電動汽車充電器：標準和許多連接器的故事

快速增長的電動汽車 （EV） 銷售正在推動充電基礎設施的增長，預計到 40 年，所有功率水平的年價值將達到 2030 億美元。這將為電動汽車充電價值鏈上的公司提供巨大的機會。

在 Wolfspeed 的引擎蓋下是什么系列的這一章中，我們介紹了各種標準充電功率水平，并描述了全球使用的各種電動汽車充電器插頭。最后，我們討論了車輛與充電器之間以及充電器與電網(wǎng)之間通信的類型和標準。

雖然最常見的電動汽車充電器類型是插入家中標準墻上插座的充電器，但不同的交流功率水平和直流快速充電都有標準（圖 1）。前兩個充電功率級別基于交流電源，并使用電動汽車的車載充電器 （OBC） 將交流電從傳統(tǒng)交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為直流電。

每個級別通常使用插頭和通信引腳以及受國際（IEC和ISO）或國家標準或特斯拉管理的協(xié)議。

1 級充電

1 級設備采用單相 120 V AC，通常來自標準家用插座，額定電流最大為 15 A，帶斷路器降額為 12 A。這將最大可用功率限制為 1.4 kW，但專用 20 A 插座可以將其提升到 2.4 kW。

1 級主要在北美使用，因為世界其他地區(qū)最低的國內(nèi)電源電壓約為該水平的兩倍。這種充電水平可提供每小時約 4-6 英里（6.4-9.7 公里）的行駛里程，從空電量充滿電需要 40-50 小時。

2 級充電

AC 2 級設備在歐洲和世界其他地區(qū)提供家用 240 V 充電。在3.3千瓦至22千瓦時，它可以每小時提供約12-54英里（19.3-86.9公里）。從空到充滿電的電動汽車，2 級充電需要 4-10 小時。阿拉伯數(shù)字

該規(guī)范規(guī)定單相電流高達 80 A（最大 19.2 kW），但大多數(shù)插座的額定電流為 30-40 A。在 40 A 時，可用的最大功率僅為 9.6 kW。但是，使用特殊的多相電路，例如在美國商業(yè)充電地點提供的電路，可以實現(xiàn)高達22 kW的功率。據(jù)估計，美國超過 80% 的公共電動汽車供應設備 （EVSE） 為 2 級。

3 級充電

在 3 級，也稱為直流 2 級或直流快速充電 （DCFC），EVSE 可以在短短 80-15 分鐘內(nèi)將電動汽車從空充電到 45%，通常在一小時內(nèi)增加 100 到 200 多英里（160.9-321.8 公里）的行駛里程。

這些充電器利用三相交流到高壓直流（車輛電池電壓），需要專用基礎設施來提供 50-300+ kW，這對于貨車和卡車等中重型電動汽車以及長途旅行中的乘用電動汽車特別有用。

據(jù)估計，美國約有15%的公共EVSE端口能夠支持直流快速充電器。

標準和插頭

電動汽車行業(yè)尚未就單個交流或直流連接器達成一致，并且插頭（連接器）明顯多于電動汽車充電的功率水平。根據(jù) EV 品牌和國家/地區(qū)，連接器的形狀、尺寸和引腳配置各不相同。

通常，所有連接器都使用兩個或多個大引腳（L1、L2、L3 用于交流相位線，N 表示中性線，AUX 表示輔助，PE 或 GND 用于保護接地或接地），以及幾個較小的引腳用于通信控制導頻 （CP）、接近導頻 （PP） 和控制器局域網(wǎng) （CAN），以及專有引腳。

SAE J1772：J1772（J 型插頭或矢崎連接器）在 IEC 62196-2 中被指定為用于單相交流充電的 Type 1 連接器的實現(xiàn)。雖然指定用于 1 級和 2 級，但它主要用于美國和日本。特斯拉插頭可以使用適配器使用 J 插頭充電。

1 型連接器具有帶有五個引腳的圓形外殼;有兩個交流電源引腳、一根接地線和兩個信號引腳：PP 和 CP。

門內(nèi)克斯：IEC將其定義為2型連接器，是歐洲2級充電的標準配置。特斯拉在歐洲使用Type 2連接器進行交流和直流充電。該連接器具有五個用于中性線的電源引腳和三個交流線路相位和接地，可用于單相和三相充電。它還具有兩個用于 CP 和 PP 的小信號引腳。

國標/噸：這是國家標準/推建的簡稱，意思是推薦性（但不是強制性的）國家標準。中國的GB/T 20234-2015標準采用了與2型門內(nèi)克斯連接器相似但不兼容的交流連接器。該插頭允許交流充電功率為 8 kW 或 27.7 kW，電流為 10/16/32 A（250 V）或 16/32/64 A （440 V）。

對于直流充電，GB/T有一個不同的插頭，其獨特的是能夠同時為電動汽車中的低壓輔助電池和高壓牽引電池充電。

CCS：組合充電系統(tǒng) （CCS） 標準將交流和直流充電整合到一個連接器中，該連接器已在美國、歐盟和韓國廣泛采用。在美國，CCS 1 在 AC J1772 配置下方放置了兩個額外的直流電源引腳。歐盟使用 CCS 2，它同樣將 AC Type 2 連接器與 DC 電源引腳相結(jié)合。CCS 連接器也稱為組合，符合 IEC 62196-1、62196-2 和 62196-3 標準。

查德莫：該標準由豐田、日產(chǎn)和三菱等日本公司聯(lián)盟開發(fā)，已作為IEC 61851-23、61851-24和62196-3以及IEEE 2030.1.1TM-2015發(fā)布。但是，在美國，只有日產(chǎn)和三菱銷售帶有此連接器的電動汽車。

CHAdeMO 使用具有三個電源引腳和六個信號引腳的“Type 4”EV 連接器。

特斯拉連接器：此專有插頭支持 1 至 3 級充電條件。該插頭是美國特斯拉汽車的唯一選擇，使用三個電源引腳（包括接地）和兩個信號引腳。特斯拉插頭的獨特之處在于使用相同的連接器和引腳進行交流和直流充電。

然而，在歐洲，特斯拉為所有車型提供 Type 2 電纜，為 Model X 和 S 提供 CCS 2 適配器（Model 3 使用 CCS 2），并單獨銷售 CHAdeMO 適配器。四

通信協(xié)議

車輛、充電器和電網(wǎng)之間的通信方式是標準化的，并側(cè)重于兩個主要的通信流——車輛和充電器之間以及充電器和電網(wǎng)之間。上述各種連接器中的信號引腳需要傳達的信息以標準IEC 61851、ISO 15118、DIN 70121和VDV 261為指導，這些標準定義了多個功能級別。每個功能使用不同的通信方法，并提供不同級別的功能和狀態(tài)支持。

低電平通信 （IEC 61851）：它提供與充電狀態(tài)和最大電流相關(guān)的有限功能，并使用接近先導引腳來確定狀態(tài)。

中級通信 （IEC 61851-1）：它使用在兩個定義的電平之間交替的控制導頻和脈寬調(diào)制 （PWM） 信號。EVSE 通過占空比指定 EV 的最大充電電流。IEC 61851-1標準定義了適用的占空比值。雖然功能與低級別類似，但可以強制進行高級通信。

高級通信 （IEC 61851-1）：直流充電的要求，此級別使用基于 IPv6 的協(xié)議結(jié)構(gòu)和基于專用引腳的電力線通信 （PLC） 技術(shù)，例如 CCS 中的 CP 和 PE。兩種常見的協(xié)議是符合ISO 15118-3和DIN 70121標準的信號級衰減表征（SLAC）和CAN，后者由DC GB/T和DC CHAdeMO使用。

充電器到電網(wǎng)：充電器到電網(wǎng)的通信通過使用開放充電點協(xié)議 （OCPP） 通過以太網(wǎng)（或通過蜂窩網(wǎng)絡無線方式）進行，OCPP 是一種允許 EVSE 通過中央管理系統(tǒng)進行通信的應用協(xié)議。OCPP 的愿景是使任何電動汽車充電器與任何充電器管理軟件配合使用，并可能支持增值服務。

結(jié)論

電動汽車充電基礎設施領(lǐng)域目前有大量的連接器和孤立的服務提供商，這限制了“充電器漫游”或使用離電動汽車車主最近的任何充電站的能力。但是，廣泛和快速采用電動汽車的最后一個挑戰(zhàn)已經(jīng)通過行業(yè)努力得到解決。例如，美國超過50%的電動汽車現(xiàn)已采用CCS標準5，而特斯拉使用軟件驗證禁止美國非特斯拉電動汽車使用充電器，并已開放其在歐洲龐大的充電基礎設施。

審核編輯：郭婷