IEC 61851 标准中的四种 EV 充电模式

在本文中，我们将研究国际电工委员会 (IEC) 指定的不同 EV 充电模式。

正在制定国际标准来满足电动汽车市场的需求。全球电动汽车的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，我们将研究国际电工委员会 (IEC) 指定的不同 EV 充电模式。这些模式在处理电动汽车传导充电系统的 IEC 61851 标准中有所规定。该标准描述了四种不同的充电模式，称为模式 1、2、3 和 4。

IEC 制定了其他标准来处理电动汽车充电技术的其他方面。例如，IEC 62196 讨论了插头、插座、车辆连接器和车辆入口，而 IEC 61980 则涉及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 描述了三种不同类型的连接，如下图所示：

EV 充电电缆的三种主要类型。图片由萨格勒布大学提供

在案例 A 中，电缆永久连接到 EV，但在充电站（也称为 EVSE——电动汽车供电设备）EVSE 侧可拆卸。案例 B 指定了一条两端可拆卸的电缆，案例 C 是一条永久连接到 EVSE 的电缆。

EV 充电模式 1

在此模式下，EV 直接连接到家用插座。该模式最大电流为16A，单相系统电压不超过250V，三相网络不超过480V。

连接家用插座的电动汽车的基本结构。图片由萨格勒布大学提供

模式 1 是最简单的充电模式，不支持电动汽车和充电点之间的任何通信。许多国家/地区禁止或限制这种充电模式。

EV充电模式2

家用插座并不总是根据实际标准提供电力。此外，专为家庭应用设计的插座和插头可能无法承受最大​​额定值下的持续电流消耗。

这就是为什么在没有控制和安全功能的情况下将电动汽车长时间连接到插座会增加触电风险的原因。为了解决这个问题，专家开发了充电模式2，使用一种特殊类型的充电电缆，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。该模式最大电流为32A，最大电压不超过250V单相或480V三相。模式2适用于家用和工业插座。

该模式的安全功能可以检测和监控保护接地连接。过流和过温保护是模式 2 支持的另外两个安全功能。此外，EVSE 可以在检测到与 EV 的连接并分析其充电功率需求时执行功能切换。

充电模式2及相关线缆如下图所示。

充电模式 2 和相关线缆。图片（修改）由萨格勒布大学和 Ali Bahrami 提供

虽然模式 2 可用于私人充电，但其公共使用在许多国家/地区受到限制。

EV充电模式3

此模式使用专用 EVSE 和 EV 车载充电器。来自充电站的交流电流被施加到车载电路以给电池充电。采用多种控制和保护功能来保证公共安全。其中包括验证保护接地连接以及 EVSE 和 EV 之间的连接。

而且，这种模式可以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 250 A，使用 250 V 1 相或 480 V 3 相网络。它还支持与模式 2 兼容的操作模式，其中 1 相和 3 相情况下的最大电流限制在 32 A 以下。

在此模式下可以使用三种可能的连接（案例 A、案例 B 和案例 C）中的任何一个。案例B和案例C如下所示。

充电模式 3 中的案例 B 和案例 C。图片由萨格勒布大学提供

让我们看看这种模式如何定义充电站和 EV 之间的通信。模式3的控制导频电路如下图所示。

控制模式 3 的引导电路。图片（修改）由 Energies 提供。

根据开关 S1、S2 和 S3 的状态，“引导触点”将出现不同的电压电平。这可以用作不同充电阶段的表示。 EV 可以按如下方式开始充电周期：

在插入充电电缆之前，开关 S2 和 S3 关闭，S1 连接到 12 V 直流电源。在这种情况下，EVSE 在导频触点处测量的电压为 12 V DC（EVSE 意识到 EV 尚未连接）。

当充电电缆连接到EV和EVSE后，EV侧的控制器可以打开S3，将引导触点的电压降低到9V左右。这通知EVSE电缆连接到了两个EV和 EVSE。此外，飞行员触点上的 DC 9 V 信号告诉 EV EVSE 尚未准备好。

当 EVSE 准备好为 EV 充电时，它将 S1 连接到振荡器。飞行员触点上的 PWM 信号告诉 EV EVSE 已准备就绪。

然后，EV 打开 S2 以在飞行员触点处产生大约 6 V 的电压，以表明它也已准备就绪。在此阶段产生的电压取决于 R3 电阻的值。该电阻的值指定了该充电区域是否需要通风。当 R3=1.3 kΩ 时，先导接触电压约为 6 V。这对应于不需要通风的充电区域。对于需要通风的区域，采用R3=270 Ω，导引接触电压约为3 V。

当车辆充电或因任何原因想要中止充电周期时，它可以关闭 S2。这会将 PWM 的正电压电平更改为 9 V，并通知 EVSE EV 未准备好再充电。

EV充电模式4

这是唯一一种将非车载充电器与直流输出相结合的充电模式。直流电流直接输送到电池，并绕过车载充电器。此模式可提供600 V DC，最大电流为400 A。此模式所涉及的高功率级别要求更高级别的通信和更严格的安全功能。

模式4只允许C盒连接，充电线永久连接到充电站。

C 类连接中的模式四。图片由 Ali Bahrami 提供

结论

IEC 61851 标准涉及电动汽车传导充电系统。该标准描述了四种不同的充电模式——模式 1-4。

前三种模式向 EV 车载充电器提供交流电流；然而，模式 4 直接向电池提供直流电流并绕过车载充电器。模式 3 采用多种控制和保护功能，以实现公共安全。我们在本文中更详细地研究了该模式的控制导频电路。