電動汽車國標充電口發展分析

謝飛胡 成臺

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

國標充電口是指符合中國國家標準的充電口。電動汽車通過充電口進行充電，國標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備的交流電經過交流充電口輸入給車載充電機，車載充電機對交流電進行轉換，輸出直流電給電池包充電；直流充電是指直流供電設備通過直流充電口輸出直流電給電池充電[1]。國標充電口和國際上其他主流充電口的執行標準不同，界面和工作方式不一樣，存在的問題也不一樣。文章結合國際主流充電口的發展情況來分析國標充電口存在的問題以及未來的發展情況。

1 充電口的發展情況

1.1 國標充電口介紹

圖1 示出國標充電口示意圖，國標交流充電口滿足GB/T 20234.2—2015 的要求，國標直流充電口滿足GB/T 20234.3—2015 的要求。交流充電口共有7 個插孔[2]，分別為 L1，L2，L3，N，PE，CC，CP。L1，L2，L3，N 用作電源接口，CC 和CP 為信號接口，PE 為接地接口。直流充電口共有 9 個插孔[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，其余為信號接口。

圖1 國標充電口示意圖

除中國市場外，全球的充電系統目前被美國、日本和歐洲主導。表1 示出全球充電系統名稱及標準[4]。

表1 全球充電系統名稱及標準

1.2 北美及日本地區CHAdeMO&Type1

圖2 示出北美及日本地區充電口示意圖。日本CHAdeMO 組織設計開發出的直流快充接口命名為CHAdeMO Connector，早在20 世紀90年代就已經在JEVS G105—1993 標準中第 1 次發布，如圖2a所示。汽車零部件制造商矢崎（Yazaki）設計出一款名為Yazaki Connector 的充電口，如圖2b所示，Yazaki Connector 發布于美國電氣工程師協會標準SAE J1772—2009 中。

國際電工委員會（IEC） 在2011年發布的IEC 62196.2—2011 中收錄了SAE J1772 標準中的Yazaki Connector，命名為 Configuration Type1，簡稱 Type1，規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 標準收錄，命名為Configuration AA，規定最大電壓為600 V，最大電流為200 A，行業內更習慣保留其CHAdeMO Connector 的名稱。Type1 Connector 和 CHAdeMO Connector 一起被廣泛應用于北美及日本等地。圖3 示出日產聆風中安裝的Type1 Connector 和CHAdeMO Connector 充電口。

圖3 CHAdeMO 與Type1 充電口實物圖

1.3 歐洲地區Type2

在歐洲地區，德國制造商曼奈克斯（Mennekes）設計出充電口Menenkes connector，第1 次發布于德國標準 VDE-AR-E 2623-2-2 中。Menenkes connector 經過了一系列的修改，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 充電口示意及實物圖

1.4 聯合充電系統CCS

2011年10月12日，第 15 屆 VDI 國際會議中發布了聯合充電系統“Combined Charging System”，簡稱CCS。

2014年，CCS 被歐洲汽車制造商聯盟（ACEA）和美國電氣工程師協會（SAE）認可，并發布在IEC 和ISO標準中。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 標準中只能作為交流充電口，但在 J1772 標準中，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，負責單相120 V 或240 V 交流電的傳輸，最高可以傳輸80 A 的電流；PE為接地導體，用來保護電路；CS 和CP 為信號端子，CS用來確認充電口的插頭插座是否完全插合，CP 用以傳輸PWM信號來監測整個充電過程。

當Type1 充電口作直流充電用時，其各個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，CP 為控制導引電路；使用直流充電時，L3 和N變為 DC+，L1 和 L2 變為 DC-，PP 為充電連接確認，CP為控制導引。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70 kW 的充電功率。

2 國標充電口存在的問題

國標交流充電口參考Menenkes connector 的設計，使用PWM信號進行供電設備和車輛的通信。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。

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

國標充電口主要存在以下問題：1）需要2 個充電口，占用空間大；2）用戶使用不便利，體驗不佳；3）相較于CCS，供電設備的生產、建設較復雜；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，容易對端子產生燒蝕；6）直流充電口無法滿足IPXXB 的要求；7）配合尺寸公差大，沒有插合導引結構；8）與國際上CCS 及CHAdeMO等充電系統無法兼容，不能主導國際標準。

3 國標充電口的未來發展方向

3.1 交流充電口滿足交直流一體充電需求

國標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 實現交流、直流充電一體的原理相同，用1 個充電口滿足交流、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，如圖8所示。但是，由于交流充電口的端子載流能力低，導致充電功率低，其不適合作為未來的超級快充使用，可以作為家用小功率的直流充電使用，但因為目前交流充電口沒有預留CAN 通道，所以需要解決CAN 通信接口的問題。

圖8 國標交流充電口實現直流充電示意圖

目前的充電設施均為國標充電口，充電樁可以直接投入使用，僅需要對軟件部分進行升級即可。

3.2 采用國標聯合充電系統

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

圖9 國標聯合充電口示意圖

采用聯合充電系統，目前交流充電設施可以使用，直流充電設施必須配備專門的轉接口進行轉接。

3.3 開發新一代的充電口

對于下一代充電口，連接確認通道CC、控制導引通道CP 和CAN 通信通道的開發不可或缺。交流充電口使用現有標準不變。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，也可以解決直流充電口體積大的問題。

此外，對于直流充電口現存的其他問題，可采取如下策略：1）為滿足IPXXB 防護等級的要求，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 公用充電設施的發展

據統計，2018年我國新能源汽車產量超100 萬輛，新能源車產銷量的大規模增長必將需要越來越多的充電設施。

未來國標充電口的開發必須要考慮到與現有充電樁的兼容。目前我國的充電樁均配備國標充電口，使用國標轉接口來適配現存的充電設施和新能源汽車是有效且經濟的實現方法，帶舊充電口的汽車可直接使用現存充電設施，帶新充電口的汽車利用國標轉接口連接。這種轉接方式已經在特斯拉上實現。特斯拉Type2 充電口利用轉接口在ChadeMO 充電站充電，如圖11所示。

圖11 特斯拉在CHAdeMO 充電站轉接充電

4 結論

文章介紹了國際上的主流充電口，針對國標充電口存在的問題，提出未來的4 種發展方向，并分析了各個方向的優點和不足之處，對后續設計起到指導作用。文章沒有對車輛與充電設備之間的PLC 通信或CAN通信進行深入的對比分析，以及缺乏對充電口與車載充電機、BMS 等架構的分析，后續將在這些方面加以研究。