使用CCS連接器 簡(jiǎn)化安全EV快速充電

從農(nóng)業(yè)、市政到消費(fèi)者，電動(dòng)汽車（EV）的使用率不斷增加，大多歸功于「里程焦慮」的持續(xù)降低。雖然先進(jìn)的電池技術(shù)可以提高每單位體積的電池容量，從而延長(zhǎng)續(xù)航里程，但如果電池充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這些優(yōu)勢(shì)就會(huì)有所限制。這讓汽車公司及其零件供貨商擔(dān)起責(zé)任，迅速采用快速充電方法。

連接器是充電的關(guān)鍵零組件之一。這些連接器現(xiàn)在必須能夠在高達(dá) 1,000 V 的直流電壓下處理高達(dá) 500 kW 的功率，同時(shí)還要適應(yīng)交流電源。此外，還必須滿足 IEC 62196 和 SAE J1772 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全和智能快速充電的要求。為了滿足所有汽車和非汽車系統(tǒng)的需求，BEV 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向采用滿足組合充電系統(tǒng)（CCS）規(guī)范的連接器。

本文回顧基本的EV充電級(jí)別和模式，并說(shuō)明CCS連接器的要求，包括CCS 1型、CCS 2型和中國(guó)GB/T連接器的比較；最后回顧一些供貨商提供的延伸功能，例如更寬廣的工作溫度范圍和更高的侵入防護(hù)（IP）等級(jí)，并使用 Phoenix Contact、TE Connectivity 和 Adam Tech 的CCS連接器為例說(shuō)明。

EV組合充電系統(tǒng)
CSS車輛輸入插孔設(shè)計(jì)用于接受交流和直流電源連接器。長(zhǎng)時(shí)間停在車庫(kù)或停車場(chǎng)時(shí)，交流快速充電非常有用，而在商店、休息站和專用充電站短時(shí)間停放時(shí)，則可使用快速直流充電（圖一）。


 
圖一 : 單一 CCS 車輛輸入插孔可同時(shí)支持交流和直流快速充電。（source：Phoenix Contact）

電動(dòng)汽車充電位準(zhǔn)和模式
電動(dòng)汽車充電分類，包括充電位準(zhǔn)、充電模式、接線盒，針對(duì) CCS則包含充電連接器類型。

在美國(guó)，SAE J1772 認(rèn)可三種充電級(jí)別：

? 1 級(jí)：使用住宅 120 VAC 電源，功率限制在 1.9 kW 左右。1 級(jí)很慢。

? 2 級(jí)：充電使用 208/240 VAC 單相電源?？梢酝高^(guò) 240 VAC電源提供高達(dá)約 19 kW 的功率。2 級(jí)是「快速交流充電」，充電速度是 1 級(jí)的三到七倍。1 級(jí)和 2 級(jí)為車載 EV 充電器供電。

? 3 級(jí)：直流快速充電，使用外部直流充電器以 400 A 提供 600 VDC，總功率為 240 kW。先進(jìn)的直流快速充電器可提供 500 kW （500 A 時(shí)為 1,000 VDC）。

在歐洲，IEC 61851-1 定義四種電動(dòng)汽車充電模式：

? 模式 1：充電使用直接插入交流電源插座的簡(jiǎn)單纜線。功率低且不常用。

? 模式 2：也可直接插入交流電源插座，但增加了整合式保護(hù)，稱為纜線內(nèi)控制和保護(hù)裝置（IC-CPD）。模式 2 比模式 1 更安全，但僅支持使用三相電源充電至 15 kW 左右。

模式 3 和 4 是快速充電：

? 模式 3：使用專用充電站（也稱為EV供電設(shè)備，或 EVSE）提供高達(dá) 120 kW的交流電。模式 1、2 和 3都使用EV的車載充電器來(lái)控制電池充電。

? 模式 4：是指快速直流充電。EV車載充電器經(jīng)旁路，EVSE 通過(guò)直流連接器直接向電池供電。模式 4可提供數(shù)百千瓦。雖然使用高階通訊協(xié)議（HLC）和充電控制在模式 3中可能達(dá)到能量回饋，但在模式4中則為必需。

連接類型、模式和案例
CCS在北美以1型連接器達(dá)到SAE J1772標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲采用2型連接器達(dá)到IEC 62196。EV和EVSE之間的HCL接面基于ISO/IEC 15118和DIN SPEC 70121。有三種可能的EV對(duì)電源連接：案例 A、B、C。

在案例A中，纜線永久連接到EV，并根據(jù)需要插入電源。在CCS中不使用案例A。案例 B和C與CCS搭配使用，并與稱為GB/T的對(duì)應(yīng)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)一起使用（圖二）。電源線兩端可拆卸時(shí)為案例B。如果電源線與EVSE永久連接，則為案例C。充電模式3可使用案例 B或案例C。充電模式 4僅可使用案例C。


 
圖二 : CCS 1型（北美）、2 型（歐洲）和GB/T（中國(guó)）連接器類型、模式、案例的比較。（source：Phoenix Contact）

溫度監(jiān)控和主動(dòng)冷卻
監(jiān)測(cè)觸點(diǎn)溫度在快速充電系統(tǒng)中很重要。根據(jù) IEC 62196，觸點(diǎn)的溫升不能超過(guò) 50°C。EV和EVSE之間的HCL接口用于溫度數(shù)據(jù)通訊。如果溫度升高太多，EVSE 將減慢或停止充電。對(duì)于進(jìn)行交流充電的CCS連接器，采用正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻，根據(jù)DIN 60738的要求監(jiān)控溫度。如果連接器過(guò)熱，將停止充電圖 3）。針對(duì)快速直流充電，DIN 60751需要兩個(gè) Pt1000傳感器，每個(gè)觸點(diǎn)一個(gè)。Pt1000的（電阻隨著溫度的升高而線性增加。


 
圖三 : PTC溫度傳感器關(guān)閉交流充電以防止溫度超過(guò)安全位準(zhǔn)（左）。對(duì)于快速直流充電，Pt1000傳感器可以持續(xù)監(jiān)控溫度（右）。（source：Phoenix Contact）

供應(yīng)超過(guò)250 A充電電流的系統(tǒng)需要溫度監(jiān)控以及主動(dòng)冷卻（圖四）。CCS連接器采用主動(dòng)冷卻設(shè)計(jì)，可提供高達(dá)500 kW（1,000 VDC時(shí)為500 A）的功率。在環(huán)境溫度未預(yù)期升高或出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，溫度監(jiān)控讓系統(tǒng)能夠提高冷卻率或降低充電率，進(jìn)而將連接器觸點(diǎn)的溫升保持在+50°C規(guī)范限制內(nèi)。


 
圖四 : 主動(dòng)冷卻與溫度感測(cè)結(jié)合，可支持500 A的全充電，并將連接器溫升保持在 +50°C 以下。（source：Phoenix Contact；作者整理）

整合式鎖定機(jī)制
鎖定機(jī)制整合至CCS連接器系統(tǒng)中。類型1連接器中的鎖定機(jī)制是手動(dòng)夾緊機(jī)制。在2類連接器中，使用電磁活化金屬螺栓完成鎖定（圖五）。鎖受到控制，其狀態(tài)透過(guò)獨(dú)立的連接通訊至EVSE。


 
圖五 : CCS 車輛輸入插孔配備機(jī)電控制鎖定螺栓（紅色箭頭旁邊，左上角），旨在承受高拉力。（source：Phoenix Contact）

類型 1 和 2 輸入插孔和連接器
Phoenix Contact的 CHARX CCS充電輸入插孔具有高達(dá) 95平方公厘的直流纜線橫截面，可支持高達(dá)500 kW的充電率。1194398 型號(hào)在正常運(yùn)作下可提供125 kW的充電功率，在升壓模式下可提供高達(dá)250 kW的充電功率。此CCS類型1輸入插孔設(shè)計(jì)用于充電模式 2、3、4。包括交流觸點(diǎn)上的PTC鏈溫度傳感器和直流觸點(diǎn)上的Pt1000傳感器。

針對(duì)更高功率的需求，Phoenix Contact的 1162148 車輛充電輸入插孔支持突沖模式下500 kW的充電速率和正常運(yùn)作下250 kW的充電速率。依據(jù)ISO/IEC 15118和DIN SPEC 70121，透過(guò)電力線通訊以脈寬調(diào)變（PWM）進(jìn)行數(shù)字訊號(hào)傳輸。環(huán)境工作溫度范圍為 -40°C至+60°C。

需要CCS 1型交流插頭進(jìn)行2級(jí)充電的應(yīng)用可以使用TE Connectivity AMP Connectors的 2267220-3 型號(hào)。此連接器的額定電壓為240 VAC 和32 A，具有三個(gè)電源觸點(diǎn)和兩個(gè)訊號(hào)觸點(diǎn)。具有-55°C至+105°C的延伸工作溫度范圍，可承受10,000次插拔。

Adam Tech的 EV充電器纜線組件包括1型和2型插頭，纜線長(zhǎng)度為3 m（9.84 ft）或5 m（16.4 ft），并提供IP54或IP55侵入防護(hù)等級(jí)（IP）。例如，CA #EV03AT-004-5M 是2型連接器，具有5 m纜線和 IP55等級(jí)。其五個(gè)電源觸點(diǎn)和兩個(gè)訊號(hào)觸點(diǎn)，額定電壓為480 VAC，電流為16 A，工作溫度范圍為-30°C至+50°C。

CCS 規(guī)范注意事項(xiàng)
CCS車輛充電輸入插孔和連接器的整體機(jī)械和電氣特性為標(biāo)準(zhǔn)化，但設(shè)計(jì)人員在指定這些組件時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

IP等級(jí)
這些等級(jí)以多種方式指定：插入時(shí)、不帶蓋拔出時(shí)、帶蓋拔出時(shí)。一些裸露插頭的防護(hù)等級(jí)為IP20，代表防觸摸，并且可以抵抗灰塵或尺寸超過(guò)12 mm的物體。但是對(duì)液體沒有防護(hù)作用，如果接觸到噴水，很容易損壞。在覆蓋或插入時(shí)，CCS插頭較常是IP54、IP55、IP65等級(jí)。IP65與IP54裝置相比，具有更高的防水程度，但與IP55裝置相比防水程度相同。IP54和IP55裝置與IP65裝置相比，防塵效能較差。

工作溫度范圍
此規(guī)格無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。-30°C至+50°C和-40°C至+60°C等范圍很常見，但也可提供-55°C至+105°C等延伸范圍（如上述TE Connectivity的2267220-3）。

溫度測(cè)量組件
針對(duì)使用PTC組件的交流觸點(diǎn)和使用Pt1000傳感器的直流觸點(diǎn)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化。規(guī)格書選用交流單元的字詞有時(shí)會(huì)使用「PTC」，有時(shí)會(huì)使用「PTC鏈」。正確的名稱是「PTC鏈」，因?yàn)槊總€(gè)觸點(diǎn)上都有一個(gè) PTC。如果規(guī)格書中只寫「PTC」，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確認(rèn)所指的是「PTC鏈」。

對(duì)于 Pt1000傳感器，一些規(guī)格書寫做 Pt100傳感器，但此傳感器靈敏度較低且不符合CCS 標(biāo)準(zhǔn)。將 Pt1000傳感器稱為Pt100組件是一個(gè)常見錯(cuò)誤，因?yàn)椤?00」比「1000」更常用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確認(rèn)它確實(shí)是Pt1000，并且每個(gè)觸點(diǎn)上都有一個(gè)。

結(jié)論
BEV AC和DC快速充電支持不斷成長(zhǎng)的EV電池容量和延長(zhǎng)續(xù)駛里程的需求。交流快速充電用于行駛距離相對(duì)較短的電動(dòng)汽車?；蛘?，更高功率的直流快速充電，可以在幾分鐘內(nèi)將EV電池的電量充滿 80%，從而支持長(zhǎng)途駕駛的需求。CCS為設(shè)計(jì)人員提供一種在汽車和非汽車應(yīng)用中，結(jié)合交流和直流快速充電的安全、智能、高效率的方式。

（本文作者Barley Li為Digi-Key Electronics亞太區(qū)技術(shù)內(nèi)容部門應(yīng)用工程經(jīng)理）