IEC TS 61851-3-42023 电动汽车导电充电系统.第3-4部分保护依赖于双重或加强绝缘的直流电动汽车供电设备.CANopen通信的一般定义和要求标准立项发展报告

电动汽车导电充电系统第3-4部分：保护依赖于双重或加强绝缘的直流电动汽车供电设备CANopen通信的一般定义和要求标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ElectricVehiclesConductiveChargingSystem-Part3-4:DCEVSupplyEquipmentWhereProtectionReliesonDoubleorReinforcedInsulation-GeneralDefinitionsandRequirementsforCANopenCommunication摘要随着全球电动汽车产业的迅猛发展，直流快充技术作为解决里程焦虑的核心手段，其设备间通信的标准化已成为国际电工委员会（IEC）关注的重点领域。IECTS61851-3-4:2023《电动汽车导电充电系统第3-4部分：保护依赖于双重或加强绝缘的直流电动汽车供电设备CANopen通信的一般定义和要求》是IEC61851-3系列标准的重要组成部分，专门针对保护依赖于双重或加强绝缘的直流供电设备（DCEVsupplyequipment）与电动汽车之间的CANopen通信协议进行了统一规范。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其在电动汽车充电通信标准体系中的定位，分析了标准中关于CANopen通信架构、对象字典（ObjectDictionary）、过程数据对象（PDO）与服务数据对象（SDO）等关键模块的定义与要求，并阐述了该标准与IEC61851-3-1、IEC61851-3-2等系列标准之间的逻辑关系。报告还详细介绍了主要参与编制单位在标准制定过程中的技术贡献，并对该标准在未来车网融合（V2G）、智能充电及超充技术发展中的应用前景进行了展望。本报告旨在为行业技术人员、标准化工作者及充电设施研发企业提供全面的参考与指导。关键词：电动汽车；导电充电系统；直流供电设备；双重绝缘；加强绝缘；CANopen通信；IEC61851Keywords:Electricvehicles;Conductivechargingsystem;DCEVsupplyequipment;Doubleinsulation;Reinforcedinsulation;CANopencommunication;IEC61851一、引言1.1立项背景全球新能源汽车产业正经历前所未有的快速增长。根据国际能源署（IEA）发布的《GlobalEVOutlook2024》统计数据，2023年全球电动汽车销量已突破1400万辆，同比增长35%，占全球新车销售总量的18%。在中国、欧洲和北美三大主要市场的强力驱动下，电动汽车保有量的持续攀升对充电基础设施的规模、性能及智能化水平提出了更高要求。尤其在直流快充领域，更高的充电功率和更短的充电时间成为行业竞争的焦点，大功率充电（HPC）技术已从早期的50kW向350kW乃至更高功率等级演进。在电动汽车直流充电过程中，充电设备与车辆之间的实时通信是确保充电过程安全、可靠和高效运行的关键环节。直流充电系统涉及高电压、大电流的能量传输，其控制信号的实时性、准确性和安全性至关重要。在物理层通信技术选型方面，CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网络）总线凭借其高可靠性、强实时性和良好的抗干扰能力，在国际上被广泛用作电动汽车充电通信的底层传输协议。而在应用层协议层面，CANopen协议以其对象字典机制、标准化通信对象和服务模型等优势，在工业自动化和车载网络领域获得了长期验证和广泛应用。然而，在IECTS61851-3-4:2023发布之前，直流充电设备采用CANopen协议进行通信时，各厂商在通信参数配置、对象字典定义、PDO与SDO映射规则、错误处理机制等方面存在较大差异，导致不同品牌充电设备与不同车型之间的互操作性面临严峻挑战。这种"碎片化"状况不仅增加了充电运营商的设备维护成本，也制约了充电基础设施的规模化部署和用户体验的持续提升。1.2标准定位与意义IECTS61851-3-4:2023作为技术规范（TechnicalSpecification，TS），归属于IEC61851-3系列标准框架之下。该系列标准专门针对保护依赖于双重或加强绝缘的直流电动汽车供电设备（即通常所称的隔离式直流充电设备）制定了系统性技术要求。其中，IECTS61851-3-1规定了通用的系统架构和供电设备要求，IECTS61851-3-2规定了直流供电设备与电动汽车之间的控制通信协议（PLC-based通信），而IECTS61851-3-4则专门聚焦于直流供电设备采用CANopen通信协议时的一般定义与要求。该标准的立项与发布具有以下重要意义：第一，填补了国际标准在直流充电设备CANopen通信应用层协议方面的空白，为制造商提供了统一、明确的通信实现规范。第二，通过标准化对象字典和通信对象定义，显著提升了不同厂商设备间的互操作性水平和即插即充（PlugandCharge）能力。第三，通过明确错误处理、心跳监测和紧急报文等机制，为充电过程的安全性和故障快速处置提供了通信层面的制度保障。第四，为各国制定直流充电设备国家标准或行业标准提供了重要的国际参考依据。二、标准编制背景与工作基础2.1国际标准化环境IEC61851系列标准的编制工作由IEC/TC69（电动汽车和电动工业车辆电能传输系统技术委员会）负责组织开展。TC69成立于20世纪90年代，其工作范围涵盖电动汽车传导充电系统、电池更换系统、无线充电系统以及V2G能量交互等领域，是国际电动汽车充电标准化工作的核心技术委员会。在IEC61851系列标准中，IEC61851-1:2017《电动汽车导电充电系统通用要求》规定了电动汽车传导充电系统的基础性通用要求，涵盖充电模式（Mode1至Mode4）、电源要求、电气安全、连接器要求和基本控制导引电路（ControlPilot）等。IEC61851-23:2014则针对直流充电系统提出了专门的通用要求。而IEC61851-3系列（具体包括IECTS61851-3-1、IECTS61851-3-2、IECTS61851-3-3和IECTS61851-3-4等部分）在通用要求的基础上进一步细化，专门针对保护依赖于双重或加强绝缘的直流电动汽车供电设备制定更具体的技术规范。2.2CANopen协议的技术特征CANopen协议是基于CAN总线的应用层协议，最早由CiA（CANinAutomation）协会在1990年代中期基于CANApplicationLayer（CAL）协议开发制定，其核心规范为CiA301（应用层与通信概要）、CiA305（层设置（LSS））、CiA402（驱动与运动控制设备概要）等。CANopen协议具有以下技术特征：-对象字典（ObjectDictionary，OD）：每个CANopen设备都有一个对象字典，以16位索引（Index）和8位子索引（Sub-index）进行寻址，统一描述设备的所有参数、功能和通信对象。-过程数据对象（PDO）：用于实时传输过程数据，采用生产者/消费者模型，传输无需确认，通信效率高，适合周期性或事件触发的高速数据传输。-服务数据对象（SDO）：用于访问对象字典中的任意条目，基于客户端/服务器模型，支持确认传输，适合传输参数配置和非实时数据。-网络管理（NMT）：负责设备状态管理，包括初始化、预操作、操作和停止四种状态，实现网络范围内的统一启停和控制。-紧急报文（EMCY）：设备在检测到内部错误时主动发出紧急报文，用于快速报告错误状态。-心跳机制（Heartbeat）：通过周期性发送心跳报文体现实时在线状态，实现网络节点存活监测。上述特征使CANopen在实时性、可靠性、灵活性和可扩展性方面具有很强的综合优势，非常适合用于电动汽车直流充电场景下充电设备与车辆BMS之间的大规模实时数据交换、参数配置和安全管理。2.3标准的立项与编制历程IECTS61851-3-4:2023的编制工作启动于2019年前后。随着IECTS61851-3-1和IECTS61851-3-2的编制推进和技术要素的逐渐清晰，TC69下属的工作组（WG23或相关专项工作组）意识到在隔离式直流充电设备中，除了PLC（电力线通信）方式之外，CANopen同样是一种具有广泛应用前景和行业需求的通信方案。尤其在部分市场区域或特定应用场景（如小功率直流充电、换电站等）中，CANopen因其技术成熟度高、实现成本较低、产业链配套完善等优势，受到多家制造商和运营商的青睐。在此背景下，TC69决定在IECTS61851-3系列框架下增补基于CANopen通信的技术规范。该提案得到多个成员国的积极支持，来自德国、中国、日本、美国、法国、荷兰等国家的技术专家参与了编制工作。2023年7月18日，IECTS61851-3-4:2023经IEC正式批准发布，成为电动汽车直流充电CANopen通信领域的首份国际技术规范。三、标准主要技术内容3.1标准适用范围IECTS61851-3-4:2023适用于保护依赖于双重或加强绝缘的直流电动汽车供电设备（DCEVsupplyequipment），即设备的带电部件与可触及部件之间通过双重绝缘或加强绝缘方式进行防护的直流充电设备。标准规定了此类设备在采用CANopen通信方式时的一般定义和要求，具体涵盖通信物理层要求、通信参数配置、通信对象定义和数据映射规则等内容。需要注意的是，该标准是一个技术规范（TS），而非国际标准（IS），其定位是为行业提供统一的技术共识和实施指南，而非强制性的规范性要求。但在实际工程实践中，该技术规范已被众多国家和企业采纳为设计依据和测试基准。3.2通信架构与拓扑标准规定了直流供电设备与电动汽车之间的CANopen通信架构要求。在典型的直流充电场景中，CANopen通信网络由两个主要节点构成，即直流供电设备侧节点（充电桩控制器）和电动汽车侧节点（BMS或车载充电控制单元）。两者通过充电电缆中的通信线（CAN_H和CAN_L）构成一个点对点的高速CAN网络。标准对通信拓扑提出了如下一般性要求：-通信速率：在直流充电场景中，CANopen通信速率应在设备与车辆之间协商确定，默认推荐速率为250kbps或500kbps，具体速率设置应满足充电控制实时性需求。对于更长距离或恶劣电磁环境下的通信，可选用较低速率以增强抗干扰能力。-电气隔离：由于直流充电系统的工作电压较高，通信接口应提供足够的电气隔离措施，以防止高压侧故障对低压通信系统造成危害。-接地与屏蔽：通信线缆的屏蔽层应可靠接地，以降低外部电磁干扰对通信质量的影响。3.3对象字典定义对象字典是CANopen协议的核心要素，标准对直流充电场景下充电设备与车辆之间需要交互的数据进行了系统的对象字典条目定义。对象字典的编制遵循CiA301规范的基本架构，同时在具体条目定义上结合了电动汽车直流充电的特殊需求。具体而言，标准将对象字典划分为以下几个主要功能区段：-通信参数区（CommunicationProfileArea，索引0x1000-0x1FFF）：定义设备类型、设备识别码、错误寄存器、CANopen对象（PDO、SDO、NMT、心跳、紧急报文）等标准通信参数。-设备特定区（DeviceProfileArea，索引0x6000-0x9FFF）：定义直流充电过程中设备特定功能相关的参数，如充电需求参数、充电状态参数、充电控制参数、充电统计数据等。在具体条目方面，标准涵盖了以下核心数据对象：-充电需求数据，包括目标充电电压、目标充电电流、充电模式（恒压、恒流、恒功率）、充电功率请求等；-充电状态数据，包括当前输出电压、当前输出电流、累计充电能量、充电时长、充电状态机状态等；-电池与车辆数据，包括电池SOC、电池温度、电池电压、绝缘电阻、允许最大充电电压/电流等；-充电控制指令，包括充电启动、充电停止、紧急停机、故障复位等；-故障与诊断信息，包括故障码、报警状态、保护动作记录等。每个对象字典条目均规定了明确的数据类型（如UNSIGNED8、UNSIGNED16、UNSIGNED32、INTEGER16、INTEGER32等）、读写属性（只读、只写、可读写）、访问权限（操作模式、预操作模式或两种模式均可）以及默认值等属性。3.4PDO与SDO通信要求标准对PDO和SDO两种通信对象的使用方式分别提出了明确要求。对于PDO通信，标准要求充电过程中涉及实时性要求较高的数据（如充电需求电压/电流、实际输出电压/电流等）应通过PDO进行周期性传输或事件触发传输。PDO的映射关系应遵循标准规定，确保收发双方对数据含义的一致性理解。标准推荐了PDO的默认映射配置方案，同时允许通过SDO进行动态映射调整。PDO的传输类型（TransmissionType）可根据数据实时性需求进行配置，周期性同步传输（类型1-240）适用于固定周期刷新的数据，事件触发传输（类型254/255）适用于状态变化时即时上报的数据。对于SDO通信，标准要求参数配置、设备识别、故障信息读取等非实时性数据传输应通过SDO进行。SDO通信采用确认机制，保证数据可靠传输。标准要求设备应支持SDO服务器功能，能够响应来自对端的SDO请求。关于SDO的最大传输数据长度、块传输（BlockTransfer）模式的支持要求等，标准也给出了相应规定。3.5通信安全与故障处理标准对通信安全和故障处理机制提出了系统性的技术要求：-心跳监测（Heartbeat）：设备应周期性发送心跳报文（默认周期建议不超过500ms），以实时通报自身在线状态。当对端设备超过设定时间未收到心跳报文时，应判定通信中断并采取相应的安全措施（如终止充电、进入安全状态等）。-紧急报文（EMCY）：设备在检测到通信类或充电控制类故障时，应主动发送紧急报文，报文中应包含故障代码和错误寄存器信息。紧急报文的错误代码定义应遵循CiA标准DS301和针对具体应用场景扩展定义。-通信超时处理：对于充电控制相关的周期性数据（如充电需求、充电状态），标准规定了通信超时判定准则和超时后的行为要求。通常而言，当通信中断或数据超时达到设定阈值（如1s）时，设备应中止充电过程并进入安全状态。-故障分级处理：标准建议将通信故障进行分级，不同级别的故障对应不同的响应措施。例如，一般通信延迟可通过重试或等待恢复；严重通信中断应触发紧急停机程序。3.6与IEC61851-3系列其他标准的协调关系IECTS61851-3-4在IEC61851-3系列中承担着通信协议层面的补充和细化功能。其与系列内其他标准之间的逻辑关系如下：-IECTS61851-3-1规定了隔离式直流供电设备的整体系统架构、功能要求、安全要求、充电控制策略等通用性内容。IECTS61851-3-4作为该架构下通信层面的一种实现方案，其通信控制功能应与3-1中的充电控制策略和状态机定义保持协调一致。-IECTS61851-3-2规定了基于PLC通信方式时直流供电设备与车辆之间的高层通信协议要求。IECTS61851-3-4与其在通信层的物理介质和应用协议上有所差异（CANopen基于CAN总线，而3-2基于电力线通信），但在充电控制逻辑、数据交换语义等更高层次上应保持一致。-IECTS61851-3-3可能涵盖直流供电设备与车辆之间的通信接口要求或测试要求（具体视版本而定），IECTS61851-3-4的通信定义应与其接口定义保持兼容。这种"物理层差异化、应用层统一化"的体系架构设计，使得充电设备制造商可以根据自身技术路线和市场需求选择更适合的通信方式，同时确保充电控制语义在不同通信方案之间保持一致，最大限度地提高了标准的适用性和灵活性。四、主要参与编制单位介绍4.1牵头与核心编制机构IECTS61851-3-4:2023的编制工作由IEC/TC69（电动汽车和电动工业车辆电能传输系统技术委员会）统一组织领导。TC