国内外电动汽车充换电设施标准及应用现状

本文将国际标准化组织(ISO)标准、国际电工委员会(IEC)标准、美国汽车工程师学会(SAE)标准、欧洲标准化组织(ESO)标准、全国汽车标准化技术委员会(NTCAS)标准进行对比，分析电动汽车充换电设施标准的建立。

一、电动汽车的主要标准化组织

与电动汽车充电有关的标准可分为3个部分：电动汽车充电设施(元件)标准、电动汽车并网标准和安全标准。在电动汽车充电元件标准化中，ISO主要致力于将电动汽车作为一个整体进行标准化，其他的标准则在组件级别上进行规范。电动汽车并网标准是处理电动汽车充电/放电的，充电/放电过程中，电动汽车在电网中就像分布式能源。电网整合标准制定有两个主要的参与组织，即电气工程师协会(IEEE)和保险商实验室(UL)。电动汽车充电和电网整合的安全标准，主要参照美国消防协会(NFPA)和电气规程(NEC)这些组织机构制定的标准。

制定电动汽车标准最多的3个组织是美国SAE、欧洲ESO以及中国的NTCAS。SAE标准委员会有9000多名工程师参与标准修订和维护，共制定了81项汽车电气化标准，这些标准定义了有关电动汽车的术语，如电动汽车安全性、电动汽车通信、电池、电动汽车充电、电动汽车电磁兼容性、电源质量、额定功率和连接器的协议。ESO制定了在欧洲实施的标准，其已建立了95个标准，其中包含了电动汽车和相关系统的所有特征。中国NTCAS已经为所有类型的电动汽车建立了GB和QGDW标准，已发布和正在准备的标准总数为79个。

二、电动汽车术语和词汇标准

1. 电动汽车术语



电动汽车主要有5种类型(如下所说明和图1所示)，需要充换电的有电池电动汽车和插电式混合动力汽车。



在本文中，引自标准中的术语有：

(1)供应设备(EVSE)是指“充换电站”的基础设施，用于将电能从电源传递到电动汽车充电器，EVSE也称为充电点，它将电源线、连接器和接口整合到市电中，从而为电动汽车电池提供能量。EVSE和市电之间的接口将直接“硬连线”到控制设备或插头和插座。

(2)可充电储能系统(RESS)是指任何具有充放电能力的储能系统，如电池、电容器等。

(3)插头、插座、车辆插孔、车辆连接器、车辆耦合器等术语，见图2所示。



2. 电动汽车充换电设施标准

不同组织的充电标准主要集中在传导充电方法上，感应充电或无线充电和电池交换技术，图3显示了主要标准化组织制定的电动汽车充电标准数量。



⑴IEC充换电标准

IEC61851-1-2017第1部分，规定了电动车辆传导充电系统的一般要求，适用电动道路运输车辆(EV)和插电式混合动力车辆(PHEV)的车载充电设备。充换电设备供电和输出额定电压输出范围为高达1000V的AC电源和1500V的直流电源。该标准涵盖的方面包括：①供应设备(EVSE)的特性和运行条件；②供应设备与电动汽车之间的连接规范；③供应设备的电气安全要求。

IEC61851-21-1:2017电动车辆传导充电系统第21-1部分规定了电动车辆传导车载充电器连接交流/直流电源的EMC要求。IEC61851-21-1:2018电动车辆传导充电系统第21-2部分规定了电动车辆传导非车载充电器连接交流/直流电源的EMC要求。

IEC61851-23:2014给出了DC快速充电装置和EV之间的控制和通信连接要求，不适用于无轨电车、铁路车辆、工业用卡车以及主要设计用于越野车的车辆。IEC61851-24:2014电动车辆传导充电系统第24部分规定了电动车辆直流充电站和电动车辆之间为进行直流充电控制而发生的数字通信要求。

IEC61980-1-2015电动车辆无线功率传输(WPT)系统第1部分给出了一般要求。IECTS61980-2:2019电动车辆无线功率传输(WPT)系统第2部分给出了电动道路车辆(EV)和基础设施之间通信的特殊要求。IECTS61980-3:2019电动车辆无线功率传输(WPT)系统第3部分规定了磁场无线功率传输系统的特殊要求。

IECTS62840-1:2016电动汽车电池交换系统第1部分规定了换电总则和指南。IEC62840-2:2016电动汽车电池交换系统第2部分规定了换电安全要求。

IEC62196-1和IEC62196-2定义了用于为电动汽车传导充电的插头和插座，解决全球区域企业单独开发不兼容的问题，规范了不同电力基础设施使用的插头和插座。IEC62196-1：2014规定了插头、插座、车辆连接器和车辆插孔的一般要求，充电时额定工作电压不超过500V/AC，额定电流不超过63A三相、73A单相，电源频率为50～60Hz。而IEC62196-2标准化了3种类型的连接系统，称为类型1、2和3。IECTS62196-3-1：2020规定了用于直流充电的插头、插座、车辆连接器和车辆插孔，额定工作电压不超过1500V/DC且额定电流不超过250A，以及额定电压不超过1000V/AC且额定电流不超过250A，采用热传感。见表2，各种插头插座、车辆耦合器的类型汇总。

这些标准都是基于IEC61851-1，IEC61851-1定义了3种电缆和插接设置，可用于为EV充电：情况A，其中电缆永久连接到EV;情况B，其中电缆未永久连接到任何内容;情况C，其中电缆永久连接到充电站，见表3。这些标准基于IEC61851-1，它定义了从电源为EV充电的4种模式。模式1到3允许电动汽车直接连接到电源，在3～10h内充满电。模式4可以在10min内为电动汽车充满电量，但由于它使用离网电池，因此实现成本是最昂贵的。IEC62196-1标准适用于所有这4种模式(见表4)，而IEC62196-2适用于模式1到3。IEC62196-3将模式4直流充电标准化，并使用IEC62893规定直流电缆连接。



注明：类型1-充电器和RESS不能从车辆上拆下，无法从车辆上断开电气连接。

类型2-RESS不能从车上拆卸，充电器可从车辆上拆卸。RESS在电气上无法从车辆上断开，但充电器在电气上可以从车辆上断开。类型3-充电器和RESS可以从车辆上拆卸，并且都可以从车辆上断开。

L1-电源1；N-中性；PE-保护接地；CP-控制导向；CS-连接开关；DC(+)-直流电源正；DC(+)-直流电源负；IM-绝缘监视；COM-通讯；CC-连接确认；A+-低压辅助电源正；A-低压辅助电源负；S+-充电通讯CAN-H；S--充电通讯CAN-L；E-接地。

大功率配置ac.ac-指提供单独的交流低功率接口和交流高功率接口。大功率配置ac.dc-指提供单独的交流低功率接口和直流高功率接口。





⑵SAE充换电标准

SAEJ1772标准规定了电动汽车和插电式混合动力汽车的传导充电要求，涵盖了对电动汽车和插电式混合动力汽车实现充电的物理、电气、功能和性能一般要求，定义了通用电动汽车和插电式混合动力汽车与供应设备进行导电充电的方法，包括操作要求以及车辆插孔和配对连接器的功能和尺寸要求。而SAEJ1773确立了在相同地理区域内电动汽车感应充电的最低接口兼容性要求。SAEJ2954标准是针对轻型插电式混合动力汽车和电动汽车的无线功率传输和对准方法编制的，该规范定义了互操作性、电磁兼容性、电动场、最低性能、安全性以及对轻型电动和插电式混合动力电动汽车进行无线充电测试的可接受标准，支持家庭(专用)充电和公共无线充电。

SAEJ1772-2017中明确了AC充电和DC充电水平，如表5所示。


⑶中国充换电标准

GB/T20234.1,2,3-2011由三部分组成，形式接近于IEC62196-1,2,3，解决了中国国内不同地区，不同电网公司，充电接口不统一的问题。在中国国家标准GB/T20234.3中定义的直流充电电压和电流分别是750V和250A，充电功率可以达到150kW以上，相比目前日本电动汽车快速充电器协会CHAdeMO标准中60kW的功率要高出一倍，所以在连接器设计中考虑到电气间隙及爬电距离的影响，结构尺寸有很大的不同，目前主要用于城市纯电动公交大巴的电能补充。国家电网公司标准（Q/GDW）制定的电动汽车充换电标准也被积极采纳。

中国电力企业联合会(CEC)最近批准并发布了一套电动汽车无线充电国家标准GB/T38775.1电动汽车无线充电系统第1部分：一般要求、GB/T38775.2电动汽车无线充电系统第2部分：车载充电器与充电设备之间的通信、GB/T38775.3电动汽车无线充电系统第3部分：特殊要求、GB/T38775.4电动汽车无线充电系统第4部分：电磁环境限值和测试方法，并与发布的其他国际标准SAEJ2954、ISO19363，IEC61980保持一致。无线充电使充电过程就像停车和走开一样简单，对于未来自动驾驶汽车的自动充电至关重要。

表6对IEC、SAE和NTCAS组织定义的充换电标准进行了归纳，分为系统、接口、无线传输、换电4个方面。



3. 充电设施标准的实施

一般情况下能提供给电动汽车的充电率从15kW到100kW不等，具体取决于尺寸、用途和所需的性能，而电池组容量为5~40kWh，总电压为300~500V。具体充电插头插座、车辆耦合器、充电模式选择、与电网连接方式，前面部分已经阐述。中国制定的充换电标准与ISO、IEC以及SAE标准相似。奥迪、宝马、戴姆勒、福特、通用汽车、保时捷和大众7家车企已就综合式传导充电连接方式达成一致，只需要在车辆上使用一个充电接口即可让客户使用所有现有的充电系统进行充电，如单相AC充电、快速三相AC充电、快速DC充电。这使得7家车企生产得电动汽车可以共享相同的快速充电站，充电标准兼容SAEJ1772连接器标准和IEC62196类型2。

充电基础设施可分为住宅和非住宅类型，可以慢充电（AC水平1和2）以及快速充电（AC水平3和直流水平），快速充电指要求在1h内完成充电。住宅、路边、工作场所等位置采用交流慢速充电非常理想，而车辆停顿时间少于2h的地方(如商业综合体，高速公路等)则采用快速充电是更合适的选择。公交车需要在场站进行强制充电，而充电站大多是快速充电(包括交流电和直流电)。

当前，许多制造商正在努力建议结束电缆和插座的传导充电方式，推广电动汽车的非接触式充电系统。将无线充电设施安装集成在道路的沥青中，也可以连接到路旁的停车位。停在无线充电设施上方的车辆电池的充电将通过感应无线方式完成。该技术基于感应充电，涉及通过两个电磁线圈之间的气隙传输电能。次级线圈应用于正常充电器，用AC水平1和2。

很多政府已将电池更换作为一种机制给予重要考虑，以缓解电动汽车成本和电动汽车面临的里程焦虑问题。电池交换的一个主要优点是电池更换可在5～15min内完成，电动汽车的能量补充时间大大缩短。电池更换模式可降低电动汽车的前期成本，采取租赁电池方式进行营销。2020年中国政府出台的新能源汽车补贴最新政策中，为鼓励“换电”等新型商业模式创新发展，对采取“换电”模式的新能源汽车产品不执行30万元限价要求。