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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 電動車輛 (EV) 的使用在各個應(yīng)用領(lǐng)域不斷增長，從農(nóng)業(yè)和市政當局到消費者，這在很大程度上要歸功于“里程焦慮 ”的不斷減少。雖然先進的電池技術(shù)讓單位體積的電池容量更高，從而使駕駛里程更長，但如果給電池充電的時間太長，這種進步的效用也是有限的。這使得汽車公司及其零部件供應(yīng)商有責任迅速采用快速充電方法。 充電中的關(guān)鍵組件之一是連接器。它們現(xiàn)在必須能夠在高達 1000 伏的直流電下處理高達 500 千瓦 (kW) 的電力，同時也能接受交流電源。它們還必須滿足 IEC 62196 和 SAE J1772 標準對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)計者可以轉(zhuǎn)而采用符合聯(lián)合充電系統(tǒng) (CCS) 規(guī)范的連接器。 本文回顧了基本電動車充電級別和模式，然后探討對 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。最后以 Phoenix Contact、TE Connectivity 和 Adam Tech 的 CCS 連接器為例，評估了這些供應(yīng)商提供的擴展功能，如更寬的工作溫度范圍和更高的入侵防護 (IP) 等級。 電動汽車聯(lián)合充電系統(tǒng) CSS 車輛充電口旨在同時接受交流和直流電源連接器。當在車庫或停車場長時間停放時，交流快速充電比較方便，而在商店、服務(wù)區(qū)和專用充電站短期停放時，則使用快速直流充電（圖 1）。 
圖 1：單個 CCS 車輛充電口可以同時支持交流和直流快速充電。（圖片來源：Phoenix Contact） 電動汽車充電級別和模式 電動車充電分類包括：充電級別、充電模式、布線情況，以及采用 CCS 時充電連接器類型。在美國，SAE J1772 認可三個充電級別： 1 級使用住宅 120 VAC，限制功率約 1.9 kW。1 級充電很慢。 2 級充電使用 208/240 VAC 單相電源。它可以用 240 VAC 電源提供最高約 19 kW 的充電能力。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 級為車載電動車充電器供電。 3 級是直流快速充電，使用外部直流充電器，提供 600 VDC、400 安培 (A) 的充電能力，總功率達 240 kW。先進的直流快速充電器可以提供 500 kW（1,000 VDC、500 A）充電功率。 在歐洲，IEC 61851-1 定義了四種電動車充電模式。 模式 1 充電使用一條簡單的電纜，直接插入交流電插座。它的功率很低，不經(jīng)常使用。 模式 2 也是直接插入交流電插座，但增加了集成保護，稱為纜上控制與保護裝置 (IC-CPD)。模式 2 比模式 1 更安全，但只支持三相電源充電，最高約 15 kW。 模式 3 和 4 是快速充電： 模式 3 使用專用充電站（也稱為電動車供電設(shè)備，或 EVSE），提供最高 120 kW 的交流電。模式 1、2 和 3 都使用電動車的車載充電器來控制電池充電。 模式 4 指的是快速直流充電。電動車的車載充電器被繞過，電動車系統(tǒng)通過一個直流連接器直接向電池供電。模式 4 充電功率可以達到幾百千瓦。雖然在模式 3 中可以使用高級通信協(xié)議 (HLC) 和充電控制進行能量反饋，但在模式 4 中則必須這樣做。 連接類型、模式和情形 在北美，CCS 在 SAE J1772 中進行了標準化，連接器為 1 型；在歐洲，CCS 在 IEC 62196 中進行了標準化，連接器為 2 型。電動汽車和 EVSE 之間的 HCL 接口基于 ISO/IEC 15118 和 DIN SPEC 70121。有三種可能的電動車到電源的連接；情形 A、B 和 C。 在情形 A 中，電纜被永久地連接到電動車上，并根據(jù)需要插入電源。情形 A 在 CCS 中沒有使用。情形 B 和 C 與 CCS 一起使用，與之相應(yīng)的中國標準稱為GB/T（圖 2）。當電源線兩端可拆卸時，就是 B 情形。如果電源線永久連接到電動汽車系統(tǒng)，就是 C 情形。充電模式 3 即可以使用 B 情形，也可以使用 C 情形。充電模式 4 只使用 C 情形。
圖 2：CCS 1 型（北美）、2 型（歐洲）和 GB/T（中國）連接器類型、模式和情形比較。（圖片來源：Phoenix Contact） 溫度監(jiān)控和主動冷卻 監(jiān)控接觸溫度在快速充電系統(tǒng)中很重要。根據(jù) IEC 62196，觸頭的溫升不能超過 50℃。電動汽車和 EVSE 之間的 HCL 接口就用來進行溫度數(shù)據(jù)通信。如果溫度上升太多，EVSE 將減緩或停止充電。對于用于交流充電的 CCS 連接器來說，用正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻來監(jiān)控溫度，符合 DIN 60738 的要求。如果連接器太熱，充電就會停止（圖 3）。對于快速直流充電，DIN 60751 要求有兩個 Pt1000 傳感器，每個觸頭上有一個。Pt1000 的電阻值隨著溫度升高而線性增加。
圖 3：PTC 溫度傳感器關(guān)閉了交流充電，以保持溫度不超過安全水平（左）。對于快速直流充電，Pt1000 傳感器可以連續(xù)監(jiān)控溫度（右）。（圖片來源：Phoenix Contact） 在提供超過 250 A 充電電流的系統(tǒng)中，需要進行溫度監(jiān)測，同時進行主動冷卻（圖 4）。通過主動冷卻設(shè)計，CCS 連接器可以提供高達 500 kW（500 A，1,000 VDC）的充電功率。在環(huán)境溫度意外上升或出現(xiàn)過載情況的情況下，溫度監(jiān)控能夠讓系統(tǒng)增加冷卻速率或降低充電速率，以保持連接器觸頭溫度上升低于 +50°C 的規(guī)格限制。
圖 4：主動冷卻與溫度感應(yīng)相結(jié)合，可以支持 500 A 的滿載充電，并將連接器溫升保持在 +50℃ 以下。（圖片來源：Phoenix Contact（作者有修改）） 一體式鎖定機構(gòu) CCS 連接器系統(tǒng)整合了鎖定機構(gòu)。1 型連接器的鎖定機構(gòu)是一種手動夾持機構(gòu)。在 2 型連接器中，鎖定是通過一個電磁激活式金屬錨桿來完成的（圖 5）。這種鎖定方式是受控的，其狀態(tài)通過一個單獨的連接傳遞給 EVSE（充電設(shè)備）。
圖 5：CCS 車輛充電口配備了機電控制式鎖緊錨桿（紅色箭頭旁，左上角），旨在用于承受高拉出力。（圖片來源：Phoenix Contact） 1 型和 2 型的充電口和連接器 Phoenix Contact 的 CHARX CCS 充電口使用了截面高達 95 平方毫米的直流電線，可支持最高 500 kW 的充電速率。1194398 型號在正常操作下可以提供 125 kW 的充電，在升壓模式下可以達到 250 kW（圖 6）。這種 CCS 1 型充電口旨在用于 2、3 和 4 號充電模式。它在交流觸頭上包括了一個 PTC 鏈式溫度傳感器，并在直流觸頭包括了 Pt1000 傳感器。
圖 6：用于用交流或直流充電的 1194398 型號 CCS 1 型車輛充電口在正常操作下可提供 125 kW 功率，在升壓模式下可提供最高 250 kW 功率。（圖片來源：Phoenix Contact） 對于更高功率的需求，Phoenix Contact 的 1162148 車輛充電口在猝發(fā)模式下支持 500 kW 的充電速率，在正常操作下支持 250 kW。按照 ISO/IEC 15118 和 DIN SPEC 70121，使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 的數(shù)字信號傳輸功能是通過電力線路通信實現(xiàn)的。其環(huán)境工作溫度范圍為 -40℃ 至 +60℃。 需要 CCS 1 型交流插頭用于 2 級充電的應(yīng)用可以使用 TE Connectivity AMP Connectors 提供的 2267220-3 型號（圖 7）。該連接器的額定值為 240 VAC 和 32 A，具有三個電源和兩個信號觸頭。它具有 -55°C 至 +105°C 的擴展工作溫度范圍，額定配接周期為 10,000 次。
圖 7：CCS 1 型電動車充電連接器顯示帶有一體式手動鎖定系統(tǒng)（連接器左側(cè)）。（圖片來源：TE Connectivity） Adam Tech 的電動車充電器電纜組件包括 1 型和 2 型插頭，電纜長度為 3 米 (m)（9.84 英尺）。或 5 米（16.4 英尺），并可提供 IP54 或 IP55 入侵防護 (IP) 等級。例如，CA #EV03AT-004-5M 是一個 2 型連接器，帶有 5 米長的電纜并提供 IP55 防護等級（圖 8）。它有五個電源觸頭和兩個信號觸頭，額定值為 480 VAC、16 A，工作溫度范圍為 -30℃ 至 +50℃。
圖 8：CA #EV03AT-004-5M CCS 2 型連接器額定值為 480 VAC、16 A。（圖片來源：Adam Tech） CCS 規(guī)格考量 CCS 車輛充電口和連接器的整體機械和電氣特征已經(jīng)標準化，但設(shè)計者在指定這些設(shè)備時需要注意幾個因素： IP 防護等級：這些等級分幾種方式：插入時、拔出無蓋時和拔出有蓋時。一些無蓋的插頭被評級為 IP20，這意味著它是防觸摸的，并可抵抗灰塵或尺寸超過 12 毫米的物體。然而，它沒有液體保護，如果接觸到水霧，將很容易受到損害。IP54、IP55 和 IP65 等級是 CCS 插頭蓋上或插入時的常見等級。與 IP54 裝置相比，IP65 的防水程度更高，與 IP55 裝置防水程度相同。與 IP65 裝置相比，IP54 和 IP55 裝置的防塵性能較差。 工作溫度范圍：這個規(guī)格沒有標準。諸如 -30°C 至 +50°C 和 -40°C 至 +60°C 的范圍很常見，但也有擴展范圍，如 -55°C 至 +105°C（見上文 TE Connectivity 的 2267220-3）。 溫度測量組件：這對于使用 PTC 裝置的交流觸頭和使用 Pt1000 傳感器的直流觸頭來說是標準化的。規(guī)格書中的措辭在這里會變得很混亂。交流裝置有時會使用“PTC”，有時是“PTC 鏈”。正確的名稱應(yīng)該是“PTC 鏈”，因為每個觸頭上都有一個 PTC。如果在規(guī)格書中簡單引用 "PTC"，設(shè)計者應(yīng)確認使用的是“PTC 鏈”。在使用 Pt1000 傳感器的情況下，一些規(guī)格書中提到了 Pt100 傳感器，其靈敏度較低，不符合 CCS 標準。將 Pt1000 傳感器稱為 Pt100 器件是一個常見的錯誤，因為 "100" 比 "1000" 使用得更廣泛。設(shè)計人員應(yīng)確認它確實是 Pt1000，并且每個觸頭上都有一個。 結(jié)語 純電動汽車的交流和直流快速充電支持電動汽車電池不斷增長的容量和對延長駕駛里程的需求。交流快速充電適用于行駛距離相對較短的電動車。另外，更高功率的直流快速充電，可以在幾分鐘內(nèi)將電動車電池充到 80% 的電量，支持長途駕駛的需要。CCS 為設(shè)計人員提供了一種安全、智能、高效的方式，在汽車和非汽車應(yīng)用中將交流和直流快速充電組合在一起。 |
