1、背景

由于全球對減少CO2排放和提高燃料效率的需求，電動汽車的研究和開發(fā)在全球范圍內得到了推廣和發(fā)展。用以替代傳統(tǒng)燃油車輛。事實上，電動汽車由于其低功耗和無本地排放，可以提供一個相對很好的選擇來減輕交通運輸?shù)沫h(huán)境影響和減少對能源的依賴。 ? 在此背景下，電動汽車市場的銷量自2010年以來一直快速增長，如圖1所示。2018年，全球電動汽車保有量超過510萬輛，幾乎是2017年的兩倍。截至2019年底，包括輕型汽車在內的全球電動汽車保有量為750萬輛。2020年，全球EV車隊突破1000萬輛，自2019年以來增長43%。尤其是三分之二的存量和所有新注冊的電動汽車是純電電動汽車。2021年，EV銷量再創(chuàng)新高。它們幾乎翻了一番，達到660萬輛，使道路上的電動汽車總數(shù)超過1650萬輛。經(jīng)過幾年的發(fā)展，與2020年相比，中國的銷售額增長了三倍，達到330萬輛，與2023年相比相比，2021年歐洲的銷售額增長了三分之二，達到230萬輛。2021年全球電動汽車銷量的85%以上來自中國和歐洲，與2020年相比增長了一倍多，達到63萬輛，其次是美國，占10%。圖1展示了2010年至2021年全球電動車的保有量，圖2展示了2016年至2021年全球電動汽車的銷量和市場份額。 ?

圖1、2010年至2021年全球電動車的保有量 ?

圖2、2016年至2021年全球電動汽車的銷量和市場份額 ?

2022 年共交付了 1050萬輛新的 BEV 和 PHEV，與 2021年相比增長了?+55%。不過，區(qū)域增長模式正在發(fā)生變化。在歐洲經(jīng)歷了 2 年的銷量大幅增長之后，電動汽車在 2021 年僅增長了 +15%。圖3展示了2013-2022年全球電動車銷量結及增長率。 ?

圖3、2013-2022年全球電動車銷量結及增長率 ?

歐洲汽車制造商協(xié)會(ACEA)提供的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，電動汽車在歐洲越來越普遍。圖4顯示了2018年至2021年歐盟按發(fā)動機類型劃分的新乘用車注冊量的年度增長。然而，在歐盟，新的電動汽車注冊從5.9%（2019年）增加到37.6%（2021年）。與此同時，我們看到傳統(tǒng)汽油車的銷售（從36.7%降至19.6%）和柴油車銷售（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市場份額。 ?

相比之下，能源儲存是國際氣候和能源協(xié)定的基礎。然而，即使有很多可再生能源可用，卻很少被儲存。通過有效地解決存儲這些清潔能源，我們可以加快向無排放社會的過渡，同時避免在電網(wǎng)上的大量支出和改造。從這個角度來看，電動汽車可以發(fā)揮比較好的作用，因為它們能夠在電池組中保留大量電能，這些電能以后可能被用來改善電力網(wǎng)絡。電動汽車和電網(wǎng)之間的能量交換，被稱為車輛到電網(wǎng)(V2G)，可能是即將到來的新一代電網(wǎng)的主要概念之一。如圖5所示，它隱含了兩個能量方向：電網(wǎng)到車輛(G2V)為電池充電，而V2G則是為電池放電。因此，在V2G期間，電動汽車自動與智能電網(wǎng)交互，以利用電池儲存的能量，在用電高峰期有利于降低電網(wǎng)的負荷，保持電網(wǎng)的良好運行。

圖5、G2V&V2G能量流

? 當發(fā)生停電時，電動汽車電池可直接作為家庭用電負荷的應急電源。這種電動汽車雙向充電機制被稱為車到家(V2H)技術。這些V2G、V2H和其他功能，如車輛到建筑物(V2B，當電動汽車可以為建筑物的電氣安裝提供服務時)或目前已經(jīng)實現(xiàn)的車輛到負載(V2L，例如，在露營地提供電力負載)，被稱為車輛到一切(V2X)。圖6說明了這一功能是有前途的電動汽車技術，可以促進電動汽車與周圍環(huán)境之間的能量交換。這種能量交換可以通過嵌入車輛或電動汽車充電站的雙向電動汽車充電機來實現(xiàn)。

圖6、V2X技術 ?

2、電動汽車充電器的分類與拓撲結構

（1）電動汽車充電器的分類

動力電池是電動汽車的重要組成部分，它是電動汽車能量的來源。因此，需要一個電動汽車充電系統(tǒng)來保證電池的充電過程。這一重要部件主要基于功率轉換，允許電能在電網(wǎng)和電動汽車電池之間轉移。因此，這些EV充電器可以根據(jù)幾個標準進行分類，包括充電器位置、能量傳遞方向、充電器結構、連接類型和功率轉換的數(shù)量等。表1說明了每種分類類型的選項。 ?

表1、充電方式分類 ?

圖7、無線充電系統(tǒng)框圖 ?

（2）電動汽車充電機拓撲結構

電動汽車充電機拓撲有很多。如上節(jié)介紹的車載、非車載、單雙向、集成和無線充電等。雙向電動汽車充電器通常由一個或兩個功率轉換級組成，需要它們來保證G2V或V2G功能。因此，通過在具有或不具有電偶隔離的單級或雙級結構中組合不同的AC-DC和DC-DC功率轉換級，各種雙向EV充電機拓撲都是可能的。如圖8，展示出了可用于電動汽車充電機可能的可用結構。

圖8、電動汽車充電機解決方案的可能結構 ?

在雙級情況下，雙向電動汽車充電器包括AC-DC和DC-DC兩級。第一個執(zhí)行功率因數(shù)校正(PFC)功能，并提供經(jīng)調節(jié)的高DC總線輸出電壓。而第二級將電動汽車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級作為功率因數(shù)的升壓功率整流器，而后級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級作為功率逆變器，可向電網(wǎng)注入能量，而雙向DC-DC級在升壓變換器中開始工作，以確保從電動汽車電池到DC總線的能量交換。在單級情況下，電動汽車充電器只有一個AC-DC或一個DC-DC級。在第一種方法中，功率變換器AC-DC使得在電網(wǎng)側對電動汽車電池進行功率因數(shù)控制的充放電成為可能。充電器由電動汽車充電站提供交流電。

第二部分通過DC-DC級來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，還確保了電動汽車充電站側的功率因數(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功率轉換級。半橋結構成本較低，單元較少，但構件應力較高。相比之下，全橋級有更多的組件，成本更高，但組件應力更低。除了控制和管理系統(tǒng)的復雜性和成本之外，全橋拓撲結構需要更多的脈寬調制(PWM)控制信號。 ? 圖9顯示了常用的雙向交直流功率轉換級電氣原理圖。圖9a顯示了一個雙向半橋單相交直流轉換器。圖9b顯示了一個雙向全橋單相交直流轉換器。圖9c顯示了一個雙向三相交直流轉換器。圖9d顯示了一個雙向三電平二極管箝位交直流電源變換器。大功率電動汽車充電器推薦使用雙向多級三相交直流轉換器。這些轉換器具有高功率因數(shù),低總諧波失真(THD)率,低電網(wǎng)側電磁干擾噪聲。除此之外,它們提供高水平的直流電壓，紋波小，不受直流側負載和源干擾的影響。

圖9、常用的雙向交直流功率轉換級電氣原理圖 ? 圖10顯示了采用V2X技術的電動汽車充電應用中最常用的dc-dc電源電路。圖10a展示了非隔離雙向半橋dc-dc功率轉換器，而圖10b展示了雙向交錯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式電動汽車充電器的結構;左側位于電動汽車充電樁內，右側位于車輛內。

圖10、采用V2X技術的電動汽車充電器中最常用的dc-dc功率轉換階段的電氣原理圖 ?

3、電動汽車充電標準概述

中國、歐洲和北美已經(jīng)建立了GB、ISO、IEC和SAE國際和地區(qū)標準，其中包括從充電樁到充電設備的全套標準和法規(guī)，以全面管理電動汽車充電過程。以下是這些標準的介紹。

（1）SAE 1772標準

SAE J1772是由SAE International發(fā)布的標準，涵蓋了北美地區(qū)電動汽車導電充電過程的一般物理、電氣、功能和質量標準。本標準為電動汽車和電動汽車供電設備(EVSE)提供了可用的導電充電方法，包括車輛入口和配套連接器的操作、功能和尺寸要求。此外，SAE術語“充電水平”被用于對目前在北美市場上提供的充電系統(tǒng)的額定電流、電壓和功率進行分類。因此，2017年10月修訂的SAE J1772標準概述了四個充電級別: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。

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

表2、SAE 1772可充電等級 ?

（2）IEC 61851標準 在歐洲等國家，IEC對電動汽車充電系統(tǒng)的配電方式和保護安裝方式以及通信和管理方式進行了分類。如圖11所示，2017年發(fā)布的國際標準IEC 61851-1描述了四種不同的電動汽車充電模式，a、b、c、d分別是模式1、2、3、4。各模式的具體說明見表3。

圖11、IEC 61851定義的充電模式 ?

表3、充電模式說明 ?

模式1使用基本的擴展電纜從標準家用插座取電為電動汽車充電，而不使用保護設備。此外，這個標準的家用插座使用慢速保險絲保護，使這種充電模式非常不安全。因此，模式1實際使用很少，也不建議使用。 ? 模式2從標準的家用插座取電為電動汽車充電，該插座增加了安裝在電纜內的控制和保護系統(tǒng)(稱為電纜內控制和保護裝置(IC-CPD))。與模式1相比，這種充電方式的危險性要小得多。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。公共電動汽車充電樁直接為電動汽車電池組提供直流電壓。 ?

（3）GB標準

中國GB關于充電的標準主要有以下標準，具體如表4所示。

表4、GB充電標準匯總 ?

4、電動汽車充電連接器

在我們理想情況下，應該是所有電動汽車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更高。不幸的是，事實并非如此。不同地理區(qū)域和車型的電動汽車充電口可能不同，如表5所示，出現(xiàn)了多種充電連接器。下面將進行具體介紹。

表5、不同地區(qū)或國家不同的充電接口 ?

（1）SAE 1772連接器

SAE J1772連接器被廣泛應用于美國、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 ? 其控制引導電路如圖14所示。

圖14、SAE 1772 充電控制引導電路 ?

（2）IEC type2連接器

Type2連接器最早由德國制造商曼奈柯斯于2009年提出，目前仍被普遍稱為(即Mennekes type 2)。2013年1月，歐盟委員會將其指定為歐盟官方充電連接器。歐盟以外的一些國家，包括澳大利亞和新西蘭目前還在使用這款連接器，而中國標準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)設計的，因此它可以支持高達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，其側面平整，便于機械校準，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)的一些公共電動汽車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展示了專門連接樁到車的充電電纜。 ? 此外，每輛電動車一般都配備了一個便攜式的充電槍。這是一款配備電纜控制和保護裝置(IC-CPD)和插頭的電動汽車充電電纜，可以通過家用插座進行交流充電。如圖15d所示，該設備具有模式2 EV插頭，交流充電功率可達3.7 KW (230 V@16A)。

圖15、Type連接器及其相關設備 ?

（3）CCS連接器

除了交流充電，直流快充目前從利用率來說還是要高很多的。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準。與美國和加拿大的CCS Combo 1系統(tǒng)(J1772連接器)相同，它將兩個直流快充與Type 2連接器結合在一起，如表7所示。

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

圖16、CCS1車端連接器引腳定義 ?

圖17、CCS2樁端和車端連接器引腳定義 ?

（4）CHAdeMO連接器

CHAdeMO是一款充電功率為6kw ~ 400kw的電動汽車直流快充連接器，其連接器如圖18所示，其時序電路及引腳布局如圖19所示。有十(10)個引腳，其中有一個沒有連接(引腳#3)。時序電路的建立確保充電控制過程中進行必要的參數(shù)交換。

圖18、CHAdeMO連接器 ?

圖19、CHAdeMO時序電路及引腳定義 ? 它是由日本CHAdeMO協(xié)會設計的，該協(xié)會也負責認證，以確保電動汽車和充電樁之間的兼容性。CHAdeMO協(xié)會由東京電力公司、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

在電動汽車充電基礎設施中，我國使用交流和直流充電分開的連接器形式。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標準對充電基本參數(shù)的要求 ? 其引腳定義和控制邏輯與其他標準有所不同，但與歐標類似。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 ? 在中國和日本政府的支持下，CHAdeMO組織和中國電力委員會(CEC)最近幾年也一直在研究一個新的國際大功率直流充電標準，該標準是想向后兼容現(xiàn)有的CHAdeMO和GB/T標準。圖22顯示了新的GB/T- CHAdeMO連接器原型，充電功率高達900千瓦(1500V@ 600A)，并命名為超級。就目前最近幾年chaoji的推進進展而言，是不如預期的。當然，這中間有很多的因數(shù)，新的接口要替代原有的接口，從主機廠和樁企的角度來說都要付出很大的成本，加上在原有GB/T20234 的標準基礎上實現(xiàn)了液冷后，過電流能力也有了很大的提升。再加之800V電壓平臺的逐漸研發(fā)，充電電流下降，原有GB/T20234的直流充電接口基本能滿足車輛的充電需求。這些都在一定程度上影響了chaoji標準的推進。 ?

（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、日本和我國臺灣地區(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。在中國大陸地區(qū)銷售的車輛則是使用GB標準的充電連接器。 ? ?

編輯：黃飛

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