在本白皮書中，我們探討了日益增長的電動汽車市場，以及它對社會提出的新要求——提供像給燃油汽車加油那樣輕松易用的電池充電解決方案。我們探討了關于電動汽車充電的標準，以及在這個獨特的應用領域中日益興起的各種拓撲。我們分享了在現有系統架構方面的經驗，包括功率轉換，支付系統和安全。我們審視了在今后幾年實現電動汽車充電系統至關重要的電子元器件、評估系統和配套軟件，以支持前面的分析。

引言

隨著市場上純電動汽車（BEV）數量穩步增長，同時，來自環保的壓力要求將車輛排放減少至零，純電動汽車日益受到青睞。相比于內燃機（IC）車輛，純電動汽車最受詬病的問題之一是其續航里程。當前市場上的大多數純電動汽車的續航里程已經達到約160公里（100英里），這足以滿足普通的日常通勤需求，日常通勤距離一般在10公里到20公里左右。

然而，電動汽車并非僅從事單一活動的交通工具。日常通勤往往伴隨著接送孩子上下學、帶孩子上課外班，以及超市購物等。一旦將所有這些額外行程納入考慮，這種電動汽車的電池電量將所剩無幾，這會讓一些消費者感到不安。此外，不同于內燃機車輛，電動汽車不能像加油那樣在短短幾分鐘內重新充滿電。對于長途旅程，每開一段路就停下來充電的做法根本行不通。

目前這種到加油站為汽車加油的方式仍然有其價值，但或許更適用于長途旅程。更有可能的是，電動汽車將在我們上班或購物期間，在停車場或交通樞紐完成充電，為接下來的旅程做好準備。

各種可選的電動汽車充電方式

大多數汽車均支持通過標準家用單相交流電（AC）電源進行充電，因此所有車主都可以利用夜間在家為汽車充電。現有各式各樣的交流充電解決方案，如使用家用插座直接將汽車接至家用電源，或者使用將纜上控制和保護裝置（IC-CPD）集成在一起的專用插座，或者使用壁掛式“專用充電墻“。這些解決方案一般在充電系統與汽車之間配備了通信接口，并內部集成接地和保護裝置。

當然，電池本身要求用直流（DC）電源進行充電，汽車內置的充電裝置必須將交流電轉換為直流電。設計受限于空間、散熱、效率和重量等，都在一定程度上限制了車載充電裝置的輸出功率和充電速度。

顯然，未來的發展方向是提供非車載直流充電，這樣一來，可能完全無需車載充電裝置。

圖1：各種可選的電動汽車充電方式

大容量電池如雨后春筍般在各個國家興起，引發了一系列富于前瞻性的概念，將這些電源融入人們的日常電力需求。有人考慮將它們納入太陽能電力系統，由住宅和商業建筑利用可再生能源發電來為電動汽車充電，電動汽車亦可在停電或用電高峰期間反過來供電。這種電動汽車與建筑相互供電（V2B）的方式，已經在美國底特律由菲亞特500e電動汽車組成的車隊完成測試。

有人沿著這個思路進一步探索，提出從國家角度來考慮電力需求，通過實現電動汽車與電網雙向互動（V2G），平衡電力需求，同時大力發展可再生能源。荷蘭已經與三菱歐藍德PHEV合作完成了V2G試驗，這種電動汽車的電池蓄電量可達到普通家庭的日常用電量。這種想法對電動汽車充電系統提出了很高的要求，因為它們不僅需要實現高效的交流/直流轉換，而且還必須實現直流/交流轉換，以將電力反饋回電網。充電標準已反映了V2B和V2G需求，但關于如何在國內或國際具體實現的規定還不夠清晰。

其他選項如換電，似乎并未得到廣泛支持。然而，在特定市場如印度，這種解決方案仍具一定吸引力，主要面向雙輪及三輪車和巴士。

感應充電這項技術通過將電能從停車位地下的線圈，傳送至集成在汽車內部的線圈。雖然這種充電方案已經廣泛用于手機，但在目前，受線圈損耗以及可傳送的電能大小等制約，在電動汽車充電使用中較少。

圖2：多種不同充電方式

快速直流充電

如果要像給普通汽車加油那樣便捷地為電動汽車充電，必須能夠提供大功率充電。典型的22 kW交流充電系統，用時約120分鐘即可達到200公里續航里程，適用于車主在上班期間在停車場給電動汽車充電。要將200公里續航里程的充電時間縮短至16分鐘，則需要借助150 kW直流充電系統。當功率達到350 kW時，僅需7分鐘左右即可完成相同續航里程，用時和在加油站加油差不多。值得注意的是，充電時間的長短也受限于電動汽車的電池。

快速直流充電的最終目標，在系統架構以及可支持的輸出電壓和充電功率等方面的標準化。輸入電壓300 Vac到400 Vac之間，再通過交流/直流和直流/直流轉換器，將之轉換為電動汽車需要的直流電壓。數據傳輸通道用以提供關于汽車和電池充電狀態的信息，還需要確保數據安全來處理計費。

圖3：電動汽車直流充電系統的基本結構

目前直流充電功率上限高達350 kW，當前大多數充電功率在50 kW左右。電源連接器定義考慮到了未來的高功率輸出要求，可支持最高1000 Vdc、200 A輸出。

對于在家充電，功率輸出受限于電源輸出。盡管可以接入兩相或三相電源，但專用充電墻可支持的功率不超過22 kW。然而在停車場和高速路服務區，則可部署完備的充電站，能夠實現大規模電動汽車充電。10 kV– 30 kV中壓隔離變壓器將為充電功率高達350 kW的大功率充電系統提供電源，助力其同時滿負荷工作，以超快速度為多輛汽車充電。通過在變壓器實現隔離，電源電路得以簡化，整體能效大幅提高。

另一方面，多層或購物中心停車場也可部署充電站。這種充電樁在外觀和尺寸上類似于加油機，將專門設計為提供最高150 kW充電功率。然而，這種充電樁是通過接入三相低壓電網來獲取電力，因此不能所有充電樁同時以滿負荷運行。

圖4：直流充電系統生態圈概覽

專用充電墻或充電樁，即上文描述的直立式裝置。這些裝置的實現形式多種多樣，既可以是單個充電模塊，也可以是多個充電模塊并聯，允許今后隨著需求的變化而升級為更高充電功率。

充電模塊目前可以在15 kW到20 kW功率范圍內將交流電轉換為直流電。隨著市場日益要求加快充電速度，使用50 kW左右甚或更高功率的功率模塊的趨勢已初露端倪。充電模塊本身由分立元件或功率模塊組成，在很大程度上取決于所要實現的設計技術規格。

建立在標準化之上

新能源汽車的發展給許多行業造成了不同程度的沖擊，市場上出現了一些過去從未或很少接觸汽車行業的參與者。其中的例外，是那些長期以來一直與半導體行業保持合作關系的汽車制造商。在這個日益發展的市場上，它們也是將其他一些參與者聯系起來的中間環節。

如今，汽車制造商并不運營加油站，同樣，它們也不會把主要精力放在電動汽車充電基礎設施上面，這件事留給充電系統制造商去做，它們在開發類似應用的電源管理解決方案方面，已經積累了豐富的經驗。由充電運營商來安裝和管理充電設施，它們將著眼于選用最高效率、最經濟劃算的解決方案。它們的后端將進行需求預測，優化定價，同時建立安全支付機制。拼圖的最后一塊，是電力供應商，必須有它們的支持，才能確保這個龐大的基礎設施項目順利實現，確保電力供應。

圍繞充電樁本身，已經采取了標準化措施，以確保為消費者提供安全、簡便、通用的充電系統。在歐洲和美國，包括英飛凌在內的有關各方已紛紛加入CharIN e. V.，這個組織致力于研發和推廣聯合充電系統 (CCS)。其技術規范對汽車充電作了詳細的規定，從充電順序和數據通信，到充電插頭類型等等。也有類似組織制定其他標準，如日本的CHAdeMO和中國的GB/T等，而特斯拉則擁有自己的專有系統。

CharIN標準支持一個連接器既可以進行交流充電，又可以進行直流充電，并且已獲得許多國家和國際標準機構的批準。交流充電符合IEC 61851第1條和第22條的規定，直流充電符合第1條和第23條的規定。對于插頭和插座，應參考IEC 62196第2部分關于2型交流連接器的規定，和第3部分Combo 2直流連接器（歐盟）和第1部分Combo 1連接器（美國）的規定。