Hvordan man anvender en række stik til at understøtte en omfattende infrastruktur til opladning af elbiler

Der vil være behov for en allestedsnærværende opladningsinfrastruktur for at støtte den kommende kraftige stigning i brugen af elektriske køretøjer (EV). Designere udfordres til at udvikle en bred vifte af infrastrukturløsninger til brug i boliger, hoteller, butikker og restauranter, kommercielle og industrielle områder, parkeringshuse, tankstationer, rastepladser og andre steder med altid tilgængelig og praktisk opladning af elbiler. I nogle tilfælde vil brugerne have den luksus at have tid og kun have brug for nogle få kilowatt (kW) vekselstrøm (AC) til opladning i en længere periode. Under andre omstændigheder vil tiden være afgørende, og brugerne vil kræve hundredvis af kW jævnstrøm (DC) til at oplade elbiler på få minutter.

Designere har brug for forskellige tilslutningsmuligheder, der kan håndtere AC med lav effekt, DC med høj effekt og en række effektniveauer derimellem. Disse stik skal være ergonomiske for at give brugeren bekvemmelighed, og de skal være robuste og enkle at installere for at opfylde EV-producenternes behov for omkostningseffektive og pålidelige løsninger. Opladningshåndtag og strømindtag skal opfylde kravene i standarden for kombinerede opladningssystemer (CCS), SAE J1772 og IEC 62196.

I denne artikel gennemgås de tekniske krav til opladere til elbiler i en række forskellige miljøer, fra AC-opladere med lav effekt i boliger til høj effektopladere (HPC) på forskellige kommercielle steder, herunder de elektriske ydeevne- og grænsefladestandarder og behovet for væskekøling i HPC-installationer. Derefter præsenteres en række AC- og DC-opladningsindgange, håndtag og kabelsystemer fra Phoenix Contact, der opfylder behovene for alle typer af EV-opladere, samt et væskekølesystem til HPC-kabler og -stik.

Der er blevet udviklet standarder for opladning af elbiler og tilsvarende stik i Nordamerika, Europa og Kina. Standarderne i Nordamerika og Europa er relateret til begge baseret på CCS-standarden (Combined Charging System), som kombinerer AC- og DC-opladning i et enkelt indtag på køretøjet. CCS type 1-stik er fremherskende i Nordamerika og Korea, og CCS type 2-stik findes i Europa, Mellemøsten, Sydafrika, Sydamerika, Australien, New Zealand og nogle andre områder. Kina er gået sin egen vej med GB/T-standarden, der kræver separate indgange til AC- og DC-opladning (figur 1).

Figur 1: Standarder for opladning af elbiler er blevet udviklet på regionalt plan i Nordamerika, Europa og Kina. (Billedkilde: Phoenix Contact)

CCS-typer

Der findes to versioner af CCS-standarden, type 1 og type 2. Type 1 opfylder SAE J1772- og IEC 62196-3-standarderne og er udviklet til det nordamerikanske marked. Strukturen af AC- og DC-opladningsstikkene er kompatibel med et fælles CCS-køretøjsindtag.

Type 2 opfylder også IEC 62196-3, men ikke SAE J1772. Det blev oprindeligt udviklet i Europa og er som nævnt ovenfor blevet indført i flere regioner. Type 2 AC- og DC-opladningsstik er også kompatible med et fælles CCS-køretøjsindtag.

GB/T 20234 opladningsstandarden anvendes kun i Kina. I dette tilfælde har AC- og DC-stikkene forskellige grænseflader og kræver, at der anvendes separate indgange på køretøjet.

Figur 2: Eksempler på CCS type 1 (til venstre), CCS type 2 (i midten) og GB/T (til højre) strømindtag til opladning af elbiler. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Opladningstilstande

Ud over de fysiske forskelle mellem CCS type 1- og type 2-stik anvendes der forskellige opladningsformer i Nordamerika og Europa. Ved lavere effekttilstande bruges den indbyggede EV-oplader, mens højere effekttilstande er afhængige af eksterne opladere. Desuden kan højere effektniveauer have større termiske udfordringer og drage fordel af temperaturovervågning med større nøjagtighed.

Den nordamerikanske SAE J1772-standard anerkender tre tilstande eller niveauer:

• Niveau 1 er primært beregnet til boliger og bruger 120 volt vekselstrøm (Vac) til at levere op til ca. 1,9 kilowatt (kW).
• Niveau 2 anvender højere spænding 208/240 enfaset AC. Det kaldes "hurtig AC-opladning" og kan levere ca. 19 kW til den indbyggede EV-oplader.
• Niveau 3 er DC-opladning ved hjælp af en ekstern DC-oplader. Den grundlæggende specifikation er for 600 V_DC ved op til 400 ampere (A) for maksimalt 240 kW. Avancerede konstruktioner kan levere 1 kilovolt DC (kV_DC) og 500 A for i alt 500 kW.

Fire opladningstilstande er defineret i IEC 61851-1. Tilstand 1, 2 og 3 bruger EV'ens indbyggede oplader:

• Tilstand 1 og 2 er til opladning på AC med lav effekt. Mode 1-kabler tilsluttes direkte til stikkontakten, og den tilgængelige strøm er begrænset. Mode 2 tilsluttes også direkte til AC-nettet, men tilføjer en kontrol- og beskyttelsesanordning i kablet for at levere op til 15 kW med trefaset AC sikkert.
• Mode 3 er hurtig AC-opladning og bruger en ladestation til at levere op til 120 kW AC-strøm. Niveau 3-opladere kan eventuelt omfatte en HLC-protokol (High Level Communications) mellem den eksterne AC-lstrømskilde og den indbyggede oplader til styring af opladningen.
• Mode 4 er hurtig DC-opladning og kan levere flere hundrede kilowatt direkte til batteriet. HLC er påkrævet i tilstand 4 for at give den feedback, der er nødvendig for at styre opladeren.

Termisk beskyttelse

Der er termisk beskyttelse i både AC- og DC-opladerkabler. Ved AC-opladning op til 80 A er det almindeligt med en termistorkæde med positiv temperaturkoefficient (PTC). Den består af en kæde af enheder, med en på hver kontakt. Overvågning af modstandsværdierne sikrer en sikker nedlukning, hvis grænsetemperaturen overskrides.

Pt1000-sensorer med højere nøjagtighed anvendes på kontakterne i højkapacitetsopladere for at sikre hurtig reaktion og gøre det muligt for systemet at fungere konstant ved høje effektniveauer.

AC-indtag og kabler

Til designere af AC-opladningssystemer tilbyder Phoenix Contact et komplet sortiment af universelle opladningsindgange, der kan acceptere AC- eller DC-indgange, og dedikerede AC-indgange, der opfylder kravene til Type 1 i Nordamerika og Type 2 i Europa og er velegnede til køretøjer, der ikke kræver DC-opladning. Disse enheder omfatter et 2 meter langt strømkabel og 1 meter lange kabler til låseaktuatoren, temperatursensoren og kommunikation. De har låsemekanismer, temperatursensorer og støvhætter. Eksempler på kabler til brug i IEC 62196-2 og SAE J1772 Type 1-applikationer omfatter:

• Model 1271960 indgang til opladning af køretøjer kan håndtere op til 12 kW enfaset AC. Dette indtag er beregnet til over 10.000 indsættelses-/udtagningscyklusser.
• Ved højere effekt kan model 1271836 anvendes, der er beregnet til op til 20 kW enfaset AC. Der medfølger en låseaktuator og en beskyttelseskappe.

Phoenix Contact tilbyder også en række AC-opladningskabler, herunder:

• Model 1277166 til brug med SAE J1772 Type 1 køretøjsladere. Den har et køretøjsopladningsstik i den ene ende og er åben i den anden ende til fast montering af en permanent oplader. Den omfatter PTC-kædetemperaturføling og kan håndtere op til 20 kW enfaset AC. Den omfatter et 25 fod langt kabel (Figur 3).
• Model 1627692 mobilt AC-ladekabel med et køretøjsladestik til Type 2-indgange i den ene ende og et infrastruktur-AC-stik i den anden ende til brug med Type 2- IEC 62196-2-ladere. Denne kabelsamling kan levere op til 26,6 kW 3-faset AC indeholder kontakter til HLC-forbindelser og er 5 m lang.

Figur 3: Mobil AC-opladningskabel med en kapacitet på 20 kW. (Billedkilde: Phoenix Contact)

DC-opladerkabler

Phoenix Contact tilbyder sin CCS C-Line af DC-ladekabler til opladningssystemer med middelstor effekt, der anvendes i private boliger, lejlighedskomplekser, virksomheder og parkeringsfaciliteter. Disse kabler fås i type 1- og type 2-design, og samlingerne har et køretøjsladningsstik med temperatursensorer i den ene ende og åbne kabelforbindelser i den anden ende. Eksempler på type 1-design omfatter:

• Den 5 m lange model 1105880, der er beregnet til 40 kW
• Den 7 m lange model 1236563 med en kapacitet på 80 kW (figur 4)

Figur 4: Dette DC-pladningsstik er beregnet til 80 kW og har et 7 m langt kabel. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Universel opladningsindgang

Model 1210900 universalopladerindgang fungerer med AC- og DC CCS Type 1, IEC 62196-2 og IEC 62196-3-stik, der er beregnet til op til 200 A og 1 kV_DC eller 80 A og 250 Vac enfaset. DC-kontakterne har to PT1000 termiske sensorer, og AC-kontakterne har en PTC-kæde termisk sensorordning.

500 kW DC-kabelsystem

Designere af højtydende mode 4 HPC DC-opladningssystemer kan henvende sig til kabelsystemet 1085658, der omfatter et væskekølet køretøjsstik og kabel, der kan levere op til 500 A ved 1 kV_DC. Den opfylder kravene i CSS Type 1, SAE J1772 og IEC 62196-3-1. Systemet omfatter sensorer til temperaturovervågning, kabelbrud og lækager af kølemiddel (Figur 5). Temperaturovervågning er implementeret med to NTC'er til DC-kontakterne og to NTC'er til DC-strømkablerne i kablet.

Figur 5: Denne højtydende DC-opladningskabel er et komplekst system. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Phoenix Contact tilbyder også en selvstændig køleenhed sammen med disse DC-opladerkabler. Den omfatter en ventilator og pumpe med variabel hastighed for at levere optimeret køling til højeffektive DC-opladningssystemer (Figur 6). Pumpen og ventilatoren fungerer fra 0 V_DC til 10 V_DC, ventilatoren bruger højst 1,97 A, og pumpen bruger op til 1,8 A. Køleopløsningen er en blanding af 50 % vand og 50 % glykol. Kablerne og ledningerne er 1,5 meter lange. Når systemet kombineres med 1085658 kabler, har det en kølekapacitet på 600 W for 3 m kabler, 800 W for 4 m kabler, 900 W for 5 m kabler og 1050 W for 6 m kabler.

Figur 6: Væskekølesystem til højtydende DC-opladningskabler. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Sammenfatning

Der vil være behov for en bred vifte af opladere og effektniveauer for at tilvejebringe den omfattende opladningsinfrastruktur, der er nødvendig for at sikre en bred udbredelse af elbiler. Designerne skal udvikle opladerdesigns fra 1,9 kW AC-opladere med lav effekt, der bruger det interne batteriopladekredsløb til HPC 500 kW DC-opladere med væskekølede kabler, der omgår det interne opladekredsløb og oplader batterierne direkte. Mellem disse ekstremer vil der være behov for en bred vifte af opladereffektniveauer og opladningsformer for at understøtte altid tilgængelig opladning af elbiler i private boliger og lejlighedsbygninger, hoteller, butikker og restauranter, kommercielle og industrielle områder, parkeringshuse, tankstationer, rastepladser og andre steder.