电动汽车快速充电系列文章之二｜交流/直流充电以及标准和协议介绍

在电动汽车方面，用于充电的电缆和连接器通常被称为“充电器”。交流（AC）插座与专用硬件设备（通常称为“墙盒”），作为连接充电线和为车辆充电的接口，被称为“充电器”，这可能会引起混淆，因为如果“充电器”我们考虑的是发生电力转换的实际设备，那么上面讨论的元素就不是充电器。

在交流充电模式下，来自电网的交流电通过交流电插座或充电档口输送到汽车中。汽车将通过车载充电器（OBC）管理交流-直流电的转换——这里正确的名称是充电器，因为有电力转换--并向电池提供直流电压和电流。

另一方面，在直流充电模式下，交流 - 直流转换由车外充电器进行——我们再次谈及充电器。图5说明电动汽车的不同充电方式。由于车外的空间、重量和热量限制更为宽松，所以直流充电的额定功率有很大的范围。因此，直流充电的范围甚至低于11 kW，最高可达400 kW。

当然，这些范围内的使用情况可能非常不同。另一点值得注意的是，并不是所有的车辆都能接受高直流电力水平的充电。现在大多数已推出的车辆通常可以在直流模式下支持至少50 kW的速率。

图5. 交流充电和直流充电概念图

资料来源：Yolé Development

交流充电通常被称为“慢速充电”，这是因为它的功率限制（最高端通常为22 kW）和最短的必要充电时间。交流电的高功率范围（11-22 kW）有时可能被称为“高功率交流电充电”或“快速交流电充电”，但没有实际定义。

另一方面，那些额定功率为22 kW、甚至高达400 kW的直流充电器被认为是“快速”。“超快”一词也用于50 kW以上的功率，但没有实际明确的界限或定义。目前，最常见的直流电能范围在22-150 kW之间，功率在200-350 kW之间取得进展。快速和超快速的直流充电桩一般只在有三相电源连接到电网的专用区域公开提供。到目前为止，主要是在高速公路上的充电桩，可能会显示多个超快速充电器（每个>150 kW）。这种设施需要一个来自电网的专用高压变压器。

为了了解如今的充电时间，一个简单的计算可以让我们走得更远。考虑到一辆电池容量为60千瓦时的汽车（BEV现在释放的电池容量在30至120千瓦时之间）[10] 和一个100 kW的直流充电器，可以得出以下结果:

*1 在这个练算中，考虑的是完整的电池容量。可能有一些电动车会对全部 "有效 "容量构成限制。

*2 通用值，将取决于每辆车的特性。通常情况下，将在12-23 千瓦时/100公里之间。

必须考虑到，并非所有道路上的车辆都能支持高达100 kW的直流充电率，目前发布的车型之间的实际差异通常在50 kW以下和250 kW以上。同样，车辆的效率也存在明显的差异，以千瓦时/100公里的比率衡量。有可用的数据库[12]提供多种BEV的详细信息。此外，充电过程中的平均功率不等于汽车接受的峰值功率，因为随着电池充电状态（SOC）的提高，额定功率需要有上限。

在任何情况下，上述例子是有启发性的，并提供了一个与基于内燃机的车辆进行比较的标准。以100千瓦时的平均速度给我们的电动车充电，需要36分钟才能提供333公里的里程，或者大约10分钟才能提供100公里。对于传统的内燃机汽车来说，同样的运作需要三到五分钟才能完成充电。

有了这些数字，难怪市场正在迅速发展并推动更高的功率解决方案[在电动汽车供应设备（EVSE）方面和车辆方面] 。允许超过350 kW功率。

为了规范和标准化交流和直流充电技术，促进支持电动汽车的兼容EVSE生态系统的发展，已经制定了一些标准和IEC规范。这些设定的框架，尽可能的全球化，帮助协会和行业发展协议和EVSE。然而，这远远不是个微不足道的话题，因为来自不同机构的几个标准和实施方案在全球范围内并存。

采用自上而下的方法，讲出一些基本的标准（以及发布机构的总部所在地），如下：

如果我们研究借鉴这些标准的实际充电协议和生态系统，我们会发现三个全球扩展的直流充电实施方案：CHAdeMO（“charge de move”移动充电的缩写）、联合充电系统（CCS）和特斯拉超级充电桩。在中国，唯一的标准和实施的协议是GB/T，并且也是该地区独有的。

IEC 61851。国际电工委员会（IEC）已经制定了上一节中所列的几个标准。IEC61851指的是“电动汽车导电充电系统”，是IEC系列中电动汽车充电的核心部分，专注电动汽车导电充电系统的不同主题，包括分别达到1000 V和1500 V的交流和直流充电。该标准定义了四种不同的充电“模式”，其中前三种“模式”（1至3）指的是交流充电，“模式”4谈及直流充电。

IEC62196定义了“插头、电源插座、车辆连接器和车辆进气口”，IEC61980涉及“电动汽车无线电力传输（WPT）系统”。

ISO17409:2020是国际标准化组织（ISO）关于电动汽车充电的基础标准，是对上述IEC61851的专门补充。该文件涉及IEC61851-1中定义的充电“模式”2、3、4的 “电力驱动的道路车辆--导电电力传输——安全要求”。

图6. 阐释IEC-61851中定义的充电“模式”

模式4定义了直流充电。资料来源：菲尼克斯电气。SAEJ1772

在北美，管理标准是SAEJ1772（涵盖交流和直流充电）。该文件规定了在1000 V电压下提供高达400 kW的直流充电。与IEC-61851中的充电“模式”不同，SAEJ1772规定了充电“等级”并定义了以下内容。“交流1级”、“交流2级”、“直流1级”和“直流2级”（2017修订版）。

在此需要指出的是，“三级”充电仍然是一个未定义的术语，被广泛（和误导）用来指直流充电。已经有“交流3级”的实际项目（尽管从未完全开发）和“直流3级”已被讨论。在任何情况下，这些都是不同的概念，不能作为直流充电的同义词使用。

此外，不同地区和机构的标准可以交织在一起。SAEJ1772首先定义了用于交流充电的“SAEJ1772”连接器类型（命名为“SAEJ1772连接器”），主要用于北美地区。后来，IEC-62196采用了相同的连接器，并将其确定为IEC-62196 Type 1，与在欧洲用于交流充电的IEC-62196 Type 2连接器形成对比。由于IEC连接器（Type 1和Type 2）使用相同的SAEJ1772信号协议，汽车制造商在销售汽车时，要么使用SAEJ1772-2009进气口，要么使用IEC Type 2进气口，具体取决于市场。

正如上面所介绍的，有三种主要的充电协议在全球范围内扩展。

CHAdeMO - 该协会于2010年在日本成立，并制定了与之同名的电动车充电协议。该协议和组织由日本的主要汽车制造商和其他行业利益相关者支持和推动。日产、三菱、丰田、日立、本田和松下等等，其中也包括一些欧洲的参与者。

这些协议借鉴了所讨论的IEC6185-1、-23、-24和IEC62196标准，定义并使用专用连接器（图7）。这些协议的范围从CHAdeMO0.9到CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分别支持200 kW/500 V和400 kW/1000 V。CHAdeMO现在的目标是900 kW的充电器，与中国电力企业联合会（CEC）联合开发一个被称为“ChaoJi”的超高功率充电标准。这项合作还致力于成为第一个全球超快速充电器协议。2020年5月，CHAdeMO报告实现了全球安装32,000个快速充电器的目标，其中14,400个在欧洲。

图7. 快速直流充电器的连接器类型。特斯拉在北美和其他地区使用一种专有的连接器。在欧洲和其他部署CCS和CHAdeMO网络的地区，特斯拉正在顺应这些系统。

来源：Enel X

另一个快速直流充电协议和系统最初由欧洲和美国的汽车制造商、EVSE基础设施制造商和其他行业相关参与者开发和认可。亚洲制造商也加入了该组织。这些机构大多正式组织为CharIN协会，负责协议的开发和推广。

CCS系统与适用的IEC、SAE和ISO标准一致，支持交流充电（单相和三相）和直流充电，提供超过200  kW的直流充电能力，350 kW正在准备中。在撰写本文时，CharIN网桩列出了已部署的超过33,800个直流充电点的总体数量，分布在以下功率范围。6%低于50 kW，58% 50 kW，29% 150 kW和7% 250 kW。

CSS规定了两种用于直流充电的连接器，Combo 1和Combo（图8），它们在原来的交流充电对应物（Type 1和Type 2）的基础上，增加了一个用于直流电流的双引脚插座。

在这种方式下，车辆上的独特插座类型（每个地区）可以同时进行直流充电和交流充电。大多数CharIN的欧洲成员以IONITY的名义联合起来，努力开发和部署一个全欧洲的快速充电桩网络。

图8. 带有交流、直流（CHAdeMO）和直流（CCS）连接器的充电桩

在前面的内容中，我们已讨论并了解了快速直流充电：

在以下内容中，讨论将使我们更深入地了解这项技术，并揭示：

不出所料，快速直流电动车充电是继电动车本身之后功率电子领域创新的推进器之一，也是碳化硅（SiC）等新型电源技术采用最迅速的市场之一。

直流EVSE部署的第一个也是最常见的使用案例包括一个端到端的系统，从电网到电动车的电池（图9）。目前，这使用案例在充电桩和独立的单体充电点中都可以找到，其中充电桩显示了几个这样的转换器。带有多个快速或超快速充电器的充电桩需要一个高达1 MW（及以上）的高压电网隔离变压器，以便可靠地、不间断地输送电力。

在内部，这些充电器由前端的AC-DC三相有源整流级组成，执行功率因素校正（PFC）并提升直流链路电压水平。随后，一个隔离的DC-DC转换级使输出电压和电流适应电动车中电池的需要。

图9显示了该系统模块。为了最大限度地提高能效和规模，对高电压系统的需求越来越大。这既适用于中间母线电压（在PFC和DC-DC转换器之间），也适用于输出电压，因为800 V及以上的电动车电池正在变得普遍。

如此高功率和高电压的应用获得了SiC模块技术的好处，它表现出更高的击穿电压，更低的RDSON和动态损耗，以及卓越的热性能。损耗的减少、提高开关频率的可能性和增强的热耗散使系统尺寸的缩小成为可能，无源元件的缩小和冷却要求的降低。

这一系列独特的性能使SiC模块技术成为高效、功率密集和紧凑的快速直流充电解决方案的关键赋能者，可以方便地部署和大量扩展。在这种情况下，快速直流充电器的内部模块化也值得注意，因为大多数系统的特点是每个15-75 kW的堆叠子单元（图9），这使得系统更加灵活和坚固，简化了生产。

图9. 快速直流电动车充电器的结构图(左)。具有多个功率级堆叠的高功率直流电动车充电器(右)

第二种EVSE部署配置，随着电动汽车进一步渗透到市场并抢占交通的重要部分，将获得相关性，包括储能系统（ESS）的整合。这个用例也可能涉及可再生分布式能源资源（DER）的整合，主要是太阳能。

这种类型的基础设施将是维持电动车环境的一个关键支柱，充电桩将成为消费的焦点，并需要高的峰值功率。例如，5个额定功率为100 kW的充电桩将产生半兆瓦的峰值功率。仅仅依靠电网来维持多个充电桩的这种峰值功率实际上是不可能的，而这些充电桩将在全国范围内蓬勃发展。为了能够在一天中可靠地提供能源，能源将来自电网，并在谷底时间转移到高压ESS。此外，太阳能将支持储存的能量池，以帮助维持能量水平。

图10. 储能和太阳能与电动汽车充电桩整合的可能框图

这种配置将引起对不同结构的直流充电器的需求，其中整流PFC级和DC-DC级是独立的单元。图10显示了这种装置的一个例子。在前端，三相PFC升压级（AC-DC）将电力从电网输送到DC BUS。在后端，该SC-DC双向转换器提供的由太阳能光伏发电产生的能量被送入电动车充电器（DC-DC转换器）或保存在ESS中。绑定在车辆上的降压型DC-DC转换器将使其输出电压适应电池兼容的电压水平400 V-1000 V。

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