电动汽车无线充电系统 通用要求编制说明DOC.docx
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电动汽车无线充电系统 通用要求编制说明DOC.docx
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电动汽车无线充电系统通用要求编制说明DOC
GB/TXXXX《电动汽车无线充电系统通用要求》编制说明
一、工作简况,包括任务来源、主要工作过程、主要参加单位和工作组成员及其所做的工作等
1任务来源
根据国务院办公厅《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》,充电基础设施是指为电动汽车提供电能补给的各类充换电设施,是新型的城市基础设施,大力推进充电基础设施建设,有利于解决电动汽车充电难题,是发展新能源汽车产业的重要保障。
我国处于电动汽车无线充电技术研究、产品开发、应用推广3个方面的国际领先地位,但标准化落后,有必要尽快实现“有标准可依”。
我国已经进行电动汽车传导式充电和换电的标准化工作,无线充电作为向电动汽车提供能量的第三种方式,其标准化工作在我国还没有开展,这与我国的技术和产业领先地位不匹配。
2015年7月国家标准委下达“《电动汽车无线充电系统通用要求》等14项国家标准制修订计划”,《电动汽车无线充电系统通用要求》正式立项,计划编号20150675-T-339,本标准主管部门为工业和信息化部,归口单位为全国汽车标准化技术委员会。
2工作过程
(1)标准启动会
2015年12月16日,电动汽车无线充电标准化联合工作组第一次工作会议暨项目组启动会在成都新华国际酒店举行,来自中汽研、中电联、中兴通讯、中兴新能源、比亚迪、北汽、上汽、国家电网、许继集团、戴姆勒奔驰、宝马中国、东南大学等约50余家单位的专家参加了本次会议,会上中汽研与中电联介绍了联合工作组成立情况和电动汽车无线充电技术及应用情况,以及当前国际电动汽车无线充电标准化IEC、SAE、ISO进展情况。
与会专家对《GBTXXXX电动汽车无线充电系统通用要求(草案)》进行了研讨。
从标准范围、规范性引用文件、术语定义、互操作性、系统总体要求、通讯、电击防护、无线充电系统特定要求、电力电缆组件要求、结构要求、材料和部件强度、服务和测试条件、电磁兼容性、标记和说明等层面对标准架构进行了分析讨论,基本肯定了标准结构,同时对标准草案中的技术内容进行了初步审查,提出了不同类型的意见60余条。
本次会议与会专家亦对电动汽车无线充电标准体系进行了初步研讨,初步达成体系框架为:
通用要求、通信协议、磁耦合无线电能传输、接口、安全、管理系统、电能计量(修订有线)、地面设备、车载设备、充电站(修订有线)、测试要求。
(2)标准讨论会
2016年7月28日,《电动汽车无线充电系统通用要求》国家标准项目组第二次会议在银川召开,来自中汽研、北汽、上汽、庞巴迪、普天新能源、宝马、沃尔沃、日产、奥迪、戴姆勒、同济大学、天津工大、上汽大众、北理工、合肥工大、长安新能源、中兴通讯、中兴新能源等40余家单位的行业专家参加研讨。
会议主要内容:
a,明确工作组、项目组构成:
中电联和中汽研联合讨论标准框架(工作组)、中汽研负责标准的具体制定(项目组)b,国际标准进展情况:
-IEC61980-1电动汽车无线充电系统—第一部分:
通用要求(2015年已经发布);
-IEC61980-2电动汽车无线充电系统—第二部分:
电动汽车与无线充电系统之间通信要求(草案);
-IEC61980-3电动汽车无线充电系统—第三部分:
磁场无线充电技术要求(草案,预计2017年1月份发布)。
-ISOPAS19363电驱动道路车辆-磁场无线充电-安全和互操作性要求。
(草案)-SAEJ2954轻型混合动力以及纯电动汽车无线充电技术和测试方法(已经发布为技
术信息报告)
c,无线充电国家标准体系的目标:
对系统提出基本的性能要求:
效率、XYZ方向的操作范围、EMI/EMC,人体安全建立操作的边界:
工作频率、功率等级、离地间隙
建立通信协议
建立测试规程评价符合性建立互操作性要求(核心)d,无线充电国家标准体系规划
本次会议在成都启动会议的基础上对电动汽车无线充电系统国家标准体系进行了进一步优化,结合IEC、ISO以及中汽研与中电联的分工,工作组对无线充电国家标准体系规划如下:
即从总则、车辆端、地面端三个层面对标准制定形成新的规划。
其中总则涵盖:
2
通用要求、通信协议、电磁辐射、电磁兼容、管理与运营等;车辆端涵盖:
互操作性要求等;地面端涵盖:
特殊要求等。
与会专家对该标准体系进行了热烈讨论,基本认同工作组的标准体系规划。
e,国家标准《电动汽车无线充电系统通用要求》工作组研讨:
与会专家对《电动汽车无线充电系统通用要求》从标准的范围、规范性引用文件、
术语定义、技术要求等层面进行了逐条研讨、审查,现场提出修改意见约70余条。
项目组成员针对意见,做了解释和说明,对于不能现场解决的问题,做了认真记录,在会后结合已有国家标准及无线充电技术情况进行充分修正。
2016年10月25日,在中国汽车技术研究中心标准化委员会的召集下,《电动汽车无线充电系统通用要求》国家标准项目组第三次会议在重庆召开,来自中汽研、中兴通讯、北汽、上汽、长安新能源、Witricity、万安科技、庞巴迪、宝马、沃尔沃、日产、奥迪、戴姆勒、同济大学、北理工、中兴新能源等30余家单位的行业专家参加研讨。
本次会议针对银川会议形成的《电动汽车无线充电系统通用要求》标准草案,从范围、规范性应用文件、术语定义、技术要求、测试要求等层面进行了逐条研讨、审查,会议现场提出修改意见50余条。
在会上和会后,工作组广泛接纳来自各个企业和研究机构提出的宝贵意见,结合目前技术、行业发展现状,按照国家标准编制的要求,修改了多方面的技术参数,保证了标准科学性、适用性、先进性,最终形成国家标准的征求意见稿。
二、标准编制原则和主要内容(如技术指标、参数、公式、性能要求、试验方法、检验规则等)的论据,解决的主要问题,修订标准时应列出与原标准的主要差异和水平对比
1编制原则
a,标准编写按照GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分:
标准的结构和编写》的要求进行。
b,标准在编制过程中,既密切关注国际先进技术和相关标准动态,又充分结合我国电动汽车发展实际情况。
c,标准结构合理,条理清晰,内容完整,可操作性强,语言表达准确、精炼,无语法、逻辑和文字错误。
2内容说明
本标准规定了电动汽车无线充电系统的通用要求。
标准框架主要参考IEC61980-1的
3
部分,充分结合我国电动汽车发展实际情况,如无线充电系统的输入部分(即电网状况)、输出部分(即电动汽车状况),在部分条款上做出了相应的、符合我国现状、应用和未来发展的差异化处理。
无线充电系统作为一类充电桩,本标准中在与有线充电桩具有共性技术方面,与有线充电桩作兼容化处理,与其它民用电气设备具有共性性能及测试等,参考或引用其它相关标准。
在无线充电系统技术路线及实现方面,尽量与国际标准保持了一致性。
以下为本标准内容的详细说明。
(1)关于标准的适用范围
本标准规定了电动汽车无线充电系统的测量原则、互操作性要求、电气安全等级要求、基本通信要求、基本对位要求、安装连接要求、电气连接与绝缘特性及等。
本标准适用于交流标称电压最大值为1000V、直流标称电压最大值为1500V的静态磁耦合电动汽车无线充电系统。
其中,需强调的是,本标准适用的无线充电系统为静态、磁耦合方式系统。
a,动态无线充电系统的技术尚不成熟,处于实验室及少数试点验证阶段,如高成本、
稳定性、变功率、鲁棒性、低效率、切换与车速匹配等关键技术尚处于研究阶段,近年来未呈现可产业化趋势。
此外,动态无线充电的技术路线和关键指标与静态无线充电差异化较大,如动态无线充电技术的效率目前难以达到静态无线充电水平、互操作性要求、EMF限制及测试方法等。
静态和动态无线充电系统的示意图如下所示。
两者的系统架构及模块组成基本一致,仅原边设备的模式不同。
然而,如上所述,两种系统的能量变换装置技术路线及关键性能等差异性较大。
因此,本标准不适用于动态无线充电系统。
EV
车载电气
能量变换
车载设备
装置
设备
能量
电
电池包
变换
网
装置
高频交变磁场
原边设备
a静态无线充电系统
4
车速V
EV
能量变换装
车载设备
车载电
置
气设备
能量
电
电池包
变换
网
装置
路面
能量发射导轨
b动态无线充电系统(单段导轨)图1动、静态无线充电系统示意图
b,对于无线充电方式,目前已经得到验证可实现的包括磁场无线充电、电场无线充电、微波无线充电、超声波无线充电、激光无线充电等,以上各类无线充电各具优缺点,适用于与之相匹配的应用场合。
无线充电在电动汽车领域的应用,具有高效率、大功率的基本需求,对无线传能距离要求及功率控制的精确性需求不是过高,因此,根据目前各项技术的性能特质和技术成熟度,磁场方式的无线充电更加适用于电动汽车应用场合。
而磁场方式无线充电技术,各界对“磁感应方式”及“磁共振方式”存在一定的分歧,因此,根据磁场传能的原副边线圈“耦合”特性以及公认的定义,并通过会议研讨达成一致意见,本标准采用“磁耦合”作为磁场无线充电的定义。
本标准中对于“磁耦合”无线充电,仅关注和规定系统的性能指标、模块性能、安全及测试等方面,对具体的技术实现不做规定。
因此本标准中部分条款是仅针对“磁耦合”无线充电系统有效,后续版本中视产业和技术发展情况,将做相应的调整和修改。
c,关于规定内容界限的说明
如上所述,本标准从无线充电系统的角度,给出了安全、测试、使用环境及各模块性能等方面的框架性要求,对部分与电气电子设备通用的测试,参考现有的标准,给出了测试要求及测试方法。
而,对于无线充电系统的性能指标(如效率、偏移量、互操作性方案等)、系统特有的测试要求和方法(如效率、异物、EMF、EMC等)、通信协议具体内容等方面未作具体规定。
未作规定的内容将在其它标准中编制。
即,本标准仅规定了无线充电系统的框架及通用性问题。
5
(2)有关条款的说明
本标准的主要技术内容包括,无线充电系统的分类、互操作性、系统总体要求、通讯、电击防护、特殊要求、电力电缆组件要求、施工要求、材料和部件强度、服务和测试条件以及标记和说明。
具体说明如下。
第5章充电系统总体要求
本章给出了无线输电系统的端到端示意图,作为后续描述的基础;明确了无线输电的系统效率定义;给出了原边设备和副边设备之间的测量原则,包括,坐标系定义、停车方位、原副边偏移量、原边设备尺寸测量定义、原副边设备间距等;明确了原边设备的安装有地埋安装和地上安装两种方式;以及规定了原副边设备的结构要求。
a,关于图1电动汽车无线充电系统的原理示意图说明,图1如下所示。
电网
供电端
电动汽车
10
7
8
b
AC
a
DC
11
1
2
3
4
12
电池
5
6
无线电能传输系统
车载电气设备
效率测试点
10
7
8
b
13
AC
a
DC
11
12
1
2
3
4
电池
9
6
便携式无线电能传输系统
车载电气设备
图2无线充电系统框架示意图
该图框架出自IEC61980-1,但做出了相应的差异化处理。
此外,该原理图为目前无线充电系统的基本构成图形,框架上经过数次会议研讨并达成一致意见。
与IEC61980-1中内容的差异性主要体现在系统中增加了11、12两个点,即效率测试点,使得“效率”的概念更为直观且规范化。
此外,在无线充电系统中,提到效率,一
6
般分两类,一类是如图1所示的,从电网侧到系统DC输出侧的效率,另外一类是原边DC到副边DC的效率。
图1对无线充电系统的“效率”进行了规范化处理,即可认为是系统输出功率与输入功率之比,此外这两个测试点执行测试更为便捷。
另,该图形除了辅助阅读、理解之外,还具有较强的规范效应。
其一为规范电动汽车无线充电系统的两种方式,一类为固定无线电能传输系统,另一类为便携式无线电能传输系统,参考GB/T18487.1-2015,也有类似处理;其二为规范各个部件的电气连接方式及测试点,特别地,规范了效率的测试点。
因而,该图形放置于正文之中。
b,测量原则中坐标系的说明
在本标准中,关于坐标系的定义如图2所示,图2如下:
Z:
高度
Y:
垂直于
+Z
行驶方向
+Y
+X
(0,0,0)
参考点
X:
行驶方向
图3坐标系方向定义
该图规定了无线充电系统车辆在停车位中坐标轴的方向,同时规范了测试中涉及坐标x、y、z的记录。
该图出自ISO4130-1998,其坐标规定为行业内认可并沿用至今,ISO4130-1998中关于车辆的坐标系定义如下图所示。
对比上图,本标准中坐标系方向的定义与ISO保持一致。
另,为符合阅读习惯,X、Y轴的方向做相应的调整,但不影响实际测试/测量结果记录。
7
图4ISO4130规定的坐标系方向
c,关于停车方位的说明
本标准的图3对停车方位进行了引导,并规范了原边设备的安装位置。
图3如下所示:
+Y
定位器
原边
lx
参考点
(0,0,0)
+X
宽度
长度
图5原边设备安装示意图
需说明的是,图中的定位器并非规定具备无线充电功能的停车为必须安装,其安装规定参照其它的标准。
本标准中,定位器仅作为参考物用,用于说明,原边设备必须安装在
8
停车位后方。
该安装位置规定的原因有两点,首先,目前电动乘用车底盘中部基本布置了大量的电池,副边设备不可能安装在汽车的中部,相应的,原边设备不能安装在停车位中部;其次,若安装在停车位前方,存在多个无法解决的问题,如地面安装方式的原边设备可能影响低底盘车辆的通过及正常停车、处于视觉盲点易经常性被碾压等。
因而,本标准规定原边设备安装于停车位后方。
c,偏移量测试坐标系说明
本标准中图4为偏移量测试坐标系,与IEC61980-1-2015相同。
+Y
左
零点
-X
+X
原边
-Y偏移
副边
后
前
电动汽车
右
-X偏移
-Y
图6偏移量测试示意图
d,原边设备安装方式说明
本标准中对安装方式进行了规定,且图5、6对其中常用的两种安装方式进行了图示,如下图所示。
4
4
2
1
2
1
5
3
3
6
5
图7原边设备安装方式
9
以上两种方式分别为地埋安装、地上安装。
从施工难度和施工量的角度来看,其中地上安装更加适合现有的停车位改造,而地埋安装更加适合新建停车位。
故而标准中推荐了该两类的安装方式。
但是,目前电动汽车无线充电系统的车载设备不一定安装在车底盘,可能安装在车顶、车尾等部位,故而,本标准中也不限制其它的原边设备安装方式。
第6章分类
本章规定了无线充电系统的分类依据为两个因素,功率等级和环境状况。
功率等级按照输入功率的不同分为6级,环境状况按照地面设备的使用场景分为室内和室外。
具体需说明的内容如下。
从框架上来看,磁耦合方式的无线充电系统分类可分依据使用环境、功率等级、磁极、谐振补偿拓扑以及安装方式。
其中,前两个依据为本标准中规定的,可为所有方式无线充电系统所共有的分类方式。
后三个依据为磁耦合方式无线充电系统特有的或者是有相应的独特性,故而不在本标准中列举。
具体内容中,关于按照功率等级分类,标准中内容如下:
磁耦合电动汽车无线充电系统的功率等级分类如下。
MF-WPT1:
系统的输入功率P≤3.7kW;
MF-WPT2:
系统的输入功率3.7kW<P≤7.7kW;MF-WPT3:
系统的输入功率7.7kW<P≤22kW;MF-WPT4:
系统的输入功率22kW<P≤33kW;MF-WPT5:
系统的输入功率33kW<P≤66kW;MF-WPT6:
系统的输入功率﹥66kW。
按照功率等级,主要从两方面进行考量分类。
首先为充电对象,虽然标准中未直接规定,但是从目前的技术现状来看,MF-WPT1、2、3适用于电动乘用车的无线充电,MF-WPT4、5、6适用于中巴/大巴/特种车辆的无线充电;其次,考虑产业的发展,并综合考虑目前国际、国内有线充电的功率等级,尽量与有线充电的功率等级兼容。
需说明的是,标准中规定的6个功率段,均为功率范围,而非某一个功率点,即可认为,包含了所有的功率输入。
对于大于66kW的功率等级,由于目前行业内仅有少数厂家涉及,其产业化应用有待考察,故此版本标准中不作相应规定,但也不限制更大功率的无线充电系统应用。
另外,与IEC61980-1-2015中规定存在差异,11kW未作为功率分段点,列入分类。
具体说明及原因见本编制说明的第12部分。
10
第7章互操作性
本章规定了无线充电系统的互操作性要求,仅当互操作性正常建立时,地面设施才能向电动车辆进行安全且高效的无线充电。
a,关于互操作性概念的说明
本标准中,互操作性是指任意一个地面设备与任意一个车载设备建立能量链路及通信链路。
即可理解为,任意一辆具有无线充电功能及设备的电动汽车,停在任意一个具有无线充电功能及设备的充电位/停车位中,地面设备能够正常地对电动汽车进行无线充电,即为互操作。
b,关于互操作规定必要性的说明
首先,电动汽车无线充电系统自身存在较多的分类,如功率等级、传能距离、线圈类型及结构、工作频率、补偿拓扑等,对于不同模块/参数/拓扑的无线充电系统,需设置互操作性要求,只有满足了这些要求,地面设备才能够给电动汽车进行无线充电,否则将造成极大的电力资源浪费(无法保证效率)和安全隐患(鉴权、计费、电流承受能力、保护等);其次,在无线充电技术进入普及阶段之后,必然的会存在多个厂家的产品,而对于用户,将关心是否有合适的充电位为电动汽车进行无线充电,而不关心是哪个设备供应厂商的设备,为了杜绝充电位及无线充电桩的资源浪费,并提升用户体验,互操作性的规定是十分有必要的,且是产业是否能够发展至大规模化的关键因素之一。
c,互操作性一般要求的说明
本标准中,关于互操作性的一般要求规定如下:
地面设备和电动汽车满足以下条件时,为可互操作的:
功率等级符合表8的要求;
工作气隙相匹配;
相同的标称工作频率;磁耦合方式相匹配;电路拓扑结构相兼容;调谐(可选);
合理的系统效率及功率因数;并且符合,
-EMC和EMF要求;-地方法规和标准;
11
-防护要求;
-输电过程使用兼容的通信方式。
以上列举了地面设备能够给电动汽车充电时,无线充电系统应当满足的条件,且需同时满足以上所有条件。
主要从技术及法规的角度考虑互操作性,分别从系统性能指标、安全、通信及法规四个方面考虑,其中系统性能指标包括功率等级、工作气隙、频率、效率、功率因数、磁耦合方式、电路拓扑,安全包括EMC和EMF、防护要求,通信包括兼容的通信方式,法规包括地方法规和标准。
以上规定能够较全面的对互操作性进行规范,为互联互通提供坚实的基础。
d,功率等级互操作性
关于功率互操作性的要求及规定本标准中表8已详细表明,如下表所示。
表1功率等级互操作性
地面设备
MF-WPT
1
2
3
4
5
6
1
必须支持
建议支持(B)
A
A
A
A
2
建议支持(B)
必须支持
A
A
A
A
车载设备
3
A
A
必须支持
A
A
A
4
A
A
A
必须支持
A
A
5
A
A
A
A
必须支持
A
6
A
A
A
A
A
必须支持
注1:
A表示待定,待后续版本修订。
注2:
B表示建议设备商支持。
表中,对于不同等级的MF-WPT,地面设备必须支持想同功率段的车载设备,同理,车载设备也必须支持同功率段的地面设备。
而不同功率段之间地面设备和车载设备的支持状况,需通过性能及安全测试,同时也需要多家厂家提供不同类型的地面、车载设备进行测试。
这将是一个周期较长、工作量较大的工作,此外考虑目前的无线充电市场发展动态,不同功率段的无线充电系统互操作的必要性在近两年的行业发展中不会太突出,故而不同功率段的无线充电系统互操作性本版本不做规定,将在后续版本中进行完善。
MF-WPT1、MF-WPT2的地面设备和车载设备规定为相互“建议支持”,目前SAEJ2954
12
的测试组正在针对这两个功率等级的样品进行互操作性测试,从测试结构来看,不同厂家的样品基本能够满足互操作性要求,但是在效率指标和EMC等方面,在一定的系统参数状态和工作情况下,无法满足互操作性要求。
即可认为,MF-WPT1、MF-WPT2两个功率段能够实现互操作,但稳定性有待提升,故而本标准版本中规定为“建议支持”。
GB/T无线充电工作组将重点针对互操作性测试进行下一步的工作计划及执行,后续版本中将完善互操作性的相关具体要求。
e,系统效率的说明
本标准中,关于满足互操作性的系统效率要求如下所描述:
互操作性需要系统效率满足:
在额定工作点上,系统效率应不低于88%。
系统以额定功率输出时,在垂直方向和水平方向所有允许偏移条件下,系统效率应不低于85%。
其中,额定工作点的定义如下:
电动汽车无线充电系统的额定工作点应满足以下条件;
—系统以额定功率输出;
—原副边设备应处于对齐状态;
—工作气隙为厂商设定或说明的适宜位置。
首先需说明的是“额定工作点”,即要求测试效率时,需在额定功率输出的前提下进行。
与有线充电、UPS等其它供电设备不同,无线充电系统一定存在耦合机构及相应的补偿电路拓扑情况,且耦合机构的状况(线圈形状、结构参数、磁芯布局等)、补偿电路拓扑的差异化较大,难以做到统一及标准化。
也可认为,无线充电系统的效率不仅与功率输出值相关,即难以规定半载输出、30%负载输出状态下的效率值,由于无线充电系统自身的技术方案多样性,其适用条件及优劣势根据技术方案的不同而各异,导致非额定功率输出状态下规定效率的底线值意义不大,故而,本标准涉及的效率测试仅为额定功率输出状态下应满足的最低效率值。
其次需说明的是效率取值,不考虑互操作性的问题,即不考虑不同厂商产品、不同功率等级、不同线圈类型、不同电路拓扑这类正在测试及研发的问题,目前国内、外厂商的产品最高效率均能够达到90%以上,甚至更高。
且效率最高点一般在额定工作点附近能够达到,因此规定额定工作点的效率值为88%。
最大偏移状态下,根据系统的整体参数设计及控制方案设计,效率一般下降2%-3%,因而额定功率输出且偏移最大时,规定效率为不低于85%。
从与有线充电的角度来看,两类设备的工作对象完全一致,无线充电具有自身的优势,但不足之处也十分鲜明,其中效率即为最敏
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