倪峰 《国内外兆瓦级充电(MCS)技术标准概况》

发布日期:2023-09-18

核心提示:今天下午主要带来的是国内外兆瓦级重型交通的标准化和技术发展的情况。大概分三个部分: 1、背景概况2、国外技术级标准化现状3、
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今天下午主要带来的是国内外兆瓦级重型交通的标准化和技术发展的情况。
    大概分三个部分:
    1、背景概况
    2、国外技术级标准化现状
    3、国内技术现状

    首先,大家知道前些年电动汽车的发展,不管是国内还是国外,大量的力量都集中在商用车再到乘用车的环节。前两年开始,重型交通在各个国家都提到议事日程上来。这些车的绝对数量比较少,但是充电量、能耗非常大。在很多国家,像美国、欧盟,包括中国也有非常大的分量,所以重型交通的电动化在各个国家提到议事日程上来,而且这两年的发展速度也比较快。
    各个国家为了这个产业的发展,也出台了很多政策,有些国家也非常激进,2023年、2040年前,希望把重型交通的车辆逐步向电动化走。另外一条技术是氢,现在来看,电动的发展速度要高于氢的发展速度。
    中国也是差不多的情况,网上都可以找到数据,这两年在很多地方以矿卡,包括重型交通的车辆,都在逐步做电动化的替代。带来的问题是怎么给这些大家伙解决能量交换的问题。
    现在国内外有两条主要的技术路线,一个是充电,一个是换电。中国目前为止还是以换电更多一些,但是国外基本上已经放弃了换电这条线路,已经完全走在了充电的路上来。
    图中显示了重型交通的特点,这些数据是欧盟的数据,交通法规相对来讲比较完善,中国现在也跟上去了,比较完善,它对司机车辆的驾驶和行驶时间的要求都很高。一般来说,一个运行周期中间有一个强制休息时间,这个时间可以作为能量补充的时间。这是欧美国家设计兆瓦级充电(MCS)的基本模型。
    现在国外主要有两个联盟在做这方面的工作,一个是CHARIN,集中了欧美的一些汽车企业,加上部分零部件厂家,组成的充电联盟,它的目的是推动CCS,他们专门成立了一个兆瓦级的充电工作组在做兆瓦级的充电定义。他们的目标是希望达到3000安培的充电电流,电压在1250V。与此同时,CHAdeMO跟中国的ChaoJi在做一些联合,CHAdeMO在做CHAdeMO 4.0,我们也在做UItra-ChaoJi。这两个实际上是一个东西,我们在同步做一个发展。
    CHARIN包括欧美这些主要车企,现在ISO/IEC推一些相关的标准,前期是ISO17409,IEC这边是62196-3。这个是定义了现在用的这些所谓CCS定义的标准数。在MCS阶段,ISO这边5474,IEC这边是63379,定义了大功率和超大功率连接器的标准。在IEC里面还有-2-23,是定义了大功率和超大功率充电系统的电器部分的。
    整个路线图,这一系列标准希望总体在2025年以前能够完成,现在这几个标准进展速度还是非常快的。今年8月份、9月份在美国会召开IEC TS 63379,包括MT8里面连接器和充电系统的标准。目前来说,基本上都进入了CD,有的已经接近DTS这个阶段。总体来讲,时间并没有落后,完全是按照这张表在走,有可能会提前。
    这个是CHARIN目前推出的方案,这是一个倒三角的设计,上面两个大的是功率端子,它的直径大概是20,为了适应IP防护等级的要求,也做了相应特殊的设计。目前我们得到的数据,他们在实车测试里面已经突破了一个兆瓦,充电电流大概在1000安培到1200安培左右,在实验室已经完成了3000安培的实验。
    这个连接器已经和CCS完全不一样了,重新做了一个新的连接器,但是它使用通信协议和控制时序和CCS的区别不大。
    在做大功率和超大功率设计的时候,有很多东西和现在用的普通直流充电有很大区别。主要表现是因为电池大了很多,电池短路容量会增大相当多,包括Y电容的设计、瞬时冲击、保护导体选择,这些都和原来的系统有一定的差异,在这些标准中也在讨论如何解决这些问题,其实现在很多问题还没有最后确定下来,但都有了一些备选方案。
 
    关于控制导引这块,MCS当时参考了ChaoJi的设计理念,在原来的CCS系统的基础上做了改进,但是基本上采取了一些包括硬节点控制、系统识别部分,也做了一些和ChaoJi非常相似的设计。
通信这边,原来CCS系统用的PLC GreenPHY,但是PLC GreenPHY在实际使用中遇到很多问题,他们存在很大的争议是到底要不要换掉它,但是倾向于使用Dif PLC,它还是PLC,但是在物理层上尤其是抗串扰有较大的提升。同时这个方案留下了一些预留设计,在未来可以升级到双线以太网,这点和ChaoJi的设计也是一样的,我们希望通讯上面最终是走到以太网。
    国内现在主要以ChaoJi为基础,做了一个UItra-ChaoJi的方案。图上显示的是我们最初提出的两个设计方案,左边是中国提的,右边是日本提的,后来经过一些讨论以后,目前暂定的是按中国这个方案走,也就是说两根额外的功率端指针放在下部。
    整个设计还考虑一些其他的问题,因为这个设计是使用两对功率端子并行的方式,并行的时候是存在一些问题的,在试验中也发现了,它怎么去平衡两对的问题。当一对出现问题的时候,另外一对该怎么反应,在控制和设计上面都会产生一些不确定因素。我们把这个作为整体UItra-ChaoJi的方案1。
    与此同时,我们也在考虑UItra-ChaoJi的方案2,方案2上半部还是ChaoJi的设计,保证向前兼容的能力。另外下半部是使用了类似于MCS大功率端子设计,去解决载流的问题。这两个方案还在评估中,各有长处。第一个方案整体结构比较紧凑,也相对比较灵活一些;第二个方案在功率的传输能力上可能优于第一个方案。根据现在的实验情况,这个方案可以和MCS持平,能达到3000安培左右。
    这种设计还要考虑一个问题,这是我们和MCS不一样的地方。MCS是重新设计了一套东西,它只是在通信协议上和CCS兼容,但是和原来的CCS的充电是不兼容的,它没法互通。我们这个设计考虑到了有些车辆在一些特殊的场地就使用UItra-ChaoJi,可以达到兆瓦级以上的功率,也可以到城市的充电站去做补电的操作。这时候,我们希望它能够使用300个千瓦、500个千瓦的普通的ChaoJi接口,我们在上面做了一些专门设计。因为这两种系统理论来讲,你必须要做一些兼容性的设计,否则这两套系统会产生冲突,我们允许你去选择车辆只能用大功率的Ultra-ChaoJi还是两种ChaoJi和Ultra ChaoJi都能用,所以中间做了特殊设计。
    这是方案2做的设计,它相对比较简单,因为物理形状有比较大的区别。我们可以在大功率的时候用上面的这两个端子,超大功率的时候可以用下面的两个端子,可以比较轻松地解决前面的两个问题。
 
    在其他方面,基本上我们的导引也好、通信协议也好,全是按照ChaoJi的,ChaoJi在做的时候已经考虑到未来怎么向超大功率,包括向以太网去过渡,它都预留了设计,我们也沿用了设计,基本上这方面没有做大的改动。
    我们现在ChaoJi用的是CAN,是为了考虑兼容出发的,我们预留了接口,通过一个识别,我可以很容易切换到以太网上去,如果产业需要这个东西,我们就已经有了预留的空间。
    通信协议刚才已经说过了,基本是上照着现在马上要发布的最新的27930的架构去做的,只是我们针对超大功率的充电可能需要根据新的FDC做一些设计。
    在标准化方面,我们在IEC、ChaoJi和UItra-ChaoJi,现在同步和日本正在IEC TC69和SC23H里面,8月份我到美国开会,UItra-ChaoJi就会提到IEC 63379里面。同时,我们也会在TC69的MT5,在-23-3里面把这两个方案也要放进去。
    国家标准目前还没有启动,大家知道现在这几个国标由于种种原因一直没有发布,但是我们希望在发布以后就启动它的修订工作,把这个加进去。
    这些是我们在做的实验照片,跟大家分享一下。我们第一步做了热上面的实验,我们发现大功率跟超大功率尤其在热管理方面,很多地方是不一样的。在1000多个安培的电流情况下有很多表现,和原来差别是比较大的,需要做一些额外的设计。
    目前国家电网公司也立了一个科研项目,我们现在在内蒙有一个矿山矿卡在做改造,大概在今年年底希望把这个技术做一个样板示范出来,初期设计它的功率差不多1.2个兆瓦左右,这台车装了600度电,差不多就是2C左右的充电速率,去按照它的补电过程。

 
 
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