電動車充電標準那麼多, 我應該從哪開始?
由於最近充電樁蠻熱門的, 想要了解充電樁的運作方式, 我就先從國際制定的標準開始. 沒想到, 面對那麼多電動車充電國際標準(IEC:國際標準化組織之一). 不要說讀, 連要從那份開始都不知道. 機緣巧合, 業界從事充電樁大廠前輩建議, 可以從IEC 61851–1:2017 (電動車輛充電系統標準)開始看.
充電樁就是電動車的充電設備, 做為提供電動車 電池電力的充電工具，如同汽油車的加油設備。針對不同款式電動車，需搭配不同充電樁規格.
所以就以這份起頭(說真的,不知道可以看幾份), 紀錄下看完這份的心得.
標準涵蓋範圍?
這份標準在說些什麼? 剛看的時候可能難定義這份標準涵蓋範圍與其他充電標準的分界在哪? 首先IEC 61851–1 是IEC61851系列第一部分, 這份標準是關於電動車（EV）對其充電系統的安全性、效率和相容性的指南。此部分涵蓋了有關與IEC 61851–1標準相關並構成其基礎的其他標準, 電動車充電領域的特定術語, 不同充電模式要求(交流充電樁, 直流充電樁), 電動車與充電站之間的通訊方式及要求, 充電過程中的安全, 控制參數條件, 環境影響考慮和測試方式等. 為電動車充電系統提供詳細的框架.
至於誰需要了解這份標準, 以涵蓋範圍來說, 充電樁製造商團隊(例如: 專案管理, 軟硬體工程師, 可靠度測試工程師, 安規工程師, 法規認證工程師等), 電動車研發團隊, 電動車基礎設施開發商及運營商, 政府安全和法規制訂官員等.
接下來, 我將所看到整個規範涵蓋範圍及需求重點摘錄出來.
1. 如何連接與充電
總共有三種充電的連接方式:
連接方式A: 這種連接方式是電纜永久固定在電動汽車, 插頭連接到市電供電網路.
連接方式B: 連接方式是電纜是分離的. 兩端分別連接到電動車和市電供電網路.
連接方式C: 這種連接方式是充電電纜永遠連接到市電供電網路, 另一端插頭充電時插到電動汽車上.
另外有四種充電模式如下：
充電模式1: 一條電纜連接市電供電網路(交流電)與電動汽車; 沒有保護裝置; 也沒有控制引導信號;在許多國家已經禁止.
充電模式2: 隨車附上電纜及插頭, 插上家用插座就可充電. 電纜插頭和電動汽車間上含有防電擊保護系統 (RCD: 在充電過程中提供保護機制), 控制引導訊號 (就是讓電動汽車和市電供電系統互相通知要開始充電). 可提供約8KW充電功率.
充電模式3: 在此模式,出現交流充電設備(此設備直接到市電供電網路), 有裝在牆上或落地式, 有控制引導訊號也有完整保護機制(例如: 漏電, 防電擊等), 並有雙向溝通在交流充電設備及電動汽車之間.在此模式下可提供約22 KW充電功率.
充電模式4: 模式4是電動汽車利用直流充電設備充電, 而直流充電設備連接到市電供電電網. 市電電網的交流電(AC)在直流充電設備內轉換成直流(DC). 有控制引導訊號也有完整保護機制, 並有雙向溝通在直流充電設備及電動汽車之間. 可提供大充電功率 > 150KW. 由於充電功率大, 通常架設於需要快速充電的地方，例如高速公路休息站.
2. 雙向溝通
電動汽車和充電樁之間要如何建立溝通, 這裡就要提到關鍵功能 “控制引導訊號” (Control Pilot, 簡稱CP), 如前所提到的CP是用來充電樁和電動汽車互相溝通的語言, CP可用來控制及監控充電樁和電動車之間的交互動作. 要產生CP訊號就需要電路, 所以此規範中也有提供CP電路設計的範例, 而CP訊號就利用此電路並使用PWM (Pulse Width Modulation: 脈衝寬度調製)的方法來控制充電過程並時時監測輸出的電壓, 電流做相對應的動作.
3. 安全第一
上面重點描述了充電樁的需求及工作原理, 但除了功能外, 如何保護使用者之安全也是重中之重, 在此標準中處處都提到從各個方面, 例如電路設計, 機構設計, 充電電纜設計等, 如何做到保護使用者及避免損害擴大當問題發生時, 以下列出關於安全之設計重點:
- 防塵防水設計: 避免灰塵, 水滲入, 造成短路, 斷路或人員觸電.
- 故障保護: 當充電樁故障時應有保護機制(例如:斷電器)以避免造成其他更大的損害.
- 保護導體設計: 利用電子元件設計, 用於安全引導故障電流，遠離用戶和敏感元件.
- 剩餘電流保護裝置 (RCDs): 監控電流的裝置，如遇不規則狀況即斷開電源，對防止觸電和火災風險至關重要.
- 通信電路的安全要求: 這些要求確保電動車和充電樁之間的通信線路（如前面提到的CP線路設計）安全。設計這些電路時，防止任何危險（如短路或過載).
- 隔離變壓器: 這一節涵蓋充電樁中隔離變壓器的使用。這些變壓器通過在電源與充電點之間提供隔離，增加了額外的安全層，從而減少觸電風險.
- 能源儲存與安全: 這節只有提到充電樁的供電電壓消失時的一些電路設計需求. 細節可參考IEC 60950–1.
4. 功能確認
為了確保上面所提到的安全性設計, 文件也有提到如何驗證在機構, 電氣設計, 充電電纜和電子元件之可靠度及穩定性，以下是測試重點跟目的:
- 材料耐久性: 測試評估抗磨損、抗腐蝕和耐老化的性能。可能包括暴露於各種環境條件下以模擬長期使用。
- 電氣安全: 包括對絕緣、接地以及承受電氣衝擊或短路的能力進行測試。
- 機構件強度: 包括對零件進行應力測試、振動測試和抗衝擊測試
- 環境抵抗力: 測試在極端溫度、濕度、灰塵和水分曝露下的操作能力.
- 操作測試: 在不同充電條件下評估性能，檢查一致性和可靠性.
- 充電電纜元件的過載保護: 除了充電樁本身, 設計時必須為所有預定的充電電纜導體提供過載保護，這種保護可以通過斷路器、保險絲或它們的組合來實現.
- 充電電纜的短路保護：電纜元件的短路電流保護電路設計. 以確保發生短路時不會造成安全上的問題.
5. 後記: 兼顧安全與穩定
這份標準對於電動車如何連接到充電樁, 充電樁提供哪些充電模式及雙方如何開始溝通及如何結束充電過程有完整的敘述. 並且處處都有提到最重要的”安全”問題, 從電路設計, 電氣保護, 機構設計, 材料在嚴苛的條件下的耐用性等. 使充電樁在不同的國家, 不同天氣環境可以有一樣的穩定輸出及安全地使用.
整個標準, 我的感想是看得到充電能力的進展及兼容於既有汽車的溝通機制(LIN protocol). 涉及到需要更嚴謹的要求時, 知道要看哪份相對應的標準. 但在這份標準裏(2017版), 還沒看到使用者介面, 有安全性顧慮時的警告或提醒及記錄每台車的資訊做安全性的儲存等, 是我接下來想要串連起來的.