Kompakta CCS-kablar ger snabb DC-laddning på nivå 2

Bekväm och tillförlitlig laddning behövs för att eliminera den "räckviddsångest" som förknippas med elfordon. För att tillgodose dessa behov måste konstruktörer av EVSE-infrastruktur inkludera en mängd olika laddningsalternativ, inklusive DC-snabbladdare med medelhög effekt, nivå 2 i bostäder, kommersiella miljöer och detaljhandelsmiljöer som kan ge upp till 80 A, extremt snabba laddare med hög effekt på nivå 3 som kan leverera upp till 500 A DC, och AC-laddning med lägre effekt på nivå 1, för natt- och nödladdning.

DC-laddning av elfordon är dock komplicerat. EVSE måste kontinuerligt övervaka anslutningens lås, systemets isolering, laddningsspänning, laddningsström och anslutningens temperatur. Om någon av dessa parametrar hamnar utanför de inställda gränsvärdena stängs EVSE:n av. Det kan även vara en utmaning att utforma, montera och säkerställa den långsiktiga mekaniska och elektriska integriteten hos en kompakt kabel och anslutning för DC-laddare på nivå 2. Kabeln har 5 ledare: +DC, -DC, kommunikation, låsövervakning och skyddsjord. Ledarna måste vara tillförlitligt anslutna till EVSE:n i den ena änden och till anslutningen för det kompakta laddningssystemet (CCS) i den andra. Om någon av dessa anslutningar är felaktig kommer det sannolikt att krävas en dyr och tidskrävande omarbetning av EVSE:n för att säkerställa en tillförlitlig drift.

För att lösa problemet med montering av CCS-anslutningar och kablar för EVSE på nivå 2 kan konstruktörer använda förmonterade kompakta CCS-anslutningar med tillhörande kablar. Kablarna och anslutningarna är utformade för användning på platser där laddning på nivå 3 inte behövs, men där snabbare laddning på nivå 2 är att föredra framför nivå 1. Kablarna finns som typ 1 för Nordamerika och typ 2 för Europa, där typ 1 uppfyller kraven i UL2251.

Artikeln granskar skillnaderna mellan CCS-anslutningar och kablar för AC och DC och jämför CCS-anslutningar för DC-laddning på nivå 2 och nivå 3 vad det gäller storlek och smidighet. Den diskuterar även flera användningsområden för färdigmonterade CCS-kablar för medelhög effekt och presenterar sedan färdiga kompakta CCS-kablar av typ 1 och typ 2 från Phoenix Contact, tillsammans med rekommendationer kring installation.

Skillnaden mellan laddningskablar för AC och DC i elfordon

Standardanslutningarna för CCS-laddning är utformade för att acceptera anslutningar för både AC och DC, vilket ger flexibilitet samtidigt som det förenklar utformningen av fordonen. AC-laddning har i sig en lägre effekt och använder kablar med anslutningsbara kontakter i båda ändar (figur 1). Vid DC-laddning, som sker med högre effektnivåer, är laddningskabeln alltid ansluten till EVSE i ena änden, och har en kontakt i den andra änden som sätts i fordonets uttag. DC-anslutningar har dessutom säkerhetsfunktioner som inte finns i motsvarande AC-enheter, inklusive låsningsmekanismer och temperaturövervakning.

Figur 1: Kablar för DC-laddning är fast monterade i EVSE:n och ansluts till elfordonets uttag. Kablar för AC-laddning har anslutningar i båda ändar. (Bildkälla: Phoenix Contact)

CCS-anslutningarna för DC-laddning på nivå 2 och nivå 3 upp till 250 kW är av samma storlek och kan användas i ett vanligt fordonsuttag. Den främsta skillnaden är att kabelns diameter ökar med 50 % för 250 kW-enheter för att klara de högre effektnivåerna, tillsammans med en motsvarande ökning av kabelns vikt. Detta medför, som ett resultat av den betydligt mindre kabeln, att anslutningar och färdiga kablar som är märkta för upp till 80 kW, är mycket lättare att bära och hantera. DC-laddning med hög effekt på upp till 500 kW eller mer, kräver ett annat fordonsuttag som har stöd för vätskekylning likväl som en större anslutning och kabel (tabell 1).

Tabell 1: Storleksjämförelse av CCS-anslutningar och kablar för typ 2 som är avsedda för DC-laddare med en effekt på 80 kW, 250 kW eller 500 kW. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Det finns, för användarens säkerhet, integrerade låsmekanismer i CCS-systemets anslutningar för DC-laddning och för att säkerställa att EVSE:n fungerar korrekt. Låsen är utformade för att tåla stora utdragningskrafter, vilket gör det nästan omöjligt att koppla ur kontakten medan elfordonet laddas. Låsmekanismen i anslutningar av typ 1 är en manuell klämma, såsom visas i figur 2. I anslutningar av typ 2 sker låsningen med hjälp av en elektromagnetiskt aktiverad metallregel (figur 5). I båda fallen övervakas låsets mekanism, och dess läge kommuniceras till EVSE:n via en dedicerad anslutning.

Figur 2: CCS-anslutningar av typ 1 har en manuellt manövrerad klämma. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Inbyggd temperaturmätning krävs i CCS-anslutningar för DC-laddning. Med exakt temperaturövervakning direkt vid strömkontakterna kan laddningsprocessen stoppas eller göras långsammare vid överhettning för att skydda användaren från fara och EVSE:n från skador. Anslutningarna innehåller två PT1000-givare, en för respektive kontakt (figur 3). Givarna har en resistor som ökar linjärt med temperaturökningen, vilket förenklar temperaturövervakningen. Temperaturen meddelas till EVSE:n via en signalledning i kabeln.

Figur 3: Temperaturgivarna PT1000 krävs vid CCS-anslutningarna för att övervaka driftstemperaturen och bidra till en säker laddning. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Säkra anslutningar

Anslutningarna inuti CCS-anslutningen är särskilt viktiga. Anslutningarna inuti EVSE:n utsätts inte för några större mekaniska påfrestningar, men CCS-anslutningen kommer att kopplas i och ur regelbundet, och kabelanslutningarna kommer att utsättas för upprepade påfrestningar (figur 4). Felaktigt monterade anslutningskablar kan leda till försämrad kontakt i form av ökat motstånd eller förlust av kabelanslutningen, vilket orsakar överhettning eller tillfällig monetär förlust vid anslutning av en eller flera ledare. Felaktigt monterade anslutningskablar kommer att leda till att laddningssystemet blir mindre tillförlitligt, att användarna blir missnöjda och att eventuella garantikostnader hamnar hos EVSE:n.

Figur 4: Anslutningarnas lilla storlek vid DC-laddning med medelhög effekt gör det svårt att säkerställa robusta och tillförlitliga kabelanslutningar. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Användningsfall på nivå 2

DC-laddning på nivå 2 förväntas bli populär när det behövs mer ström än vad som kan tillhandahållas med AC-laddning och snabbare laddning på nivå 3 inte är nödvändig. EVSE:er som använder dessa kompakta anslutningar uppfyller CCS-standarderna, och det mindre formatet ökar smidigheten och användarvänligheten. De förväntas finnas i en rad olika tillämpningar, bland annat:

Förortsbostäder: DC-laddare på nivå 2 som använder 240 V AC och kan ladda ett batteripaket tre till sju gånger snabbare än en grundläggande AC-laddare på nivå 1, beroende på elfordon. En ytterligare fördel är att i hem med solpaneler kan DC-laddare på nivå 2 överföra DC-ström direkt från solpanelen, vilket eliminerar energiförluster vid omvandling. I framtiden, i takt med att system för fordon-till-elnätet (V2G) och fordon-till-hemmet (V2H) blir allt vanligare, kommer det att finnas dubbelriktade laddare för nivå 2 som styr det omvända energiflödet från fordonet till hemmet eller elnätet.

Flerfamiljshus och stadsområden: Lägenhetsområden och bostadsrättsföreningar tillhandahåller DC-laddare på nivå 2 för boende och besökare. Dessutom inkluderar så kallad "right of way"-laddning i stadsbostadsområden, laddare som betjänar parkerade bilar på gatan när det inte finns några garage tillgängliga. I båda fallen kan laddaren ge EVSE-ägaren en intäktskälla och underlätta för grannskapets elbilsägare.

Offentliga platser där bilar samlas: DC-laddare på nivå 2 installeras på allt fler offentliga platser, t.ex. shopping- och nöjescentrum, skolor och högskolor, parkeringshus, idrottsarenor, bensinstationer och verkstäder. I takt med att försäljningen av elfordon fortsätter att öka finns DC-laddare på nivå 2 även hos bilhandlare. Dessa laddare används för att se till att fordonen är fulladdade innan de levereras till kunder och för att ladda fordon som lämnats för service.

Anslutningslösningar för DC-laddning på nivå 2

När laddningsströmmar på upp till 80 A behövs kan EVSE-konstruktörer använda sig av de lätta anslutningarna och färdiga kablarna CCS C-Line för DC-laddning från Phoenix Contact. De finns i olika kabellängder för typ 1- och typ 2-tillämpningar. Laddningskabeln 1236308 har exempelvis en typ 1-anslutning och en kabel som är 4 m lång, och laddningskabeln 1236966 har en typ 2-anslutning och en kabel som är 7 m lång. Dessa ergonomiska anslutningar uppfyller alla CCS-standarder i ett litet format för att underlätta snabba in- och urkopplingar vid användning i en rad olika tillämpningar för laddning med låg effekt (figur 5). Om så önskas kan de förses med en företagslogotyp för att förbättra EVSE-varumärket. Även om de är små i storlek är de högeffektiva och innehåller:

• Silverpläterade kontakter för optimal prestanda och tillförlitlighet
• Inbyggda givare för övervakning av strömanslutningarnas temperatur samt inbyggda låsmekanismer enligt standarden CCS.
• Överensstämmelse med DIN EN 50620, plus extruderad isolering och mantlar som är dimensionerad för upp till 750 V för användning i tuffa miljöer när EVSE ansluts till elbilen.
• Kompatibilitet med kraven i standarden IATF 16949 för fordonsindustrin och ISO 9001.

Figur 5: Den ergonomiska formen på anslutningarna CCS C-Line och deras lätta kablar underlättar hantering och bekvämlighet. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Integrering av EVSE

För att stödja integrationen av färdiga C-Line-kablar i EVSE:er förser Phoenix Contact konstruktörer med anslutningshållare och kabelgenomföringar, inklusive anslutningshållaren 1624143 och kabelgenomföringen 1424483 för anslutningar av typ 1, samt kontakthållaren 1624153 och kabelgenomföringen 1411134 för anslutningar av typ 2. Genom att installera anslutningshållare på sidan eller framsidan av EVSE:n tillhandahålls en säker för anslutningen när den inte används. Kontakten låses på plats men kan lätt tas bort. Hållaren är flexibel och kan monteras med en framåtriktad lutning på 0˚ till 45˚. Användning av en kabelgenomföring skyddar kabeln när den passerar genom EVSE:ns vägg, skyddar kabeln från skador om användaren drar i den och förhindrar att smuts och fukt kommer in i EVSE:n.

Figur 6: Anslutningshållare (vänster) och kabelgenomföringar (höger) för anslutningar av typ 2 underlättar integrationen av CCS C-Line anslutningar och färdiga kablar i EVSE:er. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Sammanfatttning

DC-laddning på nivå 2 kan vara ett värdefullt alternativ till laddning på nivå 1 med lägre effekt. Utformningen av kablar och anslutningar för DC-laddning innebär dock många utmaningar när det gäller prestanda, säkerhet och bestämmelser. Som framgår kan konstruktörer snabbt lösa många av dessa utmaningar genom att använda kablar/anslutningar från standardserien för laddning på nivå 2, tillsammans med inbyggda fördelar som lägre vikt och ergonomisk utformning för ökad användarvänlighet.

Rekommenderad läsning

1. Använd dubbelriktade kraftomvandlare och PFC:er för att förbättra effektiviteten i HEV, BEV och elnät
2. Hur man snabbt och effektivt implementerar flexibla laddningssystem för elfordon