面向未來的新一代電動汽車充電系統ChaoJi上

作者 倪峰

引言：這篇文章是邀請倪總寫的內容，主要系統性的講述chaoji充電介面的背景資訊，從標準主要指定著的角度來讓我們瞭解中國主要引導這個充電標準的產生過程。

一、背景

目前被國際上廣泛接受的電動汽車直流充電技術一共有3種系統（分別為日本CHAdeMO充電系統，中國GB/T充電系統和歐美CCS充電系統）、四種介面（CCS充電系統由於歐美的交流介面的不同，分成了採用同樣設計理念的CCS1和CCS2兩種不同介面佈置的交直流組合式介面），如圖1所示。

圖1 國際主流的四種直流充電介面

這些系統和介面均在2010-2012年期間完成設計定型，截止目前已經被國內外的主流汽車製造廠和充電設施運營和製造企業廣泛地使用了近十年的時間。在這十年裡，這些介面為世界上不同經濟體的純電動汽車產業的迅猛發展做出了不可磨滅的貢獻，與此同時我們發現了這些系統和介面也不同程度地存在著這樣或那樣的問題和缺陷。主要表現在以下這些方面。

1．結構設計缺陷

在充電插頭的設計方面，由於對使用環境的估計不足，各種充電插頭的設計方案都存在結構設計問題，其中CCS充電插頭在機械強度上設計最弱，GB/T次之。在應用現場都出現不同程度的損壞情況（如圖2所示），有的地方甚至出現帶電導體完全暴露等極其危險的狀況。

圖2 各種介面現場損壞情況舉例

在充電插頭與插座的配合方面，以GB/T方案為例，由於國標中允許在1。9mm尺寸範圍內自由晃動（如圖3中綠色部分），導致在插入過程中容易產生接觸晃動及偏斜等情況。

圖3 GB/T2015充電槍插入充電座間隙問題

另外GB/T配合尺寸公差大，且無對插引導結構，當充電槍採用傾斜角度插拔或上下左右插拔時，充電槍的絕緣體孔口與充電插座孔位絕緣柱存在干涉，互插時會干涉磨損，同時充電時針孔也會呈一定角度進行對插，針孔連線電阻增大，這也加速了插孔損壞。圖4是以CC2孔位配合為例。

圖4 CC2配合尺寸公差對充電產品結構的影響。

以上配合及公差的問題造成了GB/T聯結器在使用中，尤其是在充電電流較大時極易造成連結端子出現燒蝕（如圖5所示），損壞率大大提高。圖6為某聯結器廠家統計的某批次充電插頭現場使用時的溫升資料，根據資料分析得出在電流較大的時候由於上述原因，充電聯結器使用壽命非常短。

圖5 GB/T2015聯結器燒蝕情況

圖6 某批次充電插頭現場溫升資料統計

另外，GB/T 2015充電聯結器在結構設計中還有一個嚴重的設計缺陷，就是在電動汽車安全全球法規（EVS-GTR）中針對諸如充電聯結器等高壓部件，要求必須符合IPXXB的要求（如圖7所示）。而GB/T 2015充電聯結器的設計由於採用了12mm的主功率端子設計，無法透過圖8標準量規的測試，從而也無法滿足這一要求。這個缺陷也使得在IEC標準中將整個中國直流充電方案排除在歐洲標準之外（如圖9所示），導致中國汽車出口到歐洲，採用或參考歐盟標準的國家和地區均事實上難以使用GB/T直流充電標準，而只能使用歐美CCS充電系統或者日本CHAdeMO充電系統。

圖7 電動汽車安全全球法規 （EVS）-2018

圖8 IPXXB標準量規

圖9 IEC 61851-23 ed1 中國直流充電方案排除在歐洲標準之外

GB/T充電聯結器的電子鎖設計參考了日本CHAdeMO充電系統的設計理念，將電子鎖設計在了充電插頭端，但其具體結構設計又相對過於簡單，鎖止動作不可靠，經常會出現鎖不上或拔不下的問題，同時採用了電子鎖複用機械鎖止結構的設計，導致無論機械鎖還是電子鎖只要有一個失效，整個鎖止系統就會失效。

圖10 GB/T充電聯結器的電子鎖示意圖

2．電氣連線及系統安全缺陷

GB/T和CCS充電系統採用了類似的導引電路設計，如圖11，12，13所示，在樁和車的兩側分別有電源U1和U2。這兩個電源在正常工作時互相沒有影響，但當PE在某些特定的地方斷開時，就會形成一個迴路，導致PE中斷時車樁雙方都無法檢測，這帶來了很大的安全隱患。CHAdeMO充電系統由於其PE採用了直徑僅1。5mm的訊號地設計，造成其在充電時，尤其是在干擾較大的大功率充電場合，通訊訊號受到較為嚴重的干擾。這些問題採用原有的導引電路和結構設計均無法很好地解決。

圖11 CCS1控制導引電路圖

圖12 CCS2控制導引電路圖

圖13 GB/T控制導引電路圖

此外，在歐美、日本和中國目前使用的充電標準中，針對安全的一系列諸如Y電容、最大短路電路、人體PE、絕緣檢測時間等與充電安全相關的問題，或未定義或要求過於寬泛，這些問題都需要建立一個統一的安全模型，透過軟硬體的改進提升和明確技術要求來解決。

3．相容性設計缺失，系統的可擴充能力低

如上文所述，目前國際上廣泛使用的三個充電系統四種直流充電介面均為2010年前後設計，當時要解決的首要問題就是能不能充電以應對即將到來的汽車電動化時代。因此幾乎所有的系統除基本的充電功能以外均沒有考慮對其他功能的適用性。在系統的硬體和軟體設計上都沒有考慮完善的向後相容性。隨著新能源汽車產業的迅猛發展，各種各樣的諸如PnC、V2X、大功率充電等不同的應用訴求層出不窮。一個介面系統如果沒有良好的相容性設計，在為了滿足新增功能的需求或修正原系統的錯誤而推出新的系統後，就會出現新老系統的相容性問題，這個現象在GB/T2011充電系統升級到GB/T2015充電系統的過程中已經表現得非常明顯：當時由於GB/T充電系統在軟硬體兩方面均未考慮完善的相容性設計，造成在相當長一段時間內新老系統難以互用，甚至帶來安全問題。幸運的是，當時採用GB/T2011充電系統和裝置數量較少，所以問題顯得不是很突出。但如果今後要對數量巨大的GB/T2015充電系統進行升級，只是簡單地增加功能，不做完善的相容性設計會給未來的發展造成巨大的混亂，大大降低系統的安全性和可用性。

小結：這是上篇，講了背景和現狀，其實目前250A的限制對於中國電動汽車的發展的充電設定了挺大的瓶頸