電動汽車充電網絡

馮頂軍，朱玉龍

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；2.上海通用汽車，上海201206)

電動汽車充電網絡

馮頂軍1，朱玉龍2

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；2.上海通用汽車，上海201206)

對全球的電動汽車充電網絡標準以及實踐的一些動態做一些歸納性的概述，并對國內的充電網絡發展方向作了介紹。

談充電網絡這個概念，是需要從ISO和IEC的標準體系談起的。電動汽車充電系統，首先是在全球的低壓配電電網存在較大差異的條件下進行的。從全球電網的基礎來看，電壓和頻率存在較大的差異，而更大的差異來自家庭的三相到戶的情況、家庭總的功率容量和電能質量這些較為細節的點。

1 電動汽車充電標準系統

相對而言，汽車產業在電氣化的過程中，主要由歐洲、美國、日本和中國這幾個國家的汽車公司所主導，所以目前電動汽車供電設備（EVSE）與電動汽車之間的互聯主要由這幾個標準來界定。電動乘用車相關充電標準如圖1所示。

圖1 電動乘用車相關充電標準

如果按照標委會分布的，IEC TC69下面的標準主要界定一些基本要求：

(1)IEC61851-1：充電系統總體要求。

(2)IEC61851-21-1：充電系統車載充電機EMC要求&61851-21-：充電系統非車載充電系統EMC要求。

(3)IEC61851-23：直流充電樁。

(4)IEC61851：24：直流充電通信要求。

IEC SC23H下面界定物理性狀的要求，如圖2所示，這是導致全球不同充電接口不一樣的標準。不過也是由于本身的局部電網的差異造成了一定差異性。

(1)IEC62196-1：插頭插座基本要求。

(2)IEC62196-2：交流尺寸和互換性要求，主要包含Type1（美國、加拿大、韓國、日本、澳大利亞等地）、Type2（歐盟）和中國標準三種。

(3)IEC62196-3+62196-3-1：直流尺寸和互換性要求，包含在Type1和Type2上演進的Combo1&2系統、中國系統及CHAdeMO系統三種類型。

圖2 車端充電插座概覽

TC69下主要是無線標準，這將是下一波充電和交互的主要形態。

(1)IEC61980-1：無線充電基本要求。

(2)IEC61980-2：無線充電通信。

(3)IEC61980-3：特殊要求。

TC69下的 V2G標準，涉及到電網與電動汽車網絡通信的要求：

(1)ISO 15118-1：V2G基本信息。

(2)ISO 15118-2：V2G拓撲和OSI層。

(3)ISO 15118-3：V2G物理 &數

據鏈路層。

(4)ISO 15118-4 Ed.1：V2G網絡和拓撲。

(5)ISO 15118-5 Ed.1：V2G物理&數據鏈路層測試。

(6)ISO 15118-6 Ed.1.0：V2G無線充電。

最后最為核心的安全標準是TC22分標委下面的 ISO/IEC 17409安全要求。

在美國，SAE汽車工程協會制定了SAE的相關標準，大部分是與以上的 IEC/ISO標準兼容的，不過具備更多的實踐意味。國內推出了GB20234、GB18487等相關的標準，與以上的這些存在較大的差異。

2 美國的充電網絡實踐

充電網絡可以粗淺地分為兩部分：面向電動汽車車主所在的家用局部電網的系統和將車主作為消費者的商業充電網絡。

2.1 “大宅”家用局部電網與充電整合

以豐田和本田為首的一些車企，很早就建立在美國家庭局部電網的路徑上去做這些事情。系統結構如圖3所示。根據SAE的J2931 HP-GP的標準，使用 PLC在交流充電的時候，與電網系統進行交互。在這種情況下，可以實現車主在不同的電網運營商（Utility）下面不同費率體系，定制出個性化的電力消費情況。隨著車內的充電器雙向逆變的能力以及局部電網的擴充，可以預見到的是，這是一條摸索嘗試的路徑。通過將（電能）能量管理與充電系統整合，相當于把整個能控系統納入到系統的管理環境。通過若干級的通信管理，主要包括：

(1)車與充電樁PLC J2931 HP GP；

(2)充電樁與電表&智能插頭ZigBee或者PLC；

(3)電表與電網管理系統(IEEE-802.15.4g或者PLC或者3G)；

(4)手機與車企信息中心無線交互。

圖3 豐田和本田的大宅局部電網&充電系統

2.2 商業設施&辦公設施

美國構筑局部電網能源系統，從另一個維度是以商業設施和辦公設施進行能量管控，雖然容量大了許多，但整個系統結構與家庭大同小異。原有的充電供電設施可以集中或者分點鋪設，再通過PLC系統通過單組網關進行連接，對整個商業設施的負荷(照明、空調、其他負荷)、商業設施屋頂較大面積的太陽能板和風能系統進行連接，通過儲能&UPS系統調節負荷。系統結構如圖4所示。

圖4 商業&辦公設施的局部電網&充電系統

有了較小區域的網絡系統條件，一旦整個以地區為單位的電動汽車普及，其充電和使用負荷就是可控的。既可以通過資費體系啟動被動調節，也可以通過數據信息系統進行智能調節。從長期來看，整個充電系統對于電網負荷就有了很大的魯棒性，不會一沖而倒。

從實用性的角度而言，由于車

輛和充電樁有了充分的信息交流(PLC通信)，可以獲取很多的信息，車主在尋找充電設施的時候可以獲?。?/p>

(1)有效的地圖導引服務，通過手機或者車載導航導引到充電設施。

(2)有效的費用管理，充電設施的費率信息可以通過負荷表進行實時的網絡調節。

(3)充電設施的有效利用，既可以知道電動汽車何時充完，也可以告知車主和下個想用該充電設施的車主。

以上充電網絡，在制定標準過程中，一步步通過實證獲取經驗數據積累以完善。通過充電的互通性進行驗證(基本功能、交互功能和V2G功能)，使得未來充電設施與車輛的兼容性得到大量的提高，一步一個腳印就這樣完善起來了。

3 中國當前的規劃

中國的規劃是以大型充電站、公交樞紐充電設施以及其他幾種的充電樁聚合為前提的。國內電網企業規劃的充電網絡系統如圖5所示。

圖5 國內電網企業規劃的充電網絡系統

4 淺談充電網絡

對于充電網絡，大小公司都開始關注，其實只要了解一下目前國內外的規劃對比，會發現確實有很大的改進空間，值得資本和工程力量的介入。

為方便對比，下面把國內的規劃大概介紹一下：

(1)上層充電運營協議系統

由能源局規劃的兩份基本規范《電動汽車充換電服務網絡運營管理系統通信規約：系統與離散充電樁通信規約》和《電動汽車充換電服務網絡運營管理系統通信規約：系統與站級監控系統通信規約》，就是建立在這種相對集中的充電設施條件上的。

(2)下層樁對網關

藍本為《基于PLC技術的電動汽車與充電樁之間通信技術》，由國網上海與華為在IEC的會議上提及，具體信息目前不詳。相信會有更多的細節出來。

(3)樁對電動汽車

目前只有基礎的PWM作為功率調節使用，直流樁使用《GB/ T27930電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》，相關的信息多一些。

從實用性的角度，目前如北京發布的（商業+公共）充電設施地圖和APP，能相對完好地給出充電樁的GPS信息和充電狀態，也能引導車主去充電，但是基于電氣負荷的管理，需要獨立的充電系統進行協調。私人的充電系統，是不具備這個能力去整合到集中式的網絡系統之中的。未來這套系統能否經受住大量的電動汽車的充電需求，存在一定的風險性。特別對國外的標準和實踐對比來看，中國目前對電動汽車充電并沒有與智能電網結合很好地進行規劃，相信隨著 15118的推進，以電網企業為主的標委會會有更多的舉措。

5 結語

充電網絡，可以說是將汽車充電狀態下納入到物聯網系統之中，將電氣化的車輛與電網很緊密地鏈接在了一起，其重要性不可低估。目前國內的發展狀態，離全球尚有一定的距離，相信未來會有更多的發展和機遇等著創業企業。

馮頂軍，男，主要研究方向：車輛工程。

朱玉龍，男，工程師，主要研究方向：汽車電子、電氣化。