SAE J1772
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 | ||
製造時間 | 2009年 | ||
一般規格 | |||
長度 | 33.5公釐(1.32英寸) | ||
直徑 | 43.8公釐(1.72英寸) | ||
引腳 | 5 | ||
電力 | |||
信號 | 單相交流電 | ||
數據 | |||
數據信號 | SAE J1772#信號:電阻式/脈寬調變 | ||
引腳輸出 | |||
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,是北美洲的電動汽車電子連接器標準,由國際汽車工程師學會所維護,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。
歷史
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、通用汽車、福特汽車、豐田汽車、本田技研工業、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]。
汽車設備
許多2000年以後的電動車廠採用SAE J1772-2009標準,例如雪佛蘭沃藍達及日產聆風的第三代,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(例如雪佛蘭沃藍達 / Opel Ampera)也是如此。
組合充電系統(CCS)
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年下半年推出的寶馬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。
特性
連接器
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-公釐(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]:
- 交流線1及交流線2
- 接地
- 接近檢測(Proximity detection)以及控制導引(control pilot)
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(充電樁)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)是車輛和充電樁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]
充電樁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]。
充電
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 | 充電樁直流輸出電壓(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的鋰離子電池以及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。
安全性
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。
信號
SAE J1772的信號協定設計如下[21]:
- 充電設備送出有AC輸入電源的信號。
- 車輛可以透過接近檢測(Proximity detection)線路偵測到充電槍插入(因此車輛無法在有接線時開離充電設備),也可以偵測到按下充電口門閂,要拔離充電槍的動作。
- 控制導引(control pilot)機能開始動作
- 充電設備檢測到有充電式電動車輛(PEV)
- 充電設備送出充電設備已可以提供電力的訊號,給充電式電動車輛。
- 確認充電式電動車輛的送風需求
- 充電設備的電力會提供給電動車輛
- 充電式電動車輛控制能量的流動
- 充電設備和充電式電動車輛會持續監控安全接地的完整性
- 依充電式電動車輛的需求,持續提供電力
- 若充電式電動車輛上充電槍拔下,就會中斷充電過程
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。
控制導引
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體(電壓範圍±12.0±0.4 V)接到保護地。若CP-PE(接地系統)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統是否功能正常。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
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 |
P1901電力線通信
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標準協會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]。
相容的車款及充電系統
在北美及日本,雪佛蘭沃藍達[29]、日產聆風[30]、三菱iMiEV電動汽車、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:
- ABB Lunic B, B+, Pro S, Pro M,有SAE J1772,功率到4.6 kW。
- BlinkCharging IQ200 - 商用 Level2 J1772 EVSE - 可以設定充電電流,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),美國第一個商品化的SAE直流快充充電器[33][34]。
- Bosch Power Max 家用充電椿。
- ClipperCreek產品,包括有CS-40[35]、LCS-25[36]、LCS-25p[37]及 HCS-40[38]。其中充電電流最大的是CS-100[39]。
- ChargePoint CT4000 智慧充電器、纜線管理、driver服務: ChargePoint充電站網路中的CT500、CT2000、CT2100及CT2020系列[40]。
- Eaton電動車充電站的Pow-R-Station系列[41]。
- ECOtality Blink的家庭壁掛充電器,以及商用的獨立型充電裝置[42][43]。
- eMotorWerks JuiceBox 開源 18 kW 75 A EVSE[44]。
- EverCharge 交流充電裝置,電壓為208 - 240 Vac,電流30 A,功率7.2 kW max[45][46]。
- EVSEadapters 240 V 16 A可攜式Level 2 EVSE[47]。
- EVoCharge – 伸縮捲軸的EVSE,可以支援住家、商用及工廠用。
- 奇異的Wattstation,最早在2011年問世[48]。
- GoSmart Technologies的ChargeSPOT充電裝置。
- GRIDbot的UP系列充電裝置。
- Hubbell PEP 充電裝置[49]。
- Leviton家用充電裝置,有不同的功率等級,有獨立的轉接線,可以接到NEMA 6 240 V的接頭[50]。
- 西門子公司的VersiCharge,是低成本的家用、半公用 level 2 電動車充電裝置。
- SemaConnect ChargePro 充電裝置。
- TucsonEV - J1772 配接盒、J1772 延長線、公母接頭(有帶線或沒有帶線的)。J1772相容的EVSE,電壓電流為240 V/30 A。Zero Motorcycle轉接到J1772的轉接器、Tesla UMC到J1772的轉換器、30A及40A電動車的延長線,有經UL認證。
- Circontrol的Circarlife產品,包括電動車充電的基礎裝置,以及J1772標準的立柱及壁掛單元[51]。
- OpenEVSE:開源設計的EVSE.
- 智慧EVSE計劃:開源設計的EVSE,有多充電裝置的電流均流。
- Vega eStation Level-2 充電站。是斯里蘭卡chargeNET網路的一部份
- Webasto 家用充電椿[52]
- Zappi - 家用充電椿[53]
競爭標準
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,和三菱汽車、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]
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