电动汽车充电网络

时间：2024-05-22

冯顶军，朱玉龙

(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.上海通用汽车，上海201206)

电动汽车充电网络

冯顶军1，朱玉龙2

(1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2.上海通用汽车，上海201206)

对全球的电动汽车充电网络标准以及实践的一些动态做一些归纳性的概述，并对国内的充电网络发展方向作了介绍。

谈充电网络这个概念，是需要从ISO和IEC的标准体系谈起的。电动汽车充电系统，首先是在全球的低压配电电网存在较大差异的条件下进行的。从全球电网的基础来看，电压和频率存在较大的差异，而更大的差异来自家庭的三相到户的情况、家庭总的功率容量和电能质量这些较为细节的点。

1 电动汽车充电标准系统

相对而言，汽车产业在电气化的过程中，主要由欧洲、美国、日本和中国这几个国家的汽车公司所主导，所以目前电动汽车供电设备（EVSE）与电动汽车之间的互联主要由这几个标准来界定。电动乘用车相关充电标准如图1所示。

图1 电动乘用车相关充电标准

如果按照标委会分布的，IEC TC69下面的标准主要界定一些基本要求：

(1)IEC61851-1：充电系统总体要求。

(2)IEC61851-21-1：充电系统车载充电机EMC要求&61851-21-：充电系统非车载充电系统EMC要求。

(3)IEC61851-23：直流充电桩。

(4)IEC61851：24：直流充电通信要求。

IEC SC23H下面界定物理性状的要求，如图2所示，这是导致全球不同充电接口不一样的标准。不过也是由于本身的局部电网的差异造成了一定差异性。

(1)IEC62196-1：插头插座基本要求。

(2)IEC62196-2：交流尺寸和互换性要求，主要包含Type1（美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚等地）、Type2（欧盟）和中国标准三种。

(3)IEC62196-3+62196-3-1：直流尺寸和互换性要求，包含在Type1和Type2上演进的Combo1&2系统、中国系统及CHAdeMO系统三种类型。

图2 车端充电插座概览

TC69下主要是无线标准，这将是下一波充电和交互的主要形态。

(1)IEC61980-1：无线充电基本要求。

(2)IEC61980-2：无线充电通信。

(3)IEC61980-3：特殊要求。

TC69下的 V2G标准，涉及到电网与电动汽车网络通信的要求：

(1)ISO 15118-1：V2G基本信息。

(2)ISO 15118-2：V2G拓扑和OSI层。

(3)ISO 15118-3：V2G物理 &数

据链路层。

(4)ISO 15118-4 Ed.1：V2G网络和拓扑。

(5)ISO 15118-5 Ed.1：V2G物理&数据链路层测试。

(6)ISO 15118-6 Ed.1.0：V2G无线充电。

最后最为核心的安全标准是TC22分标委下面的 ISO/IEC 17409安全要求。

在美国，SAE汽车工程协会制定了SAE的相关标准，大部分是与以上的 IEC/ISO标准兼容的，不过具备更多的实践意味。国内推出了GB20234、GB18487等相关的标准，与以上的这些存在较大的差异。

2 美国的充电网络实践

充电网络可以粗浅地分为两部分：面向电动汽车车主所在的家用局部电网的系统和将车主作为消费者的商业充电网络。

2.1 “大宅”家用局部电网与充电整合

以丰田和本田为首的一些车企，很早就建立在美国家庭局部电网的路径上去做这些事情。系统结构如图3所示。根据SAE的J2931 HP-GP的标准，使用 PLC在交流充电的时候，与电网系统进行交互。在这种情况下，可以实现车主在不同的电网运营商（Utility）下面不同费率体系，定制出个性化的电力消费情况。随着车内的充电器双向逆变的能力以及局部电网的扩充，可以预见到的是，这是一条摸索尝试的路径。通过将（电能）能量管理与充电系统整合，相当于把整个能控系统纳入到系统的管理环境。通过若干级的通信管理，主要包括：

(1)车与充电桩PLC J2931 HP GP；

(2)充电桩与电表&智能插头ZigBee或者PLC；

(3)电表与电网管理系统(IEEE-802.15.4g或者PLC或者3G)；

(4)手机与车企信息中心无线交互。

图3 丰田和本田的大宅局部电网&充电系统

2.2 商业设施&办公设施

美国构筑局部电网能源系统，从另一个维度是以商业设施和办公设施进行能量管控，虽然容量大了许多，但整个系统结构与家庭大同小异。原有的充电供电设施可以集中或者分点铺设，再通过PLC系统通过单组网关进行连接，对整个商业设施的负荷(照明、空调、其他负荷)、商业设施屋顶较大面积的太阳能板和风能系统进行连接，通过储能&UPS系统调节负荷。系统结构如图4所示。

图4 商业&办公设施的局部电网&充电系统

有了较小区域的网络系统条件，一旦整个以地区为单位的电动汽车普及，其充电和使用负荷就是可控的。既可以通过资费体系启动被动调节，也可以通过数据信息系统进行智能调节。从长期来看，整个充电系统对于电网负荷就有了很大的鲁棒性，不会一冲而倒。

从实用性的角度而言，由于车

辆和充电桩有了充分的信息交流(PLC通信)，可以获取很多的信息，车主在寻找充电设施的时候可以获取：

(1)有效的地图导引服务，通过手机或者车载导航导引到充电设施。

(2)有效的费用管理，充电设施的费率信息可以通过负荷表进行实时的网络调节。

(3)充电设施的有效利用，既可以知道电动汽车何时充完，也可以告知车主和下个想用该充电设施的车主。

以上充电网络，在制定标准过程中，一步步通过实证获取经验数据积累以完善。通过充电的互通性进行验证(基本功能、交互功能和V2G功能)，使得未来充电设施与车辆的兼容性得到大量的提高，一步一个脚印就这样完善起来了。

3 中国当前的规划

中国的规划是以大型充电站、公交枢纽充电设施以及其他几种的充电桩聚合为前提的。国内电网企业规划的充电网络系统如图5所示。

图5 国内电网企业规划的充电网络系统

4 浅谈充电网络

对于充电网络，大小公司都开始关注，其实只要了解一下目前国内外的规划对比，会发现确实有很大的改进空间，值得资本和工程力量的介入。

为方便对比，下面把国内的规划大概介绍一下：

(1)上层充电运营协议系统

由能源局规划的两份基本规范《电动汽车充换电服务网络运营管理系统通信规约：系统与离散充电桩通信规约》和《电动汽车充换电服务网络运营管理系统通信规约：系统与站级监控系统通信规约》，就是建立在这种相对集中的充电设施条件上的。

(2)下层桩对网关

蓝本为《基于PLC技术的电动汽车与充电桩之间通信技术》，由国网上海与华为在IEC的会议上提及，具体信息目前不详。相信会有更多的细节出来。

(3)桩对电动汽车

目前只有基础的PWM作为功率调节使用，直流桩使用《GB/ T27930电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》，相关的信息多一些。

从实用性的角度，目前如北京发布的（商业+公共）充电设施地图和APP，能相对完好地给出充电桩的GPS信息和充电状态，也能引导车主去充电，但是基于电气负荷的管理，需要独立的充电系统进行协调。私人的充电系统，是不具备这个能力去整合到集中式的网络系统之中的。未来这套系统能否经受住大量的电动汽车的充电需求，存在一定的风险性。特别对国外的标准和实践对比来看，中国目前对电动汽车充电并没有与智能电网结合很好地进行规划，相信随着 15118的推进，以电网企业为主的标委会会有更多的举措。