如何採用一系列連接器來支援完善的電動車充電基礎設施

要支援電動車 (EV) 數量即將激增的情況，就需要普及的充電基礎設施。設計人員面臨的挑戰是開發多種基礎設施解決方案，以便在住宅、飯店、商店和餐館、商業和工業場所、停車場、加油站、休息站和其他場所中，提供隨時可取用且便利的 EV 充電服務。在某些情況下，使用者才會有充裕的時間，並且在一段長時間內只需要幾千瓦 (kW) 的交流 (AC) 充電功率。在其他情況下，時間則分秒必爭，使用者需在數分鐘內就將數百 kW 的直流 (DC) 電充入電動車中。

設計人員需在多種連接器選項中，找到可以處理低功率 AC、高功率 DC，以及介於兩者之間的多種功率位準。這些連接器必須符合人體工學，以提供使用者便利性，還要堅固且容易安裝，以支援 EV 車廠追求符合成本效益且可靠的解決方案。充電手把和電源輸入插孔必須符合組合充電系統 (CCS) 標準 SAE J1772 和 IEC 62196 的要求。

本文回顧電動車充電器在多種場域中的技術要求，從住宅的低功率 AC 充電器到多種商業場所的大功率充電 (HPC)，包括電氣效能和介面標準，以及 HPC 架設對水冷的需求。接著會介紹 Phoenix Contact 推出的多種 AC 與 DC 充電輸入插孔、手把和電纜系統，可支援各種 EC 充電器設計的需求，也會介紹 HPC 電纜和連接器用的水冷系統。

北美、歐洲和中國已經擬定了 EV 充電標準和對應的連接器。北美和歐洲的標準彼此相關，且以組合充電系統 (CCS) 標準為基礎。該標準將 AC 和 DC 充電結合在車輛的單一輸入插孔中。CCS 第 1 型連接器在北美和韓國很普遍，CCS 第 2 型連接器則用於歐洲、中東、南非、南美、澳洲、紐西蘭和其他一些地區。中國已逕自採行 GB/T 標準，其要求 AC 和 DC 充電有各自的輸入插孔 (圖1)。

圖 1：EV 充電標準在北美、歐洲和中國是依照區域來擬定。(圖片來源：Phoenix Contact)

CCS 類型

CCS 標準有兩個版本，第 1 型和第 2 型。第 1 型符合 SAE J1772 和 IEC 62196-3 標準，專為北美市場擬定。AC 和 DC 充電連接器的結構相容於常見的 CCS 車輛輸入插孔。

第 2 型也符合 IEC 62196-3，但不符合 SAE J1772。如上所述，此標準最初是在歐洲擬定，也已獲得多個區域採用。第 2 型 AC 和 DC 充電連接器也相容於常見的 CCS 車輛輸入插孔。

GB/T 20234 充電標準僅在中國使用。在此情況下，AC 和 DC 連接器的介面不同，因此車輛上要使用個別的輸入插孔。

圖 2：CCS 第 1 型 (左)、CCS 第 2 型 (中) 和 GB/T (右) 電動車充電電源輸入插孔的範例。(圖片來源：Phoenix Contact)

充電模式

除了 CCS 第 1 型和第 2 型連接器之間的實體差異外，北美和歐洲還使用不同的充電模式。更低功耗的模式可使用車載 EV 充電器，而較大功率的模式則要仰賴外部充電器。此外，更高的功率位準可能會帶來更高的散熱難度，但也受益於更高精度的溫度監測。

北美的 SAE J1772 標準認可三種模式或等級：

• 第 1 級主要用於住宅環境，可使用 120 VAC 提供高達 1.9 kW 的功率。
• 第 2 級使用更高電壓的 208/240 單相 AC。這稱為「快速 AC 充電」，能為車載 EC 充電器提供約 19 kW 的功率。
• 第 3 級是透過外部 DC 充電器進行 DC 充電。基本規格適用於 600 V_DC、最高 400 A，可提供最大 240 kW 功率。進階設計則可提供 1 kV_DC 和 500 A，總功率為 500 kW。

IEC 61851-1 制訂了四種充電模式。模式 1、2 和 3 使用 EV 的車載充電器：

• 模式 1 和 2 用於低功率 AC 充電。模式 1 電纜可直接插入 AC 電源插座，但可用功率有限。模式 2 也可直接插入 AC 電源插座，但添加了電纜內的控制和保護裝置，可安全地提供高達 15 kW 的三相 AC 電力。
• 模式 3 是快速 AC 充電，並使用充電站提供高達 120 kW 的 AC 電力。第 3 級充電器可以選擇在外部 AC 電源和車載充電器之間加入高階通訊 (HLC) 協定，以達到充電控制。
• 模式 4 是快速 DC 充電，可直接對電池提供數百 kW 功率。模式 4 需要 HLC 來提供充電器控制所需的回授。

熱保護

AC 和 DC 充電器電纜均提供熱保護。對於高達 80 A 的 AC 充電，通常會使用正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻鏈。這由一連串裝置組成，且每個觸點上都有一個。監測電阻值可確保在超過極限溫度時安全關斷。

更高精度的 Pt1000 感測器可用於大功率充電器的觸點，以確保快速回應，促使系統在高功率位準下持續運行。

AC 輸入插孔和佈線選項

Phoenix Contact 針對 AC 充電系統的設計人員提供全套的通用充電輸入插孔，可接受 AC 或 DC 輸入；還有專用的純 AC 輸入插孔，可符合北美第 1 型和歐洲第 2 型的要求，適用於不需要 DC 充電的車輛。這些組件含有一條 2 公尺長的電源線，以及一條用於鎖定致動器、溫度感測器和進行通訊的 1 公尺電纜。皆具有鎖定機構、溫度感測器和防塵蓋。IEC 62196-2 和 SAE J1772 第 1 型應用所使用的佈線範例包括：

• 1271960 型號車輛充電輸入插孔可處理高達 12 kW 的單相 AC 電力。此輸入插孔的額定插拔循環超過 10,000 次。
• 更高功率的應用可以使用 1271836 型號，額定值高達 20 kW 單相 AC 電力。含有鎖定致動器和保護蓋。

Phoenix Contact 還提供一系列 AC 充電電纜，包括：

• 1277166 型號，可搭配 SAE J1772 第 1 型車輛充電器使用。其一端有一個車輛充電連接器，另一端則開放，可達到充電器永久連接。含有 PTC 鏈式熱感測，可處理高達 20 kW 的單相 AC 電力。含有一條 25 英尺長的電纜 (圖 3)。
• 1627692 型號活動式 AC 充電電纜的一端帶有第 2 型輸入插孔用的車輛充電連接器，另一端則帶有基礎設施 AC 連接器，可搭配第 2 型 IEC 62196-2 充電器使用。此電纜組件可提供高達 26.6 kW 的三相 AC 電力，含有 HLC 連接用的觸點，長度為 5 公尺。

圖 3：活動式 AC 充電電纜組件的額定功率為 20 kW。(圖片來源：Phoenix Contact)

DC 充電電纜

Phoenix Contact 提供 CCS C 系列 DC 充電電纜，適用於私人住宅、公寓大樓、企業和停車設施中的中功率充電系統。這些電纜提供第 1 型和第 2 型設計，組件具有車輛充電連接器，其中一端帶有溫度感測器，另一端帶有開放式電纜連接。第 1 型設計的範例包括：

• 型號 11058805 公尺長，額定功率為 40 kW
• 型號 1236563 7 公尺長，額定功率為 80 kW (圖 4)

圖 4：此 DC 充電連接器的額定功率為 80 kW，並具有 7 公尺電纜。(圖片來源：Phoenix Contact)

通用充電輸入插孔

1210900 型號的通用充電輸入插孔可搭配 AC 和 DC CCS 第 1 型、IEC 62196-2、IEC 62196-3 連接器使用，額定電流高達 200 A 和 1 kV_DC，或 80 A 和 250 VAC 單相。DC 觸點具有兩個 PT1000 熱感測器，交流觸點具有 PTC 鏈式熱感測機制。

500 kW DC 佈線系統

高功率模式 4 HPC DC 充電系統的設計人員可以轉向 1085658 佈線系統，其中含有水冷車輛連接器和電纜，可提供高達 500 A、1 kV_DC。符合 CSS 第 1 型、SAE J1772 和 IEC 62196-3-1 的要求。此系統含有用來監測溫度、電纜斷裂和冷卻液洩漏的感測器 (圖 5)。溫度監測可通過 DC 觸點上的兩個 NTC，以及電纜內 DC 電線中的兩個 NTC 來達成。

圖 5：這種大功率的 DC 充電電纜組件是複雜的系統。(圖片來源：Phoenix Contact)

Phoenix Contact 還提供帶有這些 DC 充電電纜的獨立式冷卻裝置。其中含有一個變速風扇和泵浦，可針對大功率 DC 充電系統提供最佳化的冷卻 (圖 6)。泵浦和風扇的工作電壓介於 0 V_DC 至 10 V_DC，風扇的最大電流消耗量為 1.97 A，泵浦則需要高達 1.8 A 的電流。冷卻液混合了 50% 水和 50% 乙二醇。電纜和電線長 1.5 公尺。系統結合 1085658 電纜後，電纜的冷卻能力達 600 W (3 公尺電纜)、800 W (4 公尺電纜)、900 W (5 公尺電纜) 和 1050 W (6 公尺電纜)。

圖 6：大功率 DC 充電電纜的水冷系統。(圖片來源：Phoenix Contact)

結論

未來需要眾多 EV 充電器樣式和功率位準，才能在電動車擴大採用時提供完備的充電基礎設施。設計人員開發的充電器設計，必須涵蓋從使用內部 EV 電池充電器電路的低功率 1.9 kW AC 充電器，到採用水冷佈線的 HPC 500 kW DC 充電器，即可繞過內部充電電路並直接為電池充電。除了這兩個極致之間，還需要多種充電器功率位準和充電模式，以支援常備的 EV 充電服務，以用於私人住宅與公寓大樓、飯店、商店和餐館、商業和工業場所、停車場、加油站、休息站和其他地點。