使用CCS连接器 简化安全EV快速充电

  从农业、市政到消费的人，电动汽车（EV）的使用率持续不断的增加，大多归功于「里程焦虑」的持续降低。虽然先进的电池技术能提高每单位体积的电池容量，从而延长续航里程，但如果电池充电时间过长，这些优势就会有所限制。这让汽车公司及其零件供货商担起责任，迅速采用快速充电方法。连接器是充电的关键零组件之一。这些连接器现在一定要能在高达 1,000 V 的直流电压下处理高达 500 kW 的功率，并且要适应交流电源。此外，还一定要满足 IEC 62196 和 SAE J1772 标准对安全和智能快充的要求。为满足所有汽车和非汽车系统的需求，BEV 系统的设计人能转向采用满足组合充电系统（CCS）规范的连接器。的要求，包括CCS 1型、CCS 2型和中国GB/T连接器的比较；最后回顾一些供货商提供的延伸功能，例如更宽广的工作时候的温度范围和更高的侵入防护（IP）等级，并使用 Phoenix Contact、TE Connectivity 和 Adam Tech 的CSS车辆输入插孔设计用于接受交流和直流电源连接器。长时间停在车库或停车场时，交流快充很有用，而在商店、休息站和专用充电站短时间停放时，则可用快速直流充电（图一）。图一 : 单一 CCS 车辆输入插孔可同时支持交流和直流快充。（source：Phoenix Contact）电动汽车充电分类，包括充电位准、充电模式、接线盒，针对 CCS则包含充电连接器类型。‧ 1 级：使用住宅 120 VAC 电源，功率限制在 1.9 kW 左右。1 级很慢。‧ 2 级：充电使用 208/240 VAC 单相电源。可以透过 240 VAC电源提供高达约 19 kW 的功率。2 级是「快速交流充电」，充电速度是 1 级的三到七倍。1 级和 2 级为车载 EV 充电器供电。‧ 3 级：直流快充，使用外部直流充电器以 400 A 提供 600 VDC，总功率为 240 kW。先进的直流快速充电器可提供 500 kW （500 A 时为 1,000 VDC）。‧ 模式 1：充电使用直接插入交流电源插座的简单缆线。功率低且不常用。‧ 模式 2：也可直接插入交流电源插座，但增加了整合式保护，称为缆线内控制和保护设施（IC-CPD）。模式 2 比模式 1 更安全，但仅支持使用三相电源充电至 15 kW 左右。‧ 模式 3：使用专用充电站（也称为EV供电设备，或 EVSE）提供高达 120 kW的交流电。模式 1、2 和 3都使用EV的车载充电器来控制电池充电。‧ 模式 4：是指快速直流充电。EV车载充电器经旁路，EVSE 通过直流连接器直接向电池供电。模式 4可提供数百千瓦。虽然使用高阶通讯协议（HLC）和充电控制在模式 3中可能达到能量回馈，但在模式4中则为必需。CCS在北美以1型连接器达到SAE J1772标准化，在欧洲采用2型连接器达到IEC 62196。EV和EVSE之间的HCL接面基于ISO/IEC 15118和DIN SPEC 70121。有三种可能的EV对电源连接：案例 A、B、C。在案例A中，缆线永久连接到EV，并根据自身的需求插入电源。在CCS中不使用案例A。案例 B和C与CCS搭配使用，并与称为GB/T的对应中国标准一起使用（图二）。电源线两端可拆卸时为案例B。如果电源线与EVSE永久连接，则为案例C。充电模式3可使用案例 B或案例C。充电模式 4仅可使用案例C。图二 : CCS 1型（北美）、2 型（欧洲）和GB/T（中国）连接器类型、模式、案例的比较。（source：Phoenix Contact）监测触点温度在快充系统中很重要。根据 IEC 62196，触点的温升不能超过 50°C。EV和EVSE之间的HCL接口用于温度数据通讯。如果温度上升太多，EVSE 将减慢或停止充电。对于进行交流充电的，采用正温度系数（PTC）热敏电阻，根据DIN 60738的要求监控温度。如果连接器过热，将停止充电图 3）。针对快速直流充电，DIN 60751需要两个 Pt1000传感器，每个触点一个。Pt1000的（电阻随着温度的升高而线性增加。图三 : PTC温度传感器关闭交流充电以防止温度超过安全位准（左）。对于快速直流充电，Pt1000传感器能持续监控温度（右）。（source：Phoenix Contact）供应超过250 A充电电流的系统要温度监控以及主动冷却（图四）。CCS连接器采用主动冷却设计，可提供高达500 kW（1,000 VDC时为500 A）的功率。在环境和温度未预期升高或出现过载时，温度监控让系统可提升冷却率或降低充电率，进而将连接器触点的温升保持在+50°C规范限制内。图四 : 主动冷却与温度感测结合，可支持500 A的全充电，并将连接器温升保持在 +50°C 以下。（source：Phoenix Contact；作者整理）锁定机制整合至CCS连接器系统中。类型1连接器中的锁定机制是手动夹紧机制。在2类连接器中，使用电磁活化金属螺栓完成锁定（图五）。锁受到控制，其状态透过独立的连接通讯至EVSE。图五 : CCS 车辆输入插孔配备机电控制锁定螺栓（红色箭头旁边，左上角），旨在承受高拉力。（source：Phoenix Contact）Phoenix Contact的 CHARX CCS充电输入插孔具有高达 95平方公厘的直流缆线 型号在正常运作下可提供125 kW的充电功率，在升压模式下可提供高达250 kW的充电功率。此CCS类型1输入插孔设计用于充电模式 2、3、4。包括交流触点上的PTC链温度传感器和直流触点上的Pt1000传感器。针对更高功率的需求，Phoenix Contact的 1162148 车辆充电输入插孔支持突冲模式下500 kW的充电速率和正常运作下250 kW的充电速率。依据ISO/IEC 15118和DIN SPEC 70121，透过电力线通讯以脉宽调变（PWM）进行数字讯号传输。环境工作时候的温度范围为 -40°C至+60°C。需要CCS 1型交流插头进行2级充电的应用能够正常的使用TE Connectivity AMP Connectors的 2267220-3 型号。此连接器的额定电压为240 VAC 和32 A，具有三个电源触点和两个讯号触点。具有-55°C至+105°C的延伸工作时候的温度范围，可承受10,000次插拔。Adam Tech的 EV充电器缆线或IP55侵入防护等级（IP）。例如，CA #EV03AT-004-5M 是2型连接器，具有5 m缆线等级。其五个电源触点和两个讯号触点，标称电压为480 VAC，电流为16 A，工作时候的温度范围为-30°C至+50°C。CCS车辆充电输入插孔和连接器的整体机械和电气特性为标准化，但设计人员在指定这些组件时，必须要格外注意以下几点：这些等级以多种方式指定：插入时、不带盖拔出时、带盖拔出时。一些插头的防护等级为IP20，代表防触摸，并能抵抗灰尘或尺寸超过12 mm的物体。但是对液体没有防护作用，如果接触到喷水，很容易损坏。在覆盖或插入时，CCS插头较常是IP54、IP55、IP65等级。IP65与IP54装置相比，具有更高的防水程度，但与IP55装置相比防水程度相同。IP54和IP55装置与IP65装置相比，防尘效能较差。此规格无标准。-30°C至+50°C和-40°C至+60°C等范围很常见，但也可提供-55°C至+105°C等延伸范围（如上述TE Connectivity的2267220-3）。针对使用PTC组件的交流触点和使用Pt1000传感器的直流触点，经过标准化。规格书选用交流单元的字词有时会使用「PTC」，有时会使用「PTC链」。正确的名称是「PTC链」，因每个触点上都有一个 PTC。如果规格书中只写「PTC」，设计人员应确认所指的是「PTC链」。对于 Pt1000传感器，一些规格书写做 Pt100传感器，但此传感器灵敏度较低且不符合CCS 标准。将 Pt1000传感器称为Pt100组件是一个常见错误，因为「100」比「1000」更常用。设计人员应确认它确实是Pt1000，并且每个触点上都有一个。BEV AC和DC快充支持不断成长的EV电池容量和延长续驶里程的需求。交流快充用于行驶距离相对较短的电动汽车。或者，更高功率的直流快充，可以在几分钟内将EV电池的电量充满 80%，从而支持长途驾驶的需求。CCS为设计人员提供一种在汽车和非汽车应用中，结合交流和直流快充的安全、智能、高效率的方式。（本文作者Barley Li为Digi-Key Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理）