电动汽车充换电设施标准化研究

电动汽车充换电设施标准化研究

目前，电动汽车市场份额正在增加。为了促进能源基础设施的经济有效运行，电动汽车被广泛使用，必须研究充电标准。但世界各组织制定的充电设施标准有很多，直接影响到充电设施的普及与推广。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、电动汽车在电网整合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、电动汽车的概念和参数1.需要充换电的电动汽车ISOOTR8713:2012定义了术语和词汇。SAE标准J1715仅涵盖了混合电动汽车和电动汽车方面的术语，SAE标准J1715/2增加了电池术语。ESO标准EN13447:2001为整个欧洲国家的电动汽车建立了相关术语，包括电力传动系、牵引系统、电池、电池组、导电部件、电路、辅助绝缘的定义。NTCAS标准GB/T29317定义了电动汽车充换电设施术语。表1给出了主要标准化组织发布的电动汽车术语标准。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。(1)电池电动汽车(BEV)：这种电动汽车使用储存在电池中的电作为主要能源来源。它没有内燃机，也没有燃料电池或燃料箱。司机可以将插座插入充电点为电池充电。有各种各样的插座。(2)混合动力电动汽车(HEV)：第二种电动汽车由电力和燃料驱动。因此，它包括一个油箱和一个电池，当负载或速度上升时由汽车的制动系统或内部内燃机充电。它不能用插座从外部充电。(3)插电式混合动力汽车(PHEV)：是HEV的升级版，不过，它包括一个新的电池充电系统，可以由外部充电点提供能源。(4)增程电动汽车(EREV)：就是相当于给普通的电动汽车装了一个内燃机，但是这个内燃机不直接驱动车轮，而是给车辆供电用。驱动这辆车跑起来的，依旧是车辆的电动机。燃料被转换成电能，并储存在电池中。(5)燃料电池电动汽车(FCEV)：这种电动汽车是为长距离运行而开发的。其能将氢和氧的化学能转化成电能来驱动电动机。因此，它没有油箱，但是有高压氢罐。它包含一个充电器。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.电动汽车传导充电系统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