Brug CCS-stik til at forenkle implementeringen af sikre hurtige opladningssystemer til elbiler

Brugen af elektriske køretøjer (EV'er) vokser på tværs af en række forskellige anvendelsesområder, fra landbrug og kommuner til forbrugere, i høj grad takket være den fortsatte reduktion af "rækkeviddeangst". Avancerede batteriteknologier giver mulighed for større batterikapacitet pr. volumenenhed - og dermed større rækkevidde - men nytten af sådanne fremskridt er begrænset, hvis det tager for lang tid at genoplade batteriet. Dette har lagt ansvaret på bilvirksomhederne og deres komponentleverandører til hurtigt at indføre metoder til hurtig opladning.

En af de kritiske komponenter i opladningen er stikkene. De skal nu kunne håndtere op til 500 kilowatt (kW) ved op til 1.000 volt DC, samtidig med at de også kan håndtere AC-kilder. De skal også opfylde kravene i IEC 62196- og SAE J1772-standarderne for sikker og intelligent hurtigopladning. For at opfylde alle krav til systemer til biler og andre systemer kan designere af BEV-systemer anvende stik, der opfylder specifikationerne for det kombinerede opladningssystem (CCS).

I denne artikel gennemgås de grundlæggende niveauer og tilstande for opladning af elbiler, og derefter gennemgås kravene til CCS-stik, herunder en sammenligning af CCS type 1, CCS type 2 og kinesiske GB/T-stik. Afslutningsvis gennemgås de udvidede muligheder, som nogle leverandører tilbyder, såsom bredere driftstemperaturområder og højere IP-klassificering (IP), ved hjælp af eksempler på CCS-stik fra Phoenix Contact, TE Connectivity og Adam Tech.

EV kombineret opladningssystem

CSS-køretøjsindtaget er designet til at modtage både AC- og DC-strømkontakter. Hurtig opladning på AC er fordelagtigt, når bilen parkeres i længere tid i en garage eller på en parkeringsplads, og hurtig opladning på DC bruges, når bilen parkeres i korte perioder i butikker, på rastepladser og på dedikerede opladningsstationer (figur 1).

Figur 1: Et enkelt CCS-køretøjsindtag kan understøtte både AC- og DC-quickladning. (Billedkilde: Phoenix Contact)

EV-opladningsniveauer og -tilstande

Klassificering af opladning af elbiler omfatter opladningsniveauer, opladningsformer, ledningstilstande og i tilfælde af CCS, typer af opladningsstik. I USA anerkender SAE J1772 tre opladningsniveauer:

• Niveau 1 bruger 120 V_AC strøm til private husholdninger og er begrænset til ca. 1,9 kW. Niveau 1 er langsomt.
• Niveau 2-opladning bruger 208/240 V_AC enfaset strøm. Den kan levere op til ca. 19 kW med en 240 V_AC-kilde. Niveau 2 er "hurtig AC-opladning" og oplader tre til syv gange hurtigere end niveau 1. Niveau 1 og 2 forsyner den indbyggede EV-oplader med strøm.
• Niveau 3 er hurtig opladning med DC og bruger en ekstern DC-oplader til at levere 600 V_DC ved 400 ampere (A) for en samlet effekt på 240 kW. Avancerede DC-quickladere kan levere 500 kW (1.000 V_DC ved 500 A).

I Europa definerer IEC 61851-1 fire former for opladning af elbiler:

• Ved opladning i tilstand 1 bruges et enkelt kabel, der sættes direkte i en stikkontakt. Den har lav effekt og bruges sjældent.
• Mode 2 kan også tilsluttes direkte til en stikkontakt, men tilføjer integreret beskyttelse, kaldet en IC-CPD (in-cable control and protection device). Mode 2 er mere sikker end Mode 1, men understøtter kun opladning op til ca. 15 kW med trefaset strøm.

Tilstand 3 og 4 er quick-opladning:

• Mode 3 bruger en dedikeret ladestation (også kaldet EV Supply Equipment eller EVSE) til at levere op til 120 kW AC. Tilstand 1, 2 og 3 bruger alle EV's indbyggede oplader til at styre batteriopladningen.
• Mode 4 henviser til hurtig DC-opladning. Den indbyggede EV-oplader er forbigået, og EVSE'en leverer strøm direkte til batteriet via et DC-stik. Der kan leveres flere hundrede kW med Mode 4. Mens energitilbagemelding ved hjælp af en kommunikationsprotokol på højt niveau (HLC) og opladningskontrol er mulig i tilstand 3, er det nødvendigt i tilstand 4.

Forbindelsestyper, -former og -tilfælde

CCS er standardiseret i SAE J1772 med stik type 1 i Nordamerika og i IEC 62196 med stik type 2 i Europa. HCL-grænsefladen mellem EV og EVSE er baseret på ISO/IEC 15118 og DIN SPEC 70121. Der er tre mulige forbindelser mellem EV og strøm: A, B og C.

I tilfælde A er kablet permanent forbundet til EV'en og tilsluttes strømkilden efter behov. Tilfælde A anvendes ikke i CCS. Tilfælde B og C anvendes med CCS og med den tilsvarende kinesiske standard kaldet GB/T (figur 2). Når strømkablet er aftageligt i begge ender, er det tilfælde B. Hvis kablet er permanent forbundet til EVSE'en, er det tilfælde C. Opladningstilstand 3 kan bruge enten tilfælde B eller tilfælde C. opladningstilstand 4 bruger kun tilfælde C.

\Figur 2: Sammenligning af CCS type 1 (Nordamerika), type 2 (Europa) og GB/T-stikstykker (Kina), -former og -tilstande. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Temperaturovervågning og aktiv køling

Overvågning af kontakttemperaturen er vigtig i hurtige opladningssystemer. I henhold til IEC 62196 må temperaturstigningen ved kontakterne ikke overstige 50 °C. HCL-grænsefladen mellem EV og EVSE bruges til at kommunikere temperaturdataene. Hvis temperaturen stiger for meget, vil EVSE'en bremse eller stoppe opladningen. I tilfælde af CCS-stik til AC-opladning overvåger positive temperaturkoefficienter (PTC) termistorer temperaturen, som krævet i DIN 60738. Hvis stikket bliver for varmt, stopper opladningen (Figur 3). Til hurtig DC-opladning kræver DIN 60751 to Pt1000-sensorer, en på hver kontakt. En Pt1000 har en modstand, der stiger lineært med stigende temperatur.

Figur 3: En PTC-temperatursensor lukker for AC-opladning for at forhindre, at temperaturen overstiger et sikkert niveau (til venstre). Ved hurtig DC-opladning kan temperaturen overvåges kontinuerligt med en Pt1000-sensor (til højre). (Billedkilde: Phoenix Contact)

Temperaturovervågning sammen med aktiv køling er nødvendig i systemer, der leverer opladningsstrømme på over 250 A (figur 4). Med et aktivt køledesign kan CCS-stik levere op til 500 kW (500 A ved 1.000 V_DC). Hvis den omgivende temperatur stiger uventet, eller der opstår en overbelastningstilstand, gør temperaturovervågningen det muligt for systemet at øge kølehastigheden eller reducere opladningshastigheden for at holde temperaturforhøjelsen af stikkontakterne under specifikationsgrænsen på +50 °C.

Figur 4: Aktiv køling kombineret med temperaturaflæsning kan understøtte fuld 500 A-opladning og holde temperaturstigningen i stikket under +50 °C. (Billedkilde: Phoenix Contact (ændret af forfatteren))

Integrerede låsemekanismer

Låsemekanismer er integreret i CCS-stiksystemerne. Låsemekanismen i type 1-stik er en manuel klipsemekanisme. I type 2-stikforbindelser sker låsningen ved hjælp af en elektromagnetisk aktiveret metalbolt (Figur 5). Låsen styres, og dens tilstand kommunikeres til EVSE'en via en separat forbindelse.

Figur 5: CCS-køretøjsindtag er udstyret med en elektromekanisk styret låseskrue (ved siden af de røde pile, øverst til venstre), der er designet til at modstå store udtrækningskræfter. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Type 1- og 2-indtag og -tilslutninger

CHARX CCS-ladeindgangene fra Phoenix Contact har DC-kabeltværsnit på op til 95 kvadratmillimeter, der kan understøtte opladningshastigheder på op til 500 kW. Model 1194398 kan levere 125 kW opladning under normal drift og op til 250 kW i boost-tilstand (Figur 6). Denne CCS type 1-indgang er beregnet til brug i opladningstilstand 2, 3 og 4. Den omfatter en PTC-kædetemperaturføler på AC-kontakterne og Pt1000-føler på DC-kontakterne.

Figur 6: Model 1194398 CCS type 1 indgang til opladning af køretøjer til opladning med AC- eller DC-strøm kan levere 125 kW under normal drift og op til 250 kW i boost-tilstand. (Billedkilde: Phoenix Contact)

For større effektbehov understøtter 1162148 køretøjsladeindgangen fra Phoenix Contact opladningshastigheder på 500 kW i burst-tilstand og 250 kW i normal drift. Digital signaloverførsel ved hjælp af pulsbreddemodulation (PWM) er implementeret med powerline-kommunikation i henhold til ISO/IEC 15118 og DIN SPEC 70121. Den har et driftstemperaturområde på -40 °C til +60 °C.

Applikationer, der har brug for et CCS type 1 AC-stik til niveau 2-opladning, kan bruge model 2267220-3 fra TE Connectivity AMP Connectors (Figur 7). Dette stik er beregnet til 240 V_AC og 32 A og har tre strøm- og to signalkontakter. Den har et udvidet driftstemperaturområde fra -55 °C til +105 °C og er beregnet til 10.000 parringscyklusser.

Figur 7: CCS type 1 EV-ladestik med det integrerede manuelle låsesystem (venstre side af stikket). (Billedkilde: TE Connectivity)

Adam Tech's EV-opladerkabelsæt omfatter type 1- og type 2-stik med kabellængder på 3 meter (m) (9,84 fod (ft.)) eller 5 m (16,4 ft.) og fås med en IP-klassificering (IP) på IP54 eller IP55. F.eks. er CA #EV03AT-004-5M et type 2-stik med et 5 m langt kabel og en IP55-klassificering (Figur 8). Den har fem strømkontakter og to signalkontakter og er normeret til 480 V_AC ved 16 A med et driftstemperaturområde på -30 °C til +50 °C.

Figur 8: CA #EV03AT-004-5M CCS type 2-stikkene er beregnet til 480 V_AC ved 16 A. (Billedkilde: Adam Tech)

Overvejelser om CCS-specifikationer

De overordnede mekaniske og elektriske egenskaber ved CCS-køretøjsopladerindgange og -stik er standardiserede, men der er nogle få områder, som designere skal være opmærksomme på, når de specificerer disse enheder:

IP-klassificeringer: Disse klassifikationer er angivet på flere måder: når de er tilsluttet, når de er frakoblet uden dæksel og når de er frakoblet med dæksel. Nogle af de uinddækkede stik er klassificeret til IP20, hvilket betyder, at de er berøringssikre og modstandsdygtige over for støv eller genstande, der er over 12 mm store. Den har dog ingen beskyttelse mod væsker og kan blive beskadiget, hvis den kommer i kontakt med vandsprøjter. IP54, IP55 og IP65-klassificeringerne er almindelige for CCS-stik, når de er dækket eller sat i stikkontakten. IP65 har en højere grad af vandtæthed sammenlignet med IP54-enheder, men samme grad af vandtæthed sammenlignet med IP55-enheder. IP54- og IP55-enheder har mindre støvtæthed sammenlignet med IP65-enheder.

Driftstemperaturområde: Der findes ingen standard for denne specifikation. Områder som -30°C til +50°C og -40°C til +60°C er almindelige, men der findes også udvidede områder som -55°C til +105°C (se 2267220-3 fra TE Connectivity ovenfor).

Komponenter til temperaturmåling: Dette er standardiseret for AC-kontakterne med PTC-enheder og for DC-kontakterne med Pt1000-føler. Ordlyden i databladet kan blive forvirrende her. AC-enheder kalder nogle gange på brugen af "PTC" og nogle gange "PTC-kæde". Den korrekte betegnelse er "PTC-kæde", da der er en PTC på hver kontakt. Hvis en simpel "PTC" er angivet i databladet, bør konstruktører bekræfte, at der anvendes en "PTC-kæde". I forbindelse med Pt1000-sensoren nævnes der i nogle datablade en Pt100-sensor, som er mindre følsom og ikke opfylder CCS-standarderne. Det er en almindelig fejl at kalde en Pt1000-sensor for en Pt100-enhed, da "100" er langt mere udbredt end "1000". Designere bør bekræfte, at det faktisk er Pt1000, og at der er en på hver kontakt.

Konklusion

Hurtig opladning af BEV AC- og DC-biler understøtter den voksende kapacitet af batterier til elbiler og efterspørgslen efter større rækkevidde. Hurtig opladning på AC bruges til elbiler, der kører relativt korte afstande. Alternativt kan hurtig opladning af DC med højere effekt, som kan bringe et batteri til 80 % af en fuld opladning på få minutter, opfylde behovene ved langdistancekørsel. CCS tilbyder designere en sikker, intelligent og effektiv måde at kombinere AC- og DC-quickladning på i bilapplikationer og andre applikationer.

Anbefalet læsning

1. Hvordan man hurtigt og effektivt implementerer fleksible EV-opladningssystemer