使用CCS連接器 簡(jiǎn)化安全EV快速充電

從農業(yè)、市政到消費者，電動(dòng)汽車(chē)（EV）的使用率不斷增加，大多歸功于「里程焦慮」的持續降低。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(cháng)續航里程，但如果電池充電時(shí)間過(guò)長(cháng)，這些優(yōu)勢就會(huì )有所限制。這讓汽車(chē)公司及其零件供貨商擔起責任，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。這些連接器現在必須能夠在高達 1,000 V 的直流電壓下處理高達 500 kW 的功率，同時(shí)還要適應交流電源。此外，還必須滿(mǎn)足 IEC 62196 和 SAE J1772 標準對安全和智能快速充電的要求。為了滿(mǎn)足所有汽車(chē)和非汽車(chē)系統的需求，BEV 系統的設計人員可以轉向采用滿(mǎn)足組合充電系統（CCS）規范的連接器。

本文回顧基本的EV充電級別和模式，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（IP）等級，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
CSS車(chē)輛輸入插孔設計用于接受交流和直流電源連接器。長(cháng)時(shí)間停在車(chē)庫或停車(chē)場(chǎng)時(shí)，交流快速充電非常有用，而在商店、休息站和專(zhuān)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(chē)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(chē)充電位準和模式
電動(dòng)汽車(chē)充電分類(lèi)，包括充電位準、充電模式、接線(xiàn)盒，針對 CCS則包含充電連接器類(lèi)型。

在美國，SAE J1772 認可三種充電級別：

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

? 2 級：充電使用 208/240 VAC 單相電源?？梢酝高^(guò) 240 VAC電源提供高達約 19 kW 的功率。2 級是「快速交流充電」，充電速度是 1 級的三到七倍。1 級和 2 級為車(chē)載 EV 充電器供電。

? 3 級：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(chē)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(xiàn)。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，稱(chēng)為纜線(xiàn)內控制和保護裝置（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(zhuān)用充電站（也稱(chēng)為EV供電設備，或 EVSE）提供高達 120 kW的交流電。模式 1、2 和 3都使用EV的車(chē)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(chē)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中可能達到能量回饋，但在模式4中則為必需。

連接類(lèi)型、模式和案例
CCS在北美以1型連接器達到SAE J1772標準化，在歐洲采用2型連接器達到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對電源連接：案例 A、B、C。

在案例A中，纜線(xiàn)永久連接到EV，并根據需要插入電源。在CCS中不使用案例A。案例 B和C與CCS搭配使用，并與稱(chēng)為GB/T的對應中國標準一起使用（圖二）。電源線(xiàn)兩端可拆卸時(shí)為案例B。如果電源線(xiàn)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）連接器類(lèi)型、模式、案例的比較。（source：Phoenix Contact）

溫度監控和主動(dòng)冷卻
監測觸點(diǎn)溫度在快速充電系統中很重要。根據 IEC 62196，觸點(diǎn)的溫升不能超過(guò) 50°C。EV和EVSE之間的HCL接口用于溫度數據通訊。如果溫度升高太多，EVSE 將減慢或停止充電。對于進(jìn)行交流充電的CCS連接器，采用正溫度系數（PTC）熱敏電阻，根據DIN 60738的要求監控溫度。如果連接器過(guò)熱，將停止充電圖 3）。針對快速直流充電，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(zhù)溫度的升高而線(xiàn)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（左）。對于快速直流充電，Pt1000傳感器可以持續監控溫度（右）。（source：Phoenix Contact）

供應超過(guò)250 A充電電流的系統需要溫度監控以及主動(dòng)冷卻（圖四）。CCS連接器采用主動(dòng)冷卻設計，可提供高達500 kW（1,000 VDC時(shí)為500 A）的功率。在環(huán)境溫度未預期升高或出現過(guò)載時(shí)，溫度監控讓系統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規范限制內。


 
圖四 : 主動(dòng)冷卻與溫度感測結合，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）

整合式鎖定機制
鎖定機制整合至CCS連接器系統中。類(lèi)型1連接器中的鎖定機制是手動(dòng)夾緊機制。在2類(lèi)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)獨立的連接通訊至EVSE。


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

類(lèi)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 95平方公厘的直流纜線(xiàn)橫截面，可支持高達500 kW的充電率。1194398 型號在正常運作下可提供125 kW的充電功率，在升壓模式下可提供高達250 kW的充電功率。此CCS類(lèi)型1輸入插孔設計用于充電模式 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。

針對更高功率的需求，Phoenix Contact的 1162148 車(chē)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作下250 kW的充電速率。依據ISO/IEC 15118和DIN SPEC 70121，透過(guò)電力線(xiàn)通訊以脈寬調變（PWM）進(jìn)行數字訊號傳輸。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級充電的應用可以使用TE Connectivity AMP Connectors的 2267220-3 型號。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(xiàn)組件包括1型和2型插頭，纜線(xiàn)長(cháng)度為3 m（9.84 ft）或5 m（16.4 ft），并提供IP54或IP55侵入防護等級（IP）。例如，CA #EV03AT-004-5M 是2型連接器，具有5 m纜線(xiàn)和 IP55等級。其五個(gè)電源觸點(diǎn)和兩個(gè)訊號觸點(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 規范注意事項
CCS車(chē)輛充電輸入插孔和連接器的整體機械和電氣特性為標準化，但設計人員在指定這些組件時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

IP等級
這些等級以多種方式指定：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等級為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。但是對液體沒(méi)有防護作用，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。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
此規格無(wú)標準。-30°C至+50°C和-40°C至+60°C等范圍很常見(jiàn)，但也可提供-55°C至+105°C等延伸范圍（如上述TE Connectivity的2267220-3）。

溫度測量組件
針對使用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)標準化。規格書(shū)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(chēng)是「PTC鏈」，因為每個(gè)觸點(diǎn)上都有一個(gè) PTC。如果規格書(shū)中只寫(xiě)「PTC」，設計人員應確認所指的是「PTC鏈」。

對于 Pt1000傳感器，一些規格書(shū)寫(xiě)做 Pt100傳感器，但此傳感器靈敏度較低且不符合CCS 標準。將 Pt1000傳感器稱(chēng)為Pt100組件是一個(gè)常見(jiàn)錯誤，因為「100」比「1000」更常用。設計人員應確認它確實(shí)是Pt1000，并且每個(gè)觸點(diǎn)上都有一個(gè)。

結論
BEV AC和DC快速充電支持不斷成長(cháng)的EV電池容量和延長(cháng)續駛里程的需求。交流快速充電用于行駛距離相對較短的電動(dòng)汽車(chē)?；蛘?，更高功率的直流快速充電，可以在幾分鐘內將EV電池的電量充滿(mǎn) 80%，從而支持長(cháng)途駕駛的需求。CCS為設計人員提供一種在汽車(chē)和非汽車(chē)應用中，結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亞太區技術(shù)內容部門(mén)應用工程經(jīng)理）