SAE J3400标准与交流电充电技术的突破性进展

SAE International近日发布了SAE J3400标准，主要涉及当前北美道路上大部分电动车使用的一种耦合器（充电接口）系统。该标准将推动行业摆脱以专利系统（封闭系统）为主的既往模式，并朝着由行业标准规范的大规模电气化的方向发展。在SAE J3400标准（“北美充电标准”或“NACS”）取代SAE J1772标准的过程中，虽然人们对直流快充技术给予了大量关注，但本文将重点介绍交流充电，因为美国的大多数电动车用户在日常通勤中都使用交流充电。

自1996年SAE首次推出SAE J1772 标准以来，电动车行业的发展日趋成熟。当时， OEM尚未参与全国范围的充电站网络的部署。而现在，许多汽车OEM都设有直接提供非车载充电服务与设备的业务部门，标志着OEM的观念发生了重大转变。

假如一家汽车OEM希望通过严格控制电动车本身的成本来提高市场竞争力。在这种思维模式下，降低车辆的成本可能导致安装和持续运营非车载基础设施的成本成倍增加，包括能源使用的成本。这些成本将造成系统总体成本提高，并最终延缓电动车的推广应用。在这种情况下，汽车OEM的能源部门可能会同时面临成本增加，但潜在客户群体减少的困境。

NACS充电接口的推广应用表明行业为大规模电气化提供了标准支持。（特斯拉）

因此，为推广交通电气化，行业必须将电动车与供电设备作为一个统一的系统来设计。SAE J3400标准在绝大多数OEM的支持下做出了合理的工程决策，有望通过减少北美地区交通电气化的障碍，在未来数十年内产生显著的回报。虽然SAE J1772标准为单户和双户住宅提供了出色的交流充电解决方案，但是SAE J3400标准能够在以下方面满足更广泛的市场需求。

SAE J3400标准支持商业区、街道、停车场和密集住宅区的交流电压配置，尤其是480/277 V三相电源——美国公用事业单位提供的最普遍的一种电压配置。该标准仍支持NACS（特斯拉）电动汽车目前采用的277 V充电电压，表明OEM正在通过将成本优化的范围扩大至供电基础设施，从而使公司决策更好地顺应大规模电气化的趋势。

许多公用事业单位要求供电服务达到一定规模时必须提供480/227 V交流电。如果电动车支持277 V交流电压，那么充电场地就无需为转换成较低电压而额外安装变压器，从而节省了成本。此外，由于大多数直流快充充电桩使用480/277 V三相交流电源，如果电动汽车支持277 V交流电压，那么同时配备交流和直流充电桩的停车场便可以共用相同的配电板以及与两种充电站连接的电源馈线。

特斯拉用于直流充电和交流充电的NACS充电插头（特斯拉）

上述充电场地无需额外安装配电板，节省了变压器的占用空间，减小了导线和导线管的尺寸，无需安装过流保护装置，同时还可以减少场地的工程设计工作量。通过减少这些庞大的组件，路边充电点等一些空间有限的场地便可显著减少充电桩的占地面积。在没有二级变压器的情况下，根据站点的不同负载系数，总体充电效率可从2%提高至8%。此外，在相同功率下，将电压水平从208 V提高到277 V可减少33%的电流，从而减少导线中50%以上的铜损耗。

具有可拆卸（便携式）电缆组件的电动车供电设备（EVSE）比固定连接电缆的充电站更具优势。这种已在世界其他地区广泛应用的方法经SAE J3400标准和SAE J3068标准引入到北美地区。这种在SAE文件中被称为“通用交流插座（universal AC socket-outlet）”的设备具有以下优点：

用户无需依赖技术人员就能够自行更换电缆，降低了维护成本。商品化的EVSE降低了系统成本，为用户的电动车提供了更多的充电场所。

减少了充电插头掉到地上或遭汽车碾压的损坏风险，便于充电站附近的街道清洁和扫雪车作业，同时也减少了盗窃和肆意损坏财产的风险。

通过为电缆组件配备基础设施侧的通用充电接头和车辆侧的充电接口形式，省去了交流电源适配器的使用。由于这种配置中不存在插入件，因此无论是EVSE还是电动汽车都无需监测连接点的状态。

EVSE可根据SAE J3068标准有选择地提供三相交流电源。这种配置可促进通常支持三相电源的中、重型车辆的电气化进程，并允许这些车型在480/277 V交流电压下以较高的功率水平进行充电，同时允许支持单相电源的车辆也能够在同一充电站充电。

在电网融合（Vehicle-Grid integration）的过程中还必须考虑快充场景，即用户在充满电后立即拔下插头的行为，因为这种充电行为可能与电网融合的目标相冲突。最理想的情况是大多数车辆在其驻车时间最长的地方处于充电状态。这种做法可提高能量传输的灵活性和可靠性，并增加电力储存容量，在维持电网稳定性的同时还能够提高可再生能源的市场渗透率。具备可拆卸电缆的EVSE具有成本较低等多种优势，使那些无法在家庭车库中充电的车辆也能够享受到更便捷、更经济的充电服务，符合电网融合与推广电气化的宏大目标。

由于北美的汽车消费者对OEM改用NACS汽车充电接口的转型趋势有所了解，因此，去年仍采用传统的SAE J1772电动汽车充电接口的车型出现了滞销。监管机构需要更加果断地推广支持SAE J3400标准的配置。

在短期内，某些类型的充电站点可合理保留部分支持传统SAE J1772 2级交流充电的EVSE。但从长远来看，基于上述原因，这种做法将阻碍汽车行业的电气化。行业可借鉴CHAdeMO直流充电站为传统汽车提供服务的经验，利用现有和未完工的SAE J1772基础设施，为采用SAE J1772充电接口的“传统”车型提供充电服务。在建设新的电动车基础设施的过程中，应优先考虑为那些市场占比高达95%的燃油车加油站进行电气化改造。

最后，SAE J3400标准对环境的深刻影响不容忽视。通过使用一种通用的交流电连接方式简化基础设施，并通过支持277/480 VAC的电压提高效率，SAE J3400标准降低了充电基础设施的成本，提高了充电的便利性，并增强了充电性能，从而促进电动车的大范围推广。

作者：

RODNEY MCGEE 博士

特拉华大学 高级工程师 

Rodney McGee博士是特拉华大学交通电气化中心的研究工程师。在此职位上，他领导了一支工程师团队从事双向EVSE和电动汽车系统的设计、测试和产品化工作，同时与OEM和供应商开展密切合作，促进尖端技术的发展。除供职于特拉华大学外，McGee博士还担任SAE中型和重型导电电力传输工作组（SAE J3080标准）和NACS工作组（SAE J3400标准）的主席，在推动电动汽车的行业标准制定方面做出了积极贡献。