1、背景

由于全球?qū)p少CO2排放和提高燃料效率的需求，電動(dòng)汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)在全球范圍內(nèi)得到了推廣和發(fā)展。用以替代傳統(tǒng)燃油車(chē)輛。事實(shí)上，電動(dòng)汽車(chē)由于其低功耗和無(wú)本地排放，可以提供一個(gè)相對(duì)很好的選擇來(lái)減輕交通運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境影響和減少對(duì)能源的依賴。 ? 在此背景下，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的銷(xiāo)量自2010年以來(lái)一直快速增長(zhǎng)，如圖1所示。2018年，全球電動(dòng)汽車(chē)保有量超過(guò)510萬(wàn)輛，幾乎是2017年的兩倍。截至2019年底，包括輕型汽車(chē)在內(nèi)的全球電動(dòng)汽車(chē)保有量為750萬(wàn)輛。2020年，全球EV車(chē)隊(duì)突破1000萬(wàn)輛，自2019年以來(lái)增長(zhǎng)43%。尤其是三分之二的存量和所有新注冊(cè)的電動(dòng)汽車(chē)是純電電動(dòng)汽車(chē)。2021年，EV銷(xiāo)量再創(chuàng)新高。它們幾乎翻了一番，達(dá)到660萬(wàn)輛，使道路上的電動(dòng)汽車(chē)總數(shù)超過(guò)1650萬(wàn)輛。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，與2020年相比，中國(guó)的銷(xiāo)售額增長(zhǎng)了三倍，達(dá)到330萬(wàn)輛，與2023年相比相比，2021年歐洲的銷(xiāo)售額增長(zhǎng)了三分之二，達(dá)到230萬(wàn)輛。2021年全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的85%以上來(lái)自中國(guó)和歐洲，與2020年相比增長(zhǎng)了一倍多，達(dá)到63萬(wàn)輛，其次是美國(guó)，占10%。圖1展示了2010年至2021年全球電動(dòng)車(chē)的保有量，圖2展示了2016年至2021年全球電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量和市場(chǎng)份額。 ?

圖1、2010年至2021年全球電動(dòng)車(chē)的保有量 ?

圖2、2016年至2021年全球電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量和市場(chǎng)份額 ?

2022 年共交付了 1050萬(wàn)輛新的 BEV 和 PHEV，與 2021年相比增長(zhǎng)了?+55%。不過(guò)，區(qū)域增長(zhǎng)模式正在發(fā)生變化。在歐洲經(jīng)歷了 2 年的銷(xiāo)量大幅增長(zhǎng)之后，電動(dòng)汽車(chē)在 2021 年僅增長(zhǎng)了 +15%。圖3展示了2013-2022年全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量結(jié)及增長(zhǎng)率。 ?

圖3、2013-2022年全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量結(jié)及增長(zhǎng)率 ?

歐洲汽車(chē)制造商協(xié)會(huì)(ACEA)提供的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車(chē)在歐洲越來(lái)越普遍。圖4顯示了2018年至2021年歐盟按發(fā)動(dòng)機(jī)類型劃分的新乘用車(chē)注冊(cè)量的年度增長(zhǎng)。然而，在歐盟，新的電動(dòng)汽車(chē)注冊(cè)從5.9%（2019年）增加到37.6%（2021年）。與此同時(shí)，我們看到傳統(tǒng)汽油車(chē)的銷(xiāo)售（從36.7%降至19.6%）和柴油車(chē)銷(xiāo)售（從55.6%降至40.0%）普遍下降。

圖4、2018-2021年按燃料類型劃分的歐盟新車(chē)市場(chǎng)份額。 ?

相比之下，能源儲(chǔ)存是國(guó)際氣候和能源協(xié)定的基礎(chǔ)。然而，即使有很多可再生能源可用，卻很少被儲(chǔ)存。通過(guò)有效地解決存儲(chǔ)這些清潔能源，我們可以加快向無(wú)排放社會(huì)的過(guò)渡，同時(shí)避免在電網(wǎng)上的大量支出和改造。從這個(gè)角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)可以發(fā)揮比較好的作用，因?yàn)樗鼈兡軌蛟陔姵亟M中保留大量電能，這些電能以后可能被用來(lái)改善電力網(wǎng)絡(luò)。電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)之間的能量交換，被稱為車(chē)輛到電網(wǎng)(V2G)，可能是即將到來(lái)的新一代電網(wǎng)的主要概念之一。如圖5所示，它隱含了兩個(gè)能量方向：電網(wǎng)到車(chē)輛(G2V)為電池充電，而V2G則是為電池放電。因此，在V2G期間，電動(dòng)汽車(chē)自動(dòng)與智能電網(wǎng)交互，以利用電池儲(chǔ)存的能量，在用電高峰期有利于降低電網(wǎng)的負(fù)荷，保持電網(wǎng)的良好運(yùn)行。

圖5、G2V&V2G能量流

? 當(dāng)發(fā)生停電時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)電池可直接作為家庭用電負(fù)荷的應(yīng)急電源。這種電動(dòng)汽車(chē)雙向充電機(jī)制被稱為車(chē)到家(V2H)技術(shù)。這些V2G、V2H和其他功能，如車(chē)輛到建筑物(V2B，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)可以為建筑物的電氣安裝提供服務(wù)時(shí))或目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的車(chē)輛到負(fù)載(V2L，例如，在露營(yíng)地提供電力負(fù)載)，被稱為車(chē)輛到一切(V2X)。圖6說(shuō)明了這一功能是有前途的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)，可以促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)與周?chē)h(huán)境之間的能量交換。這種能量交換可以通過(guò)嵌入車(chē)輛或電動(dòng)汽車(chē)充電站的雙向電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6、V2X技術(shù) ?

2、電動(dòng)汽車(chē)充電器的分類與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）電動(dòng)汽車(chē)充電器的分類

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分，它是電動(dòng)汽車(chē)能量的來(lái)源。因此，需要一個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)來(lái)保證電池的充電過(guò)程。這一重要部件主要基于功率轉(zhuǎn)換，允許電能在電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)電池之間轉(zhuǎn)移。因此，這些EV充電器可以根據(jù)幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，包括充電器位置、能量傳遞方向、充電器結(jié)構(gòu)、連接類型和功率轉(zhuǎn)換的數(shù)量等。表1說(shuō)明了每種分類類型的選項(xiàng)。 ?

表1、充電方式分類 ?

圖7、無(wú)線充電系統(tǒng)框圖 ?

（2）電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)拓?fù)溆泻芏唷Ｈ缟瞎?jié)介紹的車(chē)載、非車(chē)載、單雙向、集成和無(wú)線充電等。雙向電動(dòng)汽車(chē)充電器通常由一個(gè)或兩個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)組成，需要它們來(lái)保證G2V或V2G功能。因此，通過(guò)在具有或不具有電偶隔離的單級(jí)或雙級(jí)結(jié)構(gòu)中組合不同的AC-DC和DC-DC功率轉(zhuǎn)換級(jí)，各種雙向EV充電機(jī)拓?fù)涠际强赡艿摹Ｈ鐖D8，展示出了可用于電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)可能的可用結(jié)構(gòu)。

圖8、電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)解決方案的可能結(jié)構(gòu) ?

在雙級(jí)情況下，雙向電動(dòng)汽車(chē)充電器包括AC-DC和DC-DC兩級(jí)。第一個(gè)執(zhí)行功率因數(shù)校正(PFC)功能，并提供經(jīng)調(diào)節(jié)的高DC總線輸出電壓。而第二級(jí)將電動(dòng)汽車(chē)電池連接到高直流母線電壓，并確保在G2V和V2G模式下的能量交換。在G2V模式下，可逆AC-DC級(jí)作為功率因數(shù)的升壓功率整流器，而后級(jí)DC-DC變換器工作在降壓模式下，以確保EV充電功能。在V2G模式下，可逆AC-DC級(jí)作為功率逆變器，可向電網(wǎng)注入能量，而雙向DC-DC級(jí)在升壓變換器中開(kāi)始工作，以確保從電動(dòng)汽車(chē)電池到DC總線的能量交換。在單級(jí)情況下，電動(dòng)汽車(chē)充電器只有一個(gè)AC-DC或一個(gè)DC-DC級(jí)。在第一種方法中，功率變換器AC-DC使得在電網(wǎng)側(cè)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池進(jìn)行功率因數(shù)控制的充放電成為可能。充電器由電動(dòng)汽車(chē)充電站提供交流電。

第二部分通過(guò)DC-DC級(jí)來(lái)保證電池的充電和放電。然而，除了在DC中為充電器供電之外，還確保了電動(dòng)汽車(chē)充電站側(cè)的功率因數(shù)控制。各種電路通常用于用半橋或全橋功率變換器執(zhí)行雙向AC-DC或DC-DC功率轉(zhuǎn)換級(jí)。半橋結(jié)構(gòu)成本較低，單元較少，但構(gòu)件應(yīng)力較高。相比之下，全橋級(jí)有更多的組件，成本更高，但組件應(yīng)力更低。除了控制和管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本之外，全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要更多的脈寬調(diào)制(PWM)控制信號(hào)。 ? 圖9顯示了常用的雙向交直流功率轉(zhuǎn)換級(jí)電氣原理圖。圖9a顯示了一個(gè)雙向半橋單相交直流轉(zhuǎn)換器。圖9b顯示了一個(gè)雙向全橋單相交直流轉(zhuǎn)換器。圖9c顯示了一個(gè)雙向三相交直流轉(zhuǎn)換器。圖9d顯示了一個(gè)雙向三電平二極管箝位交直流電源變換器。大功率電動(dòng)汽車(chē)充電器推薦使用雙向多級(jí)三相交直流轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器具有高功率因數(shù),低總諧波失真(THD)率,低電網(wǎng)側(cè)電磁干擾噪聲。除此之外,它們提供高水平的直流電壓，紋波小，不受直流側(cè)負(fù)載和源干擾的影響。

圖9、常用的雙向交直流功率轉(zhuǎn)換級(jí)電氣原理圖 ? 圖10顯示了采用V2X技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)充電應(yīng)用中最常用的dc-dc電源電路。圖10a展示了非隔離雙向半橋dc-dc功率轉(zhuǎn)換器，而圖10b展示了雙向交錯(cuò)dc-dc功率變換器。圖10c為隔離型雙向雙有源橋式(DAB) dc-dc功率變換器，圖9d為隔離型電感雙向雙有源橋式(DAB) dc-dc功率變換器，其為非接觸式版本。它是一種用于雙向感應(yīng)式電動(dòng)汽車(chē)充電器的結(jié)構(gòu);左側(cè)位于電動(dòng)汽車(chē)充電樁內(nèi)，右側(cè)位于車(chē)輛內(nèi)。

圖10、采用V2X技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)充電器中最常用的dc-dc功率轉(zhuǎn)換階段的電氣原理圖 ?

3、電動(dòng)汽車(chē)充電標(biāo)準(zhǔn)概述

中國(guó)、歐洲和北美已經(jīng)建立了GB、ISO、IEC和SAE國(guó)際和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括從充電樁到充電設(shè)備的全套標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，以全面管理電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程。以下是這些標(biāo)準(zhǔn)的介紹。

（1）SAE 1772標(biāo)準(zhǔn)

SAE J1772是由SAE International發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了北美地區(qū)電動(dòng)汽車(chē)導(dǎo)電充電過(guò)程的一般物理、電氣、功能和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)為電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備(EVSE)提供了可用的導(dǎo)電充電方法，包括車(chē)輛入口和配套連接器的操作、功能和尺寸要求。此外，SAE術(shù)語(yǔ)“充電水平”被用于對(duì)目前在北美市場(chǎng)上提供的充電系統(tǒng)的額定電流、電壓和功率進(jìn)行分類。因此，2017年10月修訂的SAE J1772標(biāo)準(zhǔn)概述了四個(gè)充電級(jí)別:AC Level 1、AC Level 2、DC Level 1和DC Level 2。表2列出并描述了它們配置的可充電等級(jí)。

SAE J1772 AC 1級(jí)充電標(biāo)準(zhǔn)假定電動(dòng)汽車(chē)可以在家中或辦公室停車(chē)場(chǎng)使用傳統(tǒng)的墻壁插座充電。電源為交流單相，功率高達(dá)1.9 KW (120V/ 16A)。SAE J1772的AC二級(jí)充電也假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)有車(chē)載充電器，電源為單相交流，標(biāo)稱電壓為240V，可提供高達(dá)80A的電流和最高19.2 KW的功率。交流2級(jí)充電也可用于住宅安裝，使用墻盒。不過(guò)，更常見(jiàn)的是在工作場(chǎng)所或公共停車(chē)場(chǎng)將電動(dòng)汽車(chē)連接到電動(dòng)汽車(chē)充電樁。交流充電功率一般為3.3 KW、7 KW和20 KW。SAE J1772定義了兩個(gè)直流快速充電等級(jí):DC Level 1和DC Level 2，功率分別為80kW和400kW。如表2所示，充電樁通過(guò)直流連接器直接向電動(dòng)汽車(chē)電池提供直流電壓。 ?

表2、SAE 1772可充電等級(jí) ?

（2）IEC 61851標(biāo)準(zhǔn) 在歐洲等國(guó)家，IEC對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的配電方式和保護(hù)安裝方式以及通信和管理方式進(jìn)行了分類。如圖11所示，2017年發(fā)布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61851-1描述了四種不同的電動(dòng)汽車(chē)充電模式，a、b、c、d分別是模式1、2、3、4。各模式的具體說(shuō)明見(jiàn)表3。

圖11、IEC 61851定義的充電模式 ?

表3、充電模式說(shuō)明 ?

模式1使用基本的擴(kuò)展電纜從標(biāo)準(zhǔn)家用插座取電為電動(dòng)汽車(chē)充電，而不使用保護(hù)設(shè)備。此外，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的家用插座使用慢速保險(xiǎn)絲保護(hù)，使這種充電模式非常不安全。因此，模式1實(shí)際使用很少，也不建議使用。 ? 模式2從標(biāo)準(zhǔn)的家用插座取電為電動(dòng)汽車(chē)充電，該插座增加了安裝在電纜內(nèi)的控制和保護(hù)系統(tǒng)(稱為電纜內(nèi)控制和保護(hù)裝置(IC-CPD))。與模式1相比，這種充電方式的危險(xiǎn)性要小得多。但是，充電功率將受到插座的最大功率的限制。 ? 模式3使用具有專業(yè)的控制和保護(hù)的專用交流充電樁。這是比較常用的AC充電模式，功率范圍從3.7千瓦到43千瓦。 ? 模式4為直流充電模式。公共電動(dòng)汽車(chē)充電樁直接為電動(dòng)汽車(chē)電池組提供直流電壓。 ?

（3）GB標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)GB關(guān)于充電的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下標(biāo)準(zhǔn)，具體如表4所示。

表4、GB充電標(biāo)準(zhǔn)匯總 ?

4、電動(dòng)汽車(chē)充電連接器

在我們理想情況下，應(yīng)該是所有電動(dòng)汽車(chē)都配備相同的充電接口，并且可以連接到任何充電樁，這樣效率和適配性會(huì)更高。不幸的是，事實(shí)并非如此。不同地理區(qū)域和車(chē)型的電動(dòng)汽車(chē)充電口可能不同，如表5所示，出現(xiàn)了多種充電連接器。下面將進(jìn)行具體介紹。

表5、不同地區(qū)或國(guó)家不同的充電接口 ?

（1）SAE 1772連接器

SAE J1772連接器被廣泛應(yīng)用于美國(guó)、加拿大和日本的交流充電系統(tǒng)中。它適用單相交流電源，充電功率可達(dá)19.2 kW (240 V@80A)。圖12顯示了SAE 1772的插口和插座。 ? ? 具體的引腳定義如圖13所示。

圖13、SAE 1772 AC插座引腳定義 ? 其控制引導(dǎo)電路如圖14所示。

圖14、SAE 1772 充電控制引導(dǎo)電路 ?

（2）IEC type2連接器

Type2連接器最早由德國(guó)制造商曼奈柯斯于2009年提出，目前仍被普遍稱為(即Mennekes type 2)。2013年1月，歐盟委員會(huì)將其指定為歐盟官方充電連接器。歐盟以外的一些國(guó)家，包括澳大利亞和新西蘭目前還在使用這款連接器，而中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234-2的交流充電連接器類似。這款連接器最初是為交流充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，因此它可以支持高達(dá)7.4 kW (230V @ 32A)或43 kW (400V@63A)的單相或三相交流電源充電。從技術(shù)上講，Mennekes Type 2耦合器可以采用三種不同的配置，如表6所示，但在歐盟只用了第一種。

表6、可用于交流和直流的type2連接器 ? IEC 2型連接器是直徑為70毫米(2.8英寸)的圓形連接器，其側(cè)面平整，便于機(jī)械校準(zhǔn)，如圖15a所示。其引腳定義如圖15b所示。澳大利亞、新西蘭、歐洲等地區(qū)的一些公共電動(dòng)汽車(chē)充電樁大部分都有充電電纜，而也有一些只有插座。因此，圖15c展示了專門(mén)連接樁到車(chē)的充電電纜。 ? 此外，每輛電動(dòng)車(chē)一般都配備了一個(gè)便攜式的充電槍。這是一款配備電纜控制和保護(hù)裝置(IC-CPD)和插頭的電動(dòng)汽車(chē)充電電纜，可以通過(guò)家用插座進(jìn)行交流充電。如圖15d所示，該設(shè)備具有模式2 EV插頭，交流充電功率可達(dá)3.7 KW (230 V@16A)。

圖15、Type連接器及其相關(guān)設(shè)備 ?

（3）CCS連接器

除了交流充電，直流快充目前從利用率來(lái)說(shuō)還是要高很多的。因此，在北美，CCS Combo 2是除了日產(chǎn)和三菱以外幾乎所有制造商使用的標(biāo)準(zhǔn)。與美國(guó)和加拿大的CCS Combo 1系統(tǒng)(J1772連接器)相同，它將兩個(gè)直流快充與Type 2連接器結(jié)合在一起，如表7所示。

表7、CCS連接器 ? CCS Combo 1車(chē)端連接器引腳定義如圖16所示，CCS Combo 2車(chē)端和樁端連接器引腳定義如圖17所示。

圖16、CCS1車(chē)端連接器引腳定義 ?

圖17、CCS2樁端和車(chē)端連接器引腳定義 ?

（4）CHAdeMO連接器

CHAdeMO是一款充電功率為6kw ~ 400kw的電動(dòng)汽車(chē)直流快充連接器，其連接器如圖18所示，其時(shí)序電路及引腳布局如圖19所示。有十(10)個(gè)引腳，其中有一個(gè)沒(méi)有連接(引腳#3)。時(shí)序電路的建立確保充電控制過(guò)程中進(jìn)行必要的參數(shù)交換。

圖18、CHAdeMO連接器 ?

圖19、CHAdeMO時(shí)序電路及引腳定義 ? 它是由日本CHAdeMO協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)的，該協(xié)會(huì)也負(fù)責(zé)認(rèn)證，以確保電動(dòng)汽車(chē)和充電樁之間的兼容性。CHAdeMO協(xié)會(huì)由東京電力公司、三菱、日產(chǎn)和斯巴魯公司與2010共同創(chuàng)立，隨后豐田也加入其中。? ? ?

（5）GB連接器

在電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施中，我國(guó)使用交流和直流充電分開(kāi)的連接器形式。如表5所示。適用的的電壓、電流和功率范圍如表8所示。

表8、GB/T 20234標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充電基本參數(shù)的要求 ? 其引腳定義和控制邏輯與其他標(biāo)準(zhǔn)有所不同，但與歐標(biāo)類似。其交流充電連接器及其引腳定義如圖20所示，直流充電連接及其引腳定義如圖21所示。

圖20、交流充電連接器及其引腳定義 ?

圖21、直流充電連接器及其引腳定義 ? 在中國(guó)和日本政府的支持下，CHAdeMO組織和中國(guó)電力委員會(huì)(CEC)最近幾年也一直在研究一個(gè)新的國(guó)際大功率直流充電標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是想向后兼容現(xiàn)有的CHAdeMO和GB/T標(biāo)準(zhǔn)。圖22顯示了新的GB/T- CHAdeMO連接器原型，充電功率高達(dá)900千瓦(1500V@ 600A)，并命名為超級(jí)。就目前最近幾年chaoji的推進(jìn)進(jìn)展而言，是不如預(yù)期的。當(dāng)然，這中間有很多的因數(shù)，新的接口要替代原有的接口，從主機(jī)廠和樁企的角度來(lái)說(shuō)都要付出很大的成本，加上在原有GB/T20234 的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了液冷后，過(guò)電流能力也有了很大的提升。再加之800V電壓平臺(tái)的逐漸研發(fā)，充電電流下降，原有GB/T20234的直流充電接口基本能滿足車(chē)輛的充電需求。這些都在一定程度上影響了chaoji標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)。 ?

（6）Tesla連接器

Tesla的充電連接是交直流共用的，在而且也主要是在北美地區(qū)使用。也在墨西哥、日本和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)使用。而在歐洲、東南亞、印度等地區(qū)也都是使用IEC Type2和CCS連接器。在中國(guó)大陸地區(qū)銷(xiāo)售的車(chē)輛則是使用GB標(biāo)準(zhǔn)的充電連接器。 ? ?

編輯：黃飛

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