在本白皮書(shū)中，我們探討了日益增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，以及它對(duì)社會(huì)提出的新要求——提供像給燃油汽車(chē)加油那樣輕松易用的電池充電解決方案。我們探討了關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)充電的標(biāo)準(zhǔn)，以及在這個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域中日益興起的各種拓?fù)洹Ｎ覀兎窒砹嗽诂F(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)方面的經(jīng)驗(yàn)，包括功率轉(zhuǎn)換，支付系統(tǒng)和安全。我們審視了在今后幾年實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)至關(guān)重要的電子元器件、評(píng)估系統(tǒng)和配套軟件，以支持前面的分析。

引言

隨著市場(chǎng)上純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）數(shù)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，同時(shí)，來(lái)自環(huán)保的壓力要求將車(chē)輛排放減少至零，純電動(dòng)汽車(chē)日益受到青睞。相比于內(nèi)燃機(jī)（IC）車(chē)輛，純電動(dòng)汽車(chē)最受詬病的問(wèn)題之一是其續(xù)航里程。當(dāng)前市場(chǎng)上的大多數(shù)純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程已經(jīng)達(dá)到約160公里（100英里），這足以滿足普通的日常通勤需求，日常通勤距離一般在10公里到20公里左右。

然而，電動(dòng)汽車(chē)并非僅從事單一活動(dòng)的交通工具。日常通勤往往伴隨著接送孩子上下學(xué)、帶孩子上課外班，以及超市購(gòu)物等。一旦將所有這些額外行程納入考慮，這種電動(dòng)汽車(chē)的電池電量將所剩無(wú)幾，這會(huì)讓一些消費(fèi)者感到不安。此外，不同于內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛，電動(dòng)汽車(chē)不能像加油那樣在短短幾分鐘內(nèi)重新充滿電。對(duì)于長(zhǎng)途旅程，每開(kāi)一段路就停下來(lái)充電的做法根本行不通。

目前這種到加油站為汽車(chē)加油的方式仍然有其價(jià)值，但或許更適用于長(zhǎng)途旅程。更有可能的是，電動(dòng)汽車(chē)將在我們上班或購(gòu)物期間，在停車(chē)場(chǎng)或交通樞紐完成充電，為接下來(lái)的旅程做好準(zhǔn)備。

各種可選的電動(dòng)汽車(chē)充電方式

大多數(shù)汽車(chē)均支持通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)家用單相交流電（AC）電源進(jìn)行充電，因此所有車(chē)主都可以利用夜間在家為汽車(chē)充電。現(xiàn)有各式各樣的交流充電解決方案，如使用家用插座直接將汽車(chē)接至家用電源，或者使用將纜上控制和保護(hù)裝置（IC-CPD）集成在一起的專(zhuān)用插座，或者使用壁掛式“專(zhuān)用充電墻“。這些解決方案一般在充電系統(tǒng)與汽車(chē)之間配備了通信接口，并內(nèi)部集成接地和保護(hù)裝置。

當(dāng)然，電池本身要求用直流（DC）電源進(jìn)行充電，汽車(chē)內(nèi)置的充電裝置必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。設(shè)計(jì)受限于空間、散熱、效率和重量等，都在一定程度上限制了車(chē)載充電裝置的輸出功率和充電速度。

顯然，未來(lái)的發(fā)展方向是提供非車(chē)載直流充電，這樣一來(lái)，可能完全無(wú)需車(chē)載充電裝置。

圖1：各種可選的電動(dòng)汽車(chē)充電方式

大容量電池如雨后春筍般在各個(gè)國(guó)家興起，引發(fā)了一系列富于前瞻性的概念，將這些電源融入人們的日常電力需求。有人考慮將它們納入太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，由住宅和商業(yè)建筑利用可再生能源發(fā)電來(lái)為電動(dòng)汽車(chē)充電，電動(dòng)汽車(chē)亦可在停電或用電高峰期間反過(guò)來(lái)供電。這種電動(dòng)汽車(chē)與建筑相互供電（V2B）的方式，已經(jīng)在美國(guó)底特律由菲亞特500e電動(dòng)汽車(chē)組成的車(chē)隊(duì)完成測(cè)試。

有人沿著這個(gè)思路進(jìn)一步探索，提出從國(guó)家角度來(lái)考慮電力需求，通過(guò)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)雙向互動(dòng)（V2G），平衡電力需求，同時(shí)大力發(fā)展可再生能源。荷蘭已經(jīng)與三菱歐藍(lán)德PHEV合作完成了V2G試驗(yàn)，這種電動(dòng)汽車(chē)的電池蓄電量可達(dá)到普通家庭的日常用電量。這種想法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)提出了很高的要求，因?yàn)樗鼈儾粌H需要實(shí)現(xiàn)高效的交流/直流轉(zhuǎn)換，而且還必須實(shí)現(xiàn)直流/交流轉(zhuǎn)換，以將電力反饋回電網(wǎng)。充電標(biāo)準(zhǔn)已反映了V2B和V2G需求，但關(guān)于如何在國(guó)內(nèi)或國(guó)際具體實(shí)現(xiàn)的規(guī)定還不夠清晰。

其他選項(xiàng)如換電，似乎并未得到廣泛支持。然而，在特定市場(chǎng)如印度，這種解決方案仍具一定吸引力，主要面向雙輪及三輪車(chē)和巴士。

感應(yīng)充電這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)將電能從停車(chē)位地下的線圈，傳送至集成在汽車(chē)內(nèi)部的線圈。雖然這種充電方案已經(jīng)廣泛用于手機(jī)，但在目前，受線圈損耗以及可傳送的電能大小等制約，在電動(dòng)汽車(chē)充電使用中較少。

圖2：多種不同充電方式

快速直流充電

如果要像給普通汽車(chē)加油那樣便捷地為電動(dòng)汽車(chē)充電，必須能夠提供大功率充電。典型的22 kW交流充電系統(tǒng)，用時(shí)約120分鐘即可達(dá)到200公里續(xù)航里程，適用于車(chē)主在上班期間在停車(chē)場(chǎng)給電動(dòng)汽車(chē)充電。要將200公里續(xù)航里程的充電時(shí)間縮短至16分鐘，則需要借助150 kW直流充電系統(tǒng)。當(dāng)功率達(dá)到350 kW時(shí)，僅需7分鐘左右即可完成相同續(xù)航里程，用時(shí)和在加油站加油差不多。值得注意的是，充電時(shí)間的長(zhǎng)短也受限于電動(dòng)汽車(chē)的電池。

快速直流充電的最終目標(biāo)，在系統(tǒng)架構(gòu)以及可支持的輸出電壓和充電功率等方面的標(biāo)準(zhǔn)化。輸入電壓300 Vac到400 Vac之間，再通過(guò)交流/直流和直流/直流轉(zhuǎn)換器，將之轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車(chē)需要的直流電壓。數(shù)據(jù)傳輸通道用以提供關(guān)于汽車(chē)和電池充電狀態(tài)的信息，還需要確保數(shù)據(jù)安全來(lái)處理計(jì)費(fèi)。

圖3：電動(dòng)汽車(chē)直流充電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

目前直流充電功率上限高達(dá)350 kW，當(dāng)前大多數(shù)充電功率在50 kW左右。電源連接器定義考慮到了未來(lái)的高功率輸出要求，可支持最高1000 Vdc、200 A輸出。

對(duì)于在家充電，功率輸出受限于電源輸出。盡管可以接入兩相或三相電源，但專(zhuān)用充電墻可支持的功率不超過(guò)22 kW。然而在停車(chē)場(chǎng)和高速路服務(wù)區(qū)，則可部署完備的充電站，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)充電。10 kV– 30 kV中壓隔離變壓器將為充電功率高達(dá)350 kW的大功率充電系統(tǒng)提供電源，助力其同時(shí)滿負(fù)荷工作，以超快速度為多輛汽車(chē)充電。通過(guò)在變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，電源電路得以簡(jiǎn)化，整體能效大幅提高。

另一方面，多層或購(gòu)物中心停車(chē)場(chǎng)也可部署充電站。這種充電樁在外觀和尺寸上類(lèi)似于加油機(jī)，將專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為提供最高150 kW充電功率。然而，這種充電樁是通過(guò)接入三相低壓電網(wǎng)來(lái)獲取電力，因此不能所有充電樁同時(shí)以滿負(fù)荷運(yùn)行。

圖4：直流充電系統(tǒng)生態(tài)圈概覽

專(zhuān)用充電墻或充電樁，即上文描述的直立式裝置。這些裝置的實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，既可以是單個(gè)充電模塊，也可以是多個(gè)充電模塊并聯(lián)，允許今后隨著需求的變化而升級(jí)為更高充電功率。

充電模塊目前可以在15 kW到20 kW功率范圍內(nèi)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。隨著市場(chǎng)日益要求加快充電速度，使用50 kW左右甚或更高功率的功率模塊的趨勢(shì)已初露端倪。充電模塊本身由分立元件或功率模塊組成，在很大程度上取決于所要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格。

建立在標(biāo)準(zhǔn)化之上

新能源汽車(chē)的發(fā)展給許多行業(yè)造成了不同程度的沖擊，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些過(guò)去從未或很少接觸汽車(chē)行業(yè)的參與者。其中的例外，是那些長(zhǎng)期以來(lái)一直與半導(dǎo)體行業(yè)保持合作關(guān)系的汽車(chē)制造商。在這個(gè)日益發(fā)展的市場(chǎng)上，它們也是將其他一些參與者聯(lián)系起來(lái)的中間環(huán)節(jié)。

如今，汽車(chē)制造商并不運(yùn)營(yíng)加油站，同樣，它們也不會(huì)把主要精力放在電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施上面，這件事留給充電系統(tǒng)制造商去做，它們?cè)陂_(kāi)發(fā)類(lèi)似應(yīng)用的電源管理解決方案方面，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。由充電運(yùn)營(yíng)商來(lái)安裝和管理充電設(shè)施，它們將著眼于選用最高效率、最經(jīng)濟(jì)劃算的解決方案。它們的后端將進(jìn)行需求預(yù)測(cè)，優(yōu)化定價(jià)，同時(shí)建立安全支付機(jī)制。拼圖的最后一塊，是電力供應(yīng)商，必須有它們的支持，才能確保這個(gè)龐大的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目順利實(shí)現(xiàn)，確保電力供應(yīng)。

圍繞充電樁本身，已經(jīng)采取了標(biāo)準(zhǔn)化措施，以確保為消費(fèi)者提供安全、簡(jiǎn)便、通用的充電系統(tǒng)。在歐洲和美國(guó)，包括英飛凌在內(nèi)的有關(guān)各方已紛紛加入CharIN e. V.，這個(gè)組織致力于研發(fā)和推廣聯(lián)合充電系統(tǒng) (CCS)。其技術(shù)規(guī)范對(duì)汽車(chē)充電作了詳細(xì)的規(guī)定，從充電順序和數(shù)據(jù)通信，到充電插頭類(lèi)型等等。也有類(lèi)似組織制定其他標(biāo)準(zhǔn)，如日本的CHAdeMO和中國(guó)的GB/T等，而特斯拉則擁有自己的專(zhuān)有系統(tǒng)。

CharIN標(biāo)準(zhǔn)支持一個(gè)連接器既可以進(jìn)行交流充電，又可以進(jìn)行直流充電，并且已獲得許多國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。交流充電符合IEC 61851第1條和第22條的規(guī)定，直流充電符合第1條和第23條的規(guī)定。對(duì)于插頭和插座，應(yīng)參考IEC 62196第2部分關(guān)于2型交流連接器的規(guī)定，和第3部分Combo 2直流連接器（歐盟）和第1部分Combo 1連接器（美國(guó)）的規(guī)定。