如何采用一系列连接器来满足综合性电动车充电基础设施的需要

为了应对即将到来的电动车使用高峰，我们需要提供随处可见的充电基础设施。设计者们面临的挑战是，开发一系列基础设施解决方案，让用户在住宅、酒店、商店和酒店、商业和工业场所、停车场、加油站、高速服务区和其他场所，能够随时地、方便地为电动汽车充电。有些情况下，用户时间宽裕，在很长时间内只需要几千瓦 (kW) 的交流充电功率。有些情况下，用户很忙，需要在数分钟之内用数百千瓦的直流电为其电动车充电。

设计者需要用各种不同的连接器，来应对低功率交流、高功率直流以及介于两者之间的各种功率水平。这些连接器既要符合人体工学，方便使用，又要经久耐用，安装简单，以满足电动车制造商对经济实惠的可靠解决方案的需求。充电手柄和电源插口必须满足联合充电系统 (CCS) 标准、SAE J1772 标准和 IEC 62196 标准的要求。

本文概述不同环境下电动车充电器的技术要求，从用于住宅的低功率交流充电器，到用于各种不同商业场所的高功率充电 (HPC)，涵盖了电气性能、接口标准以及 HPC 装置中的液冷需求。然后，介绍一些满足所有类型的电动汽车充电器设计要求的 Phoenix Contact AC 和 DC 充电口、手柄和电缆系统，以及用于 HPC 电缆和连接器的液体冷却系统。

北美、欧洲和中国都已经制定了各自的电动车充电标准和相应的连接器。北美和欧洲标准都与基于组合充电系统 (CCS) 的标准有关，该标准将交流和直流充电在车辆充电口处合二为一。CCS 1 型连接器在北美和韩国流行，CCS 2 型连接器则见于欧洲、中东、南非、南美、澳大利亚、新西兰和其他一些地区。中国采用本国的 GB/T 标准，要求直流和交流充电分别采用单独的充电口（图 1）。


图 1：在北美、欧洲和中国，电动车充电标准已基于地区制定为完成。（图片来源：Phoenix Contact）

CCS 型

CCS 标准包括两个版本：1 型和 2 型。1 型符合 SAE J1772 标准和 IEC 62196-3 标准，针对北美市场制定。交流和直流充电连接器的结构与普通 CCS 车辆的充电口兼容。

2 型也符合 IEC 62196-3 标准，但不符合 SAE J1772 标准。如上所述，该标准最初针对欧洲制定，并已在几个地区采用。2 型交流和直流充电连接器也与普通 CCS 车辆充电口兼容。

GB/T 20234 充电标准只适用于中国。在这种情况下，交流和直流连接器存在不同的接口，需要在车辆上使用单独的充电口。


图 2：CCS 1 型（左）、CCS 2 型（中）和 GB/T（右）电动汽车充电口示例。（图片来源：Phoenix Contact）

充电模式

除了 CCS 1 型和 2 型连接器之间的物理差异外，北美和欧洲还采用不同的充电模式。低功率模式使用车载电动车充电器，而高功率模式则依靠外部充电器。此外，功率水平越高，热挑战越大；高功率水平得益于更高的温度监测精度。

北美 SAE J1772 标准认可三种模式或级别：

1 级主要用于住宅环境，使用 120 VAC，提供高达约 1.9 kW 的功率。
2 级使用电压更高的 208/240 单相交流电源。该级称为“交流快充”，可向机载电动车充电器提供约 19 kW 的功率。
3 级使用外部 DC 充电器进行交流充电。基本规格为 600 VDC、400 A（最大），充电功率 240 kW（最高）。先进的设计可以提供 1 kVDC 和 500 A，共计 500 kW。

IEC 61851-1 标准定义了四种充电模式。模式 1、模式 2 和模式 3 使用电动车的车载充电器：

· 模式 1 和模式 2 用于低功率交流充电。模式 1 的电缆直接插入主交流电源插座，但可用功率是有限。模式 2 也是直接插入主交流电源，但增加了电缆内控制和保护装置，确保安全地提供高达 15 kW 的三相交流电。
· 模式 3 是交流快充，通过充电站提供高达 120 kW 的交流电。采用 3 级充电器时，可以选择包括外部交流电源和车载充电器之间的高级通信 (HLC) 协议，用于控制充电过程。
· 模式 4 是直流快充，可以直接向电池提供数百千瓦的电量。在模式 4 中，需要通过 HLC 提供控制充电器所需的反馈信息。

热保护

交流和直流充电器的电缆都有热保护。对于高达 80 A 的交流充电，正温度系数 (PTC) 热敏电阻链是常见的。这种热敏电阻链由一连串的设备组成，每个触点上有一个设备。监测电阻器的电阻值可确保在超过极限温度时安全切断。

精度更高的 Pt1000 传感器用在大功率充电器的触点上，以确保快速响应并使系统在高功率水平下稳定运行。

交流插口和布线选择

为了方便交流充电系统的设计者，Phoenix Contact 提供了可以接受交流或直流输入的全系列通用充电插口，还有符合北美 1 型和欧洲 2 型的要求、适用于不需要直流充电的车辆专用纯交流插口。这些组件包括一条 2 米长的电源线和一条用于锁定执行器、温度传感器和通信的 1 米长电缆。这些组件有锁定机构、温度传感器和防尘盖。用于 IEC 62196-2 和 SAE J1772 1 型应用的布线示例：

· 1271960 型车辆充电口可以处理高达 12 kW 的单相交流电源。这种充电口的额定插拔寿命超过 10,000 次。
· 功率更高的应用可以使用 1271836 型充电口，采用单相交流电源，额定功率高达 20 kW。包括一个锁定执行器和保护盖。

Phoenix Contact 还提供一系列交流充电电缆，具体包括：

· 与 SAE J1772 1 型车辆充电器配套使用的 1277166 型充电电缆。该电缆的一端为车辆充电连接器，另一端为开放式，用于永久性充电器。该电缆具有 PTC 链式热检测功能，可处理高达 20 kW 的单相交流电源。电缆长度为 25 英尺（图 3）。
· 1627692 型移动交流充电电缆，一端为用于 2 型充电口的车辆充电连接器，另一端为基础设施的交流连接器，与 2 型 IEC 62196-2 充电器配套使用。该电缆组件可提供高达 26.6 kW 的 3 相交流电，包括用于 HLC 连接的触点，长 5 米。


图 3：额定 20 kW 的移动式交流充电电缆组件。（图片来源：Phoenix Contact）

直流充电电缆

Phoenix Contact 针对私人住宅、公寓大楼、企业和停车设施使用的中等功率充电系统提供 CCS C 系列直流充电电缆。这些电缆分为有 1 型和 2 型设计，其一端是带有温度传感器的车辆充电连接器，另一端是开放式电缆连接。1 型设计示例如下：

· 5 m 长的 1105880 型，额定功率为 40 kW
· 7 m 长的 1236563 型，额定功率为 80 kW（图 4）


图 4：这种直流充电连接器的额定功率为 80 kW，包含一条 7 m 长的电缆。（图片来源：Phoenix Contact）

通用充电口

1210900 型通用充电口可与交流和直流 CCS 1 型、IEC 62196-2、IEC 62196-3 连接器配套使用，其额定电气性能高达 200 A、1 kVDC 或者单相 80 A、250 VAC。直流触点有两个 PT1000 热传感器，交流触点具有 PTC 链式热检测方案。

500 kW 直流布线系统

对于高功率模式 4 HPC 直流充电系统的设计者来说，可采用 1085658 布线系统，该系统包括一个液冷式车辆连接器和电缆，可在 1 kVDC 时提供高达 500 A 的电流。该系统满足 CSS 1 型、SAE J1772 和 IEC 62196-3-1 要求。该系统包括用于温度监测、电缆断裂和冷却剂泄漏的传感器（图 5）。通过两个 NTC 实现直流触点的温度监测，两个 NTC 用于电缆中的直流电源线。


图 5：这种大功率直流充电电缆组件是一个复杂的系统。（图片来源：Phoenix Contact）

Phoenix Contact 还为这些直流充电电缆提供了一种独立的冷却装置。这种冷却装置包括变速风扇和泵，用于为大功率直流充电系统提供优化冷却（图 6）。泵和风扇的工作电压为 0 VDC 至 10 VDC，风扇的最大电流消耗 1.97 A，而泵最多则需要 1.8 A。冷却液是 50% 的水和 50% 的乙二醇组成的混合液。电缆和电线长 1.5 米。当与 1085658 布线配套使用时，该系统的冷却能力为 600 W（3 米长电缆 ）、800 W（4 米长电缆 ）、900 W（5 米长电缆 ）、1050 W（6 米长电缆） 。


图 6：大功率直流充电电缆的液体冷却系统。（图片来源：Phoenix Contact）

结束语

为了提供电动车普及所需的综合充电基础设施，就需要提供各种不同的电动车充电器款式和功率水平。设计者必须开发充电器设计，从使用电动车内部电池充电器电路的低功率 1.9 kW 交流充电器，到能够绕过内部充电电路，直接为电池充电的液冷式电缆 HPC 500 kW 直流充电器。在这两个极端规格之间，需要各种不同的充电器功率水平和充电模式，以便在住宅和公寓楼、酒店、商店和餐馆、商业和工业场所、停车场、加油站、高速服务区和其他场所能随时为电动汽车充电。