SAE J1772-2009电动载具連接器 | |||
類別 | 汽車產業電子連接器 | ||
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產品歷史 | |||
製造商 | 矢崎總業等 | ||
製造时间 | 2009年 | ||
一般规格 | |||
長度 | 33.5毫米(1.32英寸) | ||
直径 | 43.8毫米(1.72英寸) | ||
引脚 | 5 | ||
电力 | |||
信号 | 單相交流電 | ||
数据 | |||
数据信号 | SAE J1772#信號:電阻式/脈寬調變 | ||
引脚输出 | |||
CCS Combo 1 的引腳排列,從插頭末端看(連接到 EVSE 線) | |||
L1 | 1號線 | 交流單相 | |
N | 中性線 | 交流單相 | |
CP | 控制導引 | 充電槍插入後訊號 | |
PP | 接近導引 | 充電槍插入前訊號 | |
PE | 保護接地 | 接地 | |
CCS Combo 1在下方增加二個大電流的直流端子 |
SAE J1772,也稱為IEC 62196-2 Type 1 第一型(簡稱Type 1)或J plug,是北美洲的电动汽车电子连接器標準,由国际汽车工程师学会所維護,正式名稱為SAE Surface Vehicle Recommended Practice J1772, SAE Electric Vehicle Conductive Charge Coupler[1]。其中包括了電動汽車傳導充電系統及車輛端耦合器的物理特性、電子特性、通訊協定以及性能需求。其目的是定義通用的電動汽車傳導充電系統架構,包括對車輛端插座及配對連接器的一般性需求、機能需求以及尺寸要求。在北美地區已逐漸被北美充電標準(NACS,標準為SAE J3400)所取代。
推動SAE J1772開發的主要動力是源自加州空氣資源局(CARB)。以往的電動車(例如EV1)是由感應式耦合器來進行充電。但後來不建議使用,有利於推動傳導式的汽車充電,而後來加州空氣資源局也在2001年6月訂定了SAE J1772-2001標準 [2]作為加州電動汽車充電的標準[3]。Avcon製造了長方形的接頭,符合SAE J1772 REV NOV 2001規範,傳輸的電功率可以到6.6 kW[4][5]。
2001年的CARB規範強制2006年起,生產的車要導入J1772-2001規範。之後的需求中需要輸送的電流超過Avcon連接器可以輸送的電流。因此Yazaki提出了新的連接器設計,在單相120–240 V交流電以下,其輸出功率可以到19.2 kW,電流最大可到80A。CARB在2008年針對Title 13 section 1962.2提出修正草案,強制2010年起上市的車款,都要使用之後提出的SAE J1772標準[6],後來修正案在2012年通過[7]。
依照SAE J1772連接器標準所設計的Yazaki連接器,後來成功的通過UL實驗室的驗證。之後SAE委員會在2009年7月投票通過此一標準[8]。SAE機動車委員會在2010年1月14日修改了SAE J1772 REV 2009版本[9]。支持2009年修正版本的汽車公司有司麥特汽車、克萊斯勒集團、通用汽车、福特汽车、丰田汽车、本田技研工业、日產汽車及特斯拉公司。
國際性的IEC 62196-2標準(Part 2: Dimensional compatibility and interchangeability requirements for a.c. pin and contact-tube accessories)已投票通過,將SAE J1772-2009連接器標準加入了規範中[10]。SAE J1772連接器是其中的Type 1,是交流單相的連接器[11]。
許多2000年以後的电动車廠採用SAE J1772-2009標準,例如雪佛兰沃蓝达及日产聆风的第三代,以及較早期的車款。此連接器已成為美國市場標準設備,主要是因為美國電動汽車網絡中有許多有這種接頭的充電站(《美國經濟復甦與再投資法案》中有針對像ChargePoint America之類的計劃進行補助,這也有一些幫助)。
歐洲版車輛原來也是配備SAE J1772-2009接頭,後來歐系車廠才決定使用IEC 62196-2 Type 2(VDE-AR-E 2623-2-2)接頭為標準接頭,而所有IEC接頭都使用同一種SAE J1772通信協定,因此車廠可以依市場需要,販售有SAE J1772-2009接頭或是IEC 62196-2 Type 2接頭的車輛。市面上也有這二種接頭的轉換器。唯一的差異是大部份的歐洲會有可以接三相交流電的車載充電器,其電壓及電流限制都較高,即使是相同的入門車款(例如雪佛兰沃蓝达 / Opel Ampera)也是如此。
國際汽車工程師學會(SAE)開發組合充電系統(Combined Charging System,CCS),其充電槍介面Combo Coupler是以J1772-2009連接器為主,再加上額外的針腳(Combo 1)來配合直流200–450伏的直流快速充電,功率可以到90 kW。其中也可以用PLC(電力線通信)技術,讓車輛、車外充電器及智能電網之間進行通訊[12]。有七家車廠(奧迪、BMW、Daimler、福特、通用汽車、現代汽車、保時捷、Volvo及福斯汽車)同意在2012年中導入組合充電系統[13]。第一部使用SAE Combo插座的車輛是2013年下半年推出的宝马i3,之後則是雪佛蘭在2014年推出的Spark EV[14]。
歐洲的combo coupler是以第二型(VDE)交流充電接頭(Combo 2)為主,維持SAE有關直流充電以及HomePlug電力線通訊規範的完整相容性[15]。Tesla在2019年推出Model 3,在歐洲使用Combo 2接頭,但沒有配合Combo 1在美國一起導入。
組合充電系統所使用技術雖是「電力線通信」,但相關的信號(包括HomePlug)不是在電力線上,而是在一般的信號線上。
J1772-2009連接器是為用在北美及日本, 120 V 或 240 V 的單相電源系統設計。圓形接頭直徑43-毫米(1.7-英寸),其中有五個引腳,有三個不同的引腳大小,從大到小如下[來源請求]:
接近檢測(Proximity detection)會提供信號給電動車控制系統,在接到充電系統(充电桩)時讓車輛不要移動,並且向車輛送出閂鎖釋放訊號[來源請求]
控制導引(control pilot)是車輛和充电桩之間的充電控制通訊信號,由電動車控制,來啟始充電過程,也提供其他資訊[來源請求]
充电桩會在控制導引腳產生±12 V,1 kHz的方波,偵測是否有連接到車輛,和電動車針對最大允許充電電流、開始充電及結束充電進行通訊[16]。
連接器設計可以插拔10,000次(一次是代表插入及拔下連接器各一次),若每天插拔1次,連接器可以使用超過27年[17]。
2017年10月版本的SAE J1772標準,定義了四種充電等級:AC Level 1、AC Level 2、DC Level 1及DC Level 2[18]。 其電氣額定如下:
充電方式 | 電壓(AC V) | 相數 | 最大電流(電流) | 分支電流 斷路器額定(A) |
最大功率(kW) |
---|---|---|---|---|---|
AC Level 1 | 120 | 單相 | 12 | 15(最小值) | 1.44 |
16 | 20 | 1.92 | |||
AC Level 2 | 208至240 | 單相 | ≤ 80 | 依NEC 625 | 最大到19.2 |
充電方式 | 充电桩直流輸出電壓(DC V) | 最大電流(A) | 最大功率(kW) |
---|---|---|---|
DC Level 1 | 50至1000 | 80 | 80 |
DC Level 2 | 50至1000 | 400 | 400 |
在SAE J1772標準的附錄M有提到,有考慮過第三種交流充電方式,但沒有實施過,該方式稱為AC Level 3,可以提供的最大功率為6 kW,標稱電壓為208至240 V,最大電流400A。沒有DC Level 3充電方式的相關資訊。
例如2020年的Chevrolet Bolt有66-kWh的锂离子电池以及7.2-kW的車載充電器,EPA里程為259英里(417公里),能源效率為118MPGe(5.55 km/kWh)[19],可以用AC Level 1(120 V, 12 A)的充電器,充電一小時可以多行駛4英哩(6 km)的里程,或是用AC Level 2(240 V, 32 A)的充電單元,充電一小時可以多行駛,充電一小時增加25英哩(40.2 km)的里程。若是用直流快充的充電器,半小時就可以充電55 kW,多行駛90英哩(144 km)的里程。
有些電動車的規格超過J1772,在120 V充電時可以超過16A的電流。這在TT-30("Travel Trailer" - 120 V, 30 A)普遍使用的RV park中是優勢。這可以充電到24A。不過120V下的這種電流規格未列在J1772中。
特斯拉汽車支援J1772的一種規格擴展,就是277V的Level 2充電。就像208 V一樣,277 V常用在北美商用的三相電電路中。
J1772標準中有許多層級的振動保護、就算在潮濕的環境下也可以保證充電安全。在接頭接好之後,其引腳是和連接器內部隔離的,避免直接接觸到引腳。在接頭沒有接的時候,J1772連接器上沒有大功率的電壓輸出[20],充電電源要在電動車送出充電命令後才會提供[21]。
其接地引腳在連接連接器時會最早連接,拔下連接器時會最後脫離。若連接器接在車輛的充電座上,正在充電,而連接器移除了,較短的控制導引腳會先斷路,讓充電椿的繼電器先開路,使電流不會經由J1772接頭往外流。這可以避免電源引腳短路,增加其壽命。接近檢測腳也會接到開關上,當車輛拔除連接器的按鈕按下時,會觸發此開關。這會讓接近檢測腳的電阻增加,讓車載充電器停止抽取電流。
SAE J1772的信號協定設計如下[21]:
技術規範最早是列在SAE J1772的2001年版本中,之後也出現在IEC 61851-1及IEC TS 62763:2013裡。充電站會在接近檢測(Proximity detection)及 控制導引(control pilot)提供12V,並量測其電壓差。這個通訊協定和其他的充電協定不同,SAE J1772不需要額外的積體電路,因此使這個通訊協定具有強健性,在−40 °C到 +85 °C的溫度範圍都可以運作。
充電設備會在控制導引(Control Pilot)端子上送1 kHz的方波,此電路會在車輛端透過電阻器及二極管(電壓範圍±12.0±0.4 V)接到保護地。若CP-PE(接地系统)電路開路,充電設備的火線不會有電壓。若電路有導通,充電設備也會確認接地系统是否功能正常。車輛可以用設定電阻的方式來請求充電:沒有充電的車輛使用2.7 kΩ,和mode 3相容的電阻,表示有偵測到車輛。若切換到880 Ω的電阻,表示車輛已預備好可以充電,若切換到240 Ω,表示車輛提出在充電時「需要空調」(with ventilation)。
在SAE J1772:2001中,控制導引線的電路範例可以看出CP-PE在車輛端接有2.74 kΩ的電阻,因此當和充電系統相連接時,電壓會從+12 V降到+9 V,也會啟動信號產生電路。車輛會再並聯1.3 kΩ電阻,使電壓降到+6 V,請求充電,或是並聯270 Ω電阻,使電壓降到+3 V,請求通風。因此充電設備的反應都是由偵測CP-PE的電壓,然後再依電壓反應[22]。其中的二極體使電壓降只出現在正電壓範圍,CP-PE若有負電壓,會視為是重大故障(例如碰觸到帶電部份),會因此關斷電流。
狀態 | 充電狀態 | CP-PE電阻 | R2電阻 | CP-PE電壓 |
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狀態A | 待機(Standby) | 開路,或∞ Ω | +12 V | |
狀態B | 偵測到車輛 | 2740 Ω | +9±1 V | |
狀態C | 預備充電 | 882 Ω | 1300 Ω | +6±1 V |
狀態D | 需要空調(With ventilation) | 246 Ω | 270 Ω | +3±1 V |
狀態E | 無電源(電路切斷) | 0 V | ||
狀態F | 錯誤 | −12 V |
充電設備也會用脈衝寬度調變(PWM)波形來表示充電設備可以提供的最大電流:16% PWM表示最大電流10 A,25% PWM表示最大電流16 A,50% PWM是最大電流32 A,90% PWM是快速充電的選項[23]。
1 kHz CP信號的PWM任務比表示最大允許電流。依照SAE的規定,最大允許電流需考慮接頭輸出、線材以及車輛的輸入接頭。美國的載流量(電流容量)會分為連續使用及短期負載的容量[23]。SAE定義的載流量是依公式產生,公式是依1 ms周期(1 kHz信號),其周期內導通時間小於640µs時,其最大連續電流為0.6 A每 10µs到每 850µs(最小值是100 µs x .6 A = 6 A)。若超過850µs,公式會將導通時間減去640µs,再乘以2.5。例如(960 µs - 640 µs) x 2.5A = 80 A.[22]
PWM | SAE連續電流 | SAE短期負載 |
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50% | 30 A | 峰值36 A |
40% | 24 A | 峰值30 A |
30% | 18 A | 峰值22 A |
25% | 15 A | 峰值20 A |
16% | 9.6 A | |
10% | 6 A |
接近導引(Proximity Pilot),簡稱為PP,也稱為plug present,在SAE J1772範例中,是用開關S3描述,是以機械的方式連接到連接器閘鎖釋放的致動器。在充電時,充電樁的S3短路,PP-PE會連接150 Ω的電阻R6。在閘鎖釋放時,充電樁的S3斷路,PP-PE會加上330 Ω的電阻R7,因此線上的電壓會有電壓降,讓電動車在充電槍拔出之前可以提早關閉充電機能。不過許多低階的電源轉換器電接線不提供用PP線偵測連接器閘鎖狀態的機能。
依照IEC 62196,PP腳也可以說明充電纜線的容量。
其中的電阻可以說明充電纜線的最大容量。充電樁若偵測到其電流超過充電纜線的最大容量,會中斷充電,電流是由Rc來偵測,其值定義如下
Rc是在PP和PE之間的電阻。
充電纜線的最大電流 | +/- 3%誤差下的Rc標稱值 | 充電樁會讀到的Rc值範圍 |
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13 A | 1.5 kΩ / 0,5 W | 1 k Ω - 2.7 kΩ |
20 A | 680 Ω / 0,5 W 330 Ω | 330 Ω – 1 kΩ |
32 A | 220 Ω / 0,5 W 150 Ω | 150 Ω - 330 Ω |
SAE在2012年的新版標準中,計劃使用電力線通信(特別是IEEE 1901)作為車輛、充電站以及智慧電網之間的溝通介面,不需要額外的接腳。SAE和IEEE标准协会已分享其有關智慧電網以及車輛電子化的標準草案[25]。
P1901通訊協定可以透過IEEE 1905標準和其他802.x標準相容,允許用其他和IP為基礎的協定向電表、車輛、電力公司,以及充電設備所在的大樓通訊。P1905也包括無線通訊。目前已看到DC充電設備和電動車輛的SAE J1772通訊是透過HomePlug電力線通信(PLC)來實現[26][27][28]。
在北美及日本,雪佛兰沃蓝达[29]、日产聆风[30]、三菱iMiEV电动汽车、三菱的PHEV、Chrysler Pacifica Hybrid、豐田Prius的插電式混合動力車、Smart電動車、福特Focus EV、福特Fusion Energi、本田Clarity(純電動車及插電式混合動力車)、Kia Soul EV及Fiat 500e都有120V的充電座,可以將120 V電源線接頭接到J1772充電座上。若是一些家用電源是220-230 V的國家,車上的EVSE充電座多半是level 2的充電座,可以接家用的電源,不過其充電電流會比專用充電站的充電電流要小。
和SAE J1772-2009相容的產品如下:
RWE和戴姆勒汽車提出的Mennekes接頭已列在IEC 62196的第二型(IEC 62196 Type 2),其中包括交流單相以及交流三相的連接器[11][54]。此連接器的規範是VDE-AR-E 2623-2-2標準。連接器最多可以提供三相63 A(若在中歐,電壓為400 V),因此最大功率是63 A × 400 V × √3 = 43.6 kW。另外IEC 62196-2標準有Type 3連接器,有單相及三相連接器以及shutters[11]。第一型(SAE)、第二型(VDE)及第三型的pilot pin都使用IEC 61851-1的標準。
東京電力也有用JARI直流連接器發展了車用高壓直流快速充器的規格,和三菱汽车、日產汽車及速霸陸汽車成立了CHAdeMO(charge de move)聯盟,推動此規格[55]
Standardization of Charging Systems
the ARB approved the staff proposal to select the conductive charging system used by Ford, Honda and several other manufacturers
Section 1962.3. Electric Vehicle Charging Requirements
Underwriters Laboratories has completed its certification testing on the connector developed by Yazaki
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When a J1772 standard plug (like on the Volt) is disconnected from the vehicle, no voltage is present at the pins.
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