我国电动汽车充换电基础设施标准的现状和发展建议

刘文峰，朱 聪，李 斌，张 沫

（交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

我国电动汽车充换电基础设施标准的现状和发展建议

刘文峰，朱 聪，李 斌，张 沫

（交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

为了能够更加合理地制修订我国电动汽车充换电基础设施的相关标准，进一步促进电动汽车推广应用目标的顺利实现，对我国现有的充换电基础设施相关标准开展了研究。首先，对国外充换电基础设施标准概况和我国相关的主要国家标准、行业标准、地方标准和企业标准进行了介绍；接着，对我国现有标准中关于充换电设备、充电接口及通信协议、充换电计量装置、充换电站的相关规定进行了分类介绍，明确了现有标准对于确保电动汽车用户充换电体验质量的重要意义；然后，针对电动汽车用户完整的充换电流程，对实际中用户存在的充换电服务需求进行了分析；最后，根据用户的实际服务需求，提出了我国未来充换电基础设施标准的制修订建议。研究结果表明，我国现有的充换电基础设施标准基本确保了充换电设备的可用性和易操作性、充电接口的通用性、充电计量装置的准确度以及充换电站的运营安全等，未来应针对充换电设备状态查询、直流充电桩的兼容性、统一支付、充换电站规模和布局等方面制定相关标准，以提高电动汽车用户体验质量和促进电动汽车的进一步推广应用。

电动汽车；充换电基础设施；标准；用户体验质量；服务需求

0 引言

电动汽车釆用动力电池提供行驶所需的全部（纯电动）或部分（混合动力）动力，车辆运行过程中的能量消耗和污染排放水平较传统燃油车辆都大大降低，因而大力推广应用电动汽车已基本成为整个社会和行业的共识[1-3]。众所周知，电动汽车需要通过充换电基础设施进行能源补充，常用的充换电基础设施包括交流充电桩、直流充电桩和电池更换设备。然而，由于公共充电设备盈利难，我国充换电基础设施建设相对滞后，充换电设备数量相对较少[4-5]，或利用率不均衡——有的充换电设备长期闲置，有的设备则需要长时间排队等候[6-7]，另外不少充电桩与电动汽车之间的接口还存在不匹配的问题[8]。

截至2014年底，我国电动汽车产量约达12.5万辆[9]；截至2015年9月底，我国已经累计生产推广新能源汽车27.4万辆，预计到2015年底我国新能源汽车总产销量可达35～37万辆，而截至2014年底已建成充换电站仅有778个、充电桩约3.09万个。以充电设施数量较多的北京和深圳为例：截止到2015年5月底，北京市建成的充电桩累计数量约为8 300个，其中公共专用充电桩3 676个、社会公用充电桩2 000个、私人自用充电桩2 600个。而据统计截止到2015年7月底北京市新能源汽车累计上牌数量为1.62万辆，车桩比约为2∶1，这与理想的1∶1车桩比相差甚远。深圳市已建成快速充电站81座，私家车用慢速充电桩约3 000个，车桩比同样无法满足电动汽车用户的充电需求。

以上因素导致了电动汽车用户存在充电不方便甚至无法充电的困难，大大降低了其服务体验质量，进而对电动汽车的推广应用产生了一定的阻碍作用。为此，我国有必要一方面通过制定统一的相关标准来加强对充换电设备的监督和管理，确保设备的功能和性能满足电动汽车用户的充换电需求；另一方面也应当加快充换电基础设施的合理规划与布局，保障充换电设施的建设速度与电动汽车的产量发展相适应[10-11]。

1 国内外充换电基础设施标准概况

1.1 国外充换电基础设施标准概况

由于全球电网基础条件不同，各国各地区充换电基础设施存在差异，均基于相应配电网的电压、频率、功率容量、电能质量等背景条件制定相应的充换电设施标准。国际上，主要有国际电工委员会IEC、美国汽车工程师协会SAE、日本电动汽车快速充电器协会CHAdeMO针对充换电基础设施制定了相关标准，如：IEC 61851规定了电动汽车与充电设施的连接要求以及交直流充电设施的自身要求，IEC 62196—1规定了充电桩插头插座的基本要求，IEC 62196—2规定了交流充电桩的尺寸和互换性要求，IEC 62196—3规定了直流充电桩的尺寸和互换性要求；SAE标准大部分与IEC标准兼容，但具备更强的实践性，如SAE J1772沿用了IEC 61851的相关规定并补充了IEC 62196部分内容，SAE J2847规定了电动汽车与充电设施之间的通信要求，SAE J2953规定了电动汽车与充电设施之间的互通性要求，SAE J2894/2规定了充电设备电能质量/测试办法；CHAdeMO标准规定了直流充电桩的接口和通信协议以及电动汽车与充电设施之间通过CAN总线通信，这与IEC规定的PLC通信方式不同。另外，国际标准组织ISO于近期在其智能运输系统领域21219系列标准中立项并提出了针对电动汽车充电服务信息标准化的标准草案：《智能交通系统——由交通协议专家组（TPEG）制定的交通和出行信息——第25部分：电动交通信息（EMI）》。该标准规定了充电设施位置信息、充电桩适配信息（如充电接口类型、充电模式等）以及充电桩工作状态及预约等的信息结构、消息构成、数据类型、数据表以及采用二进制与ML语言的TPEG消息通用性要素表达方法。这种标准化的信息表达结构有利于不同企业之间对充电服务设施相关信息进行共享和交换，对电动汽车的推广具有重大意义。

1.2 国内充换电基础设施标准概况

1.2.1 充换电基础设施国家标准

目前我国电动汽车充换电基础设施的主要国家标准如表1所示。其中，GB/T 18487等效采用了IEC 61851，GB/T 20234部分采用了IEC 62196，GB/T 27930采用了与CHAdeMO相同的通信方式，车辆与充电设施之间通过CAN总线进行通信。此外，根据我国的实际情况还制定了其他有关电动汽车充换电标准，如GB/T 28569、GB/T 29316、GB/T 29318等。这基本保障了充换电设备功能、性能的可靠性与安全性。但是在充电服务方面，我国暂时尚未制定相关标准，这在一定程度上抑制了不同充电服务企业之间的信息共享和交换，不利于电动汽车用户的充电体验。

表1 我国电动汽车充换电基础设施的主要国家标准

表1（续）

1.2.2 充换电基础设施行业标准

行业标准一般是根据特定行业应用需求而制定的适用于本行业范围内的统一标准。我国电动汽车充换电基础设施涉及的行业主要有能源、汽车和机械。其中，能源行业主要围绕电能整个流动和传输过程所涉及的方面制定了相关标准，包括车载充电《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》（NB/T 33001—2010）、《电动汽车交流充电桩技术条件》（NB/T 33002—2010）、《电动汽车非车载充电机监控单元与电池管理系统通信协议》（NB/T 33003—2010）、《电动汽车充电站及电池更换站监控系统技术规范》（NB/T 33005—2013）、《电动汽车充换电设施建设技术导则》（NB/T 33009—2013）等；汽车行业主要围绕电动汽车的电能补充过程，针对车辆与基础设施的连接制定了相关标准，如《电动汽车传导式充电接口》（QC/T 841—2010）、《电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议》（QC/T 842—2010）等；机械行业则围绕充换电基础设施自身的机电性能，针对充换电设备应用所需的功能和性能制定了相关标准，如《锂离子蓄电池充电设备通用要求》（JB/T 11142—2011）、《锂离子蓄电池充电设备接口和通讯协议》（JB/T 11143—2011）等。

1.2.3 充换电基础设施地方标准

地方标准一般是根据当地工业产品的安全卫生、环保节能等要求而制定的在当地区域内的统一标准。我国电动汽车在北京和深圳推广的时间较早、力度较大，因而这两个地区率先制定了相关地方标准。北京市根据本地区电动汽车产业发展的总体规划和电能供给与保障的实际需求，研究制定了《电动汽车电能供给与保障技术规范》系列地方标准，用以规范电动汽车的生产与维护，指导电能供给基础设施的建设与运营，支撑电能供给设备的制造与使用，如DB11/Z 876—2012、DB11/Z 728—2010、DB11/Z 752—2014、DB11/Z 753—2014等。深圳市为贯彻落实国家节能环保政策，促进电动汽车的推广应用，延伸供电服务价值链，指导和规范深圳市电动汽车配套充电设施建设，研究制定了《电动汽车充电系统技术规范》系列标准，如SZDB/Z 29.1—2010、SZDB/Z 29.2—2010、SZDB/Z 29.3—2010、SZDB/Z 29.5—2010、SZDB/Z 29.6—2010等。

1.2.4 充换电基础设施企业标准

在我国，企业一直充当着电动汽车充换电基础设施建设的主体。为了有效推动和规范充换电基础设施的建设工作，企业一般会根据本企业范围内需要协调和统一的技术要求、管理要求和工作要求制定相关标准。如国家电网公司、南方电网公司均根据各自的电动汽车充换电基础设施建设工作内容，制定了一系列有关充换电站的布置、建设、供电、监控系统以及充电设备本身的标准，为各自公司对基础设施建设工作的开展提供了规范性技术文件，使相关工作有章可依，最终达到推广电动汽车发展、实现电动汽车产业化的目的。其中，国家电网标准主要有：Q/GDW 233—2009、 Q/GDW 234—2009、 Q/GDW 235—2009、Q/GDW 236—2009、Q/GDW 237—2009、Q/ GDW238—2009、Q/GDW478—2010、Q/GDW 485—2010；南方电网标准主要有：Q/CSG 11516.1—2010、 Q/CSG 11516.2—2010、Q/CSG 11516.3—2010、 Q/CSG 11516.4—2010、Q/CSG 11516.5—2010、Q/CSG 11516.6—2010、Q/CSG 11516.7—2010、Q/CSG 11516.8—2010。

2 我国充换电基础设施标准现状分析

目前我国有关充换电基础设施的国家标准、行业标准、地方标准以及企业标准主要涵盖了充换电设备技术条件、充电接口及通信协议、充电计量装置、充换电站布局建设等各个方面。本文将各标准的主要内容和规定分为充换电设备、充电接口、充电计量装置、充换电站4类进行归纳总结，以明确我国充换电基础设施标准的现状。

2.1 充换电设备

电动汽车的充换电设备包括交流充电桩、直流充电桩和电池箱更换设备，其中交流充电桩的主要作用是将电网电能转换为车载充电机可用的交流电源；直流充电桩的主要作用则是将电网交流电能转换为直流电能，并采用传导方式为电动汽车充电。电动汽车用户重点关注充电桩的操作是否安全、简便、可靠，交流充电桩是否能够提供安全、可靠的交流电源，直流充电桩是否能够输出车辆动力电池组所需的充电电压/电流。

对于充换电设备，现有标准规定了以下基本内容。

（1）交流充电桩和直流充电桩必须具备合理的人机交互功能，能够显示各状态下的相关信息，具备手动设置充电参数的功能；

（2）充电桩的供电模式为交流单相或三相，供电额定电压为220V或380V，交流充电桩供电额定电流为32A；

（3）直流充电桩必须能够为电动汽车提供低压辅助电源，用于充电过程中动力电池组管理系统的供电；

（4）充电桩操作的安全性和简便性要得以基本保障，即充电桩的耐环境要求、电气绝缘性能、电磁兼容性能要满足相关要求；

（5）直流充电桩的输出电压范围、输出电压稳压精度、输出直流额定电流、输出电流精度、输出纹波有效值系数等参数值要满足相关要求；

（6）当直流充电桩输出功率为额定功率的50%～100%时，功率因数应不小于0.9，效率应不小于90%，从而保障了充电桩在功能方面的可靠性。

对于电池箱更换设备，用户主要关注设备运行是否可靠、高效和安全。现有标准做了如下规定。

（1）电池更换设备的各个动作必须连续、可靠、平稳、动作衔接流畅，各个方向的位移定位误差不超过2mm，旋转定位角度误差不超过0.2°，各个方向的运行速度与其给定值之间的偏差应小于2%，设备运行噪声值不应大于70dB（A）。

（2）商用车的电池箱更换时间不应大于600s，乘用车的更换时间不应大于300s，更换设备对车辆的停靠位置、停靠姿态、电池箱安装位置应具备一定的适应能力，以及更换设备本身应满足安全防护要求。

2.2 充电接口

对于传导式充电方式，电动汽车必须通过充电接口与充电桩连接之后方能充电。充电接口的主要作用是在电动汽车与充电桩之间建立物理连接，同时直流充电桩还需通过接口与车辆动力电池组管理系统建立通信连接。电动汽车用户重点关注通过接口所建物理连接是否具有通用性，是否安全、可靠，以及所建通信连接是否具有一致性，是否有效、稳定。

对于充电接口，现有标准做了如下规定。

（1）交流充电接口的额定电压为250V或440V，额定电流为16A或32A，直流充电接口的额定电压为750V，额定电流为125A或250A。

（2）交流充电接口和直流充电接口的触头数量分别为7对和9对，统一定义了每个触头的功能和额定电压/电流值，以及布置方式和连接顺序。

（3）交流充电接口和直流充电接口的结构尺寸和安装尺寸需满足相关要求。

（4）充电接口的连接状态可通过车辆控制装置检查确认，当确认充电接口连接成功后，应使车辆处于不可行驶状态。

（5）充电接口的通用性和安全性基本得以保障。

在充电接口通信连接方面，现有标准规定：①通过充电接口建立通信连接时应采用CAN通信协议，通信速率推荐使用250kbit/s；②通信数据链路层CAN数据帧格式，每个CAN数据帧包含1个单一的协议数据单元（PDU）；③充电过程包括4个阶段：握手阶段、参数配置阶段、充电阶段和充电结束阶段，各阶段充电桩和电池管理系统若没有在规定时间内收到对方报文或没收到正确报文，即判定为超时，进入错误处理状态；④充电过程中各阶段各类报文的参数组编号、优先权、数据长度、报文周期、报文格式和内容等需满足相关规定；⑤直流充电桩通信协议的一致性、有效性和稳定性得以基本保障。

2.3 充电计量装置

充电计量装置用于计量电动汽车通过充电桩补充的电能量。从用户体验的角度来讲，用户主要关注计量装置的准确度、可靠性和友好程度。对于充电计量装置，现有标准做了如下规定。（1）电能计量装置的安装位置应位于电流输出端和电池接口之间。

（2）交流充电桩电能表由电流改变引起的误差极限、起动、潜动、仪表常数、由其他影响量引起的误差极限应满足GB/T 17215.321—2008第8章的要求。

（3）根据负载电流大小和电压变化范围，直流充电桩电能表在额定电压和参比电流下的基本误差极限为±1.5%或±1.0%，使得充电计量装置的准确度得以保障。

（4）为了确保电能计量装置的可靠性，电能表的机械性能、耐气候性能和电气性能应满足相关要求。

（5）为了保障电能计量装置的友好程度，除了计量功能以外，装置还应具备存储功能、时钟功能、测量及监测功能、通信功能、显示功能等。

2.4 充换电站

充换电站是为电动汽车提供充换电服务的场所。用户主要关注车辆进出充换电站时的安全性和便捷度，以及充换电过程中的车辆安全和用户人身安全保障。

现有标准规定充换电站的选址应充分利用就近的供电、交通、消防、给排水及防排洪等公用设施，宜靠近城市道路，应符合防火安全要求，不宜设在多尘、有腐蚀性气体、有剧烈振动或高温的场所，以保障用户进出站时的安全与便捷。

为了确保充换电过程中的车辆安全和用户人身安全，充换电站均应配备监控系统。现有标准规定充电站的监控系统应由站控层、间隔层及网络设备组成，其中站控层应实现充电站内运行各系统的人机交互，实现相关信息的收集和实时显示，实现设备远程控制及数据存储、查询和统计，并可与相关系统进行通信；间隔层应能采集设备运行状态及运行数据，实现上传至站控层、接收和执行站控层控制命令的功能。电池更换站的监控系统应包括供电监控系统、充电监控系统、电池箱更换监控系统和安防监控系统等，其中电池箱更换监控系统应具备对电池箱充电状态、设备运行状态、更换过程进行监测和控制的功能。

为了进一步保障电动汽车用户进出站时的安全与便捷，现有标准规定：充换电站应配备安全消防、行车道、停车位、营业室、休息室、卫生室等辅助设施；换电站还应配备电池箱存储设备、电池箱转运设备、车辆导引系统和电池检测与维护设备等；充电站运营管理的场站要求、人员要求、服务要求、安全管理要求、突发事件处理等应满足相关条件。

3 用户充换电服务需求分析

电动汽车用户的充换电流程如图1所示，大致包括如下4个步骤：首先选择合适位置的充换电设备（站）；然后驶入选定的充换电站；再将充电桩接口与车辆接口加以连接并开始充电，或者将车辆驶入指定位置利用电池箱自动更换装置开始换电；最后对充换电所补充的电能进行计量和支付，至此车辆即完成充换电过程。

图1 电动汽车用户的充换电流程

图1所示各步骤都对电动汽车用户的充换电体验质量有着重要影响。我国电动汽车充换电基础设施的现有标准主要对充换电设备、充电接口及通信协议、充电计量装置、充换电站等方面进行了统一规定，基本确保了电动汽车用户在进行步骤2～步骤4时的体验质量。而就整个充换电流程而言，步骤1中充换电位置的选择以及步骤4中的支付方面均存在标准缺失问题。

具体而言，未来还需要通过制定相关标准，以解决电动汽车用户在目前实际操作中遇到的如下问题，并使其充换电体验质量得以提高。

（1）用户常遇到充换电设备的工作模式、适用车辆类型与用户车辆不符，或者设备提示正处于故障状态等情况。如果用户能预先知道各个位置充换电设备的工作模式、适用车型、故障信息等，从而用户能够根据自身车辆状态和充换电设备状态合理选择使用某个位置的充换电设备，这必然会给用户带来更加良好的充换电体验。

（2）由于大部分充电设施均存在无人值守、运营维护不到位、充电桩通信协议标准不够细化、不同汽车厂制定的通信协议互操作性差等问题，导致用户常遇到充电桩无法使用、车桩不兼容等情况，进一步降低了现有充换电设施的利用率。未来标准若能够在直流充电桩通信协议的一致性、互操作性等方面进行更加详细的规定，则可避免因通信协议不匹配而造成无法充电的情况，从而全面保障直流充电桩的兼容性，提高用户的充换电体验质量。

（3）我国充换电服务运营商大都采用相对独立的支付平台，用户所购置的充换电卡在各支付平台之间无法通用，这导致用户的充换电支付过程非常不便。未来如果能够通过标准建立统一的充换电支付清算方式，使电动汽车用户可实现一卡通用，必然能够进一步提高用户的充换电体验质量。

（4）充换电设施存在较为严重的利用不均衡现象，某些地区的充换电站用户经常需要长时间排队等候，而某些地区充换电站内的充换电设备则长期处于闲置状态。未来标准若在充换电站选址、规模设计等方面提供更加详细的建设规划指导，充分结合考虑当地电动汽车保有量的变化趋势和车辆的充电需求，必然能够在避免资源浪费的同时确保充换电设施的均衡、充分利用，从而进一步使电动汽车用户获得更好的充换电体验。

4 充换电基础设施标准发展建议

针对实际中电动汽车用户的充换电服务需求，从提高用户充换电体验质量的角度出发，对我国未来充换电基础设施标准的制修订提出以下几点建议。

（1）为了使电动汽车用户提前获取充换电设备的状态信息，建议统一规定充换电设备必须配置监控终端，且使其具备统一的数据采集方式和数据发送功能。该终端要求能够采集充换电设备的属性信息（包括设备的IP地址或地理位置、额定充电电压和电流等）和工作状态信息（包括设备故障信息、预约信息、充电剩余时间等），同时可按统一的格式和通讯方式将采集到的数据信息进行传输发送，以便有充换电需求的电动汽车用户进行查询。

（2）为了保障直流充电桩的兼容性，对直流充电桩与电动汽车电池管理系统之间的通信协议进行更加细化的规定，在通信协议的一致性、互操作性、性能和鲁棒性等方面制定统一要求，并给出与之对应的协议一致性、协议互操作性、协议性能和协议鲁棒性测试方法，使生产厂商能够在充分统一的限制条件下进行产品开发，确保所有直流充电桩与电池管理系统之间通信的有效性和可靠性。

（3）为了方便用户支付，可为移动终端、IC卡等现有支付手段制定统一的支付清算系统，规定存储于移动终端或IC卡内的用户信息必须格式统一，使所有运营商均可进行数据读取；规定用户通过移动终端或IC卡发送的支付授权信息格式也必须统一，使所有运营商都能够接收，从而确保电动汽车用户可在不同运营商的充换电站实现支付终端或IC卡的通用；规定各运营商之间的清算方式、清算周期以及清算申请指令等清算业务的统一要求，确保支付清算系统的运行效率和运营商的合法收益。

（4）为了确保充换电设施的均衡利用和充分利用，可以根据当地电动汽车的保有量和运行特征，建立标准用于描述区域电动汽车充电需求和时空分布的标准化指标体系；根据充换电站的设备数量和区域分布，建立能够描述充换电站规模和布局的标准化指标体系；根据电动汽车充电需求和时空分布指标，建立标准规定充换电站规模和布局指标必须达到的条件，以确保充换电站的规模、布局与电动汽车的充电需求相对应，保障设施得以充分、均衡地利用。

5 结语

综上可知，我国电动汽车充换电基础设施现有标准的相关规定，已经为确保电动汽车用户良好的充换电体验质量奠定了基础。未来应围绕充换电设备的监控终端、直流充电桩的兼容性、统一支付清算、充换电站建设规划等方面，加快开展我国电动汽车充换电基础设施标准的制修订工作，从而在源头上尽可能地消除电动汽车用户体验的不良影响因素，进一步确保和提升电动汽车用户的充换电体验质量，促进我国电动汽车顺利实现大规模的推广与应用。

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Status and Development Proposals of Standards about Electric Vehicle Charging/Battery Swap Infrastructure in China

LIU Wen-feng,ZHU Cong,LI Bin,ZHANG Mo
(Research Institute of Highway Ministry of Transport,Beijing 100088,China)

In order to reasonably develop and revise the standards about charging/battery swap infrastructure of China in the future,and further promote the realization of the popularization and application target of electric vehicle,the existing standards about charging/battery swap infrastructure of China were studied.Firstly,some international standards about the charging/battery swap infrastructure were summarized,and some relative standards of China were introduced including the main national standards,industrial standards,provincial standards and company standards.Secondly,the provisions on charging/ battery swap equipment,charging coupler and communication protocols,electric energy metering equipment,charging/battery swap station in the existing standards of China were separately discussed,and the importance of the provisions for ensuring the experience quality of electric vehicle user was demonstrat-ed.Thirdly,according to the whole procedure of charging/battery swap of electric vehicle user,the service requirements existing in practical charging/battery swap for user were analyzed.Finally,the development proposals for future standards on charging/battery swap infrastructure were provided based on the service requirements.The research results indicate that the usability and operability of charging/battery swap equipment,the universality of DC(Direct Current)charging spot,the accuracy of metering device and the operation safety of charging/battery swap station can be basically ensured by existing standards of China,and standards about the status inquiry of charging equipment,the compatibility of DC charging spot,the uniform payment,the scale and layout of charging/battery swap station should be developed in the future,for improving the experience quality of users and further promoting the application of electric vehicles.

electric vehicle;charging/battery swap infrastructure;standard;experience quality of user;service requirement

U469.72

A

2095-9931（2015）06-0001-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.06.001

2015-08-14

交通运输部软科学研究项目（2015-312-223-070）

刘文峰（1978—），男，陕西西安人，副研究员，硕士，研究方向为新能源汽车在交通运输行业的应用推广。E-mail:zhucong@itsc.cn。