电动汽车充电器：标准和许多连接器的故事

快速增长的电动汽车 （EV） 销售正在推动充电基础设施的增长，预计到 40 年，所有功率水平的年价值将达到 2030 亿美元。这将为电动汽车充电价值链上的公司提供巨大的机会。

在 Wolfspeed 的引擎盖下是什么系列的这一章中，我们介绍了各种标准充电功率水平，并描述了全球使用的各种电动汽车充电器插头。最后，我们讨论了车辆与充电器之间以及充电器与电网之间通信的类型和标准。

虽然最常见的电动汽车充电器类型是插入家中标准墙上插座的充电器，但不同的交流功率水平和直流快速充电都有标准（图 1）。前两个充电功率级别基于交流电源，并使用电动汽车的车载充电器 （OBC） 将交流电从传统交流电网转换为直流电。

每个级别通常使用插头和通信引脚以及受国际（IEC和ISO）或国家标准或特斯拉管理的协议。

1 级充电

1 级设备采用单相 120 V AC，通常来自标准家用插座，额定电流最大为 15 A，带断路器降额为 12 A。这将最大可用功率限制为 1.4 kW，但专用 20 A 插座可以将其提升到 2.4 kW。

1 级主要在北美使用，因为世界其他地区最低的国内电源电压约为该水平的两倍。这种充电水平可提供每小时约 4-6 英里（6.4-9.7 公里）的行驶里程，从空电量充满电需要 40-50 小时。

2 级充电

AC 2 级设备在欧洲和世界其他地区提供家用 240 V 充电。在3.3千瓦至22千瓦时，它可以每小时提供约12-54英里（19.3-86.9公里）。从空到充满电的电动汽车，2 级充电需要 4-10 小时。阿拉伯数字

该规范规定单相电流高达 80 A（最大 19.2 kW），但大多数插座的额定电流为 30-40 A。在 40 A 时，可用的最大功率仅为 9.6 kW。但是，使用特殊的多相电路，例如在美国商业充电地点提供的电路，可以实现高达22 kW的功率。据估计，美国超过 80% 的公共电动汽车供应设备 （EVSE） 为 2 级。

3 级充电

在 3 级，也称为直流 2 级或直流快速充电 （DCFC），EVSE 可以在短短 80-15 分钟内将电动汽车从空充电到 45%，通常在一小时内增加 100 到 200 多英里（160.9-321.8 公里）的行驶里程。

这些充电器利用三相交流到高压直流（车辆电池电压），需要专用基础设施来提供 50-300+ kW，这对于货车和卡车等中重型电动汽车以及长途旅行中的乘用电动汽车特别有用。

据估计，美国约有15%的公共EVSE端口能够支持直流快速充电器。

标准和插头

电动汽车行业尚未就单个交流或直流连接器达成一致，并且插头（连接器）明显多于电动汽车充电的功率水平。根据 EV 品牌和国家/地区，连接器的形状、尺寸和引脚配置各不相同。

通常，所有连接器都使用两个或多个大引脚（L1、L2、L3 用于交流相位线，N 表示中性线，AUX 表示辅助，PE 或 GND 用于保护接地或接地），以及几个较小的引脚用于通信控制导频 （CP）、接近导频 （PP） 和控制器局域网 （CAN），以及专有引脚。

SAE J1772：J1772（J 型插头或矢崎连接器）在 IEC 62196-2 中被指定为用于单相交流充电的 Type 1 连接器的实现。虽然指定用于 1 级和 2 级，但它主要用于美国和日本。特斯拉插头可以使用适配器使用 J 插头充电。

1 型连接器具有带有五个引脚的圆形外壳;有两个交流电源引脚、一根接地线和两个信号引脚：PP 和 CP。

门内克斯：IEC将其定义为2型连接器，是欧洲2级充电的标准配置。特斯拉在欧洲使用Type 2连接器进行交流和直流充电。该连接器具有五个用于中性线的电源引脚和三个交流线路相位和接地，可用于单相和三相充电。它还具有两个用于 CP 和 PP 的小信号引脚。

国标/吨：这是国家标准/推建的简称，意思是推荐性（但不是强制性的）国家标准。中国的GB/T 20234-2015标准采用了与2型门内克斯连接器相似但不兼容的交流连接器。该插头允许交流充电功率为 8 kW 或 27.7 kW，电流为 10/16/32 A（250 V）或 16/32/64 A （440 V）。

对于直流充电，GB/T有一个不同的插头，其独特的是能够同时为电动汽车中的低压辅助电池和高压牵引电池充电。

CCS：组合充电系统 （CCS） 标准将交流和直流充电整合到一个连接器中，该连接器已在美国、欧盟和韩国广泛采用。在美国，CCS 1 在 AC J1772 配置下方放置了两个额外的直流电源引脚。欧盟使用 CCS 2，它同样将 AC Type 2 连接器与 DC 电源引脚相结合。CCS 连接器也称为组合，符合 IEC 62196-1、62196-2 和 62196-3 标准。

查德莫：该标准由丰田、日产和三菱等日本公司联盟开发，已作为IEC 61851-23、61851-24和62196-3以及IEEE 2030.1.1TM-2015发布。但是，在美国，只有日产和三菱销售带有此连接器的电动汽车。

CHAdeMO 使用具有三个电源引脚和六个信号引脚的“Type 4”EV 连接器。

特斯拉连接器：此专有插头支持 1 至 3 级充电条件。该插头是美国特斯拉汽车的唯一选择，使用三个电源引脚（包括接地）和两个信号引脚。特斯拉插头的独特之处在于使用相同的连接器和引脚进行交流和直流充电。

然而，在欧洲，特斯拉为所有车型提供 Type 2 电缆，为 Model X 和 S 提供 CCS 2 适配器（Model 3 使用 CCS 2），并单独销售 CHAdeMO 适配器。四

通信协议

车辆、充电器和电网之间的通信方式是标准化的，并侧重于两个主要的通信流——车辆和充电器之间以及充电器和电网之间。上述各种连接器中的信号引脚需要传达的信息以标准IEC 61851、ISO 15118、DIN 70121和VDV 261为指导，这些标准定义了多个功能级别。每个功能使用不同的通信方法，并提供不同级别的功能和状态支持。

低电平通信 （IEC 61851）：它提供与充电状态和最大电流相关的有限功能，并使用接近先导引脚来确定状态。

中级通信 （IEC 61851-1）：它使用在两个定义的电平之间交替的控制导频和脉宽调制 （PWM） 信号。EVSE 通过占空比指定 EV 的最大充电电流。IEC 61851-1标准定义了适用的占空比值。虽然功能与低级别类似，但可以强制进行高级通信。

高级通信 （IEC 61851-1）：直流充电的要求，此级别使用基于 IPv6 的协议结构和基于专用引脚的电力线通信 （PLC） 技术，例如 CCS 中的 CP 和 PE。两种常见的协议是符合ISO 15118-3和DIN 70121标准的信号级衰减表征（SLAC）和CAN，后者由DC GB/T和DC CHAdeMO使用。

充电器到电网：充电器到电网的通信通过使用开放充电点协议 （OCPP） 通过以太网（或通过蜂窝网络无线方式）进行，OCPP 是一种允许 EVSE 通过中央管理系统进行通信的应用协议。OCPP 的愿景是使任何电动汽车充电器与任何充电器管理软件配合使用，并可能支持增值服务。

结论

电动汽车充电基础设施领域目前有大量的连接器和孤立的服务提供商，这限制了“充电器漫游”或使用离电动汽车车主最近的任何充电站的能力。但是，广泛和快速采用电动汽车的最后一个挑战已经通过行业努力得到解决。例如，美国超过50%的电动汽车现已采用CCS标准5，而特斯拉使用软件验证禁止美国非特斯拉电动汽车使用充电器，并已开放其在欧洲庞大的充电基础设施。

审核编辑：郭婷