电动汽车和电网的互通兼容标准化现状和发展

张萱，朱金大

（1.国网电力科学研究院实验验证中心，江苏南京　210061；2.国网电力科学研究院，江苏南京　211000）

电动汽车和电网的互通兼容标准化现状和发展

张萱1，朱金大2

（1.国网电力科学研究院实验验证中心，江苏南京210061；2.国网电力科学研究院，江苏南京211000）

全面介绍国内外电动汽车充电标准化的现状与动态，电动汽车与电网通信接口标准化工作进展，着重从物理结构、通信方式上对比分析国内外直流充电接口和通信接口技术方案及其差异，阐述了电动汽车充电互操作性测试标准的发展趋势，对后续标准体系和协调进行了总结和预测。

电网交互；直流充电；电动汽车

全球经济的快速发展，将面临能源供应短缺、生态环境污染等严峻挑战。从行业发展、城市规划、清洁能源应用等方面考虑，发展电动汽车，倡导“绿色出行”，实现交通能源全面转型，符合能源持续利用战略。2012年国科委发布《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，把关键零部件技术、整车集成技术和公共平台技术作为优先发展的重点领域。为满足我国电动汽车充换站建设的规范管理，截至2014年底，我国已发布电动汽车充换电标准17项，行业标准13项，目前有4项国家标准和3项行业标准正在报批，国家电网公司负责发布企业标准43项。涵盖基础设施、充电接口、通信协议等关键部件产品，初步建立了我国电动汽车充换电标准体系。直流充电机及其接口作为电动汽车充电系统中重要环节，其标准化程度将直接影响产业发展。

1　国内外标准发展现状

1.1国内标准体系现状

我国电动汽车充电标准的制定工作是伴随着电动汽车产业发展而产生，最早起步于翻译和采用国际标准，GB/T 18487.1—2001《电动车辆传导充电系统一般要求》［1］标准等效采用IEC 61851—1：2001［2］；GB/T 20234—2006《电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求》［3］规定了充电接口的定义、分类、通用要求、试验方法，但未统一充电接口的物理结构和规格尺寸，现在该标准已由GB/T 20234.1［4］、20234.2［5］、20234.3［6］系列标准代替，分别为通用要求、交流接口和直流接口3个部分，其中第3部分规定了直流接口的物理结构尺寸和安全保护策略。随着技术革新和国际标准的推进，涉及充电系统、充电接口、通信协议的5项国标正在修订，以便满足最新技术要求。

电动汽车充换电设施标准化工作得到了国家、行业和企业的高度重视，国家标准化管理委员会牵头制定了电动汽车充电设施标准化工作方案，开展了充电技术和设施标准体系研究。2010年7月，成立的能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会，致力于建立具有我国独立知识产权的电动汽车充换电设施标准体系。为解决目前存在电动汽车充电不兼容的问题，中电缆提出编制充电兼容性检测标准，根据国家标准委2014年批准计划安排，《电动汽车充电连接装置检验试验规范》（20141712-T-524）已获批准，《电动汽车非车载充电机与电池管理系统之间的通信协议一致性测试》正在公示阶段。2015年3月召开标准编制启动会上拟将《电动汽车充电连接装置检验试验规范》更名为《电动汽车充电连接系统互操作性测试规范》。这两项标准将从充电接口和通信协议两个方面，保证充电设备与电动汽车之间的互连互通，解决充电不兼容问题。

已发布的相关国家标准如表1所示。

表1　已发布的电动汽车充换电相关的国家标准Tab.1　The national standards for EV charging and battery swapping facilities published

1.2国际标准发展现状

电动汽车充换电设施标准化工作得到越来越多的重视。国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）以及欧美日等国家的行业组织都正在制定电动汽车充换电设施相关标准。

1.2.1ISO/IEC标准现状

ISO和IEC正在制修订的充换电标准主要集中在充电系统、充电接口、通信以及电池更换等几个方面。

充电系统标准主要是IEC 61851系列标准，该标准是国际上最早的电动汽车充电系统标准。

1）IEC 61851—1规定了充电系统的通用要求，该标准第2版已于2010年11月份发布，目前其修订的第3版本正处于委员会草案（CD）阶段。

2）IEC 61851—21［7］规定了电动汽车在交流/直流充电连接时的要求，目前其修订的第2版本正处于委员会草案（CD）阶段。工作组正在制定IEC 61851—21—1［8］、IEC 61851—21—2［9］，这2个标准规定了车载充电机和非车载充电机的电磁兼容要求，新标准均处于委员会草案（CD）阶段。

3）IEC 61851—22［10］规定了电动汽车交流充电系统要求，该标准第1版将于2001年发布。

4）IEC 61851—23［11］规定了电动汽车直流充电系统要求，该标准第1版将于2014年3月发布。

目前IEC正在对IEC61851—23直流充电系统开展一致性测试工作，已于2012年10月成立了一致性测试子工作组，参与国家主要有中国、日本、德国、美国；2013年1月底各国提交测试方案；2013年4月15日在加拿大多伦多召开一致性测试启动会。目前一致性测试工作处于完善阶段，可能将作为IEC的技术规范（TS）或公开规范（PAS）文档发布，亦或纳入IEC 61851—23第2版或为独立标准。

充电接口标准主要是IEC 62196系列标准。

1）IEC 62196—1［12］规定了传导式充电接口的通用要求，该标准第3版已于2014年6月发布。

2）IEC 62196—2［13］规定了传导式充电接口的交流插针、导电铜管附件的尺寸互换性要求，该标准第1版已于2011年2月发布，目前正准备修订第2版。

3）IEC 62196—3［14］规定了传导式充电接口的直流插针、导电铜管附件的尺寸互换性要求，该标准第1版已于2014年6月发布，标准中采纳了日本、中国、美国和德国等四国的提案。

通信标准主要是IEC 61851-24和ISO 15118系列标准：

1）IEC 61851—24［15］规定了直流充电的通信要求和协议，该标准第1版已于2014年3月发布。

2）IEC 15118—1［16］规定了电动汽车与电网通信接口的通用信息和用例定义，该标准第1版已于2013年4月发布。

3）IEC 15118—2［17］规定了电动汽车与电网通信接口的网络和应用协议要求，该标准第1版已于2014年3月发布。

4）IEC 15118—3［18］规定了电动汽车与电网通信接口的物理层和数据链路层要求，该标准第1版正处于委员会草案投票（CDV）阶段。

5）IEC 15118—4［19］规定了电动汽车与电网通信接口的网络和应用协议一致性测试，该标准第1版正处于委员会草案（CD）阶段。

6）IEC 15118—5［20］规定了电动汽车与电网通信接口的物理层和数据链路层一致性测试，该标准第1版正处于委员会草案（CD）阶段。

7）IEC 15118—6［21］规定了电动汽车与电网通信接口对无线通信的通用信息和用例定义，该标准第1版正处于委员会草案（CD）阶段。

电池更换标准主要是IEC 62840系列标准，这是世界第一个换电国际标准，也是由中国牵头，国家电网公司负责提出的国际标准提案：

1）IEC 62840—1［20］规定了电动汽车电池更换系统通用要求，该标准第1版本正处于委员会草案（CD）阶段。

2）IEC 62840—2［21］规定了电动汽车电池更换系统安全要求，该标准第1版本正处于委员会草案（CD）阶段。

1.2.2美国标准现状

美国负责电动汽车标准制修订的机构为美国机动工程师协会SAE，该组织旨在为混合动力和电动汽车提供更安全高效的操作流程和驾驶体验。已发布的电动汽车充电相关标准有：

1）SAE J 1772—2010《电动汽车和插电式混合动力汽车传导式充电接口》［24］，该标准规定了电动汽车交流充电接口的通用要求、物理结构和尺寸、控制导引电路。

2）SAE J 1939《路面车辆推荐操作规程》系列标准规定了包括CAN网络物理层定义、数据链路层定义、应用层定义、网络层定义、故障诊断和网络管理。

1.2.3日本标准现状

日本电动汽车协会JEVA专门负责电动汽车标准化的研究与标准的制定，已先后发布有关新能源汽车的60多项标准，形成了比较完善的纯电动汽车与混合动力汽车标准法规体系。快速充电站基础设施推进协会提出了CHAdeMO标准规定了直流充电接口以及非车载充电机的相关标准，致力于推进高效的快速充电站的发展和快速充电站及其系统的国际标准化。

2　直流充电接口比较

直流充电接口作为电网与电动汽车交互的重要组件，其标准化是实现连接器物理连接和互换性的基础，技术要求主要涉及外形尺寸、针脚数及布置、锁止方式、额定电压和电流等。我国现有标准和国际标准中关于直流充电接口的对比情况如表2所示。

1）IEC 62196-3直流充电接口标准中规定了4种直流充电接口物理结构，其中附录AA的主要支持国家为日本，附录BB的主要支持国家为中国，附录EE的主要支持国家为美国，附录FF的主要支持国家为德国。中国的直流充电接口已在GB/T 20234.3中发布。

2）最早实施的日本CHAdeMO形式的直流充电标准，采用CAN的通讯协议，因此除了常用的连接确认，充电导引及直流针脚之外还有额外的2根CAN通讯用针脚，因此整个CHAdeMO接口有多达10芯的连接针脚。中国直流充电也采用CAN通讯方式，所以充电接口定义和CHAdeMO非常接近。

3）中国定义额定电压和电流分别是750 V和125 A/250 A，充电功率可以达到150 kW以上，相比CHAdeMO目前应用的功率要更高，因而二者在连接器设计中考虑到电气间隙及爬电距离的影响，结构尺寸和样式有很大的差异。

4）欧美的直流充电标准目前还在制定过程中，但小功率（25 kW左右）直流充电时，可以使用类似于交流接口标准中定义的美国（type1）及德国（type2交流充电口，当直流充电时其充电线缆必须满足标称充电电流。

5）德国和美国提出的组合式充电接口，以弥补目前没有大功率直流接口的空缺。组合式充电接口是将直流和交流车辆插座合二为一，兼容现有的交流充电设施，采用电力载波通讯方式（PLC），直流充电只采用5芯连接，大大降低了充电线缆的成本。

3　交互接口数字通信

3.1数字通信结构

目前国际上主流的充电交互数字通信结构有基于CAN通信电路，ISO 11898-1给出了CAN通信协议的明确定义，日本和中国充电系统主要采用这种通信结构。另外一种为在控制导引线上采用Homeplug Green PHY技术的通信方式，这是欧美国家充电系统的实现方式，满足相关安、自动连接、IPv6无线通信、C/S模式等。

3.2充电控制概述

直流充电控制数据通信如图1所示。这里不涉及直流电动汽车充电站或汽车内部的控制协议，如直流电动汽车充电站和汽车中控制电池管理的交流/直流转换器的电力控制协议。

3.3我国的直流充电数字通信

3.3.1直流充电协议中交换的信息

在充电过程中直流充电机和汽车之间应能交换相关信息，包括恒流充电状态下电流请求、恒压充电状态下电压请求、直流充电机的最大额定电压、直流充电机的最大额定电流、通信协议软件版本、汽车的最大电压限值、绝缘检测结果、充电前的短电路测试、用户停止充电命令、数字通信丢失检测、零电流确认、焊接检测等。

图1　直流充电机和电动汽车之间的数字通信Fig.1　Data communication between the DC charger and EVs

3.3.2基于CAN的直流充电机与BMS通信

1）物理层

物理层应符合ISO 11898—1：2003［25］、SAE J 1939—11：2006［26］中关于物理层的规定。充电机与BMS之间的通信速率可选用50 kbit/s、125 kbit/s或250 kbit/s。

2）数据链路层

数据链路层应符合SAE J1939—21：2006［27］中关于数据帧、消息传输的规定。

a.帧格式：CAN扩展帧的29位标识符。

b.协议数据单元：每个CAN数据帧包含一个单一的协议数据单元，见图2。协议数据单元由7部分组成，分别是优先权、保留位、数据页、PDU格式、特定PDU、源地址和数据域。

图2　协议数据单元PDUFig.2　The format of Protocol Data Unit

c.参数组编号PGN：PGN的第二个字节为PDU格式（PF）值，高字节和低字节位均为00H。

d.传输协议功能：BMS与充电机之间传输9字节或以上的数据使用传输协议功能。

e.地址的分配：标准网络地址用于保证信息标识符的唯一性以及表明信息的来源。

f.信息类型：CAN总线技术规范支持5种类型的信息，分别为命令、请求、广播/响应、确认和组功能。

3）应用层

应用层采用参数和参数组定义的形式。采用PGN对参数组进行编号，各个节点根据PGN来识别数据包的内容，并采用周期发送数据。

4　发展趋势

随着电动汽车及快充技术应用日益广泛，我国对电动汽车与电网以及充电设备交互的安全问题日渐重视，充电检测技术建设工作将逐步开展，技术标准不断修订完善走向成熟，检测标准化进程会进一步加快，其执行力度也将会进一步加强。

1）我国将制定针对充电互操作检测方法的标准。在我国电动汽车充换电设施系列标准中，针对我国电动汽车充电互连互通要求和检测方法的标准存在缺失。目前能源局行标NB/T 33008.1《充电设备检验试验规范第一部分：非车载充电机检验试验规范》［28］尚无专门针对充电接口的检验试验办法和准则的内容，国家电网企业标准Q/GDW590—2011《电动汽车传导式充电接口检验技术规范》［29］只规定了机械性能、电气性能等相关检测方法，没有对兼容性、安全性等方面进行标准化。IEC 61851—23已经开展直流充电机一致性测试标准制定工作。2015年3月我国也开始开展对充电连接系统互操作测试标准和通信协议一致性测试两项国家标准的编制，完善充电标准体系。

2）我国应进一步加强充电互操作性的实验验证能力建设提高电动汽车和电网交互接口可靠性和安全性。我国与欧美日先进国家相比，在电动汽车充换电领域的基础研究、技术开发以及标准体系建设方面存在着一定的差距，能够在国际上有影响的技术创新还偏少，特别是在参与国际标准制修订过程中，我国对多项标准提出了相关建议，其中只有少部分得到采纳，重要原因就是提出的建议缺少实验数据支撑，难以获得其他国家的认同。通过开展相应的试验验证技术研究和试验系统建设，可对标准中涉及的关键技术参数和要求进行全面的实验验证和分析，在此基础上才能对标准条款提出合理建议。这些国际标准中涉及很多有关电气、机械、安全性、一致性等方面的数据、方法和流程等急需相关的实验验证数据支撑。因此一方面充分借鉴国际上相对成熟的标准成果；另一方面开展支撑标准化发展的试验能力，这将有助于推进我国电动汽车充换电设施标准国际化工作。

5　结论

电动汽车充换电标准是电动汽车与电网互动技术的重要组成部分，充电和通信接口标准属于其中非常重要的基础性标准，国内标准的统一和国际标准的协调对电动汽车应用推广将具有重要意义。本文分析了国内外现有充换电标准化工作，并提出对未来标准化工作的发展方向和建议。为了把握交通能源动力系统转型的战略机遇，抢占未来汽车产业竞争制高点，我国必须坚持自主创新，加强相关标准的制定，力争在全球电动汽车发展竞争中占据领先位置。

［1］GB/T 18487.1—2001电动车辆传导充电系统一般要求［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［2］IEC 61851—1：2010 Ed2.0 Electric vehicle conductive charging system-Part 1：General requirements［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2010.

［3］GB/T 20234—2006电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［4］GB/T 20234.1—2011电动汽车传导充电用连接装置第1部分：通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［5］GB/T 20234.2—2011电动汽车传导充电用连接装置第1部分：交流充电接口［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［6］GB/T 20234.3—2011电动汽车传导充电用连接装置第1部分：直流充电接口［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［7］IEC 61851—21：2001 Ed1.0 Electric vehicle conductive charging system-Part 21：Electric vehicle requirements for conductive connection to an a.c./d.c.supply［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2001.

［8］IEC 61851—21—1（CD）Electric vehicle conductive charging system-Part21-1：Electric vehicle onboard charger EMC requirements for conductive connection to an a.c./d.c.supply［S］.

［9］IEC 61851—21—2（CD）Electric vehicle conductive charging system-Part 21-2：EMC requirements for OFF board electric vehicle charging systems［S］.

［10］IEC 61851—22：2001 Ed1.0 Electric vehicle conductive charging system-Part 22：AC electric vehicle charging station［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2001.

［11］IEC 61851—2—3：2014 Ed1.0 Electric vehicle conductivecharging system-Part 2-3：D.C electric vehicle charging station［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2014.

［12］IEC 62196—1：2014 Ed1.0 Plugs，Socket-outlets，vehicle couplers and vehicle inlets-conductive charging of electric vehicles，Part 1：general requirements［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2014.

［13］IEC 62196—2：2011 Ed1.0 Plugs，socket-outlets，vehicle connectorsand vehicle inlets-Conductive charging of electric vehicles-Part 2：Dimensional compatibility and interchangeability requirements for a.c.pin and contacttube accessories［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2011.

［14］IEC 62196—3：2014 Ed1.0 Plugs，Socket-outlets，vehicle couplers and vehicle inlets-conductive charging of electric vehicles，Part 3：dimensional compatibility and interchangeability requirements for d.c.and a.c./d.c.pin and tube-type contact vehicle couplers［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2014.

［15］IEC 61851—2—4：2014 Ed1.0 Electric vehicle conductive charging system-Part 24：Digital communication between a dc EV charging station and an electric vehicle for control of d.c.charging［S］.Switzerland：International Electrotechnical Commission，2014.

［16］ISO 15118-1：2013 Ed1.0 Road vehicles-Vehicle to grid communication interface-Part 1：General information and use-case definition［S］.Switzerland：International Organization for Standardization，2013.

［17］ISO 15118-2：2014 Ed1.0 Road vehicles-Vehicle-to-Grid communication interface-Part 2：Network and application protocol requirements［S］.Switzerland：International Organization for Standardization，2014.

［18］ISO 15118-3（CDV）Road Vehicles-Vehicle to grid communication interface-Part 3：Physical layer and Data Link layer requirements［S］.

［19］ISO 15118-4（CD）Road Vehicles-Vehicle to grid communication interface-Part4：Network and application protocol conformance test［S］.

［20］ISO 15118-5（CD）Road vehicles-Vehicles to grid communication interface-Part 5：Physical and data link layer conformance tests［S］.

［21］ISO 15118-6（CD）Road vehicles-Vehicle to grid communication interface-Part 6：General information and usecase definition for wireless communication［S］.

［22］IEC 62840-1（CD）Electric vehicle battery swap system Part 1：System description and general requirements［S］.

［23］IEC 62840-2（CD）Electric vehicle battery swap system-Part 2：Safety requirements［S］.

［24］SAE J 1772：2010.Electric vehicle and plug in hybrid electric vehicle conductive charge coupler［S］.American：Society of Automobile Engineers，2010.

［25］ISO 11898—1：2003.Road vehicle-Control area network（CAN）Part 1：Data link layer and physical signaling［S］.Switzerland：International Organization for Standardization，2006.

［26］SAE J 1939—11：2006.Recommended practice for serial controland communication vehicle network-Part11：Physicallayer-250K bits/s，twisted shielded pair［S］.American：Society of Automobile Engineers，2006.

［27］SAE J 1939—21：2006.Recommended practice for serial control and communication vehicle network-Part 21：Data link layer［S］.American：Society of Automobile Engineers，2006.

［28］NB/T 33008.1—2013.充电设备检验试验规范第一部分：非车载充电机检验试验规范［S］.北京：中国电力出版社.

［29］Q/GDW 590—2011电动汽车传导式充电接口检验技术规范［S］.北京：中国电力出版社，2011.

（编辑徐花荣）

The Current Status and Development of Interactive Compatibility Standards between Electric Vehicles and Power Grid

ZHANG Xuan1，ZHU Jinda2
（1.Experiment and Verification Center，State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210061，Jiangsu，China；2.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211000，Jiangsu，China）

This paper presents a comprehensive introduction of the current status and development trends of the battery charging and swap Standard for EVs both at home and abroad，describing the interactive interface standardization between EVs and the power grid communication system，with focus on comparing the technical solutions of the DC charging interface and communication interface in terms of physical structure and communication protocol both at home and abroad.The paper also elaborates the development trend of charging interoperability test standard of EV charging and summarizes and predicts the following standard system and coordination work.

grid interactive；DC charging；electric vehicle

1674-3814（2015）11-0083-06

TM910

B

2015-06-01。

张萱（1984—），女，硕士，工程师，主要研究方向为电动汽车充换电标准及其检测技术；

朱金大（1964—），男，高级工程师，主要研究方向为电动汽车充换电技术研究。

国家高技术研究发展计划（863计划）（2011AA05A110）。

Project Supported by the National High Technology Research and Development Program of China（863 Program）（2011AA05A110）.