3279
随着电动汽车 (EV) 的不断普及，了解电动汽车基础设施，特别是电动汽车供电设备 (EVSE) 或者说充电站，变得极其重要。本文解释了 EVSE工作原理以及它对向电动汽车过渡的重要性。
什么是EVSE？
电动汽车供电设备 (EVSE) 提供电动汽车和电源之间的可靠连接，确保安全高效的充电。EVSE 从电网获取电力并传输到电动汽车，为电动汽车电池充电。EVSE 名称多样，可以被称为充电站、电动汽车充电器或充电点等。
电动汽车充电器组件构成
电动汽车供电设备 (EVSE) 的组件设计用于安全高效地将电力从电网输送到电动汽车。EVSE 的主要组件具体如下：
- 外壳：这是包含所有 EVSE 内部组件的保护外壳，用于保护电子电气设备免受雨雪等环境因素以及倒车碰撞或故意破坏等潜在机械损坏的影响。外壳可能是简单的壁箱，也可能是供公众使用的精密独立装置。
- 电源输入组件：该子系统用于将 EVSE 连接到电网。可以支持各种电压和电流以及相位配置，具体取决于 EVSE 是设计用于 1 级、2 级还是直流快速充电。输入电子组件可用于控制 EVSE 对电网的影响，包括对传导电磁兼容性、谐波和功率因数的影响。
- 控制电子组件：这些组件是 EVSE 的神经中枢。它们通过与连接的车辆通信来管理充电过程，确保以合适的速度输送合适的电量。这也是测量用电量从而为用户计费的地方。该系统包括继电器和开关，用于中断电流以确保安全。
- 电缆和连接器：电缆从外壳延伸至连接器，而连接器插入电动汽车。连接器的设计根据支持的标准（例如 J1722、IEC 62196、NACS、CCS 和 CHAdemMO）而异。 一些连接器仅支持交流充电（1 级和/或 2 级），而其他连接器则支持直流快速充电。除了传输电力之外，电缆和连接器还必须传输 EVSE 和电动汽车之间的通信信号。
- 用户界面：大多数 EVSE 都具有用户界面，可能是简单的指示灯，也可能是高级触摸屏，用于显示充电状态、用电量和其他运行信息。EVSE 还可能包括 Wi-Fi 或以太网等网络连接，用于计费、远程管理和更新。
- 安全机制：所有 EVSE 都配备各种安全装置，例如断路器、接地故障断路器 (GFCI) 或剩余电流动作保护器 (RCD) 和热传感器，避免出现过热和电气故障。电缆、连接器以及 EVSE 与电动汽车的通信均旨在确保安全连接和充电顺序。这些系统共同确保充电过程中车辆和用户的安全。
上述组件共同构成一个复杂的系统，在确保电动汽车充电器的可用性和安全性方面发挥着非常重要的作用，为电网和车辆之间提供了可靠的连接。
EVSE 的运行和连接
EVSE 可以安全可靠地将电力从电网输送到电动汽车，但正如上文所述，它比简单的电线要复杂得多。 我们来详细了解一下各种充电级别的 EVSE 的不同。
充电级别和规格要求：
EVSE 的充电级别因电源而异，并决定车辆的充电速度。充电级别或类型的定义在不同地区有所不同。北美地区的住宅采用 120 V 单相电压和 240 V 分相电压，适用以下充电级别：
1 级充电：利用120VAC标准家用插座进行慢速充电。此级别的 EVSE 最接近于简单的电线，但仍然具有安全机制，有时还包含控制电子组件。许多上述组件都未包含在 1 级 EVSE 中。
2 级充电：采用208-240VAC电源以更快的速度为车辆输送电力，从而缩短充电时间。大多数住宅和商业空间已经具备或者只需极少改造就可以达到这种电压水平。2 级充电目前最为常见。
直流快速充电：该级别的 EVSE 最为复杂，需要先将交流电转换为直流电，然后再输送到车辆，而 1 级和 2 级充电是将交流电直接输送到车辆。该级别充电通常使用电压更高和电流更大的三相电源，这类电源仅在商业或工业环境中可用。
在整个电力系统都采用单相 230VAC插座的国家/地区，无法提供符合北美地区 1 级充电标准的电源。但国际交流电系统中的常规电源大致符合 2 级充电标准，其中一些系统和电动汽车支持三相交流电。所有地区都支持某种形式的直流快速充电。
电源连接：
EVSE 可通过多种方式连接到电网，以满足不同的需求：
- 插入式连接：这种连接方式简单方便，通常用于住宅和紧急充电。在北美地区，这是 1 级充电的标准方式。
- 硬线连接：用于满足 2 级或直流快速充电等更高电源要求，需要由专业人员安装。
安全、测试和维护：
确保 EVSE 的安全和效率极其重要，因此需要定期测试和维护。
- 检查和更新：例行检查可确保所有电气连接安全可靠，而固件更新可增强设备功能和安全。
- 物理检查：定期检查有助于发现和解决磨损问题，确保设备完整和安全。
网络连接说明：
现代 EVSE 利用网络连接来提升用户体验和运行效率。主要功能包括：
- 远程监控：支持用户和服务运营商远程监控充电过程并管理用电量。
- 智能手机控制：方便用户通过智能手机应用程序启动、停止和安排充电。
- 智能家居/楼宇集成：与家庭能源管理系统连接，优化电力使用，集成自适应太阳能消耗等智能功能。 公用事业公司可能会提供优惠政策，限制用户在高峰需求期间充电。
EVSE 电缆和连接器
EVSE 系统的电缆和连接器对于确保电动汽车的安全、高效和有效充电至关重要。
充电电缆采用耐用和安全设计，能够在处理大电流的同时保持灵活性并承受频繁使用。一般来说，电缆的粗细因充电级别而异，更高的电流量要求使用更粗的电缆。
连接器分为几种类型，必须符合车辆标准，还需具备热传感器和锁定机制等安全装置。当然，连接器需要与电动汽车的对应端口相匹配，也可借助适配器与端口兼容。标准连接器包括：
- J1772（1 型）：主要在北美地区使用，用于 1 级和 2 级充电。
- IEC 62196（2 型）：在欧洲地区使用并集成到 CCS 用于直流快速充电。在某些电气系统种，还可以支持三相交流电。
- CHAdeMO：日本直流快速充电标准，尺寸较大，是最早的连接器标准之一。
- CCS（联合充电系统）：将交流和直流充电集成到单个连接器中，在欧洲和北美地区广泛用于快速充电。CCS1 使用带两个附加引脚的 1 型连接器来传输直流电。CCS2 功能相同，但使用 2 型连接器。
- J3400 (NACS)：该连接器之前是特斯拉的专有标准，现在已得到更广泛的应用，未来将在北美大部分地区采用。该连接器可支持所有充电级别。
电动汽车充电标准和关键准则
除了地方电气规范外，还有几个机构制定并执行 EVSE 标准：
- IEC（国际电工委员会）：规范电气系统，制定电磁兼容性、EVSE 类型和通信标准 IEC 61851 以及连接器 IEC 62196 标准等。
- IEEE（电气电子工程师协会）：规范电子和电气工程，制定安全和技术集成指南。
- SAE（美国汽车工程师学会）：制定电动汽车零部件制造和测试标准，确保其满足严格的汽车要求。
- GB（中华人民共和国国家标准）：制定中国 EVSE 标准，例如 GB/T 20234。
这些机构制定的标准为电动汽车充电创造了可靠安全且用户友好的环境，进一步推动了电动汽车在全球范围内的广泛应用。
电动汽车充电站是电动汽车生态系统的重要组成部分，需满足标准以确保安全、效率和兼容性：
- 安全：标准可以防止过载和电气火灾，确保传输电力前的连接安全。
- 互操作：确保不同车型可以安全无虞地使用各种充电站。
- 电能质量标准和电气规范： 这些规范和标准规定了与电力系统的连接方式，并限制了充电站对电网的影响，例如对功率因数和谐波的影响。
EVSE 市场和技术趋势
电动汽车供电设备 (EVSE) 的开发领域主要由几项激动人心的技术主导，这些技术有望使电动汽车充电更加高效和便捷：
- 提高充电速度：人们在这方面的不断进步始终是为了缩短充电时间，让充电速度赶超传统加油速度。
- 无线充电技术的发展：无线充电技术的稳步发展预示着未来电动汽车可以轻松充电，不再需要物理电缆。
未来，与可再生资源的无缝集成的 EVSE 技术有望与可再生能源更有效地集成，提升环境可持续性并减少对传统电源的依赖。
- 智能充电功能的提升：人们可能通过创新进一步提高充电系统的智能化程度，使充电系统能够根据实时用电需求和价格调整充电安排。
- 车辆到电网 (V2G) 系统的普及：V2G 技术将随着其本身的成熟而进一步普及，使电动汽车能够回馈电网并增强电网弹性。
这些趋势表明，电动汽车充电基础设施将朝着更加一体化、高效可靠和以用户为中心的方向发展，不断适应持续变化的市场和技术需求。
EVSE 系统测试设备
为了确保 EVSE 系统的安全、可靠和效率，系统的设计过程、制造过程和应用现场都经过严格的测试。在设计和制造过程中，借助示波器、数字万用表、信号发生器、电源、电子负载和功率分析仪提出新的设计并确认 EVSE 按照规格要求运行。
常规测试与测量
- 示波器（中间）：用于显示和分析 EVSE 的电信号波形。该设备可用于确保车辆和充电站之间的引导信号正常运行，观察输电质量，并检查可能影响充电过程的任何噪音或干扰。
- 任意函数发生器（右边）：用于模拟 EVSE 与不同电动汽车连接时可能遇到的各种信号条件。该设备可用于压力测试，分析 EVSE 对不规则信号的响应情况，也可以模拟车辆通信用于测试。
- 源测量单元 (SMU)（左边）：用于精确测量 EVSE 模块和组件中的电压、电流和电阻等电气参数。确保输出在指定的公差范围内以及充电站安全高效。还可以用于分析和诊断 EVSE 故障。
- 电源（SMU 下方）：提供稳定且可调节的电源以模拟不同的充电条件。像图中所示的低功率电源可用于在测试期间为模块和子系统供电。高功率电源可用于模拟车辆电池系统进行直流快速充电的情景，或模拟开发或测试期间的异常情况。
这些设备用于模拟车辆连接并评估 EVSE 的响应能力，检查 EVSE 是否符合 IEC 61851 和 SAE J1772 等标准。此外，还可以检查信号、时间和功率传输是否正确。
网络连接测试仪
这些工具用于评估 EVSE 与远程监控系统通信的能力，确保智能充电和固件更新等功能正常运行。网络连接测试设备包括以下两种主要类型：
- 网络分析仪用于评估 EVSE 与中央系统通信的能力。
- Wi-Fi 测试仪用于确保无线连接功能安全可靠。
电气安全分析仪
电气安全分析仪对于确保 EVSE 的安全运行非常重要，用于测试保护机制、接地、绝缘，以及分析是否存在任何具有潜在危险的电气故障。电气安全分析仪通常分为以下几种类型：
- 绝缘电阻测试仪用于测量电气绝缘是否完整。
- 接地故障电路测试仪用于检测接地系统故障，避免电气危险。
- 电能质量分析仪用于测量 EVSE 对电网的影响，包括对电压水平、电流、频率稳定性、功率因数和谐波的影响。
EVSE 词汇表：电动汽车充电关键术语
- EVSE（电动汽车供电设备）：提供电力为电动汽车充电的硬件或基础设施，通常叫充电站。
- 1 级、2 级和直流快速充电：这些术语指的是电动汽车充电的不同速度和功率规格。1 级充电速度最慢，使用标准家用插座，而 2 级充电速度更快且使用更高的电压。直流快速充电代表最快的充电技术，利用直流电 (DC)。
- V2G（车辆到电网）：将电动汽车电池的能量返还给电网的技术。
- 智能充电：指根据电网负载和电价自动调整充电时间来优化用电的充电系统。
- 互操作：指 EVSE 可用于不同品牌和型号的电动汽车且无兼容问题的能力。
- 需求响应：根据公用事业信号调整充电速度的技术，防止高峰能源使用期间电网过载。
- 固件：编程到 EVSE 硬件中的软件，用于充电过程控制、通信和用户交互。
- 电网：用于在社区内分配电能的电线和相关设备网络。
- 充电器拓扑结构：描述电动汽车充电站的架构配置以及充电器如何连接电网和车辆。
- 直流快速充电器：一种使用 DC（直流电）直接提供高功率输出的 EVSE，可显著缩短充电时间。
- 互操作：不同品牌和型号的 EVSE 和电动汽车协同工作的能力。
- J1772：用于北美地区 1 级和 2 级充电的标准连接器类型，为车辆提供交流电。
下载ECAD模型
