Padziļināta CCS1 un CCS2 standartu analīze: komunikācijas protokoli un NACS integrācija

Globālās uzlādes paradoksa atšifrēšana: daudzdimensionāls tehnisks padziļināts ieskats CCS1 un CCS2 standartos, fiziskā slāņa komunikācijas protokolos, izolācijas uzraudzības arhitektūrās un ģeopolitiskajā virzībā uz NACS integrāciju.

1. nodaļa: Ievads: Globālās elektrifikācijas ainava un standarta karš

Globālā autobūves nozare pašlaik piedzīvo vienu no nozīmīgākajām tehnoloģiskajām pārmaiņām tās gadsimtu ilgajā vēsturē: pāreju no iekšdedzes dzinējiem (ICE) uz elektriskajiem transportlīdzekļiem (EV). Lai gan litija jonu akumulatoru ķīmiskais sastāvs un silīcija karbīda (SiC) invertoru efektivitāte bieži vien nonāk ziņu virsrakstos, šīs revolūcijas neatzītais varonis un bieži vien arī vājā vieta ir uzlādes saskarne.

Uzlādes standarts ir elektrotransportlīdzekļu ekosistēmas nabassaite. Tas nav tikai kontaktdakša un kontaktligzda; tā ir sarežģīta augstsprieguma jaudas elektronikas, digitālo sakaru protokolu un drošības bloķēšanas ierīču sistēma. Mūsdienās pasaule galvenokārt ir sadalīta divās kombinētās uzlādes sistēmas (CCS) nometnēs: CCS1 (izplatīta Ziemeļamerikā un Korejā) un CCS2 (izplatīta Eiropā un lielākajā daļā citu reģionu).

Tomēr šī binārā plaisa tiek izjaukta. Ziemeļamerikas uzlādes standarta (NACS), kas nesen kodificēts kā SAE J3400, parādīšanās ir izraisījusi satricinājumu nozarē, draudot padarīt CCS1 novecojušu tās vietējā tirgū. Tikmēr CCS2 sarežģītība turpina attīstīties, ieviešot ISO 15118-20, kas nodrošina tādas funkcijas kā “Plug & Charge” un “Vehicle-to-Grid” (V2G).

Šajā rakstā sniegta visaptveroša, 360 grādu CCS1 un CCS2 tehniskā analīze. Mēs izpētīsim to mehāniskās atšķirības, impulsa platuma modulācijas (PWM) un elektrolīniju komunikācijas (PLC) pamatā esošo signāla loģiku, izolācijas uzraudzības ierīču (IMD) kritisko drošības funkciju un sarežģītos ģeopolitiskos un piegādes ķēdes spēkus, kas ir veidojuši šos standartus. Mēs arī aplūkosim sadarbspējas problēmas, kas nomoka publiskos uzlādes tīklus, un sarežģīto juridisko vidi, kas saistīta ar trešo pušu adapteru izmantošanu.

2. nodaļa: Evolucionārās saknes: SAE J1772 pret IEC 62196-2 un ceļš uz CCS

Lai izprastu kombinēto uzlādes sistēmu, vispirms jāaplūko maiņstrāvas uzlādes standarti, kas bija iepriekšējie. CCS būtībā ir esošo maiņstrāvas kontaktdakšu “papildinājums”, tāpēc tā saucas “kombinētā”.

1. tipa dzimšana (SAE J1772)

2000. gadu sākumā Amerikas Savienoto Valstu Automobiļu inženieru biedrība (SAE) izstrādāja standartu J1772. Fiziskais savienotājs, ko bieži dēvē par Yazaki spraudni vai 1. tipa, bija paredzēts vienfāzes maiņstrāvas uzlādei. Tam bija pieci kontakti: L1 (1. līnija), N (neitrāls), PE (aizsargājošs zemējums), CP (vadības pilotkontakts) un PP (tuvuma pilotkontakts).

1. tips tika optimizēts Ziemeļamerikas elektrotīklam, kur mājsaimniecībām parasti ir 120 V vai 240 V vienfāzes elektrība. Mehāniskajā konstrukcijā bija iekļauts manuāls fiksators savienotāja nostiprināšanai pie transportlīdzekļa un mikroslēdzis uzlādes sesijas sākuma un beigu signalizēšanai.

2. tipa uzplaukums (IEC 62196-2)

Vienlaikus Starptautiskā Elektrotehniskā komisija (IEC) Eiropā strādāja pie Eiropas tīklam piemērota standarta, kas atbalsta trīsfāžu maiņstrāvu. Rezultāts bija Mennekes spraudnis jeb 2. tipa kontaktdakša, kas kodificēta saskaņā ar IEC 62196-2.

Atšķirībā no 1. tipa, 2. tipa savienotājs ir septiņu kontaktu: L1, L2, L3, N, PE, CP un PP. Atbalstot trīs fāzes, 2. tips varēja piegādāt līdz 22 kW maiņstrāvas (32 A pie 400 V), savukārt 1. tipa jauda parasti bija ierobežota līdz 7,4 kW vai 19,2 kW retās augstas strāvas konfigurācijās. Turklāt 2. tipa savienotājs atteicās no manuālās aizbīdņa, izvēloties elektronisku bloķēšanas solenoīdu transportlīdzekļa ieplūdes atverē.

"Kombinētais" risinājums

Pieaugot pieprasījumam pēc ātrās uzlādes, inženieri saskārās ar dilemmu: kā pievienot jaudīgu līdzstrāvas uzlādi, neprasot transportlīdzeklī otru, atsevišķu pieslēgvietu? Risinājums bija kombinētā uzlādes sistēma.

• CCS1 (1. kombinācija):Ņem 1. tipa maiņstrāvas savienotāju un zem tā pievieno divus masīvus līdzstrāvas barošanas kontaktus (DC+ un DC-).
• CCS2 (2. kombinācija):Ņem 2. tipa maiņstrāvas savienotāju un zem tā pievieno divus tādus pašus līdzstrāvas barošanas kontaktus.

Abos gadījumos esošie vadības pilota (CP) un aizsargājošā zemējuma (PE) tapas tiek atkārtoti izmantotas līdzstrāvas savienojumam, nodrošinot atpakaļsaderību un samazinot transportlīdzekļa iekšējās elektroinstalācijas sarežģītību.

3. nodaļa: Padziļināta fiziskās arhitektūras analīze: Combo 1 un Combo 2 mehāniskais dizains un pieslēgvietu izvietojums

Fiziskās atšķirības starp CCS1 un CCS2 nav tikai estētiskas; tās atspoguļo fundamentālas atšķirības tīkla infrastruktūrā un drošības filozofijā.

CCS1 (SAE J1772 kombinācija)

CCS1 savienotājam raksturīgs tā "apaļā augšdaļas" dizains, kas mantots no J1772.

• Piespraudes konfigurācija:5 tapas augšpusē (L1, N, PE, CP, PP) un 2 lielas tapas apakšā (DC+, DC-).
• Fiksēšanas mehānisms:CCS1 pamatā ir mehānisks aizbīdnis uz roktura. Lietotājs nospiež pogu, lai atbrīvotu kontaktdakšu. Šī konstrukcija ir kritizēta par to, ka tā ir viegli lūzt un ļauj lietotājiem izraut kontaktdakšu, kamēr strāva vēl varētu plūst (lai gan CP signāls ir paredzēts, lai apturētu strāvu nekavējoties pēc aizbīdņa atbrīvošanas).
• Dzesēšana:Mūsdienu īpaši ātrās CCS1 uzlādes ierīces (350 kW+) izmanto ar šķidrumu dzesējamus kabeļus, kur dzesēšanas šķidrums cirkulē ap līdzstrāvas vadītājiem un dažreiz arī ap pašiem kontaktiem, lai novērstu pārkaršanu lielas strāvas (500 A+) sesiju laikā.

CCS2 (IEC 62196-3 kombinācija)

CCS2 savienotājs izmanto 2. tipa "plakanās puses" dizainu.

• Piespraudes konfigurācija:7 tapas augšpusē (L1, L2, L3, N, PE, CP, PP) un 2 lielas tapas apakšā (DC+, DC-).
• Fiksēšanas mehānisms:CCS2 vienmēr tiek elektroniski bloķēts transportlīdzeklī. Uz roktura nav pogas. Tas parasti tiek uzskatīts par izturīgāku un drošāku, jo transportlīdzeklis pilnībā kontrolē, kad savienotāju var atvienot.
• Tīkla saderība:Tā kā CCS2 satur kontaktus L2 un L3, ar CCS2 aprīkots transportlīdzeklis var pilnībā izmantot trīsfāžu maiņstrāvas uzlādi mājās vai darbā, padarot to ievērojami daudzpusīgāku Eiropas un Āzijas tirgos.

Salīdzinošā tabula: CCS1 un CCS2 fizikālās specifikācijas

4. nodaļa: Vadības signāla loģika: PWM (impulsa platuma modulācija) un pamata rokasspiediens

Pirms jebkādu augstsprieguma elektronu plūsmas uzsākšanas elektrotransportlīdzekļa barošanas iekārtai (EVSE) un elektrotransportlīdzekļam (EV) jāveic zemsprieguma sasveicināšanās. Šo procesu regulē divi komunikācijas slāņi: mantotais PWM signāls un modernais PLC signāls.

PWM signāls (IEC 61851-1)

Vadības pilota (CP) līnija pamatstāvokļu paziņošanai izmanto 12 V impulsa platuma modulācijas (PWM) signālu ar frekvenci 1 kHz. Šī ir stabila analogā metode, kas jau vairāk nekā desmit gadus ir bijusi elektrotransportlīdzekļu uzlādes pamatā.

• A stāvoklis (12 V):Nav pievienots neviens transportlīdzeklis.
• B stāvoklis (9V):Transportlīdzeklis pievienots, nav gatavs uzlādei.
• C stāvoklis (6V):Transportlīdzeklis ir pievienots un gatavs uzlādei (ventilācija nav nepieciešama).
• D stāvoklis (3V):Transportlīdzeklis ir pievienots un gatavs uzlādei (nepieciešama ventilācija).
• Darba cikls:1 kHz signāla “ieslēgšanas” laika procentuālā daļa norāda transportlīdzeklim maksimālo strāvu, ko EVSE var nodrošināt. Piemēram, 25% darba cikls varētu atbilst 15 ampēriem.

Pāreja uz DC

Maiņstrāvas uzlādei pietiek ar PWM signālu. Tomēr līdzstrāvas uzlādei elektrotransportlīdzekļiem un elektrotransportlīdzekļu šasijas (EVSE) ir jāapmainās ar sarežģītiem datiem, piemēram, akumulatora uzlādes stāvokli (SoC), pieprasīto spriegumu un digitālajiem parakstiem norēķinu veikšanai. Šeit PWM sasniedz savu robežu.

CCS sistēmā CP līnija tiek “pārveidota”. Kad, izmantojot PWM, tiek noteikts fizisks savienojums, sistēma, izmantojot elektrolīnijas komunikāciju (PLC), pārklāj CP līniju ar augstfrekvences digitālo signālu. PWM signāls saglabājas fiksētā 5 % darba ciklā, kas darbojas kā “digitāls pārslēgs”, signalizējot elektrotransportlīdzekļam uzsākt HomePlug Green PHY (HPGP) PLC protokolu.

5. nodaļa: Uzlabotas komunikācijas: ISO 15118, DIN 70121 un PLC (elektrolīniju komunikācijas) loma

Lai gan CCS1 un CCS2 fiziskie pieslēgumi atšķiras, sistēmas "smadzenes" ir ievērojami līdzīgas. Abas sistēmas līdzstrāvas komunikācijai izmanto ISO/IEC 15118 un DIN 70121 standartus.

DIN 70121: Tilts uz līdzstrāvu

DIN 70121 bija pirmais līdzstrāvas uzlādes saziņas ieviešanas standarts CCS. Tas ir agrīno ISO 15118 melnrakstu apakškopa. Tas ļauj transportlīdzeklim un lādētājam apmainīties ar ziņojumiem, piemēram:

• Pakalpojumu atklāšana:Kādus pakalpojumus (maiņstrāvas/līdzstrāvas) piedāvā lādētājs?
• Maksas parametra atklāšana:Kādi ir akumulatora un lādētāja sprieguma un strāvas ierobežojumi?
• Jaudas piegāde:Faktiskā komanda sākt vai apturēt enerģijas plūsmu.

ISO 15118: Viedās uzlādes standarts

ISO 15118 ir elektrotransportlīdzekļu komunikācijas “zelta standarts”. Tas ir daudzdaļīgs standarts, kas ievieš vairākas uzlabotas funkcijas:

1. Pievieno un uzlādē (PnC):Izmantojot publiskās atslēgas infrastruktūru (PKI), automašīna var droši identificēties ar uzlādes ierīci un automātiski apstrādāt rēķinus. Nav nepieciešamas RFID kartes vai lietotnes.
2. Pievienotās vērtības pakalpojumi:Informācija par vietējām enerģijas cenām vai integrāciju ar viedās mājas sistēmām.
3. Divvirzienu uzlāde (ISO 15118-20):Ļaujot automašīnai izlādēt enerģiju atpakaļ elektrotīklā vai mājās.

PLC fiziskais slānis

Šim nolūkam nepieciešamā aparatūra ir HomePlug Green PHY modems. Tā kā komunikācija notiek pa vadības pilota līniju, kas arī pārraida 1 kHz PWM signālu, rodas ievērojams trokšņa līmenis. PLC izmanto ortogonālo frekvenču dalīšanas multipleksēšanu (OFDM), lai nodrošinātu, ka dati, kas tiek pārraidīti frekvencēs no 2 MHz līdz 30 MHz, tiek droši uztverti, neskatoties uz skarbo elektromagnētisko vidi, ko rada lieljaudas uzlādes stacija.

6. nodaļa: Drošības protokoli un izolācijas uzraudzība (IMD): noplūdes noteikšana augstsprieguma sistēmās

Drošība ir galvenā prioritāte līdzstrāvas ātrās uzlādes procesos, kur spriegums var pārsniegt 900 V un strāva var sasniegt 500 A. Šīs drošības arhitektūras kritiski svarīga sastāvdaļa ir izolācijas uzraudzības ierīce (IMD).

Peldošā sistēma

Atšķirībā no dzīvojamo māju maiņstrāvas barošanas avota, kur neitrālais vads ir savienots ar zemi, līdzstrāvas uzlādes sistēmas ir “peldošas” jeb “izolētas”. Ne līdzstrāvas pluss (DC+), ne līdzstrāvas pluss (DC-) līnija nav savienota ar transportlīdzekļa šasiju (zemējumu). Tas nozīmē, ka, ja cilvēks vienlaikus pieskaras vienai no līdzstrāvas līnijām un šasijai, caur tām nevajadzētu plūst strāvai, jo nav pilnīgas ķēdes atpakaļ uz avotu.

IMD loma

Tomēr, ja rodas izolācijas bojājums, piemēram, nodilis kabelis vai dzesēšanas šķidruma noplūde akumulatoru blokā, viena no līdzstrāvas līnijām var nejauši iezemēties. Ja otrā līnijā rodas otrs kļūmes signāls, rodas bīstams īssavienojums.

IMD pastāvīgi uzrauga pretestību starp līdzstrāvas kopni un aizsargzemējumu (PE).

• Pirmsuzlādes tests:Pirms galveno kontaktoru aizvēršanās, lai sāktu uzlādi, EV un EVSE veic izolācijas pārbaudi. Ja pretestība ir zem noteikta sliekšņa (parasti 100 omi uz voltu), sesija tiek pārtraukta.
• Nepārtraukta uzraudzība:Uzlādes laikā IMD turpina injicēt nelielu signālu, lai uzraudzītu degradāciju.

CCS1 un CCS2 IMD ieviešana

Lai gan princips ir viens un tas pats, konkrētie robežvērtības un reakcijas laiki var atšķirties starp SAE un IEC ieviešanu. CCS2 sistēmas Eiropā bieži integrē IMD tieši EVSE kontrollerī, savukārt CCS1 sistēmām var būt vairāk izkliedēta uzraudzība starp barošanas skapi un dozatoru. Sarežģītība palielinās "vietas koplietošanas" scenārijos, kad vairāki dozatori koplieto vienu lielu jaudas pārveidošanas bloku.

7. nodaļa: Bloķēšanas mehānismi un termiskā vadība: manuālie aizbīdņi salīdzinājumā ar elektroniskajiem solenoīdiem

Spraudņa mehāniskā uzticamība ir galvenā atšķirība starp abiem standartiem.

CCS1: Atbildība par aizbīdni

CCS1/J1772 spraudņa vājākais punkts ir tā manuālais aizbīdnis. Sabiedriskās vietās šos aizbīdņus bieži salauž lietotāji vai tie sasalst ar ledu. Ja aizbīdnis ir salauzts, tuvuma pilota (PP) ķēde var neaizvērties, neļaujot automašīnai sākt uzlādi. Vēl ļaunāk, daļēji salauzts aizbīdnis var ļaut savienotājam kustēties lielas jaudas sesijas laikā, izraisot lokizlādi un termiskus bojājumus.

CCS2: Solenoīda pārākums

CCS2 novērš roktura aizbīdni. Transportlīdzekļa ieplūdes atverei ir motorizēta tapa (solenoīds), kas ieslīd savienotāja caurumā, kad tas ir pilnībā ievietots.

• Bloķēšanas drošība:Transportlīdzeklis neaizvērs augstsprieguma kontaktorus, kamēr solenoīds neapstiprinās “bloķētu” stāvokli.
• Zādzību novēršana:Savienotāju nevar atvienot, kamēr lietotājs neatslēdz automašīnu vai nepārtrauc sesiju, izmantojot transportlīdzekļa saskarni, tādējādi novēršot neatļautu atvienošanu.

Termiskā pārvaldība

Tā kā uzlādes ātrums tuvojas 400 kW, termiskā pārvaldība vairs nav obligāta. Gan CCS1, gan CCS2 izmanto temperatūras sensorus (parasti NTC termistorus), kas iebūvēti līdzstrāvas kontaktu tuvumā.

• Jaudas samazināšana:Ja temperatūra pie tapām pārsniedz drošu robežu (piemēram, 85 °C), EVSE automātiski “samazinās jaudu” jeb strāvu, lai novērstu plastmasas korpusa kušanu.
• Šķidruma dzesēšana:Lieljaudas dozatoros kabeļi ir ievērojami biezāki, jo tajos ir kanāli glikola bāzes dzesēšanas šķidrumam. Tas ļauj izmantot plānākus vara vadītājus (samazinot kabeļa svaru), vienlaikus saglabājot drošu temperatūru 500 A.

8. nodaļa: Sadarbspējas (IOP) testēšana: izaicinājumi vairāku piegādātāju infrastruktūrā

Viena no visnepatīkamākajām pieredzēm elektrotransportlīdzekļa vadītājam ir “rokasspiediena kļūme” — automašīna un lādētājs vienkārši atsakās sarunāties. Tā ir sadarbspējas (IOP) problēma.

Programmatūras steka sarežģītība

CCS komunikācijas steks ietver vairākus slāņus:

1. Fiziskais slānis:HPGP PLC signāla kvalitāte.
2. Datu saites slānis:MAC adreses un pievienošanās tīklam.
3. Tīkla slānis:IPv6 adresēšana (prasība saskaņā ar ISO 15118).
4. Lietojumprogrammas slānis:XML bāzes ziņojumapmaiņa (EXI saspiešana).

Ja lādētāja programmatūrai (ieviestai Linux vai reāllaika operētājsistēmā) ir neliela laika neatbilstība IPv6 kaimiņu noteikšanas protokolā vai ja automašīnas XML parsētājs sagaida nedaudz atšķirīgu shēmu, sesija neizdodas.

Testa pasākumi un sertifikācija

Lai ar to cīnītos, nozare rīko “Testivals” (testēšanas festivālus), ko rīko tādas organizācijas kā CharIN. Tesla, VW, ABB un Siemens inženieri savus transportlīdzekļus un uzlādes stacijas nogādā centrālā vietā, lai pārbaudītu visas iespējamās kombinācijas. Neskatoties uz to, vecāku EVSE programmaparatūras un jaunu transportlīdzekļu modeļu “garā aste” nodrošina, ka IOP joprojām ir pastāvīgs izaicinājums CCS ekosistēmā.

9. nodaļa: Ģeopolitiskās mainīgās smiltis: reģionālā plaisa un globālā piegādes ķēdes ekonomika

Izvēle starp CCS1 un CCS2 reti bija saistīta ar tehnisko pārākumu; tā bija saistīta ar esošo infrastruktūru un reģionālo suverenitāti.

Eiropas konsolidācija

Eiropa jau agrīnā stadijā ieviesa CCS2 obligātu ieviešanu, izmantojot Alternatīvo degvielu infrastruktūras direktīvu (AFID). Piespiežot visas publiskās uzlādes stacijas nodrošināt 2. tipa jeb CCS2 saskarni, Eiropa izvairījās no "standarta kara", kas gadiem ilgi mocīja Ziemeļameriku. Tas ļāva izveidot stabilu sekundāro tirgu komponentiem un vienkāršoja piegādes ķēdi Eiropas oriģinālā aprīkojuma ražotājiem (OEM), piemēram, BMW un Renault.

Ziemeļamerikas sadrumstalotība

Turpretī Ziemeļamerikā līdzās pastāvēja vairāki standarti: CCS1, CHAdeMO (ko virzīja Nissan) un Tesla patentētais savienotājs. Šī sadrumstalotība atturēja ieguldījumus publiskajā infrastruktūrā, jo vietņu mitinātāji bija spiesti iegādāties dārgus daudzprotokolu dozatorus.

Dienvidkoreja un Taivāna

Dienvidkoreja ieviesa CCS1, lielā mērā sekojot ASV piemēram, pateicoties spēcīgajai GM klātbūtnei un ASV tirgus ietekmei uz Hyundai/Kia agrīno elektroautomobiļu eksportu. Tomēr Taivāna ir aizraujošs gadījuma pētījums, kur valdība sākotnēji sliecās par labu CCS1, bet ir piedzīvojusi milzīgu CCS2 un NACS transportlīdzekļu pieplūdumu, radot sarežģītu daudzstandartu vidi.

10. nodaļa: NACS traucēklis: kā SAE J3400 konsolidē Ziemeļameriku un apdraud CCS1

2022. gada beigās Tesla pasaulei atklāja savu patentēto savienotāja dizainu, pārdēvējot to par Ziemeļamerikas uzlādes standartu (NACS). Dažu mēnešu laikā gandrīz visi lielākie automašīnu ražotāji Ziemeļamerikā — Ford, GM, Rivian, Volvo — paziņoja par pāreju no CCS1 uz NACS.

NACS tehniskās priekšrocības (SAE J3400)

1. Formas faktors:NACS ir ievērojami mazāks un vieglāks nekā apjomīgais CCS1 savienotājs.
2. Integrētās tapas:Atšķirībā no CCS, kuram ir atsevišķi maiņstrāvas un līdzstrāvas kontakti, NACS abiem izmanto vienus un tos pašus divus lielos kontaktus. Tas samazina transportlīdzekļa ieplūdes atveres izmēru.
3. Mantotais protokols:Svarīgi, ka NACS izmantotas patsISO 15118 PLC komunikācijas protokols kā CCS. Tas nozīmēja, ka autoražotāji varēja nomainīt fizisko kontaktdakšu, nepārveidojot visu programmatūras steku.

CCS1 nāves zvans?

Līdz ar NACS kodifikāciju kā SAE J3400, CCS1 Amerikas Savienotajās Valstīs faktiski ir kļuvis par "mirušu, staigājošu standartu". Lai gan tūkstošiem CCS1 uzlādes staciju pašlaik tiek uzstādītas, izmantojot NEVI (Nacionālās elektrotransportlīdzekļu infrastruktūras) programmu, nākotne nepārprotami pieder NACS. Šīs pārmaiņas ir piespiedušas uzlādes staciju ražotājus, piemēram, SK Signet un ChargePoint, ātri pielāgot savas montāžas līnijas, lai tajās iekļautu NACS kabeļus.

11. nodaļa: Adapteru tirgi un atbilstība: starpstandartu aparatūras juridiskie un tehniskie riski

Pasaulei mainoties, adapteri ir kļuvuši par vairāku miljonu dolāru vērtu nozari. Tagad var iegādāties adapterus, lai pārveidotu CCS2 uz CCS1, CCS1 uz Tesla un Tesla uz CCS1. Tomēr šī ērtība ir saistīta ar ievērojamiem riskiem.

Drošības plaisa

Sertificēts CCS savienotājs ir paredzēts 500 A strāvai un ietver sarežģītu termisko uzraudzību. Daudziem trešo pušu adapteriem, kas tiek pārdoti e-komercijas platformās, nav šādas aizsardzības.

• Arking risks:Ja adapteris neiederas perfekti, saskarnē var rasties mikroloks, kas galu galā var izkausēt adapteri un potenciāli sabojāt transportlīdzekļa dārgo iebūvēto lādētāju.
• Komunikācijas latentums:Daži adapteri protokolu tulkošanai izmanto “cilvēka vidutāja” elektroniku (piemēram, CHAdeMO uz CCS), kas var radīt latentumu, kas izraisa drošības taimautus EVSE.

Atbildība un apdrošināšana

No juridiskā viedokļa nesertificēta adaptera lietošana bieži vien anulē transportlīdzekļa garantiju. Ja uzlādes stacijā izraisa ugunsgrēks bojāta adaptera dēļ, atbildība pilnībā gulstas uz lietotāju. Lielākās standartu institūcijas tagad steidzas izveidot adapteru sertifikācijas programmas (piemēram, UL 2251), taču tirgus joprojām ir kā "Mežonīgie Rietumi" pirmajiem lietotājiem.

12. nodaļa: Nākotnes perspektīvas: megavatu uzlāde (MCS), V2X un vienotā konverģence

Raugoties uz 2030. gadu, CCS1 un CCS2 debates varētu aizēnot jaunās tehnoloģijas.

Megavatu uzlādes sistēma (MCS)

Smagkravas automašīnām pat 350 kW ir pārāk lēni. Nozare izstrādā MCS, kas var nodrošināt līdz pat 3,75 megavatiem (3000 A pie 1250 V). Interesanti, ka MCS savienotājs ir vienots globāls dizains, kas potenciāli varētu izbeigt reģionālo plaisu komerciālajā sektorā.

Transportlīdzeklis visam (V2X)

ISO 15118-20 integrācija pārvērtīs elektrostacijas. Neatkarīgi no tā, vai automašīna izmanto CCS2 vai NACS, spēja stabilizēt elektrotīklu pīķa stundās būs galvenais ieņēmumu avots elektrotransportlīdzekļu īpašniekiem.

Secinājums

Atšķirības starp CCS1 un CCS2 liecina par globālo standartu noteikšanas sarežģītību. Lai gan CCS2 ir kļuvis par nepārprotamu uzvarētāju starptautiskajā tirgū, NACS pieaugums ir pārrakstījis noteikumus Ziemeļamerikā. Inženieriem un politikas veidotājiem mācība ir skaidra: fiziskā aparatūra ir pārejoša, bet pamatā esošie digitālie protokoli (ISO 15118) un drošības principi (IMD) ir elektrificētās nākotnes patiesie pamati. Šo tehnisko nianšu izpratne ir būtiska ikvienam, kas orientējas augstsprieguma elektrotransportlīdzekļu infrastruktūras pasaulē.

13. nodaļa: Izolācijas pretestības matemātika: R_iso ​​aprēķini un noplūdes strāva

Līdzstrāvas ātrās uzlādes augstsprieguma (HV) jomā izolācijas pretestība ($R_{iso}$) ir ne tikai drošības parametrs, bet gan izmērāms mainīgais, kas nosaka uzlādes sesijas darbības stāvokli. Saskaņā ar IEC 61851-23 un SAE J1772 sistēmai ir jāuztur minimāla izolācijas pretestība, lai novērstu bīstamas noplūdes strāvas ($I_{leakage}$), kas varētu plūst caur cilvēka ķermeni šasijas bojājuma gadījumā.

Mērīšanas princips

Izolācijas uzraudzības ierīce (IMD) parasti izmanto "pārslēdzama rezistora" vai "impulsa injekcijas" metodi, lai mērītu pretestību starp līdzstrāvas vadītājiem un aizsargzemējumu (PE). Kopējā izolācijas pretestība ir definēta kā paralēla pretestības kombinācija no pozitīvās līnijas uz zemi ($R_p$) un negatīvās līnijas uz zemi ($R_n$):

$$R_{iso} = \frac{R_p \cdot R_n}{R_p + R_n}$$

Līdzstrāvas sistēmām drošības prasība parasti ir noteikta 100 $\Omega/V$ apmērā. Transportlīdzekļa uzlādei ar 800 V spriegumu minimālā pieļaujamā $R_{iso}$ būtu:

800 V reiz 100 Omega/V = 80 000 Omega = 80 k Omega

Noplūdes strāvas dinamika

Noplūdes strāva ir atkarīga no sistēmas parazītiskās kapacitātes ($C_y$) un izolācijas pretestības. Perfekti līdzsvarotā sistēmā $R_p = R_n$, un spriegums viduspunktā attiecībā pret zemi ir nulle. Tomēr, ja pozitīvajā sliedē ($R_p \rightarrow 0$) rodas kļūme, negatīvā sliede nobīdās līdz $-800V$ attiecībā pret šasiju. IMD ir jānosaka šī nobīde milisekundēs.

Tabula: CCS1 un CCS2 drošības robežvērtības

14. nodaļa: PLC signāla integritāte: trokšņa apstrāde 500 kW uzlādes vidē

CCS izmantotā elektrolīniju komunikācija (PLC) ir balstīta uz HomePlug Green PHY (HPGP) specifikāciju. Lai gan HPGP sākotnēji tika izstrādāts mazjaudas viedās mājas lietojumprogrammām, tā ieviešana 500 kW uzlādes vidē rada ārkārtējas elektromagnētiskās saderības (EMS) problēmas.

Trokšņu grīda

Lieljaudas līdzstrāvas lādētāji savās jaudas pakāpēs izmanto ātri pārslēdzamus silīcija karbīda (SiC) vai izolētu vārtu bipolārus tranzistorus (IGBT). Šie komponenti pārslēdzas frekvencēs no 20 kHz līdz 100 kHz, radot ievērojamu harmonisko troksni. Tā kā PLC darbojas 2 MHz līdz 30 MHz diapazonā, teorētiski tas atrodas ārpus primārā komutācijas trokšņa joslas, taču augstfrekvences "zvana" un kopējā režīma pārejas var viegli piesātināt PLC modema priekšējo galu.

Vājināšanās un savienošana

Vadības pilotsignāls (CP) tiek pārraidīts pa neekranētu vadu uzlādes kabeļa iekšpusē. Pie 30 MHz frekvences kabelis darbojas kā sarežģīta pārraides līnija ar ievērojamiem induktīvajiem un kapacitatīvajiem zudumiem.

• CCS1 kabeļi:Garāki, bieži vien smagāki kabeļi ASV var izraisīt lielāku signāla vājināšanos.
• CCS2 kabeļi:Eiropā īsākiem kabeļiem blīvi apdzīvotās pilsētu teritorijās var rasties šķērstraucējumi starp blakus esošajiem dozatoriem.

Lai to mazinātu, inženieri izmanto “signāla injekcijas vienības” (SIU), kas izmanto augstas caurlaidības ferīta serdeņus, lai savienotu PLC signālu ar CP līniju, vienlaikus bloķējot 1 kHz PWM signālu un augstfrekvences troksni.

15. nodaļa: ISO 15118-2 pret -20: Ziņojumu secību arhitektūras evolūcija

Pāreja no sākotnējā ISO 15118-2 standarta uz jauno ISO 15118-20 (bieži sauktu par “Dash 20”) ir nozīmīgākais programmatūras jauninājums elektrotransportlīdzekļu uzlādes vēsturē.

ISO 15118-2: Pamati

“-2” versija izveidoja pamata XML balstītu rokasspiedienu:

1. Atbalstītās lietotnes protokols:Apspriež versiju.
2. Sesijas iestatīšana:Izveido savienojumu.
3. Identifikācija:Darbojas ar RFID vai Plug & Charge.
4. Maksas parametra atklāšana:Apmaina akumulatora ierobežojumus.
5. Jaudas piegāde:Kontrolē plūsmu.

ISO 15118-20: Nākotne

20. versijā ir ieviesta pilnīgi jauna ziņojumu struktūra, kas paredzēta nākamās paaudzes enerģijas pakalpojumiem:

• Divvirzienu atbalsts:Īpaši ziņojumi V2G (transportlīdzekļa un tīkla) un V2H (transportlīdzekļa un mājas) izlādei.
• Dinamiskais režīms:Ļauj lādētājam norādīt automašīnai mainīt strāvas stiprumu reāllaikā atkarībā no tīkla slodzes, nepārstartējot sesiju.
• Pastiprināta drošība:Pāreja no TLS 1.2 uz TLS 1.3, nodrošinot ātrāku saziņu un spēcīgāku šifrēšanu.
• Multipleksēšana:Ļauj vairākiem pakalpojumiem (piemēram, uzlādei + datu sinhronizācijai) darboties, izmantojot vienu un to pašu PLC savienojumu.

Ziņojumu secības diagramma: Plug & Charge (PnC) salīdzinājumā ar ārējo identifikāciju (EIM)

PnC gadījumāLīguma paraksta sertifikātu ķēdetiek nosūtīts no automašīnas uz uzlādes ierīci. Uzlādes ierīce to pārbauda, ​​izmantojot savu OCSP (tiešsaistes sertifikātu statusa protokola) serveri. EIM sistēmā lietotājam ir jāuzrāda fiziska karte, un uzlādes ierīce nosūtaAutorizētpieprasījumu aizmugursistēmai. PnC latentums ir ievērojami zemāks, nodrošinot “Tesla līdzīgu” lietotāja pieredzi.

16. nodaļa: Lieljaudas savienotāju siltumtehnika: materiāli, kontakta pretestība un šķidruma dzesēšana

Tuvojoties CCS fiziskās saskarnes robežām, siltumtehnika kļūst par galveno projektēšanas ierobežojumu.

Kontakta pretestība ($R_{contact}$)

Savienotājā radīto siltumu nosaka Džoula likums: $P_{heat} = I^2 \cdot R_{contact}$. 500 A lādiņam:

• Ja $R_{kontakts} = 0,5 m\Omega$, $P_{siltums} = 500^2 \cdot 0,0005 = 125 W$.
• Ja $R_{contact}$ degradējas līdz $2,0 m\Omega$, $P_{heat} = 500^2 \cdot 0,002 = 500 W$.

500 vatu karstums slēgtā plastmasas rokturī dažu minūšu laikā izraisīs katastrofālu bojājumu. Tāpēc tapu sudrabošana ir kritiski svarīga. Sudrabam ir viszemākā elektriskā pretestība no visiem metāliem, un tas nodrošina pašeļļojošu virsmu, kas samazina nodilumu tūkstošiem savienošanas ciklu laikā.

Šķidruma dzesēšanas sistēmas

Lai apstrādātu strāvas, kas pārsniedz 350 A, ir nepieciešama šķidruma dzesēšana. Sistēma parasti izmanto slēgtas cilpas dzesēšanas bloku barošanas skapī.

• Dzesēšanas šķidruma tips:Lai novērstu īsslēgumus noplūdes gadījumā, priekšroka tiek dota dielektriskiem šķidrumiem, bet ūdens un glikola maisījumi ir biežāk sastopami to augstākās siltumietilpības dēļ.
• Šļūteņu dizains:Līdzstrāvas plusa (DC+) un līdzstrāvas plusa (DC-) vadītāji ir dobi vai ieskauti dzesēšanas šķidruma kanāliem. "Aukstā plāksne" atrodas tieši aiz kontaktiem, lai novadītu siltumu prom no kontakta saskarnes.

17. nodaļa: Sadarbspējas gadījumu izpēte: VW ID.4 un Electrify America Chargers savstarpējās saziņas atkļūdošana

Slavens CCS1 sadarbspējas problēmu piemērs radās VW ID.4 agrīnās ieviešanas laikā Amerikas Savienotajās Valstīs. Daudzi īpašnieki ziņoja par “sarkanā gredzena” kļūdām (uzlāde neizdevās) Electrify America (EA) uzpildes stacijās.

Galvenais iemesls: laiks un XML

Pēc vairāku mēnešu datu reģistrēšanas inženieri atklāja sacensību nosacījumu sistēmāSesijas iestatīšanafāze. EA lādētājs (ko ražojusi trešā puse) sūtīja savuSupportedAppProtocolResātrāk nekā ID.4 iebūvētā lādētāja (OBC) programmatūra spētu inicializēt IPv6 steku. Automašīna palaistu garām ziņojumu, iestātos taimauts un sesija tiktu pārtraukta.

Risinājums: programmatūras buferizācija

Risinājumam bija nepieciešams atjaunināt gan automašīnas, gan lādētāja programmaparatūru. Lādētājs tika modificēts, lai pirms pirmā PLC ziņojuma nosūtīšanas gaidītu signālu “ICMPv6 Neighbor Discovery”, un automašīnas taimauts tika pagarināts no 2 sekundēm līdz 5 sekundēm. Šis gadījuma pētījums parāda, kāpēc “pārbaudes” ir nepieciešamas, bet nepietiekamas; reālās pasaules vides faktori un tīkla latentums pievieno sarežģītības slāņus, ko laboratorijas testi nevar pilnībā atkārtot.

18. nodaļa: Globālās piegādes ķēdes ietekme: varš, sudrabošana un HPGP mikroshēmu trūkums

CCS savienotāju ražošana ir ļoti specializēta nozare, kurā dominē daži dalībnieki, piemēram, Phoenix Contact, Huber+Suhner un TE Connectivity.

Izejvielu atkarības

• Varš:Viens 350 kW ar šķidrumu dzesējams kabelis var saturēt vairāk nekā 15 kg augstas tīrības pakāpes vara. Vara cenu svārstīgums tieši ietekmē uzlādes tīklu kapitālieguldījumus (CAPEX).
• Sudrabs:CCS2 tapu pārklāšanas process prasa precīzas galvanizācijas metodes, lai nodrošinātu vienmērīgu 5–10 mikronu slāni. Jebkura retināšana palielina izturību un priekšlaicīgu novecošanos.

HPGP mikroshēmojumu monopols

HPGP (HomePlug Green PHY) modema mikroshēmas ir katra CCS transportlīdzekļa un lādētāja smadzenes. Gadiem ilgi Qualcomm bija galvenais piegādātājs (QCA7000 sērija). Globālā pusvadītāju deficīta laikā no 2021. līdz 2022. gadam šo mikroshēmu trūkums apturēja tūkstošiem uzlādes staciju ražošanu. Tas ir novedis pie sekundāro resursu izmantošanas veicināšanas, tirgū ienākot tādiem uzņēmumiem kā Lumissil un Vertexcom, taču jaunā silīcija sertifikācijas process autobūves nozarē ir bēdīgi slavens ar lēno pieeju.

19. nodaļa: Normatīvie regulējumi: NEVI ASV salīdzinājumā ar AFIR ES

Valdības vairs neatstāj standartu ieviešanu tirgus ziņā.

ES: AFIR (Alternatīvo degvielu infrastruktūras regula)

ES AFIR ir agresīvākais mandāts pasaulē. Tas paredz:

• Ātrās uzlādes stacijas ik pēc 60 km gar galvenajām automaģistrālēm.
• CCS2 kā obligāts standarts.
• Integrēti ad-hoc maksājumi (kredītkaršu lasītāji), attālinoties no slēgtām RFID ekosistēmām.

ASV: NEVI (Nacionālā elektrotransportlīdzekļu infrastruktūra)

ASV divpartiju infrastruktūras likums piešķīra 5 miljardus dolāru maksas iekasēšanai. Sākotnēji NEVI noteikumi noteica CCS1 standarta izmantošanu. Tomēr pēc NACS maiņas noteikumi tika grozīti, lai atļautu NACS kabeļus, ja vien katrā objektā ir vismaz viens CCS1 kabelis. Šis "hibrīdmodelis" ir pagaidu tilts, kamēr ASV virzās uz pilnīgu SAE J3400 nākotni.

20. nodaļa: Konverģence virzienā uz SAE J3400 (NACS) un tās ietekme uz CCS1 ražošanu

Pāreja uz NACS (SAE J3400) Ziemeļamerikā ir būtiski mainījusi CCS1 plānu.

Ražošanas pagrieziena punkts

Rūpnīcas, kas tika optimizētas apjomīgajiem CCS1 rokturiem, tagad tiek pārveidotas mazākam NACS dizainam. NACS sarežģītība slēpjas tā "divējāda lietojuma" pieslēgvietās, kurām ir nepieciešami ātrdarbīgi līdzstrāvas komutācijas kontaktori automašīnā, lai pārslēgtos starp iebūvēto maiņstrāvas lādētāju un līdzstrāvas akumulatora kopni.

CCS1 izdzīvošana

CCS1, visticamāk, saglabāsies Dienvidkorejā un kā mantots standarts ASV nākamo desmit gadu laikā. Tomēr CCS1 pētniecības un attīstības budžets faktiski ir samazinājies līdz nullei, jo nozare koncentrējas uz NACS un MCS. Globālajiem ražotājiem tas nozīmē trīs atsevišķu produktu līniju saglabāšanu:

1. CCS2:Globālajam tirgum.
2. NACS (J3400):Ziemeļamerikai.
3. MCS:Globālajai smago kravu pārvadājumu nozarei.

21. nodaļa: Secinājums: Vienotais protokols sadalītā fiziskajā pasaulē

Kā redzējām, “Atšķirība starp CCS1 un CCS2” ir stāsts par vienas digitālās dvēseles divām fiziskām izpausmēm. Neatkarīgi no tā, vai transportlīdzeklis izmanto apaļo CCS1 spraudni vai plakano CCS2 spraudni, ISO 15118 pamatā esošā loģika, IMD uzraudzības drošība un PLC signāla integritātes izaicinājums paliek identisks.

2020. gadu uzlādes standartu karš mums ir iemācījis, ka sadarbspēja nav tikai par kontaktdakšu — tā ir par programmatūru, tīklu un lietotāja pieredzi. Pasaulei tuvojoties dažiem dominējošiem standartiem, uzmanības centrā vairs nebūs jautājums “Vai varu pieslēgties elektrotīklam?”, bet gan “Cik ātra un vieda ir uzlāde?”. Pāreja uz NACS ASV un CCS2 nostiprināšanās Eiropā iezīmē elektrotransportlīdzekļu revolūcijas sākuma beigas. Nākamo desmitgadi noteiks V2G, megavatu ātrums un patiesi vienots globāls uzlādes tīkls.

22. nodaļa: Tuvuma pilota (PP) un vadības pilota (CP) shēmu detalizēta analīze

Lai patiesi novērtētu CCS inženiertehnisko risinājumu, ir jāpārbauda pilotlīniju ekvivalentā ķēde. Šīs līnijas ir uzlādes sistēmas "nervi", kas nodrošina, ka uz atklātām tapām nekad nav augstsprieguma un ka transportlīdzeklis nevar sākt braukt, kamēr ir pievienots.

Vadības pilota (CP) shēma

CP shēma ir 1 kHz, $\pm 12V$ signāls, ko ģenerē EVSE. Transportlīdzekļa pusē shēma sastāv no diodes un rezistoru sērijas ($R_1, R_2, R_3$), ko transportlīdzeklis var ieslēgt shēmā, izmantojot tranzistorus vai relejus.

• Diodes mērķis:Diode nodrošina, ka transportlīdzekļa rezistori ietekmē tikai PWM signāla pozitīvo daļu. Tas ļauj EVSE noteikt "īsslēgumu ar zemi", ja PWM signāla negatīvo daļu negaidīti ietekmē kļūme transportlīdzekļa rezistoru tīklā — būtiska drošības pārbaude, kas neļauj EVSE aktivizēt bojātu kabeli vai savienotāju.

Darba cikla nolasīšana

EVSE kodē pieejamo strāvu 1 kHz taisnstūra viļņa PWM darba ciklā, un transportlīdzeklis to interpretē pirms galveno kontaktoru aizvēršanas:

• 5% darba cikls:EVSE nav gatavs — uzlāde nav atļauta (tiek izmantota statusa signalizēšanai).
• 10% darba cikls:EVSE gatavs, nav nepieciešama ventilācija (standarta stāvoklis modernām noslēgtām līdzstrāvas sistēmām).
• 16–85 % darba cikls:Pieejamā strāva ir proporcionāla darba ciklam — piemēram, 50% norāda 50 A ierobežojumu, ļaujot transportlīdzekļa iebūvētajam lādētājam pareizi noteikt patērētās strāvas daudzumu.
• 90–97 % darba cikls:Rezervēts īpašiem stāvokļiem, piemēram, ja nepieciešama ventilācija (mantotie svina-skābes akumulatori) vai specifiskai līdzstrāvas signalizācijai.

CP sistēmas skaistums slēpjas tās drošajā asimetrijā: ja transportlīdzeklis neredz derīgu taisnstūra vilni, tas pieņem sliktāko un atsakās uzlādēt; ja EVSE neredz derīgu reakciju, tas atsakās uzlādēt. Ja kāda no pusēm ir aizvērta, uzlādes sesija nevar sākties bīstami.

Tuvuma pilota (PP) shēma

PP shēma ir savienotāja mehāniskā sirdsapziņa. Tā izmanto vienkāršu rezistoru, lai iezemētu spraudņa iekšpusē, lai abām pusēm pateiktu, vai kabelis ir pilnībā ievietots, un lai novērstu aizķeršanos ar pievienotu kabeli.

• Rezistoru vērtības:150 Ω rezistors norāda, ka kabelis ir pievienots transportlīdzeklim, bet nav bloķēts; 680 Ω rezistors norāda, ka kabelis ir pievienots un bloķēts; atvērta ķēde (nav rezistora) nozīmē, ka savienotājs ir atvienots. EVSE un transportlīdzeklis nepārtraukti nolasa šīs vērtības.
• Aizsardzība pret aizbraukšanu:Ja transportlīdzekļa sistēma konstatē 150 Ω stāvokli, kamēr stāvbremze ir atbrīvota, tā neļaus ieslēgt pārnesumu. Ja kabelis ir bloķēts (680 Ω), transportlīdzeklis neļaus savienotājam atvienoties, kamēr plūst uzlādes strāva, tādējādi novēršot risku, ka "izrauj strāvu no kontaktdakšas".
• Kabeļu klātbūtnes noteikšana:Līdzstrāvas sistēmās PP līnija arī apstiprina, ka uzlādes kabelis ir pareizi pievienots abos galos, pirms EVSE ļauj aizvērt augstsprieguma kontaktorus.

Kāpēc piloti ir svarīgi reālajā pasaulē

CP un PP ķēdes kopā nodrošina drošu uzlādes sesiju pat tad, ja plūst tūkstoš ampēru strāva. Tās ir arī pirmās vietas, kurām inženieri pievērš uzmanību, ja sesija nesākas: korodējis PP zemējums, nošķelts CP rezistors vai bojāts pilotspraudnis veido pārsteidzoši lielu daļu no izsaukumiem, kad lādētājs neieslēdzas. Izpratne par šīm ķēdēm pārvērš noslēpumainu kļūmi 10 minūšu diagnostikā.

Galvenie secinājumi

• CP shēma pārraida 1 kHz PWM signālu, kura darba cikls kodē pieejamo strāvu; tās diodes konstrukcija nodrošina īssavienojuma ar zemi noteikšanu.
• PP shēma izmanto rezistoru tīklu, lai noteiktu kabeļa klātbūtni un bloķēšanas stāvokli, nodrošinot aizsardzību pret atraušanos un savienotāja ligzdas apstiprinājumu.
• Abas shēmas ir bezatteices: trūkstošs vai nederīgs pilotsignāls pārtrauc sesiju, pirms aizveras jebkurš augstsprieguma kontaktors.
• Pilota līnijas kļūmes ir vienas no visbiežāk sastopamajām lādētāja iedarbināšanas kļūmēm — multimetrs un šīs ķēdes zināšanas lielāko daļu no tām atrisina dažu minūšu laikā.

Sazinieties ar MIDA Power inženieriem, lai atrastu CCS1/CCS2 lādētājus ar pilotshēmu, kas paredzēta lauka diagnostikai: skaidri marķēti testa punkti, standartizēti kļūdu kodi un servisa dokumentācija, kas palīdz tehniķiem novērst CP/PP problēmas. Sazinieties ar mums, lai saņemtu tehnisko dokumentāciju, apmācības atbalstu un produktu specifikācijas.