电动汽车充电器的分类与拓扑结构

来源：kaiyun.com官网    发布时间：2024-02-19 10:21:07

  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世界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，能够给大家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年以来一直迅速增加，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年全世界电动车的保有量，图2展示了2016年至2021年全球电动汽车的销量和市场份额。

  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明显的变化。在欧洲经历了 2 年的销量大幅度增长之后，电动汽车在 2021 年仅增长了 +15%。图3展示了2013-2022年全世界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，我们正真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。

  相比之下，能源储存是国际气候和能源协定的基础。然而，即使有很多可再次生产的能源可用，却很少被储存。通过有效地解决存储这些清洁能源，我们大家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。从这个方面来看，电动汽车能发挥比较好的作用，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)，可能是马上就要来临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。

  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，能够在一定程度上促进电动汽车与周围环境之间的能量交换。这种能量交换能够最终靠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。

  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充电器能够准确的通过几个标准做分类，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。

  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。

  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G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加多的脉宽调制(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

  中国、欧洲和北美已经建立了GB、ISO、IEC和SAE国际和地区标准，这中间还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。

  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、功能和品质衡量准则。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定义了两个直流快充等级: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。

  （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法以及通信和管理方式来进行了分类。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。

  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设施(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上限功率的限制。 模式3使用具有专业的控制和保护的专用交流充电桩。这是很常用的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。

  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，并能连接到任何充电桩，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。

  SAE J1772连接器被大范围的应用于美国、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。

  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模块设计的，因此它能支持高达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耦合器能够使用三种不同的配置，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设施(IC-CPD)和插头的电动汽车充电电缆，能够最终靠家用插座进行交流充电。如图15d所示，该设备具备了模式2 EV插头，交流充电功率可达3.7 KW (230 V@16A)。

  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。

  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做必要的参数交换。

  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。

  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标准对充电基本信息参数的要求 其引脚定义和控制逻辑与其他标准不一样，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。这些都在某些特定的程度上影响了chaoji标准的推进。

  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。

  未来汽车行业将如何变革谁也预料不到，但有一点，现在的造车技术将对汽车产业未来的发展产生深远的影响，有些可能是颠覆性的。 如今，电动汽车被慢慢的变多的人所关注，除了产品宣传外，技术的创新与发展是电动汽车走向成功的重要的条件。而电动汽车的某些新技术将对现在乃至未来的汽车行业造成深远影响，比如特斯拉model s的17寸超大多功能液晶显示屏，见者都为其超大而先进的技术所折服，而这也将开创大型显示屏的先河。 特斯拉电池技术 特斯拉被誉为汽车界的苹果，疯子般的造成理念让其在汽车界所向披靡，如今已成为炙手可热的新一代明星。而其成功的关键就是令众多车企都头疼的电池技术，谁解决了电动汽车电池及充电问题，谁将是汽车界下一

  看未来 5项科技将引领汽车大变革 /

  日前，从国家标准化管理委员会网站获悉，由中国电科院主笔编写的国家标准《电动汽车非车载充电机电能计量》获国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布，并将于6月1日正式实施，标准编号GB/T29318-2012。     据悉，中国电科院作为该标准的主要起草单位，在广泛征集各行业专家意见，全面掌握电动汽车非车载充电机的充电特性之后，制订出了这一具有开拓性、实用性与可执行性的标准。该标准涵盖了电动汽车非车载充电机电能计量的技术方面的要求，及电能计量装置的配置安装要求、试验方法和检验规则。为充电设施商业化运营提供标准支撑，为规范非车载充电机和充电计量用电能计量装置的设计、生产及验收提供技术是依据，促进了电动汽车和充电设施产

  沃尔沃汽车公司宣布，将逐步淘汰包括混合动力汽车在内的所有内燃机汽车产品，到2030年实现仅出售纯电动汽车的目标，且所有车型将全部在线上销售。 沃尔沃汽车首席执行官霍坎·萨穆埃尔松表示，保持公司长足发展要实现盈利增长，因此沃尔沃选择“投资未来——电动汽车和在线销售，而非正在萎缩的业务”。 沃尔沃汽车公司创立于1927年，总部设在瑞典哥德堡，2010年被中国吉利集团收购。 沃尔沃汽车 3 月 2 日发布了全球可持续发展战略目标。具体时间表为： 2025 年实现全面电气化，届时纯电车型占比将达到 50%，其余为混动车型； 2030 年成为纯电豪华车企； 2040 年力求成为气候零负荷标杆企业；所有纯电车型将只在线上

  最新一期的《经济学人》杂志的封面报道，将 人工智能 的发展对未来世界的影响和19世纪工业革命联系起来，机器的大规模应用是否会让工人大规模失业。而随着人工智能技术的发展，这样的一个问题又被人提了出来。大多数人想“这与我何干啊？”。认真地读下去，人工智能的发展将会影响一切。     1.机器问题重现 从最初的屡屡失败，到现在的朝气蓬勃，人工智能会导致大面积失业甚至让人类灭绝吗？或许历史会给我们一些有用的线索。   有些人害怕机器会抢走所有人的工作，而只是有选择地让少数人受益，并最终彻底颠覆社会。然而在历史上，类似的一幕曾出现过。两个世纪前，工业化的浪潮席卷英国，与今天同样的担忧曾引发了激烈的争论。当时，人们不说「

  电动汽车 发展越来越火的今天，很多的车企为了让自己在 电动汽车 战略上发展更好，互相合作。日本汽车公司丰田、马自达和大型汽车零配件制造商电装公司28日宣布，三家公司就合作研发 电动汽车 有关技术签署合同，并决定为此成立一家新公司。下面就随汽车电子小编共同来了解一下相关联的内容吧。   日本三大企业成立公司研发电动汽车 根据三家公司在28日发布的新闻公报中说，丰田、马自达、电装将分别以90%、5%、5%的比例总计出资1000万日元(1美元合计112.7日元)。新公司总部设在离丰田总部所在地不远的名古屋市，主要是做能覆盖各级别、各车型的电动汽车基本构造有关技术的研发工作。新公司的专职工程师主要从三家公司借调。 近年来，

  欧盟委员会今天宣布，历时一年多制定的手机通电器统一标准已完成，不久后采用该标准的充电器和手机就将出现在欧洲市场上。 各厂商手机充电器的不同标准不仅给用户所带来了不少麻烦，也造成了全球性的浪费和环境问题。因此，要求统一手机充电器的呼声多年来一直不绝于耳。因此，欧盟去年6月邀请多家手机行业巨头，共同制定基于Micro-USB接口的手机充电器统一标准。除减少浪费保护自然环境外，厂商在充电器标准统一后，还有望通过取消在每部出售的手机中附带充电器以减少相关成本。 一年多时间后，欧盟两家标准化机构CEN-CENELEC（欧洲电子技术标准化委员会）和ETSI（欧洲通讯技术研究院）终于完成了该手机充电器统一标准。该标准不仅保证了不同品牌间

  德国汽车生产商宝马汽车公司(BMW)与汽车碳纤维生产商SGL Carbon(SGL)计划投资逾1亿欧元，以将合作生产的碳纤维产量从每年3000吨提高到6000吨，这项投资将使宝马与SGL提高在德、美两国的碳纤维产量，以用来满足一直增长的宝马i系列电动汽车的市场需求，并同时应用在预计将于明年底上市的宝马7系车上，以减轻新型宝马车辆自重并降低二氧化碳的排放量。 受上述消息提振，德国汽车碳纤维生产商SGL Carbon SE(SGL.XE)5日股票累计上涨12.24%至30.71欧元;在东京交易所上市的日本东丽(3402)过去一年股价累计上涨26%至709日元;世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克公司(ZOLT)过去一年来股价累计上涨1

  动力系统仿线、简介 永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor），简称PMSM，是指一种转子用永久磁铁代替绕线的同步马达。 PMSM以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，省去了集电环和电刷，大幅度的提升了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。 目前国产的电动车都是基本上使用永磁同步电机提供动力，使用SaberRD软件可以完美实现电动汽车动力系统的仿线个层次抽象了电动汽车动力系统。 仿真目标包括全局效率、长时间驱动的热分析、纳秒级的逆变器开关特性及损耗仿真。通过仿真可以优化电机和变频器控制参数，验证电能质量(THD和损失),并

  动力系统仿真方案简介 /

  三合一电驱动系统效率测试

  用驱动电机系统可靠性试验方法

  驱动电机选配方法

  用轮毂电机研究热点及趋势分析

  MPS电机研究院 让电机更听话的秘密！ 第一站：电机应用知识大考！跟帖赢好礼~

  电源小课堂 从12V电池及供电网络优化的角度分析电动汽车E/E架构的趋势

  解锁【W5500-EVB-Pico】，探秘以太网底层，得捷电子Follow me第4期来袭！

  Intel Lunar Lake超低功耗处理器首曝：24年的超线日消息，Intel早已确认，将在今年内发布两款新处理器，其中Lunar Lake是现有Meteor Lake的真正继任者，主打超低功耗，重点是轻薄本 ...

  LM4766是一款具有静音功能的串联双路音频放大器，属于最高端的单片双声道音频功率放大集成电路，是美国国家半导体公司（NS公司）推出的 ...

  LM4766是美国NS公司推出的双声道大功率放大集成电路，每个声道在8Ω的负载上可以输出40W平均功率，而且失线%。在国半公司的产 ...

  lm4766功放ic参数LM4766具有过压、欠压、过载、超温（165℃时输出自动关闭，155℃时自动恢复工作）及该公司专利安全工作区SPIKE峰值保 ...

  LM4766功放芯片的主要指标包括：1 输出功率：LM4766的输出功率取决于供电电压和电路设计，典型值为每通道40W。这在某种程度上预示着每个声道都可以输 ...

  嵌入式操作系统开发相关FPGA/DSP总线与接口数据处理消费电子工业电子汽车电子其他技术存储技术综合资讯论坛电子百科词云：