Kompaktowe kable kombinowanego systemu ładowania (CCS) zapewniają szybkie ładowanie prądem stałym poziomu 2

Wygodne i niezawodne ładowanie jest potrzebne, aby wyeliminować obawy o zasięg pojazdów elektrycznych (EV). Aby sprostać tym potrzebom, projektanci urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) muszą uwzględnić różne opcje ładowania, w tym szybkie ładowarki średniej mocy (poziom 2) do ładowania prądem stałym, które mogą dostarczyć prąd do 80A w budynkach mieszkalnych, centrach komercyjnych i obiektach handlu detalicznego; ultraszybkie ładowarki poziomu 3 dużej mocy, które mogą dostarczać prąd do 500A= oraz urządzenia niższej mocy poziomu 1, ładujące prądem zmiennym, do ładowania nocnego i awaryjnego.

Jednak ładowanie pojazdów elektrycznych prądem stałym jest skomplikowane. Urządzenie do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) musi stale monitorować blokadę złącza, izolację systemu, napięcie ładowania, prąd ładowania i temperaturę złącza. Jeśli którykolwiek z tych parametrów przekroczy ustalone wartości graniczne, urządzenie EVSE wyłączy się. Ponadto wyzwaniem może być zaprojektowanie, montaż i zapewnienie długoterminowej mechanicznej oraz elektrycznej integralności kompaktowego kabla i złącza dla ładowarek prądu stałego poziomu 2. Kabel zawiera 5 żył: + i - prądu stałego, komunikacja, monitorowanie blokady oraz uziemienie ochronne. Żyły te muszą być niezawodnie połączone z urządzeniem do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) z jednej strony i złączem kombinowanego systemu ładowania (CCS) z drugiej. Jeśli którekolwiek z tych połączeń jest wadliwe, urządzenie EVSE prawdopodobnie będzie wymagało kosztownych i czasochłonnych napraw, aby zapewnić niezawodne działanie.

Aby rozwiązać problemy związane z montażem złączy kombinowanego systemu ładowania (CCS) i kabli do urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) poziomu 2, projektanci mogą użyć wstępnie zmontowanych kompaktowych złączy CCS z dołączonymi kablami. Wspomniane zespoły kabli i złączy są przeznaczone do użytku w miejscach, w których ładowanie poziomu 3 nie jest potrzebne, ale preferowany jest szybszy poziom 2 niż poziom 1. Dostępne są kable typu 1 na rynki Ameryki Północnej i typu 2 na rynki Europy, przy czym typ 1 spełnia wymagania normy UL2251.

W artykule dokonano przeglądu różnic między złączami kombinowanego systemu ładowania (CCS) prądu stałego i zmiennego oraz porównano złącza CCS prądu stałego poziomu 2 i 3 pod względem rozmiarów i wygody. Omówiono również kilka przypadków zastosowania zespołów kablowych CCS średniej mocy i przedstawiono kompaktowe zespoły kablowe CCS typu 1 i typu 2 firmy Phoenix Contact wraz z zaleceniami dotyczącymi instalacji.

Różnica między kablami do ładowania pojazdów elektrycznych prądem zmiennym i stałym

Standardowe gniazda kombinowanego systemu ładowania CCS są zaprojektowane tak, aby obsługiwać zarówno złącza ładowania prądu zmiennego, jak i stałego, zapewniając elastyczność przy jednoczesnym uproszczeniu projektów pojazdów elektrycznych. Ładowanie prądem zmiennym charakteryzuje się z natury niższą mocą i wykorzystuje kable ze złączami wtykowymi na obu końcach (ilustracja 1). W przypadku ładowania prądem stałym, które działa przy wyższych poziomach mocy, kabel ładujący jest zawsze podłączony do urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) na jednym końcu, a na drugim końcu do złącza umieszczonego w gnieździe pojazdu. Ponadto złącza prądu stałego są wyposażone w funkcje bezpieczeństwa niespotykane w ich odpowiednikach prądu zmiennego, takie jak mechanizmy blokujące i monitorowanie temperatury.

Ilustracja 1: kable do ładowania prądem stałym są trwale przymocowane do urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) i podłączane wtyczką do gniazda w pojeździe EV. Kable do ładowania prądem zmiennym mają wtyczki na obu końcach. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Złącza kombinowanego systemu ładowania (CCS) do ładowania prądem stałym poziomu 2 i 3 o mocy do 250kW mają podobne rozmiary i mogą być używane we wspólnym gnieździe pojazdu. Podstawową różnicą jest około 50-procentowy wzrost średnicy kabla dla jednostek o mocy znamionowej 250kW, umożliwiający przenoszenie wyższych poziomów mocy, oraz wynikający z tego wzrost ciężaru kabla. Dzięki znacznie mniejszemu kablowi złącze poziomu 2 i zespoły kabli o mocy do 80kW są znacznie lżejsze i łatwiejsze w obsłudze. Ładowanie prądem stałym dużej mocy do 500kW i większej wymaga innego gniazda w pojeździe, dającego możliwość chłodzenia cieczą, a także większego złącza i kabla (Tabela 1).

Tabela 1: porównanie wielkości złączy CCS typu 2 i kabli przeznaczonych do ładowarek prądu stałego o mocy 80kW, 250kW i 500kW. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Mechanizmy blokujące są zintegrowane z systemami złączy ładowania CCS prądu stałego w celu zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika i prawidłowego działania urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE). Urządzenia blokujące są zaprojektowane w taki sposób, aby wytrzymały duże siły wyciągające, co sprawia, że prawie niemożliwe jest odłączenie złącza podczas ładowania pojazdu elektrycznego. W złączach typu 1 wykorzystano ręczny mechanizm zaciskowy ukazany na ilustracji 2. W złączach typu 2 blokowanie odbywa się za pomocą kontrolowanego elektromagnetycznie sworznia metalowego. W obu przypadkach mechanizm blokujący jest monitorowany, a komunikowanie stanu blokady do stacji ładowania pojazdów elektrycznych obywa się za pośrednictwem specjalnego połączenia.

Ilustracja 2: złącza kombinowanego systemu ładowania (CCS) typu 1 są wyposażone w blokadę w postaci ręcznego mechanizmu zaciskowego. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

W złączach kombinowanego systemu ładowania (CCS) prądem stałym wymagany jest zintegrowany czujnik temperatury. Dzięki precyzyjnemu monitorowaniu temperatury bezpośrednio na stykach zasilania, proces ładowania można zatrzymać lub spowolnić w przypadku przegrzania, aby chronić użytkownika przed niebezpieczeństwem, a urządzenie do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) przed uszkodzeniem. Złącza te zawierają dwa czujniki PT1000, po jednym na każdy styk (ilustracja 3). Rezystancja tych czujników rośnie liniowo wraz ze wzrostem temperatury, co upraszcza monitorowanie temperatury. Temperatura jest przekazywana do urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych przez linię sygnałową w kablu.

Ilustracja 3: na stykach złącza CCS wymagane są czujniki temperatury PT1000 do monitorowania temperatury roboczej w celu zapewnienia bezpiecznego ładowania. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Bezpieczne połączenia

Szczególnie ważne są połączenia wewnątrz złącza kombinowanego systemu ładowania (CCS). Połączenia wewnętrzne z urządzeniem do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) nie podlegają znaczącym naprężeniom mechanicznym, ale złącze CCS będzie regularnie podłączane i odłączane, a połączenia kablowe będą poddawane powtarzającym się naprężeniom (ilustracja 4). Nieprawidłowo przymocowane kable połączeniowe mogą spowodować pogorszenie właściwości styku w postaci zwiększonej rezystancji lub odłączenia kabla, powodując przegrzanie lub chwilową utratę połączenia jednego lub większej liczby żył. Niewłaściwie zmontowane kable połączeniowe przyczynią się do zmniejszonej niezawodności systemu ładowania, niezadowolenia użytkowników i możliwych kosztów gwarancyjnych dla producentów urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE).

Ilustracja 4: niewielkie rozmiary złączy do ładowania prądem stałym średniej mocy sprawia, że zapewnienie solidnych i niezawodnych połączeń kablowych jest trudne. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Przykłady użycia poziomu 2

Oczekuje się, że ładowanie prądem stałym poziomu 2 będzie stanowić popularne rozwiązanie tam, gdzie potrzebna jest moc większa niż w przypadku ładowania prądem zmiennym, a szybsze ładowanie na poziomie 3 nie jest konieczne. Urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) wykorzystujące te kompaktowe złącza spełniają normy CCS, a mniejsze rozmiary zwiększają wygodę i łatwość użytkowania. Prawdopodobnie wkrótce można je będzie spotkać w wielu zastosowaniach obejmujących:

Rezydencje podmiejskie: ładowarki prądu stałego poziomu 2 wykorzystują zasilanie 240V~. W zależności od pojazdu elektrycznego, mogą ładować akumulator od trzech do siedmiu razy szybciej niż zwykła ładowarka prądu zmiennego poziomu 1. Dodatkową korzyścią jest to, że w przypadku domów z panelami słonecznymi, ładowarki prądu stałego poziomu 2 mogą przesyłać prąd stały bezpośrednio z instalacji fotowoltaicznej, eliminując straty mocy w wyniku konwersji. W przyszłości, w miarę upowszechniania się układów pojazd-sieć (V2G) i pojazd-dom (V2H), dostępne będą dwukierunkowe ładowarki poziomu 2, obsługujące odwrotny przepływ mocy z pojazdu do domu lub sieci.

Budownictwo wielorodzinne i miejskie: kompleksy mieszkalne i wspólnoty mieszkaniowe zapewniają ładowarki prądu stałego poziomu 2 dla mieszkańców i gości. Ponadto w miejscach pozbawionych garaży, tak zwana „służebność gruntowa” na potrzeby urządzeń ładujących w miejskich budynkach mieszkalnych obejmuje ustawienie ładowarek obsługujących samochody zaparkowane na ulicy. W obu przypadkach ładowarka może zapewnić strumień przychodów właścicielowi urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) i wygodę właścicielom pojazdów elektrycznych w sąsiedztwie.

Miejsca publiczne, w których gromadzą się samochody: ładowarki prądu stałego poziomu 2 są instalowane w coraz większej liczbie miejsc publicznych, takich jak centra handlowo-rozrywkowe, szkoły i uczelnie, parkingi, hale sportowe, stacje benzynowe i warsztaty naprawcze. Ponieważ sprzedaż pojazdów elektrycznych stale rośnie, ładowarki prądu stałego poziomu 2 można znaleźć również w salonach samochodowych. Ładowarki zapewniają pełne naładowanie pojazdów elektrycznych przed dostawą do klientów oraz służą do ładowania pojazdów elektrycznych pozostawionych do serwisu.

Rozwiązania złączy prądu stałego poziomu 2

Gdy potrzebny jest prąd ładowania do 80A, projektanci urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) mogą sięgnąć po lekkie złącza ładowania CCS C-Line prądu stałego i zestawy kablowe firmy Phoenix Contact. Są one dostępne w różnych długościach, do zastosowań typu 1 i typu 2. Na przykład kabel ładujący 1236308 jest wyposażony w złącze typu 1 i ma długość 4m, a kabel ładujący 1236966 ma złącze typu 2 i długość 7m. Te ergonomiczne złącza spełniają wszystkie standardy CCS i posiadają małą obudowę, aby ułatwić szybkie podłączanie i odłączanie w szerokim zakresie stosowania ładowania o małej mocy (ilustracja 5). W razie potrzeby mogą być opatrzone logo firmy, aby wspierać markę urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE). Mimo niewielkich rozmiarów, charakteryzują się one wysokimi parametrami działania i posiadają:

• Posrebrzane styki zapewniające optymalne działanie i niezawodność
• Zintegrowane czujniki monitorowania temperatury styków mocy, a także zintegrowane mechanizmy blokujące, zgodnie ze standardem CCS
• Zgodność z normą DIN EN 50620 oraz dodatkowo ekstrudowaną izolację i powłoki przystosowane do napięcia maksymalnego 750V, na wypadek stosowania ich w trudnych warunkach podczas łączenia EVSE z pojazdem elektrycznym (EV)
• Zgodność z wymaganiami normy motoryzacyjnej IATF 16949 oraz ISO 9001

Ilustracja 5: ergonomiczny kształt złączy CCS C-Line oraz ich lekkie okablowanie ułatwiają obsługę i zwiększają wygodę. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Integracja urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE)

Aby ułatwić integrację zespołów kablowych C -Line z urządzeniami do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE), firma Phoenix Contact oferuje projektantom uchwyty złączy i dławiki kablowe, na przykład uchwyt złącza 1624143 i dławik kablowy 1424483 dla złączy typu 1 oraz uchwyt złącza 1624153 i dławik kablowy 1411134 dla złączy typu 2. Zamontowanie uchwytów złączy z boku lub z przodu urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) zapewnia bezpieczne miejsce na złącze w czasie, gdy nie jest używane. Złącze blokuje się w uchwycie, ale można je łatwo wyjąć. Uchwyt może być montowany z nachyleniem do przodu pod kątem od 0˚ do 45˚. Zastosowanie dławika kablowego chroni kabel przechodzący przez ścianę urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) przed uszkodzeniem w przypadku pociągnięcia przez użytkownika oraz zapobiega przedostawaniu się brudu i wilgoci do wewnątrz EVSE.

Ilustracja 6: uchwyty złączy (po lewej) i dławiki kablowe (po prawej) do złączy typu 2 ułatwiają integrację złącza CCS C-Line i zespołów kablowych z urządzeniami do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE). (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Podsumowanie

Ładowanie prądem stałym na poziomie 2 może być cenną alternatywą dla ładowania na poziomie 1 niższej mocy. Jednak konstrukcja złączy i okablowania do ładowania prądem stałym stanowi duże wyzwanie z punktu widzenia parametrów działania, bezpieczeństwa oraz zgodności z przepisami. Używając gotowych zespołów kablowych i złączy do ładowania na poziomie 2, projektanci mogą szybko pokonać wiele tego typu wyzwań oraz skorzystać z zalet będących integralnym elementem tych urządzeń, takich jak mniejszy ciężar i ergonomiczna konstrukcja ułatwiające użytkowanie.

Rekomendowane artykuły

1. Wykorzystanie dwukierunkowych przetwornic mocy i korekcji współczynnika mocy (PFC) do zwiększenia sprawności sieci elektrycznej oraz hybrydowych i akumulatorowych pojazdów elektrycznych (HEV/BEV)
2. Szybkie i skuteczne wdrażanie elastycznych systemów ładowania pojazdów elektrycznych (EV)