使用 CCS 连接器简化安全电动车快速充电系统的实现

作者：Jeff Shepard

电动车辆 (EV) 的使用在各个应用领域不断增长，从农业和市政当局到消费者，这在很大程度上要归功于“里程焦虑 ”的不断减少。虽然先进的电池技术让单位体积的电池容量更高，从而使驾驶里程更长，但如果给电池充电的时间太长，这种进步的效用也是有限的。这使得汽车公司及其零部件供应商有责任迅速采用快速充电方法。

充电中的关键组件之一是连接器。它们现在必须能够在高达 1000 伏的直流电下处理高达 500 千瓦 (kW) 的电力，同时也能接受交流电源。它们还必须满足 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 系统的设计者可以转而采用符合联合充电系统 (CCS) 规范的连接器。

本文回顾了基本电动车充电级别和模式，然后探讨对 CCS 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。最后以 Phoenix Contact、TE Connectivity 和 Adam Tech 的 CCS 连接器为例，评估了这些供应商提供的扩展功能，如更宽的工作温度范围和更高的入侵防护 (IP) 等级。

电动汽车联合充电系统

CSS 车辆充电口旨在同时接受交流和直流电源连接器。当在车库或停车场长时间停放时，交流快速充电比较方便，而在商店、服务区和专用充电站短期停放时，则使用快速直流充电（图 1）。

图 1：单个 CCS 车辆充电口可以同时支持交流和直流快速充电。（图片来源：Phoenix Contact）

电动汽车充电级别和模式

电动车充电分类包括：充电级别、充电模式、布线情况，以及采用 CCS 时充电连接器类型。在美国，SAE J1772 认可三个充电级别：

1 级使用住宅 120 VAC，限制功率约 1.9 kW。1 级充电很慢。
2 级充电使用 208/240 VAC 单相电源。它可以用 240 VAC 电源提供最高约 19 kW 的充电能力。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 级为车载电动车充电器供电。
3 级是直流快速充电，使用外部直流充电器，提供 600 VDC、400 安培 (A) 的充电能力，总功率达 240 kW。先进的直流快速充电器可以提供 500 kW（1,000 VDC、500 A）充电功率。

在欧洲，IEC 61851-1 定义了四种电动车充电模式。

模式 1 充电使用一条简单的电缆，直接插入交流电插座。它的功率很低，不经常使用。
模式 2 也是直接插入交流电插座，但增加了集成保护，称为缆上控制与保护装置 (IC-CPD)。模式 2 比模式 1 更安全，但只支持三相电源充电，最高约 15 kW。

模式 3 和 4 是快速充电：

模式 3 使用专用充电站（也称为电动车供电设备，或 EVSE），提供最高 120 kW 的交流电。模式 1、2 和 3 都使用电动车的车载充电器来控制电池充电。
模式 4 指的是快速直流充电。电动车的车载充电器被绕过，电动车系统通过一个直流连接器直接向电池供电。模式 4 充电功率可以达到几百千瓦。虽然在模式 3 中可以使用高级通信协议 (HLC) 和充电控制进行能量反馈，但在模式 4 中则必须这样做。

连接类型、模式和情形

在北美，CCS 在 SAE J1772 中进行了标准化，连接器为 1 型；在欧洲，CCS 在 IEC 62196 中进行了标准化，连接器为 2 型。电动汽车和 EVSE 之间的 HCL 接口基于 ISO/IEC 15118 和 DIN SPEC 70121。有三种可能的电动车到电源的连接；情形 A、B 和 C。

在情形 A 中，电缆被永久地连接到电动车上，并根据需要插入电源。情形 A 在 CCS 中没有使用。情形 B 和 C 与 CCS 一起使用，与之相应的中国标准称为GB/T（图 2）。当电源线两端可拆卸时，就是 B 情形。如果电源线永久连接到电动汽车系统，就是 C 情形。充电模式 3 即可以使用 B 情形，也可以使用 C 情形。充电模式 4 只使用 C 情形。

图 2：CCS 1 型（北美）、2 型（欧洲）和 GB/T（中国）连接器类型、模式和情形比较。（图片来源：Phoenix Contact）

温度监控和主动冷却

监控接触温度在快速充电系统中很重要。根据 IEC 62196，触头的温升不能超过 50℃。电动汽车和 EVSE 之间的 HCL 接口就用来进行温度数据通信。如果温度上升太多，EVSE 将减缓或停止充电。对于用于交流充电的 CCS 连接器来说，用正温度系数 (PTC) 热敏电阻来监控温度，符合 DIN 60738 的要求。如果连接器太热，充电就会停止（图 3）。对于快速直流充电，DIN 60751 要求有两个 Pt1000 传感器，每个触头上有一个。Pt1000 的电阻值随着温度升高而线性增加。

图 3：PTC 温度传感器关闭了交流充电，以保持温度不超过安全水平（左）。对于快速直流充电，Pt1000 传感器可以连续监控温度（右）。（图片来源：Phoenix Contact）

在提供超过 250 A 充电电流的系统中，需要进行温度监测，同时进行主动冷却（图 4）。通过主动冷却设计，CCS 连接器可以提供高达 500 kW（500 A，1,000 VDC）的充电功率。在环境温度意外上升或出现过载情况的情况下，温度监控能够让系统增加冷却速率或降低充电速率，以保持连接器触头温度上升低于 +50°C 的规格限制。

图 4：主动冷却与温度感应相结合，可以支持 500 A 的满载充电，并将连接器温升保持在 +50℃ 以下。（图片来源：Phoenix Contact（作者有修改））

一体式锁定机构

CCS 连接器系统整合了锁定机构。1 型连接器的锁定机构是一种手动夹持机构。在 2 型连接器中，锁定是通过一个电磁激活式金属锚杆来完成的（图 5）。这种锁定方式是受控的，其状态通过一个单独的连接传递给 EVSE（充电设备）。

图 5：CCS 车辆充电口配备了机电控制式锁紧锚杆（红色箭头旁，左上角），旨在用于承受高拉出力。（图片来源：Phoenix Contact）

1 型和 2 型的充电口和连接器

Phoenix Contact 的 CHARX CCS 充电口使用了截面高达 95 平方毫米的直流电线，可支持最高 500 kW 的充电速率。1194398 型号在正常操作下可以提供 125 kW 的充电，在升压模式下可以达到 250 kW（图 6）。这种 CCS 1 型充电口旨在用于 2、3 和 4 号充电模式。它在交流触头上包括了一个 PTC 链式温度传感器，并在直流触头包括了 Pt1000 传感器。

图 6：用于用交流或直流充电的 1194398 型号 CCS 1 型车辆充电口在正常操作下可提供 125 kW 功率，在升压模式下可提供最高 250 kW 功率。（图片来源：Phoenix Contact）

对于更高功率的需求，Phoenix Contact 的 1162148 车辆充电口在猝发模式下支持 500 kW 的充电速率，在正常操作下支持 250 kW。按照 ISO/IEC 15118 和 DIN SPEC 70121，使用脉冲宽度调制 (PWM) 的数字信号传输功能是通过电力线路通信实现的。其环境工作温度范围为 -40℃ 至 +60℃。

需要 CCS 1 型交流插头用于 2 级充电的应用可以使用 TE Connectivity AMP Connectors 提供的 2267220-3 型号（图 7）。该连接器的额定值为 240 VAC 和 32 A，具有三个电源和两个信号触头。它具有 -55°C 至 +105°C 的扩展工作温度范围，额定配接周期为 10,000 次。

图 7：CCS 1 型电动车充电连接器显示带有一体式手动锁定系统（连接器左侧）。（图片来源：TE Connectivity）

Adam Tech 的电动车充电器电缆组件包括 1 型和 2 型插头，电缆长度为 3 米 (m)（9.84 英尺）。或 5 米（16.4 英尺），并可提供 IP54 或 IP55 入侵防护 (IP) 等级。例如，CA #EV03AT-004-5M 是一个 2 型连接器，带有 5 米长的电缆并提供 IP55 防护等级（图 8）。它有五个电源触头和两个信号触头，额定值为 480 VAC、16 A，工作温度范围为 -30℃ 至 +50℃。

图 8：CA #EV03AT-004-5M CCS 2 型连接器额定值为 480 VAC、16 A。（图片来源：Adam Tech）

CCS 规格考量

CCS 车辆充电口和连接器的整体机械和电气特征已经标准化，但设计者在指定这些设备时需要注意几个因素：

IP 防护等级：这些等级分几种方式：插入时、拔出无盖时和拔出有盖时。一些无盖的插头被评级为 IP20，这意味着它是防触摸的，并可抵抗灰尘或尺寸超过 12 毫米的物体。然而，它没有液体保护，如果接触到水雾，将很容易受到损害。IP54、IP55 和 IP65 等级是 CCS 插头盖上或插入时的常见等级。与 IP54 装置相比，IP65 的防水程度更高，与 IP55 装置防水程度相同。与 IP65 装置相比，IP54 和 IP55 装置的防尘性能较差。

工作温度范围：这个规格没有标准。诸如 -30°C 至 +50°C 和 -40°C 至 +60°C 的范围很常见，但也有扩展范围，如 -55°C 至 +105°C（见上文 TE Connectivity 的 2267220-3）。

温度测量组件：这对于使用 PTC 装置的交流触头和使用 Pt1000 传感器的直流触头来说是标准化的。规格书中的措辞在这里会变得很混乱。交流装置有时会使用“PTC”，有时是“PTC 链”。正确的名称应该是“PTC 链”，因为每个触头上都有一个 PTC。如果在规格书中简单引用 "PTC"，设计者应确认使用的是“PTC 链”。在使用 Pt1000 传感器的情况下，一些规格书中提到了 Pt100 传感器，其灵敏度较低，不符合 CCS 标准。将 Pt1000 传感器称为 Pt100 器件是一个常见的错误，因为 "100" 比 "1000" 使用得更广泛。设计人员应确认它确实是 Pt1000，并且每个触头上都有一个。

结语

纯电动汽车的交流和直流快速充电支持电动汽车电池不断增长的容量和对延长驾驶里程的需求。交流快速充电适用于行驶距离相对较短的电动车。另外，更高功率的直流快速充电，可以在几分钟内将电动车电池充到 80% 的电量，支持长途驾驶的需要。CCS 为设计人员提供了一种安全、智能、高效的方式，在汽车和非汽车应用中将交流和直流快速充电组合在一起。