电动汽车国标充电口发展分析

谢飞胡 成台

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司）

国标充电口是指符合中国国家标准的充电口。电动汽车通过充电口进行充电，国标充电口分为交流充电口和直流充电口。交流充电是指供电设备的交流电经过交流充电口输入给车载充电机，车载充电机对交流电进行转换，输出直流电给电池包充电；直流充电是指直流供电设备通过直流充电口输出直流电给电池充电[1]。国标充电口和国际上其他主流充电口的执行标准不同，界面和工作方式不一样，存在的问题也不一样。文章结合国际主流充电口的发展情况来分析国标充电口存在的问题以及未来的发展情况。

1 充电口的发展情况

1.1 国标充电口介绍

图1 示出国标充电口示意图，国标交流充电口满足GB/T 20234.2—2015 的要求，国标直流充电口满足GB/T 20234.3—2015 的要求。交流充电口共有7 个插孔[2]，分别为 L1，L2，L3，N，PE，CC，CP。L1，L2，L3，N 用作电源接口，CC 和CP 为信号接口，PE 为接地接口。直流充电口共有 9 个插孔[3]，分别为 DC+，DC-，PE，CC1，CC2，S+，S-，A+，A-。DC+ 和 DC- 用作电源接口，A+ 和A- 为低压辅助电源，PE 为接地接口，其余为信号接口。

图1 国标充电口示意图

除中国市场外，全球的充电系统目前被美国、日本和欧洲主导。表1 示出全球充电系统名称及标准[4]。

表1 全球充电系统名称及标准

1.2 北美及日本地区CHAdeMO&Type1

图2 示出北美及日本地区充电口示意图。日本CHAdeMO 组织设计开发出的直流快充接口命名为CHAdeMO Connector，早在20 世纪90年代就已经在JEVS G105—1993 标准中第 1 次发布，如图2a所示。汽车零部件制造商矢崎（Yazaki）设计出一款名为Yazaki Connector 的充电口，如图2b所示，Yazaki Connector 发布于美国电气工程师协会标准SAE J1772—2009 中。

国际电工委员会（IEC） 在2011年发布的IEC 62196.2—2011 中收录了SAE J1772 标准中的Yazaki Connector，命名为 Configuration Type1，简称 Type1，规定其最高电压为单相250 V，充电电流不超过32 A[5]。

CHAdeMO Connector 被 IEC 62196.3—2014 标准收录，命名为Configuration AA，规定最大电压为600 V，最大电流为200 A，行业内更习惯保留其CHAdeMO Connector 的名称。Type1 Connector 和 CHAdeMO Connector 一起被广泛应用于北美及日本等地。图3 示出日产聆风中安装的Type1 Connector 和CHAdeMO Connector 充电口。

图3 CHAdeMO 与Type1 充电口实物图

1.3 欧洲地区Type2

在欧洲地区，德国制造商曼奈克斯（Mennekes）设计出充电口Menenkes connector，第1 次发布于德国标准 VDE-AR-E 2623-2-2 中。Menenkes connector 经过了一系列的修改，如变换了插头、插座中端子的类型等后，也被IEC 62196.2—2011 收录并命名为Configuration Type2，简称Type2。Type2 可用作单相或三相交流充电，单相最高电流为70 A，三相最高电流为63 A。Type2 是欧洲最通用的充电口，如图4所示。

图4 Type2 充电口示意及实物图

1.4 联合充电系统CCS

2011年10月12日，第 15 届 VDI 国际会议中发布了联合充电系统“Combined Charging System”，简称CCS。

2014年，CCS 被欧洲汽车制造商联盟（ACEA）和美国电气工程师协会（SAE）认可，并发布在IEC 和ISO标准中。CCS 中包含CCS1 和CCS2 2 种形式（或称为Combo1 和 Combo2），充电功率范围在 80～350 kW。CCS1 和CCS2 是分别在Type1 和Type2 的基础上增加了2 根直流充电接口DC+和DC- 用于直流快充[6]，如图5所示。CCS 的充电口既可以用于交流充电也可以满足直流充电。

图5 CCS 充电口的2 种形式

1.5 其他充电形式

Type1 充电口在IEC 标准中只能作为交流充电口，但在 J1772 标准中，Type1 既可以作为 AC Level 1 和AC level 2 的交流充电口，也可以作为DC level 1 的直流充电口，如图6所示。

图6 Type1 充电口的2 种形式

L1 和L2/N 作为交流供能接口，负责单相120 V 或240 V 交流电的传输，最高可以传输80 A 的电流；PE为接地导体，用来保护电路；CS 和CP 为信号端子，CS用来确认充电口的插头插座是否完全插合，CP 用以传输PWM信号来监测整个充电过程。

当Type1 充电口作直流充电用时，其各个接口的类型不同于交流充电。L1 和L2/N 接口变成了DC+和DC-，用来传输最高达80 kW 的充电功率。特斯拉的部分车辆仅有Type2 充电口，该充电口不但可以用作交流充电，也可以用作直流充电，如图7所示。

图7 特斯拉Type2 充电口

特斯拉在使用交流充电时和Type2 交流充电相同，L1，L2，L3，N 为三相四线，PE 为接地口，PP 用作连接确认，CP 为控制导引电路；使用直流充电时，L3 和N变为 DC+，L1 和 L2 变为 DC-，PP 为充电连接确认，CP为控制导引。直流充电最高电压为500 V，最高充电电流为140 A，可提供高达70 kW 的充电功率。

2 国标充电口存在的问题

国标交流充电口参考Menenkes connector 的设计，使用PWM信号进行供电设备和车辆的通信。交流充电包含单相和三相2 种，单相最高充电功率为6.6 kW，三相最高充电功率为41 kW。

国标直流充电口参考CHAdeMO Connector 的设计，和CHAdeMO 充电系统相同，都使用CAN 作为车辆和桩端的通信方式。在国标直流充电口中，S+和S-为 CAN 通信 接 口，CHAdeMO 中 COM1 和 COM2 为CAN 通信接口。国标直流充电最大充电电流为250 A，最大充电功率为250 kW。

国标充电口主要存在以下问题：1）需要2 个充电口，占用空间大；2）用户使用不便利，体验不佳；3）相较于CCS，供电设备的生产、建设较复杂；4）直流充电电流小，无法满足350 kW 大功率的充电要求；5）直流充电超过200 A，端子温升大，容易对端子产生烧蚀；6）直流充电口无法满足IPXXB 的要求；7）配合尺寸公差大，没有插合导引结构；8）与国际上CCS 及CHAdeMO等充电系统无法兼容，不能主导国际标准。

3 国标充电口的未来发展方向

3.1 交流充电口满足交直流一体充电需求

国标交流充电口目前只能适用于交流充电。将原先仅用于交流充电的 4 个电源接口 L1，L2，L3，N 改为也可用作四通道直流充电的电源接口DC+和DC-，和Type1 或Type2 实现交流、直流充电一体的原理相同，用1 个充电口满足交流、直流两用的功能，可以极大地降低充电口的占用空间和提高用户的体验，如图8所示。但是，由于交流充电口的端子载流能力低，导致充电功率低，其不适合作为未来的超级快充使用，可以作为家用小功率的直流充电使用，但因为目前交流充电口没有预留CAN 通道，所以需要解决CAN 通信接口的问题。

图8 国标交流充电口实现直流充电示意图

目前的充电设施均为国标充电口，充电桩可以直接投入使用，仅需要对软件部分进行升级即可。

3.2 采用国标联合充电系统

和CCS 充电口类似，在交流充电口的下方增加2 个载流能力超过400 A 的直流通道，可以满足1 个充电口两用的需要，也可以实现大功率快充的功能，如图9所示，但CAN 通信接口的问题仍然需要解决。

图9 国标联合充电口示意图

采用联合充电系统，目前交流充电设施可以使用，直流充电设施必须配备专门的转接口进行转接。

3.3 开发新一代的充电口

对于下一代充电口，连接确认通道CC、控制导引通道CP 和CAN 通信通道的开发不可或缺。交流充电口使用现有标准不变。直流充电口必须满足占用空间小的要求，下一代直流充电口可以采用全新的端子排列方式取消低压辅助电源通道，如图10所示。

图10 全新的直流充电口端子排列方式示意图

通过加大DC+和DC- 端子之间的距离，在增大额定电压的同时，也可以解决直流充电口体积大的问题。

此外，对于直流充电口现存的其他问题，可采取如下策略：1）为满足IPXXB 防护等级的要求，可以使用10 mm2或8 mm2功率端子，使充电口更安全。2）减小充电插头和插座的配合公差，提高充电端子的配合精度，降低接触电阻，可将接触电阻控制在0.3 mΩ 以下。3）使用材料涂层。在端子的接触表面，添加导电润滑剂减少端子的摩擦、磨损和抗腐蚀性；在端子的非接触面，如母端子的外表面添加散热涂层，如碳纳米管（CNTs），提升端子的散热能力，降低温升。

3.4 公用充电设施的发展

据统计，2018年我国新能源汽车产量超100 万辆，新能源车产销量的大规模增长必将需要越来越多的充电设施。

未来国标充电口的开发必须要考虑到与现有充电桩的兼容。目前我国的充电桩均配备国标充电口，使用国标转接口来适配现存的充电设施和新能源汽车是有效且经济的实现方法，带旧充电口的汽车可直接使用现存充电设施，带新充电口的汽车利用国标转接口连接。这种转接方式已经在特斯拉上实现。特斯拉Type2 充电口利用转接口在ChadeMO 充电站充电，如图11所示。

图11 特斯拉在CHAdeMO 充电站转接充电

4 结论

文章介绍了国际上的主流充电口，针对国标充电口存在的问题，提出未来的4 种发展方向，并分析了各个方向的优点和不足之处，对后续设计起到指导作用。文章没有对车辆与充电设备之间的PLC 通信或CAN通信进行深入的对比分析，以及缺乏对充电口与车载充电机、BMS 等架构的分析，后续将在这些方面加以研究。