作者：Jeff Shepard

　　為了應(yīng)對即將到來的電動車使用高峰，我們需要提供隨處可見的充電基礎(chǔ)設(shè)施。設(shè)計者們面臨的挑戰(zhàn)是，開發(fā)一系列基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，讓用戶在住宅、酒店、商店和酒店、商業(yè)和工業(yè)場所、停車場、加油站、高速服務(wù)區(qū)和其他場所，能夠隨時地、方便地為電動汽車充電。有些情況下，用戶時間寬裕，在很長時間內(nèi)只需要幾千瓦 (kW) 的交流充電功率。有些情況下，用戶很忙，需要在數(shù)分鐘之內(nèi)用數(shù)百千瓦的直流電為其電動車充電。

　　設(shè)計者需要用各種不同的連接器，來應(yīng)對低功率交流、高功率直流以及介于兩者之間的各種功率水平。這些連接器既要符合人體工學(xué)，方便使用，又要經(jīng)久耐用，安裝簡單，以滿足電動車制造商對經(jīng)濟實惠的可靠解決方案的需求。充電手柄和電源插口必須滿足聯(lián)合充電系統(tǒng) (CCS) 標準、SAE J1772 標準和 IEC 62196 標準的要求。

　　本文概述不同環(huán)境下電動車充電器的技術(shù)要求，從用于住宅的低功率交流充電器，到用于各種不同商業(yè)場所的高功率充電 (HPC)，涵蓋了電氣性能、接口標準以及 HPC 裝置中的液冷需求。然后，介紹一些滿足所有類型的電動汽車充電器設(shè)計要求的 Phoenix Contact AC 和 DC 充電口、手柄和電纜系統(tǒng)，以及用于 HPC 電纜和連接器的液體冷卻系統(tǒng)。

　　北美、歐洲和中國都已經(jīng)制定了各自的電動車充電標準和相應(yīng)的連接器。北美和歐洲標準都與基于組合充電系統(tǒng) (CCS) 的標準有關(guān)，該標準將交流和直流充電在車輛充電口處合二為一。CCS 1 型連接器在北美和韓國流行，CCS 2 型連接器則見于歐洲、中東、南非、南美、澳大利亞、新西蘭和其他一些地區(qū)。中國采用本國的 GB/T 標準，要求直流和交流充電分別采用單獨的充電口(圖 1)。

　　圖 1：在北美、歐洲和中國，電動車充電標準已基于地區(qū)制定為完成。(圖片來源：Phoenix Contact)

　　CCS 型

　　CCS 標準包括兩個版本：1 型和 2 型。1 型符合 SAE J1772 標準和 IEC 62196-3 標準，針對北美市場制定。交流和直流充電連接器的結(jié)構(gòu)與普通 CCS 車輛的充電口兼容。

　　2 型也符合 IEC 62196-3 標準，但不符合 SAE J1772 標準。如上所述，該標準最初針對歐洲制定，并已在幾個地區(qū)采用。2 型交流和直流充電連接器也與普通 CCS 車輛充電口兼容。

　　GB/T 20234 充電標準只適用于中國。在這種情況下，交流和直流連接器存在不同的接口，需要在車輛上使用單獨的充電口。

　　圖 2：CCS 1 型(左)、CCS 2 型(中)和 GB/T(右)電動汽車充電口示例。(圖片來源：Phoenix Contact)

　　充電模式

　　除了 CCS 1 型和 2 型連接器之間的物理差異外，北美和歐洲還采用不同的充電模式。低功率模式使用車載電動車充電器，而高功率模式則依靠外部充電器。此外，功率水平越高，熱挑戰(zhàn)越大;高功率水平得益于更高的溫度監(jiān)測精度。

　　北美 SAE J1772 標準認可三種模式或級別：

　　1 級主要用于住宅環(huán)境，使用 120 VAC，提供高達約 1.9 kW 的功率。

　　2 級使用電壓更高的 208/240 單相交流電源。該級稱為“交流快充”，可向機載電動車充電器提供約 19 kW 的功率。

　　3 級使用外部 DC 充電器進行交流充電?；疽?guī)格為 600 VDC、400 A(最大)，充電功率 240 kW(最高)。先進的設(shè)計可以提供 1 kVDC 和 500 A，共計 500 kW。

　　IEC 61851-1 標準定義了四種充電模式。模式 1、模式 2 和模式 3 使用電動車的車載充電器：

　　模式 1 和模式 2 用于低功率交流充電。模式 1 的電纜直接插入主交流電源插座，但可用功率是有限。模式 2 也是直接插入主交流電源，但增加了電纜內(nèi)控制和保護裝置，確保安全地提供高達 15 kW 的三相交流電。

　　模式 3 是交流快充，通過充電站提供高達 120 kW 的交流電。采用 3 級充電器時，可以選擇包括外部交流電源和車載充電器之間的高級通信 (HLC) 協(xié)議，用于控制充電過程。

　　模式 4 是直流快充，可以直接向電池提供數(shù)百千瓦的電量。在模式 4 中，需要通過 HLC 提供控制充電器所需的反饋信息。

　　熱保護

　　交流和直流充電器的電纜都有熱保護。對于高達 80 A 的交流充電，正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻鏈是常見的。這種熱敏電阻鏈由一連串的設(shè)備組成，每個觸點上有一個設(shè)備。監(jiān)測電阻器的電阻值可確保在超過極限溫度時安全切斷。

　　精度更高的 Pt1000 傳感器用在大功率充電器的觸點上，以確保快速響應(yīng)并使系統(tǒng)在高功率水平下穩(wěn)定運行。

　　交流插口和布線選擇

　　為了方便交流充電系統(tǒng)的設(shè)計者，Phoenix Contact 提供了可以接受交流或直流輸入的全系列通用充電插口，還有符合北美 1 型和歐洲 2 型的要求、適用于不需要直流充電的車輛專用純交流插口。這些組件包括一條 2 米長的電源線和一條用于鎖定執(zhí)行器、溫度傳感器和通信的 1 米長電纜。這些組件有鎖定機構(gòu)、溫度傳感器和防塵蓋。用于 IEC 62196-2 和 SAE J1772 1 型應(yīng)用的布線示例：

　　1271960 型車輛充電口可以處理高達 12 kW 的單相交流電源。這種充電口的額定插拔壽命超過 10,000 次。

　　功率更高的應(yīng)用可以使用 1271836 型充電口，采用單相交流電源，額定功率高達 20 kW。包括一個鎖定執(zhí)行器和保護蓋。

　　Phoenix Contact 還提供一系列交流充電電纜，具體包括：

　　與 SAE J1772 1 型車輛充電器配套使用的 1277166 型充電電纜。該電纜的一端為車輛充電連接器，另一端為開放式，用于永久性充電器。該電纜具有 PTC 鏈式熱檢測功能，可處理高達 20 kW 的單相交流電源。電纜長度為 25 英尺(圖 3)。

　　1627692 型移動交流充電電纜，一端為用于 2 型充電口的車輛充電連接器，另一端為基礎(chǔ)設(shè)施的交流連接器，與 2 型 IEC 62196-2 充電器配套使用。該電纜組件可提供高達 26.6 kW 的 3 相交流電，包括用于 HLC 連接的觸點，長 5 米。

　　圖 3：額定 20 kW 的移動式交流充電電纜組件。(圖片來源：Phoenix Contact)

　　直流充電電纜

　　Phoenix Contact 針對私人住宅、公寓大樓、企業(yè)和停車設(shè)施使用的中等功率充電系統(tǒng)提供 CCS C 系列直流充電電纜。這些電纜分為有 1 型和 2 型設(shè)計，其一端是帶有溫度傳感器的車輛充電連接器，另一端是開放式電纜連接。1 型設(shè)計示例如下：

　　5 m 長的 1105880 型，額定功率為 40 kW

　　7 m 長的 1236563 型，額定功率為 80 kW(圖 4)

　　圖 4：這種直流充電連接器的額定功率為 80 kW，包含一條 7 m 長的電纜。(圖片來源：Phoenix Contact)

　　通用充電口

　　1210900 型通用充電口可與交流和直流 CCS 1 型、IEC 62196-2、IEC 62196-3 連接器配套使用，其額定電氣性能高達 200 A、1 kVDC 或者單相 80 A、250 VAC。直流觸點有兩個 PT1000 熱傳感器，交流觸點具有 PTC 鏈式熱檢測方案。

　　500 kW 直流布線系統(tǒng)

　　對于高功率模式 4 HPC 直流充電系統(tǒng)的設(shè)計者來說，可采用 1085658 布線系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個液冷式車輛連接器和電纜，可在 1 kVDC 時提供高達 500 A 的電流。該系統(tǒng)滿足 CSS 1 型、SAE J1772 和 IEC 62196-3-1 要求。該系統(tǒng)包括用于溫度監(jiān)測、電纜斷裂和冷卻劑泄漏的傳感器(圖 5)。通過兩個 NTC 實現(xiàn)直流觸點的溫度監(jiān)測，兩個 NTC 用于電纜中的直流電源線。

　　圖 5：這種大功率直流充電電纜組件是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。(圖片來源：Phoenix Contact)

　　Phoenix Contact 還為這些直流充電電纜提供了一種獨立的冷卻裝置。這種冷卻裝置包括變速風(fēng)扇和泵，用于為大功率直流充電系統(tǒng)提供優(yōu)化冷卻(圖 6)。泵和風(fēng)扇的工作電壓為 0 VDC 至 10 VDC，風(fēng)扇的最大電流消耗 1.97 A，而泵最多則需要 1.8 A。冷卻液是 50% 的水和 50% 的乙二醇組成的混合液。電纜和電線長 1.5 米。當與 1085658 布線配套使用時，該系統(tǒng)的冷卻能力為 600 W(3 米長電纜 )、800 W(4 米長電纜 )、900 W(5 米長電纜 )、1050 W(6 米長電纜) 。

　　圖 6：大功率直流充電電纜的液體冷卻系統(tǒng)。(圖片來源：Phoenix Contact)

　　結(jié)束語

　　為了提供電動車普及所需的綜合充電基礎(chǔ)設(shè)施，就需要提供各種不同的電動車充電器款式和功率水平。設(shè)計者必須開發(fā)充電器設(shè)計，從使用電動車內(nèi)部電池充電器電路的低功率 1.9 kW 交流充電器，到能夠繞過內(nèi)部充電電路，直接為電池充電的液冷式電纜 HPC 500 kW 直流充電器。在這兩個極端規(guī)格之間，需要各種不同的充電器功率水平和充電模式，以便在住宅和公寓樓、酒店、商店和餐館、商業(yè)和工業(yè)場所、停車場、加油站、高速服務(wù)區(qū)和其他場所能隨時為電動汽車充電。