电动汽车大功率充电技术现状分析

陈永强，吕国伟

1.中国电器科学研究院股份有限公司，广东广州 510663；2.威凯检测技术有限公司，广东广州 510663)

0 引言

电动汽车大功率充电是为了缩短充电时间提出的新型充电技术，以提升车主的消费体验。当前我国大功率充电技术需求主要包括：

(1)购买了大航程电动汽车的车主；

(2)出租车、网约车、物流车、特种作业车辆这类非常关注充电时间的司机；

(3)没有固定车位的电动汽车车主、节假日高速公路休息区快速补电的车主。

只要充电功率不小于350 kW，以单枪方式给动力电池传导充电80%～90%容量只需10～15 min的充电技术就可以称为大功率充电(High Power Charging,HPC)。

广义的大功率充电技术上可分为传导直流大功率充电技术、传导交流大功率充电技术和无线大功率充电技术。目前狭义的将传导直流大功率充电简称为大功率充电。大功率充电技术与现有的2015版充电技术是并行的技术路线。

1 2015版充电连接组件的缺陷

随着在役充电设施的基数不断上升，充电运营企业不时上报充电连接组件在充电一段时间后开始出现烧灼和过温等事故。通过事故分析，充电连接组件过温产生的原因:

(1)公差配合缺陷

制作工艺不成熟导致充电连接组件插头与插座匹配度不高,公差配合存在很大缺陷，不符合IPXXB的要求，端子与簧片磨损严重。

(2)压接工艺缺陷

机械压接工艺不稳定导致线缆与连接组件端子的压接不到位，导致部分接触阻值偏高，目前推荐使用不规则压接或六边形加点结合压接工艺，配合镀锡防氧化处理工艺。

(3)防尘防水缺陷

充电场站灰尘、潮湿积水，加上充电连接组件缺乏必要的维护保养，导致充电连接组件与电缆压接处的温度不断升高产生氧化物，随着氧化物的堆积，最终导致事故发生。

(4)指标缺失缺陷

2015版相关标准未明确充电连接组件中端子的镀层厚度、接口温度和接触电阻等指标，而温度检测装置的缺失造成连接组件的实际温度无法被有效监测。

(5)控制导引电路缺陷

中国2015版控制导引电路在PE发生断针的情况下，无法进行判断(见图1—图2)。此外2015版控制导引电路还存在没有硬节点信号等缺陷。

图1 保护接地连续性正常状态下CC的变化

图2 保护接地连续性丢失(PE断针)状态下CC的变化

目前全球共有3套充电体系：欧盟和美国特斯拉CCS Combo(2012)体系、日本CHAdeMO(2.0)体系、中国GB/T(2015)体系。CCS Combo(2012)体系采用PLC通信协议，目前只有几家芯片公司可以提供通信芯片，成本比较高，导引电路也存在一些潜在缺陷。日本CHAdeMO(2.0)体系的连接组件采用了非常复杂的结构设计，成本非常高，地线非常细，传输信号很容易受到干扰；另外导引电路上也存在一些缺陷。分析这3套体系标准还有一些共同的问题：充电接口尺寸普遍大，机械强度不足；没有考虑未来的升级。

2 大功率充电(HPC)技术的解决方案

为有效解决2015版充电连接组件的缺陷，满足广大电动汽车用户的需求，完善大功率充电技术迫在眉睫。为此中电联大功率充电技术工作组设计了全新的HPC充电连接组件、全新的HPC控制导引电路、全新的HPC转换器，还针对性地启动编写全新的HPC通信协议。

工作组吸取上一代充电技术升级换代的经验教训，将大功率充电技术的关注点聚焦在安全性、可靠性和兼容性，特别关注兼容性，保证大功率充电连接组件标准与2015版充电连接组件标准的协调，满足新桩与旧车的兼容以及旧桩与新车的兼容。

2.1 大功率充电(HPC)连接组件

目前新的大功率充电连接组件解决了2015版充电连接组件的各种缺陷，同时兼容未来以太网通信技术。

从图3—图4可见：新一代大功率充电(HPC)充电连接组件优化了公差配合，满足IPXXB；减少了两根信号电缆；尺寸最小，动力针为大功率预留足够的传输能力；增加定位结构，减少充电过程中的倾斜应力；电子锁从原来的枪上移到了车内，提供多方向安装方式，可以排成CCS的方式，也可以像现在的CHAdeMO排在车上不同的位置；交流直流分开，提高了可靠性；在热管理系统上也进行了重新的评估和设计，包括充电电流的设计，提出了对连接器和插座的测试方法，目前在国内的3个试点运行，得到了行业普遍认可。

图3 大功率充电(HPC)充电连接组件设计

图4 大功率充电(HPC)充电连接组件实物

2.2 大功率充电(HPC)控制导引电路草稿

如图5和表1所示，新的控制导引电路，最大的改进是增加了安全性，增加了应急点，一旦发生故障不通过通信协议，通过节点变化通知对方及时暂停充电。另外增加了一个编码电阻，可识别出对方使用的是新旧系统，做到向前兼容。

图5 大功率充电(HPC)的新控制导引电路草稿

表1大功率充电(HPC)的新控制导引电路的监测点运行状态

参数位置误差/%最小值标称值最大值参数位置误差/%最小值标称值最大值U1/V桩端511.412.012.6U2/V车端511.412.012.6R1/Ω桩端39701 0001 030R4/Ω车端31 4551 5001 545R′1/Ω桩端31 9402 0002 060R′4/Ω车端32 9103 0003 090R2/Ω桩端319 40020 00020 600R5/Ω车端39701 0001 030R3/Ω桩端3485500515S2车端常闭S1桩端常开S3车端常闭

注:U2为小于60 V DC的任意电压值，这里以标称值12 V为例。

2.3 大功率充电(HPC)转换器

经历过上一代充电技术升级的车企、桩企和运营公司，只能把原有设备开膛破腹地进行彻底换代。2015年全国公共充电桩数量是5.77万只，而2020年1月全国在役公共充电桩的数量已经达到51.6万只。唯一的方法就是新方案的兼容性，兼容性包括新桩对旧车、旧桩对新车两部分。

新桩怎么兼容旧车？

办法一，新桩配备有一新一旧两个充电系统和充电连接组件，如图6所示。

图6 新桩带新、旧两个接口方案

办法二，使用国际电工委员会(IEC)建议的转换柜，如图7所示。使用转换柜时，左边连接新桩，转换柜自带旧接口给旧车充电，转换柜自带控制导引转换翻译电路，充电安全得到一定的保障，但是成本绝对不低。

图7 使用IEC的转换柜方案

旧桩怎么兼容新车？

为了防止充电过程中的误插拔，HPC草案把电子锁紧装置从充电插头搬到了车辆插座上。新车在使用旧桩时只要使用转换器就能接上旧桩了。转换器的设计草案见图8。

图8 转换器的设计草案

新车通过HPC控制导引电路分析可知接入的是新桩还是旧桩，新桩则自动进入充电；当旧桩连接新车时，如图9—图11所示：检测点1由原来的6 V转换为4 V，检测点2由原来的0 V转换为4 V，检测点3由原来的12 V转换为5.2 V，旧桩提醒用户使用转换器。

图9 旧桩使用转换器给新车充电

图10 HPC控制导引电路鉴别新旧车

参数单位电压检测点(Detecting Point)1V6.00检测点(Detecting Point)2V0.00检测点(Detecting Point)3V12.00S2状态闭合S3状态闭合参数单位电压检测点(Detecting Point)1V4.00检测点(Detecting Point)2V4.00检测点(Detecting Point)3V5.2S2状态闭合S3状态闭合

图11 HPC控制导引电路鉴别新旧车

2.4 大功率充电(HPC)通信协议

通过上述分析，通过HPC充电连接组件、HPC控制导引电路、HPC转换器3个新技术的配合使用，无需对旧桩旧车进行任何升级换代就能实现大功率充电技术的应用推广，实现旧桩给新车、新桩给旧车的充电。

不同的控制导引电路就需要配合不同的通信协议。大功率充电技术需要对现有通信协议的内容结构甚至交互过程做相应的修改。如何解决兼容性问题？首先进行版本的信息互换，做出版本判断，然后切换到相应的处理模块实现兼容。大功率充电(HPC)通信协议修订建议见表2。还有热管理问题、即插即充问题、输出能力动态调整问题、新控制导引电路中控制时序与通信协议的配合等问题正由工作组成员与桩企、车企、运营商等相关方讨论完善中。

表2 大功率充电通信协议修订建议

3 大功率充电技术的最新发展

随着电动汽车续航里程的增加和消费者对快速充电要求，大功率充电受到国内外高度关注，在产业推广应用的前期，开展示范试点，用事实数据为大功率充电的规模应用提供技术支撑。

2019年3月日本CHAdeMO发布了CHAdeMO 3.0标准，该方案基本采用了中国的HPC方案，在兼容性方面做了一些修改。在中日HPC方案基础上，下一步中国将和日本联合递交HPC安全IEC标准提案，与欧盟和美国的特斯拉体系进行协同，最终成为唯一的新国际标准，包括它的物理连接外形、充电系统安全指标、通信协议等。预计2022年电动汽车大功率充电技术将走进日常百姓生活。