Kompakte CCS-kabler gir hurtig DC-hurtiglading på nivå 2

Praktisk og pålitelig lading er nødvendig for å eliminere «rekkeviddeangsten» forbundet med elektriske kjøretøyer (EV-er). For å støtte disse behovene, må designere av EVSE-infrastruktur (EVSE) inkludere en rekke ladealternativer, inkludert middels strøm, nivå 2, likestrøm (DC) hurtigladere i bolig-, kommersielle og detaljistinnstillinger som kan levere opptil 80 ampere (A); høy strøm, nivå 3, ultraraske ladere som kan levere opptil 500 A likestrøm (DC); og lavere strøm, nivå 1, vekselstrøm (AC) for lading over natten og nødlading.

DC-lading av elbiler er imidlertid komplekst. EVSE må kontinuerlig overvåke kontaktlåsen, systemisolasjon, ladespenning, ladestrøm og kontakttemperatur. Hvis noen av disse parametrene faller utenfor de angitte grensene, slår EVSE seg av. Det kan også være utfordrende å designe, montere og sikre den langsiktige mekaniske og elektriske integriteten til en kompakt kabel og kontakt for nivå 2 DC-ladere. Kabelen inkluderer 5 ledere: +DC, -DC, kommunikasjon, låsemonitor og beskyttelsesjord. Disse lederne må være pålitelig koblet til EVSE i den ene enden og kontakten for kompakt ladesystem (CCS) i den andre. Hvis noen av disse koblingene er defekte, vil EVSE sannsynligvis kreve dyrt og tidkrevende omarbeid for å sikre pålitelig drift.

For å løse bekymringer rundt montering av CCS-kontakter og kabler for nivå 2 EVSE-er, kan designere bruke forhåndsmonterte kompakte CCS-kontakter med tilkoblede kabler. Disse kabel- og koblingsenhetene er designet for bruk på steder der nivå 3-lading ikke er nødvendig, men raskere nivå 2 foretrekkes fremfor nivå 1. Disse kablene er tilgjengelige i Type 1 for Nord-Amerika og Type 2 for Europa, med Type 1 som oppfyller kravene i UL2251.

Denne artikkelen gjennomgår forskjellene mellom AC- og DC CCS-kontakter og kabler og sammenligner Level 2 og Level 3 DC CCS-kontakter når det gjelder størrelse og bekvemmelighet. Den diskuterer også flere brukstilfeller for CCS-kabelenheter med middels kraft, og presenterer deretter Type 1 og Type 2 CCS kompakte kabelenheter fraPhoenix Contact , sammen med installasjonsanbefalinger.

Forskjellen mellom AC og DC EV ladekabler

CCS standard ladeinntak er designet for å akseptere både AC- og DC-ladekontakter, noe som gir fleksibilitet samtidig som det forenkler EV-design. AC-lading er iboende lavere strøm og bruker kabler med pluggbare kontakter i begge ender (Figur 1). For DC-lading, som opererer på høyere effektnivåer, er ladekabelen alltid koblet til EVSE i den ene enden, med en kontakt i den andre enden som settes inn i kjøretøyets kontakt. I tillegg har DC-kontakter sikkerhetsfunksjoner som ikke finnes i deres AC-motstykker, inkludert låsemekanismer og temperaturovervåking.

Figur 1: Kabler for DC-lading er permanent festet til EVSE og er plugget inn i EV-kontakten. Kabler for AC-lading har plugger i begge ender. (Bildekilde: Phoenix Contact)

CCS-kontaktene for nivå 2 og nivå 3 DC-lading opp til 250 kilowatt (kW) er like i størrelse og kan brukes i et vanlig kjøretøyinntak. Den primære forskjellen er omtrent 50 % økning i kabeldiameteren for 250 kW-klassifiserte enheter for å bære de høyere effektnivåene, sammen med en tilsvarende økning i kabelvekt. Som et resultat av den mye mindre kabelen, er nivå 2-kontakten og kabelmonteringene vurdert for opptil 80 kW betydelig lettere og enklere å håndtere. Høyeffekt DC-lading på opptil 500 kW eller mer krever et annet kjøretøyinntak som støtter væskekjøling, samt en større kontakt og kabel (tabell 1).

Tabell 1: Størrelsessammenligning av type 2 CCS-kontakter og -kabler som er klassifisert for DC-ladere )(likestrømsladere) på 80 kW, 250 kW og 500 kW. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Låsemekanismer er integrert i CCS DC-ladekontaktsystemer for brukersikkerhet og for å sikre riktig drift av EVSE. Disse låsene er konstruerte for å motstå høye uttrekkskrefter, noe som gjør det nesten umulig å koble fra kontakten mens elbilen lades. Låsemekanismen i type 1-kontakter er en mekanisme med manuell klemme (klip). I type 2-kontakter oppnås låsing ved å bruke en elektromagnetisk aktivert metallbolt (figur 5). I begge tilfellene er låsemekanismen overvåket, tilstanden kommuniseres til EVSE-en gjennom dedikert tilkobling.

Figur 2: Type 1 CCS-kontakter inkluderer en manuelt betjent låseklemme. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Integrert temperaturføling er påkrevd i CCS DC-ladekontakter. Med nøyaktig temperaturovervåking direkte på strømkontaktene, kan ladeprosessen stoppes eller reduseres i tilfelle overoppheting, slik at brukeren besyttes mot fare, og EVSE beskyttes mot skade. Disse kontaktene inkluderer to PT1000-sensorer, en på hver kontakt (figur 3). Disse sensorene har en motstand som øker lineært med økning i temperaturen, noe som forenkler temperaturovervåkingen. Temperaturen kommuniseres til EVSE gjennom en signalledning i kabelen.

Figur 3: temperatursensorer PT1000 er påkrevd på CCS-kontaktkontaktene, for å overvåke driftstemperaturen og bidra til sikker lading. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Sikre tilkoblinger

Tilkoblingene inne i CCS-kontakten er spesielt viktige. De interne tilkoblingene til EVSE er ikke utsatt for betydelige mekaniske påkjenninger, men CCS-kontakten vil bli paret (innplugget) og separert (tatt ut) regelmessig, og kabelforbindelsene vil bli utsatt for gjentatte påkjenninger (figur 4). Feil festede koblingskabler kan føre til kontaktforringelse i form av økt motstand eller tap av kabelfeste, forårsaker overoppheting eller midlertidig tap av tilkobling av en eller flere ledere. Utilstrekkelig monterte koblingskabler vil føre til redusert pålitelighet av ladesystemet, brukermisnøye og mulige garantiutgifter for EVSE-produsenter.

Figur 4: Den lille størrelsen på kontaktene for mellomkraftig DC-lading gjør det utfordrende å sikre robuste og pålitelige kabelforbindelser. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Nivå 2-brukstilfeller

Nivå 2 DC-lading forventes å være populær der det trengs mer strøm enn det som kan leveres av AC-lading, og raskere nivå 3-lading er ikke nødvendig. EVSE-ene som bruker disse kompakte kontaktene oppfyller CCS-standarder, den mindre formfaktoren øker bekvemmeligheten og brukervennligheten. De forventes å bli funnet i en rekke utrustninger, inkludert:

Forstadsbolig: Nivå 2 DC-ladere bruker 240 volt AC (VAC) strøm og kan lade en batteripakke tre til syv ganger raskere enn en grunnleggende Level 1 AC-lader, avhengig av EV. En ekstra fordel er at for hjem med solcellepaneler, kan Dc-ladere (likestrømsladere) på nivå 2 overføre likestrøm direkte fra solcellepanelet, noe som eliminerer konverteringstap. I fremtiden, etter hvert som kjøretøy-til-nett (vehicle-to-grid – V2G) og kjøretøy-til-hjem (vehicle-to-home – V2H)-systemer blir vanligere, vil det være toveis nivå 2-ladere tilgjengelig som vil kontrollere reversstrømmen fra kjøretøyet til hjemmet eller nettet.

Flerfamilieboliger og urbane områder: Leilighetskomplekser og leilighetssamfunn tilbyr DC-ladere (likestrømsladere) på nivå 2 for beboere og besøkende. I tillegg inkluderer såkalt «right of way»-lading i urbane boligmiljøer ladere som betjener parkerte biler på gaten når det ikke er noen garasjer tilgjengelig. I begge tilfeller kan laderen gi en inntektsstrøm til EVSE-eieren og bekvemmelighet til EV-eiere i nabolaget.

Offentlige steder der biler samles: Nivå 2 DC-ladere (likestrømsladere) installeres på et økende utvalg av offentlige steder som shopping- og underholdningssentre, skoler og høyskoler, parkeringshus, sportsarenaer, bensinstasjoner og reparasjonsverksteder. Etter hvert som elbilsalget fortsetter å øke, finner man også likestrømsladere på nivå 2 hos bilforhandlere. Disse laderne brukes til å sikre at elbiler er fulladet før levering til kunder, og til å lade elbiler som er igjen for service.

Tilkoblingsløsninger for Dc-lading på nivå 2

Når det er nødvendig å lade strøm opp til 80 A, kan EVSE-designere bruke den lette CCS C-Line DC-ladekontakten og kabelenhetene fra Phoenix Contact. De er tilgjengelige med ulike kabellengder for type 1- og type 2-utrustninger. For eksempel har ladekabel 1236308 en Type 1-kontakt og en kabel som måler 4 meter lengde, og ladekabel 1236966 har en Type 2-kontakt og en kabel som er 7 m lang. Disse ergonomiske kontaktene oppfyller alle CCS-standarder i en liten formfaktor for å lette hurtigkoblinger og frakoblinger for bruk i en rekke ladeutrustninger for lading med lav effekt(figur 5). Om ønskelig kan de leveres med en firmalogo for å forbedre EVSE-merkevarebygging. Selv om de er små i størrelse, har de høy ytelse og inkluderer:

• Sølvbelagte kontakter for optimal ytelse og pålitelighet
• Integrerte sensorer for å overvåke temperaturen på strømkontaktene, samt integrerte låsemekanismer, i henhold til CCS-standarden
• Samsvar med din EN 50620, pluss ekstrudert isolasjon og hylser klassifisert opp til 750 volt for bruk i vanskelige miljøer når du kobler EVSE med EV
• Kompatibilitet med kravene i IATF 16949-standard for biler og ISO 9001

Figur 5: Den ergonomiske formen på CCS C-Line-kontaktene, pluss deres lavvekts-kabling, letter håndtering og bekvemmelighet. (Bildekilde: Phoenix Contact)

EVSE-integrasjon

For å støtte integreringen av C-Line-kabelsammenstillinger i EVSE-er, gir Phoenix Contact designere kontaktholdere og kabelgjennomføringer, inkludert1624143 kontaktholder og1424483 kabelgjennomføring for Type 1-kontakter, og1624153 koblingsholder og1411134 kabelgjennomføring for Type 2-kontakter. Installasjon av kontaktholdere på siden eller forsiden av EVSE gir et sikkert sted for en kontakt når den ikke er i bruk. Kontakten låses på plass, men kan enkelt tas ut. Holderen har fleksibiliteten til å monteres med 0˚ til 45˚ helling mot fronen. Bruk av en kabelskjøteskjold beskytter kabelen når den passerer gjennom veggen på EVSE, beskytter kabelen mot skade hvis brukeren trekker i den, og hindrer inntrengning av smuss og fuktighet i EVSE.

Figur 6: Koblingsholdere (venstre) og kabelgjennomføringer (høyre) for Type 2-kontakter letter integreringen av CCS C-Line-kontakt og kabelsammenstillinger i EVSE-er. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Konklusjon

Nivå 2 DC-lading kan gi et verdifullt alternativ til nivå 1-lading med lavere effekt. Utformingen av DC-ladekabler og kontakter kommer imidlertid med mange ytelses-, sikkerhets- og regulatoriske utfordringer. Som vist kan designere raskt takle mange av disse utfordringene, sammen med innebygde fordeler som lettere vekt og ergonomisk design, for større brukervennlighet.

Anbefalt lesing

1. Bruk toveis strømomformere og PFC for å forbedre HEV-, BEV- og virkningsgrad mot el-nettet
2. Slik kan fleksible ladesystemer for elbiler implementeres på en rask og effektiv måte