電動汽車快速充電系列文章之二｜交流/直流充電以及標準和協(xié)議介紹

在電動汽車方面，用于充電的電纜和連接器通常被稱為“充電器”。交流（AC）插座與專用硬件設備（通常稱為“墻盒”），作為連接充電線和為車輛充電的接口，被稱為“充電器”，這可能會引起混淆，因為如果“充電器”我們考慮的是發(fā)生電力轉換的實際設備，那么上面討論的元素就不是充電器。

在交流充電模式下，來自電網(wǎng)的交流電通過交流電插座或充電檔口輸送到汽車中。汽車將通過車載充電器（OBC）管理交流-直流電的轉換——這里正確的名稱是充電器，因為有電力轉換--并向電池提供直流電壓和電流。

另一方面，在直流充電模式下，交流 - 直流轉換由車外充電器進行——我們再次談及充電器。圖5說明電動汽車的不同充電方式。由于車外的空間、重量和熱量限制更為寬松，所以直流充電的額定功率有很大的范圍。因此，直流充電的范圍甚至低于11 kW，最高可達400 kW。

當然，這些范圍內(nèi)的使用情況可能非常不同。另一點值得注意的是，并不是所有的車輛都能接受高直流電力水平的充電。現(xiàn)在大多數(shù)已推出的車輛通常可以在直流模式下支持至少50 kW的速率。

圖5. 交流充電和直流充電概念圖

資料來源：Yolé Development

交流充電通常被稱為“慢速充電”，這是因為它的功率限制（最高端通常為22 kW）和最短的必要充電時間。交流電的高功率范圍（11-22 kW）有時可能被稱為“高功率交流電充電”或“快速交流電充電”，但沒有實際定義。

另一方面，那些額定功率為22 kW、甚至高達400 kW的直流充電器被認為是“快速”?！俺臁币辉~也用于50 kW以上的功率，但沒有實際明確的界限或定義。目前，最常見的直流電能范圍在22-150 kW之間，功率在200-350 kW之間取得進展?？焖俸统焖俚闹绷鞒潆姌兑话阒辉谟腥嚯娫催B接到電網(wǎng)的專用區(qū)域公開提供。到目前為止，主要是在高速公路上的充電樁，可能會顯示多個超快速充電器（每個>150 kW）。這種設施需要一個來自電網(wǎng)的專用高壓變壓器。

為了了解如今的充電時間，一個簡單的計算可以讓我們走得更遠。考慮到一輛電池容量為60千瓦時的汽車（BEV現(xiàn)在釋放的電池容量在30至120千瓦時之間）[10] 和一個100 kW的直流充電器，可以得出以下結果:

*1 在這個練算中，考慮的是完整的電池容量?？赡苡幸恍╇妱榆嚂θ?nbsp;"有效 "容量構成限制。

*2 通用值，將取決于每輛車的特性。通常情況下，將在12-23 千瓦時/100公里之間。

必須考慮到，并非所有道路上的車輛都能支持高達100 kW的直流充電率，目前發(fā)布的車型之間的實際差異通常在50 kW以下和250 kW以上。同樣，車輛的效率也存在明顯的差異，以千瓦時/100公里的比率衡量。有可用的數(shù)據(jù)庫[12]提供多種BEV的詳細信息。此外，充電過程中的平均功率不等于汽車接受的峰值功率，因為隨著電池充電狀態(tài)（SOC）的提高，額定功率需要有上限。

在任何情況下，上述例子是有啟發(fā)性的，并提供了一個與基于內(nèi)燃機的車輛進行比較的標準。以100千瓦時的平均速度給我們的電動車充電，需要36分鐘才能提供333公里的里程，或者大約10分鐘才能提供100公里。對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車來說，同樣的運作需要三到五分鐘才能完成充電。

有了這些數(shù)字，難怪市場正在迅速發(fā)展并推動更高的功率解決方案[在電動汽車供應設備（EVSE）方面和車輛方面] 。允許超過350 kW功率。

為了規(guī)范和標準化交流和直流充電技術，促進支持電動汽車的兼容EVSE生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，已經(jīng)制定了一些標準和IEC規(guī)范。這些設定的框架，盡可能的全球化，幫助協(xié)會和行業(yè)發(fā)展協(xié)議和EVSE。然而，這遠遠不是個微不足道的話題，因為來自不同機構的幾個標準和實施方案在全球范圍內(nèi)并存。

采用自上而下的方法，講出一些基本的標準（以及發(fā)布機構的總部所在地），如下：

如果我們研究借鑒這些標準的實際充電協(xié)議和生態(tài)系統(tǒng)，我們會發(fā)現(xiàn)三個全球擴展的直流充電實施方案：CHAdeMO（“charge de move”移動充電的縮寫）、聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）和特斯拉超級充電樁。在中國，唯一的標準和實施的協(xié)議是GB/T，并且也是該地區(qū)獨有的。

IEC 61851。國際電工委員會（IEC）已經(jīng)制定了上一節(jié)中所列的幾個標準。IEC61851指的是“電動汽車導電充電系統(tǒng)”，是IEC系列中電動汽車充電的核心部分，專注電動汽車導電充電系統(tǒng)的不同主題，包括分別達到1000 V和1500 V的交流和直流充電。該標準定義了四種不同的充電“模式”，其中前三種“模式”（1至3）指的是交流充電，“模式”4談及直流充電。

IEC62196定義了“插頭、電源插座、車輛連接器和車輛進氣口”，IEC61980涉及“電動汽車無線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)”。

ISO17409:2020是國際標準化組織（ISO）關于電動汽車充電的基礎標準，是對上述IEC61851的專門補充。該文件涉及IEC61851-1中定義的充電“模式”2、3、4的 “電力驅動的道路車輛--導電電力傳輸——安全要求”。

圖6. 闡釋IEC-61851中定義的充電“模式”

模式4定義了直流充電。資料來源：菲尼克斯電氣。SAEJ1772

在北美，管理標準是SAEJ1772（涵蓋交流和直流充電）。該文件規(guī)定了在1000 V電壓下提供高達400 kW的直流充電。與IEC-61851中的充電“模式”不同，SAEJ1772規(guī)定了充電“等級”并定義了以下內(nèi)容?！敖涣?級”、“交流2級”、“直流1級”和“直流2級”（2017修訂版）。

在此需要指出的是，“三級”充電仍然是一個未定義的術語，被廣泛（和誤導）用來指直流充電。已經(jīng)有“交流3級”的實際項目（盡管從未完全開發(fā)）和“直流3級”已被討論。在任何情況下，這些都是不同的概念，不能作為直流充電的同義詞使用。

此外，不同地區(qū)和機構的標準可以交織在一起。SAEJ1772首先定義了用于交流充電的“SAEJ1772”連接器類型（命名為“SAEJ1772連接器”），主要用于北美地區(qū)。后來，IEC-62196采用了相同的連接器，并將其確定為IEC-62196 Type 1，與在歐洲用于交流充電的IEC-62196 Type 2連接器形成對比。由于IEC連接器（Type 1和Type 2）使用相同的SAEJ1772信號協(xié)議，汽車制造商在銷售汽車時，要么使用SAEJ1772-2009進氣口，要么使用IEC Type 2進氣口，具體取決于市場。

正如上面所介紹的，有三種主要的充電協(xié)議在全球范圍內(nèi)擴展。

CHAdeMO - 該協(xié)會于2010年在日本成立，并制定了與之同名的電動車充電協(xié)議。該協(xié)議和組織由日本的主要汽車制造商和其他行業(yè)利益相關者支持和推動。日產(chǎn)、三菱、豐田、日立、本田和松下等等，其中也包括一些歐洲的參與者。

這些協(xié)議借鑒了所討論的IEC6185-1、-23、-24和IEC62196標準，定義并使用專用連接器（圖7）。這些協(xié)議的范圍從CHAdeMO0.9到CHAdeMO2.0。CHAdeMO1.2（2017）和CHAdeMO2.0（2018）分別支持200 kW/500 V和400 kW/1000 V。CHAdeMO現(xiàn)在的目標是900 kW的充電器，與中國電力企業(yè)聯(lián)合會（CEC）聯(lián)合開發(fā)一個被稱為“ChaoJi”的超高功率充電標準。這項合作還致力于成為第一個全球超快速充電器協(xié)議。2020年5月，CHAdeMO報告實現(xiàn)了全球安裝32,000個快速充電器的目標，其中14,400個在歐洲。

圖7. 快速直流充電器的連接器類型。特斯拉在北美和其他地區(qū)使用一種專有的連接器。在歐洲和其他部署CCS和CHAdeMO網(wǎng)絡的地區(qū)，特斯拉正在順應這些系統(tǒng)。

來源：Enel X

另一個快速直流充電協(xié)議和系統(tǒng)最初由歐洲和美國的汽車制造商、EVSE基礎設施制造商和其他行業(yè)相關參與者開發(fā)和認可。亞洲制造商也加入了該組織。這些機構大多正式組織為CharIN協(xié)會，負責協(xié)議的開發(fā)和推廣。

CCS系統(tǒng)與適用的IEC、SAE和ISO標準一致，支持交流充電（單相和三相）和直流充電，提供超過200  kW的直流充電能力，350 kW正在準備中。在撰寫本文時，CharIN網(wǎng)樁列出了已部署的超過33,800個直流充電點的總體數(shù)量，分布在以下功率范圍。6%低于50 kW，58% 50 kW，29% 150 kW和7% 250 kW。

CSS規(guī)定了兩種用于直流充電的連接器，Combo 1和Combo（圖8），它們在原來的交流充電對應物（Type 1和Type 2）的基礎上，增加了一個用于直流電流的雙引腳插座。

在這種方式下，車輛上的獨特插座類型（每個地區(qū)）可以同時進行直流充電和交流充電。大多數(shù)CharIN的歐洲成員以IONITY的名義聯(lián)合起來，努力開發(fā)和部署一個全歐洲的快速充電樁網(wǎng)絡。

圖8. 帶有交流、直流（CHAdeMO）和直流（CCS）連接器的充電樁

在前面的內(nèi)容中，我們已討論并了解了快速直流充電：

在以下內(nèi)容中，討論將使我們更深入地了解這項技術，并揭示：

不出所料，快速直流電動車充電是繼電動車本身之后功率電子領域創(chuàng)新的推進器之一，也是碳化硅（SiC）等新型電源技術采用最迅速的市場之一。

直流EVSE部署的第一個也是最常見的使用案例包括一個端到端的系統(tǒng)，從電網(wǎng)到電動車的電池（圖9）。目前，這使用案例在充電樁和獨立的單體充電點中都可以找到，其中充電樁顯示了幾個這樣的轉換器。帶有多個快速或超快速充電器的充電樁需要一個高達1 MW（及以上）的高壓電網(wǎng)隔離變壓器，以便可靠地、不間斷地輸送電力。

在內(nèi)部，這些充電器由前端的AC-DC三相有源整流級組成，執(zhí)行功率因素校正（PFC）并提升直流鏈路電壓水平。隨后，一個隔離的DC-DC轉換級使輸出電壓和電流適應電動車中電池的需要。

圖9顯示了該系統(tǒng)模塊。為了最大限度地提高能效和規(guī)模，對高電壓系統(tǒng)的需求越來越大。這既適用于中間母線電壓（在PFC和DC-DC轉換器之間），也適用于輸出電壓，因為800 V及以上的電動車電池正在變得普遍。

如此高功率和高電壓的應用獲得了SiC模塊技術的好處，它表現(xiàn)出更高的擊穿電壓，更低的RDSON和動態(tài)損耗，以及卓越的熱性能。損耗的減少、提高開關頻率的可能性和增強的熱耗散使系統(tǒng)尺寸的縮小成為可能，無源元件的縮小和冷卻要求的降低。

這一系列獨特的性能使SiC模塊技術成為高效、功率密集和緊湊的快速直流充電解決方案的關鍵賦能者，可以方便地部署和大量擴展。在這種情況下，快速直流充電器的內(nèi)部模塊化也值得注意，因為大多數(shù)系統(tǒng)的特點是每個15-75 kW的堆疊子單元（圖9），這使得系統(tǒng)更加靈活和堅固，簡化了生產(chǎn)。

圖9. 快速直流電動車充電器的結構圖(左)。具有多個功率級堆疊的高功率直流電動車充電器(右)

第二種EVSE部署配置，隨著電動汽車進一步滲透到市場并搶占交通的重要部分，將獲得相關性，包括儲能系統(tǒng)（ESS）的整合。這個用例也可能涉及可再生分布式能源資源（DER）的整合，主要是太陽能。

這種類型的基礎設施將是維持電動車環(huán)境的一個關鍵支柱，充電樁將成為消費的焦點，并需要高的峰值功率。例如，5個額定功率為100 kW的充電樁將產(chǎn)生半兆瓦的峰值功率。僅僅依靠電網(wǎng)來維持多個充電樁的這種峰值功率實際上是不可能的，而這些充電樁將在全國范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。為了能夠在一天中可靠地提供能源，能源將來自電網(wǎng)，并在谷底時間轉移到高壓ESS。此外，太陽能將支持儲存的能量池，以幫助維持能量水平。

圖10. 儲能和太陽能與電動汽車充電樁整合的可能框圖

這種配置將引起對不同結構的直流充電器的需求，其中整流PFC級和DC-DC級是獨立的單元。圖10顯示了這種裝置的一個例子。在前端，三相PFC升壓級（AC-DC）將電力從電網(wǎng)輸送到DC BUS。在后端，該SC-DC雙向轉換器提供的由太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的能量被送入電動車充電器（DC-DC轉換器）或保存在ESS中。綁定在車輛上的降壓型DC-DC轉換器將使其輸出電壓適應電池兼容的電壓水平400 V-1000 V。

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