Длабински поглед на стандардите CCS1 наспроти CCS2: Комуникациски протоколи и NACS интеграција

Дешифрирање на глобалниот парадокс на полнење: Мултидимензионален технички длабински преглед на стандардите CCS1 наспроти CCS2, протоколите за комуникација на физички слој, архитектурите за следење на изолацијата и геополитичката промена кон интеграција на NACS

Глава 1: Вовед: Пределот на глобалната електрификација и Стандардната војна

Глобалната автомобилска индустрија моментално се движи низ еден од најзначајните технолошки пресврти во својата вековна историја: преминот од мотори со внатрешно согорување (ICE) кон електрични возила (EV). Додека хемијата на литиум-јонските батерии и ефикасноста на инвертерите од силициум карбид (SiC) честопати ги привлекуваат насловните страници, неопеаниот херој - и често тесно грло - на оваа револуција е интерфејсот за полнење.

Стандардот за полнење е папочната врвца на екосистемот на електричните возила. Тоа не е само приклучок и штекер; тоа е софистициран систем од високонапонска електроника за напојување, протоколи за дигитална комуникација и безбедносни блокади. Денес, светот е првенствено поделен на два табора на Комбинираниот систем за полнење (CCS): CCS1 (вообичаен во Северна Америка и Кореја) и CCS2 (вообичаен во Европа и повеќето други региони).

Сепак, оваа бинарна поделба е нарушена. Подемот на Северноамериканскиот стандард за полнење (NACS), неодамна кодифициран како SAE J3400, испрати шок-бранови низ индустријата, заканувајќи се да го направи CCS1 застарен на домашниот пазар. Во меѓувреме, сложеноста на CCS2 продолжува да се развива со имплементацијата на ISO 15118-20, овозможувајќи функции како што се „Вклучи и полни“ и „Поврзување од возило до мрежа“ (V2G).

Оваа статија дава сеопфатна техничка анализа од 360 степени на CCS1 и CCS2. Ќе ги истражиме нивните механички разлики, основната логика на сигналот на модулацијата на ширината на пулсот (PWM) и комуникацијата на електричната мрежа (PLC), критичната безбедносна функција на уредите за следење на изолацијата (IMD) и сложените геополитички сили и силите во синџирот на снабдување што ги обликувале овие стандарди. Исто така, ќе ги испитаме предизвиците за интероперабилност што ги мачат јавните мрежи за полнење и правната средина со висок ризик околу употребата на адаптери од трети страни.

Глава 2: Еволутивни корени: SAE J1772 наспроти IEC 62196-2 и патот до CCS

За да се разбере комбинираниот систем за полнење, прво мора да се погледнат стандардите за полнење на наизменична струја што им претходеле. CCS е во суштина „додаток“ на постојните приклучоци за наизменична струја, па оттука и името „комбиниран“.

Раѓањето на тип 1 (SAE J1772)

На почетокот на 2000-тите, Здружението на автомобилски инженери (SAE) во Соединетите Американски Држави го разви стандардот J1772. Физичкиот конектор, честопати нарекуван приклучок Yazaki или Тип 1, беше дизајниран за еднофазно полнење со наизменична струја. Имаше пет пина: L1 (Линија 1), N (Неутрално), PE (Заштитно заземјување), CP (Контролен пилот) и PP (Пилот за близина).

Тип 1 беше оптимизиран за северноамериканската електрична мрежа, каде што електричната енергија за домаќинствата е обично 120V или 240V еднофазна. Механичкиот дизајн вклучуваше рачна резе за прицврстување на конекторот на возилото и микропрекинувач за сигнализирање на почетокот и крајот на сесијата за полнење.

Подемот на тип 2 (IEC 62196-2)

Истовремено, Меѓународната електротехничка комисија (IEC) во Европа работеше на стандард погоден за европската мрежа, кој поддржува трифазна наизменична струја. Резултатот беше приклучокот Mennekes, или Тип 2, кодифициран според IEC 62196-2.

За разлика од Тип 1, Тип 2 е седумпински конектор: L1, L2, L3, N, PE, CP и PP. Со поддршка на три фази, Тип 2 можеше да испорача до 22 kW наизменична струја (32A на 400V), додека Тип 1 беше генерално ограничен на 7,4 kW или 19,2 kW во ретки конфигурации со висока струја. Понатаму, Тип 2 се откажа од рачното заклучување, избирајќи електронско заклучување на соленоидот во внатрешноста на влезот на возилото.

„Комбо“ решение

Како што растеше побарувачката за брзо полнење, инженерите се соочија со дилема: како да додадат моќно DC полнење без да биде потребен втор, посебен порт на возилото? Решението беше комбинираниот систем за полнење.

• CCS1 (Комбинација 1):Го зема AC конекторот тип 1 и додава два масивни пина за еднонасочна струја (DC+ и DC-) под него.
• CCS2 (Комбинација 2):Го зема AC конекторот тип 2 и ги додава истите два DC пина за напојување под него.

Во двата случаи, постојните пинови на контролниот пилот (CP) и заштитното заземјување (PE) се користат повторно за DC ракување, обезбедувајќи ниво на обратна компатибилност и намалувајќи ја сложеноста на внатрешното поврзување на возилото.

Глава 3: Длабок преглед на физичката архитектура: Механички дизајн и пинови на Комбо 1 наспроти Комбо 2

Физичките разлики помеѓу CCS1 и CCS2 не се само естетски; тие одразуваат фундаментални разлики во мрежната инфраструктура и филозофиите за безбедност.

CCS1 (SAE J1772 Комбинација)

Конекторот CCS1 се карактеризира со својот дизајн со „кружен врв“ наследен од J1772.

• Конфигурација на пин:5 пина на врвот (L1, N, PE, CP, PP) и 2 големи пина на дното (DC+, DC-).
• Механизам за заклучување:CCS1 се потпира на механичка брава на рачката. Корисникот притиска копче за да го ослободи приклучокот. Овој дизајн е критикуван поради тоа што е склонен кон кршење и им овозможува на корисниците да го повлечат приклучокот додека струјата можеби сè уште тече (иако CP сигналот е дизајниран да ја запре струјата веднаш по ослободувањето на бравата).
• Ладење:Современите ултрабрзи CCS1 полначи (350 kW+) користат кабли ладени со течност каде што течноста за ладење циркулира околу еднонасочните проводници, а понекогаш и околу самите пинови, за да се спречи прегревање за време на сесии со висока струја (500A+).

CCS2 (IEC 62196-3 Комбинација)

CCS2 конекторот го користи дизајнот со „рамни страни“ од тип 2.

• Конфигурација на пин:7 пина на врвот (L1, L2, L3, N, PE, CP, PP) и 2 големи пина на дното (DC+, DC-).
• Механизам за заклучување:CCS2 секогаш е електронски заклучен од возилото. Нема копче на рачката. Ова генерално се смета за поцврсто и побезбедно, бидејќи возилото има целосна контрола врз тоа кога конекторот може да се отстрани.
• Компатибилност со мрежата:Бидејќи CCS2 содржи пинови за L2 и L3, возило опремено со CCS2 може целосно да го искористи трифазното полнење со наизменична струја дома или на работа, што го прави значително поразноврсно на европските и азиските пазари.

Споредбена табела: Физички спецификации на CCS1 наспроти CCS2

Глава 4: Логика на контролниот сигнал: PWM (Модулација на ширината на пулсот) и основното ракување

Пред да протечат електрони со висок напон, опремата за напојување на електрични возила (EVSE) и електричното возило (EV) мора да извршат нисконапонско ракување. Овој процес е регулиран од два слоја на комуникација: застарениот PWM сигнал и модерниот PLC сигнал.

PWM сигналот (IEC 61851-1)

Линијата Control Pilot (CP) користи сигнал со модулација на ширина на пулсот (PWM) од 12V на 1 kHz за да ги соопшти основните состојби. Ова е робустен, аналоген метод кој е основа на полнењето на електричните возила повеќе од една деценија.

• Состојба А (12V):Нема поврзано возило.
• Држава Б (9V):Возилото е поврзано, не е подготвено за полнење.
• Состојба C (6V):Возилото е поврзано и подготвено за полнење (вентилацијата не е потребна).
• Состојба Д (3V):Возилото е поврзано и подготвено за полнење (потребна е вентилација).
• Работен циклус:Процентот на времето на „вклучување“ на сигналот од 1 kHz му кажува на возилото која е максималната струја што EVSE може да ја обезбеди. На пример, работен циклус од 25% може да претставува 15 ампери.

Транзицијата кон Вашингтон

За полнење на наизменична струја, PWM сигналот е доволен. Меѓутоа, за полнење на еднонасочна струја, електричното возило и електричниот автомобил треба да разменуваат сложени податоци, како што се состојбата на полнење на батеријата (SoC), бараниот напон и дигиталните потписи за фактурирање. Тука PWM го достигнува својот лимит.

Во CCS, CP линијата е „пренаменета“. Откако ќе се открие физичка врска преку PWM, системот преклопува високофреквентен дигитален сигнал на CP линијата користејќи Power Line Communication (PLC). PWM сигналот останува на фиксен работен циклус од 5%, што делува како „дигитален прекинувач“ што сигнализира на електричното возило да го иницира протоколот HomePlug Green PHY (HPGP) PLC.

Глава 5: Напредни комуникации: ISO 15118, DIN 70121 и улогата на PLC (комуникација преку електрична линија)

Иако физичките пинови се разликуваат помеѓу CCS1 и CCS2, „мозоците“ на системот се извонредно слични. И двата се потпираат на стандардите ISO/IEC 15118 и DIN 70121 за комуникација со еднонасочна струја.

DIN 70121: Мостот до Вашингтон

DIN 70121 беше првата имплементација на комуникација за полнење со еднонасочна струја за CCS. Тоа е подмножество од раните нацрти на ISO 15118. Им овозможува на возилото и полначот да разменуваат пораки како што се:

• Откривање на услугата:Какви услуги (AC/DC) нуди полначот?
• Откривање на параметарот за полнење:Кои се ограничувањата на напонот и струјата на батеријата и полначот?
• Доставување на енергија:Вистинската команда за започнување или запирање на протокот на енергија.

ISO 15118: Стандард за паметно полнење

ISO 15118 е „златен стандард“ за комуникација во електрични возила. Тоа е повеќеделен стандард кој воведува неколку напредни карактеристики:

1. Вклучи и полни (PnC):Користејќи инфраструктура со јавен клуч (PKI), автомобилот може безбедно да се идентификува со полначот и автоматски да се справи со фактурирањето. Не се потребни RFID картички или апликации.
2. Услуги со додадена вредност:Информации за локалните цени на енергијата или интеграција со системи за паметни домови.
3. Двонасочно полнење (ISO 15118-20):Овозможување на автомобилот да ја враќа енергијата назад во мрежата или во домот.

Физичкиот слој на PLC

Хардверот потребен за ова е HomePlug Green PHY модемот. Бидејќи комуникацијата се одвива преку линијата Control Pilot, која исто така носи PWM сигнал од 1 kHz, има значителна количина на шум. PLC користи ортогонално мултиплексирање со фреквенциска поделба (OFDM) за да се осигури дека податоците - пренесени на фреквенции помеѓу 2 MHz и 30 MHz - се примаат сигурно и покрај суровата електромагнетна средина на станицата за полнење со голема моќност.

Глава 6: Безбедносни протоколи и мониторинг на изолацијата (IMD): Детектирање на протекување во системи со висок напон

Безбедноста е од најголема важност при брзото полнење со еднонасочна струја, каде што напоните можат да надминат 900V, а струите можат да достигнат 500A. Критична компонента на оваа безбедносна архитектура е уредот за следење на изолацијата (IMD).

Лебдечкиот систем

За разлика од станбеното наизменично напојување, каде што неутралниот дел е поврзан со заземјувањето, системите за полнење со еднонасочна струја се „лебдечки“ или „изолирани“. Ниту DC+ ниту DC- линијата не се поврзани со шасијата на возилото (заземјување). Ова значи дека ако некое лице истовремено допре една од еднонасочните линии и шасијата, не треба да тече струја низ нив бидејќи нема целосно коло назад до изворот.

Улогата на IMD

Меѓутоа, ако има дефект на изолацијата - како што е искинат кабел или истекување на течноста за ладење во батеријата - една од DC линиите може ненамерно да стане заземјена. Ако се појави втор дефект на другата линија, се јавува опасен краток спој.

IMD постојано го следи отпорот помеѓу DC шината и заштитното заземјување (PE).

• Тест пред полнење:Пред главните контактори да се затворат за да започнат со полнење, електричниот и електричниот систем за полнење (EV) вршат проверка на изолацијата. Ако отпорот е под одреден праг (обично 100 оми на волт), сесијата се прекинува.
• Континуирано следење:За време на полнењето, IMD продолжува да инјектира мал сигнал за следење на деградација.

CCS1 наспроти CCS2 IMD имплементација

Иако принципот е ист, специфичните прагови и времињата на одговор може да варираат помеѓу SAE и IEC имплементациите. CCS2 системите во Европа често го интегрираат IMD директно во контролерот на EVSE, додека CCS1 системите може да имаат повеќе дистрибуирано следење помеѓу кабинетот за напојување и диспензерот. Сложеноста се зголемува во сценаријата за „споделување на локација“ каде што повеќе диспензери делат една голема единица за конверзија на енергија.

Глава 7: Механизми за заклучување и термичко управување: Рачни резеви наспроти електронски соленоиди

Механичката сигурност на приклучокот е главен диференцијатор помеѓу двата стандарда.

CCS1: Одговорност на заклучувањето

Рачното заклучување на приклучокот CCS1/J1772 е неговата најслаба точка. На јавни места, овие заклучувања често се кршат од страна на корисниците или замрзнуваат од мраз. Ако заклучувањето е скршено, колото на пилотот за близина (PP) може да не се затвори, спречувајќи го автомобилот да го започне полнењето. Уште полошо, делумно скршеното заклучување може да дозволи конекторот да се ниша за време на сесија со голема моќност, што доведува до искрење и термичко оштетување.

CCS2: Супериорноста на соленоидот

CCS2 ја елиминира бравата на рачката. Влезот на возилото има моторизиран игла (соленоид) што се лизга во дупка во конекторот откако ќе биде целосно вметнат.

• Безбедност на блокирање:Возилото нема да ги затвори своите високонапонски контактори сè додека соленоидот не потврди „заклучена“ состојба.
• Спречување на кражба:Конекторот не може да се отстрани сè додека корисникот не го отклучи автомобилот или не ја запре сесијата преку интерфејсот на возилото, со што се спречува неовластено исклучување.

Термичко управување

Како што брзините на полнење се приближуваат кон 400 kW, термичкото управување повеќе не е опционално. И CCS1 и CCS2 користат сензори за температура (обично NTC термистори) вградени во близина на DC пиновите.

• Дератирање:Ако температурата на пиновите надмине безбедна граница (на пр., 85°C), EVSE автоматски ќе ја „намали“ струјата за да спречи топење на пластичното куќиште.
• Ладење со течност:Кај диспензерите со голема моќност, каблите се значително подебели бидејќи содржат канали за течноста за ладење на база на гликол. Ова овозможува употреба на потенки бакарни проводници (намалување на тежината на кабелот), а воедно одржување на безбедни температури на 500A.

Глава 8: Тестирање на интероперабилност (IOP): Предизвици во инфраструктурата со повеќе добавувачи

Едно од најфрустрирачките искуства за возач на електрично возило е „неуспешното ракување“ - автомобилот и полначот едноставно одбиваат да разговараат. Ова е проблем со интероперабилноста (IOP).

Сложеноста на софтверскиот стек

Комуникацискиот стек за CCS вклучува повеќе слоеви:

1. Физички слој:Квалитет на сигналот на HPGP PLC.
2. Слој за поврзување на податоци:MAC адреси и поврзување со мрежа.
3. Мрежен слој:IPv6 адресирање (задолжително според ISO 15118).
4. Слој на апликација:Пораки базирани на XML (EXI компресија).

Ако софтверот на полначот (имплементиран во Linux или оперативен систем во реално време) има мало временско несовпаѓање во неговиот IPv6 протокол за откривање на соседи, или ако XML парсерот на автомобилот очекува малку поинаква шема, сесијата не успева.

Тест настани и сертификација

За борба против ова, индустријата одржува „Тестивали“ (фестивали за тестирање) организирани од организации како CharIN. Инженерите од Tesla, VW, ABB и Siemens ги носат своите возила и полначи на централна локација за да тестираат секоја можна комбинација. И покрај ова, „долгата опашка“ на постариот фирмвер на EVSE и новите модели на возила гарантира дека IOP останува постојан предизвик во екосистемот на CCS.

Глава 9: Геополитички поместувачки песоци: Регионалниот јаз и глобалната економија на синџирот на снабдување

Изборот помеѓу CCS1 и CCS2 ретко се однесуваше на техничка супериорност; стануваше збор за постоечката инфраструктура и регионалниот суверенитет.

Европската консолидација

Европа рано презеде мерки за задолжување на CCS2 преку Директивата за инфраструктура на алтернативни горива (AFID). Со принудување на сите јавни полначи да обезбедат интерфејс од тип 2 или CCS2, Европа ја избегна „стандардната војна“ што ја мачеше Северна Америка со години. Ова овозможи робустен секундарен пазар за компоненти и го поедностави синџирот на снабдување за европските производители на оригинална опрема (OEM) како што се BMW и Renault.

Северноамериканската фрагментација

Северна Америка, пак, дозволи коегзистирање на повеќе стандарди: CCS1, CHAdeMO (туркан од Nissan) и сопствениот конектор на Tesla. Оваа фрагментација ги обесхрабри инвестициите во јавна инфраструктура, бидејќи домаќините на локациите беа принудени да купуваат скапи мултипротоколни диспензери.

Јужна Кореја и Тајван

Јужна Кореја го усвои CCS1, во голема мера следејќи го водството на САД поради силното присуство на GM и влијанието на американскиот пазар врз раниот извоз на електрични возила на Hyundai/Kia. Тајван, сепак, е фасцинантна студија на случај, каде што владата првично се наклони кон CCS1, но забележа масовен прилив на возила CCS2 и NACS, што доведе до комплексна средина со повеќе стандарди.

Глава 10: Нарушувачот на NACS: Како SAE J3400 ја консолидира Северна Америка и го загрозува CCS1

Кон крајот на 2022 година, Тесла го отвори својот сопствен дизајн на конектори за светот, преименувајќи го во Северноамерикански стандард за полнење (NACS). За неколку месеци, речиси секој голем производител на автомобили во Северна Америка - Форд, Џенерал Моторс, Ривиан, Волво - објавија премин од CCS1 на NACS.

Технички предности на NACS (SAE J3400)

1. Формат фактор:NACS е значително помал и полесен од гломазниот CCS1 конектор.
2. Интегрирани пинови:За разлика од CCS, кој има посебни пинови за AC и DC, NACS ги користи истите два големи пина за обете. Ова ја намалува големината на влезот на возилото.
3. Застарен протокол:Клучно е што NACS го користиистоISO 15118 PLC комуникациски протокол како CCS. Ова значеше дека производителите на автомобили можеа да го променат физичкиот приклучок без да го редизајнираат целиот свој софтверски стек.

Смртна ѕвонче за CCS1?

Со кодификацијата на NACS како SAE J3400, CCS1 е всушност „мртов стандард“ во Соединетите Американски Држави. Иако илјадници полначи CCS1 моментално се инсталираат преку програмата NEVI (Национална инфраструктура за електрични возила), иднината е очигледно NACS. Оваа промена ги принуди производителите на полначи како SK Signet и ChargePoint брзо да ги насочат своите производствени линии за да вклучат NACS кабли.

Глава 11: Пазари на адаптери и усогласеност: Правни и технички ризици на крос-стандарден хардвер

Со промената на светот, адаптерите станаа индустрија од повеќе милиони долари. Сега можете да купите адаптери за конвертирање на CCS2 во CCS1, CCS1 во Tesla и од Tesla во CCS1. Сепак, оваа погодност доаѓа со значителни ризици.

Безбедносниот јаз

Сертифициран CCS конектор е дизајниран да ракува со 500A и вклучува софистицирано термичко следење. На многу адаптери од трети страни што се продаваат на платформи за е-трговија им недостасуваат овие заштити.

• Ризик од спуштање по чамец:Ако адаптерот не се смести совршено, може да се појави микро-искрење на интерфејсот, што на крајот ќе го стопи адаптерот и потенцијално ќе го оштети скапиот вграден полнач на возилото.
• Латентност на комуникацијата:Некои адаптери користат електроника „човек-во-средината“ за преведување на протоколи (на пр., CHAdeMO во CCS), што може да воведе латентност што предизвикува безбедносни истекови во EVSE.

Одговорност и осигурување

Од правна перспектива, користењето на несертифициран адаптер често ја поништува гаранцијата на возилото. Доколку се појави пожар на станицата за полнење поради неисправен адаптер, одговорноста паѓа директно на корисникот. Главните тела за стандардизација сега брзаат да создадат програми за сертификација за адаптери (како UL 2251), но пазарот останува „Див Запад“ за раните корисници.

Глава 12: Идни перспективи: Полнење со мегавати (MCS), V2X и унифицирана конвергенција

Додека гледаме кон 2030 година, дебатата за CCS1 наспроти CCS2 може да биде засенета од новите технологии.

Систем за полнење со мегавати (MCS)

За тешки товарни возила, дури и 350 kW е премногу бавно. Индустријата развива MCS, кој може да испорача до 3,75 мегавати (3.000A на 1.250V). Интересно е што MCS конекторот е единствен глобален дизајн, што потенцијално ќе го прекине регионалниот јаз во комерцијалниот сектор.

Од возило до сè (V2X)

Интеграцијата на ISO 15118-20 ќе ги претвори електричните возила во мобилни електрани. Без разлика дали автомобилот користи CCS2 или NACS, можноста за стабилизирање на мрежата во шпицот ќе биде клучен извор на приход за сопствениците на електрични возила.

Заклучок

Разликата помеѓу CCS1 и CCS2 е доказ за сложеноста на поставувањето глобални стандарди. Додека CCS2 се појави како јасен победник на меѓународниот пазар, подемот на NACS ги препиша правилата за Северна Америка. За инженерите и креаторите на политики, лекцијата е јасна: физичкиот хардвер е минлив, но основните дигитални протоколи (ISO 15118) и безбедносните принципи (IMD) се вистинските темели на електрифицираната иднина. Разбирањето на овие технички нијанси е од суштинско значење за секој што се движи низ светот на високонапонската инфраструктура за електрични возила.

Глава 13: Математика на отпорот на изолација: R_iso ​​пресметки и струја на истекување

Во доменот на висок напон (HV) на брзо полнење со еднонасочна струја, отпорот на изолација ($R_{iso}$) не е само безбедносен параметар, туку мерлива променлива што го диктира оперативниот статус на сесијата на полнење. Според IEC 61851-23 и SAE J1772, системот мора да одржува минимален отпор на изолација за да спречи опасни струи на истекување ($I_{leakage}$) што би можеле да течат низ човечкото тело во случај на дефект на шасијата.

Принципот на мерење

Уредот за мониторинг на изолација (IMD) обично користи метод на „прекинат отпорник“ или „импулсно вбризгување“ за мерење на отпорот помеѓу DC проводниците и заштитната заземјување (PE). Вкупниот отпор на изолација се дефинира како паралелна комбинација на отпорот од позитивната линија до земјата ($R_p$) и негативната линија до земјата ($R_n$):

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

Безбедносниот услов генерално е поставен на 100 $\Omega/V$ за DC системи. За возило што се полни на 800V, минималната дозволена $R_{iso}$ би била:

$$800V \ пати 100 \Omega/V = 80.000 \Omega = 80 k\Omega$$

Динамика на струјата на истекување

Струјата на истекување е функција од паразитскиот капацитет на системот ($C_y$) и отпорот на изолација. Во совршено избалансиран систем, $R_p = R_n$, а напонот на средната точка во однос на земјата е нула. Меѓутоа, ако се појави дефект на позитивната шина ($R_p \rightarrow 0$), негативната шина се поместува на $-800V$ во однос на шасијата. IMD мора да го детектира ова поместување во рок од милисекунди.

Табела: Безбедносни прагови за CCS1 наспроти CCS2

Поглавје 14: Интегритет на PLC сигналот: Ракување со бучава во средина за полнење од 500 kW

Комуникацијата преку електричната мрежа (PLC) што се користи во CCS е базирана на спецификацијата HomePlug Green PHY (HPGP). Иако HPGP првично беше дизајниран за апликации за паметни домови со мала потрошувачка на енергија, неговата имплементација во средини за полнење од 500 kW претставува екстремни предизвици во однос на електромагнетната компатибилност (EMC).

Подот на бучавата

Полначите на еднонасочна струја со голема моќност користат силициум карбид (SiC) или биполарни транзистори со изолирана порта (IGBT) со брзо префрлување во нивните енергетски фази. Овие компоненти се префрлаат на фреквенции во опсег од 20 kHz до 100 kHz, создавајќи значителен хармоничен шум. Бидејќи PLC работи во опсегот од 2 MHz до 30 MHz, теоретски е надвор од опсегот на примарниот шум при префрлување, но високофреквентното „ѕвонење“ и транзиентите во заеднички режим лесно можат да го заситат предниот дел на PLC модемот.

Слабеење и спојување

Сигналот на контролниот пилот (CP) се пренесува преку незаштитена жица во внатрешноста на кабелот за полнење. На 30 MHz, кабелот делува како комплексна преносна линија со значителни индуктивни и капацитивни загуби.

• CCS1 кабли:Подолгите, често потешки кабли во САД можат да доведат до поголемо слабеење на сигналот.
• CCS2 кабли:Во Европа, пократките кабли во густо населените урбани средини може да страдаат од пресечен разговор помеѓу соседните диспензери.

За да го ублажат ова, инженерите користат „единици за вбризгување на сигнал“ (SIU) кои користат феритни јадра со висока пропустливост за да го поврзат PLC сигналот со CP линијата, додека го блокираат PWM сигналот од 1 kHz и високофреквентниот шум.

Поглавје 15: ISO 15118-2 наспроти -20: Архитектонска еволуција на низите на пораки

Преминот од оригиналниот стандард ISO 15118-2 кон новиот ISO 15118-20 (често нарекуван „Dash 20“) претставува најзначајното надградување на софтверот во историјата на полнењето електрични возила.

ISO 15118-2: Фондацијата

Верзијата „-2“ го воспостави основниот XML-базиран ракување:

1. Поддржан протокол за апликации:Преговара за верзијата.
2. Поставување на сесијата:Ја воспоставува врската.
3. Идентификација:Се справува со RFID или Plug & Charge.
4. Откривање на параметарот за полнење:Ги заменува ограничувањата на батеријата.
5. Доставување на енергија:Го контролира протокот.

ISO 15118-20: Иднината

Dash 20 воведува сосема нова структура на пораки дизајнирана за следната генерација на енергетски услуги:

• Двонасочна поддршка:Наменски пораки за празнење на V2G (возило-до-мрежа) и V2H (возило-до-дом).
• Динамички режим:Дозволува полначот да му каже на автомобилот да ја менува струјата во реално време врз основа на оптоварувањето на мрежата, без да ја рестартира сесијата.
• Подобрена безбедност:Транзиции од TLS 1.2 на TLS 1.3, што овозможува побрзи ракувања и посилно енкрипција.
• Мултиплексирање:Овозможува повеќе услуги (на пр., полнење + синхронизација на податоци) да работат преку истата PLC конекција.

Табела за секвенца на пораки: Вклучи и полни (PnC) наспроти надворешна идентификација (EIM)

Во PnC,ContractSignatureCertChainсе испраќа од автомобилот до полначот. Полначот го потврдува ова со својот backend OCSP (Online Certificate Status Protocol) сервер. Во EIM, корисникот мора да прикаже физичка картичка, а полначот испраќаОвластибарање до бекендот. Латенцијата на PnC е значително помала, што доведува до корисничко искуство „слично на Тесла“.

Поглавје 16: Термичко инженерство на конектори со голема моќност: Материјали, отпорност на контакт и ладење со течност

Како што се приближуваме кон границите на физичкиот интерфејс на CCS, термичкото инженерство станува примарно ограничување во дизајнот.

Отпорност на контакт ($R_{contact}$)

Топлината генерирана на конекторот е дефинирана со Џуловиот закон: $P_{heat} = I^2 \cdot R_{contact}$. За полнење од 500A:

• Ако $R_{контакт} = 0,5 m\Омега$, $P_{топлина} = 500^2 \cdot 0,0005 = 125 W$.
• Ако $R_{контакт}$ се деградира на $2,0 m\Омега$, $P_{топлина} = 500^2 \cdot 0,002 = 500 W$.

500 вати топлина во затворена пластична рачка ќе доведе до катастрофален дефект за неколку минути. Затоа е клучно посребреното обложување на игличките. Среброто има најмал електричен отпор од кој било метал и обезбедува самоподмачкувачка површина што го намалува абењето за време на илјадници циклуси на спојување.

Системи за ладење со течност

За справување со струи над 350A, течното ладење е задолжително. Системот обично користи единица за ладење со затворен циклус во внатрешноста на електричниот кабинет.

• Тип на течноста за ладење:Диелектричните течности се претпочитаат за да се спречат кратки споеви во случај на истекување, но мешавините вода-гликол се почести поради нивниот поголем топлински капацитет.
• Дизајн на црево:DC+ и DC- спроводниците се шупливи или опкружени со канали за течноста за ладење. „Ладната плоча“ се наоѓа директно зад пиновите за да ја одвлече топлината од контактната површина.

Глава 17: Студии на случај за интероперабилност: Дебагирање на ракувањето помеѓу VW ID.4 и Electrify America Chargers

Познат пример за проблеми со интероперабилноста на CCS1 се случи во раното лансирање на VW ID.4 во Соединетите Американски Држави. Многу сопственици пријавија грешки „Црвен прстен“ (неуспешно полнење) на станиците на Electrify America (EA).

Основната причина: Временскиот распоред и XML

По месеци евидентирање на податоци, инженерите открија состојба на раса воПоставување на сесијафаза. Полначот EA (произведен од трета страна) го испраќаше својотПоддржано од AppProtocolResпобрзо отколку што софтверот за вграден полнач (OBC) на ID.4 може да го иницијализира неговиот IPv6 стек. Автомобилот ќе ја пропушти пораката, ќе истече времето и ќе ја прекине сесијата.

Решение: Баферирање на софтверот

Решението бараше ажурирање на фирмверот и за автомобилот и за полначот. Полначот беше модифициран да чека сигнал „ICMPv6 Neighbor Discovery“ пред да ја испрати првата PLC порака, а временското истекување на автомобилот беше продолжено од 2 секунди на 5 секунди. Оваа студија на случај истакнува зошто „Testivals“ се неопходни, но не и доволни; факторите на животната средина во реалниот свет и мрежната латенција додаваат слоеви на сложеност што лабораториското тестирање не може целосно да ги реплицира.

Поглавје 18: Импликации врз глобалниот синџир на снабдување: Бакар, посребрење и недостаток на HPGP чипови

Производството на CCS конектори е високо специјализирана индустрија доминирана од неколку играчи како што се Phoenix Contact, Huber+Suhner и TE Connectivity.

Зависности од суровини

• Бакар:Еден кабел со течно ладење од 350 kW може да содржи над 15 кг бакар со висока чистота. Нестабилноста на цените на бакарот директно влијае на CAPEX трошоците на мрежите за полнење.
• Сребрена:Процесот на позлатување за CCS2 пинови бара прецизни техники на галванизација за да се обезбеди униформен слој од 5-10 микрони. Секое истенчување води до зголемена отпорност и предвремено стареење.

Монополот на чипсетот HPGP

Модемските чипови HPGP (HomePlug Green PHY) се мозокот на секое CCS возило и полнач. Со години, Qualcomm беше главен снабдувач (серијата QCA7000). За време на глобалниот недостиг на полупроводници од 2021-2022 година, недостатокот на овие чипови го запре производството на илјадници станици за полнење. Ова доведе до притисок за секундарни набавки, при што компании како Lumissil и Vertexcom влегоа на пазарот, но процесот на сертификација за нов силикон во автомобилскиот сектор е познато бавен.

Глава 19: Регулаторни рамки: NEVI во САД наспроти AFIR во ЕУ

Владите повеќе не го оставаат усвојувањето на стандардите на пазарот.

ЕУ: AFIR (Регулатива за инфраструктура на алтернативни горива)

AFIR на ЕУ е најагресивниот мандат во светот. Тој бара:

• Брзи полначи на секои 60 км по главните автопати.
• CCS2 како задолжителен стандард.
• Интегрирање на ад-хок плаќање (читачи на кредитни картички), отстапување од затворените RFID екосистеми.

САД: NEVI (Национална инфраструктура за електрични возила)

Законот за двопартиска инфраструктура на САД издвои 5 милијарди долари за наплата. Правилата на NEVI првично бараа CCS1. Сепак, по промената на NACS, правилата беа изменети за да се дозволат NACS кабли сè додека е присутен барем еден CCS1 кабел на секоја локација. Овој „хибриден модел“ е привремен мост додека САД се движат кон целосна иднина на SAE J3400.

Глава 20: Конвергенција кон SAE J3400 (NACS) и нејзиното влијание врз производството на CCS1

Преминот кон NACS (SAE J3400) во Северна Америка фундаментално го промени планот за CCS1.

Производствен вртежен момент

Фабриките што беа оптимизирани за гломазните рачки на CCS1 сега се пренаменуваат за помалиот дизајн на NACS. Сложеноста на NACS лежи во неговите пинови за „двојна употреба“, кои бараат брзи контактори за префрлување на еднонасочна струја во внатрешноста на автомобилот за префрлување помеѓу вградениот полнач за наизменична струја и шината на еднонасочната струја на батеријата.

Преживувањето на CCS1

CCS1 веројатно ќе преживее во Јужна Кореја и како наследен стандард во САД во следната деценија. Сепак, буџетот за истражување и развој за CCS1 ефикасно се намали на нула бидејќи индустријата се фокусира на NACS и MCS. За глобалните производители, ова значи одржување на три одделни производни линии:

1. CCS2:За глобалниот пазар.
2. НАКС (J3400):За Северна Америка.
3. МЦС:За глобалниот сектор за тешки товарни возила.

Глава 21: Заклучок: Унифицираниот протокол во поделениот физички свет

Како што видовме, „Разликата помеѓу CCS1 и CCS2“ е приказна за две физички манифестации на една дигитална душа. Без разлика дали возилото го користи кружниот приклучок CCS1 или рамниот приклучок CCS2, основната логика на ISO 15118, безбедноста на IMD ​​мониторингот и предизвикот за интегритетот на PLC сигналот остануваат идентични.

Војната на стандардите за полнење од 2020-тите нè научи дека интероперабилноста не е само за приклучокот - туку за софтверот, мрежата и корисничкото искуство. Како што светот се приближува кон неколку доминантни стандарди, фокусот ќе се префрли од „Може ли да се вклучам?“ на „Колку брзо и паметно е полнењето?“. Транзицијата кон NACS во САД и зацврстувањето на CCS2 во Европа го означува крајот на почетокот за револуцијата на електричните возила. Следната деценија ќе биде дефинирана од V2G, мегаватни брзини и навистина беспрекорна глобална мрежа за полнење.

Глава 22: Детална анализа на дијаграмите на кола на пилот-техничкиот систем за близина (PP) и контролниот пилот-техничкиот систем (CP)

За вистински да се цени инженерството зад CCS, мора да се испита еквивалентното коло на пилот линиите. Овие линии се „нервите“ на системот за полнење, осигурувајќи дека висок напон никогаш не е присутен на изложените пинови и дека возилото не може да се оддалечи додека е поврзано.

Коло на контролниот пилот (CP)

CP колото е сигнал од 1 kHz, $\pm 12V$ генериран од EVSE. Од страната на возилото, колото се состои од диода и серија отпорници ($R_1, R_2, R_3$) кои возилото може да ги вклучи во колото користејќи транзистори или релеи.

• Намена на диодата:Диодата осигурува дека само позитивниот дел од PWM сигналот е засегнат од отпорниците на возилото. Ова му овозможува на EVSE да детектира „краток спој со заземјувањето“ ако негативниот дел од PWM сигналот е неочекувано засегнат од дефект во мрежата на отпорници на возилото - суштинска безбедносна проверка што го спречува EVSE да напојува оштетен кабел или конектор.

Читање на работниот циклус

EVSE ја кодира достапната струја во работниот циклус на PWM на квадратниот бран од 1kHz, а возилото ја толкува пред да ги затвори главните контактори:

• 5% работен циклус:EVSE не е подготвен - полнењето не е дозволено (се користи за сигнализација на статус).
• 10% работен циклус:Подготвен за EVSE, не е потребна вентилација (стандардна состојба за модерни затворени DC системи).
• 16-85% работен циклус:Достапната струја е пропорционална на работниот циклус - на пример, 50% означува ограничување од 50A, дозволувајќи му на вградениот полнач на возилото правилно да го пресмета своето оптоварување.
• 90-97% работен циклус:Резервирано за посебни состојби како што се потреба од вентилација (застарено олово-киселинско) или специфична DC сигнализација.

Убавината на CP системот е неговата безбедна асиметрија: ако возилото не види валиден квадратен бран, претпоставува најлошото и одбива да се полни; ако EVSE не види валиден одговор, одбива да се напојува. Откажувањето на која било страна значи дека сесијата за полнење не може да започне опасно.

Коло за пилот на близина (PP)

PP колото е механичка свест на конекторот. Користи едноставен отпорник за заземјување во внатрешноста на приклучокот за да им каже на двете страни дали кабелот е целосно вметнат - и да спречи оддалечување со поврзаниот кабел.

• Вредности на отпорници:Отпорник од 150Ω означува дека кабелот е вклучен во возилото, но не е заклучен; отпорник од 680Ω означува дека кабелот е поврзан и заклучен; отворено коло (без отпорник) значи дека конекторот е исклучен. EVSE и возилото континуирано ги читаат овие вредности.
• Заштита од возење:Доколку системот на возилото детектира состојба од 150Ω додека рачната сопирачка е отпуштена, тој нема да дозволи менувачот да се вклучи. Ако кабелот е заклучен (680Ω), возилото нема да дозволи конекторот да се отпушти додека тече струја за полнење - со што се елиминира опасноста од „извлекување на напонски приклучок“.
• Детекција на присуство на кабел:Кај DC системите, PP линијата исто така потврдува дека кабелот за полнење е правилно поставен на двата краја пред EVSE да дозволи затворање на високонапонските контактори.

Зошто пилотите се важни во реалниот свет

Заедно, CP и PP колата се причината зошто сесијата за полнење е безбедна дури и кога течат илјада ампери. Тие се исто така првото место каде што инженерите бараат кога сесијата не успее да започне: кородирано PP заземјување, оштетен CP отпорник или оштетен пилот-пин се причина за изненадувачки голем дел од сервисните повици со порака „полначот не се вклучува“. Разбирањето на овие кола го претвора мистериозниот дефект во 10-минутна дијагноза.

Клучни заклучоци

• CP колото носи PWM сигнал од 1kHz чиј работен циклус ја кодира достапната струја; неговиот дизајн базиран на диода овозможува откривање на краток спој со заземјување.
• PP колото користи мрежа од отпорници за да открие присуство на кабел и состојба на заклучување, обезбедувајќи заштита од возење и потврда за седиштето на конекторот.
• И двете кола се безбедни од дефекти: недостасувачки или неважечки пилотски сигнал ја прекинува сесијата пред да се затвори кој било високонапонски контактор.
• Дефектите на пилот-линијата се меѓу најчестите дефекти при стартување на полначот - мултиметарот и познавање на ова коло ги решаваат повеќето од нив за неколку минути.

Контактирајте ги инженерите на MIDA Power за нивните полначи CCS1/CCS2 со пилот-кола изградени за теренска дијагностика: јасно означени тест точки, стандардизирани кодови на грешки и сервисна документација што ги води техничарите низ решавање проблеми со CP/PP. Контактирајте не за техничка документација, поддршка за обука и спецификации на производот.