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.
The first letter C in CCS is the first letter of Combined. It is called “combined” because the charging port integrates the AC part (upper part) and the DC part (lower part). Only the upper half of the interface is used during AC charging, and the lower DC interface is used for energy transmission during DC charging, and some pins of the upper plug are used for communication.
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 – Control Pilot:
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 – Protective Earth:
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.
Among them, IEC61851-1 stipulates the general requirements of the charging system, especially the specifications of AC charging. Including my country’s AC charging standard GB/T18487.1-2015, it also draws on the same control guidance method.
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.
It is based on the early unreleased versions of IEC 61851-23 and ISO 15118, and defines the digital communication specifications in the DC charging process. In layman’s terms, the DIN 70121 standard stipulates the use of CP signal lines as transmission media, PLC as data links, MAC and TCP/IP as communication modes for the network transmission layer, and standardizes the handshake, interaction process and message content of high-level communications, thus solving the urgent problem of the lack of standards in the DC charging industry at that time.
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.
Due to the tight release time, DIN 70121 has found many defects or problems that cannot be implemented in actual use. Here we have to mention an organization that is very active in the European charging industry – the Electric Vehicle Charging Interface Initiative (CharIN e.V .).
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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