2020年08月04日 | IEC 61851标准中的四种电动汽车充电模式

翻译自——allaboutcircuits

充电系统为电动汽车运行提供能量补给，是电动汽车的重要基础支撑系统，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。随着电动汽车产业的快速发展，充电技术成为制约行业发展关键因素之一，智能、快速的充电方式成为电动汽车充电技术发展的趋势。

电动汽车充电装置的分类有不同的方法。总体上可分为车载充电装置和非车载充电装置。根据对电动汽车蓄电池充电时的能量装换的方式不同，充电装置又可以分为接触式和感应式。电动汽车根据充电方式不同分为慢充、快充、换电、无线充电、移动充电等方式。在本文中，我们将介绍由国际电工委员会(IEC)指定的不同电动汽车充电模式。

国际标准正在制定以满足电动汽车市场需求的标准。电动汽车的全球普及取决于完善的国际标准，这些标准可以解决电动汽车市场的安全性、可靠性和互操作性问题。

在本文中，我们将研究由国际电工委员会(IEC)指定的不同电动汽车充电模式。这些模式在处理电动汽车导电充电系统的IEC 61851标准中有规定。该标准描述了四种不同的充电模式——模式1、模式2、模式3和模式4。

IEC还制定了其他的电动汽车充电技术的标准。例如，IEC 62196讨论插头、插座、车辆连接器和车辆入口，而IEC 61980讨论电动汽车无线电力传输(WPT)系统。

不同类型的电缆连接

IEC 61851-1描述了三种不同的连接方式，如下图所示:

Case A电缆与电动汽车永久连接，但在充电站(也称EVSE - electric vehicle supply equipment) EVSE是可拆卸的。Case B指定在两端可分离的电缆，Case C是永久连接到EVSE的电缆。

充电模式1

在这种模式下，电动汽车直接连接到一个家庭插座上。该模式的最大电流为16A，单相不超过250v，三相不超过480v。

模式1是最简单的充电模式，不支持电动车和充电点之间的任何通信。这种收费模式在很多国家是被禁止或限制的。

充电模式2

家庭插座并不总是按实际标准供电。此外，为家庭应用设计的插座和插头可能不能承受最大额定值的连续电流。

这就是为什么在没有控制和安全功能的情况下长时间连接电动汽车插座会增加触电风险。为了解决这个问题，专家们开发了充电模式2，它使用一种特殊类型的充电电缆，并配备了电缆内控制和保护装置(IC-CPD)。

IC-CPD执行所需的控制和安全功能。该模式的最大电流为32A，最大电压单相不超过250v，三相不超过480v。模式2可用于家庭和工业插座。

该模式的安全功能可以对保护接地进行检测和监控。模式2还支持过电流和过温保护。此外，EVSE可以在检测与电动汽车的连接并分析其充电功率需求的同时进行功能切换。

充电模式2及配套电缆如下图所示。

虽然模式2可以用于私人收费，但公共使用在许多国家也会受到限制。

充电模式3

这种模式使用了专用的EVSE和电动汽车车载充电器。来自充电站的交流电流被应用到板载电路上，为电池充电。多重控制和保护功能，保障公共安全。这些包括验证保护接地和EVSE与EV之间的连接。

此外，该模式可将充电电流调整到电缆组件的最大电流能力。这种充电模式的最大电流为250A，可配置250v 1相或480v 3相网络。它还支持一种与模式2兼容的工作模式，在这种模式下，单相和三相的最大电流都限制在小于32a。

这三种可能的连接(情况A、情况B和情况C)中的任何一种都可以在此模式下使用。情形B和情形C如下所示。

让我们看看该模式如何定义充电站和电动汽车之间的通信。模式3的控制导频电路如下图所示。

根据开关S1、S2和S3的状态，不同的电压水平将出现在“先导触点”上。“这可以用来代表不同的充电阶段。电动汽车可按如下方式开始充电循环:

在插入充电电缆之前，开关S2和S3断开，S1连接到12v直流电源。在这种情况下，EVSE在先导触点测量的电压为12v直流(EVSE意识到EV尚未连接)。

充电电缆连接到电动汽车和EVSE后，电动汽车一侧的控制器可以打开S3，使驾驶员触点的电压降低到约9v。通知EVSE电缆同时连接到EV和EVSE。此外，在先导接点的DC 9v信号会告诉电动汽车，EVSE还没有准备好。

当EVSE准备给EV充电时，它将S1连接到振荡器上。在导频触点处的PWM信号告诉EV电动车辆供电设备已就绪。

然后，电动汽车打开S2，在导频触点处产生约6v电压，这就表明它也准备好了。这一阶段产生的电压取决于R3电阻值。该电阻器的值指定该充电区域是否需要通风。R3 = 1.3 kΩ,驾驶员接触电压6 V。这相当于不需要空气流通的充电区域。如需要，R3 = 270Ω以及3 V的接触电压。

当车辆正在充电或因任何原因想中止充电时，可以关闭S2。这将改变PWM的正电压水平至9v，并通知EVSE电动汽车不准备再充电。

充电模式4

这是唯一一种包含直流输出的外置充电器的充电模式。直流电被直接输送到电池，车载充电器被绕过。这种模式可以提供600v直流，最大电流为400A。这种模式涉及的高功率级别要求更高级别的通信和更严格的安全特性。

模式4只允许连接case C，充电电缆永久连接到充电站。

下面简单介绍两种新型充电方法：

无线充电

无线充电模式即无需通过电缆来传递能量，采用电磁感应、电场耦合、磁共振和无线电波等方式进行能量的传递。采用无线充电模式，首先需要在车上安装车载感应充电机。车辆的受电部分与供电部分没有机械链接，但需要受电体与供电体对接较为准确。

受制于技术成熟度和基础设备的限制，电动知家认为无线充电技术暂时还无法大批量产应用。业内主流的无线充电技术主要采用电磁感应和磁共振方式传递电能，但磁共振方式充电效率更加高，而且电磁辐射强度更低，比手机通话时强度要小，更重要一点送电线圈与受电线圈无需非常对齐，这一点是电磁感应所不及的。

无线充电模式未来应用的前景无法估量，未来将能边走边充电，电能可能来自于路面铺装的供电系统，或者来自于汽车上接收的电磁波能量。

移动式充电

对电动汽车蓄电池而言，最理想的情况是汽车在路上巡航时充电，即所谓的移动式充电(MAC)。这样，电动汽车用户就没有必要去寻找充电站、停放车辆并花费时间去充电了。MAC系统埋设在一段路面之下，即充电区，不需要额外的空间。

接触式和感应式的MAC系统都可实施。对接触式的MAC系统而言，需要在车体的底部装一个接触拱，通过与嵌在路面上的充电元件相接触，接触拱便可获得瞬时高电流。当电动汽车巡航通过MAC区时，其充电过程为脉冲充电。对于感应式的MAC系统，车载式接触拱由感应线圈所取代，嵌在路面上的充电元件由可产生强磁场的高电流绕组所取代。很明显，由于机械损耗和接触拱的安装位置等因素的影响，接触式的MAC对人们的吸引力不大。

结论

总之，IEC 61851标准涉及电动汽车导电充电系统。这些标准描述了四种不同的充电模式。

前三种模式为电动汽车车载充电器提供交流电;然而，模式4直接向电池传递直流电，并绕过车载充电器。模式3采用多种控制和保护功能，以公共安全为目标。