基于点烟器及USB的直流配用电方案研究

摘要：探讨了当前直流电器的现状，并对使用点烟器接口的直流电器进行了测试，直流电能质量好、无须无功补偿等优势日益显著。特别关注了利用点烟器接口的PD（Power"Delivery）快充技术为手机和笔记本电脑供电的能力，指出点烟器接口可以作为常规直流电器的一个有效补充。在此基础上，给出了基于点烟器与USB的直流配用电拓扑图，为低压直流配用电系统设计提供参考。

关键词：直流配用电""点烟器""快充技术""Type-C接口

Research"on"DC"Power"Distribution"Schemes"Based"on"Cigarette"Lighter"and"USB

GUO"Zhichao""CHEN"Jie""ZHANG"Yapeng""TAN"Wen

Beijing"Electric"Power"Automation"Equipment"Co.，"Ltd.，"Beijing，"100044"China

Abstract："This"article"explored"the"current"situation"of"DC"appliances"and"tested"DC"appliances"using"cigarette"lighter"interfaces."The"advantages"of"good"DC"power"quality"and"no"need"for"reactive"power"compensation"are"becoming"increasingly"prominent."Special"attention"was"paid"to"the"ability"of"Power"Delivery（PD）"fast"charging"technology"using"cigarette"lighter"interfaces"to"power"mobile"phones"and"laptops，"and"it"was"pointed"out"that"cigarette"lighter"interfaces"can"serve"as"an"effective"supplement"to"conventional"DC"appliances."On"this"basis，"a"DC"power"distribution"topology"diagram"based"on"cigarette"lighter"and"USB"is"provided，"providing"referencenbsp;for"the"design"of"low-voltage"DC"distribution"power"systems.

Key"Words："DC"power"distribution;"Cigarette"lighter;"Fast"charging"technology;"Type-C

随着电力电子设备和光伏技术的普及，直流电能质量好、无须无功补偿、便于电源和负载接入等优势日益显著。龙潭等人[1]针对城市轨道交通行业应用，指出照明、自控及小功率设备采用DC（220±110）V，消防应急照明使用直流特低电压DC48"V、DC24"V供电，局部照明采用DC110"V，区间照明采用DC220"V，动力及大、中功率设备采用DC（750±375）V，接触网使用DC1"500"V。在民用建筑领域，光储直柔工程案例逐年增加[2-3]，以及《民用建筑直流配电设计标准》（TCABEE"030—2022）团体标准的推出，进一步促进了光储直柔技术的发展，同时也增加了直流电器的需求。

1""常规直流电器

目前，许多直流家用电器都是通过改造交流家用电器而得到的。例如：将AC220"V电热油汀改造为DC220"V供电，需要将原来的辅助电源从AC/DC改造为2个DC/DC，从而为继电器和控制面板供电。同时，原本的交流继电器也需要更换为能够分断直流电流的固态继电器[4]。袁金荣等人[5]指出，对于大型工商业空调，可使用DC750"V取代三相AC380"V电压，至于普通户用空调，则使用DC400"V取代单相AC220"V电压，一般来说，单相AC220"V空调室内机转换为DC24"V后为功率和控制部分供电，为降低损耗，在保证人员本质安全的前提下应尽量提高电压，一般选择DC48"V。

直流照明技术已相当成熟，其产品种类丰富多样。团体标准《直流照明系统技术规程》（TCECS"705—2020）规定灯具安装高度不大于6"m的室内场所，直流照明系统末端供电电压宜为48"V。该标准详细规定了直流照明系统的供配电、监控、管理、保护、布线、灯具选择、驱动方式、安装调试等多个方面。

2""基于点烟器接口的直流电器

为了评估采用点烟器接口的直流电器的性能，使用型号为PR10的用电记录仪来测量AC220"V侧的功率，通过型号YH-CZ的电源适配器将AC220"V转换成DC12"V-15"A的点烟器接口进行测试，测试对象为冰箱、烧水壶和空气净化器，图12是测试结果的概述。

2.1"冰箱性能测试

测试了冰虎（Alpicool）品牌的压缩机冰箱，型号C20，容积为20"L。在实际测试中发现，其最高功率达到60"W，而运行时功率有时为30"W或40"W，通常介于50～60"W之间。当达到预设温度后，降至待机状态，其功率大约只有1～2"W。值得注意的是，冰箱显示的温度是其内部传感器的温度，在制冷过程中往往远低于存储物品的实际温度。当冰箱在制冷模式下，一旦内部传感器检测到的温度达到预设值，便会自动进入待机状态。经过一段时间，随着冰箱内部温度逐渐均衡，传感器所测得的温度会有所上升，此时冰箱将重新启动制冷过程。这一过程会不断重复，以维持冰箱内部的恒定温度。在室温为25"℃、设定温度为-20"℃且开启MAX快速制冷模式的条件下，放入4瓶330"mL的室温饮料后，冰箱在6"min内功率从30"W缓慢上升至50"W，并在接下来的2.5"h内保持这一功率水平。之后，冰箱进入间歇性工作状态，直到总共用时4"h，此时饮料出现了少量的冰沙。试验表明，这款冰箱的功率较低，容量有限，因此制冷效果并不理想，耗时较长。

2.2"烧水壶性能测试

易魔品牌的烧水壶，型号Ti018，容量为1.7"L。当加水至MAX线标记处时，该壶在沸水-快热模式下的功率稳定在94～103"W之间，需要2"h20"min才能将水从室温28"℃加热至100"℃。相较之下，一款AC220"V的烧水壶功率约为1.85"kW，仅需不到4"min就能将同样体积的水加热至100nbsp;℃。由此可见，该烧水壶的功率偏低，导致加热时间过长。

2.3"空气净化器性能测试

博士品牌的空气净化器，型号KJ20G-GS201，在待机状态下的功耗约为0.5"W。其风速分为低、中、高3个档位，对应的功率分别为3.5"W、5.1"W、5.7"W。根据产品说明书，按照国标《空气净化器》（GB/T"18801-2022）进行的测试结果显示，该产品适用于小空间的空气净化。

根据上述测试结果，可以得出这样的结论：基于点烟器接口的直流电器通常功率较小，因此，非常适合在直流电源场景下使用小功率设备。汽车的DC12"V低压蓄电池容量通常在0.5～1"kWh之间[6-7]，由于低压蓄电池的容量相对较小，所以对应的车载电器功率一般不超过120"W。部分大型车辆的车载电源为DC24"V，其对应的车载电器功率相对较高。例如：上文中的烧水壶在DC24"V供电下的最高功率可达200"W，但这仍然远低于同等容量的交流烧水壶的功率。为了满足日益增长的功率需求和多样化的低压用电设备，部分燃油车型已经增加了DC48"V电压等级和相应的蓄电池[8]。然而，在常见的电商平台上，却很难找到DC48"V的车载电器。电动汽车拥有可以为低压蓄电池充电的动力电池，但是，一方面，电动汽车的动力电池可以通过慢充口对外放电，以供AC220"V大功率家用电器使用；另一方面，在常见的电商平台上也难以找到DC12"V的大功率车载电器。

3""手机、电脑等消费电子产品

3.1""基于Type-C接口的PD快充

USB"Type-C"是一种插座、插头和线缆标准，它与现有的USB接口兼容。Power"Delivery（简称"USB-PD）是由USB-IF规定的协议，建立在USB"Type-C连接器上。DP（DisplayPort）是目前流行的高清显示接口标准，由视频电子标准协会（Video"Electronics"Standards"Association，VESA）在2006年5月发布的V1.0版本定义。传统DP接口有标准DP和mini-DP"2种尺寸，直到2014年VESA宣布了基于USB"Type-C接口标准的DisplayPort交替模式（ALT"mode），从而引入了第三种DP连接器。Type-C标准接口提供了数据、电能和音频视频传输的完整协议框架[9]。USB"PD快充充电器内部包含专用的协议芯片，可以去掉电源不适用或不需要的功能，如音视频模式，其满载效率通常超过90%[10]。

除了手机、笔记本电脑和平板电脑广泛采用Type-C外，部分显示器也开始支持Type-C接口。例如：DELL的P2423DE液晶显示器只需1根AC220"V电源线和一根90"W以上的Type-C数据线，即可在显示器关机时为支持PD协议的设备供电，如笔记本电脑；当显示器开机后，它通过Type-C数据线向笔记本电脑供电，同时笔记本电脑通过同一线缆向显示器传输视频信息，全程无须使用笔记本电脑的电源适配器。上述显示器与Thinkpad的T14p笔记本电脑通过Type-C数据线连接时，激活PD3.0"90W快充协议，固定电压电流档位为20"V-4.5"A。在电脑电量约为97%的正常办公使用情况下，显示器实际提供的功率通常为约13"W。T14p笔记本电脑配套的ADL100YDC3A型号电源适配器同样支持PD协议，与电脑和适配器之间激活PD3.0"100"W快充协议，固定电压电流档位为20"V-5"A，在电脑电量约为97%的正常办公使用情况下，显示器实际提供的功率通常为约10"W，如图2所示。

为了满足直流配用电的需求，对2款点烟器快充进行了测试：型号QXD16的纽曼和型号CCZX-140的倍思，如图3。纽曼QXD16配备了一个Type-C接口和两个Type-A接口，其中Type-C接口最高支持PD"36"W的输出，而尽管Type-A接口标称为100"W，但实际上这需要使用华为的SCP专有协议。另一方面，倍思CCZX-140提供了一个Type-C接口和一个Type-A接口，其Type-C接口能够支持高达PD"140"W的输出，Type-A接口则最高支持30"W。当需要为笔记本电脑供电时，推荐选择CCZX-140；而对于仅需为手机或其他低功率设备充电的情况，应根据具体的手机型号以及考虑相应的充电协议和功率需求来选择合适的型号。

测试了以下电子产品的充电性能：2023年发布的小米14Pro手机配备了1块4"880"mAh、4.2"V的电池，计算得出其电池容量为20.5"Wh。该手机支持最高120"W的有线快充和50"W的无线快充，并兼容QC4、QC3+、QC3.0、QC2.0、PD3.0、PD2.0以及小米独有的MI"FC"2.0快充协议；2018年推出的华为Mate20Pro手机搭载的是一块4"200"mAh、4.2"V的电池，相应的电池容量为17.6"Wh。这款手机能够实现高达40"W的HUAWEI超级快充以及15"W的HUAWEI无线快速充电。同样，在2023年发布的ThinkPad"T14p笔记本电脑，其电池容量达到了75"Wh。鉴于笔记本电脑对电池容量与功率的需求通常超过手机，部分型号需要使用45"W以上的高功率充电器。

使用倍思140"W"Type-C接口为小米14pro手机充电时，电压、电流和功率的变化情况如图4所示。在整个充电过程中，手机屏幕保持熄灭且不进行任何操作，充电协议始终维持在PD3.0。从14：05开始充电，此时手机电量剩余5%。在接下来的40"min（14：05至14：45）内，电流在3.1"A左右波动，而电压则从7.9"V逐渐上升至9.2"V，相应的充电功率也从24"W慢慢增加至28"W。在14：45到14：54这短短的9"min内，充电电压几乎保持不变，然而充电电流和功率却迅速下降。到了14：51，手机显示电量已达到100%。从14：54到15：12的18"min里，充电电压稳定在9"V，但充电电流从0.5"A降至0.2"A，进一步将手机电池充至极限。15：12之后，充电电压降低至5"V，充电电流变得可以忽略不计，此时可以认为充电已经停止。到了15：22，当充电器与手机断开连接后，电压、电流和功率均降至0。小米14pro手机的电池容量为20.5"Wh，根据图中数据累计充入的电量为20.2"Wh，与实际电量相符。

根据上图信息可知，尽管充电器最高支持PD140"W的输出功率，并且小米14pro本身也支持高达120"W的私有协议快充，但此次充电过程中该充电器对小米14pro的最高输出功率仅为28"W。虽然这个功率并不算高，但仍然能够在46"min内将手机电量从5%充至100%，证明其可用性。

通过倍思140"W"Type-C接口对华为Mate20"Pro手机进行充电的过程中，电压、电流和功率的变化情况如图5所示，全程采用PD3.0充电协议。具体来说，在15：37之前，当手机处于熄屏状态时，充电协议调整为PD3.0"10"W，对应的充电电压是5"V；而在手机亮屏状态下，充电协议则切换至PD3.0"18"W，此时的充电电压升至9"V。充电过程始于13：39，起始电量为5%。在13：39至14：51这72"min内，电流在1.8"A附近波动，而电压在熄屏状态下稳定保持在5"V，使得充电功率大约维持在9"W。到了14：51，手机电量已增至75%。随后的14：51至15：37这46"min期间，电流从1.8"A逐步降至约0.5"A，相应的功率也从9"W减少至大约2.5"W，此时手机电量达到96%。从15：37至16：09的最后32"min内，充电协议变为PD3.0"18W，对应的充电电压为9"V，电流从0.3"A进一步降至0.2"A，功率也相应地从3"W降低到约2"W，直至15：57时手机电量充满至100%。充电结束后于16：09断开连接，随后电压、电流和功率均归零。该手机型号的电池容量为17.6"Wh，而图中显示累计充入电量为16.7"Wh，与实际电量相吻合。

由上述数据可知，由于该手机型号较早发布，其对PD协议的支持相对有限，主要依靠PD3.0"10"W模式进行充电，从而导致充电时间相对较长——从5%电量充至75%需耗时72"min，而充至100%满电则需要138"min，整体充电时长较久。

使用倍思140"W"Type-C接口为ThinkPad"T14p笔记本电脑进行充电时，电压、电流和功率的变化情况如图6所示。在整个充电过程中，将电脑屏幕亮度调至最低，并仅运行POWER-Z上位机软件，充电协议始终保持在PD3.0-100"W。充电实验从16：32开始，此时笔记本电脑的电量为5%，并在18：40断开充电器，电量已充满至100%。在整个充电周期内，充电电压大致保持在20"V左右，几乎未见明显波动。从16：32至17：07的35"min内，平均功率从69"W逐渐升至74"W，期间观测到瞬时最大功率达到96"W，而在17：07时，电脑电量约为60%。随后的17：07至18：27的80min内，平均功率从74"W迅速降至13"W，充电速度显著减慢。最后，在18：27至18：40的13"min里，平均功率稳定在10"W左右，这一数值可被视为电脑的静态功耗。

作为对比参考，还测试了使用原装充电器ADL100YDC3A对同一型号笔记本电脑进行充电的情况，如图7所示。该过程同样在电脑屏幕亮度最低和仅运行POWER-Z软件的条件下进行，充电协议亦维持在PD3.0-100"W。充电开始于13：27，起始电量为5%，并于15：35结束充电，电量达到100%。在此过程中，充电电压同样稳定在20"V左右。从13：27至14：04的37"min内，平均功率从69"W缓慢上升至73"W，期间记录到的瞬时最大功率为96"W，而到了14：04时，电脑电量大约为63%。接下来的14：04至15：23的79"min内，平均功率从73"W快速下降至13"W，充电速率逐步减缓。最后的15：23至15：35的12"min里，平均功率保持在10"W左右，这同样反映了电脑的静态功耗水平。

通过以上充电过程的数据分析可知，采用点烟器接口的快充方案能够完全替代传统的电脑原装充电器，并且在体积和重量上具有明显优势，如图8所示。此外，还尝试了使用纽曼QXD16快充Type-C接口为电脑充电，并成功触发了PD3.0"30"W充电协议，此时的充电电压约为12"V。

3.2""无线充电

WPC联盟作为全球首个推动无线充电技术标准化的组织，目前也是全球最大的无线充电标准组织。智能手机和平板电脑普遍支持WPC的Qi标准。在车载手机无线充电系统中，DC12"V的车载电源被逆变为交流电，然后通过车载手机无线充电模块的线圈发送电能。支持无线充电的手机内置线圈通过电磁感应接收电能，并通过整流和电压变换电路为手机电池充电[11]。无线充电器电能输入通常采用Type-C接口并使用PD3.0协议，只需将Type-C线缆插入点烟器快充接口，即可为手机、耳机、手表等设备进行无线充电。

3.3""带电源适配器的插座

随着《家用和类似用途直流插头插座"第1部分：通用要求》（GBT"42710.1—2023）和《家用和类似用途直流插头插座"第2部分：型式尺寸》（GBT"42710.2—2023）两项标准的实施，某公司已经推出了相应的产品，例如：直流延长线插座、带电源适配器的直流延长线插座以及带电源适配器的直流固定式插座，其功率上限均为DC48"V"16"A，即768"W，如图9所示。

常规插座可以接入DC48"V直流电器，最大电流为16"A。USB"Type-C单口输出可达5"V、3"A，9"V、2.22"A，12"V、1.67"A，最高20"W；USB"A单口输出可达5"V、3"A，9"V、2"A，12"V、1.5"A，最高18"W。USB接口与点烟器快充接口类似，适用于接入小功率USB供电设备，如使用Type-C供电的米家直流落地扇，实测其最高功率仅为15"W。

4""配电拓扑图

综合考虑以上内容，针对办公室、宿舍等人员频繁活动的空间的直流配用电系统拓扑如图10所示。输入源为传统的交流电压AC220"V，其中一路被整流为DC48"V；另一路则整流为DC12"V或DC24"V。DC48"V用于常规直流电器，并进一步分为两路：一路用于低压照明；另一路则接入直流固定插座。这些直流固定插座可以直接连接直流电器，或通过直流延长线插座后接入直流电器。

对于DC12"V或DC24"V，采用点烟器接口，部分接口直接接入对应的直流电器，如空气净化器、加湿器等，而另一部分接口可以接入PD快充设备，通过USB接口满足笔记本电脑、手机、无线充电器等电子设备的供电需求。

虽然目前一些家电企业已经开发出多种直流家用电器，但这些大多还只是工程样机，并未成为成熟的市场产品。在进行经济性评估时，莫理莉等人[12]假设直流家用电器的价格与交流家用电器相近。然而，实际上直流家用电器的价格通常是交流家用电器的数倍，而且供货周期较长，无法通过主流电商平台购买，最终用户的售后服务也难以得到保障。此外，DC48"V难以为笔记本电脑、手机等消费电子类产品提供足够的电力，一般最多只能提供5"V/2"A的输出为手机慢速充电，无法满足电脑的高功率需求，尤其是无法满足使用Type-C接口供电的电脑。

使用基于点烟器与USB的家用电器，弥补了DC48"V产品类别不够丰富和完善的问题，是对低压直流配用电系统的有益补充，充分利用了点烟器接口电器和PD快充在成本、供货周期、便利性方面的优势。

关于安全性问题，根据现行国家标准《特低电压（ELV）限值》（GB/T"3805—2008），DC48"V对人体是相对安全的，尤其适用于人员频繁活动的场所，如办公室、学生宿舍等。考虑到其电压较低，为避免过大的线路损耗及压降，单条支路功率通常不超过0.5"kW，供电半径一般不超过20"m。本文的研究重点放在DC48"V与更低电压等级的配用电方案上。王新想等人[13]使用DC220"V进行了不同负载类型的电弧试验，大部分负载类型出现了电弧，甚至观察到飞弧短路的现象。姚芳等人[14]在100"V/3"A、200"V/6"A、300"V/9"A电压电流等级下进行的测试得出以下结论：阴、阳极断点燃弧电压、电流、功率大致相当，插入时燃弧能量仅为拔出时燃弧能量的千分之一，分断电压越高，燃弧能量越大。DC48"V、16"A和现有的AC250V、10"A电弧相差无几，因此，无须采用灭弧措施，可放心使用。

5""结语

本文对部分通过点烟器接口供电的直流电器进行了测试。研究发现，由于点烟器接口的功率限制，如冰箱和热水壶这类大功率电器的性能表现并不理想；然而，对于空气净化器等小功率设备而言，其性能基本能满足日常使用的需求。此外，本文特别关注了采用点烟器接口的PD快充设备为手机和笔记本电脑提供电力的能力，有效解决了传统直流电器难以为当前广泛使用的Type-C接口笔记本电脑供电的问题。本文最后还提供了低压直流配用电系统的拓扑结构图，为低压直流配用电系统设计提供参考。

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