探秘EVSE，全面解析電動(dòng)汽車供電設(shè)備

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隨著電動(dòng)汽車 (EV) 的不斷普及，了解電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施，特別是電動(dòng)汽車供電設(shè)備 (EVSE) 或者說充電站，變得極其重要。本文解釋了 EVSE工作原理以及它對(duì)向電動(dòng)汽車過渡的重要性。

什么是EVSE？

電動(dòng)汽車供電設(shè)備 (EVSE) 提供電動(dòng)汽車和電源之間的可靠連接，確保安全高效的充電。EVSE 從電網(wǎng)獲取電力并傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車，為電動(dòng)汽車電池充電。EVSE 名稱多樣，可以被稱為充電站、電動(dòng)汽車充電器或充電點(diǎn)等。

電動(dòng)汽車充電器組件構(gòu)成

電動(dòng)汽車供電設(shè)備 (EVSE) 的組件設(shè)計(jì)用于安全高效地將電力從電網(wǎng)輸送到電動(dòng)汽車。EVSE 的主要組件具體如下：

●   外殼：這是包含所有 EVSE 內(nèi)部組件的保護(hù)外殼，用于保護(hù)電子電氣設(shè)備免受雨雪等環(huán)境因素以及倒車碰撞或故意破壞等潛在機(jī)械損壞的影響。外殼可能是簡(jiǎn)單的壁箱，也可能是供公眾使用的精密獨(dú)立裝置。

●   電源輸入組件：該子系統(tǒng)用于將 EVSE 連接到電網(wǎng)?？梢灾С指鞣N電壓和電流以及相位配置，具體取決于      EVSE 是設(shè)計(jì)用于 1 級(jí)、2 級(jí)還是直流快速充電。輸入電子組件可用于控制 EVSE 對(duì)電網(wǎng)的影響，包括對(duì)傳導(dǎo)電磁兼容性、諧波和功率因數(shù)的影響。 

●   控制電子組件：這些組件是 EVSE 的神經(jīng)中樞。它們通過與連接的車輛通信來管理充電過程，確保以合適的速度輸送合適的電量。這也是測(cè)量用電量從而為用戶計(jì)費(fèi)的地方。該系統(tǒng)包括繼電器和開關(guān)，用于中斷電流以確保安全。

●   電纜和連接器：電纜從外殼延伸至連接器，而連接器插入電動(dòng)汽車。連接器的設(shè)計(jì)根據(jù)支持的標(biāo)準(zhǔn)（例如 J1722、IEC 62196、NACS、CCS 和      CHAdemMO）而異。  一些連接器僅支持交流充電（1 級(jí)和/或 2 級(jí)），而其他連接器則支持直流快速充電。除了傳輸電力之外，電纜和連接器還必須傳輸 EVSE 和電動(dòng)汽車之間的通信信號(hào)。

●   用戶界面：大多數(shù) EVSE 都具有用戶界面，可能是簡(jiǎn)單的指示燈，也可能是高級(jí)觸摸屏，用于顯示充電狀態(tài)、用電量和其他運(yùn)行信息。EVSE 還可能包括 Wi-Fi 或以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接，用于計(jì)費(fèi)、遠(yuǎn)程管理和更新。 

●   安全機(jī)制：所有 EVSE 都配備各種安全裝置，例如斷路器、接地故障斷路器 (GFCI) 或剩余電流動(dòng)作保護(hù)器 (RCD) 和熱傳感器，避免出現(xiàn)過熱和電氣故障。電纜、連接器以及 EVSE 與電動(dòng)汽車的通信均旨在確保安全連接和充電順序。這些系統(tǒng)共同確保充電過程中車輛和用戶的安全。

上述組件共同構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在確保電動(dòng)汽車充電器的可用性和安全性方面發(fā)揮著非常重要的作用，為電網(wǎng)和車輛之間提供了可靠的連接。

EVSE的運(yùn)行和連接

EVSE 可以安全可靠地將電力從電網(wǎng)輸送到電動(dòng)汽車，但正如上文所述，它比簡(jiǎn)單的電線要復(fù)雜得多。 我們來詳細(xì)了解一下各種充電級(jí)別的 EVSE 的不同。

充電級(jí)別和規(guī)格要求：

EVSE 的充電級(jí)別因電源而異，并決定車輛的充電速度。充電級(jí)別或類型的定義在不同地區(qū)有所不同。北美地區(qū)的住宅采用 120 V 單相電壓和 240 V 分相電壓，適用以下充電級(jí)別：

1級(jí)充電：利用120VAC標(biāo)準(zhǔn)家用插座進(jìn)行慢速充電。此級(jí)別的 EVSE 最接近于簡(jiǎn)單的電線，但仍然具有安全機(jī)制，有時(shí)還包含控制電子組件。許多上述組件都未包含在 1 級(jí) EVSE 中。

2級(jí)充電：采用208-240VAC電源以更快的速度為車輛輸送電力，從而縮短充電時(shí)間。大多數(shù)住宅和商業(yè)空間已經(jīng)具備或者只需極少改造就可以達(dá)到這種電壓水平。2 級(jí)充電目前最為常見。

直流快速充電：該級(jí)別的 EVSE 最為復(fù)雜，需要先將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后再輸送到車輛，而 1 級(jí)和 2 級(jí)充電是將交流電直接輸送到車輛。該級(jí)別充電通常使用電壓更高和電流更大的三相電源，這類電源僅在商業(yè)或工業(yè)環(huán)境中可用。

在整個(gè)電力系統(tǒng)都采用單相 230VAC插座的國(guó)家/地區(qū)，無法提供符合北美地區(qū) 1 級(jí)充電標(biāo)準(zhǔn)的電源。但國(guó)際交流電系統(tǒng)中的常規(guī)電源大致符合 2 級(jí)充電標(biāo)準(zhǔn)，其中一些系統(tǒng)和電動(dòng)汽車支持三相交流電。所有地區(qū)都支持某種形式的直流快速充電。

電源連接：

EVSE可通過多種方式連接到電網(wǎng)，以滿足不同的需求：

●   插入式連接：這種連接方式簡(jiǎn)單方便，通常用于住宅和緊急充電。在北美地區(qū)，這是 1 級(jí)充電的標(biāo)準(zhǔn)方式。

●   硬線連接：用于滿足 2 級(jí)或直流快速充電等更高電源要求，需要由專業(yè)人員安裝。

安全、測(cè)試和維護(hù)：

確保 EVSE 的安全和效率極其重要，因此需要定期測(cè)試和維護(hù)。

●   檢查和更新：例行檢查可確保所有電氣連接安全可靠，而固件更新可增強(qiáng)設(shè)備功能和安全。

●   物理檢查：定期檢查有助于發(fā)現(xiàn)和解決磨損問題，確保設(shè)備完整和安全。

網(wǎng)絡(luò)連接說明：

現(xiàn)代 EVSE 利用網(wǎng)絡(luò)連接來提升用戶體驗(yàn)和運(yùn)行效率。主要功能包括：

●   遠(yuǎn)程監(jiān)控：支持用戶和服務(wù)運(yùn)營(yíng)商遠(yuǎn)程監(jiān)控充電過程并管理用電量。

●   智能手機(jī)控制：方便用戶通過智能手機(jī)應(yīng)用程序啟動(dòng)、停止和安排充電。

●   智能家居/樓宇集成：與家庭能源管理系統(tǒng)連接，優(yōu)化電力使用，集成自適應(yīng)太陽能消耗等智能功能。  公用事業(yè)公司可能會(huì)提供優(yōu)惠政策，限制用戶在高峰需求期間充電。

EVSE電纜和連接器

EVSE系統(tǒng)的電纜和連接器對(duì)于確保電動(dòng)汽車的安全、高效和有效充電至關(guān)重要。

充電電纜采用耐用和安全設(shè)計(jì)，能夠在處理大電流的同時(shí)保持靈活性并承受頻繁使用。一般來說，電纜的粗細(xì)因充電級(jí)別而異，更高的電流量要求使用更粗的電纜。

連接器分為幾種類型，必須符合車輛標(biāo)準(zhǔn)，還需具備熱傳感器和鎖定機(jī)制等安全裝置。當(dāng)然，連接器需要與電動(dòng)汽車的對(duì)應(yīng)端口相匹配，也可借助適配器與端口兼容。標(biāo)準(zhǔn)連接器包括：

●   J1772（1 型）：主要在北美地區(qū)使用，用于 1 級(jí)和 2 級(jí)充電。

●   IEC 62196（2 型）：在歐洲地區(qū)使用并集成到 CCS 用于直流快速充電。在某些電氣系統(tǒng)種，還可以支持三相交流電。

●   CHAdeMO：日本直流快速充電標(biāo)準(zhǔn)，尺寸較大，是最早的連接器標(biāo)準(zhǔn)之一。

●   CCS（聯(lián)合充電系統(tǒng)）：將交流和直流充電集成到單個(gè)連接器中，在歐洲和北美地區(qū)廣泛用于快速充電。CCS1 使用帶兩個(gè)附加引腳的 1 型連接器來傳輸直流電。CCS2 功能相同，但使用 2 型連接器。

●   J3400 (NACS)：該連接器之前是特斯拉的專有標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已得到更廣泛的應(yīng)用，未來將在北美大部分地區(qū)采用。該連接器可支持所有充電級(jí)別。

電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵準(zhǔn)則

除了地方電氣規(guī)范外，還有幾個(gè)機(jī)構(gòu)制定并執(zhí)行 EVSE 標(biāo)準(zhǔn)：

●   IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）：規(guī)范電氣系統(tǒng)，制定電磁兼容性、EVSE 類型和通信標(biāo)準(zhǔn) IEC 61851 以及連接器 IEC 62196 標(biāo)準(zhǔn)等。

●   IEEE（電氣電子工程師協(xié)會(huì)）：規(guī)范電子和電氣工程，制定安全和技術(shù)集成指南。

●   SAE（美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)）：制定電動(dòng)汽車零部件制造和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，確保其滿足嚴(yán)格的汽車要求。

●   GB（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）：制定中國(guó) EVSE 標(biāo)準(zhǔn)，例如 GB/T 20234。

這些機(jī)構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn)為電動(dòng)汽車充電創(chuàng)造了可靠安全且用戶友好的環(huán)境，進(jìn)一步推動(dòng)了電動(dòng)汽車在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

電動(dòng)汽車充電站是電動(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，需滿足標(biāo)準(zhǔn)以確保安全、效率和兼容性：

●   安全：標(biāo)準(zhǔn)可以防止過載和電氣火災(zāi)，確保傳輸電力前的連接安全。

●   互操作：確保不同車型可以安全無虞地使用各種充電站。

●   電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和電氣規(guī)范： 這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了與電力系統(tǒng)的連接方式，并限制了充電站對(duì)電網(wǎng)的影響，例如對(duì)功率因數(shù)和諧波的影響。

EVSE市場(chǎng)和技術(shù)趨勢(shì)

電動(dòng)汽車供電設(shè)備 (EVSE)的開發(fā)領(lǐng)域主要由幾項(xiàng)激動(dòng)人心的技術(shù)主導(dǎo)，這些技術(shù)有望使電動(dòng)汽車充電更加高效和便捷：

●   提高充電速度：人們?cè)谶@方面的不斷進(jìn)步始終是為了縮短充電時(shí)間，讓充電速度趕超傳統(tǒng)加油速度。

●   無線充電技術(shù)的發(fā)展：無線充電技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展預(yù)示著未來電動(dòng)汽車可以輕松充電，不再需要物理電纜。

未來，與可再生資源的無縫集成的 EVSE 技術(shù)有望與可再生能源更有效地集成，提升環(huán)境可持續(xù)性并減少對(duì)傳統(tǒng)電源的依賴。

●   智能充電功能的提升：人們可能通過創(chuàng)新進(jìn)一步提高充電系統(tǒng)的智能化程度，使充電系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)用電需求和價(jià)格調(diào)整充電安排。

●   車輛到電網(wǎng) (V2G) 系統(tǒng)的普及：V2G 技術(shù)將隨著其本身的成熟而進(jìn)一步普及，使電動(dòng)汽車能夠回饋電網(wǎng)并增強(qiáng)電網(wǎng)彈性。

這些趨勢(shì)表明，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施將朝著更加一體化、高效可靠和以用戶為中心的方向發(fā)展，不斷適應(yīng)持續(xù)變化的市場(chǎng)和技術(shù)需求。

EVSE 系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備

為了確保 EVSE 系統(tǒng)的安全、可靠和效率，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程、制造過程和應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)都經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試。在設(shè)計(jì)和制造過程中，借助示波器、數(shù)字萬用表、信號(hào)發(fā)生器、電源、電子負(fù)載和功率分析儀提出新的設(shè)計(jì)并確認(rèn) EVSE 按照規(guī)格要求運(yùn)行。

常規(guī)測(cè)試與測(cè)量

●   示波器（中間）：用于顯示和分析 EVSE 的電信號(hào)波形。該設(shè)備可用于確保車輛和充電站之間的引導(dǎo)信號(hào)正常運(yùn)行，觀察輸電質(zhì)量，并檢查可能影響充電過程的任何噪音或干擾。

●   任意函數(shù)發(fā)生器（右邊）：用于模擬 EVSE 與不同電動(dòng)汽車連接時(shí)可能遇到的各種信號(hào)條件。該設(shè)備可用于壓力測(cè)試，分析 EVSE 對(duì)不規(guī)則信號(hào)的響應(yīng)情況，也可以模擬車輛通信用于測(cè)試。

●   源測(cè)量單元 (SMU)（左邊）：用于精確測(cè)量 EVSE 模塊和組件中的電壓、電流和電阻等電氣參數(shù)。確保輸出在指定的公差范圍內(nèi)以及充電站安全高效。還可以用于分析和診斷 EVSE 故障。

●   電源（SMU 下方）：提供穩(wěn)定且可調(diào)節(jié)的電源以模擬不同的充電條件。像圖中所示的低功率電源可用于在測(cè)試期間為模塊和子系統(tǒng)供電于確保無線連接功能安全可靠。

電氣安全分析儀

電氣安全分析儀對(duì)于確保 EVSE 的安全運(yùn)行非常重要，用于測(cè)試保護(hù)機(jī)制、接地、絕緣，以及分析是否存在任何具有潛在危險(xiǎn)的電氣故障。電氣安全分析儀通常分為以下幾種類型：

●   絕緣電阻測(cè)試儀用于測(cè)量電氣絕緣是否完整。

●   接地故障電路測(cè)試儀用于檢測(cè)接地系統(tǒng)故障，避免電氣危險(xiǎn)。

●   電能質(zhì)量分析儀用于測(cè)量 EVSE 對(duì)電網(wǎng)的影響，包括對(duì)電壓水平、電流、頻率穩(wěn)定性、功率因數(shù)和諧波的影響。

EVSE 詞匯表：電動(dòng)汽車充電關(guān)鍵術(shù)語

●   EVSE（電動(dòng)汽車供電設(shè)備）：提供電力為電動(dòng)汽車充電的硬件或基礎(chǔ)設(shè)施，通常叫充電站。

●   1 級(jí)、2 級(jí)和直流快速充電：這些術(shù)語指的是電動(dòng)汽車充電的不同速度和功率規(guī)格。1 級(jí)充電速度最慢，使用標(biāo)準(zhǔn)家用插座，而 2 級(jí)充電速度更快且使用更高的電壓。直流快速充電代表最快的充電技術(shù)，利用直流電 (DC)。

●   V2G（車輛到電網(wǎng)）：將電動(dòng)汽車電池的能量返還給電網(wǎng)的技術(shù)。

●   智能充電：指根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載和電價(jià)自動(dòng)調(diào)整充電時(shí)間來優(yōu)化用電的充電系統(tǒng)。

●   互操作：指 EVSE 可用于不同品牌和型號(hào)的電動(dòng)汽車且無兼容問題的能力。

●   需求響應(yīng)：根據(jù)公用事業(yè)信號(hào)調(diào)整充電速度的技術(shù)，防止高峰能源使用期間電網(wǎng)過載。

●   固件：編程到 EVSE 硬件中的軟件，用于充電過程控制、通信和用戶交互。

●   電網(wǎng)：用于在社區(qū)內(nèi)分配電能的電線和相關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

●   充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：描述電動(dòng)汽車充電站的架構(gòu)配置以及充電器如何連接電網(wǎng)和車輛。

●   直流快速充電器：一種使用 DC（直流電）直接提供高功率輸出的 EVSE，可顯著縮短充電時(shí)間。

●   互操作：不同品牌和型號(hào)的 EVSE 和電動(dòng)汽車協(xié)同工作的能力。

●   J1772：用于北美地區(qū) 1 級(jí)和 2 級(jí)充電的標(biāo)準(zhǔn)連接器類型，為車輛提供交流電。。高功率電源可用于模擬車輛電池系統(tǒng)進(jìn)行直流快速充電的情景，或模擬開發(fā)或測(cè)試期間的異常情況。

這些設(shè)備用于模擬車輛連接并評(píng)估 EVSE 的響應(yīng)能力，檢查 EVSE 是否符合 IEC 61851 和 SAE J1772 等標(biāo)準(zhǔn)。此外，還可以檢查信號(hào)、時(shí)間和功率傳輸是否正確。

●   功能測(cè)試儀和測(cè)試適配器用于模擬電動(dòng)汽車連接，檢查 EVSE 的運(yùn)行功能。

●   測(cè)試適配器用于連接數(shù)字萬用表或示波器。

●   協(xié)議分析儀用于檢查通信協(xié)議，確保兼容各種車型。

網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試儀

這些工具用于評(píng)估 EVSE 與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信的能力，確保智能充電和固件更新等功能正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試設(shè)備包括以下兩種主要類型：

●   網(wǎng)絡(luò)分析儀用于評(píng)估EVSE與中央系統(tǒng)通信的能力。

●   Wi-Fi測(cè)試儀用于確保無線連接功能安全可靠。

電氣安全分析儀

電氣安全分析儀對(duì)于確保 EVSE 的安全運(yùn)行非常重要，用于測(cè)試保護(hù)機(jī)制、接地、絕緣，以及分析是否存在任何具有潛在危險(xiǎn)的電氣故障。電氣安全分析儀通常分為以下幾種類型：

●   絕緣電阻測(cè)試儀用于測(cè)量電氣絕緣是否完整。

●   接地故障電路測(cè)試儀用于檢測(cè)接地系統(tǒng)故障，避免電氣危險(xiǎn)。

●   電能質(zhì)量分析儀用于測(cè)量 EVSE 對(duì)電網(wǎng)的影響，包括對(duì)電壓水平、電流、頻率穩(wěn)定性、功率因數(shù)和諧波的影響。

EVSE 詞匯表：電動(dòng)汽車充電關(guān)鍵術(shù)語

●   EVSE（電動(dòng)汽車供電設(shè)備）：提供電力為電動(dòng)汽車充電的硬件或基礎(chǔ)設(shè)施，通常叫充電站。

●   1 級(jí)、2 級(jí)和直流快速充電：這些術(shù)語指的是電動(dòng)汽車充電的不同速度和功率規(guī)格。1 級(jí)充電速度最慢，使用標(biāo)準(zhǔn)家用插座，而 2 級(jí)充電速度更快且使用更高的電壓。直流快速充電代表最快的充電技術(shù)，利用直流電 (DC)。

●   V2G（車輛到電網(wǎng)）：將電動(dòng)汽車電池的能量返還給電網(wǎng)的技術(shù)。

●   智能充電：指根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載和電價(jià)自動(dòng)調(diào)整充電時(shí)間來優(yōu)化用電的充電系統(tǒng)。

●   互操作：指 EVSE 可用于不同品牌和型號(hào)的電動(dòng)汽車且無兼容問題的能力。

●   需求響應(yīng)：根據(jù)公用事業(yè)信號(hào)調(diào)整充電速度的技術(shù)，防止高峰能源使用期間電網(wǎng)過載。

●   固件：編程到 EVSE 硬件中的軟件，用于充電過程控制、通信和用戶交互。

●   電網(wǎng)：用于在社區(qū)內(nèi)分配電能的電線和相關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

●   充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：描述電動(dòng)汽車充電站的架構(gòu)配置以及充電器如何連接電網(wǎng)和車輛。

●   直流快速充電器：一種使用 DC（直流電）直接提供高功率輸出的 EVSE，可顯著縮短充電時(shí)間。

●   互操作：不同品牌和型號(hào)的 EVSE 和電動(dòng)汽車協(xié)同工作的能力。

●   J1772：用于北美地區(qū) 1 級(jí)和 2 級(jí)充電的標(biāo)準(zhǔn)連接器類型，為車輛提供交流電。

（本文來源于《EEPW》202406）