謝飛胡 成臺(tái)

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

國標(biāo)充電口是指符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)的充電口。電動(dòng)汽車通過充電口進(jìn)行充電，國標(biāo)充電口分為交流充電口和直流充電口。交流充電是指供電設(shè)備的交流電經(jīng)過交流充電口輸入給車載充電機(jī)，車載充電機(jī)對(duì)交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出直流電給電池包充電；直流充電是指直流供電設(shè)備通過直流充電口輸出直流電給電池充電[1]。國標(biāo)充電口和國際上其他主流充電口的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同，界面和工作方式不一樣，存在的問題也不一樣。文章結(jié)合國際主流充電口的發(fā)展情況來分析國標(biāo)充電口存在的問題以及未來的發(fā)展情況。

1 充電口的發(fā)展情況

1.1 國標(biāo)充電口介紹

圖1 示出國標(biāo)充電口示意圖，國標(biāo)交流充電口滿足GB/T 20234.2—2015 的要求，國標(biāo)直流充電口滿足GB/T 20234.3—2015 的要求。交流充電口共有7 個(gè)插孔[2]，分別為 L1，L2，L3，N，PE，CC，CP。L1，L2，L3，N 用作電源接口，CC 和CP 為信號(hào)接口，PE 為接地接口。直流充電口共有 9 個(gè)插孔[3]，分別為 DC+，DC-，PE，CC1，CC2，S+，S-，A+，A-。DC+ 和 DC- 用作電源接口，A+ 和A- 為低壓輔助電源，PE 為接地接口，其余為信號(hào)接口。

圖1 國標(biāo)充電口示意圖

除中國市場(chǎng)外，全球的充電系統(tǒng)目前被美國、日本和歐洲主導(dǎo)。表1 示出全球充電系統(tǒng)名稱及標(biāo)準(zhǔn)[4]。

表1 全球充電系統(tǒng)名稱及標(biāo)準(zhǔn)

1.2 北美及日本地區(qū)CHAdeMO&Type1

圖2 示出北美及日本地區(qū)充電口示意圖。日本CHAdeMO 組織設(shè)計(jì)開發(fā)出的直流快充接口命名為CHAdeMO Connector，早在20 世紀(jì)90年代就已經(jīng)在JEVS G105—1993 標(biāo)準(zhǔn)中第 1 次發(fā)布，如圖2a所示。汽車零部件制造商矢崎（Yazaki）設(shè)計(jì)出一款名為Yazaki Connector 的充電口，如圖2b所示，Yazaki Connector 發(fā)布于美國電氣工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE J1772—2009 中。

國際電工委員會(huì)（IEC） 在2011年發(fā)布的IEC 62196.2—2011 中收錄了SAE J1772 標(biāo)準(zhǔn)中的Yazaki Connector，命名為 Configuration Type1，簡稱 Type1，規(guī)定其最高電壓為單相250 V，充電電流不超過32 A[5]。

CHAdeMO Connector 被 IEC 62196.3—2014 標(biāo)準(zhǔn)收錄，命名為Configuration AA，規(guī)定最大電壓為600 V，最大電流為200 A，行業(yè)內(nèi)更習(xí)慣保留其CHAdeMO Connector 的名稱。Type1 Connector 和 CHAdeMO Connector 一起被廣泛應(yīng)用于北美及日本等地。圖3 示出日產(chǎn)聆風(fēng)中安裝的Type1 Connector 和CHAdeMO Connector 充電口。

圖3 CHAdeMO 與Type1 充電口實(shí)物圖

1.3 歐洲地區(qū)Type2

在歐洲地區(qū)，德國制造商曼奈克斯（Mennekes）設(shè)計(jì)出充電口Menenkes connector，第1 次發(fā)布于德國標(biāo)準(zhǔn) VDE-AR-E 2623-2-2 中。Menenkes connector 經(jīng)過了一系列的修改，如變換了插頭、插座中端子的類型等后，也被IEC 62196.2—2011 收錄并命名為Configuration Type2，簡稱Type2。Type2 可用作單相或三相交流充電，單相最高電流為70 A，三相最高電流為63 A。Type2 是歐洲最通用的充電口，如圖4所示。

圖4 Type2 充電口示意及實(shí)物圖

1.4 聯(lián)合充電系統(tǒng)CCS

2011年10月12日，第 15 屆 VDI 國際會(huì)議中發(fā)布了聯(lián)合充電系統(tǒng)“Combined Charging System”，簡稱CCS。

2014年，CCS 被歐洲汽車制造商聯(lián)盟（ACEA）和美國電氣工程師協(xié)會(huì)（SAE）認(rèn)可，并發(fā)布在IEC 和ISO標(biāo)準(zhǔn)中。CCS 中包含CCS1 和CCS2 2 種形式（或稱為Combo1 和 Combo2），充電功率范圍在 80～350 kW。CCS1 和CCS2 是分別在Type1 和Type2 的基礎(chǔ)上增加了2 根直流充電接口DC+和DC- 用于直流快充[6]，如圖5所示。CCS 的充電口既可以用于交流充電也可以滿足直流充電。

圖5 CCS 充電口的2 種形式

1.5 其他充電形式

Type1 充電口在IEC 標(biāo)準(zhǔn)中只能作為交流充電口，但在 J1772 標(biāo)準(zhǔn)中，Type1 既可以作為 AC Level 1 和AC level 2 的交流充電口，也可以作為DC level 1 的直流充電口，如圖6所示。

圖6 Type1 充電口的2 種形式

L1 和L2/N 作為交流供能接口，負(fù)責(zé)單相120 V 或240 V 交流電的傳輸，最高可以傳輸80 A 的電流；PE為接地導(dǎo)體，用來保護(hù)電路；CS 和CP 為信號(hào)端子，CS用來確認(rèn)充電口的插頭插座是否完全插合，CP 用以傳輸PWM信號(hào)來監(jiān)測(cè)整個(gè)充電過程。

當(dāng)Type1 充電口作直流充電用時(shí)，其各個(gè)接口的類型不同于交流充電。L1 和L2/N 接口變成了DC+和DC-，用來傳輸最高達(dá)80 kW 的充電功率。特斯拉的部分車輛僅有Type2 充電口，該充電口不但可以用作交流充電，也可以用作直流充電，如圖7所示。

圖7 特斯拉Type2 充電口

特斯拉在使用交流充電時(shí)和Type2 交流充電相同，L1，L2，L3，N 為三相四線，PE 為接地口，PP 用作連接確認(rèn)，CP 為控制導(dǎo)引電路；使用直流充電時(shí)，L3 和N變?yōu)?DC+，L1 和 L2 變?yōu)?DC-，PP 為充電連接確認(rèn)，CP為控制導(dǎo)引。直流充電最高電壓為500 V，最高充電電流為140 A，可提供高達(dá)70 kW 的充電功率。

2 國標(biāo)充電口存在的問題

國標(biāo)交流充電口參考Menenkes connector 的設(shè)計(jì)，使用PWM信號(hào)進(jìn)行供電設(shè)備和車輛的通信。交流充電包含單相和三相2 種，單相最高充電功率為6.6 kW，三相最高充電功率為41 kW。

國標(biāo)直流充電口參考CHAdeMO Connector 的設(shè)計(jì)，和CHAdeMO 充電系統(tǒng)相同，都使用CAN 作為車輛和樁端的通信方式。在國標(biāo)直流充電口中，S+和S-為 CAN 通信 接 口，CHAdeMO 中 COM1 和 COM2 為CAN 通信接口。國標(biāo)直流充電最大充電電流為250 A，最大充電功率為250 kW。

國標(biāo)充電口主要存在以下問題：1）需要2 個(gè)充電口，占用空間大；2）用戶使用不便利，體驗(yàn)不佳；3）相較于CCS，供電設(shè)備的生產(chǎn)、建設(shè)較復(fù)雜；4）直流充電電流小，無法滿足350 kW 大功率的充電要求；5）直流充電超過200 A，端子溫升大，容易對(duì)端子產(chǎn)生燒蝕；6）直流充電口無法滿足IPXXB 的要求；7）配合尺寸公差大，沒有插合導(dǎo)引結(jié)構(gòu)；8）與國際上CCS 及CHAdeMO等充電系統(tǒng)無法兼容，不能主導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)。

3 國標(biāo)充電口的未來發(fā)展方向

3.1 交流充電口滿足交直流一體充電需求

國標(biāo)交流充電口目前只能適用于交流充電。將原先僅用于交流充電的 4 個(gè)電源接口 L1，L2，L3，N 改為也可用作四通道直流充電的電源接口DC+和DC-，和Type1 或Type2 實(shí)現(xiàn)交流、直流充電一體的原理相同，用1 個(gè)充電口滿足交流、直流兩用的功能，可以極大地降低充電口的占用空間和提高用戶的體驗(yàn)，如圖8所示。但是，由于交流充電口的端子載流能力低，導(dǎo)致充電功率低，其不適合作為未來的超級(jí)快充使用，可以作為家用小功率的直流充電使用，但因?yàn)槟壳敖涣鞒潆娍跊]有預(yù)留CAN 通道，所以需要解決CAN 通信接口的問題。

圖8 國標(biāo)交流充電口實(shí)現(xiàn)直流充電示意圖

目前的充電設(shè)施均為國標(biāo)充電口，充電樁可以直接投入使用，僅需要對(duì)軟件部分進(jìn)行升級(jí)即可。

3.2 采用國標(biāo)聯(lián)合充電系統(tǒng)

和CCS 充電口類似，在交流充電口的下方增加2 個(gè)載流能力超過400 A 的直流通道，可以滿足1 個(gè)充電口兩用的需要，也可以實(shí)現(xiàn)大功率快充的功能，如圖9所示，但CAN 通信接口的問題仍然需要解決。

圖9 國標(biāo)聯(lián)合充電口示意圖

采用聯(lián)合充電系統(tǒng)，目前交流充電設(shè)施可以使用，直流充電設(shè)施必須配備專門的轉(zhuǎn)接口進(jìn)行轉(zhuǎn)接。

3.3 開發(fā)新一代的充電口

對(duì)于下一代充電口，連接確認(rèn)通道CC、控制導(dǎo)引通道CP 和CAN 通信通道的開發(fā)不可或缺。交流充電口使用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不變。直流充電口必須滿足占用空間小的要求，下一代直流充電口可以采用全新的端子排列方式取消低壓輔助電源通道，如圖10所示。

圖10 全新的直流充電口端子排列方式示意圖

通過加大DC+和DC- 端子之間的距離，在增大額定電壓的同時(shí)，也可以解決直流充電口體積大的問題。

此外，對(duì)于直流充電口現(xiàn)存的其他問題，可采取如下策略：1）為滿足IPXXB 防護(hù)等級(jí)的要求，可以使用10 mm2或8 mm2功率端子，使充電口更安全。2）減小充電插頭和插座的配合公差，提高充電端子的配合精度，降低接觸電阻，可將接觸電阻控制在0.3 mΩ 以下。3）使用材料涂層。在端子的接觸表面，添加導(dǎo)電潤滑劑減少端子的摩擦、磨損和抗腐蝕性；在端子的非接觸面，如母端子的外表面添加散熱涂層，如碳納米管（CNTs），提升端子的散熱能力，降低溫升。

3.4 公用充電設(shè)施的發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國新能源汽車產(chǎn)量超100 萬輛，新能源車產(chǎn)銷量的大規(guī)模增長必將需要越來越多的充電設(shè)施。

未來國標(biāo)充電口的開發(fā)必須要考慮到與現(xiàn)有充電樁的兼容。目前我國的充電樁均配備國標(biāo)充電口，使用國標(biāo)轉(zhuǎn)接口來適配現(xiàn)存的充電設(shè)施和新能源汽車是有效且經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，帶舊充電口的汽車可直接使用現(xiàn)存充電設(shè)施，帶新充電口的汽車?yán)脟鴺?biāo)轉(zhuǎn)接口連接。這種轉(zhuǎn)接方式已經(jīng)在特斯拉上實(shí)現(xiàn)。特斯拉Type2 充電口利用轉(zhuǎn)接口在ChadeMO 充電站充電，如圖11所示。

圖11 特斯拉在CHAdeMO 充電站轉(zhuǎn)接充電

4 結(jié)論

文章介紹了國際上的主流充電口，針對(duì)國標(biāo)充電口存在的問題，提出未來的4 種發(fā)展方向，并分析了各個(gè)方向的優(yōu)點(diǎn)和不足之處，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。文章沒有對(duì)車輛與充電設(shè)備之間的PLC 通信或CAN通信進(jìn)行深入的對(duì)比分析，以及缺乏對(duì)充電口與車載充電機(jī)、BMS 等架構(gòu)的分析，后續(xù)將在這些方面加以研究。