提供2级快速直流充电的紧凑型CCS电缆

作者：Jeff Shepard

我们需要方便、可靠的充电，以消除电动汽车 (EV) 的“里程焦虑”。为了支持这些需求，电动汽车服务设备 (EVSE) 基础设施的设计者需要提供各种充电选择，包括住宅、商业和零售环境中的中功率 2 级直流 (DC) 快速充电器，提供电流高达 80 安培 (A) ；大功率 3 级超快速充电器，提供高达 500 A的直流；以及低功率的 1 级交流 (AC) 充电，用于夜间充电和应急充电。

然而，电动汽车的直流充电是复杂的。EVSE 需要持续监测连接器锁、系统隔离、充电电压、充电电流和连接器温度。如果这些参数中的任何一个超出其设定的限度，EVSE 就应关断。此外，设计和组装用于 2 级直流充电器的紧凑型电缆和连接器并能确保其长期机械和电气完整性是一项挑战。这种电缆包括 5 根导线：+DC、-DC、通信、锁定监视器和保护接地。这些导线的一端必须可靠地连接到 EVSE，另一端连接到紧凑型充电系统 (CCS) 连接器。如果这些连接有任何问题，EVSE 将可能需要昂贵而费时的返工，以确保可靠运行。

为了解决围绕 2 级电动汽车装置的 CCS 连接器和电缆的组装问题，设计者可以使用预组装好的带连接电缆的紧凑型 CCS 连接器。这些电缆和连接器组件旨在用于不需要 3 级充电，但要比 1 级更快的 2 级充电设施。这些电缆适合用于北美的 1 型和用于欧洲的 2 型设施，其中 1 型符合 UL2251 的要求。

本文回顾了交流和直流 CCS 连接器和电缆之间的区别，并从尺寸和便利性方面对 2 级和 3 级直流 CCS 连接器进行了比较。此外还讨论了中功率 CCS 电缆组件的几个使用案例，最后介绍了 Phoenix Contact 的 1 型和 2 型 CCS 紧凑电缆组件以及安装建议。

交流和直流电动车充电电缆的区别

CCS 标准充电口的设计可同时接受交流和直流充电连接器，在简化电动车设计的同时提供了灵活性。交流充电本身功率较低，使用两端有插拔式连接器的电缆（图 1）。对于在较高功率水平下运行的直流充电，充电电缆的一端总是连接到 EVSE，另一端插入车辆插座。此外，直流连接器具有交流连接器所没有的安全功能，包括锁定机构和温度监控。

图 1：用于直流充电的电缆一端永久地固定到 EVSE 上，另一端插入电动汽车插座。用于交流充电的电缆两端则都有插头。（图片来源：Phoenix Contact）

用于 2 级和 3 级直流充电（最高 250 千瓦）的 CCS 连接器尺寸相似，均可用于普通车辆插座。主要区别是 250 kW 额定单位的电缆直径增加了约 50%，以承载更高的功率水平，同时电缆重量也相应增加。由于电缆小得多，额定功率高达 80 千瓦的 2 级连接器和电缆组件则明显更轻，更容易抓握。高达 500 千瓦或更高功率的直流充电则需要车辆插座支持液体冷却，并需要更大的连接器和电缆（表 1）。

表 1：用于额定功率为 80 kW、250 kW 和 500 kW 的直流充电器的 2 型 CCS 连接器和电缆的尺寸比较。（图片来源：Phoenix Contact）

在 CCS 直流充电连接器系统中整合了锁定机构，以保证用户安全并确保 EVSE 的正常运行。这些锁定机构设计成能够承受高拉出力，使得在电动车充电时几乎不可能断开连接器。1 型连接器的锁定机构是一个手动夹子，如图 2 所示。在 2 型连接器中，锁定是通过一个电磁控制式金属螺栓完成的。在这两种情况下，锁定机构是被监控的，其状态通过专用连接传达给 EVSE。

图 2：1 型 CCS 连接器包括一个手动操作的锁定夹。（图片来源：Phoenix Contact）

在 CCS 直流充电连接器中需要集成温度感应。通过直接在电源触头处进行精确的温度监测，在过热的情况下可以停止或减缓充电过程，以防造成用户伤害，并保护 EVSE 免受损坏。这些连接器包括两个 PT1000 传感器，每个触头上有一个（图 3）。这些传感器的电阻随着温度的升高而线性增加，简化了温度监测。温度通过电缆中的信号线传达给 EVSE。

图 3：CCS 连接器触头上需要 PT1000 温度传感器，以监测工作温度并帮助确保安全充电。（图片来源：Phoenix Contact）

安全连接

CCS 连接器内部的连接尤其重要。EVSE 内部的连接不会受到很大的机械应力，但 CCS 连接器将会不时进行插拔操作，电缆连接将受到重复应力（图 4）。连接器电缆连接不当会导致接触退化，结果是电阻增加或电缆失去连接，造成过热或一根或多根电线瞬间失去连接。连接器电缆装配不当将导致充电系统的可靠性降低，用户不满意，并可能导致 EVSE 制造商的保修费用增加。

图 4：用于中功率直流充电的连接器尺寸较小，这对确保坚固和可靠的电缆连接具有挑战性。（图片来源：Phoenix Contact）

2 级用例

2 级直流充电预计将常用于需要比交流充电提供更多电力的地方，而更快的 3 级充电则并非必要。使用这些紧凑型连接器的 EVSE 要符合 CCS 标准，较小的外形尺寸增强了便利性和易用性。预计这些电缆将广泛用于众多应用，包括：

郊区住宅：2 级直流充电器使用 240 伏交流电 (VAC)，比基本的 1 级交流电充电器的充电速度快三到七倍，具体取决于电动汽车。额外好处是，对于有太阳能板的家庭，2 级直流充电器可以直接从太阳能电池板中传输直流电，消除了转换功率损失。在未来，随着车辆到电网 (V2G) 和车辆到家庭 (V2H) 系统变得更加普遍，双向的 2 级充电器将出现，它将控制从车辆到家庭或电网的反向电力流动。

多户住宅和城市：公寓大楼和共管社区正为居民和游客提供 2 级直流充电桩。此外，城市住宅环境中所谓的“路权”充电包括在没有车库的情况下，为路边停放的汽车提供充电桩。在这两种情况下，充电器可以为 EVSE 所有者提供收入来源，并为附近的电动汽车所有者提供便利。

汽车聚集的公共场所：2 级直流充电桩正被安装在越来越多的公共场所，如购物和娱乐中心、学校和学院、停车场、体育场馆、加油站和维修店。随着电动车销量的持续提升，2 级直流充电桩也在汽车经销商处出现。这些充电器用于确保电动车在交付给客户之前充满电，并为留作服务的电动车充电。

2 级直流连接器解决方案

当需要高达 80A 的充电电流时，EVSE 设计者可以使用 Phoenix Contact 的轻型 CCS C-Line 直流充电连接器和电缆组件。它们可以为 1 型和 2 型应用提供各种长度的电缆。例如，1236308 充电电缆有一个 1 型连接器和一条长度为 4 米 (m) 的电缆，1236966 充电电缆有一个 2 型连接器和一条长度为 7 米的电缆。这些符合人体工程学的连接器符合所有 CCS 标准，外形小巧，便于快速连接和断开，可用于一系列低功率充电应用（图 5）。如果需要，可以提供带有公司标志的产品，以增强 EVSE 的品牌效应。尽管它们体积小，但性能高，具体包括：

· 镀银触头可获得最佳性能和可靠性
· 按照 CCS 标准集成传感器，用于监测电源触头的温度，并集成了锁定机构
· 按照 DIN EN 50620 标准，配备挤压绝缘和额定电压高达 750 伏的护套，适合在恶劣环境下连接 EVSE 和电动汽车。
· 符合 IATF 16949 汽车标准和 ISO 9001 标准要求

图 5：CCS C-Line 连接器的形状符合人体工程学，加上其轻质的电缆，便于抓握和操作。（图片来源：Phoenix Contact）

EVSE 集成

为了支持将 C-Line 电缆组件集成到 EVSE 中，Phoenix Contact 为设计人员提供了连接器座和电缆固定头，包括用于 1 型连接器的 1624143 连接器座和 1424483 电缆固定头，以及用于 2 型连接器的 1624153 连接器座和 1411134 电缆固定头。在 EVSE 的侧面或前面安装连接器座，可以在不使用时为连接器提供一个安全的位置。连接器锁定到位，但可以很容易地拆除。该固定座可灵活地以 0˚ 至 45˚ 的正面倾斜度进行安装。使用电缆固定头可以在电缆穿过 EVSE 的墙壁时保护它，如果用户拉扯它，就可以保护电缆不受损坏，并防止灰尘和水分进入EVSE。

图 6：用于 2 型连接器的连接器座（左）和电缆固定头（右）有助于将 CCS C-Line 连接器和电缆组件集成到 EVSE。（图片来源：Phoenix Contact）

结语

2 级直流充电可以为低功率的 1 级充电提供一个有用的替代方案。然而，直流充电电缆和连接器的设计伴随着许多性能、安全和监管方面的挑战。综上所述，通过使用现成的电缆/连接器组件进行 2 级充电，设计者可以迅速解决其中的许多挑战，同时附带内在的优势，如更轻的重量和符合人体工程学的设计，从而实现更便利的使用。