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交流或直流充電：模糊的界限

在電動(dòng)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(shè)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(huì)引起混淆，因?yàn)槿绻俺潆娖鳌蔽覀兛紤]的是發(fā)生電力轉(zhuǎn)換的實(shí)際設(shè)備，那么上面討論的元素就不是充電器。

交流充電和直流（direct current, DC）充電是簡(jiǎn)單的概念，但由于上述原因可能變得模糊不清。從本質(zhì)上講，兩者的區(qū)別在于將電力轉(zhuǎn)移到車輛的充電端口（而不是進(jìn)入電池）的模式。

在交流充電模式下，來(lái)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(zhuǎn)換——這里正確的名稱是充電器，因?yàn)橛须娏D(zhuǎn)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(zhuǎn)換由車外充電器進(jìn)行——我們?cè)俅握劶俺潆娖鳌D5說(shuō)明電動(dòng)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(dá)400 kW。

當(dāng)然，這些范圍內(nèi)的使用情況可能非常不同。另一點(diǎn)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?，F(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(lái)源：Yolé Development

交流充電通常被稱為“慢速充電”，這是因?yàn)樗墓β氏拗疲ㄗ罡叨送ǔ?2 kW）和最短的必要充電時(shí)間。交流電的高功率范圍（11-22 kW）有時(shí)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(shí)際定義。

另一方面，那些額定功率為22 kW、甚至高達(dá)400 kW的直流充電器被認(rèn)為是“快速”?！俺臁币辉~也用于50 kW以上的功率，但沒有實(shí)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(jìn)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(huì)顯示多個(gè)超快速充電器（每個(gè)>150 kW）。這種設(shè)施需要一個(gè)來(lái)自電網(wǎng)的專用高壓變壓器。

充電率和時(shí)間

為了了解如今的充電時(shí)間，一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算可以讓我們走得更遠(yuǎn)?？紤]到一輛電池容量為60千瓦時(shí)的汽車（BEV現(xiàn)在釋放的電池容量在30至120千瓦時(shí)之間）[10]?和一個(gè)100 kW的直流充電器，可以得出以下結(jié)果:

充電時(shí)間=電池容量（有效）*1[千瓦時(shí)]/平均充電功率[kW]?充滿電池的范圍=電池容量（有效）*1[千瓦時(shí)]/效率[千瓦時(shí)/100公里]60千瓦時(shí)/100?kW=36分鐘

60千瓦時(shí)/（18千瓦時(shí)/100公里*2）=~333公里

*1 在這個(gè)練算中，考慮的是完整的電池容量?？赡苡幸恍╇妱?dòng)車會(huì)對(duì)全部?"有效?"容量構(gòu)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(shí)/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(dá)100 kW的直流充電率，目前發(fā)布的車型之間的實(shí)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(shí)/100公里的比率衡量。有可用的數(shù)據(jù)庫(kù)[12]提供多種BEV的詳細(xì)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?yàn)殡S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(gè)與基于內(nèi)燃機(jī)的車輛進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)。以100千瓦時(shí)的平均速度給我們的電動(dòng)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(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車來(lái)說(shuō)，同樣的運(yùn)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(chǎng)正在迅速發(fā)展并推動(dòng)更高的功率解決方案[在電動(dòng)汽車供應(yīng)設(shè)備（EVSE）方面和車輛方面] 。允許超過350 kW功率。

直流充電的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

為了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化交流和直流充電技術(shù)，促進(jìn)支持電動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)和IEC規(guī)范。這些設(shè)定的框架，盡可能的全球化，幫助協(xié)會(huì)和行業(yè)發(fā)展協(xié)議和EVSE。然而，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是個(gè)微不足道的話題，因?yàn)閬?lái)自不同機(jī)構(gòu)的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)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(biāo)準(zhǔn)（以及發(fā)布機(jī)構(gòu)的總部所在地），如下：

IEC-68151（瑞士）

IEC-62196 (瑞士)

IEC61980 (瑞士)

ISO1740 9:2020 (瑞士)

SAEJ1772 (美國(guó))

GB/T18487 (中國(guó))

GB/T20234 (中國(guó))

GB/T27930 (中國(guó))

如果我們研究借鑒這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際充電協(xié)議和生態(tài)系統(tǒng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)三個(gè)全球擴(kuò)展的直流充電實(shí)施方案：CHAdeMO（“charge de move”移動(dòng)充電的縮寫）、聯(lián)合充電系統(tǒng)（CCS）和特斯拉超級(jí)充電樁。在中國(guó)，唯一的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施的協(xié)議是GB/T，并且也是該地區(qū)獨(dú)有的。

Q

直流充電的一些重要標(biāo)準(zhǔn)是什么？

IEC 61851。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）已經(jīng)制定了上一節(jié)中所列的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。IEC61851指的是“電動(dòng)汽車導(dǎo)電充電系統(tǒng)”，是IEC系列中電動(dòng)汽車充電的核心部分，專注電動(dòng)汽車導(dǎo)電充電系統(tǒng)的不同主題，包括分別達(dá)到1000 V和1500 V的交流和直流充電。該標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)氣口”，IEC61980涉及“電動(dòng)汽車無(wú)線電力傳輸（WPT）系統(tǒng)”。

ISO17409:2020是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）關(guān)于電動(dòng)汽車充電的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)上述IEC61851的專門補(bǔ)充。該文件涉及IEC61851-1中定義的充電“模式”2、3、4的 “電力驅(qū)動(dòng)的道路車輛--導(dǎo)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(lái)源：菲尼克斯電氣。SAEJ1772

在北美，管理標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(jí)”并定義了以下內(nèi)容。“交流1級(jí)”、“交流2級(jí)”、“直流1級(jí)”和“直流2級(jí)”（2017修訂版）。

在此需要指出的是，“三級(jí)”充電仍然是一個(gè)未定義的術(shù)語(yǔ)，被廣泛（和誤導(dǎo)）用來(lái)指直流充電。已經(jīng)有“交流3級(jí)”的實(shí)際項(xiàng)目（盡管從未完全開發(fā)）和“直流3級(jí)”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(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)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(lái)，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(duì)比。由于IEC連接器（Type 1和Type 2）使用相同的SAEJ1772信號(hào)協(xié)議，汽車制造商在銷售汽車時(shí)，要么使用SAEJ1772-2009進(jìn)氣口，要么使用IEC Type 2進(jìn)氣口，具體取決于市場(chǎng)。

直流充電協(xié)議

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(kuò)展。

CHAdeMO - 該協(xié)會(huì)于2010年在日本成立，并制定了與之同名的電動(dòng)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(guān)者支持和推動(dòng)。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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)是900 kW的充電器，與中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)（CEC）聯(lián)合開發(fā)一個(gè)被稱為“ChaoJi”的超高功率充電標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)合作還致力于成為第一個(gè)全球超快速充電器協(xié)議。2020年5月，CHAdeMO報(bào)告實(shí)現(xiàn)了全球安裝32,000個(gè)快速充電器的目標(biāo)，其中14,400個(gè)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(luò)的地區(qū)，特斯拉正在順應(yīng)這些系統(tǒng)。

來(lái)源：Enel X

聯(lián)合充電系統(tǒng)（Combined Charging System, 簡(jiǎn)稱CCS）

另一個(gè)快速直流充電協(xié)議和系統(tǒng)最初由歐洲和美國(guó)的汽車制造商、EVSE基礎(chǔ)設(shè)施制造商和其他行業(yè)相關(guān)參與者開發(fā)和認(rèn)可。亞洲制造商也加入了該組織。這些機(jī)構(gòu)大多正式組織為CharIN協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)協(xié)議的開發(fā)和推廣。

CCS系統(tǒng)與適用的IEC、SAE和ISO標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)備中。在撰寫本文時(shí)，CharIN網(wǎng)樁列出了已部署的超過33,800個(gè)直流充電點(diǎn)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?cè)谠瓉?lái)的交流充電對(duì)應(yīng)物（Type 1和Type 2）的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)用于直流電流的雙引腳插座。

在這種方式下，車輛上的獨(dú)特插座類型（每個(gè)地區(qū)）可以同時(shí)進(jìn)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(lái)，努力開發(fā)和部署一個(gè)全歐洲的快速充電樁網(wǎng)絡(luò)。

圖8. 帶有交流、直流（CHAdeMO）和直流（CCS）連接器的充電樁

快速直流充電用例和配置

在前面的內(nèi)容中，我們已討論并了解了快速直流充電：

它是什么，它不是什么

功率和電壓水平以及充電時(shí)間

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議

在以下內(nèi)容中，討論將使我們更深入地了解這項(xiàng)技術(shù)，并揭示：

a）實(shí)際部署直流充電器的配置；

b）介紹“引擎蓋”下的關(guān)鍵功率電子，這已成為電動(dòng)汽車的基石。

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

直流充電樁的基礎(chǔ)設(shè)施配置

直流EVSE部署的第一個(gè)也是最常見的使用案例包括一個(gè)端到端的系統(tǒng)，從電網(wǎng)到電動(dòng)車的電池（圖9）。目前，這使用案例在充電樁和獨(dú)立的單體充電點(diǎn)中都可以找到，其中充電樁顯示了幾個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換器。帶有多個(gè)快速或超快速充電器的充電樁需要一個(gè)高達(dá)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(jí)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(gè)隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)使輸出電壓和電流適應(yīng)電動(dòng)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(duì)高電壓系統(tǒng)的需求越來(lái)越大。這既適用于中間母線電壓（在PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換器之間），也適用于輸出電壓，因?yàn)?00 V及以上的電動(dòng)車電池正在變得普遍。

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

這一系列獨(dú)特的性能使SiC模塊技術(shù)成為高效、功率密集和緊湊的快速直流充電解決方案的關(guān)鍵賦能者，可以方便地部署和大量擴(kuò)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?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是每個(gè)15-75 kW的堆疊子單元（圖9），這使得系統(tǒng)更加靈活和堅(jiān)固，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)。

圖9. 快速直流電動(dòng)車充電器的結(jié)構(gòu)圖(左)。具有多個(gè)功率級(jí)堆疊的高功率直流電動(dòng)車充電器(右)

第二種EVSE部署配置，隨著電動(dòng)汽車進(jìn)一步滲透到市場(chǎng)并搶占交通的重要部分，將獲得相關(guān)性，包括儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的整合。這個(gè)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(yáng)能。

這種類型的基礎(chǔ)設(shè)施將是維持電動(dòng)車環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵支柱，充電樁將成為消費(fèi)的焦點(diǎn)，并需要高的峰值功率。例如，5個(gè)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(lái)維持多個(gè)充電樁的這種峰值功率實(shí)際上是不可能的，而這些充電樁將在全國(guó)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(lái)自電網(wǎng)，并在谷底時(shí)間轉(zhuǎn)移到高壓ESS。此外，太陽(yáng)能將支持儲(chǔ)存的能量池，以幫助維持能量水平。

圖10. 儲(chǔ)能和太陽(yáng)能與電動(dòng)汽車充電樁整合的可能框圖

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

- 前文回顧 -

• 電動(dòng)汽車快速充電系列文章之一｜電動(dòng)車部署展望