直流快充电技术国际标准化的前景

2018年8月，日本电动汽车快速充电器协会(CHAdeMO)同意与中国电力企业联合会(CEC)共同开发下一代直流快速充电标准。根据该协议，将对超高功率充电技术进行重点开发，并对直流快速充电标准进行整合修订，以此推动全球充电基础设施的普及。

0  前言

目前，日本国内市场已开始实施由日本电动汽车快速充电器协会(CHAdeMO)所制定的充电标准，由此推出的电动汽车(EV)及快速充电器已于2009年开始上市销售。CHAdeMO于2010年3月正式成立，并已在全球范围内逐步推动EV和充电基础设施的普及工作，同时致力于建立基于快速供电系统的国际标准制度。2014年，CHAdeMO发布了直流电(DC)快速充电国际标准———IEC61851-23/24，该标准综合了日本CHAdeMO充电标准与中国、美国及德国的快速充电方案。

之后，CHAdeMO为了满足市场需求，在上述标准修订之前，扩展了双向供电功能，并提高了电能输出效果及其服务功能。2018年8月，CHAdeMO与中国电力企业联合会(CEC)就共同开发下一代快速充电标准(ChaoJi)达成了一致，两国政府在北京举行了签字仪式。通过该项协议，共同展望了具有更高充电功率及安全性的充电技术，同时也为现有快速充电标准的整合工作打下了基础，并进一步推动了全球充电基础设施的普及工作。

1  国际标准规格及市场动向

受到2016年在欧洲及亚洲各国同时实施的EV政策导向的影响，上述国家和地区加速引入了快速充电器，特别是欧洲地区的保有量目前已超过了日本。据统计，截至2019年4月，日本国内的CHAdeMO快速充电器保有量为7 600台，全球范围内的这一数据已达到25 300台(图1)。


图1 截至2019年4月，全球CHAdeMO充电器的保有量(单位:台)

日本政府创立CHAdeMO的初始目的是推进全球范围内EV的普及工作，因此其所遵循的技术具有较高水平，且国际化程度较高。早在2010年，日本政府通过日本汽车研究所(JARI)向国际电工委员会(IEC)提交了全新的快速充电提案，日本由此成为议长国，IEC61851-23/24项目也随之开始启动。欧美主要汽车制造商在接到日本方面的提案后，立刻开始对CHAdeMO进行详细调查。之后过了近一年，至2010年12月，欧美汽车制造商提出了1项用于挑战CHAdeMO的草案。该草案的创意是在交流电(AC)普通充电连接器上组合了DC充电用电源线，由此制成了具有葫芦形状的连接器。研究人员以该方案为基础，启动了针对快速充电器的研发进程。但在德国和美国两地，相关研究人员围绕通信设备的规格问题进行了较长时间的调整，德国和美国的7家主要汽车制造商在2011年10月发布了规格通用化宣言。

这一事件的出现，在各大媒体上引发了一系列争论。就连接器而言，欧洲(类型2)和美国(类型1)的AC普通充电器规格有所不同，因此在采用通用控制方式时，尚不具备较高的兼容性。在针对IEC标准的讨论过程中，来自中国的研究人员也提出了自己的标准方案。该方案在技术上选择了与CHAdeMO相近的DC专用连接器和控制器局域网络(CAN)通信方式。讨论的结果是：该方案于2014年3月以同时记载多个标准规格的形式正式发布。同年10月，相关研究人员开始了关于MT5实验标准的讨论，针对高功率化多功能充电器及双向供电功能的方案进行了补充，同时还新增了中国方面于2018年所提出的规格为1.5 kV、600 A的新型连接器，审议项目也得以相继追加(表1)。

表1 DC充电规格


为了维护各国的工业标准，并确保其在全球市场上的竞争力，多数国家的标准通常会与国际标准化组织(ISO)及IEC等进行相互整合。日本于2014年10月发行DC充电标准时，正确引用了IEC并标明了3种系统形态及4种连接器。

在欧洲地区，用于审查区域性法规的欧洲电气标准化委员会(CENELEC)决定在类型2组合型连接器的基础上，进一步认可CHAdeMO，但欧盟充分利用了审议EV用充电基础设施整备法案的机会。同时，出于整合各成员国的充电基础设施的目的，欧盟方面限定只能使用类型2连接器。这对汽车行业的从业人员而言，带来了不少困扰。针对这一问题，挪威、荷兰等已采用CHAdeMO快速充电设备的国家和地区纷纷提出，之前采用的快速充电设备是按照国际标准而建设的基础设施，欧盟提出的上述规定有失公允。最终法案作出了如下规定，用于公共场合的DC快速充电器应安装类型2连接器。因此，在2015年后的欧洲市场，支持类型2和CHAdeMO等多种方式的多臂充电器逐渐成为主流。同时，以大容量、高性能EV 品牌著称的特斯拉进入了汽车市场，采用了电压超过100 kW的独立标准。虽然特斯拉针对主流汽车市场的要求而配备了专用充电器，但是在各国政府的要求下，其仍被迫增加了各种适配器和插头。

由美国汽车工程师学会(SAE)所规定的快速充电器标准要求采用类型1组合式连接器，但是其所具有的法规强制性不如欧洲。就采用CHAdeMO充电器的车辆而言，其技术水平在行业市场中处于领先地位，而且日本方面已主导了DC充电标准项目的发展。2016年3月，在国际电气电子工程师学会(IEEE)正式发布CHAdeMO标准后，多臂充电器已逐渐在美国成为了主流，与欧洲方面一致。

就韩国而言，其所生产的EV主要面向欧美市场，因此也采用了类型1标准。不过，其采用CHAdeMO标准的进程与欧美相同，韩国方面仍以多臂充电器为主流。

亚洲地区的部分发展中国家对此类标准仍处于讨论阶段。由于在该类国家的国内市场中，两轮车和小型电动车(LEV)占比较高，所以并未直接采用目前的标准。政府部门在未来很有可能会修订法规，以使其适用于LEV。

2  CHAdeMO的设计理念

自2010年第1版CHAdeMO标准规格书发布以来，研究人员已进一步细化了品质要求，同时补充了迎合市场需求的功能，并发布了修订版规格书。在其修订历程中，研究人员始终遵循着3条基本设计理念。

第1条设计理念为安全第一。快速充电器是普通用户可直接使用的充电装置。对用户而言，其为1类采用高电压、大电流的设备，所以具有较高的防触电安全措施要求。在开发初期阶段，CHAdeMO旗下的研究人员在标准规格书中对硬件、系统等级、运用过程3个阶段分别明确规定了其安全性要求。在安全对策方面，最重要的是与连接器相关的各类性能确认书。作为系统级别的安全装置，除了充电控制通信系统所使用的CAN总线以外，研究人员还为其设置了多条信号线。这是考虑到即便硬件出现故障，在发生异常时也能实时切断电流。在具体使用及操作等方面，研究人员还对发生故障时的连接器断开方法及紧急停止按钮设置等方面作了详细规定。

第2条设计理念为确保电气品质和可靠性。按照国际标准规定，安装在公共场所的快速充电器不允许对配电线路及周围的电气设备产生电磁兼容(EMC)和高次谐波等电磁噪声的影响，并且即使自身受到外部的噪声影响，也能维持正常运行。

第3条设计理念是需要确保使用的兼容性。充电装置作为公共基础设施，必须能与所有主机厂的车型充电要求相匹配。另外，EV 和快速充电器都需要在长达5年以上的使用期限内，即使出现不同版本的软硬件也能实现有效匹配和相互兼容。

CHAdeMO旗下的研究人员不仅在标准规格书中规定了上述设计要领，在协会成立初期就已确立了产品认证制度。在认证制度设立的初期，由于EV及快速充电器尚未确定检验标准，因此当时试制的检测系统均安装在东京电力公司的技术研发中心内。不仅在日本国内，世界各国的充电器制造商均配有相关产品。研究人员在反复验证的同时进行了系统调整，并开发出相应的检验标准。在对2013年标准规格书进行修订时，CHAdeMO即已发布了针对体系化试验项目的标准检验书。同时，在日本贝克特股份公司的协助下，相关研究人员开发了采用通用开发工具的第2代检验系统。从2014年开始，日本国内形成了通过外部检测机构开展第3方验证的制度，在欧洲地区也成立了相应的检测机制(图2)。


图2 检测系统的研发

2017年，美国方面为了与CHAdeMO的DC充电标准IEEE2030.1.1实现兼容，启动了以共同认证为目标的IEEE合格评定程序(ICAP)。相关研究人员通过验证由CHAdeMO开发的检测标准，不仅能证明其安全性和合理性，而且对于制造商而言，可以通过一次性试验以获得CHAdeMO和IEEE双方的共同认证。同时，由于CHAdeMO的快速充电器在世界各地得以快速普及，从事其产品制造的开发商数量也在持续增长。为了应对上述发展动向，充电器制造商及汽车制造商共同开发了可作为开发工具使用的第3代检测系统。该检测系统可用于检测产品设计及制造品质。其研发目标是在未来使部分销量持续增长的市场或地区实现本地化生产，并确保其产品可靠性。基于CHAdeMO检测规格书而设计出的软件被用作于会员企业的共有资产，因此购买该软件的厂商只需要承担硬件的成本，该款新软件已于2019年正式面世。

近年来，针对充电基础设施的发展环境已出现了一系列变化，主要体现在如下方面：车载电池追求大容量和高性能，未来会扩大亚洲各国和东欧等地区的新市场，同步推进EV的普及性与可再生能源的发展，进而会对电力系统产生影响。下文将描述CHAdeMO在保留前述设计思想的同时，针对上述课题的应对计划。


3  应对高功率输出的方案

最初，出于兼顾成本和性能的目的，CHAdeMO旗下的研究人员将最高功率设定为50 kW。如果输出功率超过50 kW，设备成本将得以大幅上升；而输出功率如小于50 kW，充电时间会相应增加，服务性也会有所下降，因此将目标值设定为50 kW是研究人员充分考虑到成本和性能的平衡点而作出的选择。

自大众“排放门”事件之后，之前以柴油车为主要生产车型的德系汽车制造商纷纷明确表示将开始关注EV等新能源车型。同期，特斯拉发布了model3车型。该车型不仅成本低廉，而且在续航里程方面超过了此前的同类车型，其续航里程可达354 km。特斯拉于2018年后投入市场的新车型，其续航里程均在400~500 km以上。该案例成功优化了当时制约EV推广的重要因素———续航里程。该项优化主要归功于锂离子电池在短期内的降价。为了应对上述变化，研究人员在IEC标准修订审议中同意将电流值设为400 A，CHAdeMO方面也将原先最大125 A的电流值修订为400 A。从制造商立场出发，尽管充电器的基本结构和控制方法与之前相比并未进行显著调整，但是如何降低由大电流产生的热量，特别是控制电缆温度上升等具有较高技术性的课题依然有待进一步研究。

高功率输出技术的开发进程是研究人员在设立其他标准过程中同样面临的1项技术难题。CHAdeMO与中国电力企业联合会就共同开发下一代充电标准达成了一致，并于2018年8月在北京举行了签约仪式(图3)。同年10月的中日经济合作会议上，在两国首脑的见证下，双方共同制定了用于推行新标准的方针政策。上述合作有效推动了研发进程，以此促进了具有高功率且能实现安全充电的新技术的发展。同时，考虑到CHAdeMO方面有着深厚的技术储备，中国方面则有着广阔的市场规模，逐步降低生产成本对双方均大有裨益。新标准能有效兼容CHAdeMO和中国的现有标准，以达成统一目标。同时，双方会定期召开会议以沟通研发进度。


图3 中日双方签字仪式

目前，市场上尚无能实现连续大电流充电的量产车型，但在以多臂充电器为主流的欧洲市场，如果需要同时向多台EV充电，就可充分利用高功率充电技术。因此，目前日本国内正在安装150 kW级的充电器。此外，针对以保时捷为代表的高档车型及大型车辆，则需要配备具有更高功率的充电设备，例如充电电压可达到1 kV的350 kW级高功率充电器。日本电气设备技术标准规定直流电压不得高于750 V，如果电气设备的直流充电电压超过该数值，研究人员为此需要对法规进行修订。预计世界范围内的多个国家或地区在上述领域将会与日本面临相同的问题。

4  扩大区域

继日本、欧洲等国家及地区之后，其他新兴的汽车产业国家也将尽快开展针对充电基础设施及相关标准的优化进程。充电基础设施是EV普及过程中所必备的公共设备，在其初期发展阶段离不开国家提供的政策扶植。因此，各国政府希望能将充电器的设计、制造、销售及保养周期全部实现本地化。研究人员将CHAdeMO的普及方针作为技术核心，在遵循安全性、兼容性等必要条件(全球标准)的同时，也要考虑到区域特殊性及本国标准。因此，研究人员所设定的具体方案是向当地的会员企业提供技术支持及权限转让，同时认可区域性标准并优化成本。不仅如此，还能与所在国家实现团体化合作，以推进本地化认证。目前在台湾、韩国及印度等国家和地区的CHAdeMO认证机构已新增了会员制。

其中印度政府在2018年推行电动化政策的同时，为了规范充电标准而启动了相关项目，CHAdeMO也得以参与其中。鉴于印度汽车市场中，两轮车和小型车的保有量占比较高，同时负责公共交通的政府机构也亟待整顿。因此，研究人员因地制宜，将车型分为乘用车、小型车辆、客车/货车共3部分，并开展了标准化讨论。可以预见，未来在其他地区也会存在相近的需求。CHAdeMO正在针对大型车辆充电标准中的高功率输出技术而开展研究。从2017年开始，CHAdeMO旗下的研究人员还设计了外部充电标准线规(SWG)，并对如何灵活使用已积累下的技术资源进行了充分探讨。研究人员在2018年已针对两轮车设定了SWG，并对输出电压更低、连接器尺寸更小的两轮车与小型车辆及其充电规格进行了充分探讨。研究人员在多种车型的研究及探讨过程中遵循了相同的设计理念，将有助于提高设计效率，并持续推进车辆电动化进程。

5  双向供电功能

2011年日本东部地区发生地震期间，由于汽油供给受阻，EV成为了当时医疗人员及后勤支援的主要交通工具。此外，在紧急情况下，EV的大容量电池也能对外供电，这也是实现车辆为家庭供电(V2H)、车辆对外放电(V2L)、车辆为电网供电(V2G)及车辆为建筑供电(V2B)等技术的重要契机。2012年3月，三菱汽车开始销售具有V2L功能的产品———MiEV power box供电系统。2012年5月日产汽车销售了V2H 产品———LeaftoHome供电系统。以此作为开端，世界各国的汽车制造商也开始竞相研发性能相近的产品(图4)。


图4 V2X技术的研发历程

基于上述原因，日本经济产业省认为有必要对供电系统制定标准，并于2013年3月发布了1.0版V2H指南，从而确保当前仍在使用的产品与系统的兼容性，以及系统自身的关联性等详细内容。CHAdeMO联合日本电动车电源系统协会(EVPOSSA)旗下的2个组织，讨论了其与V2H/V2L的关联性。2014年4月，其针对V2H技术发布了2.0版指南。随着指南的发布，CHAdeMO除了对以往的快速充电器进行研究之外，还于2015年3月开始了对V2H/V2L产品的检验。

迄今为止，各国政府已在全球开展了针对CHAdeMO双向供电功能的试验过程，总计多达40余项。以日本为例，其自2011年到2015年期间，最具代表性的项目是日本资源能源厅在横滨市等4个地区开展针对下一代能源和社会系统的验证工作，并优化区域的能源管理，同时将EV充放电系统作为分布式能源以纳入其中。

另外，从2016年开始，研究人员启动了针对虚拟电源设备(VPP)的实际验证工作。VPP可通过多个分布式能源(DER)的聚合以进行远程控制，为此可将其视作为1个发电厂，以此来平衡电力系统的供求。目前，DER主要使用固定式电池和需量反应式电池(DR)。在未来，研究人员可充分利用其成本优势，并使其成为重要的供电来源。

6  总结

目前，汽车行业已逐渐步入EV时代。世界各国已对该观念达成共识，但是用户和主机厂仍不希望充电器种类规格过于繁多。而CHAdeMO正是以向全球用户普及EV为目标而成立的组织机构。CHAdeMO未来将与CEC实现友好合作，共同推进并统一下一代快速充电标准，也是为了促进EV及充电基础设施普及进程的最佳方案。双方通过优势互补，即可在全球充分推广充电器，同时在区域性和保有量等方面均保持领先地位。历经了多年发展，在确保产品可靠性和兼容性方面，CHAdeMO已有一定的技术积累，而CEC则由中国政府主导推进，在EV及充电器保有量方面占有绝对优势。CHAdeMO通过与中国合作，由此可在制造成本方面发挥规模优势，其在未来一定会引领EV的全球普及进程。

CHAdeMO是目前唯一可将双向供电技术用于实际的国际标准，中日双方的下一代法规也会考虑到V2G等技术。与EV普及一样，世界各国都在推进可再生能源的导入政策。目前，仍存在电力系统供需不足的问题，而V2G系统则可有效利用EV上安装的蓄电池，并以此作为协调电力供给的方式。同时，研究人员也希望V2G技术能在解决电力供给不足等方面发挥其相应的技术优势。