使用 CCS 連接器，簡化安全 EV 快速充電系統實作

從農業、市政到消費者，電動汽車 (EV) 的使用率不斷增加，大多歸功於「里程焦慮」的持續降低。雖然先進的電池技術可以提高每單位體積的電池容量，從而延長續航里程，但如果電池充電時間過長，這些優勢就會有所限制。這讓汽車公司及其零件供應商擔起責任，迅速採用快速充電方法。

連接器是充電的關鍵零件之一。這些連接器現在必須能夠在高達 1,000 V 的直流電壓下處理高達 500 kW 的功率，同時還要適應交流電源。此外，還必須滿足 IEC 62196 和 SAE J1772 標準對安全和智慧快速充電的要求。為了滿足所有汽車和非汽車系統的需求，BEV 系統的設計人員可以轉向採用滿足組合充電系統 (CCS) 規範的連接器。

本文回顧基本的 EV 充電級別和模式，接著說明 CCS 連接器的要求，包括 CCS 1 型、CCS 2 型和中國 GB/T 連接器的比較。最後回顧一些供應商提供的延伸功能，例如更寬廣的工作溫度範圍和更高的侵入防護 (IP) 等級，並使用 Phoenix Contact、TE Con​​nectivity 和 Adam Tech 的 CCS 連接器為範例。

EV 組合充電系統

CSS 車輛輸入插孔設計用於接受交流和直流電源連接器。長時間停在車庫或停車場時，交流快速充電非常有用，而在商店、休息站和專用充電站短時間停放時，則可使用快速直流充電 (圖 1)。

圖 1：單一 CCS 車輛輸入插孔可同時支援交流和直流快速充電。(圖片來源：Phoenix Contact)

電動汽車充電位準和模式

電動汽車充電分類包括：充電位準、充電模式、接線盒，針對 CCS則包含充電連接器類型。在美國，SAE J1772 認可三種充電級別：

• 1 級使用住宅 120 V_AC 電源，功率限制在 1.9 kW 左右。1 級很慢。
• 2 級充電使用 208/240 V_AC 單相電源。可以透過 240 V_AC 電源提供高達約 19 kW 的功率。2 級是「快速交流充電」，充電速度是 1 級的三到七倍。1 級和 2 級為車載 EV 充電器供電。
• 3 級是直流快速充電，使用外部直流充電器以 400 A 提供 600 V_DC，總功率為 240 kW。先進的直流快速充電器可提供 500 kW (500 A 時為 1,000 V_DC)。

在歐洲，IEC 61851-1 定義四種電動汽車充電模式：

• 模式 1 充電使用直接插入交流電源插座的簡單纜線。功率低且不常用。
• 模式 2 也可直接插入交流電源插座，但增加了整合式保護，稱為纜線內控制和保護裝置 (IC-CPD)。模式 2 比模式 1 更安全，但僅支援使用三相電源充電至 15 kW 左右。

模式 3 和 4 是快速充電：

• 模式 3 使用專用充電站 (也稱為 EV 供電設備，或 EVSE) 提供高達 120 kW 的交流電。模式 1、2 和 3 都使用 EV 的車載充電器來控制電池充電。
• 模式 4 是指快速直流充電。EV 車載充電器經旁路，EVSE 通過直流連接器直接向電池供電。模式 4 可提供數百千瓦。雖然使用高階通訊協定 (HLC) 和充電控制在模式 3 中可能達到能量回饋，但在模式 4 中則為必需。

連接類型、模式和案例

CCS 在北美以 1 型連接器達到 SAE J1772 標準化，在歐洲採用 2 型連接器達到 IEC 62196。EV 和 EVSE 之間的 HCL 接面基於 ISO/IEC 15118 和 DIN SPEC 70121。有三種可能的 EV 對電源連接：案例 A、B、C。

在案例 A 中，纜線永久連接到 EV，並根據需要插入電源。在 CCS 中不使用案例 A。案例 B 和 C 與 CCS 搭配使用，並與稱為 GB/T 的對應中國標準一起使用 (圖 2)。電源線兩端可拆卸時為案例 B。如果電源線與 EVSE 永久連接，則為案例 C。充電模式 3 可使用案例 B或案例 C。充電模式 4 僅可使用案例 C。

圖 2：CCS 1 型 (北美)、2 型 (歐洲) 和 GB/T (中國) 連接器類型、模式、案例的比較。(圖片來源：Phoenix Contact)

溫度監控和主動冷卻

監測觸點溫度在快速充電系統中很重要。根據 IEC 62196，觸點的溫升不能超過 50°C。EV 和 EVSE 之間的 HCL 介面用於溫度資料通訊。如果溫度升高太多，EVSE 將減慢或停止充電。對於進行交流充電的 CCS 連接器，採用正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻，根據 DIN 60738 的要求監控溫度。如果連接器過熱，將停止充電 (圖 3)。針對快速直流充電，DIN 60751 需要兩個 Pt1000 感測器，每個觸點一個。Pt1000 的電阻隨著溫度的升高而線性增加。

圖 3：PTC 溫度感測器關閉交流充電以防止溫度超過安全位準 (左)。對於快速直流充電，Pt1000 感測器可以持續監控溫度 (右)。(圖片來源：Phoenix Contact)

供應超過 250 A 充電電流的系統需要溫度監控以及主動冷卻 (圖 4)。CCS 連接器採用主動冷卻設計，可提供高達 500 kW (1,000 V_DC 時為 500 A) 的功率。在環境溫度未預期升高或出現過載時，溫度監控讓系統能夠提高冷卻率或降低充電率，進而將連接器觸點的溫升保持在 +50°C 規範限制內。

圖 4：主動冷卻與溫度感測結合，可支援 500 A 的全充電，並將連接器溫升保持在 +50°C 以下。(圖片來源：Phoenix Contact (經作者更動))

整合式鎖定機制

鎖定機制整合至 CCS 連接器系統中。類型 1 連接器中的鎖定機制是手動夾緊機制。在 2 類連接器中，使用電磁活化金屬螺栓完成鎖定 (圖 5)。鎖受到控制，其狀態透過獨立的連接通訊至 EVSE。

圖 5：CCS 車輛輸入插孔配備機電控制鎖定螺栓 (紅色箭頭旁邊，左上角)，旨在承受高拉力。(圖片來源：Phoenix Contact)

類型 1 和 2 輸入插孔和連接器

Phoenix Contact 的 CHARX CCS 充電輸入插孔具有高達 95 平方公釐的直流纜線橫截面，可支援高達 500 kW 的充電率。1194398 型號在正常運作下可提供 125 kW 的充電功率，在升壓模式下可提供高達 250 kW 的充電功率 (圖 6)。此 CCS 類型 1 輸入插孔設計用於充電模式 2、3、4。包括交流觸點上的 PTC 鏈溫度感測器和直流觸點上的 Pt1000 感測器。

圖 6：1194398 CCS 1 型車輛充電輸入插孔，用於交流或直流電源充電，正常運作時可提供 125 kW 的功率，在升壓模式下可提供高達 250 kW 的功率。(圖片來源：Phoenix Contact)

針對更高功率的需求，Phoenix Contact 的 1162148 車輛充電輸入插孔支援突衝模式下 500 kW 的充電速率和正常運作下 250 kW 的充電速率。依據 ISO/IEC 15118 和 DIN SPEC 70121，透過電力線通訊以脈寬調變 (PWM) 進行數位訊號傳輸。環境工作溫度範圍為 -40°C 至 +60°C。

需要 CCS 1 型交流插頭進行 2 級充電的應用可以使用 TE Con​​nectivity AMP Connectors 的 2267220-3 型號 (圖 7)。此連接器的額定電壓為 240 V_AC 和 32 A，具有三個電源觸點和兩個訊號觸點。具有 -55°C 至 +105°C 的延伸工作溫度範圍，可承受 10,000 次插拔。

圖 7：CCS 1 型電動汽車充電連接器，顯示整合式手動鎖定系統 (連接器左)。(圖片來源：TE Connectivity)

Adam Tech 的 EV 充電器纜線組件包括 1 型和 2 型插頭，纜線長度為 3 m (9.84 ft)或 5 m (16.4 ft)，並提供 IP54 或 IP55 侵入防護等級 (IP)。例如，CA #EV03AT-004-5M 是 2 型連接器，具有 5 m 纜線和 IP55 等級 (圖 8)。其五個電源觸點和兩個訊號觸點，額定電壓為 480 V_AC，電流為 16 A，工作溫度範圍為 -30°C 至 +50°C。

圖 8：CA #EV03AT-004-5M CCS 2 型連接器的額定電壓為 480 V_AC，電流為 16 A。(圖片來源：Adam Tech)

CCS 規範注意事項

CCS 車輛充電輸入插孔和連接器的整體機械和電氣特性為標準化，但設計人員在指定這些元件時需要注意以下幾點：

IP 等級：這些等級以多種方式指定：插入時、不帶蓋拔出時、帶蓋拔出時。一些裸露插頭的防護等級為 IP20，代表防觸摸，並且可以抵抗灰塵或尺寸超過 12 mm 的物體。但是對液體沒有防護作用，如果接觸到噴水，很容易損壞。在覆蓋或插入時，CCS 插頭較常是 IP54、IP55、IP65 等級。IP65 與 IP54 裝置相比，具有更高的防水程度，但與 IP55 裝置相比防水程度相同。IP54 和 IP55 裝置與 IP65 裝置相比，防塵效能較差。

工作溫度範圍：此規格無標準。-30°C 至 +50°C 和 -40°C 至 +60°C 等範圍很常見，但也可提供 -55°C 至 +105°C 等延伸範圍 (如上述 TE Con​​nectivity 的 2267220-3)。

溫度測量組件：針對使用 PTC 元件的交流觸點和使用 Pt1000 感測器的直流觸點，經過標準化。規格書選用的字詞在這裡可能會讓人感到困惑。交流單元有時會使用「PTC」，有時會使用「PTC 鏈」。正確的名稱是「PTC 鏈」，因為每個觸點上都有一個 PTC。如果規格書中只寫「PTC」，設計人員應確認所指的是「PTC 鏈」。對於 Pt1000 感測器，一些規格書寫做 Pt100 感測器，但此感測器靈敏度較低且不符合 CCS 標準。將 Pt1000 感測器稱為 Pt100 元件是一個常見錯誤，因為「100」比「1000」更常用。設計人員應確認它確實是 Pt1000，並且每個觸點上都有一個。

結論

BEV AC 和 DC 快速充電支援不斷成長的 EV 電池容量和延長續駛里程的需求。交流快速充電用於行駛距離相對較短的電動汽車。或者，更高功率的直流快速充電可以在幾分鐘內將 EV 電池的電量充滿 80%，從而支援長途駕駛的需求。CCS 為設計人員提供一種在汽車和非汽車應用中結合交流和直流快速充電的安全、智慧、高效率的方式。

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