基于新能源汽車出口的充電分析

張萌 李川 王朝暉 陳麗雪 李津

【摘? 要】新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在全球范圍內(nèi)開展，電動汽車融合新能源、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等多種變革型技術，以其智能化的體驗獲得了廣泛市場。近年來，國際老牌車企在戰(zhàn)略謀劃、政策支持上紛紛向新能源汽車方向傾斜，已成為全球經(jīng)濟增長的重要發(fā)力點。為直面國家實現(xiàn)碳達峰、碳中和的重大戰(zhàn)略目標，中國新能源汽車發(fā)展勢頭強勁，很多國內(nèi)車企開始將目光轉向國際市場。本文通過對歐美充電標準進行研究，將其與中國充電標準的不同點進行分析，同時對在實際充電測試中遇到的異常案例進行歸納，為出口車型研發(fā)提供參考建議。

【關鍵詞】電動汽車;充電測試;歐美充電標準;國家充電標準

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0001-05

【Abstract】A new round of scientific and technological revolution and industrial transformation is being carried out around the world. The electric vehicle integrates a variety of transformational technologies such as new energy，Internet，artificial intelligence，and has won a wide market with its intelligent experience. In recent years，the international old brand automobile enterprises have shifted to the direction of new energy vehicles in strategic planning and policy support，which has become an important driving force for global economic growth. In order to face the major strategic goal of achieving carbon peak and carbon neutrality，China's new energy vehicles have a strong momentum of development，and many domestic automobile enterprises have begun to turn their attention to the international market. This paper analyzes the differences between European and American charging standards and China's charging standards，and summarizes the abnormal cases encountered in the actual charging test to provide reference suggestions for the research and development of export models.

【Key words】electric car;charging test;european and american charging standards;national charging standard

作者簡介

張萌（1997—），女，助理工程師，碩士，主要從事電動汽車充電測試研究相關工作。

在國家政策的大力支持下，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)逐步具備了成熟的規(guī)模，同時在全球化的浪潮中，逐步向海外市場開拓。歐美充電標準體系結構與中國的充電標準存在很大差異，無法直接實現(xiàn)互聯(lián)互通;標準內(nèi)容復雜，理解困難。目前由于研發(fā)經(jīng)驗不足，測試過程中會存在很多的問題，極大地影響車輛的充電性能。本文從標準解讀出發(fā)，通過對測試中出現(xiàn)的問題進行展示總結，為出口車型適配歐美市場提供參考思路。

1? 新能源車出口發(fā)展現(xiàn)狀

在新能源汽車做大做強的背景下，中國汽車出口增長勢頭極強。如中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，20年前，中國整車出口僅2萬輛，而2021年，中國汽車出口首次突破200萬輛，世界排名第3，僅次于日本和德國，其中，新能源汽車出口達到31萬輛，同比增長304.6%，實現(xiàn)了多年來一直徘徊在100萬輛左右的突破。2022年全7個月出口150.9萬輛，延續(xù)了2021年以來的增長態(tài)勢，正日益逼近第一大汽車出口國——日本。2020—2022年汽車月度出口量比對如圖1所示。

如圖2、圖3所示，發(fā)達國家正在成為中國汽車出口的重要目的地。麥肯錫大中華區(qū)汽車板塊業(yè)務負責人管鳴宇曾提出[1]：“中國車企出海已經(jīng)從1.0時代到了2.0時代”，出海1.0時代，中國車企專注于亞非拉等市場，主打性價比，“找到目標市場以后，更多通過簡單的貿(mào)易路徑，銷售現(xiàn)有產(chǎn)品，短期行為偏多而缺少中長期的布局思考，計劃性不強”，而2.0時代，中國車企將重心轉向歐美發(fā)達國家，想和傳統(tǒng)老牌車企爭奪這片中高端市場。

在汽車行業(yè)和電子行業(yè)，歐美等國家各自都已經(jīng)形成了獨特的技術壁壘，中國品牌想要開拓海外市場，前路艱難。

2? 國內(nèi)外標準對比

國際充電相關標準的制定和頒布主要涉及以下3家組織：國際電工委員會（簡稱IEC）、國際標準化組織（ISO）、國際自動機工程師學會（SAE）。

IEC主要制定有IEC 61851系列標準，IEC 61851-1規(guī)定了電動汽車傳導充電系統(tǒng)通用要求[2]，對充電樁設計提供了安全標準;IEC 61851-23標準是在IEC 61851-1基礎上的補充，對直流充電系統(tǒng)在輸出控制、精度要求、故障監(jiān)測與響應等方面提出更為完善的要求。

SAE頒布的系列標準主要是通信協(xié)議方面，有SAE J2847和SAE J2953兩個系列，SAE J2847對通信協(xié)議的基本要求進行了規(guī)定，SAE J2953提出了協(xié)議測試用例。SAE J2847相關標準與DIN 70121關聯(lián)性十分強。

德國充電采用DIN SPEC 70121標準[3]，該標準規(guī)定了純電動車輛（BEV）或插電式混合動力電動車輛（PHEV）與電動汽車供電設備（EVSE，也稱為充電樁）之間特定的DC通信，DIN SPEC 70122是其對應的一致性測試的測試用例。

ISO 15118系列標準由ISO組織頒布制定，也同樣對通信協(xié)議方面進行了限定。與DIN SPEC 70121只涉及直流充電不同，ISO 15118系列標準同樣適用交流充電，整個體系層次結構更加清晰完整。

下一步，ISO將對15118-2進行升級，即將推出ISO/DIS 15118-20，新標準涵蓋了無線充電、雙向能量傳輸、自動連接充電的第2代網(wǎng)絡和應用技術、數(shù)字通信，并且，此標準將TLS（Transport Layer Security）傳輸層信息安全作為強制性要求，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展健全安全保障體系提供了標準支撐。該標準仍在持續(xù)的更新發(fā)展之中，15118系列標準的發(fā)展脈絡如圖4所示。

DIN SPEC 70121與ISO 15118系列標準出自同源，均對車樁之間的PLC通信進行了規(guī)范化要求，但在通信分層模型、測試要求和測試用例上存在差異。在實際執(zhí)行中，由于DIN SPEC 70121推出較早，使用該標準的電動車輛、充電樁市場占有率更高，而ISO 15118的整個充電標準發(fā)展脈絡更為全面，因此目前在歐美市場中兩種標準共存。

中國共頒布電動汽車充電標準30余項。GB/T 20234規(guī)定了電動汽車傳導充電用插頭、插座、車用車鉤和車用插座;GB/T 18487規(guī)定了電動汽車傳導充電系統(tǒng)分類[4]、通用要求等內(nèi)容;GB/T 27930對車樁之間基于CAN通信的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應用層的定義進行闡述[5]。這些標準為中國電動汽車生產(chǎn)和基礎設施建設提供了技術支持，是電動汽車及其基礎設施發(fā)展過程中的重要規(guī)范保障。

國內(nèi)外充電標準差異，主要表現(xiàn)在充電接口、充電設計標準、充電控制方式等方面。

2.1? 充電接口

充電接口方面，中國充電接口依據(jù)GB/T 20234.1—2015[6]、GB/T 20234.2—2015[7]、GB/T 20234.3—2015[8]進行，交直流接口獨立存在;歐美國家充電接口設計依據(jù)美國的聯(lián)合充電系統(tǒng)（Combined Charging System），即“CCS”標準進行，采用交直流一體化接口，其中美標采用type1接口，而歐標采用type2接口，兩者之間也存在差異，如圖5～圖8所示。

2.2? 充電通信協(xié)議

不同充電樁、不同車輛具有其自身的設備邏輯與數(shù)據(jù)，這就要求充電前充電樁與車輛需要獲取雙方充電相關的信息，充電過程中也要求車樁之間實時獲得充電數(shù)據(jù)，實現(xiàn)充電最優(yōu)化，故障情況下進行信息交互及時處理;同時，大規(guī)模電動車輛接入電網(wǎng)也會對電力系統(tǒng)造成一定的影響，需要進行合理控制，因此車-樁-電網(wǎng)之間的通信是必不可少的。

國標直流充電通信方面協(xié)議依據(jù)GB/T 27930，基于控制局域網(wǎng)進行通信，即CAN通信[9]，CAN是一種基于串行的現(xiàn)場總線通信協(xié)議，使用2根總線CAN_High、CAN_Low進行信號傳輸，CAN收發(fā)器依據(jù)2根總線的電位差判斷總線電平，轉化成二進制信號進行通信。CAN總線協(xié)議具有糾錯能力強、可使用差分收發(fā)、實時性好、通信速率可達1Mb/s、抗干擾能力強、可適用于較遠的傳輸距離等特點。在生產(chǎn)交流充電樁時未考慮通信的問題。

據(jù)前所述，歐美標直流充電通信協(xié)議有ISO15118、DIN70121兩種，此兩種標準均基于PLC進行通信，與國標存在很大的差異，PLC[10]（Power Line Communication，電力線通信技術）利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號，為實現(xiàn)電動汽車智能充電，需要動力電池管理系統(tǒng)（BMS）與充電樁、電力網(wǎng)絡之間互聯(lián)互通，而PLC由于不需要額外鋪設線纜，與Internet互聯(lián)性更好，可便捷傳遞更多信息，在電動汽車信息交互中得到很好的應用。在V2G的應用場景下，遠程支付、免密支付、電網(wǎng)之間的調(diào)度，PLC通信都存在一定的優(yōu)勢[11]。

2.3? 充電控制方式

國標直流充電總體流程如圖9所示，其整個充電流程包括以下6個階段。充電流程通過車樁之間發(fā)送CAN報文進行信息交互。

歐美標充電基于OSI服務約定（參照ISO 10731）中所述的約定，分為7層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。圖10所示為符合DIN SPEC 70121要求的DC充電通信棧。基于層之間的交互進行通信，完成充電控制。同時，充電中增加EVCC（Electrical Vehicle Communication Controller）電動汽車通信控制器、SECC（Supply Equipment Communication Controller）充電設備通信控制器。高級通信（數(shù)字通信）中對EVCC和SECC均進行標準要求。

3? 歐美標充電測試常見問題

基于國內(nèi)外電動汽車充電的差異，為適配歐美市場，國內(nèi)常用的方案為在原有充電架構基礎上，增加通信轉化模塊EVCC。BMS與EVCC之間仍以CAN通信方式進行交互，而EVCC與充電樁之間的交互主要是通過PLC通信進行[12]。

由于歐美充電體系復雜，標準內(nèi)容多，在理解方面容易出現(xiàn)疏漏，同時由于采用PLC的通信方式，交互需要EVCC進行轉化，因此通信協(xié)議是研發(fā)測試中比較容易出現(xiàn)問題的方面，進而影響兼容性[13]。

3.1? 超時問題

DIN SPEC 70121采用OSI 7層結構，對于各個通信協(xié)議層之間的接口提出更精確的定義計時要求。如圖11所示，對V2G通信報文交換的監(jiān)測是基于兩種類型的計時器：①Message Timer（Msg），用于監(jiān)測請求報文與對應的響應報文的交換（請求-響應-對）;②Sequecnce Timer （Sequence）：監(jiān)測響應-請求報文序列。

同時又將計時要求分為Timeout超時計時器和Performance性能計時器，用于對EVCC、SECC各個報文序列、各階段的時間進行精細化管理和限制，如圖12所示。

在DIN 70122（DIN 70121所對應的一致性測試用例）測試中[14]，有大量的針對超時性能的測試，例如在DIN 70122的TC_EVCC_CMN_VTB_ContractAuthorization_007測試用例（圖13）中，標準要求應在報文超時情況下斷開TCP連接，而被測車輛未判斷出超時，因此未進行超時錯誤處理。測試中車輛未對超時進行錯誤處理的案例如圖14所示。

3.2? 丟包問題

協(xié)議中對于特定報文發(fā)送的次數(shù)有明確規(guī)定，例如以下幾種情況。

1）在SLAC過程中，GP站傳輸?shù)腗-Sounds數(shù)為10，DIN 70121中對于M-Sounds報文發(fā)送要求見圖15。

在SLAC過程中，被測車輛只傳輸9條M-Sounds，測試中M-Sounds報文錯誤發(fā)送案例如圖16所示。

2）在匹配過程中，標準要求相應報文等待重發(fā)次數(shù)為2，DIN 70121中C_EV_match_retry報文發(fā)送要求如圖17所示。

如圖18所示，實際測試過程中，在測試系統(tǒng)未正確響應報文情況下，被測車輛只重新發(fā)送1次前次報文。

出現(xiàn)丟包問題的常見原因有以下兩種：①EVCC確實未發(fā)相應報文，對于標準問題理解有誤，比如重發(fā)2次，一共應發(fā)3次;②EVCC超時發(fā)送報文，在檢測階段內(nèi)充電樁未收到足夠數(shù)量的報文，這類問題需要著重分析EVCC芯片性能。

3.3? 并行測試判斷邏輯錯誤

由于歐美充電采用PLC通信，需要進行SLAC階段，通過判斷衰減量確認線路連接情況，標準要求2條并行線路情況下需判斷每條線路衰減量，正確的才可以判斷為Match“匹配”，以便進行后續(xù)的充電操作。DIN 70121中衰減匹配要求如圖19所示。

實際測試過程中，通過2條并行線路發(fā)送1個包含有效衰減值、1個包含無效衰減值的CM_ATTEN_CHAR.IND，驗證車輛反應，如圖20所示。錯誤現(xiàn)象為測試車輛對2條并行線路均發(fā)送確認報文進行后續(xù)的匹配，未判斷每條線路衰減量，常見原因在于EVCC對衰減量不進行判斷，只是單純自動回復對應報文，這在實際應用場景中可能會導致在充電場站中，多臺充電樁情況下車輛無法與正確充電樁匹配的情況。

3.4? 填充錯誤

DIN 70122充電協(xié)議對于某些報文有特殊的填充要求：例如CM_MNBC_SOUND.IND的count為倒計數(shù)器，從9到0，如圖21所示;被測車輛發(fā)送10條CM_MNBC_SOUND.IND，報文“count”部分內(nèi)容從0到9，對于標準細節(jié)理解不到位也會造成車輛兼容性差的情況。

4? 結論

碳中和已經(jīng)成為大勢所趨，這對中國新能源汽車實現(xiàn)彎道超車，走向全球市場十分利好，了解并抓住此項機遇將有利于后續(xù)的發(fā)展。本文對歐美充電標準和中國國家充電標準的不同進行了分析，詳細列舉了大量出口車型充電標準測試過程中出現(xiàn)的問題案例，為后續(xù)的研發(fā)提供參考建議，提高變更的適應性。

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（編輯? 凌? 波）