各國電動汽車交流充電樁應用標準解讀及技術發展趨勢

摘要：全球范圍內目前主要擁有3 種交流充電樁的標準體系，分別是中國市場的《電動汽車傳導充電系統 第1 部分：通用要求》（GB/T 18487.1—2015）、歐洲市場的《電動汽車傳導充電系統 第1 部分：通用要求》（IEC 61851-1：2017）及美國和日本等市場的《電動汽車和插電式混合動力電動汽車充電連接器》（SAE J1772 OCT 2017）。不同類型的交流充電樁能否兼容是電動汽車行業內關注的重點。通過對不同地區充電樁相關標準的解讀，分別從充電接口結構、標準及認證方案，以及控制導引等方面給出了3 種類型充電樁標準的差異點和相同點；提出了交流充電樁主要在智能充電模塊、剩余電流保護器（RCD）和電動汽車給電網送電技術（V2G）等方面的發展趨勢。相關結論可為充電樁企業的規劃設計和檢測機構的檢測平臺搭建提供參考。

關鍵詞：電動汽車；交流充電樁；充電接口；控制導引

0 前言

為了早日實現碳達峰和碳中和，電動汽車在全球范圍內逐漸普及。隨著電動汽車的全面普及，作為給車輛補給電能的充電樁數量也在不斷增加。

交流充電樁作為一款成熟的充電產品，其優點在于設計簡單、充電效率較高、成本較低及安裝方便。

以我國為例，截至2022 年11 月，我國公共交流充電樁保有量達到99.9 萬臺［1］。但隨著交流充電樁的普及，市場上交流充電樁的質量也參差不齊，其主要的問題表現在無法正常工作、充電電流不準，以及存在漏電、短路和著火等風險。導致這些問題的主要原因是交流充電樁產品不屬于強制性檢定認證產品，部分企業為節省費用沒有嚴格按照相關的標準對產品性能進行驗證。

本文介紹了交流充電樁的工作原理，從標準角度出發解讀了不同國家交流充電樁的充電接口、設計標準、認證規范和充電控制導引等方面的異同點，并總結和提出了交流充電樁的技術發展趨勢。相關結論可為交流充電樁企業和檢測機構提供參考。

1 交流充電樁工作原理

交流充電樁是采用傳導方式為具有車載充電機的電動汽車提供交流電源的專用供電裝置［2］，其主要由交流充電接口、充電線纜和樁體等相關部件組成。交流充電樁通過控制導引電路板將電網電能輸送至車載充電機。交流充電樁通過調節脈沖寬度調制（PWM）占空比來控制充電電流。當占空比等于5% 時，交流充電樁與電動汽車需要在電能供應前提供數字通信才可以使用；當占空比小于10% 時，交流充電樁不可進行充電。

對于歐美等國家的交流充電樁，其充電電流最大可達到80 A，其占空比和交流充電電流的關系可表示為：

Type1 交流充電接口為5PIN 結構，即擁有5 個物理端子觸頭（見表2），Type1 交流充電接口的外觀結構如圖1 所示。Type1 交流充電接口分為2 類，分別為120 V 和240 V。其中，120 V 適用于單相充電，最大電流為20 A；240 V 適用于兩相充電，最大充電電流為80 A。該交流充電接口主要用于美國和日本等國家。當充電電壓為120 V 時（單相充電）時，觸頭L2/N 作為零線N；當充電電壓為240 V 時（兩相充電），觸頭L2/N 則作為火線L2。充電接口面板上EF（egress of fluids）所指區域為可供液體流出區域，由于Type1 交流充電接口未強制要求配置液冷，因此生產企業可自行決定是否保留EF 區域。

Type2 交流充電接口為7PIN 結構，即擁有7 個物理端子觸頭（見表3），其外觀結構如圖2 所示。

當占空比大于90% 時，交流充電樁不可進行充電。

2 各國交流充電樁對比

2. 1 交流充電樁接口

目前，全球各國交流充電樁的接口尺寸基本分為3 類，分別為Type1（由美國汽車工程師協會（SAE）定義）、Type2（由德國牽頭，國際電工協會（IEC）定義）和國標交流充電接口（由中國汽車標準化技術委員會（SAC/TC114）定義）。充電接口的尺寸標準見表1［3-5］。

Type2 交流充電接口分為2 類，電壓分別為250 V和480 V。其中：250 V 適用于單相充電，擁有13 A、20 A、32 A、63 A 和70 A 共5 檔電流可選；480 V適用于單相充電，擁有13 A、20 A、32 A 和63 A 共4 檔電流可選。該交流充電接口主要用于歐洲國家。

國標交流充電接口的尺寸類似于Type2 交流充電接口，兩者都擁有7PIN 結構，國標交流充電接口物理端子觸頭標志中除了將充電連接確認功能觸頭定義為CC 外，其余觸頭標志和Type2 保持一致。國標交流充電接口外觀結構見如圖3 所示。

該接口分為250 V 和440 V 兩類。其中：250 V 用于單相充電，充電電流包含10 A、16 A 和32 A 共3 檔可選；440 V 用于三相充電，充電電流包含16 A、32 A 和63 A 共3 檔可選。該交流充電接口主要用于中國市場。

2. 2 交流充電樁標準及認證要求

交流充電樁的標準可分為以下3 類：充電樁通用要求、充電樁互操作性測試要求、充電樁電氣安全試驗要求。通用要求規定了交流充電樁的結構要求及控制導引等相關信息；互操作性測試要求規定了交流充電樁與電動汽車之間的充電交互測試案例；電氣安全試驗要求則對交流充電樁的環境性能、電氣性能和安全性能試驗進行了規范。當前，只有我國專門制定了針對交流充電樁電氣安全試驗的相關標準，其余國家均只有通用要求和互操作性測試要求。表4 為不同國家交流充電樁所使用的具體標準［6-10］。

雖然交流充電樁不屬于強制性檢定產品，但全球各個區域都擁有自愿性認證規范。進入歐洲市場的可申請歐洲安全合格認證標識（CE）；進入美國市場的可申請美國保險商試驗所認證標識（UL）；進入中國市場的可申請中國質量認證中心自愿性認證標識（CQC）。

2. 3 充電樁控制導引

圖4 為不同標準要求的充電樁控制導引圖，這些工況為交流充電常出現的工況。其中，圖4（c）為GB/T 18487.1—2015 定義的充電模式3（將電動汽車連接到交流電網時，使用了專用供電設備，將電動汽車與交流電網直接連接，并且在專用供電設備上安裝了控制導引裝置），其連接方式是在電動汽車和交流電網連接時，使用了和供電設備永久連接在一起的充電電纜和車輛交流充電接口。

由圖4 可以看出：雖然各標準的交流充電接口尺寸不同，但是不同標準的充電樁控制導引邏輯關系基本相同。

在電動汽車內部的CP 線路上，車載充電機前端存在一個開關S2。該開關的作用是用于車輛管控充電狀態。當交流充電接口連接至電動汽車后，車輛首先需要通過控制單元完成車載充電機和電池的自檢工作，然后才能關閉S2。由于開關S2 為可選項，所以針對交流充電樁的控制導引時序可分為2 種情況。

情況1：車輛未配置開關 S2。未充電的交流充電樁CP 處電壓穩定在12 V。當交流充電樁檢測到交流充電接口與車輛插合后，交流充電樁CP 線路將切換至與PWM 信號發生器進行連接，車輛直接啟動充電，按照6 V PWM 狀態進行充電，具體的控制導引時序如圖5 所示。

情況2：車輛配置開關 S2。未充電的交流充電樁CP 線路電壓為12 V。當交流充電樁檢測到交流充電接口與車輛插合后，控制單元會控制將CP線路與PWM 信號發生器進行連接，發送9 V 狀態的PWM 波形；當車輛端完成自檢工作并閉合開關S2 后，充電樁按照6 V PWM 狀態進行充電。圖6為配置開關S2 的交流充電樁控制導引時序圖。

3 交流充電樁發展趨勢

交流充電樁雖然已經是相對成熟的產品，但是仍然可以從智能充電模塊、剩余電流保護器（RCD）、V2G 等方面進行優化，這些方向可能是未來交流充電樁發展的趨勢。

3. 1 智能充電模塊

智能充電模塊的作用主要是可遠程控制充電樁運行和升級充電樁軟件。該模塊可使充電樁擁有預約充電、遠程啟停、負荷響應調節，以及故障響應及記錄等相關功能。當充電樁出現故障時，該模塊的注入可讓交流充電樁企業第一時間接收到故障代碼，做到充電樁的統一控制和事后管控。

3. 2 剩余電流保護器

通過對不同國家交流充電樁標準的分析，發現了其硬件上的差異性主要在于RCD 的選擇。交流充電樁通過其RCD 來保證車樁之間的電氣安全［11］。IEC 61851-1：2017 規定了交流充電樁的RCD 必須為A 型+ DC 6 mA 的平滑直流RCD 或者B 型RCD；而我國在GB/T 18487.1—2015 中規定了交流充電樁宜采用A 型RCD 或者B 型RCD。

目前，我國的交流充電樁大多數采用A 型RCD 或者AC 型RCD。但是由于A 型RCD 或者AC 型RCD 無法對高頻剩余電流和平滑直流剩余電流進行檢測，存在一定的安全風險。在對GB/T18487.1—2015 修訂的征求意見稿中，已將RCD 的要求和歐洲要求保持同步，未來所有交流充電樁的RCD 均會采用A 型+DC 6 mA 的平滑直流RCD或者B 型RCD。

3. 3 給電網送電技術

車輛對外界的信息交換（V2X）已進入起步發展階段。交流充電樁可作為給電動汽車實施充電功能的載體，同時也可作為電動汽車向電網饋電傳輸的工具。因此，部分交流充電樁企業已經開始設計雙向交流充電樁，該充電樁既可給電動汽車進行充電，又可將電動汽車多余的電能回饋給電網另作他用。

4 結語

本文分析了不同國家交流充電樁占空比與充電電流的對應關系。當占空比為10%～90%，各國充電樁的充電電流一致；當占空比為90%～97%，僅符合Type1 和Type2 接口的交流充電樁可以充電，國標交流充電接口的交流充電樁無法進行充電；當交流充電樁處于其余范圍的占空比的條件下，均不能進行充電。

通過對不同國家標準的分析解讀，得出3 種類型交流充電樁的控制導引時序邏輯基本一致，說明了在特定的占空比范圍內，僅需要將充電接口的形狀進行更換，無論哪種類型的交流充電樁均可給電動汽車進行充電。

未來，交流充電樁的主要發展方向為增加智能充電樁模塊、將RCD 統一為A 型+DC 6 mA 的平滑直流RCD 或者B 型RCD，以及設計針對V2G 功能的雙向交流充電樁。

本文相關結論可為交流充電樁企業的研發設計和檢測機構檢測平臺的搭建提供參考。

參考文獻

［ 1 ］ 中國充電聯盟.2022 年11 月全國電動汽車充換電基礎設施運行情況[EB/OL]. （2022-12-09）[2023-01-09]. https：//mp.weixin.qq.com/s/yJlgvQuRObTdB1WzbEjqZQ.

［ 2 ］ 虞文惠，張璐. 電動汽車交流充電樁充電連接控制時序測量能力驗證方案設計[J]. 電器與能效管理技術，2021（5）：65-70.

［ 3 ］ SAE. AE electric vehicle and plug in hybridelectric vehicle conductive charge coupler：SAE J1772 OCT 2017[S]. New York： SAE International， 2017.

［ 4 ］ International Electrotechnical Commission.Plugs， socket-outlets， vehicle connectors and vehicle inlets - Conductive charging of electric vehicles Part 2： Dimensional compatibility and interchangeability requirements for a.c. pin and contact-tube accessories： IEC 62196-2： 2016[S]. Geneva： IEC， 2016.

［ 5 ］ 全國汽車標準化技術委員會. 電動汽車傳導充電用連接裝置 第2 部分： 交流充電接口：GB/T 20234.2—2015[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

［ 6 ］ International Electrotechnical Commission.Electric vehicle conductive charging system-Part 1： General requirements： IEC 61851-1：2017 [S]. Geneva： IEC， 2017.

［ 7 ］ 中國電力企業聯合會. 電動汽車傳導充電系統 第1 部分：通用要求：GB/T 18487.1—2015[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

［ 8 ］ 中國電力企業聯合會.電動汽車傳導充電互操作性測試規范 第1部分：供電設備：GB/T 34657.1—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

［ 9 ］ 能源行業電動汽車充電設施標準化技術委員會. 電動汽車交流充電樁技術條件： NB/T33002—2018[S]. 北京：中國電力出版社，2019.

［10］ 能源行業電動汽車充電設施標準化技術委員會. 電動汽車充電設備檢驗試驗規范 第2 部分： 交流充電樁： NB/T 33008.2—2018[S]. 北京：中國電力出版社，2019.

［11］ 鄧志偉，謝三軍，鄔小可，等. 基于B 型剩余電流檢測的交流充電樁RCD 研究[J]. 電力電子技術，2021，55（6）：56-60.