SAE J1772

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SAE J1772
SAE J1772 7058855567.jpg
SAE J1772-2009电动载具連接器
類別 汽車產業電子連接器
製造商 Yazaki等
製造时间 2009年
長度 33.5毫米(1.32英寸)
直径 43.8毫米(1.72英寸)
引脚 5
信号 交流單相
L1 Line 1 交流單相
N Neutral 交流單相
CP Control pilot 充電槍插入後訊號
PP Proximity pilot 充電槍插入前訊號
PE Protective earth 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第一型IEC 62196英语IEC 62196第一型)或J plug,是北美洲电动汽车电子连接器標準,由国际汽车工程师学会所維護,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。

歷史[编辑]

較早期的Avcon英语Avcon連接器,是Ford Ranger EV英语Ford Ranger EV的特徵

推動SAE J1772開發的主要力量是源自加州空氣資源局英语California Air Resources Board(CARB)。以往的電動車(例如General Motors EV1英语General Motors EV1)是由感應式耦合器來進行充電。但後來不建議使用,有利於推動傳導式英语conductive coupling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英语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比Avcon連接器可以輸送的電流。因此Yazaki英语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]

Type 1 J1772(日本及美國)交流連接器

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车福特汽车丰田汽车本田技研工业日產汽車特斯拉公司

國際性的IEC 62196-2英语IEC 62196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[编辑]

許多2000以後电动载具車廠採用SAE J1772-2009標準,例如雪佛兰沃蓝达日产聆风的第三代,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英语Electric vehicle network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)。

歐洲版車輛也是配備SAE J1772-2009接頭,一直到歐系車廠決定使用IEC Type 2 “Mennekes”英语VDE-AR-E 2623-2-2接頭為標準接頭為止,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 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(例如雪佛兰沃蓝达 / Opel Ampera)也是如此。

組合充電系統(CCS)[编辑]

CCS Type 1的交流及直流快充接頭(Combo 1)

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年下半年推出的宝马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。

特性[编辑]

連接器[编辑]

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-毫米(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(充电桩)時讓車輛不要移勳,並且向車輛送出閂鎖釋放訊號[來源請求]

控制導引(control pilot)是車輛和充电桩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]

充电桩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[编辑]

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 充电桩直流輸出電壓(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的锂离子电池以及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英语Miles per gallon gasoline equivalent(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英语RV parks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[编辑]

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[编辑]

SAE J1772的信號協定設計如下[21]

J1772電路
  • 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门闩,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电式电动车辆(PEV)
    • 充電設備送出充電設備已可以提供電力的訊號,給充电式电动车辆。
    • 確認充电式电动车辆的送風需求
    • 充電設備的電力會提供給电动车辆
  • 充电式电动车辆控制能量的流動
  • 充電設備和充电式电动车辆會持續監控安全接地的完整性
  • 依充电式电动车辆的需求,持續提供電力
  • 若充电式电动车辆上充電槍拔下,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英语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[编辑]

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二極管(電壓範圍±12.0±0.4 V)接到保護地。若CP-PE(接地系统)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统是否功能正常。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的負電壓視為是重大故障(例如碰觸到帶電部份)會關斷電流。

狀態 充電狀態 CP-PE電阻 R2電阻 CP-PE電壓
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。美國的載流量英语ampacity(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10&nbsp(最小值是100 µs x .6 A = 6 A)。若超過640µs,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任務比和載流量[23]
PWM SAE連續電流 SAE短期負載
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[编辑]

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,this is relevant for non-tethered EVSEs。

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
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電源線通訊[编辑]

SAE在2012年的新版標準中,計劃使用電力線通信(特別是IEEE 1901英语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标准协会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英语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電源線通訊(PLC)來實現[26][27][28]

相容的車款及充電系統[编辑]

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、豐田Prius的插電式混合動力車、Smart電動車英语Smart electric drive、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英语Kia Soul EVFiat 500e英语Fiat 500 (2007)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。
  • 通用电气的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英语NEMA connector 240 V的接頭[50]
  • 西门子公司的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英语OpenEVSE:開源設計的EVSE.
  • 智慧EVSE計劃英语Smart EVSE project: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[编辑]

RWE和戴姆勒汽車提出的Mennekes英语Mennekes接頭已列在IEC 62196英语IEC 62196的第二型(IEC 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英语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英语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,和三菱汽车日產汽車速霸陸汽車成立了CHAdeMO(charge de move)聯盟,推動此規格[55]

參考資料[编辑]

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外部連結[编辑]