Złącza systemów CCS upraszczają wdrażanie bezpiecznych systemów szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych

Wykorzystanie pojazdów elektrycznych (EV) rośnie w różnych zastosowaniach - od rolniczych i komunalnych, po konsumenckie, dzięki czemu w dużej mierze następuje rozwiewanie „obaw dotyczących zasięgu”. Mimo że zaawansowane technologie umożliwiają zwiększenie pojemności akumulatorów przypadającej na jednostkę objętości, a tym samym zwiększenie zasięgu jazdy, ich zastosowania będą ograniczone w przypadku zbyt długiego czasu ładowania akumulatora. To sprawia, że na firmach motoryzacyjnych i dostawcach podzespołów spoczywa obowiązek szybkiego wdrożenia metod szybkiego ładowania.

Jednym z kluczowych komponentów w procesie ładowania są złącza. Obecnie muszą one obsługiwać moce do 500kW przy napięciu do 1000V prądu stałego, przy jednoczesnym uwzględnieniu źródeł prądu zmiennego. Muszą również spełniać wymagania norm IEC 62196 oraz SAE J1772 w celu zapewnienia bezpiecznego i inteligentnego szybkiego ładowania. Aby spełnić wszystkie wymagania różnych branż, w tym również motoryzacyjnej, projektanci systemów dla akumulatorowych pojazdów elektrycznych mogą pójść w kierunku złączy spełniających wymagania specyfikacji kombinowanych systemów ładowania (CCS).

Niniejszy artykuł zawiera przegląd podstawowych poziomów i trybów ładowania pojazdów elektrycznych oraz określa wymagania dotyczące złączy CCS i porównuje złącza CCS typu 1, CCS typu 2 oraz chińskie złącza GB/T. Na zakończenie zamieszczono przegląd rozszerzonych możliwości produktów oferowanych przez niektórych dostawców np. szerszego zakresu temperatur roboczych i wyższych klas ochrony (IP), przygotowany w oparciu o przykładowe złącza CCS firm Phoenix Contact, TE Connectivity oraz Adam Tech.

Kombinowany system ładowania pojazdów elektrycznych

Wejście kombinowanego systemu ładowania (CCS) w pojeździe projektuje się tak, aby obsługiwało zarówno złącza prądu zmiennego, jak i stałego. Szybkie ładowanie prądem zmiennym jest przydatne podczas długiego postoju w garażu lub na parkingu, a szybkie ładowanie prądem stałym jest używane podczas krótkich postojów przy sklepach, w miejscach obsługi podróżnych i na specjalnych stacjach ładowania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: pojedyncze wejście kombinowanego systemu ładowania (CCS) pojazdu może obsługiwać szybkie ładowanie prądem zmiennym i stałym. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Poziomy i tryby ładowania pojazdów elektrycznych

Klasyfikacja ładowania pojazdów elektrycznych obejmuje: poziomy ładowania, tryby ładowania, scenariusze podłączania przewodów, a w przypadku systemu CCS - typy złączy do ładowania. Amerykańska norma SAE J1772 rozróżnia trzy poziomy ładowania:

• Poziom 1 wykorzystuje zasilanie mieszkaniowe 120V_~, a jego maksymalna moc to około 1,9kW. Ładowanie poziomu 1 jest powolne.
• Ładowanie poziomu 2 wykorzystuje zasilanie jednofazowe 208/240V_~. Jego moc maksymalna to około 19kW dla napięcia 240V_~. Poziom 2 zapewnia „szybkie ładowanie prądem zmiennym”, które jest od trzech do siedmiu razy szybsze niż dla poziomu 1. Poziomy 1 i 2 zasilają wbudowaną ładowarkę pojazdu elektrycznego.
• Poziom 3 to szybkie ładowanie prądem stałym, podczas którego wykorzystuje się zewnętrzną ładowarkę prądu stałego o napięciu 600V₌ i natężeniu 400A, która dostarcza moc całkowitą 240kW. Zaawansowane, szybkie ładowarki prądu stałego dostarczają moc 500kW (1000V₌ przy natężeniu 500A).

Europejska norma IEC 61851-1 określa cztery tryby ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych:

• W trybie 1 ładowanie odbywa się za pomocą prostego kabla podłączonego bezpośrednio do gniazda elektrycznego prądu zmiennego. Charakteryzuje się ono niską mocą i jest rzadko używane.
• W trybie 2 kabel również podłącza się bezpośrednio do gniazdka elektrycznego, ale ten tryb dodatkowo posiada wbudowane zabezpieczenie, zwane urządzeniem sterowniczym i zabezpieczającym zintegrowanym z przewodem (IC-CPD). Tryb 2 jest bezpieczniejszy niż tryb 1, ale obsługuje tylko ładowanie do mocy około 15kW w układzie trójfazowym.

Tryby 3 i 4 umożliwiają szybkie ładowanie:

• W trybie 3 do zasilania prądem zmiennym o mocy do 120kW wykorzystuje się specjalne stacje ładowania (określane też mianem infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych czy w skrócie EVSE). Każdy z trybów 1, 2 i 3 do sterowania ładowaniem akumulatora wykorzystuje wbudowaną ładowarkę pojazdu elektrycznego.
• Tryb 4 to szybkie ładowanie prądem stałym. Wbudowana ładowarka pojazdu elektrycznego jest omijana, a stacja ładowania dostarcza zasilanie bezpośrednio do akumulatora za pośrednictwem złącza prądu stałego. Tryb 4 pozwala na ładowanie z mocą rzędu kilkuset kilowatów. Informacje zwrotne dotyczące energii wykorzystujące protokół komunikacji wysokiego poziomu (HLC) i sterowanie ładowaniem są możliwe w trybie 3, jednak w trybie 4 są one wymagane.

Typy, tryby i scenariusze podłączania

Wymagania dla systemów CCS usystematyzowano w normie SAE J1772 dla Ameryki Północnej (złącze typu 1) oraz w normie IEC 62196 dla Europy (złącze typu 2). Interfejs komunikacji wysokiego poziomu (HCL) łączący pojazd elektryczny (EV) ze stacją do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) jest oparty na normach ISO/IEC 15118 i DIN SPEC 70121. Dostępne są trzy typy połączeń między pojazdami elektrycznymi a źródłem zasilania. Przedstawiają je scenariusze podłączania A, B i C.

W scenariuszu A kabel jest podłączony na stałe do pojazdu elektrycznego i w razie potrzeby jest podłączany do źródła zasilania. Scenariusz A nie ma zastosowania w systemach CCS. Scenariusze B i C są używane wraz z systemem CCS oraz zgodnie z odpowiednią normą chińską zwaną GB/T (ilustracja 2). Jeśli kabel zasilający może być odłączany na obu końcach, mamy do czynienia ze scenariuszem B. Jeśli kabel jest podłączony na stałe do stacji ładowania, będzie to scenariusz C. W trybie ładowania 3 możliwy jest tylko scenariusz B. W trybie ładowania 4 możliwy jest tylko scenariusz C.

Ilustracja 2: porównanie typów, trybów i scenariuszy połączeń - typ 1 (Ameryka Północna), typ 2 (Europa) i GB/T (Chiny). (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Monitorowanie temperatury i aktywne chłodzenie

Monitorowanie temperatury styków w układach szybkiego ładowania jest ważne. Zgodnie z normą IEC 62196 wzrost temperatury na stykach nie może przekroczyć 50°C. Interfejs komunikacji wysokiego poziomu (HCL) między pojazdem elektrycznym a stacją do ładowania pojazdów elektrycznych służy do przekazywania danych dotyczących temperatury. Jeśli temperatura wzrośnie nadmiernie, stacja do ładowania obniży tempo ładowania lub zatrzyma je całkowicie. Zgodnie z normą DIN 60738 w złączach CCS do ładowania prądem zmiennym temperaturę monitorują termistory o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC). Jeśli złącze jest zbyt gorące, ładowanie zostaje przerwane (ilustracja 3). Do szybkiego ładowania prądem stałym norma DIN 60751 wymaga zastosowania dwóch czujników Pt1000, po jednym na każdym styku. Czujnik Pt1000 ma rezystancję, która wzrasta liniowo wraz ze wzrostem temperatury.

Ilustracja 3: czujnik temperatury PTC wyłącza ładowanie prądem zmiennym, zapobiegając przekroczeniu przez temperaturę bezpiecznego poziomu (po lewej). W przypadku szybkiego ładowania prądem stałym czujnik Pt1000 umożliwia ciągłe monitorowanie temperatury (po prawej). (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

W systemach, które dostarczają prąd ładowania o natężeniu przekraczającym 250A (ilustracja 4), konieczne jest monitorowanie temperatury oraz aktywne chłodzenie. Dzięki konstrukcji z aktywnym chłodzeniem złącza CCS mogą dostarczać moc do 500kW (natężenie 500A przy napięciu 1000V₌). W przypadku nieoczekiwanego wzrostu temperatury otoczenia lub wystąpienia stanu przeciążenia, monitorowanie temperatury umożliwia systemowi zwiększenie szybkości chłodzenia lub zmniejszenie tempa ładowania w celu zatrzymania wzrostu temperatury styków złącza poniżej podanej w specyfikacjach wartości granicznej wynoszącej +50°C.

Ilustracja 4: aktywne chłodzenie w połączeniu z pomiarem temperatury może obsługiwać ładowanie przy pełnym natężeniu 500A i utrzymywać wzrost temperatury złącza poniżej poziomu +50°C. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact (zmodyfikowana przez autora))

Zintegrowane mechanizmy blokujące

W złączach CCS zastosowano zintegrowane mechanizmy blokujące. W złączach typu 1 wykorzystano ręczny zaciskowy mechanizm blokujący. W złączach typu 2 blokowanie odbywa się za pomocą aktywowanego elektromagnetycznie sworznia metalowego (ilustracja 5). Sterowanie blokadą oraz komunikowanie jej stanu do stacji ładowania pojazdów elektrycznych obywa się za pośrednictwem osobnego połączenia.

Ilustracja 5: wejścia systemu CCS w pojazdach są wyposażone w elektromechanicznie sterowany sworzeń blokujący (obok czerwonych strzałek, u góry po lewej stronie), który jest odporny na duże siły wyciągające. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Wejścia i złącza typu 1 i 2

Wejścia ładujące systemu CCS CHARX firmy Phoenix Contact są przeznaczone do kabli prądu stałego o przekroju do 95mm2, które mogą obsługiwać moc ładowania do 500kW. Model 1194398 może ładować z mocą 125kW podczas normalnej pracy i maksymalnie 250kW w trybie przyspieszonym (ilustracja 6). Wejście systemu CCS typu 1 jest przeznaczone do użytku w trybach ładowania 2, 3 i 4. Zawiera łańcuchy czujników temperatury PTC na stykach prądu zmiennego i czujniki Pt1000 na stykach prądu stałego.

Ilustracja 6: model 1194398 wejścia typu 1 ładowania pojazdów systemu CSS firmy Phoenix Contact do ładowania prądem zmiennym lub stałym może dostarczyć moc 125kW przy normalnej pracy i maksymalnie 250kW w trybie przyspieszonym. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

W przypadku większego zapotrzebowania na moc, wejście 1162148 firmy Phoenix Contact potrafi obsługiwać moc ładowania 500kW w trybie przyspieszonym i 250kW w trybie normalnym. Transmisja sygnału cyfrowego z modulacją szerokości impulsu (PWM) jest realizowana z wykorzystaniem komunikacji linii zasilającej zgodnie z normą ISO/IEC 15118 i normą DIN SPEC 70121. Zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +60°C.

W sytuacjach wymagających wtyczki prądu zmiennego typu 1 systemu CCS do ładowania poziomu 2 można używać modelu 2267220-3 firmy TE Connectivity AMP Connectors (ilustracja 7). To złącze o znamionowym napięciu 240V_~ i natężeniu 32A jest wyposażone w trzy styki zasilania i dwa styki sygnałowe. Posiada rozszerzony zakres temperatur roboczych od -55°C do +105°C, a jego przewidywana żywotność sięga 10 tys. cykli łączenia.

Ilustracja 7: złącze typu 1 systemu CCS do ładowania pojazdów elektrycznych z pokazanym systemem blokowania ręcznego (lewa strona złącza). (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Zespoły kablowe dla ładowarek do pojazdów elektrycznych firmy Adam Tech są wyposażone we wtyczki typu 1 i 2, posiadają kable o długości 3m (9,84ft) lub 5m (16,4ft.) oraz są dostępne ze stopniami ochrony IP54 lub IP55. Na przykład złącze typu 2 CA #EV03AT-004-5M posiada kabel 5m i stopień ochrony IP55 (ilustracja 8). Posiada pięć styków zasilania i dwa styki sygnałowe, a jego napięcie znamionowe wynosi 480V_~ przy natężeniu 16A i temperaturze roboczej od -30°C do +50°C.

Ilustracja 8: złącza CA #EV03AT-004-5M typu 2 do systemu CCS mają napięcie znamionowe 480V_~ przy natężeniu 16A (źródło ilustracji: Adam Tech)

Uwagi dotyczące specyfikacji systemów CCS

Ogólna charakterystyka mechaniczna i elektryczna wlotów i złączy do ładowania pojazdów w kombinowanych systemach ładowania CCS jest ujednolicona, jednak przy określaniu tych urządzeń należy pamiętać o kilku zagadnieniach:

Stopień ochrony IP: określa się na kilka sposobów - w stanie podłączenia, odłączenia bez osłony i odłączenia z osłoną. Niektóre nieosłonięte wtyczki mają stopień ochrony IP20, co oznacza, że są zabezpieczone przed dotykiem i kurzem lub zanieczyszczeniami o rozmiarach powyżej 12mm. Nie są jednak chronione przed płynami i są podatne na uszkodzenia w przypadku kontaktu z rozpyloną wodą. Stopnie ochrony IP54, IP55 i IP65 są często spotykane dla wtyczek systemu CCS z osłoną lub w stanie podłączenia. Stopień IP65 zapewnia wyższą wodoszczelność w porównaniu z IP54, ale taką samą jak IP55. Urządzenia ze stopniem ochrony IP54 i IP55 są mniej odporne na kurz niż urządzenia IP65.

Zakres temperatur roboczych: brak normy dla tego parametru. Popularne są zakresy takie jak od -30°C do +50°C i od -40°C do +60°C, jednak dostępne są również zakresy rozszerzone, takie jak od -55°C do +105°C (patrz wspomniany wcześniej model 2267220-3 firmy TE Connectivity).

Komponenty do pomiaru temperatury: normy określają zastosowanie czujników o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) dla styków prądu zmiennego i czujników Pt1000 dla styków prądu stałego. Informacje z arkuszy danych mogą być tutaj mylące. W przypadku urządzeń prądu zmiennego czasami wspomniane czujniki nazywa się „PTC”, a czasami „łańcuchem PTC” Prawidłowa nazwa to „łańcuch PTC”, ponieważ czujnik PTC znajduje się na każdym styku. Jeśli w arkuszu danych jest mowa o zwykłym czujniku „PTC”, projektanci powinni potwierdzić, czy stosowany jest „łańcuch PTC”. W przypadku czujnika Pt1000 niektóre arkusze danych podają czujnik Pt100, który jest mniej czuły i nie spełnia standardów systemów CCS. Powszechnym błędem jest nazywanie czujnika Pt1000 czujnikiem Pt100, który wynika z tego, że czujniki „100” są znacznie częściej stosowane niż „1000.” Projektanci powinni sprawdzić, czy jest to rzeczywiście Pt1000 i czy na każdym styku zastosowano jeden taki czujnik.

Podsumowanie

Szybkie ładowanie akumulatorowych pojazdów elektrycznych (BEV) prądem zmiennym i stałym pozwala poradzić sobie z obsługą coraz większych pojemności akumulatorów w pojazdach elektrycznych i zapotrzebowaniem na większe zasięgi jazdy. Szybkie ładowanie prądem zmiennym jest stosowane w przypadku akumulatorów pojazdów elektrycznych, które pokonują stosunkowo niewielkie odległości. Zamiast tego można zastosować szybkie ładowanie prądem stałym o wyższej mocy, które w ciągu kilku minut pozwala doprowadzić akumulator pojazdu elektrycznego do 80% pełnego poziomu naładowania, spełniając wymagania związane z jazdą na duże odległości. Bezpiecznym, inteligentnym i wydajnym sposobem na połączenie szybkiego ładowania prądem zmiennym i stałym w zastosowaniach motoryzacyjnych i innych są kombinowane systemy ładowania (CCS).

Rekomendowane artykuły

1. Szybkie i skuteczne wdrażanie elastycznych systemów ładowania pojazdów elektrycznych