Bruk CCS-kontakter til å forenkle implementeringen av sikre hurtigladesystemer for elbiler

Bruken av elektriske kjøretøy (EV – electric vehicle) vokser på tvers av en rekke bruksområder, fra landbruk og formannskap til forbrukere, mye takket være den pågående reduksjonen av «rekkeviddeangst». Selv om avansert batteriteknologi muliggjør høyere batterikapasitet per volumenhet – og dermed lengre kjørerekkevidder – er nytten av slike fremskritt begrenset hvis det tar for lang tid å lade batteriet. Dette har lagt byrden på bilselskaper og komponentleverandørene deres til å raskt ta i bruk hurtiglademetoder.

En av de viktige komponentene i lading er kontaktene. De må nå være i stand til å håndtere opptil 500 kilowatt (kW) ved opptil 1000 volt likespenning (DC), og samtidig romme vekselstrømskilder (AC). De må også oppfylle kravene i IEC 62196- og SAE J1772-standardene for sikker og intelligent hurtiglading. For å tilfredsstille alle kravene til elektriske kjøretøysystemer og systemer som ikke involverer kjøretøy, kan konstruktører av BEV-systemer velge kontakter som oppfyller spesifikasjonene til CCS (Combined Charging System).

Denne artikkelen gjennomgår de grunnleggende elbil-ladenivåene og -modusene, og går deretter videre til kravene til CCS-kontakter, som omfatter en sammenligning av CCS type 1-, CCS type 2- og kinesiske GB/T-kontakter. Den avslutter ved å ta for seg utvidede egenskaper som tilbys av noen leverandører, for eksempel bredere driftstemperaturområder og høyere nivåer av inntrengningsbeskyttelse (IP – ingress protection), noe den gjør ved å presentere noen eksempler på CCS-kontakter fra Phoenix Contact, TE Connectivity og Adam Tech.

Kombinert ladesystem (CCS) for elbil

CCS-kjøretøyinntaket er konstruert for å håndtere både vekselstrøms- og likestrømskontakter. Vekselstrømshurtiglading er gunstig når kjøretøyet parkeres over lengre perioder i en garasje eller på en parkeringsplass, og hurtig likestrømslading brukes når den parkeres i korte perioder utenfor butikker, på rasteplasser og ved dedikerte ladestasjoner (figur 1).

Figur 1: Ett enkelt CCS-kjøretøyinntak kan støtte både vekselstrøms- og likestrømshurtiglading. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Ladenivåer og -moduser for elbiler

Klassifiseringer for lading av elbiler omfatter: ladenivåer, lademoduser, ledningskapslinger og, når det gjelder CCS, ladekontakttyper. I USA anerkjenner SAE J1772 tre ladenivåer:

• Nivå 1 bruker 120 V_AC og er begrenset til ca. 1,9 kW. Nivå 1 er treg.
• Nivå 2-lading bruker 208/240 V_AC enfaset strøm. Den kan forsyne opptil ca. 19 kW med en 240 V_AC-kilde. Nivå 2 er «hurtig vekselstrømslading» som lader tre til sju ganger raskere enn nivå 1. Nivå 1 og 2 gir strøm til den innebygde elbilladeren.
• Nivå 3 er hurtig likestrømslading som bruker en ekstern likestrømslader til å forsyne 600 V_DC ved 400 ampere (A), noe som gir en total effekt på 240 kW. Avanserte likestrømshurtigladere kan forsyne 500 kW (1000 V_DC ved 500 A).

I Europa definerer IEC 61851-1 fire moduser for elbil-lading:

• Modus 1-lading bruker en enkel kabel som er plugget direkte i en stikkontakt. Den har lavt energiforbruk og brukes sjelden.
• Modus 2 kobler seg også direkte til en stikkontakt, men legger til integrert beskyttelse som kalles en styrings- og beskyttelsesenhet for kabler (IC-CPD – in-cable control and protection device). Modus 2 er sikrere enn modus 1, men støtter bare lading på opptil ca. 15 kW med trefaset strøm.

Modus 3 og 4 er hurtigladende:

• Modus 3 bruker en dedikert ladestasjon (også kalt EVSE, kort for EV Supply Equipment) for å forsyne opptil 120 kW AC. Modus 1, 2 og 3 bruker elbilens innebygde lader til å styre batteriladingen.
• Modus 4 refererer til hurtig likestrømslading. Den innebygde elbilladeren er forbikoblet, og EVSE forsyner strøm direkte til batteriet via en likestrømskontakt. Flere hundre kW kan forsynes med modus 4. Selv om energitilbakekobling med en kommunikasjonsprotokoll på høyt nivå (HLC – high-level communication) og ladestyring er mulig i modus 3, er det nødvendig i modus 4.

Kontakttyper, moduser og brukstilfeller

CCS er standardisert i SAE J1772 med kontakttype 1 i Nord-Amerika, og i IEC 62196 med kontakttype 2 i Europa. HCl-grensesnittet mellom elbilen og EVSE-en er basert på ISO/IEC 15118 og DIN SPEC 70121. Det er tre mulige elbil-til-strøm-tilkoblinger; brukstilfellene A, B og C.

I brukstilfelle A er kabelen permanent koblet til elbilen, og kobles til strømkilden etter behov. Brukstilfelle A brukes ikke i CCS. Brukstilfelle B og C brukes med CCS, og med den tilsvarende kinesiske standarden kalt GB/T (figur 2). Når strømkabelen er avtakbar i begge ender, er det brukstilfelle B. Hvis kabelen er permanent koblet til EVSE, er det brukstilfelle C. Lademodus 3 kan bruke enten brukstilfelle B eller C. Lademodus 4 bruker bare brukstilfelle C.

Figur 2: Sammenligning av CCS type 1 (Nord-Amerika), type 2 (Europa) og GB/T (Kina) kontakttyper, moduser og brukstilfeller. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Temperaturovervåking og aktiv kjøling

Overvåking av kontakttemperaturen er viktig i hurtigladingssystemer. I henhold til IEC 62196 kan ikke temperaturøkningen ved kontaktene overstige 50 °C. HCL-grensesnittet mellom elbilen og EVSE-en brukes til å kommunisere temperaturdataene. Hvis temperaturen øker for mye, vil EVSE-en redusere eller stanse ladingen. Når det gjelder CCS-kontakter for vekselstrømslading, overvåker termistorer med positiv temperaturkoeffisient (PTC – positive temperature coefficient) temperaturen, slik det er påkrevd i DIN 60738. Ladingen stanser hvis kontakten blir for varm (figur 3). For hurtig likestrømslading krever DIN 60751 to Pt1000-sensorer, én på hver kontakt. En Pt1000 har en motstand som øker lineært med stigning i temperatur.

Figur 3: En PTC-temperatursensor slår av vekselstrømslading for å hindre at temperaturen overskrider sikre nivåer (venstre). For hurtig likestrømslading muliggjør Pt1000-sensoren kontinuerlig overvåking av temperaturen (høyre). (Bildekilde: Phoenix Contact)

Temperaturovervåking, kombinert med aktiv kjøling, er nødvendig i systemer som forsyner ladestrømmer på over 250 A (figur 4). Med en aktiv kjølekonstruksjon kan CCS-kontakter forsyne opptil 500 kW (500 A ved 1000 V_DC). I tilfeller der omgivelsestemperaturen øker uventet eller en overbelastning oppstår, gjør temperaturovervåking det mulig for systemet å øke kjølehastigheten eller redusere ladehastigheten for å holde temperaturøkningen i kontaktene under spesifikasjonsgrensen på +50 °C.

Figur 4: Aktiv kjøling kombinert med temperaturføling kan støtte full lading på 500 A og opprettholde en kontakttemperaturstigning på under +50 °C. (Bildekilde: Phoenix Contact (modifisert av forfatter))

Integrerte låsemekanismer

Låsemekanismer er integrert i CCS-kontaktsystemer. Låsemekanismen i type 1-kontakter er en manuell klippemekanisme. I type 2-kontakter oppnås låsing ved å bruke en elektromagnetisk aktivert metallbolt (figur 5). Låsen styres og tilstanden kommuniseres til EVSE-en gjennom en separat tilkobling.

Figur 5: CCS-kjøretøyets inntak er utstyrt med en elektromekanisk styrt låsebolt (ved siden av røde piler, øverst til venstre) som er konstruert for å motstå høye uttrekkskrefter. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Inntak og kontakter av type 1 og 2

CHARX CCS-ladeinntakene fra Phoenix Contact har DC-kabeltverrsnitt på opptil 95 kvadratmillimeter som kan støtte ladehastigheter på opptil 500 kW. Modellen 1194398 kan forsyne lading på 125 kW under normal drift og opptil 250 kW i opptransformeringsmodus (boost mode) (figur 6). Dette CCS type 1-inntaket er konstruert for bruk i lademodus 2, 3 og 4. Den omfatter en PTC-kjedetemperatursensor på vekselstrømskontaktene og Pt1000-sensorene på likestrømskontaktene.

Figur 6: Ladeinntakmodellen 1194398 CCS type 1, for lading av kjøretøy med vekselstrøm eller likestrøm, kan forsyne 125 kW under normal drift og opptil 250 kW i opptransformeringsmodus. (Bildekilde: Phoenix Contact)

For høyere strømbehov, støtter Phoenix Contact sitt 1162148-ladeinntak for kjøretøy en ladehastighet på 500 kW i avbruddsmodus (burst mode) og 250 kW i normal drift. Digital signaloverføring ved å bruke pulsbreddemodulasjon (PWM) implementeres med kommunikasjon over strømledning i henhold til ISO/IEC 15118 og DIN SPEC 70121. Den har også et driftstemperaturområde fra –40 °C til +60 °C.

Konstruksjoner som trenger en CCS type 1-vekselstrømsplugg for nivå 2-lading, kan bruke 2267220-3-modellen fra TE Connectivity AMP Connectors (figur 7). Denne kontakten er klassifisert for 240 V_AC og 32 A, og den har tre strømkontakter og to signalkontakter. Den har et driftstemperaturområde fra –55 °C til +105 °C, og den er klassifisert for 10 000 tilkoblingssykluser.

Figur 7: CCS type 1-ladekontakt for elbil som viser det integrerte manuelle låsesystemet (venstre side av kontakten). (Bildekilde: TE Connectivity)

Adam Tech sine laderkabelmoduler for elbiler inkluderer type 1- og type 2-plugger med kabellengder på 3 meter (m) (9,84 fot) eller 5 m (16,4 fot), og er tilgjengelig med inntrengningsbeskyttelse (IP) på IP54 eller IP55. For eksempel er CA #EV03AT-004-5M en type 2-kontakt med 5 m kabel og IP55-klassifisering (figur 8). Den har fem strømkontakter og to signalkontakter og er klassifisert for 480 V_AC ved 16 A, og den har et driftstemperaturområde fra –30 °C til +50 °C.

Figur 8: CA #EV03AT-004-5M CCS type 2-kontakter er klassifisert for 480 V_AC ved 16 A. (Bildekilde: Adam Tech)

CCS-spesifikasjoner som må tas hensyn til

De generelle mekaniske og elektriske egenskapene til CCS-ladeinntaket og -kontaktene for kjøretøy er standardisert, men det er noen områder konstruktører må være oppmerksomme på når de spesifiserer disse enhetene:

IP-klassifiseringer: Disse klassifiseringene er spesifisert på flere måter: Når de er koblet til, når de er frakoblet uten deksel og når de er frakoblet med deksel. Noen udekkede plugger er klassifisert IP20, noe som betyr at de er berøringssikre og vil være motstandsdyktige mot støv eller objekter som er over 12 mm store. De har imidlertid ingen beskyttelse mot væsker og vil være ømfintlige for skader hvis de kommer i kontakt med vannsprut. IP54-, IP55- og IP65-klassifiseringer er vanlig for CCS-plugger når de er dekket eller når de er plugget inn. IP65 har en høyere grad av vanntetting sammenlignet med IP54-enheter, men samme grad av vanntetting sammenlignet med IP55-enheter. IP54- og IP55-enheter har mindre motstandsdyktighet mot støv sammenlignet med IP65-enheter.

Driftstemperaturområde: Det finnes ingen standard for denne spesifikasjonen. Områder som –30 °C til +50 °C og –40 °C til +60 °C er vanlige, men utvidede områder som –55 °C til +105 °C er tilgjengelige (se 2267220-3 fra TE Connectivity ovenfor).

Komponenter for temperaturmåling: Dette er standardisert for vekselstrømskontaktene som bruker PTC-enheter og på likestrømskontaktene med Pt1000-sensorer. Formuleringer i databladet kan være forvirrende her. Vekselstrømsenheter nevner noen ganger bruken av «PTC» og noen ganger «PTC-kjede». Riktig betegnelse er «PTC-kjede» siden det er en PTC på hver kontakt. Hvis en enkel «PTC» nevnes i databladet, bør konstruktørene bekrefte at det er en «PTC-kjede» som skal brukes. Når det kommer til Pt1000-sensoren, nevner noen datablader en Pt100-sensor som er mindre følsom og som ikke oppfyller CCS-standardene. Det er en vanlig feil å kalle en Pt1000-sensor en Pt100-enhet siden «100» er mye mer brukt enn «1000». Konstruktører bør bekrefte at det faktisk er Pt1000, og at det er én på hver kontakt.

Konklusjon

BEV vekselstrøms- og likestrømshurtiglading støtter den økende kapasiteten til elbilbatterier og etterspørselen etter utvidede kjørerekkevidder. Vekselstrømshurtiglading brukes for elbiler som kjører relativt korte avstander. Alternativt kan høyere likestrømslading, som kan bringe et elbilbatteri til 80 % ladekapasitet på noen få minutter, støtte behovene for langkjøring. CCS tilbyr konstruktører en sikker, intelligent og effektiv måte å kombinere vekselstrøms- og likestrømshurtiglading på i kjøretøykonstruksjoner og konstruksjoner som ikke involverer kjøretøy.

Anbefalt lesing

1. Slik kan fleksible ladesystemer for elbiler implementeres på en rask og effektiv måte