Wykorzystanie asortymentu złączy do obsługi kompleksowej infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych

Do obsługi nadchodzącego gwałtownego wzrostu wykorzystania pojazdów elektrycznych (EV) niezbędna będzie powszechnie dostępna infrastruktura ładowania. Projektanci stają przed wyzwaniem opracowania szerokiej gamy rozwiązań infrastrukturalnych do stosowania w obiektach mieszkalnych, hotelach, sklepach i restauracjach, budynkach handlowych i przemysłowych, na parkingach, stacjach benzynowych, w miejscach odpoczynku kierowców i innych lokalizacjach, aby zapewnić zawsze dostępne i wygodne ładowanie pojazdów elektrycznych. W niektórych przypadkach użytkownicy będą mieli luksus czasu i będą potrzebować tylko kilku kilowatów (kW) mocy ładowania prądem zmiennym przez dłuższy czas. W innych okolicznościach czas będzie miał kluczowe znaczenie, a użytkownicy będą potrzebować setek kilowatów prądu stałego, aby naładować pojazdy elektryczne w ciągu kilku minut.

Projektanci potrzebują różnych opcji złączy, które będą mogły obsługiwać prąd zmienny małej mocy, prąd stały dużej mocy i szereg pośrednich poziomów mocy. Złącza te muszą być ergonomiczne, aby zapewnić wygodę użytkowania, a także solidne i proste w instalacji, aby zaspokoić potrzeby producentów pojazdów elektrycznych w dziedzinie opłacalnych i niezawodnych rozwiązań. Rękojeści do ładowania i gniazda zasilania muszą spełniać wymagania standardu kombinowanego systemu ładowania (CCS), określone w normach SAE J1772 i IEC 62196.

W tym artykule dokonano przeglądu wymagań technicznych dla ładowarek pojazdów elektrycznych o różnych parametrach, od ładowarek prądu zmiennego małej mocy w obiektach mieszkalnych po ładowarki dużej mocy (HPC) w różnych lokalizacjach komercyjnych. Poddano analizie parametry elektryczne i standardy interfejsów oraz konieczność chłodzenia cieczą w instalacjach dużej mocy (HPC). Następnie artykuł przedstawia asortyment wejść ładowania prądem zmiennym i stałym, rękojeści i systemy kablowe firmy Phoenix Contact, które pasują do wszystkich typów ładowarek do pojazdów elektrycznych, a także układ chłodzenia cieczą kabli i złączy w instalacjach dużej mocy (HPC).

Standardy ładowania pojazdów elektrycznych i odpowiadające im złącza zostały opracowane w Ameryce Północnej, Europie i Chinach. Standardy w Ameryce Północnej i Europie odnoszą się do obu sposobów ładowania, bazując na standardzie kombinowanego systemu ładowania (CCS), który łączy ładowanie prądem zmiennym i stałym w jednym wejściu ładowania w pojeździe. Złącza kombinowanego systemu ładowania (CCS) typu 1 są powszechnie używane w Ameryce Północnej i Korei, a złącza kombinowanego systemu ładowania (CCS) typu 2 można znaleźć w Europie, na Bliskim Wschodzie, w Afryce Południowej, Ameryce Południowej, Australii, Nowej Zelandii i na niektórych innych obszarach. Chiny poszły własną drogą opracowując standard GB/T, który wymaga oddzielnych wejść do ładowania prądem zmiennym i prądem stałym (Ilustracja 1).

Ilustracja 1: standardy ładowania pojazdów elektrycznych zostały opracowane na poziomie regionalnym w Ameryce Północnej, Europie i Chinach. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Typy kombinowanego systemu ładowania (CCS)

Istnieją dwie wersje standardu kombinowanego systemu ładowania (CCS), typ 1 i typ 2. Typ 1 spełnia normy SAE J1772 i IEC 62196-3 i został opracowany na rynek północnoamerykański. Konstrukcja złączy ładowania prądem zmiennym i prądem stałym jest zgodna ze wspólnym wejściem ładowania kombinowanego systemu ładowania (CCS) w pojeździe.

Typ 2 również spełnia normę IEC 62196-3, ale nie spełnia normy SAE J1772. Pierwotnie został on opracowany w Europie i przyjęty w kilku regionach, jak wspomniano powyżej. Złącza ładowania prądem zmiennym i prądem stałym typu 2 również są zgodne ze wspólnym wejściem ładowania kombinowanego systemu ładowania (CCS) w pojeździe.

Standard ładowania GB/T 20234 jest stosowany tylko w Chinach. W tym przypadku złącza prądu zmiennego i prądu stałego mają różne interfejsy i wymagają oddzielnych wejść w pojeździe.

Ilustracja 2: przykłady gniazd ładowania pojazdów elektrycznych dla kombinowanego systemu ładowania (CCS) typu 1 (po lewej) i typu 2 (w środku) oraz GB/T (po prawej). (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Tryby ładowania

Oprócz fizycznych różnic między złączami kombinowanego systemu ładowania (CCS) typu 1 i typu 2, w Ameryce Północnej i Europie stosowane są różne tryby ładowania. Tryby niższej mocy wykorzystują wbudowaną ładowarkę pojazdów elektrycznych, podczas gdy tryby wyższej mocy korzystają z ładowarek zewnętrznych. Ponadto wyższe poziomy mocy mogą wiązać się z większymi wyzwaniami termicznymi i korzystać z monitorowania temperatury z większą dokładnością.

Północnoamerykańska norma SAE J1772 przyjmuje trzy tryby lub poziomy:

• Poziom 1 jest przeznaczony głównie do obiektów mieszkalnych i wykorzystuje prąd zmienny o napięciu 120V~, aby dostarczyć moc dochodzącą do około 1,9kW.
• Na poziomie 2 wykorzystywane jest wyższe napięcie jednofazowe 208/240V~. Poziom ten jest nazywany „szybkim ładowaniem prądem zmiennym” i może dostarczyć moc około 19kW do wbudowanej ładowarki pojazdu elektrycznego.
• Poziom 3 to ładowanie prądem stałym za pomocą zewnętrznej ładowarki prądu stałego. Podstawowa specyfikacja odnosi się do napięcia 600V₌ przy natężeniu do 400A, co pozwala uzyskać maksymalną moc 240kW. Zaawansowane projekty mogą dostarczać prąd stały o napięciu 1kV₌) i natężeniu 500A, co w sumie daje moc 500kW.

Norma IEC 61851-1 określa cztery tryby ładowania. Tryby 1, 2 i 3 wykorzystują ładowarkę wbudowaną w pojazd elektryczny:

• Tryby 1 i 2 służą do ładowania prądem zmiennym małej mocy. Kable dla trybu 1 podłącza się bezpośrednio do gniazda sieciowego prądu zmiennego, a dostępna moc jest ograniczona. Kable dla trybu 2 również podłącza się bezpośrednio do sieci prądu przemiennego, ale kabel zawiera dodatkowe wbudowane urządzenie sterujące i zabezpieczające, zapewniające bezpieczne dostarczanie mocy do 15kW trójfazowego prądu zmiennego.
• Tryb 3 to szybkie ładowanie prądem zmiennym, wykorzystujące stację ładującą w celu dostarczenia mocy do 120kW prądu zmiennego. Ładowarki poziomu 3 mogą opcjonalnie zawierać protokół komunikacji wysokiego poziomu (HLC) między zewnętrznym źródłem zasilania prądem zmiennym a wbudowaną ładowarką, służący do sterowania ładowaniem.
• Tryb 4 to szybkie ładowanie prądem stałym, które może dostarczyć kilkaset kilowatów bezpośrednio do akumulatora. W trybie 4 wymagana jest komunikacja wysokiego poziomu (HLC) zapewniająca informacje zwrotne niezbędne do sterowania ładowarką.

Zabezpieczenie termiczne

Zabezpieczenia termiczne są zamontowane zarówno w kablach ładowarek prądu zmiennego, jak i ładowarek prądu stałego. W przypadku ładowania prądem zmiennym do 80A powszechnie stosowany jest łańcuch termistorów o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC). Składa się on z szeregu urządzeń, po jednym na każdym styku. Monitorowanie wartości rezystancji zapewnia bezpieczne wyłączenie w przypadku przekroczenia temperatury granicznej.

Na stykach ładowarek dużej mocy montowane są czujniki Pt1000 o wyższej dokładności, aby zapewnić szybką reakcję i umożliwić systemowi ciągłą pracę przy wysokich poziomach mocy.

Wejście prądu zmiennego i opcje okablowania

Firma Phoenix Contact oferuje projektantom systemów ładowania prądem zmiennym pełną gamę uniwersalnych wejść ładowania, do których pasują wtyki prądu zmiennego lub prądu stałego, a także specjalne gniazda prądu zmiennego, które spełniają wymagania dla typu 1 w Ameryce Północnej i typu 2 w Europie i są odpowiednie do pojazdów, które nie wymagają ładowania prądem stałym. Te zespoły obejmują 2-metrowy kabel zasilający i przewody o długości 1m do siłownika blokady, czujnika temperatury i komunikacji. Posiadają one mechanizmy blokujące, czujniki temperatury i kołpaki przeciwpyłowe. Przykładowe okablowanie do użycia w zastosowaniach IEC 62196-2 i SAE J1772 typu 1 obejmuje:

• Wejście ładowania pojazdu model 1271960, które może przenosić do 12kW jednofazowego prądu zmiennego. Wejście znamionowo obsłuży ponad 10 tys. cykli podłączania/odłączania.
• W zastosowaniach większej mocy można wykorzystać model 1271836 o mocy znamionowej do 20kW jednofazowego prądu zmiennego. Zestaw obejmuje także siłownik blokujący i kołpak ochronny.

Firma Phoenix Contact oferuje również całą gamę kabli do ładowania prądem zmiennym, w tym:

• Model 1277166 do użycia z ładowarkami samochodowymi typu 1 według normy SAE J1772. Posiada on złącze ładowania pojazdu na jednym końcu, a na drugim wolne odprowadzenia do podłączenia do ładowarki na stałe. Zawiera łańcuch termistorów o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) i może przenosić moce do 20kW jednofazowego prądu zmiennego. Zawiera kabel o długości 7,62 metra (25ft) (ilustracja 3).
• Kabel ładowania prądem zmiennym model 1627692 ze złączem ładowania pojazdu do gniazd typu 2 na jednym końcu i przyłączem do infrastruktury ładowania prądem zmiennym na drugim, do użytku z ładowarkami typu 2 wg normy IEC 62196-2. Ten zespół kablowy może dostarczać maksymalnie 26,6kW 3-fazowego prądu zmiennego, zawiera styki do połączeń komunikacji wysokiego poziomu (HLC) i ma długość 5m.

Ilustracja 3: przenośny zespół kablowy do ładowania prądem zmiennym o mocy znamionowej 20kW. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Kable ładowania prądem stałym

Firma Phoenix Contact oferuje kable C-Line do ładowania prądem stałym w kombinowanych systemach ładowania (CCS). Są one odpowiednie do stosowania w systemach ładowania średniej mocy, wykorzystywane w prywatnych posesjach, obiektach mieszkaniowych, firmach oraz na parkingach. Kable te są dostępne w wersjach typu 1 i typu 2, a zespoły są wyposażone w złącza ładowania pojazdu z czujnikami temperatury na jednym końcu i otwartymi podłączeniami kablowymi na drugim. Przykłady rozwiązań typu 1:

• Model 1105880 o długości 5m i mocy znamionowej do 40kW
• Model 1236563 o długości 7m i mocy znamionowej do 80kW (ilustracja 4)

Ilustracja 4: złącze ładowania prądem stałym charakteryzuje się mocą znamionową 80kW i jest wyposażone w kabel o długości 7m. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Uniwersalne wejście ładowania

Uniwersalne wejście ładowania model 1210900 pasuje do złączy ładowania prądem zmiennym oraz do złączy ładowania prądem stałym kombinowanego systemu ładowania (CCS) typu 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 o natężeniu znamionowym do 200A i napięciu 1kV₌ lub zasilania jednofazowego o parametrach 80A i 250V~. Styki prądu stałego mają dwa czujniki termiczne PT1000, natomiast styki prądu zmiennego wykorzystują schemat łańcucha termistorów o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC).

System okablowania prądu stałego o mocy 500kW

Projektanci systemów ładowania prądem stałym dużej mocy (HPC) trybu 4 mogą skorzystać z systemu okablowania 1085658, który zawiera chłodzone cieczą złącze pojazdu i kabel, który może dostarczać maksymalnie 500A przy 1kV₌. Spełnia on wymagania kombinowanego systemu ładowania (CCS) typu 1, SAE J1772 i IEC 62196-3-1. System zawiera czujniki monitorowania temperatury, pęknięć kabli i wycieków chłodziwa (ilustracja 5). Monitorowanie temperatury realizowane jest poprzez dwa termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) dla styków prądu stałego i dwa termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) dla przewodów zasilających prądem stałym w kablu.

Ilustracja 5: zespół kablowy ładowania prądem stałym dużej mocy jest złożonym systemem. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Do tych kabli ładowania prądem stałym firma Phoenix Contact oferuje również samodzielną jednostkę chłodzącą. Zawiera ona wentylator o zmiennej prędkości i pompę, co pozwala zapewnić optymalne chłodzenie systemów ładowania prądem stałym dużej mocy (ilustracja 6). Pompa i wentylator pracują w zakresie od 0V₌ do 10V₌, maksymalny pobór prądu wentylatora wynosi 1,97A, a pompa wymaga maksymalnie 1,8A. Roztwór chłodzący jest mieszaniną 50% wody i 50% glikolu. Kable i przewody mają długość 1,5 metra. W połączeniu z okablowaniem 1085658 układ zapewnia wydajność chłodzenia 600W dla kabli o długości 3m, 800W dla kabli o długości 4m, 900W dla kabli o długości 5m i 1050W dla kabli o długości 6m.

Ilustracja 6: układ do chłodzenia cieczą kabli ładowania prądem stałym dużej mocy. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Podsumowanie

W celu zapewnienia kompleksowej infrastruktury ładowania niezbędnej dla upowszechnienia pojazdów elektrycznych, potrzebny będzie szeroki asortyment ładowarek pojazdów elektrycznych o różnych poziomach mocy. Projektanci muszą opracować zróżnicowane konstrukcje ładowarek, od niskonapięciowych ładowarek prądu zmiennego o mocy 1,9kW, które wykorzystują wewnętrzne obwody ładowarki akumulatorów pojazdów elektrycznych, po ładowarki prądu stałego wysokiej mocy (HPC) 500kW, z okablowaniem chłodzonym cieczą, które omijają wewnętrzne obwody ładowania i ładują akumulatory bezpośrednio. Pomiędzy wartościami skrajnymi potrzebny będzie szeroki zakres poziomów mocy ładowarek i zróżnicowane tryby ładowania w celu obsługi punktów stale dostępnego ładowania pojazdów elektrycznych w prywatnych posesjach i obiektach mieszkalnych, hotelach, sklepach i restauracjach, w obiektach handlowych i przemysłowych, garażach, na stacjach benzynowych, w miejscach postojowych i innych lokalizacjach.