電動汽車大功率充電技術現狀分析

陳永強，呂國偉

1.中國電器科學研究院股份有限公司，廣東廣州 510663；2.威凱檢測技術有限公司，廣東廣州 510663)

0 引言

電動汽車大功率充電是為了縮短充電時間提出的新型充電技術，以提升車主的消費體驗。當前我國大功率充電技術需求主要包括：

(1)購買了大航程電動汽車的車主；

(2)出租車、網約車、物流車、特種作業車輛這類非常關注充電時間的司機；

(3)沒有固定車位的電動汽車車主、節假日高速公路休息區快速補電的車主。

只要充電功率不小于350 kW，以單槍方式給動力電池傳導充電80%～90%容量只需10～15 min的充電技術就可以稱為大功率充電(High Power Charging,HPC)。

廣義的大功率充電技術上可分為傳導直流大功率充電技術、傳導交流大功率充電技術和無線大功率充電技術。目前狹義的將傳導直流大功率充電簡稱為大功率充電。大功率充電技術與現有的2015版充電技術是并行的技術路線。

1 2015版充電連接組件的缺陷

隨著在役充電設施的基數不斷上升，充電運營企業不時上報充電連接組件在充電一段時間后開始出現燒灼和過溫等事故。通過事故分析，充電連接組件過溫產生的原因:

(1)公差配合缺陷

制作工藝不成熟導致充電連接組件插頭與插座匹配度不高,公差配合存在很大缺陷，不符合IPXXB的要求，端子與簧片磨損嚴重。

(2)壓接工藝缺陷

機械壓接工藝不穩定導致線纜與連接組件端子的壓接不到位，導致部分接觸阻值偏高，目前推薦使用不規則壓接或六邊形加點結合壓接工藝，配合鍍錫防氧化處理工藝。

(3)防塵防水缺陷

充電場站灰塵、潮濕積水，加上充電連接組件缺乏必要的維護保養，導致充電連接組件與電纜壓接處的溫度不斷升高產生氧化物，隨著氧化物的堆積，最終導致事故發生。

(4)指標缺失缺陷

2015版相關標準未明確充電連接組件中端子的鍍層厚度、接口溫度和接觸電阻等指標，而溫度檢測裝置的缺失造成連接組件的實際溫度無法被有效監測。

(5)控制導引電路缺陷

中國2015版控制導引電路在PE發生斷針的情況下，無法進行判斷(見圖1—圖2)。此外2015版控制導引電路還存在沒有硬節點信號等缺陷。

圖1 保護接地連續性正常狀態下CC的變化

圖2 保護接地連續性丟失(PE斷針)狀態下CC的變化

目前全球共有3套充電體系：歐盟和美國特斯拉CCS Combo(2012)體系、日本CHAdeMO(2.0)體系、中國GB/T(2015)體系。CCS Combo(2012)體系采用PLC通信協議，目前只有幾家芯片公司可以提供通信芯片，成本比較高，導引電路也存在一些潛在缺陷。日本CHAdeMO(2.0)體系的連接組件采用了非常復雜的結構設計，成本非常高，地線非常細，傳輸信號很容易受到干擾；另外導引電路上也存在一些缺陷。分析這3套體系標準還有一些共同的問題：充電接口尺寸普遍大，機械強度不足；沒有考慮未來的升級。

2 大功率充電(HPC)技術的解決方案

為有效解決2015版充電連接組件的缺陷，滿足廣大電動汽車用戶的需求，完善大功率充電技術迫在眉睫。為此中電聯大功率充電技術工作組設計了全新的HPC充電連接組件、全新的HPC控制導引電路、全新的HPC轉換器，還針對性地啟動編寫全新的HPC通信協議。

工作組吸取上一代充電技術升級換代的經驗教訓，將大功率充電技術的關注點聚焦在安全性、可靠性和兼容性，特別關注兼容性，保證大功率充電連接組件標準與2015版充電連接組件標準的協調，滿足新樁與舊車的兼容以及舊樁與新車的兼容。

2.1 大功率充電(HPC)連接組件

目前新的大功率充電連接組件解決了2015版充電連接組件的各種缺陷，同時兼容未來以太網通信技術。

從圖3—圖4可見：新一代大功率充電(HPC)充電連接組件優化了公差配合，滿足IPXXB；減少了兩根信號電纜；尺寸最小，動力針為大功率預留足夠的傳輸能力；增加定位結構，減少充電過程中的傾斜應力；電子鎖從原來的槍上移到了車內，提供多方向安裝方式，可以排成CCS的方式，也可以像現在的CHAdeMO排在車上不同的位置；交流直流分開，提高了可靠性；在熱管理系統上也進行了重新的評估和設計，包括充電電流的設計，提出了對連接器和插座的測試方法，目前在國內的3個試點運行，得到了行業普遍認可。

圖3 大功率充電(HPC)充電連接組件設計

圖4 大功率充電(HPC)充電連接組件實物

2.2 大功率充電(HPC)控制導引電路草稿

如圖5和表1所示，新的控制導引電路，最大的改進是增加了安全性，增加了應急點，一旦發生故障不通過通信協議，通過節點變化通知對方及時暫停充電。另外增加了一個編碼電阻，可識別出對方使用的是新舊系統，做到向前兼容。

圖5 大功率充電(HPC)的新控制導引電路草稿

表1大功率充電(HPC)的新控制導引電路的監測點運行狀態

參數位置誤差/%最小值標稱值最大值參數位置誤差/%最小值標稱值最大值U1/V樁端511.412.012.6U2/V車端511.412.012.6R1/Ω樁端39701 0001 030R4/Ω車端31 4551 5001 545R′1/Ω樁端31 9402 0002 060R′4/Ω車端32 9103 0003 090R2/Ω樁端319 40020 00020 600R5/Ω車端39701 0001 030R3/Ω樁端3485500515S2車端常閉S1樁端常開S3車端常閉

注:U2為小于60 V DC的任意電壓值，這里以標稱值12 V為例。

2.3 大功率充電(HPC)轉換器

經歷過上一代充電技術升級的車企、樁企和運營公司，只能把原有設備開膛破腹地進行徹底換代。2015年全國公共充電樁數量是5.77萬只，而2020年1月全國在役公共充電樁的數量已經達到51.6萬只。唯一的方法就是新方案的兼容性，兼容性包括新樁對舊車、舊樁對新車兩部分。

新樁怎么兼容舊車？

辦法一，新樁配備有一新一舊兩個充電系統和充電連接組件，如圖6所示。

圖6 新樁帶新、舊兩個接口方案

辦法二，使用國際電工委員會(IEC)建議的轉換柜，如圖7所示。使用轉換柜時，左邊連接新樁，轉換柜自帶舊接口給舊車充電，轉換柜自帶控制導引轉換翻譯電路，充電安全得到一定的保障，但是成本絕對不低。

圖7 使用IEC的轉換柜方案

舊樁怎么兼容新車？

為了防止充電過程中的誤插拔，HPC草案把電子鎖緊裝置從充電插頭搬到了車輛插座上。新車在使用舊樁時只要使用轉換器就能接上舊樁了。轉換器的設計草案見圖8。

圖8 轉換器的設計草案

新車通過HPC控制導引電路分析可知接入的是新樁還是舊樁，新樁則自動進入充電；當舊樁連接新車時，如圖9—圖11所示：檢測點1由原來的6 V轉換為4 V，檢測點2由原來的0 V轉換為4 V，檢測點3由原來的12 V轉換為5.2 V，舊樁提醒用戶使用轉換器。

圖9 舊樁使用轉換器給新車充電

圖10 HPC控制導引電路鑒別新舊車

參數單位電壓檢測點(Detecting Point)1V6.00檢測點(Detecting Point)2V0.00檢測點(Detecting Point)3V12.00S2狀態閉合S3狀態閉合參數單位電壓檢測點(Detecting Point)1V4.00檢測點(Detecting Point)2V4.00檢測點(Detecting Point)3V5.2S2狀態閉合S3狀態閉合

圖11 HPC控制導引電路鑒別新舊車

2.4 大功率充電(HPC)通信協議

通過上述分析，通過HPC充電連接組件、HPC控制導引電路、HPC轉換器3個新技術的配合使用，無需對舊樁舊車進行任何升級換代就能實現大功率充電技術的應用推廣，實現舊樁給新車、新樁給舊車的充電。

不同的控制導引電路就需要配合不同的通信協議。大功率充電技術需要對現有通信協議的內容結構甚至交互過程做相應的修改。如何解決兼容性問題？首先進行版本的信息互換，做出版本判斷，然后切換到相應的處理模塊實現兼容。大功率充電(HPC)通信協議修訂建議見表2。還有熱管理問題、即插即充問題、輸出能力動態調整問題、新控制導引電路中控制時序與通信協議的配合等問題正由工作組成員與樁企、車企、運營商等相關方討論完善中。

表2 大功率充電通信協議修訂建議

3 大功率充電技術的最新發展

隨著電動汽車續航里程的增加和消費者對快速充電要求，大功率充電受到國內外高度關注，在產業推廣應用的前期，開展示范試點，用事實數據為大功率充電的規模應用提供技術支撐。

2019年3月日本CHAdeMO發布了CHAdeMO 3.0標準，該方案基本采用了中國的HPC方案，在兼容性方面做了一些修改。在中日HPC方案基礎上，下一步中國將和日本聯合遞交HPC安全IEC標準提案，與歐盟和美國的特斯拉體系進行協同，最終成為唯一的新國際標準，包括它的物理連接外形、充電系統安全指標、通信協議等。預計2022年電動汽車大功率充電技術將走進日常百姓生活。