前言

这篇文章准备和构思花了很长时间,苦于充电桩知识内容过于繁杂,再加上不同国家的标准,所以结构调整了很长时间,各种平衡之下写了这篇面向大众的介绍电动车充电基础知识的文章,避免过于细节和技术。观众群体是准备考虑或者刚购买电动车/充电桩的用户,以及想要了解电动车充电知识的人群。考虑地域标准不同和观众群体的侧重,本文重点关注中国和欧洲的情况,美国也有简单介绍。

电动汽车跟燃油车的主要区别在于动力来源不同,传统燃油车需要加油,而电动车需要充电。本文介绍电动车充电设备及充电相关的基础知识(不涉及无线充电技术)。

1. 充电桩介绍

充电设备的外观和性能千差万别,经常听到便携桩,家用桩,快充桩,公共/运营桩等名称,此外充电桩的接口也有交流充电接口,直流充电接口等。对充电从业人员来说,也面临一堆更让人困扰的术语如:Level 1/2/3,Mode 1/2/3/4等。总结就是行话太多,让人眼花缭乱。本文尝试带大家对充电概念进行一次通俗易懂的梳理。

充电桩是电动汽车供电设备(Electric Vehicle Supply Equipment - EVSE)的俗称,是为电动汽车补充电能的工具,类比燃油车的加油设备。

不同于加油只能去加油站,电动车充电既可以在家,也可以在外面的充电站充电。当然前提是需要充电设备。什么样的电动车需要什么样的充电设备,纷繁复杂的充电设备到底有什么区别呢?

我们先按照不同的角度给充电桩分类。

1.1. 充电桩分类1.1.1. 基础分类

从本质讲,充电桩可以只分为两类:(智能)延长电线、“真”充电桩。分别对应交流(AC)桩和直流(DC)桩。

电动车充电器正确充电方法(电动车充电基础知识)(1)

图1:电动汽车充电原理

图1展示的是电动车充电原理,左边灰色部分为交流充电的电流流向,右边绿色部分为直流充电的路径。可见交流(AC)桩是为车载充电机(OnBoard Charger: OBC)供电,车载充电机进行AC-DC整流转换,为动力电池进行充电;而直流(DC)桩是绕过车载充电机(OBC)直接对电池充电。

原因很简单,电动车的动力电池只能接收直流(DC)电流电压,而电网/家庭插座提供的都是交流电,无法直接给车的电池充电,需要进行交流-直流的转换,转换后的直流电才能给电池充电。所有的交流(AC)充电桩只是充电设备(OBC)的供电线,尽管可能是非常智能的供电线;而直流(DC)桩内集成了电源模块,桩内进行AC-DC转换,输出直流电为电池充电。

1.1.2. 标准分类

很遗憾,到今天为止,电动汽车的充电接口没有统一的世界标准,正如2012年前的手机充电接口一样复杂多样。

世界各地的接口类型参考图2,不同标准的充电枪和车端充电接口无法通用。

总的来说,制定现行标准的都是汽车工业国家和重要市场国家:欧/美/日/中。交流AC充电接口有3个标准:美国/日本的Type 1,欧洲的Type 2,中国的GB/T。直流DC充电接口有4个标准,分别是:美国(北美)的CCS 1,日本的CHAdeMO,欧洲的CCS 2,中国的GB/T。世界其他国家基本上都是遵从美/欧的标准。

电动车充电器正确充电方法(电动车充电基础知识)(2)

图2:电动汽车的充电接口标准

1.1.3. 功率分类

充电桩的功率从1kW到500kW不等。一般常见的充电桩功率等级有3kW的便携桩(AC);7/11kW壁挂Wallbox(AC),22/43kW运营AC立柱桩,20-350甚至500kW的直流(DC)桩。

充电桩的(最大)功率就是它能为电池提供的最大可能功率,算法就是电压(V)x 电流(A),三相再乘以3。1.7/3.7kW是指单相供电(110-120V或者230-240V)最大电流16A的充电桩,7kW/11kW/22kW分别是指单相供电32A、三相供电16/32A的充电桩。电压比较容易理解,各国户用电压标准,电流一般是现有电气基础设施(插座,线缆,保险,配电设备等等)的标准。北美尤其是美国市场比较特殊,美国家庭的插座(NEMA插座的形状、电压、电流)型号繁多,所以在美国的家庭AC充电桩功率等级更多更丰富,这里不展开讨论。

直流桩的功率主要取决于内部功率模块(内部并联),目前主流有25/30kW的模块,所以直流DC桩的功率都是以上模块功率的倍数。但也考虑要与电动车电池充电功率匹配,所以市面上50/100/120kW的直流充电桩非常多见。

1.1.4. 电压/模式分类

电动车充电设备在美国/欧洲有不同的分类,美国一般会用Level 1/2/3来分类;而在美国以外(欧洲)一般用Mode 1/2/3/4区分。

Level 1/2/3主要是区分充电桩输入端的电压,Level 1是指直接用美国家用插头(单相)120V供电的充电桩,功率一般在1.4kW到1.9kW;Level 2是指用美国家用高压208/230V(欧洲)/240V的AC充电桩,功率相对较高,3kW-19.2kW;Level 3是指直流DC充电桩。

电动车充电器正确充电方法(电动车充电基础知识)(3)

图3:充电桩的Level 1/2/3

Mode 1/2/3/4分类主要看充电桩跟电动车是否有通讯。

Mode 1是指电线给车充电,一头为普通插头接墙上插座,另一头是车端充电插头,车和充电设备(实际没有设备,只有充电线和插头)之间无任何通讯,现在很多国家禁止Mode 1模式的电动汽车充电。

Mode 2是指非固定安装而且带车-桩通讯的便携AC充电桩,车桩充电过程有通讯;

Mode 3是指固定安装的(壁挂或立柱)带车-桩通讯的其他交流充电桩;

Mode 4就是特指固定安装的直流桩,也一定有车-桩通讯。

电动车充电器正确充电方法(电动车充电基础知识)(4)

图4:充电桩的Mode 1/2/3/4

还有其他分类,比如AC桩按照单/两/三相输入供电区分,对应的充电桩输入接线端需要分别接入单相,两相和三相交流供电,输出相数跟输入相同。而DC桩一般都是三相AC输入供电。

另外还有私人桩和运营桩的区别,前者不需要收费计费,而后者是需要收费计费,所以需要有人机交互界面、付款手段、需要跟运营/收费系统对接。

2. 电动车充电的特性

电动车充电的功率不是固定不变的,锂电池的特性决定了充电曲线是变化的。简单说可分为恒流充电、恒压充电以及最后阶段的浮充。

因此电动车充满电的过程比简单除法计算(电池容量kWh/充电桩功率kW)得到的充电时间长。

图5是一个标准电动汽车电池充电的曲线。

电动车充电器正确充电方法(电动车充电基础知识)(5)

图5:标准电动车电池充电曲线

3. 电动车充电的常见误区3.1. 想要缩短充电时间,需要选择更大功率的充电桩?

答案是不一定,从图1所示的AC/DC充电示意图可见,如果是AC充电,AC桩只是供电设备,真正的充电功率是由车载充电机决定的(当然充电桩功率低于车载充电机,则瓶颈在充电桩)。目前主流的车载充电机有3/7/11/22kW,那么用22kW的交流桩给一台只配3kW功率OBC的电动车充电,最终的充电功率还是3kW。

3.2. 用直流DC充电桩就可以全功率充电了?

答案也是不一定,虽然没有车载充电机OBC的限制,直流桩直接对电池充电,但需要考虑电池的上限,电池能支持的最高功率也是有限制的,大部分非高端电动车,电池支持的最高充电功率不超过150kW。即便在350kW的超级快充桩上充电,充电功率还是不能超过电池(BMS)允许的最大功率,当然还要考虑不同充电阶段的充电功率也不同。

目前只有少数高端车型的电动汽车才支持比较大的充电功率,比如保时捷的(Porsche Tycan)最高支持225kW的充电功率,奥迪的E-Tron最高支持150kW。

4. 选购充电桩注意事项

大家更关心自己买电动车之后,有条件安装家用充电桩时应该如何选购。

目前家用桩以AC桩为主(DC桩的价格和功率限制了其在普通家庭的安装),先确认家里允许安装充电桩的功率上限(要跟供电公司/物业/电工确认家庭/小区配电容量),另外确认家庭是单相入户(国内)还是三相入户(欧洲),然后确认买的电动车车载充电机(OBC)是单相(国内电动车OBC大多单相)还是三相,最后买对应的单相/三相充电桩。理论上单相三相的充电桩和单三相车载充电机都可以兼容,但是如果车载单相OBC的话,则完全没有必要安装三相充电桩。

另外需要考虑选择智能桩或者傻瓜桩,智能桩就是可以手机App控制/身份授权/充电管理的充电桩,而傻瓜桩就是没有人机交互,刷卡或者直接插枪即可充电。方向是首选智能桩,可以更方便操控(比如定时充电,远程充电等),充电记录管理等会提供诸多便利,也有城市电网(德国汉堡)规定新装的家庭充电桩必须是智能桩。

总结下来,国内和单相电入户的国家,家用桩单相7kW基本上是主流;欧洲三相电入户的国家/地区,三相11kW是最优选择。优选带手机App控制的智能充电桩。

结语

本来想把这篇文章做成问答形式,但可能会更散乱而且不全面。所以还是按照现有结构写出来,肯定无法顾及所有人的关注点和需求。

希望有相关问题的朋友给我留言,如果还有比较普遍的更多问题,我可以再单独写一篇充电知识问答。

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