Kompakte CCS-kabler giver hurtig DC-opladning på niveau 2

Der er behov for bekvem og pålidelig opladning for at fjerne den bekymring om rækkevidde, der er forbundet med elbiler (EV). For at imødekomme disse behov skal designere af infrastruktur til EV-serviceudstyr (EVSE) omfatte en række forskellige muligheder for opladning, herunder hurtige opladere med middelstor effekt, niveau 2, jævnstrøm (DC) i boliger, erhverv og detailhandel, der kan levere op til 80 ampere (A), ultrahurtige opladere med stor effekt, niveau 3, der kan levere op til 500 A DC, og opladning med lavere effekt, niveau 1, vekselstrøm (AC) til opladning om natten og nødopladning.

Men DC-opladning af elbiler er kompliceret. EVSE'en skal løbende overvåge stikkelås, systemisolation, ladespænding, ladestrøm og temperatur på stikket. Hvis nogen af disse parametre falder uden for de fastsatte grænser, lukker EVSE'en ned. Det kan også være en udfordring at designe, samle og sikre den mekaniske og elektriske integritet på lang sigt af et kompakt kabel og stik til niveau 2 DC-opladere. Kablet har 5 ledere: +DC, -DC, kommunikation, låsemonitor og beskyttelsesjord. Disse ledere skal være pålideligt forbundet til EVSE'en i den ene ende og CCS-stikket (Compact Charging System) i den anden ende. Hvis en af disse forbindelser er defekt, vil det sandsynligvis være nødvendigt at foretage dyre og tidskrævende reparationer for at sikre pålidelig drift af EVSE'en.

For at løse problemerne med montering af CCS-stik og kabler til niveau 2 EVSE'er kan designere bruge færdigmonterede kompakte CCS-stik med fastmonterede kabler. Disse kabel- og stiksamlinger er designet til brug på steder, hvor der ikke er behov for opladning på niveau 3, men hvor hurtigere niveau 2 foretrækkes frem for niveau 1. Disse kabler er tilgængelig i type 1 til Nordamerika og type 2 til Europa, hvor type 1 opfylder kravene i UL2251.

I denne artikel gennemgås forskellene mellem AC- og DC CCS-stik og kabler og sammenlignes niveau 2 og Level 3 DC CCS-stik med hensyn til størrelse og bekvemmelighed. Den diskuterer også flere anvendelsestilfælde for mellemstore CCS kabelsamlinger og præsenterer derefter type 1 og type 2 CCS kompakte kabelsamlinger fra Phoenix Contact sammen med installationsanbefalinger.

Forskellen mellem AC- og DC-kabler til opladning af elbiler

CCS standard opladningsindtag er designet til at acceptere både AC- og DC-opladningsstik, hvilket giver fleksibilitet og samtidig forenkler designet af EV'er. AC-opladning har i sagens natur en lavere effekt og bruger kabler med stikbare stik i begge ender (Figur 1). Ved DC-opladning, som fungerer ved højere effektniveauer, er ladekablet altid forbundet til EVSE'en i den ene ende med et stik i den anden ende, som sættes i køretøjets koblingsstik. Desuden har DC-stik sikkerhedsfunktioner, som ikke findes i deres AC modstykker, herunder låsemekanismer og temperaturovervågning.

Figur 1: Kabler til DC-opladning er permanent fastgjort til EVSE'en og er tilsluttet til EV-koblingsstik. Kabler til AC-opladning har stik i begge ender. (Billedkilde: Phoenix Contact)

CCS-stikkene til niveau 2 og niveau 3 DC-opladning på op til 250 kilowatt (kW) har samme størrelse og kan bruges i et almindeligt køretøjsindtag. Den primære forskel er en stigning på ca. 50 % i kabeldiameteren for 250 kW-enheder for at kunne bære de højere effektniveauer, sammen med en tilsvarende stigning i kabelvægten. Som følge af det meget mindre kabel er niveau 2 stik og kabelsamlinger, der er beregnet til op til 80 kW, betydeligt lettere og nemmere at håndtere. Højtydende DC-opladning på op til 500 kW eller mere kræver et andet køretøjsindtag, der understøtter væskekøling, samt et større stik og kabel (tabel 1).

Tabel 1: Størrelsessammenligning af type 2 CCS-stik og kabler klassificeret til 80 kW, 250 kW og 500 kW DC-opladere. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Låsemekanismer er integreret i CCS-stiksystemer til DC-opladning af hensyn til brugerens sikkerhed og for at sikre korrekt drift af EVSE'en. Disse låse er designet til at modstå store udtrækningskræfter, hvilket gør det næsten umuligt at afbryde stikket, mens elbilen bliver opladet. Låsemekanismen i type 1 stik er en manuel klips, som vist i figur 2. I type 2 stikforbindelser sker låsningen ved hjælp af en metalbolt, der er elektromagnetisk styret. I begge tilfælde overvåges låsemekanismen, og dennes tilstand kommunikeres til EVSE'en via en dedikeret forbindelse.

Figur 2: CCS-stik type 1 omfatter en manuelt betjent låseclips. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Der kræves integreret temperaturmåling i CCS DC-opladningsstik. Med præcis temperaturovervågning direkte ved strømkontakterne kan opladningsprocessen stoppes eller bremses i tilfælde af overophedning for at beskytte brugeren mod fare og EVSE'en mod skader. Disse stik omfatter to PT1000-sensorer, en på hver kontakt (Figur 3). Disse sensorer har en modstand, der stiger lineært med stigende temperatur, hvilket forenkler temperaturovervågningen. Temperaturen overføres til EVSE'en via en signallinje i kablet.

Figur 3: PT1000-temperatursensorer er nødvendige på CCS-stikkontakterne for at overvåge driftstemperaturen og hjælpe med at sikre sikker opladning. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Sikre forbindelser

Forbindelserne inde i CCS-stikket er særligt vigtige. Forbindelserne internt i EVSE'en er ikke udsat for væsentlige mekaniske belastninger, men CCS-stikket vil blive sat sammen og frakoblet regelmæssigt, og kabelforbindelserne vil blive udsat for gentagne belastninger (figur 4). Ukorrekt fastgjorte stikkabler kan resultere i en forringelse af kontakten i form af øget modstand eller tab af kabelfastgørelse, hvilket kan medføre overophedning eller momentant tab af forbindelse af en eller flere ledere. Utilstrækkeligt monterede tilslutningskabler vil resultere i nedsat pålidelighed af opladningssystemet, utilfredshed hos brugerne og eventuelle garantiudgifter for EVSE-producenterne.

Figur 4: Den lille størrelse på stik til DC-opladning med middelstor effekt gør det vanskeligt at sikre robuste og pålidelige kabelforbindelser. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Niveau 2 anvendelsestilfælde

Niveau 2 DC-opladning forventes at blive populær, når der er behov for mere strøm, end der kan leveres af AC-opladning, og hurtigere niveau 3-opladning er ikke nødvendig. De EVSE'er, der bruger disse kompakte stik, opfylder CCS-standarderne, og den mindre formfaktor øger bekvemmeligheden og brugervenligheden. De forventes at blive fundet i en række forskellige applikationer, herunder:

Forstadskvarterer: Niveau 2 DC-opladere bruger 240 volt vekselstrøm (Vac) og kan oplade en batteripakke tre til syv gange hurtigere end en grundlæggende niveau 1 AC-oplader, afhængigt af EV'en. En ekstra fordel er, at niveau 2 DC-opladere til hjem med solpaneler kan overføre DC-strøm direkte fra solcelleanlægget, hvilket eliminerer tab af konverteringsstrøm. I fremtiden vil der i takt med at køretøj-til-net (V2G) og køretøj-til-hjem systemer (V2H) bliver mere udbredte, være tovejs niveau 2 opladere til rådighed, som styrer den omvendte strøm fra køretøjet til hjemmet eller nettet.

Multi-familiehuse og byområder: Lejlighedskomplekser og andelsboligforeninger tilbyder niveau 2 DC-opladere til beboere og besøgende. Desuden omfatter såkaldt "right of way"-opladning i beboelsesområder i byområder også opladere, der betjener parkerede biler på gaden, når der ikke er garager til rådighed. I begge tilfælde kan opladeren skabe en indtægtskilde for EVSE-ejeren og være til gavn for EV-ejere i nabolaget.

Offentlige steder, hvor biler samles: Niveau 2 DC-opladere installeres på et stigende antal offentlige steder, f.eks. indkøbs- og underholdningscentre, skoler og gymnasier, parkeringsanlæg, sportsarenaer, tankstationer og værksteder. Efterhånden som salget af elbiler fortsætter med at stige, finder man også niveau 2 DC-opladere hos bilforhandlere. Disse opladere bruges til at sikre, at elbilerne er fuldt opladet, inden de leveres til kunderne, og til at genoplade elbiler, der er efterladt til service.

Niveau 2 DC-stikløsninger

Når der er behov for op til 80 A opladningsstrøm, kan EVSE-designere bruge de lette CCS C-Line DC-opladningsstik og kabelsæt fra Phoenix Contact. De er tilgængelig med forskellige kabellængder til type 1- og type 2-applikationer. Opladekabel 1236308 har f.eks. et type 1-stik og et kabel med en længde på 4 meter (m), og kabler til opladning 1236966 har et type 2-stik og et kabel med en længde på 7 m. Disse ergonomiske stik opfylder alle CCS-standarder i en lille formfaktor for at lette hurtig tilslutning og frakobling til brug i en række lav-effekt opladningsapplikationer (Figur 5). Hvis det ønskes, kan de leveres med et firmalogo for at forbedre EVSE-branding. Selv om de er små i størrelse, er de højtydende og omfatter:

• Forsølvede kontakter for optimal ydeevne og pålidelighed
• Integrerede sensorer til overvågning af strømkontakternes temperatur samt integrerede låsemekanismer i henhold til CCS-standarden
• Overholdelse af DIN EN 50620, plus ekstruderet isolering og kapper med en nominel spænding på op til 750 volt til brug i barske miljøer ved tilslutning af EVSE til EV'et
• Kompatibilitet med kravene i IATF 16949-standarden for automobiler og ISO 9001

Figur 5: CCS C-Linergonomisk stikkernes ergonomiske form og deres lette kabler gør det nemt at håndtere og bekvemt. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Integration af EVSE

For at understøtte integrationen af C-Line kabelsamlinger i EVSE'er tilbyder Phoenix Contact designere stikholdere og kabelforskruninger, herunder 1624143-stikholder og 1424483-kabelforskruning til type 1-stik, og 1624153-stikholder og 1411134-kabelforskruning til type 2-stik. Ved at installere stikholderne på siden eller forsiden af EVSE'en får du et sikkert sted til stikket, når det ikke er i brug. Stikket låses på plads, men kan nemt fjernes. Holderen er fleksibel og kan monteres med en frontal hældning på 0˚ til 45˚. Brugen af en kabelforskruning beskytter kablet, når det passerer gennem væggen i EVSE'en, beskytter kablet mod skader, hvis brugeren trækker i det, og forhindrer, at snavs og fugt trænger ind i EVSE'en.

Figur 6: Stikholderne (til venstre) og kabelforskruningerne (til højre) til type 2-stik letter integrationen af CCS C-Line stik og kabelenheder i EVSE'er. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Konklusion

Niveau 2 DC-opladning kan være et værdifuldt alternativ til niveau 1 opladning med lavere effekt. Designet af kabler og stik til DC-opladning er imidlertid forbundet med mange udfordringer med hensyn til ydeevne, sikkerhed og lovgivning. Som det fremgår, kan designere ved at bruge standardkabel/stiksamlinger til opladning på niveau 2 hurtigt løse mange af disse udfordringer, sammen med indbyggede fordele som f.eks. lavere vægt og ergonomisk design, der giver større brugervenlighed.

Anbefalet læsning

1. Brug bidirektionelle strømkonvertere og PFC til at forbedre HEV-, BEV- og net-effektivitet
2. Hvordan man hurtigt og effektivt implementerer fleksible EV-opladningssystemer