Slik kan en rekke kontakter brukes for å støtte omfattende ladeinfrastruktur for elbiler

En allment utbredt ladeinfrastruktur vil være nødvendig for å støtte den kommende bølgen av elektriske kjøretøy (EV). Konstruktører utfordres til å utvikle et bredt utvalg av infrastrukturløsninger for bruk i boliger, hoteller, butikker og restauranter, kommersielle og industrielle steder, parkeringshus, bensinstasjoner, rasteplasser og andre steder, for å tilby praktisk lading av elektriske kjøretøy, som alltid er tilgjengelig. Noen ganger vil brukere ha god tid, så de trenger bare noen få kilowatt (kW) med ladeeffekt (AC – vekselstrøm) over en lengre tidsperiode. Under andre omstendigheter er det viktig for brukere at ladingen er raskere, så de vil ha behov for hundrevis av kW med ladeeffekt (DC – likestrøm) slik at de kan lade elbiler i løpet av noen minutter.

Konstruktører trenger ulike kontaktalternativer som kan håndtere lav vekselstrøm (AC), høy likestrøm (DC) og en rekke effektnivåer i mellom. Disse kontaktene må være ergonomiske for å være brukervennlige, og de må være robuste og enkle å installere for å støtte behovene til elbilprodusenter og gi kostnadseffektive og pålitelige løsninger. Ladehåndtakene og strøminntakene må oppfylle kravene i standarden for kombinerte ladesystemer (CCS – combined charging system), SAE J1772 og IEC 62196.

Denne artikkelen gjennomgår de tekniske kravene til elbiladere i en rekke omgivelser, fra AC-ladere med lav effekt i boliger til ladere med høy effekt (HPC – high power charging) på diverse kommersielle steder, inkludert standarder for elektrisk ytelse og grensesnitt og behovet for væskekjøling i HPC-installasjoner. Deretter presenterer den en rekke AC- og DC-ladeinntak, håndtak og kabelsystemer fra Phoenix Contact som støtter behovene til alle typer elbilladere, samt et væskekjølesystem for HPC-kabler og -kontakter.

Elbil-ladestandarder og tilknyttede kontakter har blitt utviklet i Nord-Amerika, Europa og Kina. Standardene i Nord-Amerika og Europa er begge basert på standarden for kombinerte ladesystemer (CCS – combined charging system), som kombinerer AC- og DC-lading i ett enkelt inntak på kjøretøyet. CCS Type 1-kontakter er utbredt i Nord-Amerika og Korea, og CCS Type 2-kontakter finnes i Europa, Midtøsten, Sør-Afrika, Sør-Amerika, Australia, New Zealand og noen andre områder. Kina har gått sin egen vei med GB/T-standarden, som krever separate inntak for AC- og DC-lading (figur 1).

Figur 1: Ladestandarder for elbiler har blitt utviklet på regionalt basis i Nord-Amerika, Europa og Kina. (Bildekilde: Phoenix Contact)

CCS-typer

Det er to versjoner av CCS-standarden, Type 1 og Type 2. Type 1 oppfyller SAE J1772- og IEC 62196-3-standardene og ble utviklet for det nordamerikanske markedet. Strukturen til AC- og DC-ladekontaktene er kompatibel med et vanlig CCS-kjøretøyinntak.

Type 2 oppfyller også IEC 62196-3, men ikke SAE J1772. Den ble opprinnelig utviklet i Europa og har blitt tatt i bruk i flere regioner, som nevnt ovenfor. Type 2 AC- og DC-ladekontakter er også kompatible med et vanlig CCS-kjøretøyinntak.

GB/T 20234-ladestandarden brukes bare i Kina. I dette tilfellet har AC- og DC-kontaktene forskjellige grensesnitt og krever at separate inntak brukes på kjøretøyet.

Figur 2: Eksempler på ladestrøminntak for elbiler: CCS Type 1 (venstre), CCS Type 2 (midten) og GB/T (høyre). (Bildekilde: Phoenix Contact)

Lademoduser

I tillegg til de fysiske forskjellene mellom CCS Type 1- og Type 2-kontakter, brukes forskjellige lademoduser i Nord-Amerika og Europa. Moduser med lavere effekt bruker den innebygde elbilladeren, mens moduser med høyere effekt er avhengige av eksterne ladere. I tillegg kan høyere effektnivåer ha større termiske utfordringer og dra nytte av temperaturovervåking med høyere nøyaktighet.

Den nordamerikanske SAE J1772-standarden gjenkjenner tre moduser eller nivåer:

• Nivå 1 er hovedsakelig beregnet for boliger og bruker 120 volt AC (Vac) til å forsyne opptil ca. 1,9 kilowatt (kW).
• Høyspent 208/240 enfaset AC brukes av nivå 2. Dette kalles «hurtig AC-lading» og kan forsyne ca. 19 kW til den innebygde elbilladeren.
• Nivå 3 er DC-lading som bruker en ekstern DC-lader. Den grunnleggende spesifikasjonen er for 600 V_DC ved opptil 400 ampere (A), noe som gir maksimalt 240 kW. Avanserte konstruksjoner kan forsyne 1 kilovolt DC (kV_DC) og 500 A, noe som gir totalt 500 kW.

Fire lademoduser er definert av IEC 61851-1. Modusene 1, 2 og 3 bruker elbilens innebygde lader:

• Modus 1 og 2 er for AC-lading med lav effekt. Modus 1-kabler plugges direkte inn i AC-stikkontakten, og den tilgjengelige strømmen er begrenset. Modus 2 kobler seg også direkte til strømnettet, men bidrar med en styrings- og beskyttelsesenhet i kabelen for å forsyne opptil 15 kW med trefaset vekselstrøm på en sikker måte.
• Modus 3 er rask AC-lading, og bruker en ladestasjon til å forsyne opptil 120 kW AC-strøm. Nivå 3-ladere kan etter valg inkludere en protokoll for kommunikasjon på høyt nivå (HLC – high-level communications) mellom den eksterne AC-kilden og den innebygde laderen for ladestyring.
• Modus 4 er hurtig DC-lading som kan forsyne flere hundre kilowatt direkte til batteriet. HLC er nødvendig i modus 4 for å kunne gi den nødvendige tilbakekoblingen som er nødvendig for ladestyring.

Termisk vern

Termisk vern tilbys i kabler for både AC- og DC-ladere. For AC-lading opptil 80 A, vil en termistorkjede med positiv temperaturkoeffisient (PTC) være vanlig. Den består av en enhetskjede, med én på hver kontakt. Overvåking av motstandsverdiene sørger for sikker avstengning hvis grensetemperaturen overskrides.

Pt1000-sensorer med høyere nøyaktighet brukes på kontaktene til ladere med høy effekt, for å sikre rask respons og gjøre det mulig for systemet å fungere stabilt ved høye effektnivåer.

Alternativer for AC-inntak og -kabling

For utviklere av AC-ladesystemer, tilbyr Phoenix Contact et komplett utvalg av universelle ladeinntak som håndterer enten AC- eller DC-innganger, og dedikerte AC-inntak som oppfyller kravene til Type 1 i Nord-Amerika og Type 2 i Europa, og som er egnet for kjøretøy som ikke krever DC-lading. Disse modulene omfatter en 2 meter lang strømkabel og 1 meter lange kabler for låseaktuatoren, temperaturføleren og kommunikasjon. De har låsemekanismer, temperatursensorer og støvhetter. Eksempler på kabler for bruk i IEC 62196-2 og SAE J1772 Type 1-konstruksjoner, inkluderer:

• 1271960-modellen, et kjøretøyladeinntak som kan håndtere opptil 12 kW enfaset vekselstrøm. Dette inntaket er klassifisert for over 10 000 innsettings-/uttrekkingssykluser.
• Konstruksjoner med høyere effekt kan bruke 1271836-modellen, som er klassifisert for enfaset vekselstrøm på opptil 20 kW. En låseaktuator og beskyttelseshette er inkludert.

Phoenix Contact tilbyr også en rekke AC-ladekabler, deriblant:

• 1277166-modellen, som er ment for bruk med SAE J1772 Type 1-billadere. Den har en elbilladekontakt i den ene enden og er åpen i den andre for festing til en permanent lader. Den inkluderer PTC-kjedevarmeavføling og kan håndtere enfaset vekselstrøm på opptil 20 kW. Den inkluderer en kabel på 7,6 meter (25 fot) (figur 3).
• 1627692-modellen, en mobil AC-ladekabel med en elbilladekontakt for Type 2-inntak i den ene enden og en AC-kontakt for infrastruktur i den andre for bruk med Type 2 IEC 62196-2-ladere. Denne kabelmodulen kan forsyne opptil 26,6 kW trefaset vekselstrøm, inkluderer kontakter for HLC-tilkoblinger og er 5 meter lang.

Figur 3: Mobil AC-ladekabelmodul klassifisert for 20 kW. (Bildekilde: Phoenix Contact)

DC-ladekabler

Phoenix Contact tilbyr CCS C-Line DC-ladekabler for mellomstore strømladingssystemer som brukes i private boliger, leilighetskomplekser, bedrifter og parkeringsfasiliteter. Disse kablene er tilgjengelige i Type 1- og Type 2-utforminger, og enhetene har en kjøretøyladekontakt med temperatursensorer i den ene enden og åpne kabelforbindelser i den andre. Eksempler på Type 1-utforminger omfatter:

• Den 5 meter lange 1105880-modellen er klassifisert for 40 kW
• Den 7 meter lange 1236563-modellen er klassifisert for 80 kW (figur 4)

Figur 4: Denne DC-ladekontakten er klassifisert for 80 kW og har en kabel på 7 meter. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Universalt ladeinntak

1210900-modellen er et universalt ladeinntak som fungerer med AC og DC CCS Type 1-, IEC 62196-2-, IEC 62196-3-kontakter, og er klassifisert for opptil 200 A og 1 kV_DC, eller 80 A og 250 Vac enfaset. DC-kontaktene har to PT1000-varmesensorer, og AC-kontaktene har en metode for PTC-kjedevarmeavføling.

500 kW DC-kabelsystem

Konstruktører av høyeffekt-modus 4 HPC DC-ladesystemer kan bruke 1085658-kabelsystemet som inkluderer en væskekjølt kjøretøykontakt og -kabel som kan forsyne opptil 500 A ved 1 kV_DC. Den oppfyller kravene til CSS Type 1, SAE J1772 og IEC 62196-3-1. Systemet omfatter sensorer for temperaturovervåking, kabelbrudd og kjølevæskelekkasjer (figur 5). Temperaturovervåking implementeres med to NTC-er for DC-kontaktene og to NTC-er for DC-strømledningene i kabelen.

Figur 5: Denne DC-ladekabelmodulen for høy effekt er et komplekst system. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Phoenix Contact tilbyr også en frittstående kjøleenhet med disse DC-ladekablene. Den inkluderer en vifte og pumpe med variabel hastighet for å levere optimalisert kjøling for ladesystemer med høy effekt (figur 6). Pumpen og viften er virksomme fra 0 V_DC til 10 V_DC, der viften bruker maksimalt 1,97 A og pumpen krever opptil 1,8 A. Kjølevæsken er en blanding av 50 % vann og 50 % glykol. Kablene og ledningene er 1,5 meter lange. Når systemet kombineres med 1085658-kablene, har det en kjølekapasitet på 600 W for kabler på 3 meter, 800 W for kabler på 4 meter, 900 W for kabler på 5 meter og 1050 W for kabler på 6 meter.

Figur 6: Væskekjølesystem for DC-ladekabler for høy effekt. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Sammendrag

Det vil være behov for et bredt utvalg av ulike typer elbilladere og effektnivåer for å kunne tilby den omfattende ladeinfrastrukturen som trengs for omfattende elbilbruk. Konstruktører må utvikle laderkonstruksjoner som spenner fra 1,9 kW AC-ladere med lavt effekt som bruker de interne laderkretsene i elbilbatterier, til HPC 500 kW DC-ladere med væskekjølte kabler som omgår de interne ladekretsene og lader batteriene direkte. Mellom disse ytterpunktene vil et bredt utvalg av ladereffektnivåer og lademoduser være nødvendig for å støtte «alltid tilgjengelig»-lading av elektriske kjøretøy i private boliger og leilighetsbygg, hoteller, butikker og restauranter, kommersielle og industrielle steder, parkeringshus, bensinstasjoner, rasteplasser og andre steder.