直流快充電技術國際標準化的前景

姉川尚史

2018年8月，日本電動汽車快速充電器協會（CHAdeMO）同意與中國電力企業聯合會（CEC）共同開發下一代直流快速充電標準。根據該協議，將對超高功率充電技術進行重點開發，并對直流快速充電標準進行整合修訂，以此推動全球充電基礎設施的普及。

關鍵詞 純電動汽車;混合動力汽車;充電;基礎設施;標準化

0 前言

目前，日本國內市場已開始實施由日本電動汽車快速充電器協會（CHAdeMO）所制定的充電標準，由此推出的電動汽車（EV）及快速充電器已于2009年開始上市銷售。CHAdeMO于2010年3月正式成立，并已在全球范圍內逐步推動EV和充電基礎設施的普及工作，同時致力于建立基于快速供電系統的國際標準制度。2014年，CHAdeMO發布了直流電（DC）快速充電國際標準——IEC 61851-23/24，該標準綜合了日本CHAdeMO充電標準與中國、美國及德國的快速充電方案。

之后，CHAdeMO為了滿足市場需求，在上述標準修訂之前，擴展了雙向供電功能，并提高了電能輸出效果及其服務功能。2018年8月，CHAdeMO與中國電力企業聯合會（CEC）就共同開發下一代快速充電標準（ChaoJi）達成了一致，兩國政府在北京舉行了簽字儀式。通過該項協議，共同展望了具有更高充電功率及安全性的充電技術，同時也為現有快速充電標準的整合工作打下了基礎，并進一步推動了全球充電基礎設施的普及工作。

1 國際標準規格及市場動向

受到2016年在歐洲及亞洲各國同時實施的EV政策導向的影響，上述國家和地區加速引入了快速充電器，特別是歐洲地區的保有量目前已超過了日本。據統計，截至2019年4月，日本國內的CHAdeMO快速充電器保有量為7 600臺，全球范圍內的這一數據已達到25 300臺（圖1）。

日本政府創立CHAdeMO的初始目的是推進全球范圍內EV的普及工作，因此其所遵循的技術具有較高水平，且國際化程度較高。早在2010年，日本政府通過日本汽車研究所（JARI）向國際電工委員會（IEC）提交了全新的快速充電提案，日本由此成為議長國，IEC 61851-23/24項目也隨之開始啟動。

歐美主要汽車制造商在接到日本方面的提案后，立刻開始對CHAdeMO進行詳細調查。之后過了近一年，至2010年12月，歐美汽車制造商提出了1項用于挑戰CHAdeMO的草案。該草案的創意是在交流電（AC）普通充電連接器上組合了DC充電用電源線，由此制成了具有葫蘆形狀的連接器。研究人員以該方案為基礎，啟動了針對快速充電器的研發進程。但在德國和美國兩地，相關研究人員圍繞通信設備的規格問題進行了較長時間的調整，德國和美國的7家主要汽車制造商在2011年10月發布了規格通用化宣言。這一事件的出現，在各大媒體上引發了一系列爭論。

就連接器而言，歐洲（類型2）和美國（類型1）的AC普通充電器規格有所不同，因此在采用通用控制方式時，尚不具備較高的兼容性。在針對IEC標準的討論過程中，來自中國的研究人員也提出了自己的標準方案。該方案在技術上選擇了與CHAdeMO相近的DC專用連接器和控制器局域網絡（CAN）通信方式。討論的結果是：該方案于2014年3月以同時記載多個標準規格的形式正式發布。同年10月，相關研究人員開始了關于MT5實驗標準的討論，針對高功率化多功能充電器及雙向供電功能的方案進行了補充，同時還新增了中國方面于2018年所提出的規格為1.5 kV、600 A的新型連接器，審議項目也得以相繼追加（表1）。

為了維護各國的工業標準，并確保其在全球市場上的競爭力，多數國家的標準通常會與國際標準化組織（ISO）及IEC等進行相互整合。日本于2014年10月發行DC充電標準時，正確引用了IEC并標明了3種系統形態及4種連接器。

在歐洲地區，用于審查區域性法規的歐洲電氣標準化委員會（CENELEC）決定在類型2組合型連接器的基礎上，進一步認可CHAdeMO，但歐盟充分利用了審議EV用充電基礎設施整備法案的機會。同時，出于整合各成員國的充電基礎設施的目的，歐盟方面限定只能使用類型2連接器。這對汽車行業的從業人員而言，帶來了不少困擾。針對這一問題，挪威、荷蘭等已采用CHAdeMO快速充電設備的國家和地區紛紛提出，之前采用的快速充電設備是按照國際標準而建設的基礎設施，歐盟提出的上述規定有失公允。最終法案作出了如下規定，用于公共場合的DC快速充電器應安裝類型2連接器。因此，在2015年后的歐洲市場，支持類型2和CHAdeMO等多種方式的多臂充電器逐漸成為主流。同時，以大容量、高性能EV品牌著稱的特斯拉進入了汽車市場，采用了電壓超過100 kW的獨立標準。雖然特斯拉針對主流汽車市場的要求而配備了專用充電器，但是在各國政府的要求下，其仍被迫增加了各種適配器和插頭。

由美國汽車工程師學會（SAE）所規定的快速充電器標準要求采用類型1組合式連接器，但是其所具有的法規強制性不如歐洲。就采用CHAdeMO充電器的車輛而言，其技術水平在行業市場中處于領先地位，而且日本方面已主導了DC充電標準項目的發展。2016年3月，在國際電氣電子工程師學會（IEEE）正式發布CHAdeMO標準后，多臂充電器已逐漸在美國成為了主流，與歐洲方面一致。

就韓國而言，其所生產的EV主要面向歐美市場，因此也采用了類型1標準。不過，其采用CHAdeMO標準的進程與歐美相同，韓國方面仍以多臂充電器為主流。

亞洲地區的部分發展中國家對此類標準仍處于討論階段。由于在該類國家的國內市場中，兩輪車和小型電動車（LEV）占比較高，所以并未直接采用目前的標準。政府部門在未來很有可能會修訂法規，以使其適用于LEV。

2 CHAdeMO的設計理念及其在確?？煽啃苑矫娴呐e措

自2010年第1版CHAdeMO標準規格書發布以來，研究人員已進一步細化了品質要求，同時補充了迎合市場需求的功能，并發布了修訂版規格書。在其修訂歷程中，研究人員始終遵循著3條基本設計理念。

第1條設計理念為安全第一?？焖俪潆娖魇瞧胀ㄓ脩艨芍苯邮褂玫某潆娧b置。對用戶而言，其為1類采用高電壓、大電流的設備，所以具有較高的防觸電安全措施要求。在開發初期階段，CHAdeMO旗下的研究人員在標準規格書中對硬件、系統等級、運用過程3個階段分別明確規定了其安全性要求。在安全對策方面，最重要的是與連接器相關的各類性能確認書。作為系統級別的安全裝置，除了充電控制通信系統所使用的CAN總線以外，研究人員還為其設置了多條信號線。這是考慮到即便硬件出現故障，在發生異常時也能實時切斷電流。在具體使用及操作等方面，研究人員還對發生故障時的連接器斷開方法及緊急停止按鈕設置等方面作了詳細規定。

第2條設計理念為確保電氣品質和可靠性。按照國際標準規定，安裝在公共場所的快速充電器不允許對配電線路及周圍的電氣設備產生電磁兼容（EMC）和高次諧波等電磁噪聲的影響，并且即使自身受到外部的噪聲影響，也能維持正常運行。

第3條設計理念是需要確保使用的兼容性。充電裝置作為公共基礎設施，必須能與所有主機廠的車型充電要求相匹配。另外，EV和快速充電器都需要在長達5年以上的使用期限內，即使出現不同版本的軟硬件也能實現有效匹配和相互兼容。

CHAdeMO旗下的研究人員不僅在標準規格書中規定了上述設計要領，在協會成立初期就已確立了產品認證制度。在認證制度設立的初期，由于EV及快速充電器尚未確定檢驗標準，因此當時試制的檢測系統均安裝在東京電力公司的技術研發中心內。不僅在日本國內，世界各國的充電器制造商均配有相關產品。研究人員在反復驗證的同時進行了系統調整，并開發出相應的檢驗標準。在對2013年標準規格書進行修訂時，CHAdeMO即已發布了針對體系化試驗項目的標準檢驗書。同時，在日本貝克特股份公司的協助下，相關研究人員開發了采用通用開發工具的第2代檢驗系統。從2014年開始，日本國內形成了通過外部檢測機構開展第3方驗證的制度，在歐洲地區也成立了相應的檢測機制（圖2）。

2017年，美國方面為了與CHAdeMO的DC充電標準IEEE 2030.1.1實現兼容，啟動了以共同認證為目標的IEEE合格評定程序（ICAP）。相關研究人員通過驗證由CHAdeMO開發的檢測標準，不僅能證明其安全性和合理性，而且對于制造商而言，可以通過一次性試驗以獲得CHAdeMO和IEEE雙方的共同認證。同時，由于CHAdeMO的快速充電器在世界各地得以快速普及，從事其產品制造的開發商數量也在持續增長。為了應對上述發展動向，充電器制造商及汽車制造商共同開發了可作為開發工具使用的第3代檢測系統。該檢測系統可用于檢測產品設計及制造品質。其研發目標是在未來使部分銷量持續增長的市場或地區實現本地化生產，并確保其產品可靠性?；贑HAdeMO檢測規格書而設計出的軟件被用作于會員企業的共有資產，因此購買該軟件的廠商只需要承擔硬件的成本，該款新軟件已于2019年正式面世。

近年來，針對充電基礎設施的發展環境已出現了一系列變化，主要體現在如下方面：車載電池追求大容量和高性能，未來會擴大亞洲各國和東歐等地區的新市場，同步推進EV的普及性與可再生能源的發展，進而會對電力系統產生影響。下文將描述CHAdeMO在保留前述設計思想的同時，針對上述課題的應對計劃。

3 應對高功率輸出的方案

最初，出于兼顧成本和性能的目的，CHAdeMO旗下的研究人員將最高功率設定為50 kW。如果輸出功率超過50 kW，設備成本將得以大幅上升;而輸出功率如小于50 kW，充電時間會相應增加，服務性也會有所下降，因此將目標值設定為50 kW是研究人員充分考慮到成本和性能的平衡點而作出的選擇。

自大眾“排放門”事件之后，之前以柴油車為主要生產車型的德系汽車制造商紛紛明確表示將開始關注EV等新能源車型。同期，特斯拉發布了model 3車型。該車型不僅成本低廉，而且在續航里程方面超過了此前的同類車型，其續航里程可達354 km。特斯拉于2018年后投入市場的新車型，其續航里程均在400～500 km以上。該案例成功優化了當時制約EV推廣的重要因素——續航里程。該項優化主要歸功于鋰離子電池在短期內的降價。為了應對上述變化，研究人員在IEC標準修訂審議中同意將電流值設為400 A，CHAdeMO方面也將原先最大125 A的電流值修訂為400 A。從制造商立場出發，盡管充電器的基本結構和控制方法與之前相比并未進行顯著調整，但是如何降低由大電流產生的熱量，特別是控制電纜溫度上升等具有較高技術性的課題依然有待進一步研究。

高功率輸出技術的開發進程是研究人員在設立其他標準過程中同樣面臨的1項技術難題。CHAdeMO與中國電力企業聯合會就共同開發下一代充電標準達成了一致，并于2018年8月在北京舉行了簽約儀式（圖3）。同年10月的中日經濟合作會議上，在兩國首腦的見證下，雙方共同制定了用于推行新標準的方針政策。上述合作有效推動了研發進程，以此促進了具有高功率且能實現安全充電的新技術的發展。同時，考慮到CHAdeMO方面有著深厚的技術儲備，中國方面則有著廣闊的市場規模，逐步降低生產成本對雙方均大有裨益。新標準能有效兼容CHAdeMO和中國的現有標準，以達成統一目標。同時，雙方會定期召開會議以溝通研發進度。

目前，市場上尚無能實現連續大電流充電的量產車型，但在以多臂充電器為主流的歐洲市場，如果需要同時向多臺EV充電，就可充分利用高功率充電技術。因此，目前日本國內正在安裝150 kW級的充電器。此外，針對以保時捷為代表的高檔車型及大型車輛，則需要配備具有更高功率的充電設備，例如充電電壓可達到1 kV的350 kW級高功率充電器。日本電氣設備技術標準規定直流電壓不得高于750 V，如果電氣設備的直流充電電壓超過該數值，研究人員為此需要對法規進行修訂。預計世界范圍內的多個國家或地區在上述領域將會與日本面臨相同的問題。

4 擴大區域

繼日本、歐洲等國家及地區之后，其他新興的汽車產業國家也將盡快開展針對充電基礎設施及相關標準的優化進程。充電基礎設施是EV普及過程中所必備的公共設備，在其初期發展階段離不開國家提供的政策扶植。因此，各國政府希望能將充電器的設計、制造、銷售及保養周期全部實現本地化。研究人員將CHAdeMO的普及方針作為技術核心，在遵循安全性、兼容性等必要條件（全球標準）的同時，也要考慮到區域特殊性及本國標準。因此，研究人員所設定的具體方案是向當地的會員企業提供技術支持及權限轉讓，同時認可區域性標準并優化成本。不僅如此，還能與所在國家實現團體化合作，以推進本地化認證。目前在臺灣、韓國及印度等國家和地區的CHAdeMO認證機構已新增了會員制。

其中印度政府在2018年推行電動化政策的同時，為了規范充電標準而啟動了相關項目，CHAdeMO也得以參與其中。鑒于印度汽車市場中，兩輪車和小型車的保有量占比較高，同時負責公共交通的政府機構也亟待整頓。因此，研究人員因地制宜，將車型分為乘用車、小型車輛、客車/貨車共3部分，并開展了標準化討論?？梢灶A見，未來在其他地區也會存在相近的需求。CHAdeMO正在針對大型車輛充電標準中的高功率輸出技術而開展研究。從2017年開始，CHAdeMO旗下的研究人員還設計了外部充電標準線規（SWG），并對如何靈活使用已積累下的技術資源進行了充分探討。研究人員在2018年已針對兩輪車設定了SWG，并對輸出電壓更低、連接器尺寸更小的兩輪車與小型車輛及其充電規格進行了充分探討。研究人員在多種車型的研究及探討過程中遵循了相同的設計理念，將有助于提高設計效率，并持續推進車輛電動化進程。

5 雙向供電功能

2011年日本東部地區發生地震期間，由于汽油供給受阻，EV成為了當時醫療人員及后勤支援的主要交通工具。此外，在緊急情況下，EV的大容量電池也能對外供電，這也是實現車輛為家庭供電（V2H）、車輛對外放電（V2L）、車輛為電網供電（V2G）及車輛為建筑供電（V2B）等技術的重要契機。2012年3月，三菱汽車開始銷售具有V2L功能的產品——MiEV power box供電系統。2012年5月日產汽車銷售了V2H產品——Leaf to Home供電系統。以此作為開端，世界各國的汽車制造商也開始競相研發性能相近的產品（圖4）。

基于上述原因，日本經濟產業省認為有必要對供電系統制定標準，并于2013年3月發布了1.0版V2H指南，從而確保當前仍在使用的產品與系統的兼容性，以及系統自身的關聯性等詳細內容。CHAdeMO聯合日本電動車電源系統協會（EVPOSSA）旗下的2個組織，討論了其與V2H/V2L的關聯性。2014年4月，其針對V2H技術發布了2.0版指南。隨著指南的發布，CHAdeMO除了對以往的快速充電器進行研究之外，還于2015年3月開始了對V2H/V2L產品的檢驗。

迄今為止，各國政府已在全球開展了針對CHAdeMO雙向供電功能的試驗過程，總計多達40余項。 以日本為例，其自2011年到2015年期間，最具代表性的項目是日本資源能源廳在橫濱市等4個地區開展針對下一代能源和社會系統的驗證工作，并優化區域的能源管理，同時將EV充放電系統作為分布式能源以納入其中。

另外，從2016年開始，研究人員啟動了針對虛擬電源設備（VPP）的實際驗證工作。VPP可通過多個分布式能源（DER）的聚合以進行遠程控制，為此可將其視作為1個發電廠，以此來平衡電力系統的供求。目前，DER主要使用固定式電池和需量反應式電池（DR）。在未來，研究人員可充分利用其成本優勢，并使其成為重要的供電來源。

6 總結

目前，汽車行業已逐漸步入EV時代。世界各國已對該觀念達成共識，但是用戶和主機廠仍不希望充電器種類規格過于繁多。而CHAdeMO正是以向全球用戶普及EV為目標而成立的組織機構。CHAdeMO未來將與CEC實現友好合作，共同推進并統一下一代快速充電標準，也是為了促進EV及充電基礎設施普及進程的最佳方案。雙方通過優勢互補，即可在全球充分推廣充電器，同時在區域性和保有量等方面均保持領先地位。歷經了多年發展，在確保產品可靠性和兼容性方面，CHAdeMO已有一定的技術積累，而CEC則由中國政府主導推進，在EV及充電器保有量方面占有絕對優勢。CHAdeMO通過與中國合作，由此可在制造成本方面發揮規模優勢，其在未來一定會引領EV的全球普及進程。

CHAdeMO是目前唯一可將雙向供電技術用于實際的國際標準，中日雙方的下一代法規也會考慮到V2G等技術。與EV普及一樣，世界各國都在推進可再生能源的導入政策。目前，仍存在電力系統供需不足的問題，而V2G系統則可有效利用EV上安裝的蓄電池，并以此作為協調電力供給的方式。同時，研究人員也希望V2G技術能在解決電力供給不足等方面發揮其相應的技術優勢。