电动汽车充电系统分级与测试方法

马忆民

黑龙江省垦区工商行政管理局哈尔滨分局 黑龙江省哈尔滨市 150088

1 充电模式

一个完整的车用充电站系统，包含直接充电设备、配电设备、管理辅助设备等三个部分。直接充电设备将断路器（Breaker）及电路设计、充电插头加电线（Plug+Cable）、充电设备外壳、通讯模组、计价模组、智慧电表以及电力转换设备等整合在一起。而配电设备包含了系统变压器、高压保护设备、低压保护设备以及低压开关配电设备等电力保护控制装置。管理辅助设备包含电池模组管理系统、电池存储架构、软体控制系统等。其中直接充电设备是充电站的核心模组，占有充电站研发制造成本的50%左右。

充电站依照功能不同可分割为四个模组，即配电系统模组、充电系统模组、电池管理系统模组以及充电站监控系统模组，结合周边设备后可依照充电站设置需求适时调整。

本研究以美国电力研究所公告的对于充电器等级的定义，采用其中对于充电模式的解释和分类。一级充电模式使用标准125V交流电压供电，使用者可以直接使用常设的标准110V插座，或是搭配停车场提供的充电缆线，系统额定电流通常为15-20A（安培）。一级充电模式作为基础的充电架构，由于这种类型需要电路分布非常广泛，电动汽车厂商都会提供充电缆线以及配套的车载型充电装置，为车用电池模组补充电力。依照搭载不同容量的电池模组，一级充电模式受限于系统设计容纳的电流量，通常充电的时间约需要8个小时以上。

二级充电设计规格，通常被应用于私人住宅或公共设施，作为电动汽车供电设备的基本或优先配置。二级充电的系统指定电压涵盖220-240V的交流电，电源系统采用单相分支电路。以SAEJ1722标准为例，该认证的二级充电系统连接器，最高只能容许80A的交流电。然而目前采用大电流的交流电充电设备仍为少数，普遍额定交流电多以40A的交流电为主，系统允许最大电流为32A，功率约为7.7KW。

由于二级充电系统使用的电压较一级充电系统高，因此可以提供比一级充电系统更快的充电速度，协助电动车的车载电池模组进行更高效率的电能补充作业。因此美国电业法也规定，电动汽车用充电系统必须使用特别的设备，以提供较高的安全要求等级。而SAE也已经开始着手进行车辆制造商与电动汽车供电设备业者之间的系统整合，并对电动汽车相关执行标准化的工作。其中，标准化的充电系统耦合器（coupler），将可应用于EV或PHEV车型，对于一级和二级充电系统的耦合器以及电动汽车的充电插座来说，未来每一款车型使用的充电界面都相同。

三级充电就是直接使用高压直流电为电动车辆载具进行充电，由于充电耗用时间更短，所以又被称为快速充电。直流充电作为商业营运使用或公共场所配置的技术，其功能比较类似传统燃料补给的加油站，可以令电动车辆的电池模组经由这个系统快速充回电力。目前的直流充电技术已经可以做到10-15分钟之内完成电池60%以上的能量补充，30分钟能够到达80%。直流充电系统运作时，容许电流值普遍能到750A以上的大电流。因此三级充电模式通常使用固定式车外充电机或充电桩，先将市区供电网络的交流电转换成高压直流电，透过充电机和车辆之间的通讯协定与电池管理系统进行沟通后，确认系统安全无误才将高压电流传输至车载电池模组中存储。

2 充电技术

目前较为成熟的电动汽车充电技术以感应式充电和传导式充电2种模式为主。上述两种充电模式全都可用于各种等级的充电系统，由于两种系统模式并不相容，因此电动汽车进行充电时，仅能选择其中一种充电模式进行运作。

传导式充电系统是指包含交流与直流电力输入的充电装置。由于充电过程牵涉到高压电流与大电流的传输，因此在人员防护与产品电器安全性能的要求，较一般家用电器标准要求来的更高。一般电动汽车传导式充电系统，通常具备两组电机与一组机械功能，经由电力网络提供的电能进行充电。此外，充电系统的连结界面为了完成充电程序必须具备以下几项功能：确认电动汽车与供电设备连结正确，完成接地保护与电流监控，系统电能供给与中断，充电额定能力选择通知，防止连结器意外脱落与避免车子的移动等功能。

目前，已经开发出具备能量化生产能力的感应式充电系统，就是以美国和日本为首的大型车用零组件系统供应商，例如美国的Delphi以及北欧瑞典的Volvo等车厂，都曾发布过类似的感应式充电技术。然而从现有各阶段充电系统来评估，现阶段制定的充电站标准仍然以传导式充电系统为主流，使大部分充电系统设备商向传统缆线充电的标准靠拢。

而感应式充电系统仍受限于电力允许传输能量不足，以及系统相关量化生产的技术尚不成熟的原因，多数充电系统设备制造商的一级与二级电动汽车用充电系统仍以传导式充电系统为主，经由两种充电模式在制造成本、电力传输效率、操作安全性等方面比较之后，本研究认为，在电动汽车推广的初级阶段，以电缆线作为能量传输途径的传导式充电系统仍占设备主导地位；而随着电动汽车逐渐普及市场，感应式充电系统的技术发展与设备需求量随着充电站市场对系统方便性需求，以及节约空间的诉求浮出水面后，将逐渐普及到电动汽车充电市场。

3 充电系统测试项目

3.1 电器安全类测试

此测试主要是针对充电系统设备以及电动车辆端，进行人员电击保护、端子接地阻抗、端子座强度、表面温度、沿面及空间距离、启断容量、绝缘电组、耐电压、耦合器耐温、连接器短路等测试项目。以充电设备电源端为例，应执行之电气安全测试如下表1所示。

3.2 机械安全类

充电系统为了避免人员使用充电设备时，因为操作失误引起的意外事故，必须订定相关标准或规范，确保充电系统周边设备具备足够安全的机械强度，避免因为不可预期的外力破坏而发生危险。机械安全测试，主要对充电系统设备的硬件架构，进行可靠性相关试验，例如机体的耐冲击、插拔力、耐插拔、耐震动、压毁、掉落及稳定性等测试。以充电设备电源端为例，需执行的机械安全测试如表2：

电动汽车充电系统运作时，如果采用大电流对车载电池模组进行快速充电，需要整体系统负荷巨大的电压与电流，会衍生出几个技术问题：充电界面是否过熟、电池模组能否接受快速充电而不会引起隔离膜穿刺，导致电池模组爆炸的危险等。为确保电动汽车的充电站系统设备使用的安全，必须通过一系列安全性测试，通过后才能进一步量化生产普及。因此，本文建议针对电动汽车充电系统设备，采用型式试验方式，从电器安全、机械安全这两个方面来进行测试。

表1 电源端电器安全类基础测试项目

表2 电源端机械安全类基础测试项目