電動(dòng)車輛 （EV） 的使用在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷增長(zhǎng)，從農(nóng)業(yè)和市政當(dāng)局到消費(fèi)者，這在很大程度上要?dú)w功于“里程焦慮 ”的不斷減少。雖然先進(jìn)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(zhǎng)，但如果給電池充電的時(shí)間太長(zhǎng)，這種進(jìn)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(zé)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(dá) 1000 伏的直流電下處理高達(dá) 500 千瓦 （kW） 的電力，同時(shí)也能接受交流電源。它們還必須滿足 IEC 62196 和 SAE J1772 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jì)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(dòng)車充電級(jí)別和模式，然后探討對(duì) CCS 連接器的要求，包括 CCS 1 型、CCS 2 型和中國(guó) 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(píng)估了這些供應(yīng)商提供的擴(kuò)展功能，如更寬的工作溫度范圍和更高的入侵防護(hù) （IP） 等級(jí)。

　　電動(dòng)汽車聯(lián)合充電系統(tǒng)

　　CSS 車輛充電口旨在同時(shí)接受交流和直流電源連接器。當(dāng)在車庫(kù)或停車場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間停放時(shí)，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(shí)，則使用快速直流充電。

　　電動(dòng)汽車充電級(jí)別和模式

　　電動(dòng)車充電分類包括：充電級(jí)別、充電模式、布線情況，以及采用 CCS 時(shí)充電連接器類型。在美國(guó)，SAE J1772 認(rèn)可三個(gè)充電級(jí)別：

　　1 級(jí)使用住宅 120 VAC，限制功率約 1.9 kW。1 級(jí)充電很慢。

　　2 級(jí)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(jí)是“快速交流充電”，充電速度是 1 級(jí)的三到七倍。1 級(jí)和 2 級(jí)為車載電動(dòng)車充電器供電。

　　3 級(jí)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(dá) 240 kW。先進(jìn)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(dòng)車充電模式。

　　模式 1 充電使用一條簡(jiǎn)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(hù)，稱為纜上控制與保護(hù)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(dòng)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(dòng)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(dòng)車的車載充電器被繞過，電動(dòng)車系統(tǒng)通過一個(gè)直流連接器直接向電池供電。模式 4 充電功率可以達(dá)到幾百千瓦。雖然在模式 3 中可以使用高級(jí)通信協(xié)議 （HLC） 和充電控制進(jìn)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(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，連接器為 1 型；在歐洲，CCS 在 IEC 62196 中進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，連接器為 2 型。電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)稱為GB/T（圖 ）。當(dāng)電源線兩端可拆卸時(shí)，就是 B 情形。如果電源線永久連接到電動(dòng)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 ：CCS 1 型（北美）、2 型（歐洲）和 GB/T（中國(guó)）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(dòng)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(dòng)汽車和 EVSE 之間的 HCL 接口就用來進(jìn)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(duì)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(huì)停止（圖 ）。對(duì)于快速直流充電，DIN 60751 要求有兩個(gè) Pt1000 傳感器，每個(gè)觸頭上有一個(gè)。Pt1000 的電阻值隨著溫度升高而線性增加。

圖 ：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(duì)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(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行主動(dòng)冷卻。通過主動(dòng)冷卻設(shè)計(jì)，CCS 連接器可以提供高達(dá) 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 ：主動(dòng)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(jī)構(gòu)

　　CCS 連接器系統(tǒng)整合了鎖定機(jī)構(gòu)。1 型連接器的鎖定機(jī)構(gòu)是一種手動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)。在 2 型連接器中，鎖定是通過一個(gè)電磁激活式金屬錨桿來完成的（圖 ）。這種鎖定方式是受控的，其狀態(tài)通過一個(gè)單獨(dú)的連接傳遞給 EVSE（充電設(shè)備）。

圖 ：CCS 車輛充電口配備了機(jī)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(dá) 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(hào)在正常操作下可以提供 125 kW 的充電，在升壓模式下可以達(dá)到 250 kW。這種 CCS 1 型充電口旨在用于 2、3 和 4 號(hào)充電模式。它在交流觸頭上包括了一個(gè) PTC 鏈?zhǔn)綔囟葌鞲衅?，并在直流觸頭包括了 Pt1000 傳感器。

　　對(duì)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(hào)傳輸功能是通過電力線路通信實(shí)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(jí)充電的應(yīng)用可以使用 TE Connectivity AMP Connectors 提供的 2267220-3 型。該連接器的額定值為 240 VAC 和 32 A，具有三個(gè)電源和兩個(gè)信號(hào)觸頭。它具有 -55°C 至 +105°C 的擴(kuò)展工作溫度范圍，額定配接周期為 10，000 次。

　　Adam Tech 的電動(dòng)車充電器電纜組件包括 1 型和 2 型插頭，電纜長(zhǎng)度為 3 米 （m）（9.84 英尺）?；?5 米（16.4 英尺），并可提供 IP54 或 IP55 入侵防護(hù) （IP） 等級(jí)。例如，CA #EV03AT-004-5M 是一個(gè) 2 型連接器，帶有 5 米長(zhǎng)的電纜并提供 IP55 防護(hù)等級(jí)。它有五個(gè)電源觸頭和兩個(gè)信號(hào)觸頭，額定值為 480 VAC、16 A，工作溫度范圍為 -30℃ 至 +50℃。

　　CCS 規(guī)格考量

　　CCS 車輛充電口和連接器的整體機(jī)械和電氣特征已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，但設(shè)計(jì)者在指定這些設(shè)備時(shí)需要注意幾個(gè)因素：

　　IP 防護(hù)等級(jí)：這些等級(jí)分幾種方式：插入時(shí)、拔出無蓋時(shí)和拔出有蓋時(shí)。一些無蓋的插頭被評(píng)級(jí)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(hù)，如果接觸到水霧，將很容易受到損害。IP54、IP55 和 IP65 等級(jí)是 CCS 插頭蓋上或插入時(shí)的常見等級(jí)。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(gè)規(guī)格沒有標(biāo)準(zhǔn)。諸如 -30°C 至 +50°C 和 -40°C 至 +60°C 的范圍很常見，但也有擴(kuò)展范圍，如 -55°C 至 +105°C（見上文 TE Connectivity 的 2267220-3）。

　　溫度測(cè)量組件：這對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化的。規(guī)格書中的措辭在這里會(huì)變得很混亂。交流裝置有時(shí)會(huì)使用“PTC”，有時(shí)是“PTC 鏈”。正確的名稱應(yīng)該是“PTC 鏈”，因?yàn)槊總€(gè)觸頭上都有一個(gè) PTC。如果在規(guī)格書中簡(jiǎn)單引用 “PTC”，設(shè)計(jì)者應(yīng)確認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)。將 Pt1000 傳感器稱為 Pt100 器件是一個(gè)常見的錯(cuò)誤，因?yàn)?“100” 比 “1000” 使用得更廣泛。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確認(rèn)它確實(shí)是 Pt1000，并且每個(gè)觸頭上都有一個(gè)。

　　結(jié)語

　　純電動(dòng)汽車的交流和直流快速充電支持電動(dòng)汽車電池不斷增長(zhǎng)的容量和對(duì)延長(zhǎng)駕駛里程的需求。交流快速充電適用于行駛距離相對(duì)較短的電動(dòng)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(dòng)車電池充到 80% 的電量，支持長(zhǎng)途駕駛的需要。CCS 為設(shè)計(jì)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。