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

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

什么是EVSE?

電動汽車供電設(shè)備(EVSE)提供電動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)诫妱悠嚕瑸殡妱悠囯姵爻潆?。EVSE名稱多樣,可以被稱為充電站、電動汽車充電器或充電點(diǎn)等。

電動汽車充電器組件構(gòu)成

電動汽車供電設(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、2級還是直流快速充電。輸入電子組件可用于控制EVSE對電網(wǎng)的影響,包括對傳導(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級和/或2級),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和電動汽車之間的通信信號。

用戶界面:大多數(shù)EVSE都具有用戶界面,可能是簡單的指示燈,也可能是高級觸摸屏,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)成一個復(fù)雜的系統(tǒng),在確保電動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)輸送到電動汽車,但正如上文所述,它比簡單的電線要復(fù)雜得多。我們來詳細(xì)了解一下各種充電級別的EVSE的不同。

充電級別和規(guī)格要求:

EVSE的充電級別因電源而異,并決定車輛的充電速度。充電級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120V單相電壓和240V分相電壓,適用以下充電級別:

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

2級充電: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級充電目前最為常見。

直流快速充電:該級別的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級和2級充電是將交流電直接輸送到車輛。該級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。

在整個電力系統(tǒng)都采用單相230VAC插座的國家/地區(qū),無法提供符合北美地區(qū)1級充電標(biāo)準(zhǔn)的電源。但國際交流電系統(tǒng)中的常規(guī)電源大致符合2級充電標(biāo)準(zhǔn),其中一些系統(tǒng)和電動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:這種連接方式簡單方便,通常用于住宅和緊急充電。在北美地區(qū),這是1級充電的標(biāo)準(zhǔn)方式。

硬線連接:用于滿足2級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、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)的電纜和連接器對于確保電動汽車的安全、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,連接器需要與電動汽車的對應(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級和2級充電。

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別。

電動汽車充電標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵準(zhǔn)則

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

IEC(國際電工委員會):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):規(guī)范電子和電氣工程,制定安全和技術(shù)集成指南。

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

GB(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)):制定中國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)一步推動了電動汽車在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

電動汽車充電站是電動汽車生態(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,并限制了充電站對電網(wǎng)的影響,例如對功率因數(shù)和諧波的影響。

EVSE市場和技術(shù)趨勢

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

提高充電速度:人們在這方面的不斷進(jìn)步始終是為了縮短充電時間,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)時用電需求和價格調(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,使電動汽車能夠回饋電網(wǎng)并增強(qiáng)電網(wǎng)彈性。

這些趨勢表明,電動汽車充電基礎(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)變化的市場和技術(shù)需求。

EVSE系統(tǒng)測試設(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)場都經(jīng)過嚴(yán)格的測試。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)測試與測量:

示波器(中間):用于顯示和分析EVSE的電信號波形。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與不同電動汽車連接時可能遇到的各種信號條件。該設(shè)備可用于壓力測試,分析EVSE對不規(guī)則信號的響應(yīng)情況,也可以模擬車輛通信用于測試。

源測量單元(SMU)(左邊):用于精確測量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試期間為模塊和子系統(tǒng)供電。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)或測試期間的異常情況。

這些設(shè)備用于模擬車輛連接并評估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、時間和功率傳輸是否正確。

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

測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)連接測試儀:

這些工具用于評估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)連接測試設(shè)備包括以下兩種主要類型:

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

Wi-Fi測試儀用于確保無線連接功能安全可靠。

電氣安全分析儀:

電氣安全分析儀對于確保EVSE的安全運(yùn)行非常重要,用于測試保護(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:

絕緣電阻測試儀用于測量電氣絕緣是否完整。

接地故障電路測試儀用于檢測接地系統(tǒng)故障,避免電氣危險。

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

EVSE詞匯表:電動汽車充電關(guān)鍵術(shù)語

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

1級、2級和直流快速充電:這些術(shù)語指的是電動汽車充電的不同速度和功率規(guī)格。1級充電速度最慢,使用標(biāo)準(zhǔn)家用插座,而2級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)載和電價自動調(diào)整充電時間來優(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的電動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,可顯著縮短充電時間。

互操作:不同品牌和型號的EVSE和電動汽車協(xié)同工作的能力。

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

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