這篇文章準備和構思花了很長時間,苦于充電樁知識内容過于繁雜,再加上不同國家的标準,所以結構調整了很長時間,各種平衡之下寫了這篇面向大衆的介紹電動車充電基礎知識的文章,避免過于細節和技術。觀衆群體是準備考慮或者剛購買電動車/充電樁的用戶,以及想要了解電動車充電知識的人群。考慮地域标準不同和觀衆群體的側重,本文重點關注中國和歐洲的情況,美國也有簡單介紹。
電動汽車跟燃油車的主要區别在于動力來源不同,傳統燃油車需要加油,而電動車需要充電。本文介紹電動車充電設備及充電相關的基礎知識(不涉及無線充電技術)。
1. 充電樁介紹充電設備的外觀和性能千差萬别,經常聽到便攜樁,家用樁,快充樁,公共/運營樁等名稱,此外充電樁的接口也有交流充電接口,直流充電接口等。對充電從業人員來說,也面臨一堆更讓人困擾的術語如:Level 1/2/3,Mode 1/2/3/4等。總結就是行話太多,讓人眼花缭亂。本文嘗試帶大家對充電概念進行一次通俗易懂的梳理。
充電樁是電動汽車供電設備(Electric Vehicle Supply Equipment - EVSE)的俗稱,是為電動汽車補充電能的工具,類比燃油車的加油設備。
不同于加油隻能去加油站,電動車充電既可以在家,也可以在外面的充電站充電。當然前提是需要充電設備。什麼樣的電動車需要什麼樣的充電設備,紛繁複雜的充電設備到底有什麼區别呢?
我們先按照不同的角度給充電樁分類。
1.1. 充電樁分類1.1.1. 基礎分類從本質講,充電樁可以隻分為兩類:(智能)延長電線、“真”充電樁。分别對應交流(AC)樁和直流(DC)樁。
圖1:電動汽車充電原理
圖1展示的是電動車充電原理,左邊灰色部分為交流充電的電流流向,右邊綠色部分為直流充電的路徑。可見交流(AC)樁是為車載充電機(OnBoard Charger: OBC)供電,車載充電機進行AC-DC整流轉換,為動力電池進行充電;而直流(DC)樁是繞過車載充電機(OBC)直接對電池充電。
原因很簡單,電動車的動力電池隻能接收直流(DC)電流電壓,而電網/家庭插座提供的都是交流電,無法直接給車的電池充電,需要進行交流-直流的轉換,轉換後的直流電才能給電池充電。所有的交流(AC)充電樁隻是充電設備(OBC)的供電線,盡管可能是非常智能的供電線;而直流(DC)樁内集成了電源模塊,樁内進行AC-DC轉換,輸出直流電為電池充電。
1.1.2. 标準分類很遺憾,到今天為止,電動汽車的充電接口沒有統一的世界标準,正如2012年前的手機充電接口一樣複雜多樣。
世界各地的接口類型參考圖2,不同标準的充電槍和車端充電接口無法通用。
總的來說,制定現行标準的都是汽車工業國家和重要市場國家:歐/美/日/中。交流AC充電接口有3個标準:美國/日本的Type 1,歐洲的Type 2,中國的GB/T。直流DC充電接口有4個标準,分别是:美國(北美)的CCS 1,日本的CHAdeMO,歐洲的CCS 2,中國的GB/T。世界其他國家基本上都是遵從美/歐的标準。
圖2:電動汽車的充電接口标準
1.1.3. 功率分類充電樁的功率從1kW到500kW不等。一般常見的充電樁功率等級有3kW的便攜樁(AC);7/11kW壁挂Wallbox(AC),22/43kW運營AC立柱樁,20-350甚至500kW的直流(DC)樁。
充電樁的(最大)功率就是它能為電池提供的最大可能功率,算法就是電壓(V)x 電流(A),三相再乘以3。1.7/3.7kW是指單相供電(110-120V或者230-240V)最大電流16A的充電樁,7kW/11kW/22kW分别是指單相供電32A、三相供電16/32A的充電樁。電壓比較容易理解,各國戶用電壓标準,電流一般是現有電氣基礎設施(插座,線纜,保險,配電設備等等)的标準。北美尤其是美國市場比較特殊,美國家庭的插座(NEMA插座的形狀、電壓、電流)型号繁多,所以在美國的家庭AC充電樁功率等級更多更豐富,這裡不展開讨論。
直流樁的功率主要取決于内部功率模塊(内部并聯),目前主流有25/30kW的模塊,所以直流DC樁的功率都是以上模塊功率的倍數。但也考慮要與電動車電池充電功率匹配,所以市面上50/100/120kW的直流充電樁非常多見。
1.1.4. 電壓/模式分類電動車充電設備在美國/歐洲有不同的分類,美國一般會用Level 1/2/3來分類;而在美國以外(歐洲)一般用Mode 1/2/3/4區分。
Level 1/2/3主要是區分充電樁輸入端的電壓,Level 1是指直接用美國家用插頭(單相)120V供電的充電樁,功率一般在1.4kW到1.9kW;Level 2是指用美國家用高壓208/230V(歐洲)/240V的AC充電樁,功率相對較高,3kW-19.2kW;Level 3是指直流DC充電樁。
圖3:充電樁的Level 1/2/3
Mode 1/2/3/4分類主要看充電樁跟電動車是否有通訊。
Mode 1是指電線給車充電,一頭為普通插頭接牆上插座,另一頭是車端充電插頭,車和充電設備(實際沒有設備,隻有充電線和插頭)之間無任何通訊,現在很多國家禁止Mode 1模式的電動汽車充電。
Mode 2是指非固定安裝而且帶車-樁通訊的便攜AC充電樁,車樁充電過程有通訊;
Mode 3是指固定安裝的(壁挂或立柱)帶車-樁通訊的其他交流充電樁;
Mode 4就是特指固定安裝的直流樁,也一定有車-樁通訊。
圖4:充電樁的Mode 1/2/3/4
還有其他分類,比如AC樁按照單/兩/三相輸入供電區分,對應的充電樁輸入接線端需要分别接入單相,兩相和三相交流供電,輸出相數跟輸入相同。而DC樁一般都是三相AC輸入供電。
另外還有私人樁和運營樁的區别,前者不需要收費計費,而後者是需要收費計費,所以需要有人機交互界面、付款手段、需要跟運營/收費系統對接。
2. 電動車充電的特性電動車充電的功率不是固定不變的,锂電池的特性決定了充電曲線是變化的。簡單說可分為恒流充電、恒壓充電以及最後階段的浮充。
因此電動車充滿電的過程比簡單除法計算(電池容量kWh/充電樁功率kW)得到的充電時間長。
圖5是一個标準電動汽車電池充電的曲線。
圖5:标準電動車電池充電曲線
3. 電動車充電的常見誤區3.1. 想要縮短充電時間,需要選擇更大功率的充電樁?答案是不一定,從圖1所示的AC/DC充電示意圖可見,如果是AC充電,AC樁隻是供電設備,真正的充電功率是由車載充電機決定的(當然充電樁功率低于車載充電機,則瓶頸在充電樁)。目前主流的車載充電機有3/7/11/22kW,那麼用22kW的交流樁給一台隻配3kW功率OBC的電動車充電,最終的充電功率還是3kW。
3.2. 用直流DC充電樁就可以全功率充電了?答案也是不一定,雖然沒有車載充電機OBC的限制,直流樁直接對電池充電,但需要考慮電池的上限,電池能支持的最高功率也是有限制的,大部分非高端電動車,電池支持的最高充電功率不超過150kW。即便在350kW的超級快充樁上充電,充電功率還是不能超過電池(BMS)允許的最大功率,當然還要考慮不同充電階段的充電功率也不同。
目前隻有少數高端車型的電動汽車才支持比較大的充電功率,比如保時捷的(Porsche Tycan)最高支持225kW的充電功率,奧迪的E-Tron最高支持150kW。
4. 選購充電樁注意事項大家更關心自己買電動車之後,有條件安裝家用充電樁時應該如何選購。
目前家用樁以AC樁為主(DC樁的價格和功率限制了其在普通家庭的安裝),先确認家裡允許安裝充電樁的功率上限(要跟供電公司/物業/電工确認家庭/小區配電容量),另外确認家庭是單相入戶(國内)還是三相入戶(歐洲),然後确認買的電動車車載充電機(OBC)是單相(國内電動車OBC大多單相)還是三相,最後買對應的單相/三相充電樁。理論上單相三相的充電樁和單三相車載充電機都可以兼容,但是如果車載單相OBC的話,則完全沒有必要安裝三相充電樁。
另外需要考慮選擇智能樁或者傻瓜樁,智能樁就是可以手機App控制/身份授權/充電管理的充電樁,而傻瓜樁就是沒有人機交互,刷卡或者直接插槍即可充電。方向是首選智能樁,可以更方便操控(比如定時充電,遠程充電等),充電記錄管理等會提供諸多便利,也有城市電網(德國漢堡)規定新裝的家庭充電樁必須是智能樁。
總結下來,國内和單相電入戶的國家,家用樁單相7kW基本上是主流;歐洲三相電入戶的國家/地區,三相11kW是最優選擇。優選帶手機App控制的智能充電樁。
結語本來想把這篇文章做成問答形式,但可能會更散亂而且不全面。所以還是按照現有結構寫出來,肯定無法顧及所有人的關注點和需求。
希望有相關問題的朋友給我留言,如果還有比較普遍的更多問題,我可以再單獨寫一篇充電知識問答。
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