基于新能源汽车出口的充电分析

张萌 李川 王朝晖 陈丽雪 李津

【摘  要】新一轮的科技革命和产业变革正在全球范圍内开展，电动汽车融合新能源、互联网、人工智能等多种变革型技术，以其智能化的体验获得了广泛市场。近年来，国际老牌车企在战略谋划、政策支持上纷纷向新能源汽车方向倾斜，已成为全球经济增长的重要发力点。为直面国家实现碳达峰、碳中和的重大战略目标，中国新能源汽车发展势头强劲，很多国内车企开始将目光转向国际市场。本文通过对欧美充电标准进行研究，将其与中国充电标准的不同点进行分析，同时对在实际充电测试中遇到的异常案例进行归纳，为出口车型研发提供参考建议。

【关键词】电动汽车;充电测试;欧美充电标准;国家充电标准

中图分类号：U469.72    文献标志码：A    文章编号：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

作者简介

张萌（1997—），女，助理工程师，硕士，主要从事电动汽车充电测试研究相关工作。

在国家政策的大力支持下，国内新能源汽车产业逐步具备了成熟的规模，同时在全球化的浪潮中，逐步向海外市场开拓。欧美充电标准体系结构与中国的充电标准存在很大差异，无法直接实现互联互通;标准内容复杂，理解困难。目前由于研发经验不足，测试过程中会存在很多的问题，极大地影响车辆的充电性能。本文从标准解读出发，通过对测试中出现的问题进行展示总结，为出口车型适配欧美市场提供参考思路。

1  新能源车出口发展现状

在新能源汽车做大做强的背景下，中国汽车出口增长势头极强。如中国汽车工业协会数据显示，20年前，中国整车出口仅2万辆，而2021年，中国汽车出口首次突破200万辆，世界排名第3，仅次于日本和德国，其中，新能源汽车出口达到31万辆，同比增长304.6%，实现了多年来一直徘徊在100万辆左右的突破。2022年全7个月出口150.9万辆，延续了2021年以来的增长态势，正日益逼近第一大汽车出口国——日本。2020—2022年汽车月度出口量比对如图1所示。

如图2、图3所示，发达国家正在成为中国汽车出口的重要目的地。麦肯锡大中华区汽车板块业务负责人管鸣宇曾提出[1]：“中国车企出海已经从1.0时代到了2.0时代”，出海1.0时代，中国车企专注于亚非拉等市场，主打性价比，“找到目标市场以后，更多通过简单的贸易路径，销售现有产品，短期行为偏多而缺少中长期的布局思考，计划性不强”，而2.0时代，中国车企将重心转向欧美发达国家，想和传统老牌车企争夺这片中高端市场。

在汽车行业和电子行业，欧美等国家各自都已经形成了独特的技术壁垒，中国品牌想要开拓海外市场，前路艰难。

2  国内外标准对比

国际充电相关标准的制定和颁布主要涉及以下3家组织：国际电工委员会（简称IEC）、国际标准化组织（ISO）、国际自动机工程师学会（SAE）。

IEC主要制定有IEC 61851系列标准，IEC 61851-1规定了电动汽车传导充电系统通用要求[2]，对充电桩设计提供了安全标准;IEC 61851-23标准是在IEC 61851-1基础上的补充，对直流充电系统在输出控制、精度要求、故障监测与响应等方面提出更为完善的要求。

SAE颁布的系列标准主要是通信协议方面，有SAE J2847和SAE J2953两个系列，SAE J2847对通信协议的基本要求进行了规定，SAE J2953提出了协议测试用例。SAE J2847相关标准与DIN 70121关联性十分强。

德国充电采用DIN SPEC 70121标准[3]，该标准规定了纯电动车辆（BEV）或插电式混合动力电动车辆（PHEV）与电动汽车供电设备（EVSE，也称为充电桩）之间特定的DC通信，DIN SPEC 70122是其对应的一致性测试的测试用例。

ISO 15118系列标准由ISO组织颁布制定，也同样对通信协议方面进行了限定。与DIN SPEC 70121只涉及直流充电不同，ISO 15118系列标准同样适用交流充电，整个体系层次结构更加清晰完整。

下一步，ISO将对15118-2进行升级，即将推出ISO/DIS 15118-20，新标准涵盖了无线充电、双向能量传输、自动连接充电的第2代网络和应用技术、数字通信，并且，此标准将TLS（Transport Layer Security）传输层信息安全作为强制性要求，为智能网联汽车发展健全安全保障体系提供了标准支撑。该标准仍在持续的更新发展之中，15118系列标准的发展脉络如图4所示。

DIN SPEC 70121与ISO 15118系列标准出自同源，均对车桩之间的PLC通信进行了规范化要求，但在通信分层模型、测试要求和测试用例上存在差异。在实际执行中，由于DIN SPEC 70121推出较早，使用该标准的电动车辆、充电桩市场占有率更高，而ISO 15118的整个充电标准发展脉络更为全面，因此目前在欧美市场中两种标准共存。

中国共颁布电动汽车充电标准30余项。GB/T 20234规定了电动汽车传导充电用插头、插座、车用车钩和车用插座;GB/T 18487规定了电动汽车传导充电系统分类[4]、通用要求等内容;GB/T 27930对车桩之间基于CAN通信的物理层、数据链路层及应用层的定义进行阐述[5]。这些标准为中国电动汽车生产和基础设施建设提供了技术支持，是电动汽车及其基础设施发展过程中的重要规范保障。

国内外充电标准差异，主要表现在充电接口、充电设计标准、充电控制方式等方面。

2.1  充电接口

充电接口方面，中国充电接口依据GB/T 20234.1—2015[6]、GB/T 20234.2—2015[7]、GB/T 20234.3—2015[8]进行，交直流接口独立存在;欧美国家充电接口设计依据美国的联合充电系统（Combined Charging System），即“CCS”标准进行，采用交直流一体化接口，其中美标采用type1接口，而欧标采用type2接口，两者之间也存在差异，如图5～图8所示。

2.2  充电通信协议

不同充电桩、不同车辆具有其自身的设备逻辑与数据，这就要求充电前充电桩与车辆需要获取双方充电相关的信息，充电过程中也要求车桩之间实时获得充电数据，实现充电最优化，故障情况下进行信息交互及时处理;同时，大规模电动车辆接入电网也会对电力系统造成一定的影响，需要进行合理控制，因此车-桩-电网之间的通信是必不可少的。

国标直流充电通信方面协议依据GB/T 27930，基于控制局域网进行通信，即CAN通信[9]，CAN是一种基于串行的现场总线通信协议，使用2根总线CAN_High、CAN_Low进行信号传输，CAN收发器依据2根总线的电位差判断总线电平，转化成二进制信号进行通信。CAN总线协议具有纠错能力强、可使用差分收发、实时性好、通信速率可达1Mb/s、抗干扰能力强、可适用于较远的传输距离等特点。在生产交流充电桩时未考虑通信的问题。

据前所述，欧美标直流充电通信协议有ISO15118、DIN70121两种，此两种标准均基于PLC进行通信，与国标存在很大的差异，PLC[10]（Power Line Communication，电力线通信技术）利用电力线传输数据和媒体信号，为实现电动汽车智能充电，需要动力电池管理系统（BMS）与充电桩、电力网络之间互联互通，而PLC由于不需要额外铺设线缆，与Internet互联性更好，可便捷传递更多信息，在电动汽车信息交互中得到很好的应用。在V2G的应用场景下，远程支付、免密支付、电网之间的调度，PLC通信都存在一定的优势[11]。

2.3  充电控制方式

国标直流充电总体流程如图9所示，其整个充电流程包括以下6个阶段。充电流程通过车桩之间发送CAN报文进行信息交互。

欧美标充电基于OSI服务约定（参照ISO 10731）中所述的约定，分为7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示層、应用层。图10所示为符合DIN SPEC 70121要求的DC充电通信栈。基于层之间的交互进行通信，完成充电控制。同时，充电中增加EVCC（Electrical Vehicle Communication Controller）电动汽车通信控制器、SECC（Supply Equipment Communication Controller）充电设备通信控制器。高级通信（数字通信）中对EVCC和SECC均进行标准要求。

3  欧美标充电测试常见问题

基于国内外电动汽车充电的差异，为适配欧美市场，国内常用的方案为在原有充电架构基础上，增加通信转化模块EVCC。BMS与EVCC之间仍以CAN通信方式进行交互，而EVCC与充电桩之间的交互主要是通过PLC通信进行[12]。

由于欧美充电体系复杂，标准内容多，在理解方面容易出现疏漏，同时由于采用PLC的通信方式，交互需要EVCC进行转化，因此通信协议是研发测试中比较容易出现问题的方面，进而影响兼容性[13]。

3.1  超时问题

DIN SPEC 70121采用OSI 7层结构，对于各个通信协议层之间的接口提出更精确的定义计时要求。如图11所示，对V2G通信报文交换的监测是基于两种类型的计时器：①Message Timer（Msg），用于监测请求报文与对应的响应报文的交换（请求-响应-对）;②Sequecnce Timer （Sequence）：监测响应-请求报文序列。

同时又将计时要求分为Timeout超时计时器和Performance性能计时器，用于对EVCC、SECC各个报文序列、各阶段的时间进行精细化管理和限制，如图12所示。

在DIN 70122（DIN 70121所对应的一致性测试用例）测试中[14]，有大量的针对超时性能的测试，例如在DIN 70122的TC_EVCC_CMN_VTB_ContractAuthorization_007测试用例（图13）中，标准要求应在报文超时情况下断开TCP连接，而被测车辆未判断出超时，因此未进行超时错误处理。测试中车辆未对超时进行错误处理的案例如图14所示。

3.2  丢包问题

协议中对于特定报文发送的次数有明确规定，例如以下几种情况。

1）在SLAC过程中，GP站传输的M-Sounds数为10，DIN 70121中对于M-Sounds报文发送要求见图15。

在SLAC过程中，被测车辆只传输9条M-Sounds，测试中M-Sounds报文错误发送案例如图16所示。

2）在匹配过程中，标准要求相应报文等待重发次数为2，DIN 70121中C_EV_match_retry报文发送要求如图17所示。

如图18所示，实际测试过程中，在测试系统未正确响应报文情况下，被测车辆只重新发送1次前次报文。

出现丢包问题的常见原因有以下两种：①EVCC确实未发相应报文，对于标准问题理解有误，比如重发2次，一共应发3次;②EVCC超时发送报文，在检测阶段内充电桩未收到足够数量的报文，这类问题需要着重分析EVCC芯片性能。

3.3  并行测试判断逻辑错误

由于欧美充电采用PLC通信，需要进行SLAC阶段，通过判断衰减量确认线路连接情况，标准要求2条并行线路情况下需判断每条线路衰减量，正确的才可以判断为Match“匹配”，以便进行后续的充电操作。DIN 70121中衰减匹配要求如图19所示。

实际测试过程中，通过2条并行线路发送1个包含有效衰减值、1个包含无效衰减值的CM_ATTEN_CHAR.IND，验证车辆反应，如图20所示。错误现象为测试车辆对2条并行线路均发送确认报文进行后续的匹配，未判断每条线路衰减量，常见原因在于EVCC对衰减量不进行判断，只是单纯自动回复对应报文，这在实际应用场景中可能会导致在充电场站中，多台充电桩情况下车辆无法与正确充电桩匹配的情况。

3.4  填充错误

DIN 70122充电协议对于某些报文有特殊的填充要求：例如CM_MNBC_SOUND.IND的count为倒计数器，从9到0，如图21所示;被測车辆发送10条CM_MNBC_SOUND.IND，报文“count”部分内容从0到9，对于标准细节理解不到位也会造成车辆兼容性差的情况。

4  结论

碳中和已经成为大势所趋，这对中国新能源汽车实现弯道超车，走向全球市场十分利好，了解并抓住此项机遇将有利于后续的发展。本文对欧美充电标准和中国国家充电标准的不同进行了分析，详细列举了大量出口车型充电标准测试过程中出现的问题案例，为后续的研发提供参考建议，提高变更的适应性。

参考文献：

[1] 刘新，王建平，程尧，等. 纯电动汽车适配欧美市场充电解决方案[J]. 汽车电器，2022（3）：26-30.

[2] IEC 61851-1，Electric vehicle conductive charging system[S]. USA：International Electrotechnical commission，2017.

[3] DIN SPEC 70121，Electromobility-Digital communication between a d.c.EV charging station and an electric vehicle for control of d.c.charging in the Combined Charging System[S]. Germany：DE-DIN，2012.

[4] GBT 18487.1—2015，电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求[S]. 2015.

[5] GBT 27930—2015，电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议[S]. 2015.

[6] GBT 20234.1—2015，电动汽车传导充电用连接装置 第1部分：通用要求[S]. 2015.

[7] GBT 20234.2—2015，电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口[S]. 2015.

[8] GBT 20234.3—2015，电动汽车传导充电用连接装置 第3部分：直流充电接口[S]. 2015.

[9] 田希晖，张玘，张连超，等. CAN总线及其应用技术[J].微计算机信息，2002（9）：3-5.

[10] 孙晓达. PLC在电动汽车与充电桩控制通信系统中的应用[D]. 北京：华北电力大学，2014.

[11] 丁亚洲. 基于STM32的国欧标直流充电通信转换设备研究与开发[J]. 机电信息，2021（18）：1-4.

[12] 宋磊. 欧洲电动汽车充电标准浅析[J]. 仪器仪表标准化与计量，2019（6）：8-12.

[13] Wuwu Tang，Yuming Wu，Jian Qin. Comparative Study on Electric Vehicle Charging Standards at Home and Abroad[J]. Advanced Materials Research，2013：1553-1559.

[14] DIN SPEC 70122，Electromobility-Conformance tests for digital communication between a d.c. EV charging station and an electric vehicle for control of d.c. charging in the Combined Charging System[S]. Germany：DE-DIN，2018.

（编辑  凌  波）