面向未来的新一代电动汽车充电系统ChaoJi上

目前被国际上广泛接受的电动汽车直流充电技术一共有3种系统（分别为日本CHAdeMO充电系统，中国GB/T充电系统和欧美CCS充电系统）、四种接口（CCS充电系统由于欧美的交流接口的不同，分成了采用同样设计理念的CCS1和CCS2两种不同界面布置的交直流组合式接口），如图1所示。 

图1  国际主流的四种直流充电接口 

这些系统和接口均在2010-2012年期间完成设计定型，截止目前已经被国内外的主流汽车制造厂和充电设施运营和制造企业广泛地使用了近十年的时间。在这十年里，这些接口为世界上不同经济体的纯电动汽车产业的迅猛发展做出了不可磨灭的贡献，与此同时我们发现了这些系统和接口也不同程度地存在着这样或那样的问题和缺陷。主要表现在以下这些方面。 

1．结构设计缺陷

在充电插头的设计方面，由于对使用环境的估计不足，各种充电插头的设计方案都存在结构设计问题，其中CCS充电插头在机械强度上设计最弱，GB/T次之。在应用现场都出现不同程度的损坏情况（如图2所示），有的地方甚至出现带电导体完全暴露等极其危险的状况。 

图2  各种接口现场损坏情况举例 

在充电插头与插座的配合方面，以GB/T方案为例，由于国标中允许在1.9mm尺寸范围内自由晃动（如图3中绿色部分），导致在插入过程中容易产生接触晃动及偏斜等情况。 

图3  GB/T2015充电枪插入充电座间隙问题 

另外GB/T配合尺寸公差大，且无对插引导结构，当充电枪采用倾斜角度插拔或上下左右插拔时，充电枪的绝缘体孔口与充电插座孔位绝缘柱存在干涉，互插时会干涉磨损，同时充电时针孔也会呈一定角度进行对插，针孔连接电阻增大，这也加速了插孔损坏。图4是以CC2孔位配合为例。 

图4  CC2配合尺寸公差对充电产品结构的影响. 

以上配合及公差的问题造成了GB/T连接器在使用中，尤其是在充电电流较大时极易造成链接端子出现烧蚀（如图5所示），损坏率大大提高。图6为某连接器厂家统计的某批次充电插头现场使用时的温升数据，根据数据分析得出在电流较大的时候由于上述原因，充电连接器使用寿命非常短。 

图5  GB/T2015连接器烧蚀情况 

图6 某批次充电插头现场温升数据统计

另外，GB/T 2015充电连接器在结构设计中还有一个严重的设计缺陷，就是在电动汽车安全全球法规（EVS-GTR）中针对诸如充电连接器等高压部件，要求必须符合IPXXB的要求(如图7所示)。而GB/T 2015充电连接器的设计由于采用了12mm的主功率端子设计，无法通过图8标准量规的测试，从而也无法满足这一要求。这个缺陷也使得在IEC标准中将整个中国直流充电方案排除在欧洲标准之外（如图9所示），导致中国汽车出口到欧洲，采用或参考欧盟标准的国家和地区均事实上难以使用GB/T直流充电标准，而只能使用欧美CCS充电系统或者日本CHAdeMO充电系统。 

图7 电动汽车安全全球法规 (EVS)-2018 

图8 IPXXB标准量规 

图9  IEC 61851-23 ed1 中国直流充电方案排除在欧洲标准之外 

GB/T充电连接器的电子锁设计参考了日本CHAdeMO充电系统的设计理念，将电子锁设计在了充电插头端，但其具体结构设计又相对过于简单，锁止动作不可靠，经常会出现锁不上或拔不下的问题，同时采用了电子锁复用机械锁止结构的设计，导致无论机械锁还是电子锁只要有一个失效，整个锁止系统就会失效。 

图10  GB/T充电连接器的电子锁示意图

2．电气连接及系统安全缺陷 

GB/T和CCS充电系统采用了类似的导引电路设计，如图11，12，13所示，在桩和车的两侧分别有电源U1和U2。这两个电源在正常工作时互相没有影响，但当PE在某些特定的地方断开时，就会形成一个回路，导致PE中断时车桩双方都无法检测，这带来了很大的安全隐患。CHAdeMO充电系统由于其PE采用了直径仅1.5mm的信号地设计，造成其在充电时，尤其是在干扰较大的大功率充电场合，通信信号受到较为严重的干扰。这些问题采用原有的导引电路和结构设计均无法很好地解决。

图11  CCS1控制导引电路图

图12  CCS2控制导引电路图 

图13 GB/T控制导引电路图 

此外，在欧美、日本和中国目前使用的充电标准中，针对安全的一系列诸如Y电容、最大短路电路、人体PE、绝缘检测时间等与充电安全相关的问题，或未定义或要求过于宽泛，这些问题都需要建立一个统一的安全模型，通过软硬件的改进提升和明确技术要求来解决。 

3．兼容性设计缺失，系统的可扩充能力低 

如上文所述，目前国际上广泛使用的三个充电系统四种直流充电接口均为2010年前后设计，当时要解决的首要问题就是能不能充电以应对即将到来的汽车电动化时代。因此几乎所有的系统除基本的充电功能以外均没有考虑对其他功能的适用性。在系统的硬件和软件设计上都没有考虑完善的向后兼容性。随着新能源汽车产业的迅猛发展，各种各样的诸如PnC、V2X、大功率充电等不同的应用诉求层出不穷。一个接口系统如果没有良好的兼容性设计，在为了满足新增功能的需求或修正原系统的错误而推出新的系统后，就会出现新老系统的兼容性问题，这个现象在GB/T2011充电系统升级到GB/T2015充电系统的过程中已经表现得非常明显：当时由于GB/T充电系统在软硬件两方面均未考虑完善的兼容性设计，造成在相当长一段时间内新老系统难以互用，甚至带来安全问题。幸运的是，当时采用GB/T2011充电系统和设备数量较少，所以问题显得不是很突出。但如果今后要对数量巨大的GB/T2015充电系统进行升级，只是简单地增加功能，不做完善的兼容性设计会给未来的发展造成巨大的混乱，大大降低系统的安全性和可用性。