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使用CCS連接器 簡化安全EV快速充電
 

【作者: Barley Li】   2022年11月24日 星期四

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從農業、市政到消費者,電動汽車(EV)的使用率不斷增加,大多歸功於「里程焦慮」的持續降低。雖然先進的電池技術可以提高每單位體積的電池容量,從而延長續航里程,但如果電池充電時間過長,這些優勢就會有所限制。這讓汽車公司及其零件供應商擔起責任,迅速採用快速充電方法。


連接器是充電的關鍵零組件之一。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,同時還要適應交流電源。此外,還必須滿足 IEC 62196 和 SAE J1772 標準對安全和智慧快速充電的要求。為了滿足所有汽車和非汽車系統的需求,BEV 系統的設計人員可以轉向採用滿足組合充電系統(CCS)規範的連接器。


本文回顧基本的EV充電級別和模式,並說明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;最後回顧一些供應商提供的延伸功能,例如更寬廣的工作溫度範圍和更高的侵入防護(IP)等級,並使用 Phoenix Contact、TE Connectivity 和 Adam Tech 的CCS連接器為例說明。


EV組合充電系統

CSS車輛輸入插孔設計用於接受交流和直流電源連接器。長時間停在車庫或停車場時,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間停放時,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支援交流和直流快速充電。(source:Phoenix Contact)
圖一 : 單一 CCS 車輛輸入插孔可同時支援交流和直流快速充電。(source:Phoenix Contact)

電動汽車充電位準和模式

電動汽車充電分類,包括充電位準、充電模式、接線盒,針對 CCS則包含充電連接器類型。


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。可以透過 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。先進的直流快速充電器可提供 500 kW (500 A 時為 1,000 VDC)。


在歐洲,IEC 61851-1 定義四種電動汽車充電模式:


‧ 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,稱為纜線內控制和保護裝置(IC-CPD)。模式 2 比模式 1 更安全,但僅支援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的車載充電器來控制電池充電。


‧ 模式 4:是指快速直流充電。EV車載充電器經旁路,EVSE 通過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定(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,在歐洲採用2型連接器達到IEC 62196。EV和EVSE之間的HCL接面基於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,纜線永久連接到EV,並根據需要插入電源。在CCS中不使用案例A。案例 B和C與CCS搭配使用,並與稱為GB/T的對應中國標準一起使用(圖二)。電源線兩端可拆卸時為案例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)連接器類型、模式、案例的比較。(source:Phoenix Contact)
圖二 : CCS 1型(北美)、2 型(歐洲)和GB/T(中國)連接器類型、模式、案例的比較。(source:Phoenix Contact)

溫度監控和主動冷卻

監測觸點溫度在快速充電系統中很重要。根據 IEC 62196,觸點的溫升不能超過 50°C。EV和EVSE之間的HCL介面用於溫度資料通訊。如果溫度升高太多,EVSE 將減慢或停止充電。對於進行交流充電的CCS連接器,採用正溫度係數(PTC)熱敏電阻,根據DIN 60738的要求監控溫度。如果連接器過熱,將停止充電圖 3)。針對快速直流充電,DIN 60751需要兩個 Pt1000感測器,每個觸點一個。Pt1000的(電阻隨著溫度的升高而線性增加。



圖三 : PTC溫度感測器關閉交流充電以防止溫度超過安全位準(左)。對於快速直流充電,Pt1000感測器可以持續監控溫度(右)。(source:Phoenix Contact)
圖三 : PTC溫度感測器關閉交流充電以防止溫度超過安全位準(左)。對於快速直流充電,Pt1000感測器可以持續監控溫度(右)。(source:Phoenix Contact)

供應超過250 A充電電流的系統需要溫度監控以及主動冷卻(圖四)。CCS連接器採用主動冷卻設計,可提供高達500 kW(1,000 VDC時為500 A)的功率。在環境溫度未預期升高或出現過載時,溫度監控讓系統能夠提高冷卻率或降低充電率,進而將連接器觸點的溫升保持在+50°C規範限制內。



圖四 : 主動冷卻與溫度感測結合,可支援500 A的全充電,並將連接器溫升保持在 +50°C 以下。(source:Phoenix Contact;作者整理)
圖四 : 主動冷卻與溫度感測結合,可支援500 A的全充電,並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。類型1連接器中的鎖定機制是手動夾緊機制。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,其狀態透過獨立的連接通訊至EVSE。



圖五 : CCS 車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)
圖五 : CCS 車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平方公釐的直流纜線橫截面,可支援高達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類型1輸入插孔設計用於充電模式 2、3、4。包括交流觸點上的PTC鏈溫度感測器和直流觸點上的Pt1000感測器。


針對更高功率的需求,Phoenix Contact的 1162148 車輛充電輸入插孔支援突衝模式下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,透過電力線通訊以脈寬調變(PWM)進行數位訊號傳輸。環境工作溫度範圍為 -40°C至+60°C。


需要CCS 1型交流插頭進行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,具有三個電源觸點和兩個訊號觸點。具有-55°C至+105°C的延伸工作溫度範圍,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,纜線長度為3 m(9.84 ft)或5 m(16.4 ft),並提供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纜線和 IP55等級。其五個電源觸點和兩個訊號觸點,額定電壓為480 VAC,電流為16 A,工作溫度範圍為-30°C至+50°C。


CCS 規範注意事項

CCS車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元件時,需要注意以下幾點:


IP等級

這些等級以多種方式指定:插入時、不帶蓋拔出時、帶蓋拔出時。一些裸露插頭的防護等級為IP20,代表防觸摸,並且可以抵抗灰塵或尺寸超過12 mm的物體。但是對液體沒有防護作用,如果接觸到噴水,很容易損壞。在覆蓋或插入時,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。


工作溫度範圍

此規格無標準。-30°C至+50°C和-40°C至+60°C等範圍很常見,但也可提供-55°C至+105°C等延伸範圍(如上述TE Connectivity的2267220-3)。


溫度測量組件

針對使用PTC元件的交流觸點和使用Pt1000感測器的直流觸點,經過標準化。規格書選用交流單元的字詞有時會使用「PTC」,有時會使用「PTC鏈」。正確的名稱是「PTC鏈」,因為每個觸點上都有一個 PTC。如果規格書中只寫「PTC」,設計人員應確認所指的是「PTC鏈」。


對於 Pt1000感測器,一些規格書寫做 Pt100感測器,但此感測器靈敏度較低且不符合CCS 標準。將 Pt1000感測器稱為Pt100元件是一個常見錯誤,因為「100」比「1000」更常用。設計人員應確認它確實是Pt1000,並且每個觸點上都有一個。


結論

BEV AC和DC快速充電支援不斷成長的EV電池容量和延長續駛里程的需求。交流快速充電用於行駛距離相對較短的電動汽車。或者,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 80%,從而支援長途駕駛的需求。CCS為設計人員提供一種在汽車和非汽車應用中,結合交流和直流快速充電的安全、智慧、高效率的方式。


(本文作者Barley Li為Digi-Key Electronics亞太區技術內容部門應用工程經理)


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