC）和高次諧波等電磁噪聲的影響，并且即使自身受到外部的噪聲影響，也能維持正常運行。

第3條設(shè)計理念是需要確保使用的兼容性。充電裝置作為公共基礎(chǔ)設(shè)施，必須能與所有主機(jī)廠的車型充電要求相匹配。另外，EV和快速充電器都需要在長達(dá)5年以上的使用期限內(nèi)，即使出現(xiàn)不同版本的軟硬件也能實現(xiàn)有效匹配和相互兼容。

CHAdeMO旗下的研究人員不僅在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書中規(guī)定了上述設(shè)計要領(lǐng)，在協(xié)會成立初期就已確立了產(chǎn)品認(rèn)證制度。在認(rèn)證制度設(shè)立的初期，由于EV及快速充電器尚未確定檢驗標(biāo)準(zhǔn)，因此當(dāng)時試制的檢測系統(tǒng)均安裝在東京電力公司的技術(shù)研發(fā)中心內(nèi)。不僅在日本國內(nèi)，世界各國的充電器制造商均配有相關(guān)產(chǎn)品。研究人員在反復(fù)驗證的同時進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)整，并開發(fā)出相應(yīng)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。在對2013年標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書進(jìn)行修訂時，CHAdeMO即已發(fā)布了針對體系化試驗項目的標(biāo)準(zhǔn)檢驗書。同時，在日本貝克特股份公司的協(xié)助下，相關(guān)研究人員開發(fā)了采用通用開發(fā)工具的第2代檢驗系統(tǒng)。從2014年開始，日本國內(nèi)形成了通過外部檢測機(jī)構(gòu)開展第3方驗證的制度，在歐洲地區(qū)也成立了相應(yīng)的檢測機(jī)制（圖2）。

2017年，美國方面為了與CHAdeMO的DC充電標(biāo)準(zhǔn)IEEE 2030.1.1實現(xiàn)兼容，啟動了以共同認(rèn)證為目標(biāo)的IEEE合格評定程序（ICAP）。相關(guān)研究人員通過驗證由CHAdeMO開發(fā)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，不僅能證明其安全性和合理性，而且對于制造商而言，可以通過一次性試驗以獲得CHAdeMO和IEEE雙方的共同認(rèn)證。同時，由于CHAdeMO的快速充電器在世界各地得以快速普及，從事其產(chǎn)品制造的開發(fā)商數(shù)量也在持續(xù)增長。為了應(yīng)對上述發(fā)展動向，充電器制造商及汽車制造商共同開發(fā)了可作為開發(fā)工具使用的第3代檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)可用于檢測產(chǎn)品設(shè)計及制造品質(zhì)。其研發(fā)目標(biāo)是在未來使部分銷量持續(xù)增長的市場或地區(qū)實現(xiàn)本地化生產(chǎn)，并確保其產(chǎn)品可靠性?；贑HAdeMO檢測規(guī)格書而設(shè)計出的軟件被用作于會員企業(yè)的共有資產(chǎn)，因此購買該軟件的廠商只需要承擔(dān)硬件的成本，該款新軟件已于2019年正式面世。

近年來，針對充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展環(huán)境已出現(xiàn)了一系列變化，主要體現(xiàn)在如下方面：車載電池追求大容量和高性能，未來會擴(kuò)大亞洲各國和東歐等地區(qū)的新市場，同步推進(jìn)EV的普及性與可再生能源的發(fā)展，進(jìn)而會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。下文將描述CHAdeMO在保留前述設(shè)計思想的同時，針對上述課題的應(yīng)對計劃。

3 應(yīng)對高功率輸出的方案

最初，出于兼顧成本和性能的目的，CHAdeMO旗下的研究人員將最高功率設(shè)定為50 kW。如果輸出功率超過50 kW，設(shè)備成本將得以大幅上升;而輸出功率如小于50 kW，充電時間會相應(yīng)增加，服務(wù)性也會有所下降，因此將目標(biāo)值設(shè)定為50 kW是研究人員充分考慮到成本和性能的平衡點而作出的選擇。

自大眾“排放門”事件之后，之前以柴油車為主要生產(chǎn)車型的德系汽車制造商紛紛明確表示將開始關(guān)注EV等新能源車型。同期，特斯拉發(fā)布了model 3車型。該車型不僅成本低廉，而且在續(xù)航里程方面超過了此前的同類車型，其續(xù)航里程可達(dá)354 km。特斯拉于2018年后投入市場的新車型，其續(xù)航里程均在400～500 km以上。該案例成功優(yōu)化了當(dāng)時制約EV推廣的重要因素——續(xù)航里程。該項優(yōu)化主要歸功于鋰離子電池在短期內(nèi)的降價。為了應(yīng)對上述變化，研究人員在IEC標(biāo)準(zhǔn)修訂審議中同意將電流值設(shè)為400 A，CHAdeMO方面也將原先最大125 A的電流值修訂為400 A。從制造商立場出發(fā)，盡管充電器的基本結(jié)構(gòu)和控制方法與之前相比并未進(jìn)行顯著調(diào)整，但是如何降低由大電流產(chǎn)生的熱量，特別是控制電纜溫度上升等具有較高技術(shù)性的課題依然有待進(jìn)一步研究。

高功率輸出技術(shù)的開發(fā)進(jìn)程是研究人員在設(shè)立其他標(biāo)準(zhǔn)過程中同樣面臨的1項技術(shù)難題。CHAdeMO與中國電力企業(yè)聯(lián)合會就共同開發(fā)下一代充電標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成了一致，并于2018年8月在北京舉行了簽約儀式（圖3）。同年10月的中日經(jīng)濟(jì)合作會議上，在兩國首腦的見證下，雙方共同制定了用于推行新標(biāo)準(zhǔn)的方針政策。上述合作有效推動了研發(fā)進(jìn)程，以此促進(jìn)了具有高功率且能實現(xiàn)安全充電的新技術(shù)的發(fā)展。同時，考慮到CHAdeMO方面有著深厚的技術(shù)儲備，中國方面則有著廣闊的市場規(guī)模，逐步降低生產(chǎn)成本對雙方均大有裨益。新標(biāo)準(zhǔn)能有效兼容CHAdeMO和中國的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)成統(tǒng)一目標(biāo)。同時，雙方會定期召開會議以溝通研發(fā)進(jìn)度。

目前，市場上尚無能實現(xiàn)連續(xù)大電流充電的量產(chǎn)車型，但在以多臂充電器為主流的歐洲市場，如果需要同時向多臺EV充電，就可充分利用高功率充電技術(shù)。因此，目前日本國內(nèi)正在安裝150 kW級的充電器。此外，針對以保時捷為代表的高檔車型及大型車輛，則需要配備具有更高功率的充電設(shè)備，例如充電電壓可達(dá)到1 kV的350 kW級高功率充電器。日本電氣設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直流電壓不得高于750 V，如果電氣設(shè)備的直流充電電壓超過該數(shù)值，研究人員為此需要對法規(guī)進(jìn)行修訂。預(yù)計世界范圍內(nèi)的多個國家或地區(qū)在上述領(lǐng)域?qū)c日本面臨相同的問題。

4 擴(kuò)大區(qū)域

繼日本、歐洲等國家及地區(qū)之后，其他新興的汽車產(chǎn)業(yè)國家也將盡快開展針對充電基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化進(jìn)程。充電基礎(chǔ)設(shè)施是EV普及過程中所必備的公共設(shè)備，在其初期發(fā)展階段離不開國家提供的政策扶植。因此，各國政府希望能將充電器的設(shè)計、制造、銷售及保養(yǎng)周期全部實現(xiàn)本地化。研究人員將CHAdeMO的普及方針作為技術(shù)核心，在遵循安全性、兼容性等必要條件（全球標(biāo)準(zhǔn)）的同時，也要考慮到區(qū)域特殊性及本國標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究人員所設(shè)定的具體方案是向當(dāng)?shù)氐臅T企業(yè)提供技術(shù)支持及權(quán)限轉(zhuǎn)讓，同時認(rèn)可區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)并優(yōu)化成本。不僅如此，還能與所在國家實現(xiàn)團(tuán)體化合作，以推進(jìn)本地化認(rèn)證。目前在臺灣、韓國及印度等國家和地區(qū)的CHAdeMO認(rèn)證機(jī)構(gòu)已新增了會員制。

其中印度政府在2018年推行電動化政策的同時，為了規(guī)范充電標(biāo)準(zhǔn)而啟動了相關(guān)項目，CHAdeMO也得以參與其中。鑒于印度汽車市場中，兩輪車和小型車的保有量占比較高，同時負(fù)責(zé)公共交通的政府機(jī)構(gòu)也亟待整頓。因此，研究人員因地制宜，將車型分為乘用車、小型車輛、客車/貨車共3部分，并開展了標(biāo)準(zhǔn)化討論?？梢灶A(yù)見，未來在其他地區(qū)也會存在相近的需求。CHAdeMO正在針對大型車輛充電標(biāo)準(zhǔn)中的高功率輸出技術(shù)而開展研究。從2017年開始，CHAdeMO旗下的研究人員還設(shè)計了外部充電標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)（SWG），并對如何靈活使用已積累下的技術(shù)資源進(jìn)行了充分探討。研究人員在2018年已針對兩輪車設(shè)定了SWG，并對輸出電壓更低、連接器尺寸更小的兩輪車與小型車輛及其充電規(guī)格進(jìn)行了充分探討。研究人員在多種車型的研究及探討過程中遵循了相同的設(shè)計理念，將有助于提高設(shè)計效率，并持續(xù)推進(jìn)車輛電動化進(jìn)程。

5 雙向供電功能

2011年日本東部地區(qū)發(fā)生地震期間，由于汽油供給受阻，EV成為了當(dāng)時醫(yī)療人員及后勤支援的主要交通工具。此外，在緊急情況下，EV的大容量電池也能對外供電，這也是實現(xiàn)車輛為家庭供電（V2H）、車輛對外放電（V2L）、車輛為電網(wǎng)供電（V2G）及車輛為建筑供電（V2B）等技術(shù)的重要契機(jī)。2012年3月，三菱汽車開始銷售具有V2L功能的產(chǎn)品——MiEV power box供電系統(tǒng)。2012年5月日產(chǎn)汽車銷售了V2H產(chǎn)品——Leaf to Home供電系統(tǒng)。以此作為開端，世界各國的汽車制造商也開始競相研發(fā)性能相近的產(chǎn)品（圖4）。

基于上述原因，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省認(rèn)為有必要對供電系統(tǒng)制定標(biāo)準(zhǔn)，并于2013年3月發(fā)布了1.0版V2H指南，從而確保當(dāng)前仍在使用的產(chǎn)品與系統(tǒng)的兼容性，以及系統(tǒng)自身的關(guān)聯(lián)性等詳細(xì)內(nèi)容。CHAdeMO聯(lián)合日本電動車電源系統(tǒng)協(xié)會（EVPOSSA）旗下的2個組織，討論了其與V2H/V2L的關(guān)聯(lián)性。2014年4月，其針對V2H技術(shù)發(fā)布了2.0版指南。隨著指南的發(fā)布，CHAdeMO除了對以往的快速充電器進(jìn)行研究之外，還于2015年3月開始了對V2H/V2L產(chǎn)品的檢驗。

迄今為止，各國政府已在全球開展了針對CHAdeMO雙向供電功能的試驗過程，總計多達(dá)40余項。 以日本為例，其自2011年到2015年期間，最具代表性的項目是日本資源能源廳在橫濱市等4個地區(qū)開展針對下一代能源和社會系統(tǒng)的驗證工作，并優(yōu)化區(qū)域的能源管理，同時將EV充放電系統(tǒng)作為分布式能源以納入其中。

另外，從2016年開始，研究人員啟動了針對虛擬電源設(shè)備（VPP）的實際驗證工作。VPP可通過多個分布式能源（DER）的聚合以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，為此可將其視作為1個發(fā)電廠，以此來平衡電力系統(tǒng)的供求。目前，DER主要使用固定式電池和需量反應(yīng)式電池（DR）。在未來，研究人員可充分利用其成本優(yōu)勢，并使其成為重要的供電來源。

6 總結(jié)

目前，汽車行業(yè)已逐漸步入EV時代。世界各國已對該觀念達(dá)成共識，但是用戶和主機(jī)廠仍不希望充電器種類規(guī)格過于繁多。而CHAdeMO正是以向全球用戶普及EV為目標(biāo)而成立的組織機(jī)構(gòu)。CHAdeMO未來將與CEC實現(xiàn)友好合作，共同推進(jìn)并統(tǒng)一下一代快速充電標(biāo)準(zhǔn)，也是為了促進(jìn)EV及充電基礎(chǔ)設(shè)施普及進(jìn)程的最佳方案。雙方通過優(yōu)勢互補，即可在全球充分推廣充電器，同時在區(qū)域性和保有量等方面均保持領(lǐng)先地位。歷經(jīng)了多年發(fā)展，在確保產(chǎn)品可靠性和兼容性方面，CHAdeMO已有一定的技術(shù)積累，而CEC則由中國政府主導(dǎo)推進(jìn)，在EV及充電器保有量方面占有絕對優(yōu)勢。CHAdeMO通過與中國合作，由此可在制造成本方面發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢，其在未來一定會引領(lǐng)EV的全球普及進(jìn)程。

CHAdeMO是目前唯一可將雙向供電技術(shù)用于實際的國際標(biāo)準(zhǔn)，中日雙方的下一代法規(guī)也會考慮到V2G等技術(shù)。與EV普及一樣，世界各國都在推進(jìn)可再生能源的導(dǎo)入政策。目前，仍存在電力系統(tǒng)供需不足的問題，而V2G系統(tǒng)則可有效利用EV上安裝的蓄電池，并以此作為協(xié)調(diào)電力供給的方式。同時，研究人員也希望V2G技術(shù)能在解決電力供給不足等方面發(fā)揮其相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢。