Kompaktní kabely CCS poskytují rychlé stejnosměrné nabíjení úrovně 2

Pohodlné a spolehlivé nabíjení je zapotřebí k odstranění „neklidu z dojezdu“ spojeného s elektrickými vozidly (EV). Aby konstruktéři infrastruktury servisního vybavení pro elektromobily (EVSE) podpořili tyto potřeby, musejí zahrnout různé možnosti nabíjení, včetně středně výkonných stejnosměrných rychlonabíječek úrovně 2 v obytných, komerčních a maloobchodních prostředích, které jsou schopné dodávat proud až 80 A, vysoce výkonných ultrarychlých nabíječek úrovně 3, které jsou schopné dodávat stejnosměrný proud až 500 A DC, a nabíjení střídavým proudem (AC) úrovně 1 nižšího výkonu pro noční a nouzové nabíjení.

Stejnosměrné nabíjení elektromobilů je však složité. Vybavení EVSE musí nepřetržitě monitorovat zámek konektoru, izolaci systému, nabíjecí napětí, nabíjecí proud a teplotu konektoru. Pokud některý z těchto parametrů překročí nastavené limity, vybavení EVSE se vypne. Také návrh, sestavení a zajištění dlouhodobé mechanické a elektrické integrity kompaktního kabelu a konektoru pro stejnosměrné nabíječky úrovně 2 může být náročné. Kabel obsahuje 5 vodičů: +DC, -DC, komunikace, monitor zámku a ochranné uzemnění. Tyto vodiče musí být na jednom konci spolehlivě připojeny k vybavení EVSE a na druhém ke konektoru kompaktního nabíjecího systému (CCS). Pokud je některé z těchto připojení vadné, vybavení EVSE bude pravděpodobně vyžadovat nákladné a časově náročné přepracování, aby byl zajištěn spolehlivý provoz.

K řešení problémů spojených s montáží konektorů CCS a kabelů pro EVSE úrovně 2 mohou konstruktéři použít předem sestavené kompaktní konektory CCS s připojenými kabely. Tyto sestavy kabelů a konektorů jsou navrženy pro použití v místech, kde není potřeba nabíjení úrovně 3, ale upřednostňuje se rychlejší úroveň 2 před úrovní 1. Tyto kabely jsou k dispozici jako typ 1 pro Severní Ameriku a typ 2 pro Evropu, přičemž typ 1 splňuje požadavky UL2251.

Tento článek shrnuje rozdíly mezi střídavými a stejnosměrnými konektory a kabely a porovnává stejnosměrné CCS konektory úrovně 2 a úrovně 3 z hlediska velikosti a pohodlí. Pojednává také o několika případech využití středně výkonných kabelových sestavy CCS, poté představuje kompaktní kabelové sestavy CCS typu 1 a typu 2 od společnosti Phoenix Contact společně s doporučeními pro instalaci.

Rozdíl mezi střídavými a stejnosměrnými nabíjecími kabely pro elektromobily

Standardní nabíjecí vstupy CCS jsou navrženy tak, aby přijímaly střídavé i stejnosměrné nabíjecí konektory, což poskytuje flexibilitu a zároveň zjednodušuje design elektromobilů. Nabíjení střídavým proudem má ze své podstaty nižší výkon a využívá kabely se zásuvnými konektory na obou koncích (obrázek 1). U stejnosměrného nabíjení, které funguje při vyšších úrovních výkonu, je nabíjecí kabel vždy připojen k vybavení EVSE na jednom konci a na druhém konci je opatřen konektorem zasunutým do zásuvky vozidla. Stejnosměrné konektory jsou dále opatřeny bezpečnostní prvky, které nenaleznete u jejich střídavých protějšků, včetně uzamykacích mechanismů a monitorování teploty.

Obrázek 1: kabely pro stejnosměrné nabíjení jsou trvale připojeny k vybavení EVSE a zapojeny do zásuvky elektromobilu (EV). Kabely pro AC nabíjení mají zástrčky na obou koncích. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Konektory CCS pro stejnosměrné nabíjení úrovně 2 a úrovně 3 až do 250 kW mají podobnou velikost a lze je použít ve společném přívodu vozidla. Primárním rozdílem je asi 50% nárůst průměru kabelu u jednotek o jmenovitém výkonu 250 kW, aby mohly přenášet vyšší úrovně výkonu, spolu s odpovídajícím zvýšením hmotnosti kabelu. V důsledku mnohem menšího kabelu jsou konektor a kabelové sestavy úrovně 2 dimenzované až na 80 kW výrazně lehčí a snadněji se s nimi manipuluje. Stejnosměrné nabíjení o vysokém výkonu až 500 kW nebo více vyžaduje jiný přívod do vozidla, který podporuje kapalinové chlazení, a také větší konektor a kabel (tabulka 1).

Tabulka 1: Porovnání velikosti konektorů a kabelů typu 2 CCS dimenzovaných pro stejnosměrné nabíječky o výkonu 80 kW, 250 kW a 500 kW. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Uzamykací mechanismy jsou integrovány do systémů stejnosměrných nabíjecích konektorů CCS pro bezpečnost uživatele a pro zajištění správného provozu EVSE. Tyto zámky jsou navrženy tak, aby vydržely vysoké vytahovací síly, takže je téměř nemožné odpojit konektor během nabíjení elektromobilu. Uzamykací mechanismus u konektorů typu 1 je ruční spona, jak je znázorněno na obrázku 2. U konektorů typu 2 je uzamčení provedeno pomocí kovového šroubu, který je elektromagneticky řízen. V obou případech je uzamykací mechanismus monitorován a jeho stav je přenášen do vybavení, EVSE prostřednictvím vyhrazeného připojení.

Obrázek 2: Konektory CCS typu 1 obsahují ručně ovládanou zajišťovací sponu. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

V nabíjecích konektorech CCS DC je vyžadováno integrované snímání teploty. S přesným sledováním teploty přímo na silových kontaktech lze proces nabíjení zastavit nebo zpomalit v případě přehřátí, aby byl uživatel chráněn před nebezpečím a vybavení EVSE před poškozením. Tyto konektory obsahují dva snímače PT1000, jeden na každém kontaktu (obrázek 3). Tyto snímače mají odpor, který se lineárně zvyšuje s rostoucí teplotou, což zjednodušuje monitorování teploty. Teplota je do vybavení EVSE přenášena prostřednictvím signálového vedení v kabelu.

Obrázek 3: Na kontaktech konektoru CCS jsou vyžadována teplotní čidla PT1000, která monitorují provozní teplotu a pomáhají zajistit bezpečné nabíjení. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Bezpečná spojení

Zvláště důležité jsou spoje uvnitř konektoru CCS. Vnitřní spoje vybavení EVSE nejsou vystaveny významnému mechanickému namáhání, konektor CCS však bude pravidelně spojován a odpojován a kabelové spoje budou vystaveny opakovanému namáhání (obrázek 4). Nesprávně připojené kabely s konektory mohou mít za následek degradaci kontaktu ve formě zvýšeného odporu nebo ztráty připojení kabelu, což může způsobit přehřátí nebo okamžitou ztrátu spojení jednoho nebo více vodičů. Neadekvátně sestavené konektorové kabely budou mít za následek sníženou spolehlivost nabíjecího systému, nespokojenost uživatelů a možné záruční náklady pro výrobce vybavení EVSE.

Obrázek 4: Malá velikost konektorů pro stejnosměrné nabíjení středního výkonu komplikuje zajištění robustních a spolehlivých kabelových připojení. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Případy použití úrovně 2

Předpokládá se, že stejnosměrné nabíjení úrovně 2 bude populární tam, kde je potřeba více energie, než může být dodáno střídavým nabíjením, a rychlejší nabíjení úrovně 3 není nutné. Vybavení EVSE používající tyto kompaktní konektory splňují standardy CCS a menší tvarový faktor zvyšuje pohodlí a jednoduchost použití. Očekává se, že naleznou uplatnění v řadě aplikací, včetně následujících:

Předměstské rezidenční oblasti: stejnosměrné nabíječky úrovně 2 používají napětí 240 V AC a v závislosti na typu elektromobilu dokáží dobít bateriový blok třikrát až sedmkrát rychleji než základní střídavá nabíječka úrovně 1. Další výhodou je skutečnost, že v domácnostech se solárními panely mohou nabíječky úrovně 2 přenášet stejnosměrnou energii přímo ze solárního pole, čímž eliminují konverzní výkonové ztráty. S postupným rozšiřováním systémů Vehicle-to-grid (V2G) a Vehicle-to-home (V2H) v budoucnu budou k dispozici obousměrné nabíječky úrovně 2, které budou řídit zpětný tok energie z vozidla do domácnosti nebo sítě.

Vícegenerační a městské bydlení: bytové komplexy a komunity bytových domů poskytují pro obyvatele a návštěvníky stejnosměrné nabíječky úrovně 2. Kromě toho takzvané nabíjení s „právem přednosti v jízdě“ v městském rezidenčním prostředí zahrnuje nabíječky sloužící autům zaparkovaným na ulici, pokud nejsou k dispozici garáže. V obou případech může nabíječka poskytnout zdroj příjmů pro vlastníka EVSE a pohodlí majitelům EV v sousedství.

Veřejná místa, kde se shromažďují auta: stejnosměrné nabíječky úrovně 2 se instalují na stále více veřejných místech, jako jsou nákupní a zábavní centra, školy a vysoké školy, parkovací domy, sportovní arény, čerpací stanice a opravny. Vzhledem k tomu, že prodeje elektromobilů stále rostou, stejnosměrné nabíječky úrovně 2 lze nalézt také u prodejců automobilů. Tyto nabíječky se používají k zajištění úplného nabití elektromobilů před dodáním zákazníkům a k dobíjení elektromobilů předaných do servisu.

Řešení stejnosměrných konektorů úrovně 2

Je-li vyžadován nabíjecí proud až 80 A, mohou konstruktéři vybavení EVSE využít lehký stejnosměrný nabíjecí konektor CCS C-Line a kabelové sestavy od společnosti Phoenix Contact. Jsou k dispozici s různými délkami kabelů pro aplikace typu 1 a typu 2. Například nabíjecí kabel 1236308 má konektor typu 1 a kabel o délce 4 m, nabíjecí kabel 1236966 má konektor typu 2 a kabel o délce 7 m. Tyto ergonomické konektory splňují všechny standardy CCS v malém tvarovém faktoru, který usnadňuje rychlé připojování a odpojování pro použití v řadě aplikací nabíjení s nízkou spotřebou energie (obrázek 5). Na přání mohou být dodány s logem společnosti pro posílení značky vybavení EVSE. I přes svou malou velikost mají vysoký výkon a zahrnují:

• Postříbřené kontakty pro optimální výkon a spolehlivost
• Integrované senzory pro sledování teploty silových kontaktů a také integrované uzamykací mechanismy podle standardu CCS
• Shodu s normou DIN EN 50620, plus extrudovanou izolace a pláště dimenzované až na 750 V pro použití v náročných prostředích při připojení vybavení EVSE k elektromobilu
• Kompatibilitu s požadavky automobilové normy IATF 16949 a ISO 9001

Obrázek 5: Ergonomický tvar konektorů CCS C-Line a jejich lehká kabeláž usnadňuje manipulaci a pohodlí. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Integrace vybavení EVSE

Pro podporu integrace kabelových sestav C-Line do vybavení EVSE poskytuje společnost Phoenix Contact konstruktérům držáky konektorů a kabelové průchodky, včetně držáku konektoru 1624143 a kabelové průchodky 1424483 pro konektory typu 1 a držáku konektoru 1624153 a kabelové průchodky 1411134 pro konektory typu 2. Instalace držáků konektorů na boční nebo přední stranu vybavení EVSE poskytuje bezpečné místo pro konektor v době, kdy se nepoužívá. Konektor zapadne na místo, ale lze jej snadno vyjmout. Držák je flexibilní pro montáž s čelním sklonem 0˚ až 45˚. Použití kabelové průchodky chrání kabel při průchodu stěnou vybavení EVSE, chrání kabel před poškozením, pokud za něj uživatel tahá, a zabraňuje pronikání nečistot a vlhkosti do vybavení EVSE.

Obrázek 6: Držáky konektorů (vlevo) a kabelové průchodky (vpravo) pro konektory typu 2 usnadňují integraci CCS C-Line konektorů a kabelových sestav do vybavení EVSE. (Zdroj obrázku: Phoenix Contact)

Závěr

Stejnosměrné nabíjení úrovně 2 může poskytnout cennou alternativu k nabíjení úrovně 1 s nižším výkonem. Návrh stejnosměrné nabíjecí kabeláže a konektorů však přináší mnoho výzev v oblasti výkonu, bezpečnosti a předpisů. Jak je ukázáno, použitím standardních kabelových/konektorových sestav pro nabíjení úrovně 2 mohou konstruktéři rychle vyřešit mnoho z těchto problémů společně s přirozenými výhodami, jako je nižší hmotnost a ergonomický design pro snadnější použití.

Doporučeno k přečtení

1. Použijte obousměrné měniče energie a PFC ke zlepšení účinnosti HEV, BEV a elektrické sítě
2. Jak rychle a efektivně implementovat flexibilní systémy nabíjení elektromobilů