SAE J1772
类别 | 汽车产业电子连接器 | ||
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产品历史 | |||
制造商 | 矢崎总业等 | ||
制造时间 | 2009年 | ||
一般规格 | |||
长度 | 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 | 单相交流电 | ||
数据 | |||
数据信号 | SAE J1772#信号:电阻式/脉宽调变 | ||
引脚输出 | |||
CCS Combo 1 的引脚排列,从插头末端看(连接到 EVSE 线) | |||
L1 | 1号线 | 交流单相 | |
N | 中性线 | 交流单相 | |
CP | 控制导引 | 充电枪插入后讯号 | |
PP | 接近导引 | 充电枪插入前讯号 | |
PE | 保护接地 | 接地 | |
CCS Combo 1在下方增加二个大电流的直流端子 |
SAE J1772,也称为IEC 62196-2 Type 1 第一型(简称Type 1)或J plug,是北美洲的电动汽车电子连接器标准,由国际汽车工程师学会所维护,正式名称为SAE Surface Vehicle Recommended Practice J1772, SAE Electric Vehicle Conductive Charge Coupler[1]。其中包括了电动汽车传导充电系统及车辆端耦合器的物理特性、电子特性、通讯协定以及性能需求。其目的是定义通用的电动汽车传导充电系统架构,包括对车辆端插座及配对连接器的一般性需求、机能需求以及尺寸要求。在北美地区已逐渐被北美充电标准(NACS,标准为SAE J3400)所取代。
历史
推动SAE J1772开发的主要动力是源自加州空气资源局(CARB)。以往的电动车(例如EV1)是由感应式耦合器来进行充电。但后来不建议使用,有利于推动传导式的汽车充电,而后来加州空气资源局也在2001年6月订定了SAE J1772-2001标准 [2]作为加州电动汽车充电的标准[3]。Avcon制造了长方形的接头,符合SAE J1772 REV NOV 2001规范,传输的电功率可以到6.6 kW[4][5]。
2001年的CARB规范强制2006年起,生产的车要导入J1772-2001规范。之后的需求中需要输送的电流超过Avcon连接器可以输送的电流。因此Yazaki提出了新的连接器设计,在单相120–240 V交流电以下,其输出功率可以到19.2 kW,电流最大可到80A。CARB在2008年针对Title 13 section 1962.2提出修正草案,强制2010年起上市的车款,都要使用之后提出的SAE J1772标准[6],后来修正案在2012年通过[7]。
依照SAE J1772连接器标准所设计的Yazaki连接器,后来成功的通过UL实验室的验证。之后SAE委员会在2009年7月投票通过此一标准[8]。SAE机动车委员会在2010年1月14日修改了SAE J1772 REV 2009版本[9]。支持2009年修正版本的汽车公司有司麦特汽车、克莱斯勒集团、通用汽车、福特汽车、丰田汽车、本田技研工业、日产汽车及特斯拉公司。
国际性的IEC 62196-2标准(Part 2: Dimensional compatibility and interchangeability requirements for a.c. pin and contact-tube accessories)已投票通过,将SAE J1772-2009连接器标准加入了规范中[10]。SAE J1772连接器是其中的Type 1,是交流单相的连接器[11]。
汽车设备
许多2000年以后的电动车厂采用SAE J1772-2009标准,例如雪佛兰沃蓝达及日产聆风的第三代,以及较早期的车款。此连接器已成为美国市场标准设备,主要是因为美国电动汽车网络中有许多有这种接头的充电站(《美国经济复苏与再投资法案》中有针对像ChargePoint America之类的计划进行补助,这也有一些帮助)。
欧洲版车辆原来也是配备SAE J1772-2009接头,后来欧系车厂才决定使用IEC 62196-2 Type 2(VDE-AR-E 2623-2-2)接头为标准接头,而所有IEC接头都使用同一种SAE J1772通信协定,因此车厂可以依市场需要,贩售有SAE J1772-2009接头或是IEC 62196-2 Type 2接头的车辆。市面上也有这二种接头的转换器。唯一的差异是大部分的欧洲会有可以接三相交流电的车载充电器,其电压及电流限制都较高,即使是相同的入门车款(例如雪佛兰沃蓝达 / Opel Ampera)也是如此。
组合充电系统(CCS)
国际汽车工程师学会(SAE)开发组合充电系统(Combined Charging System,CCS),其充电枪界面Combo Coupler是以J1772-2009连接器为主,再加上额外的针脚(Combo 1)来配合直流200–450伏的直流快速充电,功率可以到90 kW。其中也可以用PLC(电力线通信)技术,让车辆、车外充电器及智能电网之间进行通讯[12]。有七家车厂(奥迪、BMW、Daimler、福特、通用汽车、现代汽车、保时捷、Volvo及福斯汽车)同意在2012年中导入组合充电系统[13]。第一部使用SAE Combo插座的车辆是2013年下半年推出的宝马i3,之后则是雪佛兰在2014年推出的Spark EV[14]。
欧洲的combo coupler是以第二型(VDE)交流充电接头(Combo 2)为主,维持SAE有关直流充电以及HomePlug电力线通讯规范的完整相容性[15]。Tesla在2019年推出Model 3,在欧洲使用Combo 2接头,但没有配合Combo 1在美国一起导入。
组合充电系统所使用技术虽是“电力线通信”,但相关的信号(包括HomePlug)不是在电力线上,而是在一般的信号线上。
特性
连接器
J1772-2009连接器是为用在北美及日本, 120 V 或 240 V 的单相电源系统设计。圆形接头直径43-毫米(1.7-英寸),其中有五个引脚,有三个不同的引脚大小,从大到小如下[来源请求]:
- 交流线1及交流线2
- 接地
- 接近检测(Proximity detection)以及控制导引(control pilot)
接近检测(Proximity detection)会提供信号给电动车控制系统,在接到充电系统(充电桩)时让车辆不要移动,并且向车辆送出闩锁释放讯号[来源请求]
控制导引(control pilot)是车辆和充电桩之间的充电控制通讯信号,由电动车控制,来启始充电过程,也提供其他资讯[来源请求]
充电桩会在控制导引脚产生±12 V,1 kHz的方波,侦测是否有连接到车辆,和电动车针对最大允许充电电流、开始充电及结束充电进行通讯[16]。
连接器设计可以插拔10,000次(一次是代表插入及拔下连接器各一次),若每天插拔1次,连接器可以使用超过27年[17]。
充电
2017年10月版本的SAE J1772标准,定义了四种充电等级:AC Level 1、AC Level 2、DC Level 1及DC Level 2[18]。 其电气额定如下:
充电方式 | 电压(AC V) | 相数 | 最大电流(电流) | 分支电流 断路器额定(A) |
最大功率(kW) |
---|---|---|---|---|---|
AC Level 1 | 120 | 单相 | 12 | 15(最小值) | 1.44 |
16 | 20 | 1.92 | |||
AC Level 2 | 208至240 | 单相 | ≤ 80 | 依NEC 625 | 最大到19.2 |
充电方式 | 充电桩直流输出电压(DC V) | 最大电流(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标准的附录M有提到,有考虑过第三种交流充电方式,但没有实施过,该方式称为AC Level 3,可以提供的最大功率为6 kW,标称电压为208至240 V,最大电流400A。没有DC Level 3充电方式的相关资讯。
例如2020年的Chevrolet Bolt有66-kWh的锂离子电池以及7.2-kW的车载充电器,EPA里程为259英里(417公里),能源效率为118MPGe(5.55 km/kWh)[19],可以用AC Level 1(120 V, 12 A)的充电器,充电一小时可以多行驶4英哩(6 km)的里程,或是用AC Level 2(240 V, 32 A)的充电单元,充电一小时可以多行驶,充电一小时增加25英哩(40.2 km)的里程。若是用直流快充的充电器,半小时就可以充电55 kW,多行驶90英哩(144 km)的里程。
有些电动车的规格超过J1772,在120 V充电时可以超过16A的电流。这在TT-30("Travel Trailer" - 120 V, 30 A)普遍使用的RV park中是优势。这可以充电到24A。不过120V下的这种电流规格未列在J1772中。
特斯拉汽车支援J1772的一种规格扩展,就是277V的Level 2充电。就像208 V一样,277 V常用在北美商用的三相电电路中。
安全性
J1772标准中有许多层级的振动保护、就算在潮湿的环境下也可以保证充电安全。在接头接好之后,其引脚是和连接器内部隔离的,避免直接接触到引脚。在接头没有接的时候,J1772连接器上没有大功率的电压输出[20],充电电源要在电动车送出充电命令后才会提供[21]。
其接地引脚在连接连接器时会最早连接,拔下连接器时会最后脱离。若连接器接在车辆的充电座上,正在充电,而连接器移除了,较短的控制导引脚会先断路,让充电椿的继电器先开路,使电流不会经由J1772接头往外流。这可以避免电源引脚短路,增加其寿命。接近检测脚也会接到开关上,当车辆拔除连接器的按钮按下时,会触发此开关。这会让接近检测脚的电阻增加,让车载充电器停止抽取电流。
信号
SAE J1772的信号协定设计如下[21]:
- 充电设备送出有AC输入电源的信号。
- 车辆可以透过接近检测(Proximity detection)线路侦测到充电枪插入(因此车辆无法在有接线时开离充电设备),也可以侦测到按下充电口门闩,要拔离充电枪的动作。
- 控制导引(control pilot)机能开始动作
- 充电设备检测到有充电式电动车辆(PEV)
- 充电设备送出充电设备已可以提供电力的讯号,给充电式电动车辆。
- 确认充电式电动车辆的送风需求
- 充电设备的电力会提供给电动车辆
- 充电式电动车辆控制能量的流动
- 充电设备和充电式电动车辆会持续监控安全接地的完整性
- 依充电式电动车辆的需求,持续提供电力
- 若充电式电动车辆上充电枪拔下,就会中断充电过程
技术规范最早是列在SAE J1772的2001年版本中,之后也出现在IEC 61851-1及IEC TS 62763:2013里。充电站会在接近检测(Proximity detection)及 控制导引(control pilot)提供12V,并量测其电压差。这个通讯协定和其他的充电协定不同,SAE J1772不需要额外的集成电路,因此使这个通讯协定具有强健性,在−40 °C到 +85 °C的温度范围都可以运作。
控制导引
充电设备会在控制导引(Control Pilot)端子上送1 kHz的方波,此电路会在车辆端透过电阻器及二极管(电压范围±12.0±0.4 V)接到保护地。若CP-PE(接地系统)电路开路,充电设备的火线不会有电压。若电路有导通,充电设备也会确认接地系统是否功能正常。车辆可以用设定电阻的方式来请求充电:没有充电的车辆使用2.7 kΩ,和mode 3相容的电阻,表示有侦测到车辆。若切换到880 Ω的电阻,表示车辆已预备好可以充电,若切换到240 Ω,表示车辆提出在充电时“需要空调”(with ventilation)。
在SAE J1772:2001中,控制导引线的电路范例可以看出CP-PE在车辆端接有2.74 kΩ的电阻,因此当和充电系统相连接时,电压会从+12 V降到+9 V,也会启动信号产生电路。车辆会再并联1.3 kΩ电阻,使电压降到+6 V,请求充电,或是并联270 Ω电阻,使电压降到+3 V,请求通风。因此充电设备的反应都是由侦测CP-PE的电压,然后再依电压反应[22]。其中的二极管使电压降只出现在正电压范围,CP-PE若有负电压,会视为是重大故障(例如碰触到带电部分),会因此关断电流。
状态 | 充电状态 | CP-PE电阻 | R2电阻 | CP-PE电压 |
---|---|---|---|---|
状态A | 待机(Standby) | 开路,或∞ Ω | +12 V | |
状态B | 侦测到车辆 | 2740 Ω | +9±1 V | |
状态C | 预备充电 | 882 Ω | 1300 Ω | +6±1 V |
状态D | 需要空调(With ventilation) | 246 Ω | 270 Ω | +3±1 V |
状态E | 无电源(电路切断) | 0 V | ||
状态F | 错误 | −12 V |
充电设备也会用脉冲宽度调变(PWM)波形来表示充电设备可以提供的最大电流:16% PWM表示最大电流10 A,25% PWM表示最大电流16 A,50% PWM是最大电流32 A,90% PWM是快速充电的选项[23]。
1 kHz CP信号的PWM任务比表示最大允许电流。依照SAE的规定,最大允许电流需考虑接头输出、线材以及车辆的输入接头。美国的载流量(电流容量)会分为连续使用及短期负载的容量[23]。SAE定义的载流量是依公式产生,公式是依1 ms周期(1 kHz信号),其周期内导通时间小于640µs时,其最大连续电流为0.6 A每 10µs到每 850µs(最小值是100 µs x .6 A = 6 A)。若超过850µs,公式会将导通时间减去640µs,再乘以2.5。例如(960 µs - 640 µs) x 2.5A = 80 A.[22]
PWM | SAE连续电流 | SAE短期负载 |
---|---|---|
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 |
接近导引
接近导引(Proximity Pilot),简称为PP,也称为plug present,在SAE J1772范例中,是用开关S3描述,是以机械的方式连接到连接器闸锁释放的致动器。在充电时,充电桩的S3短路,PP-PE会连接150 Ω的电阻R6。在闸锁释放时,充电桩的S3断路,PP-PE会加上330 Ω的电阻R7,因此线上的电压会有电压降,让电动车在充电枪拔出之前可以提早关闭充电机能。不过许多低阶的电源转换器电接线不提供用PP线侦测连接器闸锁状态的机能。
依照IEC 62196,PP脚也可以说明充电缆线的容量。
其中的电阻可以说明充电缆线的最大容量。充电桩若侦测到其电流超过充电缆线的最大容量,会中断充电,电流是由Rc来侦测,其值定义如下
Rc是在PP和PE之间的电阻。
充电缆线的最大电流 | +/- 3%误差下的Rc标称值 | 充电桩会读到的Rc值范围 |
---|---|---|
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 |
P1901电力线通信
SAE在2012年的新版标准中,计划使用电力线通信(特别是IEEE 1901)作为车辆、充电站以及智慧电网之间的沟通界面,不需要额外的接脚。SAE和IEEE标准协会已分享其有关智慧电网以及车辆电子化的标准草案[25]。
P1901通讯协定可以透过IEEE 1905标准和其他802.x标准相容,允许用其他和IP为基础的协定向电表、车辆、电力公司,以及充电设备所在的大楼通讯。P1905也包括无线通讯。目前已看到DC充电设备和电动车辆的SAE J1772通讯是透过HomePlug电力线通信(PLC)来实现[26][27][28]。
相容的车款及充电系统
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、丰田Prius的插电式混合动力车、Smart电动车、福特Focus EV、福特Fusion Energi、本田Clarity(纯电动车及插电式混合动力车)、Kia Soul EV及Fiat 500e都有120V的充电座,可以将120 V电源线接头接到J1772充电座上。若是一些家用电源是220-230 V的国家,车上的EVSE充电座多半是level 2的充电座,可以接家用的电源,不过其充电电流会比专用充电站的充电电流要小。
和SAE J1772-2009相容的产品如下:
- ABB Lunic B, B+, Pro S, Pro M,有SAE J1772,功率到4.6 kW。
- BlinkCharging IQ200 - 商用 Level2 J1772 EVSE - 可以设定充电电流,最大可到80安培(19.2kW)[31]。
- BlinkCharging HQ100 - 家用 Level2 J1772 EVSE - 30A(7.2kW)[32]。
- BTCPower(Broadband TelCom Power),美国第一个商品化的SAE直流快充充电器[33][34]。
- Bosch Power Max 家用充电椿。
- ClipperCreek产品,包括有CS-40[35]、LCS-25[36]、LCS-25p[37]及 HCS-40[38]。其中充电电流最大的是CS-100[39]。
- ChargePoint CT4000 智慧充电器、缆线管理、driver服务: ChargePoint充电站网络中的CT500、CT2000、CT2100及CT2020系列[40]。
- Eaton电动车充电站的Pow-R-Station系列[41]。
- ECOtality Blink的家庭壁挂充电器,以及商用的独立型充电装置[42][43]。
- eMotorWerks JuiceBox 开源 18 kW 75 A EVSE[44]。
- EverCharge 交流充电装置,电压为208 - 240 Vac,电流30 A,功率7.2 kW max[45][46]。
- EVSEadapters 240 V 16 A便携式Level 2 EVSE[47]。
- EVoCharge – 伸缩卷轴的EVSE,可以支援住家、商用及工厂用。
- 通用电气的Wattstation,最早在2011年问世[48]。
- GoSmart Technologies的ChargeSPOT充电装置。
- GRIDbot的UP系列充电装置。
- Hubbell PEP 充电装置[49]。
- Leviton家用充电装置,有不同的功率等级,有独立的转接线,可以接到NEMA 6 240 V的接头[50]。
- 西门子公司的VersiCharge,是低成本的家用、半公用 level 2 电动车充电装置。
- SemaConnect ChargePro 充电装置。
- TucsonEV - J1772 配接盒、J1772 延长线、公母接头(有带线或没有带线的)。J1772相容的EVSE,电压电流为240 V/30 A。Zero Motorcycle转接到J1772的转接器、Tesla UMC到J1772的转换器、30A及40A电动车的延长线,有经UL认证。
- Circontrol的Circarlife产品,包括电动车充电的基础装置,以及J1772标准的立柱及壁挂单元[51]。
- OpenEVSE:开源设计的EVSE.
- 智慧EVSE计划:开源设计的EVSE,有多充电装置的电流均流。
- Vega eStation Level-2 充电站。是斯里兰卡chargeNET网络的一部分
- Webasto 家用充电椿[52]
- Zappi - 家用充电椿[53]
竞争标准
RWE和戴姆勒汽车提出的Mennekes接头已列在IEC 62196的第二型(IEC 62196 Type 2),其中包括交流单相以及交流三相的连接器[11][54]。此连接器的规范是VDE-AR-E 2623-2-2标准。连接器最多可以提供三相63 A(若在中欧,电压为400 V),因此最大功率是63 A × 400 V × √3 = 43.6 kW。另外IEC 62196-2标准有Type 3连接器,有单相及三相连接器以及shutters[11]。第一型(SAE)、第二型(VDE)及第三型的pilot pin都使用IEC 61851-1的标准。
东京电力也有用JARI直流连接器发展了车用高压直流快速充器的规格,和三菱汽车、日产汽车及速霸陆汽车成立了CHAdeMO(charge de move)联盟,推动此规格[55]
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