电动汽车充电器的分类与拓扑结构

1、背景

由于全球对减少CO2排放和提高燃料效率的需求，电动汽车的研究和开发在全球范围内得到了推广和发展。用以替代传统燃油车辆。事实上，电动汽车由于其低功耗和无本地排放，可以提供一个相对很好的选择来减轻交通运输的环境影响和减少对能源的依赖。   在此背景下，电动汽车市场的销量自2010年以来一直快速增长，如图1所示。2018年，全球电动汽车保有量超过510万辆，几乎是2017年的两倍。截至2019年底，包括轻型汽车在内的全球电动汽车保有量为750万辆。2020年，全球EV车队突破1000万辆，自2019年以来增长43%。尤其是三分之二的存量和所有新注册的电动汽车是纯电电动汽车。2021年，EV销量再创新高。它们几乎翻了一番，达到660万辆，使道路上的电动汽车总数超过1650万辆。经过几年的发展，与2020年相比，中国的销售额增长了三倍，达到330万辆，与2023年相比相比，2021年欧洲的销售额增长了三分之二，达到230万辆。2021年全球电动汽车销量的85%以上来自中国和欧洲，与2020年相比增长了一倍多，达到63万辆，其次是美国，占10%。图1展示了2010年至2021年全球电动车的保有量，图2展示了2016年至2021年全球电动汽车的销量和市场份额。  

图1、2010年至2021年全球电动车的保有量  

图2、2016年至2021年全球电动汽车的销量和市场份额  

2022 年共交付了 1050万辆新的 BEV 和 PHEV，与 2021年相比增长了 +55%。不过，区域增长模式正在发生变化。在欧洲经历了 2 年的销量大幅增长之后，电动汽车在 2021 年仅增长了 +15%。图3展示了2013-2022年全球电动车销量结及增长率。  

图3、2013-2022年全球电动车销量结及增长率  

欧洲汽车制造商协会(ACEA)提供的数据中发现，电动汽车在欧洲越来越普遍。图4显示了2018年至2021年欧盟按发动机类型划分的新乘用车注册量的年度增长。然而，在欧盟，新的电动汽车注册从5.9%（2019年）增加到37.6%（2021年）。与此同时，我们看到传统汽油车的销售（从36.7%降至19.6%）和柴油车销售（从55.6%降至40.0%）普遍下降。

图4、2018-2021年按燃料类型划分的欧盟新车市场份额。  

相比之下，能源储存是国际气候和能源协定的基础。然而，即使有很多可再生能源可用，却很少被储存。通过有效地解决存储这些清洁能源，我们可以加快向无排放社会的过渡，同时避免在电网上的大量支出和改造。从这个角度来看，电动汽车可以发挥比较好的作用，因为它们能够在电池组中保留大量电能，这些电能以后可能被用来改善电力网络。电动汽车和电网之间的能量交换，被称为车辆到电网(V2G)，可能是即将到来的新一代电网的主要概念之一。如图5所示，它隐含了两个能量方向：电网到车辆(G2V)为电池充电，而V2G则是为电池放电。因此，在V2G期间，电动汽车自动与智能电网交互，以利用电池储存的能量，在用电高峰期有利于降低电网的负荷，保持电网的良好运行。

图5、G2V&V2G能量流

  当发生停电时，电动汽车电池可直接作为家庭用电负荷的应急电源。这种电动汽车双向充电机制被称为车到家(V2H)技术。这些V2G、V2H和其他功能，如车辆到建筑物(V2B，当电动汽车可以为建筑物的电气安装提供服务时)或目前已经实现的车辆到负载(V2L，例如，在露营地提供电力负载)，被称为车辆到一切(V2X)。图6说明了这一功能是有前途的电动汽车技术，可以促进电动汽车与周围环境之间的能量交换。这种能量交换可以通过嵌入车辆或电动汽车充电站的双向电动汽车充电机来实现。

图6、V2X技术  

2、电动汽车充电器的分类与拓扑结构

（1）电动汽车充电器的分类

动力电池是电动汽车的重要组成部分，它是电动汽车能量的来源。因此，需要一个电动汽车充电系统来保证电池的充电过程。这一重要部件主要基于功率转换，允许电能在电网和电动汽车电池之间转移。因此，这些EV充电器可以根据几个标准进行分类，包括充电器位置、能量传递方向、充电器结构、连接类型和功率转换的数量等。表1说明了每种分类类型的选项。  

表1、充电方式分类  

图7、无线充电系统框图  

（2）电动汽车充电机拓扑结构

电动汽车充电机拓扑有很多。如上节介绍的车载、非车载、单双向、集成和无线充电等。双向电动汽车充电器通常由一个或两个功率转换级组成，需要它们来保证G2V或V2G功能。因此，通过在具有或不具有电偶隔离的单级或双级结构中组合不同的AC-DC和DC-DC功率转换级，各种双向EV充电机拓扑都是可能的。如图8，展示出了可用于电动汽车充电机可能的可用结构。

图8、电动汽车充电机解决方案的可能结构  

在双级情况下，双向电动汽车充电器包括AC-DC和DC-DC两级。第一个执行功率因数校正(PFC)功能，并提供经调节的高DC总线输出电压。而第二级将电动汽车电池连接到高直流母线电压，并确保在G2V和V2G模式下的能量交换。在G2V模式下，可逆AC-DC级作为功率因数的升压功率整流器，而后级DC-DC变换器工作在降压模式下，以确保EV充电功能。在V2G模式下，可逆AC-DC级作为功率逆变器，可向电网注入能量，而双向DC-DC级在升压变换器中开始工作，以确保从电动汽车电池到DC总线的能量交换。在单级情况下，电动汽车充电器只有一个AC-DC或一个DC-DC级。在第一种方法中，功率变换器AC-DC使得在电网侧对电动汽车电池进行功率因数控制的充放电成为可能。充电器由电动汽车充电站提供交流电。

第二部分通过DC-DC级来保证电池的充电和放电。然而，除了在DC中为充电器供电之外，还确保了电动汽车充电站侧的功率因数控制。各种电路通常用于用半桥或全桥功率变换器执行双向AC-DC或DC-DC功率转换级。半桥结构成本较低，单元较少，但构件应力较高。相比之下，全桥级有更多的组件，成本更高，但组件应力更低。除了控制和管理系统的复杂性和成本之外，全桥拓扑结构需要更多的脉宽调制(PWM)控制信号。   图9显示了常用的双向交直流功率转换级电气原理图。图9a显示了一个双向半桥单相交直流转换器。图9b显示了一个双向全桥单相交直流转换器。图9c显示了一个双向三相交直流转换器。图9d显示了一个双向三电平二极管箝位交直流电源变换器。大功率电动汽车充电器推荐使用双向多级三相交直流转换器。这些转换器具有高功率因数,低总谐波失真(THD)率,低电网侧电磁干扰噪声。除此之外,它们提供高水平的直流电压，纹波小，不受直流侧负载和源干扰的影响。

图9、常用的双向交直流功率转换级电气原理图   图10显示了采用V2X技术的电动汽车充电应用中最常用的dc-dc电源电路。图10a展示了非隔离双向半桥dc-dc功率转换器，而图10b展示了双向交错dc-dc功率变换器。图10c为隔离型双向双有源桥式(DAB) dc-dc功率变换器，图9d为隔离型电感双向双有源桥式(DAB) dc-dc功率变换器，其为非接触式版本。它是一种用于双向感应式电动汽车充电器的结构;左侧位于电动汽车充电桩内，右侧位于车辆内。

图10、采用V2X技术的电动汽车充电器中最常用的dc-dc功率转换阶段的电气原理图  

3、电动汽车充电标准概述

中国、欧洲和北美已经建立了GB、ISO、IEC和SAE国际和地区标准，其中包括从充电桩到充电设备的全套标准和法规，以全面管理电动汽车充电过程。以下是这些标准的介绍。

（1）SAE 1772标准

SAE J1772是由SAE International发布的标准，涵盖了北美地区电动汽车导电充电过程的一般物理、电气、功能和质量标准。本标准为电动汽车和电动汽车供电设备(EVSE)提供了可用的导电充电方法，包括车辆入口和配套连接器的操作、功能和尺寸要求。此外，SAE术语“充电水平”被用于对目前在北美市场上提供的充电系统的额定电流、电压和功率进行分类。因此，2017年10月修订的SAE J1772标准概述了四个充电级别:AC Level 1、AC Level 2、DC Level 1和DC Level 2。表2列出并描述了它们配置的可充电等级。

SAE J1772 AC 1级充电标准假定电动汽车可以在家中或办公室停车场使用传统的墙壁插座充电。电源为交流单相，功率高达1.9 KW (120V/ 16A)。SAE J1772的AC二级充电也假设电动汽车有车载充电器，电源为单相交流，标称电压为240V，可提供高达80A的电流和最高19.2 KW的功率。交流2级充电也可用于住宅安装，使用墙盒。不过，更常见的是在工作场所或公共停车场将电动汽车连接到电动汽车充电桩。交流充电功率一般为3.3 KW、7 KW和20 KW。SAE J1772定义了两个直流快速充电等级:DC Level 1和DC Level 2，功率分别为80kW和400kW。如表2所示，充电桩通过直流连接器直接向电动汽车电池提供直流电压。  

表2、SAE 1772可充电等级  

（2）IEC 61851标准 在欧洲等国家，IEC对电动汽车充电系统的配电方式和保护安装方式以及通信和管理方式进行了分类。如图11所示，2017年发布的国际标准IEC 61851-1描述了四种不同的电动汽车充电模式，a、b、c、d分别是模式1、2、3、4。各模式的具体说明见表3。

图11、IEC 61851定义的充电模式  

表3、充电模式说明  

模式1使用基本的扩展电缆从标准家用插座取电为电动汽车充电，而不使用保护设备。此外，这个标准的家用插座使用慢速保险丝保护，使这种充电模式非常不安全。因此，模式1实际使用很少，也不建议使用。   模式2从标准的家用插座取电为电动汽车充电，该插座增加了安装在电缆内的控制和保护系统(称为电缆内控制和保护装置(IC-CPD))。与模式1相比，这种充电方式的危险性要小得多。但是，充电功率将受到插座的最大功率的限制。   模式3使用具有专业的控制和保护的专用交流充电桩。这是比较常用的AC充电模式，功率范围从3.7千瓦到43千瓦。   模式4为直流充电模式。公共电动汽车充电桩直接为电动汽车电池组提供直流电压。  

（3）GB标准

中国GB关于充电的标准主要有以下标准，具体如表4所示。

表4、GB充电标准汇总  

4、电动汽车充电连接器

在我们理想情况下，应该是所有电动汽车都配备相同的充电接口，并且可以连接到任何充电桩，这样效率和适配性会更高。不幸的是，事实并非如此。不同地理区域和车型的电动汽车充电口可能不同，如表5所示，出现了多种充电连接器。下面将进行具体介绍。

表5、不同地区或国家不同的充电接口  

（1）SAE 1772连接器

SAE J1772连接器被广泛应用于美国、加拿大和日本的交流充电系统中。它适用单相交流电源，充电功率可达19.2 kW (240 V@80A)。图12显示了SAE 1772的插口和插座。     具体的引脚定义如图13所示。

图13、SAE 1772 AC插座引脚定义   其控制引导电路如图14所示。

图14、SAE 1772 充电控制引导电路  

（2）IEC type2连接器

Type2连接器最早由德国制造商曼奈柯斯于2009年提出，目前仍被普遍称为(即Mennekes type 2)。2013年1月，欧盟委员会将其指定为欧盟官方充电连接器。欧盟以外的一些国家，包括澳大利亚和新西兰目前还在使用这款连接器，而中国标准GB/T 20234-2的交流充电连接器类似。这款连接器最初是为交流充电系统设计的，因此它可以支持高达7.4 kW (230V @ 32A)或43 kW (400V@63A)的单相或三相交流电源充电。从技术上讲，Mennekes Type 2耦合器可以采用三种不同的配置，如表6所示，但在欧盟只用了第一种。

表6、可用于交流和直流的type2连接器   IEC 2型连接器是直径为70毫米(2.8英寸)的圆形连接器，其侧面平整，便于机械校准，如图15a所示。其引脚定义如图15b所示。澳大利亚、新西兰、欧洲等地区的一些公共电动汽车充电桩大部分都有充电电缆，而也有一些只有插座。因此，图15c展示了专门连接桩到车的充电电缆。   此外，每辆电动车一般都配备了一个便携式的充电枪。这是一款配备电缆控制和保护装置(IC-CPD)和插头的电动汽车充电电缆，可以通过家用插座进行交流充电。如图15d所示，该设备具有模式2 EV插头，交流充电功率可达3.7 KW (230 V@16A)。

图15、Type连接器及其相关设备  

（3）CCS连接器

除了交流充电，直流快充目前从利用率来说还是要高很多的。因此，在北美，CCS Combo 2是除了日产和三菱以外几乎所有制造商使用的标准。与美国和加拿大的CCS Combo 1系统(J1772连接器)相同，它将两个直流快充与Type 2连接器结合在一起，如表7所示。

表7、CCS连接器   CCS Combo 1车端连接器引脚定义如图16所示，CCS Combo 2车端和桩端连接器引脚定义如图17所示。

图16、CCS1车端连接器引脚定义  

图17、CCS2桩端和车端连接器引脚定义  

（4）CHAdeMO连接器

CHAdeMO是一款充电功率为6kw ~ 400kw的电动汽车直流快充连接器，其连接器如图18所示，其时序电路及引脚布局如图19所示。有十(10)个引脚，其中有一个没有连接(引脚#3)。时序电路的建立确保充电控制过程中进行必要的参数交换。

图18、CHAdeMO连接器  

图19、CHAdeMO时序电路及引脚定义   它是由日本CHAdeMO协会设计的，该协会也负责认证，以确保电动汽车和充电桩之间的兼容性。CHAdeMO协会由东京电力公司、三菱、日产和斯巴鲁公司与2010共同创立，随后丰田也加入其中。     

（5）GB连接器

在电动汽车充电基础设施中，我国使用交流和直流充电分开的连接器形式。如表5所示。适用的的电压、电流和功率范围如表8所示。

表8、GB/T 20234标准对充电基本参数的要求   其引脚定义和控制逻辑与其他标准有所不同，但与欧标类似。其交流充电连接器及其引脚定义如图20所示，直流充电连接及其引脚定义如图21所示。

图20、交流充电连接器及其引脚定义  

图21、直流充电连接器及其引脚定义   在中国和日本政府的支持下，CHAdeMO组织和中国电力委员会(CEC)最近几年也一直在研究一个新的国际大功率直流充电标准，该标准是想向后兼容现有的CHAdeMO和GB/T标准。图22显示了新的GB/T- CHAdeMO连接器原型，充电功率高达900千瓦(1500V@ 600A)，并命名为超级。就目前最近几年chaoji的推进进展而言，是不如预期的。当然，这中间有很多的因数，新的接口要替代原有的接口，从主机厂和桩企的角度来说都要付出很大的成本，加上在原有GB/T20234 的标准基础上实现了液冷后，过电流能力也有了很大的提升。再加之800V电压平台的逐渐研发，充电电流下降，原有GB/T20234的直流充电接口基本能满足车辆的充电需求。这些都在一定程度上影响了chaoji标准的推进。  

（6）Tesla连接器

Tesla的充电连接是交直流共用的，在而且也主要是在北美地区使用。也在墨西哥、日本和我国台湾地区使用。而在欧洲、东南亚、印度等地区也都是使用IEC Type2和CCS连接器。在中国大陆地区销售的车辆则是使用GB标准的充电连接器。    

编辑：黄飞