在运电动汽车充电设施关键问题研究

刘曼佳，甘依依，游 力，邓桂平

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

电动汽车的迅猛发展带动了电动汽车充电设施行业的快速扩张。预计到2020年，我国电动汽车规模将达到500×104辆，需要新建480×104个充电桩。以湖北为例，2016～2017年，国家电网公司在湖北省总计新建充电站267座、充电桩1 530台。随着充电设施的大面积投运，其是否能安全健康运行直接关系到用户的绿色出行和充电桩行业的良性发展。通过分析提出电动汽车充电设施在运行中存在的关键问题，并提出合理解决建议，对促进电动汽车充电设施行业健康发展具有积极意义。

1 国内电动汽车充电桩参数配置

1.1 交流充电桩

交流充电桩具备计量计费、运营平台接入功能，可广泛使用于居民小区停车场、城市公用停车场、专用充电站。主流交流充电桩主要技术指标如表1所示。

表1 交流充电桩主要技术参数Tab.1 Major technical index of mainstream AC electric vehicle chargers

1.2 直流充电桩

直流充电桩内置多个并联功率变换模块，实际充电过程中可根据电动汽车电池管理系统（BMS）所反馈的充电需求动态调整输出功率，可广泛使用于城市集中快充站、公交专用快充站、高速公路服务区快充站，为电动汽车提供直流快速充电。主流直流充电桩主要技术指标如表2所示。

表2 直流充电桩主要技术参数Tab.2 Major technical index of mainstream DC electric vehicle chargers

2 在运电动汽车充电设施关键问题

2.1 充电设施互操作性问题

1）桩-车通信互动问题

目前，桩-车通信互动问题是阻碍直流充电桩对电动汽车正常充电的关键问题之一。对直流充电桩而言，在整个充电流程中，并不与电动汽车蓄电池产生直接互动，其功率输出过程完全被动听从车载电池管理系统（BMS）所发出的通信报文指令。虽然GB/T 33003-2010《电动汽车非车载充电机监控单元与电池管理系统通信协议》中已规定了桩-车通信协议的具体标准，然而由于目前标准尚存在不完善之处、执行力度不够，充电桩和电动汽车质量良莠不齐，充电桩检测认证机制不够完善，导致在实际充电操作过程中常常出现由于桩-车通信报文信息不准确/不一致或通信质量差而导致充电桩无法充电的问题。

2）人-机互动问题

在充电设备现场检测、安装以及调试环节，由于缺乏统一检测内容和操作规程，导致在现场会出现技术人员各项作业无规程可依的混乱现象，存在诸多质量及安全隐患。在用户操作环节，目前有过半充电桩上的功能按钮设计不能实现其所标榜的按时间、金额或电量显示的功能；此外在易用性方面，充电桩操作流程数及操作时间不同，部分充电桩操作流程复杂且不便捷，部分充电桩识别卡信息缓慢。以上典型问题都对用户操作体验造成了诸多不良影响[1]。

2.2 充电设施安全可靠性问题

为了缩短用户充电时间，充电桩普遍采用高电压、大电流的工作方式，这对安全提出了极高的要求。新国标对充电设施安全方面的充电温度监控、机械锁与电子锁联动、绝缘检测和泄放电路等都进行了规定。

然而在实际使用中，很多充电桩都安装在露天环境中，常常在风吹雨淋日晒等恶劣环境下工作，加之目前充电桩产品质量参差不齐，安全性能方面的技术指标和试验项目在安装前和使用中未经检测，无形中都增加了安全隐患和降低了使用可靠性。例如，有的充电桩没有设置急停开关，不符合国标要求，在使用中有安全隐患；有的充电桩的主回路电线铜线截面积达不到要求使电线发热、加速老化，带来安全隐患；部分充电桩未设置“超时错误”处理机制，会导致过充等安全隐患[2]；部分充电桩在充电过程中出现非正常中断，部分充电桩系统健壮性较差，异常恢复能力较弱，易死机。

在区域配电网可靠性方面，充电设施属于配电网负荷端，当大量充电设施接入区域配电网，其产生的电能质量问题和电压质量问题势必将对区域电网的供电可靠性造成影响[3]。

2.3 充电设施计量运营问题

部分充电站存在未安装计量考核表计或直流充电桩交流侧未安装电能计量装置的情况，导致无法考核充电站在运行过程中的耗电量或无法考核直流充电桩交直流转换的电能损耗。同时，大部分安装在充电桩内的1.0级直流电能表均未进行过计量检定也未加封签。上述问题将严重影响运营商的运营利润，同时也极易造成与用户之间的交易纠纷问题。

2.4 充电设施运行能效问题

电动汽车充电设施运行能效水平将直接影响电动汽车充电效率、充电服务质量、充电站运营能耗成本和用户充电成本，但目前对电动汽车充电设施的运行能效问题关注较少。同时，由于国内市场上的充电桩产品质量参差不齐，且充电桩产品尚处于自愿认证阶段，许多企业送检的设备和实际供货的设备技术参数差别较大；另外，目前充电桩相关技术标准中对其能效方面的技术指标要求单一，仅包括充电机充电效率和功率因数2个技术指标，且这2个指标在充电桩安装前和使用中都未经检测，使得实际运行的充电桩充电效率无法得到保障[4]；此外，充电桩运行一段时间后，因有的车型大电流频繁充电，造成充电桩整体电压、电流输出降低[5]，进一步降低了充电桩的充电效率，最终增加了充电设施运营成本及能耗水平。

3 解决措施

3.1 充电设施互操作性问题解决措施

对于桩-车通信互动问题，建议继续完善和细化通信协议相关标准的内容，特别针对通信协议的物理层、链路层和应用层开展标准化工作，具体包括充电握手阶段、充电参数配置和充电阶段、充电结束阶段，以及报文格式和故障响应处理检查，比如当报文出现问题时，是否能够发出正确告警信息，或采取恰当处理措施；对于人-机互动问题，建议抓紧制定出台有关充电设施现场安装调试和检测环节的操作规范，同时对充电桩本体设备的基本功能出台建议性设计规范，以将人为操作风险降至最低并提高用户体验。

虽然国家级的机制尚未出台，但目前一些核心的企业可以联合起来成立相关的充电联盟，这种情况在国外也有例可循。例如，在日本就有一些充电企业、车厂和电力公司，如东京电力成立联盟，保证联盟间的设备和车辆互联互通。

3.2 充电设施安全可靠性问题解决措施

随着充电设施建设爆发期来临，各种充电设备企业蜂涌而入，但是技术门槛并不高，因此，应当树立起严格的行业安全门槛，把充电安全作为企业的重要责任。各充电桩生产企业应率先树立标杆，加强技术创新，将电池、充电机、模块、电网等环节充分协同，形成更有效的安全管理。

同时，新出炉的充电桩国家标准重点明确了电动汽车充电系统的基础性、通用性、安全性要求，并对充电温度监控、机械锁与电子锁联动、绝缘检测和泄放电路等都进行了规定。例如增加了充电桩的安全隔离保护、充电温度控制、机械锁和电子锁联动、过载和短路保护等安全措施，新国标极大地提高了充电桩等相关配套设施的防水、防漏电等安全可靠性，无论是在露天还是封闭的环境下，都能对充电桩使用起到绝对的安全保障。

在充电桩并网可靠性方面，未来配电网规划改造应充分考虑电动汽车充电负荷，使配电网具备能充分接纳大规模充电桩接入的容量；同时，在充电侧，要加强电能质量治理工作，对于充电桩本体要通过技术创新来减少设备运行对电网造成的谐波污染，进而双向提升电网供电可靠性。

3.3 充电设施计量运营问题解决措施

监管部门应出台强制政策，在所有充电桩中加装计量考核表计，针对直流充电桩应在交直流转换两侧同时加装电能表；同时，应统一由第三方检测机构开展充电桩电能表全检工作并加封铅封，以保证贸易结算依据的可信度，减少贸易结算纠纷。

3.4 充电设施运行能效问题解决措施

从技术角度改进功率模块、提升单体启动和输出能效、降低待机能耗，从规划管理角度提高使用率、减少空置率等方面系统考虑优化充电设施能效水平[6]。同时，细化完善充电桩能效部分的设计、运行及检测标准，对在厂充电桩开展能效评级，对在运充电桩开展第三方能效评估工作，对能效不达标的设备应强制整改或不予市场准入。

4 结语

电动汽车充电设施作为直接面向普通用户的电网终端电气设备，其互操作性、安全性、可靠性、计量问题和能效问题将对用户、电网和运营商三方利益造成直接影响。因此，必须从充电桩体自身外观和功能设计、用户操作、技术人员作业、电网安全稳定运行、运营商运营成本等方面进行全盘考虑，从设计、生产、安装、检测、运行维护等各个环节采取必要措施，例如制定一系列电动汽车充电设施设计标准、操作规范及考核制度，从根本上杜绝问题隐患，引导规范电动汽车充电设施行业的良性发展。

（References）

[1]王艳华,缪金.充电桩发展现状及问题对策研究[J].中国市场,2016(41):45-51.WANG Yanhua,MIU Jin.Analysis of current situation and countermeasures of electric vehicle chargers[J].China Market,2016(41):45-51.

[2]谢伟才.电动汽车充电桩的设计与研究[J].通讯世界,2016(2):105-107.XIE Weicai.The design and analysis of electric vehicle chargers[J].Telecom World,2016(2):105-107.

[3]鲁莽,周小兵,张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力,2010(5):16-20.LU Mang,ZHOU Xiaobin,ZHANG Wei.Research on development of charging facilities for electric vehicles at home and abroad[J].Central China Electric Power,2010(5):16-20.

[4]周志坚,赵阳,马浩,等.高速公路电动汽车充电桩现场检测方法[J].智能电网,2016(4):432-436.ZHOUZhijian,ZHAO Yang,MA Hao,etal.A kind of field test method for electric vehicle charging pile[J].Smart Grid,2016(4):432-436.

[5]杜航.计及电动汽车充电负荷的配网安全性与可靠性研究[D].北京：华北电力大学,2014.DU Hang.Safety and reliability evaluation of distribution system with EV chargingload[D].Beijing:North China Electric Power University,2014.

[6]罗汉武.电动汽车灵活接入的充电设施需求预测、运行与能效评估方法研究[D].武汉:武汉大学,2013.LUO Hanwu.Study on the forecasting,operation and energy efficiency evaluation method for electricvehicle chargingfacilities[D].Wuhan:Wuhan University,2013.