Jak využít řadu konektorů pro podporu komplexní infrastruktury pro nabíjení elektromobilů

K podpoře nadcházejícího nárůstu používání elektrických vozidel (EV) bude potřeba všudypřítomná nabíjecí infrastruktura. Návrháři mají za úkol vyvinout širokou škálu řešení infrastruktury pro použití v obytných oblastech, hotelech, obchodech a restauracích, komerčních a průmyslových areálech, parkovacích garážích, čerpacích stanicích, odpočívadlech a dalších místech, aby bylo zajištěno neustále dostupné a pohodlné nabíjení elektromobilů. V některých případech si uživatelé mohou dovolit časový luxus a potřebují pouze několik kilowattů (kW) střídavého nabíjecího výkonu po delší dobu. Za jiných okolností bude rozhodovat čas a uživatelé budou požadovat stovky kW stejnosměrného proudu (DC) pro nabíjení elektromobilů během několika minut.

Designéři potřebují různé možnosti konektorů, které zvládnou střídavý proud s nízkým výkonem, stejnosměrný proud s vysokým výkonem a různé úrovně výkonu mezi nimi. Tyto konektory musí v rámci zajištění uživatelského pohodlí ergonomické a zároveň musí být robustní a jednoduché na instalaci, aby splňovaly požadavky výrobců elektrických vozidel na nákladově efektivní a spolehlivá řešení. Úchyty pro nabíjení a přívody napájení musí splňovat požadavky normy pro kombinovaný nabíjecí systém (CCS) SAE J1772 a IEC 62196.

Tento článek shrnuje technické požadavky na nabíječky elektromobilů v řadě nastavení, od nízkoenergetických nabíječek střídavého proudu v obytných oblastech až po nabíjení vysokým výkonem (HPC) na různých komerčních místech – včetně standardů elektrického výkonu a rozhraní a potřeby kapalinového chlazení v HPC instalacích. Dále představuje řadu AC a DC nabíjecích přívodů, úchytů a kabelových systémů od společnosti Phoenix Contact, které podporují potřeby všech typů konstrukcí nabíječek pro elektromobily, spolu s kapalinovým chladicím systémem pro HPC kabely a konektory.

Standardy nabíjení elektromobilů a odpovídající konektory byly vyvinuty v Severní Americe, Evropě a Číně. Normy v Severní Americe i v Evropě jsou založeny na standardu kombinovaného nabíjecího systému (CCS), který kombinuje střídavé a stejnosměrné nabíjení v jediném vstupu na vozidle. Konektory CCS typu 1 převládají v Severní Americe a Koreji a konektory CCS typu 2 se využívají v Evropě, na Středním východě, v Jižní Africe, Jižní Americe, Austrálii, na Novém Zélandu a v některých dalších oblastech. Čína se vydala svou vlastní cestou se standardem GB/T, který vyžaduje samostatné vstupy pro AC a DC nabíjení (obrázek 1).

Obrázek 1: Standardy nabíjení elektromobilů byly vyvinuty na regionálním základě v Severní Americe, Evropě a Číně. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Typy CCS

Existují dvě verze standardu CCS – Typ 1 a Typ 2. Typ 1 splňuje normy SAE J1772 a IEC 62196-3 a byl vyvinut pro severoamerický trh. Struktura AC a DC nabíjecích konektorů je kompatibilní s běžnou CCS zásuvkou vozidla.

Typ 2 také splňuje IEC 62196-3, ale ne SAE J1772. Původně byl vyvinut v Evropě a byl přijat v několika regionech, jak je uvedeno výše. Konektory pro nabíjení střídavým a stejnosměrným proudem typu 2 jsou rovněž kompatibilní s běžnou CCS zásuvkou vozidla.

Nabíjecí standard GB/T 20234 se používá pouze v Číně. V tomto případě mají AC a DC konektory různá rozhraní a vyžadují, aby byly na vozidle použity samostatné vstupy.

Obrázek 2: Příklady přívodů nabíjecího napájení pro elektromobily CCS typu 1 (vlevo), CCS typu 2 (uprostřed) a GB/T (vpravo) (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Režimy nabíjení

Kromě fyzických rozdílů mezi konektory CCS typu 1 a typu 2 se v Severní Americe a Evropě používají různé režimy nabíjení. Režimy s nižší spotřebou využívají integrovanou nabíječku elektromobilů, zatímco režimy s vyšším výkonem spoléhají na externí nabíječky. Navíc vyšší úrovně výkonu mohou mít větší tepelné problémy a těžit z vyšší přesnosti monitorování teploty.

Severoamerický standard SAE J1772 rozeznává tři režimy nebo úrovně:

• Úroveň 1 je určena především pro obytné oblasti a využívá 120 voltů střídavého proudu (VAC) k dodání až 1,9 kilowattů (kW).
• Vyšší napětí 208/240 jednofázového střídavého proudu používá úroveň 2. Tomu se říká „rychlé nabíjení střídavým proudem“ a dokáže dodat přibližně 19 kW do palubní nabíječky elektromobilu.
• Úroveň 3 je nabíjení stejnosměrným proudem pomocí externí stejnosměrné nabíječky. Základní specifikace je pro 600 V_DC do 400 ampér (A) pro maximální výkon 240 kW. Pokročilé konstrukce mohou dodávat 1 kilovolt stejnosměrného proudu (kV_DC ) a 500 A na celkový výkon 500 kW.

IEC 61851-1 definuje čtyři režimy nabíjení. Režimy 1, 2 a 3 využívají palubní nabíječku elektromobilu:

• Režimy 1 a 2 jsou určeny pro nabíjení střídavým proudem s nízkou spotřebou. Kabely režimu 1 se zapojují přímo do síťové zásuvky a dostupný výkon je omezený. Režim 2 se také zapojuje přímo do střídavého proudu, ale přidává ovládací a ochranné zařízení v kabelu, které bezpečně dodává až 15 kW s třífázovým střídavým proudem.
• Režim 3 je rychlé nabíjení střídavým proudem a využívá nabíjecí stanici k dodání až 120 kW střídavého proudu. Nabíječky úrovně 3 mohou volitelně zahrnovat protokol vysoké úrovně komunikace (HLC) mezi externím zdrojem střídavého proudu a palubní nabíječkou pro řízení nabíjení.
• Režim 4 je rychlé stejnosměrné nabíjení a může dodat několik stovek kilowattů přímo do baterie. V režimu 4 je vyžadována zpětná vazba HLC, která je nezbytná pro řízení nabíječky.

Tepelná ochrana

Tepelná ochrana je zajištěna v nabíjecích kabelech stejnosměrného i střídavého proudu. Pro nabíjení střídavým proudem do 80 A je běžný řetězec s termistorem s kladným teplotním koeficientem (PTC). Skládá se z řetězce zařízení, s jedním na každém kontaktu. Sledování hodnot odporu zajišťuje bezpečné vypnutí při překročení mezní teploty.

Na kontaktech výkonných nabíječek se používají senzory Pt1000 s vyšší přesností, protože zajišťují rychlou odezvu a umožňují konzistentní provoz systému při vysokých úrovních výkonu.

Vstup střídavého proudu a možnosti kabeláže

Pro konstruktéry nabíjecích systémů na střídavý proud nabízí společnost Phoenix Contact celou řadu univerzálních nabíjecích vstupů, které mohou přijímat střídavý nebo stejnosměrný proud, a specializované vstupy pouze na střídavý proud, které splňují požadavky pro typ 1 v Severní Americe a typ 2 v Evropě a jsou vhodné pro vozidla, která nevyžadují nabíjení stejnosměrným proudem. Tyto sestavy zahrnují 2metrový napájecí kabel a 1metrový kabel pro uzamykací pohon, snímač teploty a komunikaci. Mají uzamykací mechanismy, snímače teploty a prachové krytky. Mezi příklady kabeláže pro použití v aplikacích IEC 62196-2 a SAE J1772 typu 1 patří následující:

• Model 1271960 s přívodem pro nabíjení vozidel zvládne až 12 kW jednofázového střídavého proudu. Tento vstup je dimenzován na více než 10 000 cyklů zasunutí/vytažení.
• Pro aplikace s vyšším výkonem lze použít model 1271836, který je dimenzován až na 20 kW jednofázového střídavého proudu. Součástí je uzamykací pohon a ochranný kryt.

Společnost Phoenix Contact také nabízí řadu nabíjecích kabelů pro střídavý proud, včetně těchto:

• Model 1277166 pro použití s nabíječkami vozidel SAE J1772 typu 1. Na jednom konci má konektor pro nabíjení vozidla a na druhém konci je otevřený pro trvalé připojení nabíječky. Obsahuje PTC řetězové tepelné snímání a zvládne až 20 kW jednofázového střídavého proudu. Obsahuje 25stopý kabel (obrázek 3).
• Model 1627692 – mobilní kabel pro nabíjení střídavým proudem s nabíjecím konektorem pro vozidla pro vstupy typu 2 na jednom konci a infrastrukturním konektorem střídavého proudu na druhém konci pro použití s nabíječkami typu 2 IEC 62196-2. Tato sestava kabelů může dodávat až 26,6 kW třífázového střídavého proudu, obsahuje kontakty pro připojení HLC a je dlouhá 5 m.

Obrázek 3: Mobilní sestava kabelů pro nabíjení střídavým proudem s výkonem 20 kW. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Kabely pro nabíjení stejnosměrným proudem

Společnost Phoenix Contact nabízí řadu kabelů CCS C-Line pro nabíjení stejnosměrným proudem pro středně výkonné nabíjecí systémy používané v soukromých domech, bytových komplexech, podnicích a parkovacích zařízeních. Tyto kabely jsou k dispozici v provedení Typ 1 a Typ 2 a sestavy mají na jednom konci nabíjecí konektor pro vozidlo se snímači teploty a na druhém konci otevřené kabelové spoje. Příklady provedení Typu 1 zahrnují:

• 5m dlouhý model1105880 s výkonem 40 kW
• 7m dlouhý model1236563 s výkonem 80 kW (obrázek 4)

Obrázek 4: Tento stejnosměrný nabíjecí konektor je dimenzován na 80 kW a má 7m kabel. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Univerzální nabíjecí vstup

Univerzální nabíjecí vstup u modelu 1210900 pracuje se střídavými a stejnosměrnými konektory CCS typu 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 dimenzovanými až na 200 A a 1 kV_DC nebo 80 A a 250 V jednofázově. Kontakty stejnosměrného proudu mají dva snímače teploty PT1000 a kontakty střídavého proudu mají schéma tepelného snímání řetězce PTC.

Systém kabeláže 500kW stejnosměrného proudu

Konstruktéři výkonných systémů nabíjení stejnosměrným proudem v režimu 4 HPC se mohou spolehnout na systém kabeláže 1085658, který zahrnuje kapalinou chlazený konektor pro vozidla a kabel, který může dodávat až 500 A při 1 kV_DC. Splňuje požadavky CSS typu 1, SAE J1772 a IEC 62196-3-1. Systém obsahuje snímače pro monitorování teploty, přerušení kabelů a úniků chladicí kapaliny (obrázek 5). Monitorování teploty je implementováno pomocí dvou NTC pro kontakty stejnosměrného proudu a dvou NTC pro napájecí vodiče stejnosměrného proudu v kabelu.

Obrázek 5: Tato výkonná sestava kabeláže pro nabíjení stejnosměrným proudem je složitý systém. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Společnost Phoenix Contact k těmto kabelům pro nabíjení stejnosměrným proudem nabízí také samostatnou chladicí jednotku. Zahrnuje ventilátor a čerpadlo s proměnnou rychlostí, které zajišťují optimalizované chlazení pro výkonné systémy nabíjení stejnosměrným proudem (obrázek 6). Čerpadlo a ventilátor pracují od 0 V_DC na 10 V_DC, ventilátor spotřebuje maximálně 1,97 A a čerpadlo potřebuje až 1,8 A. Chladicí roztok je směs 50 % vody a 50 % glykolu. Kabely a elektroinstalace mají délku 1,5 metru. V kombinaci s kabeláží 1085658 má systém chladicí výkon 600 W pro 3m kabely, 800 W pro 4m kabely, 900 W pro 5m kabely a 1050 W pro 6m kabely.

Obrázek 6: Systém kapalinového chlazení pro výkonné kabely pro nabíjení stejnosměrným proudem. (Zdroj obrázku: společnost Phoenix Contact)

Shrnutí

K zajištění komplexní nabíjecí infrastruktury pro široké rozšíření elektromobilů bude potřeba široká škála typů nabíječek a úrovní výkonu. Návrháři musí vyvinout konstrukce nabíječek od střídavých nabíječek s nízkým výkonem 1,9 kW, které využívají vnitřní obvody nabíječky baterií elektromobilů, až po stejnosměrné nabíječky HPC 500 kW s kapalinou chlazenou kabeláží, které obcházejí vnitřní nabíjecí obvody a nabíjejí baterie přímo. Mezi těmito extrémy bude nezbytná široká škála úrovní výkonu nabíječek a režimů nabíjení, aby bylo zajištěno trvale dostupné nabíjení elektromobilů v soukromých domech a bytových komplexech, hotelech, obchodech a restauracích, obchodních a průmyslových areálech, parkovacích garážích, čerpacích stanicích, odpočívadlech a dalších místech.