Mit der Popularität von Elektrofahrzeugen, Ladeanschlüsse für Elektrofahrzeuge Die Ladetechnologie ist zu einem zentralen Element für die Entwicklung des Elektromobilitäts geworden. Der CCS-Ladestandard ist ein globaler Ladestandard und wird in Schnellladesystemen für Elektrofahrzeuge auf dem europäischen und amerikanischen Markt häufig eingesetzt. Mit dem zunehmenden Markteintritt chinesischer Unternehmen in Europa und Amerika hat der CCS-Ladestandard zunehmend die Aufmerksamkeit von Ingenieuren auf sich gezogen.
Die Entwicklungsgeschichte und das Schnittstellendesign des CCS-Ladestandards:
Die Geschichte des CCS-Ladestandards lässt sich bis ins Jahr 2011 zurückverfolgen. Damals traten auf den Märkten für Elektrofahrzeuge in Europa, Nordamerika und Asien unterschiedliche Ladestandards in Erscheinung, was bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen weltweit Probleme hinsichtlich der Interoperabilität und des Ladekomforts mit sich brachte.
Um dieses Problem zu lösen, hat der Verband der europäischen Automobilhersteller (ACEA) einen CCS-Ladestandard vorgeschlagen, der darauf abzielt, AC- und DC-Laden in ein einheitliches System zu integrieren. Die physische Schnittstelle des Steckers ist als kombinierte Buchse mit integriertem AC- und DC-Schnittstellen, das mit drei Lademodi kompatibel ist: einphasiges AC-Laden, dreiphasiges AC-Laden und DC-Laden. Es bietet flexiblere Ladeoptionen für Elektrofahrzeuge. Der CCS Combo 1.0-Standard wurde 2012 offiziell veröffentlicht.
2014 wurde CCS Combo 2.0 veröffentlicht, ein wichtiges Upgrade der Vorgängerversion, das die Ladeleistung weiter verbessert und schnelleres Gleichstromladen ermöglicht. Diese Version des CCS-Standards hat sich auch auf dem europäischen und nordamerikanischen Markt weit verbreitet. Seitdem wurde der CCS-Standard 2017 und 2020 zweimal überarbeitet (CCS Combo 2.0.1 und CCS Combo 2.0.2), wodurch die Ladeleistung weiter verbessert und die Sicherheit erhöht wurde.
Aus historischen Gründen umfasst CCS zwei physikalische Steckerausführungen. Die linke Seite des obigen Bildes zeigt den CCS Typ 2-Stecker (kurz CCS2), der hauptsächlich auf dem europäischen Markt verwendet wird. Die rechte Seite zeigt den CCS Typ 1-Stecker (kurz CCS1), der hauptsächlich auf dem nordamerikanischen Markt, einschließlich der USA und Kanada, verwendet wird.
Der erste Buchstabe C in CCS ist der erste Buchstabe von Combined. Die Bezeichnung „Combined“ kommt daher, dass der Ladeanschluss den AC-Teil (oberer Teil) und den DC-Teil (unterer Teil) integriert. Beim AC-Laden wird nur die obere Hälfte der Schnittstelle verwendet, die untere DC-Schnittstelle dient beim DC-Laden zur Energieübertragung. Einige Pins des oberen Steckers dienen der Kommunikation.
Es ist erwähnenswert, dass im Gegensatz zur CAN-Kommunikation beim nationalen Standard-DC-Laden die Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen (EVs) und Ladesäulen (EVSE) beim CCS-AC- und DC-Laden über die Control Pilot (CP)-Schnittstelle erfolgt. Die Pins für die Ladesteuerung sind:
CP - Kontrollpilot:
Überträgt PWM-Signale zur AC-Ladesteuerung und modulierte Signale basierend auf der Power Line Communication (PLC) zum Aufbau einer High-Level-Kommunikation beim AC- oder DC-Laden.
PP - Proximity Pilot:
Zwischen diesem Pin und PE befindet sich ein voreingestellter Widerstand, der es dem Elektrofahrzeug ermöglicht, den Anschluss des Ladepistolenkopfes und die maximale Strombelastbarkeit des Kabels zu erkennen.
PE - Schutzerde:
Wird zum Erdungsschutz von Elektrofahrzeugen und auch als Referenzerde für CP und PP verwendet.
Internationale Standards im Zusammenhang mit CCS:
Die Normen zum Laden sind umfangreich und komplex. Aus Platzgründen werden in diesem Artikel einige Normen kurz erläutert, die eng mit dem CCS-AC- und DC-Laden zusammenhängen.
IEC 61851-1
Die Normenreihe IEC 61851 ist der erste internationale Ladesystemstandard, der von der IEC-Organisation entwickelt wurde, und kann als Eckpfeiler der Ladestandards bezeichnet werden. Sie hat eine wichtige Referenzbedeutung für die Entwicklung von Ladesystemstandards in anderen Ländern oder die Entwicklung nachfolgender Ladestandards wie DIN70121 oder ISO15118.
Unter anderem legt IEC61851-1 die allgemeinen Anforderungen an Ladesysteme fest, insbesondere die Spezifikationen für das AC-Laden. Es basiert auf der gleichen Kontrollleitlinie wie der AC-Ladestandard GB/T18487.1-2015 meines Landes.
Vereinfacht ausgedrückt besteht die Steuerung der AC-Ladesteuerung darin, die Detektionspunktspannung auf der CP-Leitung durch Anschluss des Ladepistolenkopfes und Steuerung des Öffnens und Schließens des S2-Schalters am Fahrzeugende zu ändern, um den Ladezustand zwischen Fahrzeug und Ladesäule zu erkennen und umzuschalten. Zusätzlich informiert die Ladesäule das Fahrzeug über den maximal verfügbaren Strom, indem sie PWM-Signale mit unterschiedlichen Tastverhältnissen erzeugt.
Da die eigentliche Ladestrategie beim AC-Laden vom On-Board-Ladegerät OBC implementiert wird, können die Anforderungen an die Informationsinteraktion zwischen Fahrzeug und Ladesäule nur durch die Änderung der Erkennungspunktspannung und des Arbeitszyklus erfüllt werden.
Beim DC-Laden ist der Bedarf an Informationsaustausch zwischen Fahrzeug und Ladesäule deutlich gestiegen, und einfache analoge Signale können diesen Bedarf nicht mehr decken. Daher definiert IEC 61851-1 in Modus 4, dass High-Level-Kommunikation (HLC) über die CP-Leitung erfolgt, um das in IEC 61851-23 definierte DC-Ladeprotokoll zu übertragen.
Die digitale High-Level-Kommunikation von CCS nutzt Power Line Communication (PLC) basierend auf HomePlug GreenPHY als Sicherungsschichtprotokoll. Vereinfacht ausgedrückt wird das OFDM-modulierte Hochfrequenzsignal über ein an der Ladesäule oder dem Fahrzeug-CP-Signalkreis installiertes Modem an die CP-Signalleitung gekoppelt und am anderen Ende vom Modem demoduliert.
Auf diese Weise kann eine Kommunikationsrate von bis zu 10 Mbit/s erreicht werden, ohne dass zusätzliche Kommunikationspins hinzugefügt werden müssen. Dadurch wird ein Informationsinteraktionskanal mit hoher Bandbreite für die Informationsinteraktion beim DC-Laden und erweiterte Funktionen wie Plug-and-Play-Laden und sogar die Fahrzeug-Netzwerk-Interaktion bereitgestellt.
Wie oben erwähnt, kann durch die Einführung der PLC-Kommunikation eine Kommunikation auf hohem Niveau erreicht werden, während die physische Schnittstelle des AC-Teils von CCS unverändert bleibt, und die elektrischen AC- und DC-Schnittstellen können bei gleichzeitiger Wahrung der Kompatibilität stark integriert werden.
Allerdings liegen auch die Nachteile auf der Hand: Erstens muss die Modulations- und Demodulationsschaltung zur CP-Pilotschaltung hinzugefügt werden, und der HomePlug GreenPHY-Chip ist teuer, was indirekt die Anwendungskosten von CCS erhöht.
Da die PLC-Kommunikation auf Hochfrequenzsignalen basiert, stellt sie zudem hohe Anforderungen an die Qualität des Übertragungsmediums, also des Ladekabels. Bei unserer täglichen Kundenbetreuung bei Tests stoßen wir gelegentlich auf Situationen, in denen die Signaldämpfung aufgrund von Kabel- oder Steckklemmenproblemen zu groß ist, wodurch ein Lade-Handshake nicht möglich ist.
DIN SPEC 70121
Die Norm DIN 70121 ist ein normativer Standard für die digitale Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen und Gleichstrom-Ladesäulen, der 2012 vom Deutschen Institut für Normung herausgegeben wurde. Bereits 2011 hatte die BMW Group die rein elektrischen Konzeptfahrzeuge i3 und i8 auf den Markt gebracht und angekündigt, dass sie 2013 in die Liste aufgenommen würden.
Zu diesem Zeitpunkt befand sich die Norm ISO/IEC 15118 jedoch noch in der Ausarbeitung und Formulierung, und die deutsche Automobilindustrie benötigte dringend einen Standard zur Regulierung des Marktes und zur Markteinführung von Produkten. Daher wurde die DIN 70121 mit der Mission ins Leben gerufen, die Elektrifizierung deutscher Automobile wiederzubeleben.
Sie basiert auf den frühen, unveröffentlichten Versionen von IEC 61851-23 und ISO 15118 und definiert die digitalen Kommunikationsspezifikationen im DC-Ladeprozess. Einfach ausgedrückt schreibt die Norm DIN 70121 die Verwendung von CP-Signalleitungen als Übertragungsmedium, PLC als Datenverbindungen, MAC und TCP/IP als Kommunikationsmodi für die Netzwerkübertragungsschicht vor und standardisiert den Handshake, den Interaktionsprozess und den Nachrichteninhalt der High-Level-Kommunikation. Damit löst sie das dringende Problem des damaligen Mangels an Standards in der DC-Ladebranche.
Im Jahr 2014 veröffentlichte das Deutsche Institut für Normung die DIN 70121:2014 Ed.2, die einige Probleme behob. Im Jahr 2018 wurde die Konsistenzprüfvorschrift DIN 70122:2018 für DIN 70121 offiziell veröffentlicht. Bislang verfügt das CCS-Laden über einen relativ vollständigen Satz an Normen und Konsistenzprüfsystemen.
Aufgrund der engen Veröffentlichungszeit wurden in der DIN 70121 viele Mängel oder Probleme festgestellt, die in der Praxis nicht umgesetzt werden können. Hier müssen wir eine Organisation erwähnen, die in der europäischen Ladebranche sehr aktiv ist – die Electric Vehicle Charging Interface Initiative (CharIN eV).
Diese Organisation wurde 2015 von mehreren führenden europäischen Automobilunternehmen ins Leben gerufen und hat derzeit 164 Kernmitglieder und 139 Mitglieder. Die CharIN-Organisation zielt darauf ab, die Branche zu vereinen, um den CCS-Ladestandard zu verbessern.
Das repräsentativste davon ist das jährliche Testtreffen (CharIN Testival): Im Rahmen des Testtreffens organisieren sie Autohersteller und Ladeunternehmen der Branche, um Interoperabilitätstests durchzuführen und die im Test aufgetretenen Probleme zu sammeln. Anschließend veröffentlichen sie den Anwendungsleitfaden (CharIN-Implementierungsleitfaden für DIN 70121:2014) und Konsistenztestfälle (CharIN-Testfälle für DIN 70121:2014-Implementierungsleitfaden) für die Probleme in DIN 70121 und DIN 70122.
Diese beiden Leitfäden werden als Ergänzungen und Änderungen der DIN-Norm auch in zukünftige DIN-Versionen übernommen. Mit dem kontinuierlichen Wachstum der CharIN-Organisation beschränken sie sich derzeit nicht mehr nur auf den CCS-Standard, sondern befassen sich mit globalen Ladestandards.
Die CharIN-Organisation definiert ebenfalls drei Stufen von CCS-Ladestandards, wobei DIN 70121 zur Basisstufe gehört.
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