SAE J1772

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SAE-J1772-2009-Stecker

Die Norm SAE J1772 (auch Stecker-Typ 1 genannt) beschreibt eine Reihe von Steckverbindern und Lademodi für Elektrofahrzeuge und wird von der Society of Automotive Engineers (SAE) gepflegt.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Historischer Avcon-Stecker an einem Ford Ranger EV

Die Idee geht auf eine Entscheidung der kalifornischen Emissionsschutzbehörde (CARB) zurück, die die Autohersteller verpflichtete, ab 1996 Nullemissionsfahrzeuge (Zero Emission Vehicles) anzubieten, dem sie mit Hilfe von Elektrofahrzeugen nachkamen. Die erste Serie ab 1996 wurde dabei mit dem Magne-Charge-Ladesystem (SAE J1773) ausgerüstet, das mit einem induktiven „Paddle“ funktionierte. Das ebenfalls 1996 vorgestellte konduktive Ladesystem (SAE J1772) wurde nicht eingesetzt. Jedoch kam die Kommission zu dem Schluss, dass das induktive Ladesystem den Ansprüchen nicht genügt, und forderten eine Revision des kabelgebundenen Ladesystems. 2001 wurde daher SAE J1773 zurückgezogen und ersetzt. Alle Fahrzeuge mit Magne-Charge-Ladesystem wurden zurückgerufen und meistenteils verschrottet.

Die 2001 verabschiedete SAE J1772 beinhaltet die von Vorgaben der CARB, unter anderem wurde verschiedene Lademodi aufgenommen, die neben den in Nordamerika üblichen 120-Volt-Haushaltsanschlüssen auch schnellere Ladungsmöglichkeiten mit 240 Volt erlauben. Der Ladestecker in SAE J1772-2001 war rechteckig und basierte auf einem Design von Avcon, und ist damit verwandt mit den in Europa gebräuchlichen Marechal-Ladesteckern (die zwei weitere Leiter für Drehstromanschluss haben). Eingeführte Elemente wie das Signalisieren des Ladestroms wurden parallel in die IEC 62196:2001 aufgenommen.

2009 wurde eine Revision des Standards verabschiedet, die einen neuen Steckertyp nach einem Design von Yazaki aufnahm, der nun rund war. Dieser SAE-J1772-2009-Ladestecker wurde in die Norm IEC 62196-2:2011 als Typ 1 („Type 1“) aufgenommen. Der Steckertyp hat fünf Steckkontakte – zwei Kontakte für einphasigen Wechselstrom, eine Erdung, und zwei Signalkontakte, die kompatibel mit den Signalkontakten sind, wie sie schon 2001 definiert wurden. Die Steckkontakte wurden im neuen Design für eine Schnellladung bis 80 Ampere ausgelegt.

Ladestecker[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der 2009 definierte Ladestecker ist für das in Nordamerika verfügbare 120/240-Volt-Einphasen-Dreileiternetz ausgelegt. Das Design ist für 10.000 Steckzyklen ausgelegt, bei einem täglichen Steckzyklus also mindestens 27 Jahre. Der Stecker ist rund mit 43 Millimeter Durchmesser und hat fünf Kontakte – zwei stromführende Kontakte (Außenleiter/Nullleiter L1 und L2/N), ein Schutzleiter (PE) und zwei Signalkontakte (CP und PP).

Ladebereiche[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Vorgaben der Emissionsschutzbehörde CARB unterscheiden drei Ladebereiche: Level 1, Level 2 und Level 3. Dabei dient CARB „Level 1“ dem Anschluss an einfache Haushaltssteckdosen mit 120 Volt mit maximal 16 Ampere (IEC 61851 Mode 1), bei denen über den Nullleiter geerdet werden kann. Der CARB „Level 2“ erlaubt die Nutzung der Geräteanschlüsse mit 240 Volt mit maximal 32 Ampere (IEC 61851 Mode 2), die im Dreileiternetz die beiden Außenleiter abgreift. Der CARB „Level 3“ bezeichnet die Schnellladung mit Gleichstrom mit bis zu 400 Ampere (61851 Mode 4). In der Revision 2009 wurde der Level 2 erweitert, sodass er mit dem neuen Yazaki-Design und entsprechend dicken Zuleitungen auch 80 Ampere erlaubt.

Im SAE-Standard wurden die Vorgaben der CARB übernommen, jedoch werden die Ladeströme nach Wechselstrom („AC Level 1“ und „AC Level 2“) und Gleichstrom („DC Level 1“ und „DC Level 2“) unterschieden. Für die Anwendung mit Gleichstrom wurde auch ein um zwei weitere Kontakte ergänzter Ladestecker definiert, der jedoch nie zum Einsatz kam (stattdessen verbreitet sich der TEPCO-kompatible Stecker der CHAdeMO Ladestationen). Für die Erweiterung mit 80 Ampere ist bisher kein Steckermodell zertifiziert worden.

Die SAE arbeitet an Erweiterungen der Spezifikation, unter anderem ein „AC Level 3“ zur Ladung mit Drehstrom. Auch für die Gleichstromladung gab es Vorlagen, mit der Vorstellung des Combined Charging System führender Automobilhersteller arbeitet die SAE an deren Integration.

Ladebereich Nennspannung Phasen Max. Strom Leistung
AC Level 1 120 V 1 Phase mit Nullleiter (L1-N) 13 A
16 A
 
1,9 kW
AC Level 2 240 V 1 Phase über Außenleiter (L1-L2) 32 A (2001)
80 A (2009)
 
19,2 kW
AC Level 3 ein- und dreiphasig
(noch nicht spezifiziert)
 
> 20 kW
Ladebereich Spannungsbereich Spannungsform Max. Strom Leistung
DC Level 1 200–450 V Gleichstrom der Ladestation 80 A 36 kW
DC Level 2 200–450 V Gleichstrom der Ladestation 200 A 90 kW
DC Level 3 200–600 V Gleichstrom der Ladestation 400 A 240 kW

Signalisierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anschlussschema der J1772-Signalkontakte

Die Funktion der Signalkontakte wurde erstmals 2001 beschrieben (sowohl in SAE J1772 als auch in IEC 61851). Eine Ladestation legt dabei an den Pilotkontakt CP (Contact Pilot) und den Proximity-Schalter PP (Proximity Pilot, auch Plug Present) eine Spannung von 12 Volt an. Das Protokoll ist geeignet, auf Digitalelektronik zu verzichten (im Gegensatz zum CAN-Bus bei Chademo und EnergyBus) – die SAE J1772 geht von einem Betriebsbereich von mindestens −40 °C bis +85 °C aus.

Auf dem Pilotkontakt CP wird eine Ladestation über einen 1-kΩ-Widerstand eine Spannung von +12 V anlegen und bei angeschlossenem Fahrzeug mit einer 1-kHz-Rechteckschwingung ihre Bereitschaft anzeigen (Signalbereich ±12 V ±0,4 V). Auf der Seite des Elektrofahrzeugs wird der Stromkreis von CP über einen Widerstand und eine Diode auf den Schutzleiter PE zurückgeführt.[1] Öffentliche Ladestationen sind bei offenem Stromkreis grundsätzlich spannungsfrei, auch wenn der Standard eine Leistungsabgabe nach Mode 1 (maximal 16 Ampere) erlaubt. Bei geschlossenem Stromkreis kann die Ladestation darüber hinaus die Funktionsfähigkeit des Schutzleiters testen. Das Elektrofahrzeug kann über den Widerstand eine Ladefreigabe anfordern – mit 2700 Ω wird ein Mode 3 kompatibles Fahrzeug gemeldet („vehicle detected“), das noch keine Ladung abfordert. Bei 880 Ω ist das Fahrzeug bereit für einen Ladestrom („ready“) und bei 240 Ω wird zusätzlich eine Lüftung angefordert („with ventilation“), was im Außenbereich keinen Unterschied macht, in Innenräumen aber bei fehlender Belüftung den Ladestrom kappt. Die Ladestation meldet an das Fahrzeug über eine Pulsweitenmodulation der Rechteckschwingung die maximale Leistungsabgabe – bei 16 % PWM maximal 10 A, bei 25 % PWM maximal 16 A, bei 50 % PWM maximal 32 A und mit 90 % PWM eine Schnellladung.[2]

In Anschlussbeispielen in SAE J1772:2001 wird gezeigt, dass der Stromkreis CP-PE dauerhaft auf 2740 Ω geschaltet ist (Spannungsabfall von +12 V auf +9 V bei gestecktem Kabel, das den Signalgenerator der Ladestation aktiviert) und bei fahrzeugseitiger Aktivierung der Ladung (per Schalter) ein Widerstand mit 1300 Ω parallel geschaltet wird (Spannungsabfall auf +6 V) beziehungsweise 270 Ω mit Ventilator (Spannungsabfall auf +3 V), sodass der Detektor der Ladestation allein auf die Spannung CP-PE reagiert.[3] Durch die Diode wird nur die Plusspannung gesenkt, die Messung der Minusspannung zeigt weiter −12 V – eine Minusspannung auf CP (nur bei aktivem Signalgenerator vorhanden) ist ein Fehlerwert, der den Ladestrom abschaltet.

Die Pulsweite auf dem 1 kHz CP signal zeigt die maximale Stromlast an – laut SAE beinhaltet das Steckdose des Ladegeräts, Kabelzuführung und Steckbuchse am Fahrzeug. In der US-Definition wird die "ampacity" (ampere capacity) doppelt angegeben, für Dauerlast und für kurzzeitige Anwendung, während die IEC die gleichen Abstufungen mit nur einem nominellen Stromwert angibt.[2] Die SAE hat die maximale Stromlast auf der Basis einer Formel definiert, die die 1000 µs Zykluslänge der Trägerfrequenz (das 1 kHz Signal) nimmt und je 10 µs Pulsweite mit 0,6 A multipliziert um die Dauerlast des Anschlusses zu definieren (mit minimal 100 µs = 6 A und maximal 800 µs = 48 A).[3]

Gesamtwiderstand CP-PE offen 2700 Ω 880 Ω 240 Ω
Widerstand R3
bei R2 = 2740 Ω

 

2740 Ω
1300 Ω
2740 Ω
270 Ω
2740 Ω
Messspannung CP-PE +12 V +9 V ±1 V +6 V ±1 V +3 V ±1 V ±0 V −12 V
Grundstatus Status A Status B Status C Status D Status E Status F
Ladefreigabe standby vehicle
detected
ready
(charging)
with
ventilation
no power
(shut off)
error
Pulsweiten zur Anzeige der höchsten Stromlast[2]
PWM SAE dauerhaft SAE kurzzeitig IEC omnicharge
50 % 30 A cont 36 A peak 32 A (EU)
40 % 24 A cont 30 A peak 25,5 (EU)
30 % 18 A cont 22 A peak 19 A (EU)
25 % 15 A cont 20 A peak 16 A (EU)
16 % 10 A (EU)
10 % 6 A (EU)

Der PP-Kontakt auch „Plug-Present“-Kontakt genannt (Stecker-angeschlossen-Indikator) liefert wie in der Grafik „Anschlussschema der J1772-Signalkontakte“ beschrieben über den Schalter S3 die Information, ob am Stecker gerade gezogen wird. Der Schalter S3 ist dazu als Öffner mechanisch mit der Verrieglungsklinke im Stecker verbunden. Die Erdschleife zwischen PP und Schutzleiter beträgt im Ruhezustand 150 Ohm. Betätigt man mit der Hand die Stecker-Entriegelungsklinke, so steigt der Widerstand in der Erdschleife durch den sich nun öffnenden Schalter S3 auf 470 Ohm an. Die Ladeelektronik im Fahrzeug kann über diese Information den Ladevorgang abbrechen und ermöglicht so ein spannungs- und leistungsloses Trennen des Steckers vom Fahrzeug. Die beiden Widerstände R6 und R7 sind dazu im Stecker verbaut.

Typ 1 Stecker nicht verbunden Knopf (S3 Klinke am Stecker) gedrückt verbunden
Messspannung PP-PE +4,5 V +3,0 V +1,5 V

SAE J1772 sieht keine Verbindung des PP-Kontaktes zur Ladestation vor, daher kann der PP-Kontakt im europäischen Mennekes-Typ-2-Stecker-System zur Kodierung der maximalen Stromstärke des Ladekabels verwendet werden.[4][5]

GreenPHY[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Signalisierung von 2001 ist wesentlich auf die Sicherung der Belastungsgrenzen des Systems eingeschränkt, die Kommunikation zwischen Stromtankstelle und Batteriemanagementsystem des Fahrzeugs mit Voltbereichen und PWM-Breite ist für moderne Anforderungen zu knapp und störanfällig. Anstatt das Protokoll auf den in Japan und China gängigen digitalen CAN-Bus umzustellen, hat man sich beim Combined Charging System für eine Ergänzung des vorhandenen Protokolls entschieden. Das zusätzliche Verfahren stellt die Vehicle to Grid Funktion auf Basis einer Homeplug GreenPHY Trägerfrequenzanlage bereit, die vorhandene Kontakte nutzen kann. Die Entwicklung wird wesentlich in ISO/IEC 15118 Arbeitsgruppe vorangetrieben.[6]

Verriegelung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Damit es nicht zu Spannungsspitzen und damit verbunden Funkenüberschlägen beim Abziehen des Steckers kommt, ist eine Verriegelung des Steckers während des Ladevorgangs vorgesehen. Beim Stecker Typ-1-Stecker ist dieser rein mechanisch ausgeführt: an der Oberseite befindet sich eine Klinke, die beim Einstecken in die Ladestation rastet. Wird durch einen Druckhebel die Klinke gelöst, so wird dieses über einen Öffner über den PP-Kontakt an die Ladeelektronik des Fahrzeuges gemeldet und der Ladevorgang damit sofort beendet.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Die Anode der Diode auf CP.
  2. a b c Arno Mathoy: Definition and implementation of a global EV charging infrastructure (PDF; 319 kB) BRUSA Elektronik. 17. Januar 2008. Abgerufen am 8. April 2012.
  3. a b SAE J1772 - SAE Electric Vehicle Conductive Charger Coupler (MS Word; 756 kB) Appendix A, Typical Pilot Line Circuitry. August 2001. Abgerufen am 9. April 2012.
  4. Komponenten für Elektrofahrzeuge - Mennekes Lade-Inlet KFZ (gemäß IEC 62196–2) (PDF; 1,2 MB) Archiviert vom Original am 25. September 2013. Abgerufen am 4. Januar 2016.
  5. EV-Simulator für Ladeeinrichtungen mit Ladestecker / Ladekupplung Typ 2 als Servicekoffer (PDF; 769 kB) Archiviert vom Original am 8. Januar 2014. Abgerufen am 4. Januar 2016.
  6. ISO 15118-3:2015