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SAE J1772

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SAE J1772
SAE J1772-2009电动载具连接器
类别 汽车产业电子连接器
产品历史
制造商 矢崎总业
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英语IEC 62196#IEC 62196-2 第一型(简称Type 1)或J plug,是北美洲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

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较早期的Avcon英语Avcon连接器,是Ford Ranger EV英语Ford Ranger EV的特征

推动SAE J1772开发的主要动力是源自加州空气资源局英语California Air Resources Board(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,有利于推动传导式英语conductive coupling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英语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]

Type 1 J1772(日本及美国)交流连接器

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特斯拉公司

国际性的IEC 62196-2英语IEC 62196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

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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英语Electric vehicle network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 2VDE-AR-E 2623-2-2英语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)

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CCS Type 1的交流及直流快充接头(Combo 1)

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

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连接器

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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

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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英语Miles per gallon gasoline equivalent(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英语RV parks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

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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

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SAE J1772的信号协定设计如下[21]

J1772电路
  • 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英语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

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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。美国的载流量英语ampacity(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任务比和载流量[23]
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

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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

[24]

P1901电力线通信

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SAE在2012年的新版标准中,计划使用电力线通信(特别是IEEE 1901英语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英语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

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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电动车英语Smart electric drive、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英语Kia Soul EVFiat 500e英语Fiat 500 (2007)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英语OpenEVSE:开源设计的EVSE.
  • 智慧EVSE计划英语Smart EVSE project: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

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RWE和戴姆勒汽车提出的Mennekes接头已列在IEC 62196英语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英语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英语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速霸陆汽车成立了CHAdeMO(charge de move)联盟,推动此规格[55]

参考资料

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外部链接

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