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使用CCS连接器 简化安全EV快速充电

作者:时间:2022-11-27来源:CTIMES收藏

从农业、市政到消费者,电动汽车(EV)的使用率不断增加,大多归功于「里程焦虑」的持续降低。虽然先进的电池技术可以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。这些连接器现在必须能够在高达 1,000 V 的直流电压下处理高达 500 kW 的功率,同时还要适应交流电源。此外,还必须满足 IEC 62196 和 SAE J1772 标准对安全和智能快速充电的要求。为了满足所有汽车和非汽车系统的需求,BEV 系统的设计人员可以转向采用满足组合充电系统(CCS)规范的连接器。

本文回顾基本的EV充电级别和模式,并说明的要求,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 的为例说明。

EV组合充电系统
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,交流快速充电非常有用,而在商店、休息站和专用充电站短时间停放时,则可使用快速直流充电(图一)。

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图一 : 单一 CCS 车辆输入插孔可同时支持交流和直流快速充电。(source:Phoenix Contact)

电动汽车充电位准和模式
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。

在美国,SAE J1772 认可三种充电级别:

‧ 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:直流快速充电,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)。

在欧洲,IEC 61851-1 定义四种电动汽车充电模式:

‧ 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装置(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 和 4 是快速充电:

‧ 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。

连接类型、模式和案例
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,并根据需要插入电源。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。

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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)

温度监控和主动冷却
监测触点温度在快速充电系统中很重要。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。如果温度升高太多,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。

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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传感器可以持续监控温度(右)。(source:Phoenix Contact)

供应超过250 A充电电流的系统需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。在环境温度未预期升高或出现过载时,温度监控让系统能够提高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。

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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)

整合式锁定机制
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。

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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)

类型 1 和 2 输入插孔和连接器
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横截面,可支持高达500 kW的充电率。1194398 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级充电的应用可以使用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的延伸工作温度范围,可承受10,000次插拔。

Adam Tech的 EV充电器缆线组件包括1型和2型插头,缆线长度为3 m(9.84 ft)或5 m(16.4 ft),并提供IP54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缆线和 IP55等级。其五个电源触点和两个讯号触点,额定电压为480 VAC,电流为16 A,工作温度范围为-30°C至+50°C。

CCS 规范注意事项
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,需要注意以下几点:

IP等级
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。一些裸露插头的防护等级为IP20,代表防触摸,并且可以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。

工作温度范围
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)。

温度测量组件
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」,因为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。

结论
BEV AC和DC快速充电支持不断成长的EV电池容量和延长续驶里程的需求。交流快速充电用于行驶距离相对较短的电动汽车。或者,更高功率的直流快速充电,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,结合交流和直流快速充电的安全、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)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202211/440927.htm


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