Hur man använder en mängd olika kontakter för att stödja en omfattande infrastruktur för laddning av elfordon

Det kommer att krävas en omfattande laddningsinfrastruktur för att stödja den kommande ökningen av elfordonsanvändning. Konstruktörer utmanas att utveckla ett stort utbud av infrastrukturlösningar för användning i bostäder, hotell, butiker, restauranger, kommersiella och industriella platser, parkeringshus, bensinstationer, rastplatser och andra platser där det alltid finns tillgänglig och praktisk laddning av elfordon. Ibland har konsumenterna tid över och behöver bara ladda några kilowatt växelström under en längre tid. Under andra omständigheter är istället tiden viktig och konsumenterna kommer att kräva hundratals kilowatt likström för att ladda elfordonen på några minuter.

Konstruktörer behöver olika typer av kontaktdon som kan hantera växelström med låg effekt, likström med hög effekt och en rad olika effektnivåer däremellan. Kontaktdonen måste vara ergonomiska och bekväma för användaren, och de måste vara tåliga och enkla att installera för att tillgodose elfordonstillverkarnas behov av kostnadseffektiva och tillförlitliga lösningar. Laddningshandtagen och strömanslutningarna måste uppfylla standarderna avsedda för kombinerade laddningssystem (CCS), SAE J1772 och IEC 62196.

I den här artikeln granskas de tekniska kraven för elfordonsladdare i olika miljöer; från växelströmsladdare med låg effekt i bostäder till högeffektladdning (HPC) på olika kommersiella platser, inklusive elektrisk prestanda och standarder för gränssnitt samt behovet av vätskekylning i HPC-installationer. Därefter presenteras en rad olika uttag för växel- och likströmsladdning samt handtag och kabelsystem från Phoenix Contact som uppfyller behoven för alla typer av elfordonsladdare, tillsammans med ett vätskekylsystem för HPC-kablar och -kontakter.

Standarder för laddning av elfordon och motsvarande kontakter har utvecklats i Nordamerika, Europa och Kina. Standarderna i Nordamerika och Europa är relaterade till varandra och bygger båda på standarden CCS, som kombinerar växel- och likströmsladdning i en och samma anslutning för fordonet. Kontaktdonen CCS typ 1 är allmänt förekommande i Nordamerika och Korea och kontaktdonen CCS typ 2 finns i Europa, Mellanöstern, Sydafrika, Sydamerika, Australien, Nya Zeeland och i vissa andra områden. Kina har gått sin egen väg med standarden GB/T som kräver separata anslutningar för växel- och likströmsladdning (figur 1).

Figur 1: Standarder för laddning av elfordon som har utvecklats på regional nivå i Nordamerika, Europa och Kina. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Olika typer av CCS

Det finns två versioner av CCS-standarden; typ 1 och typ 2. Typ 1 uppfyller standarderna SAE J1772 och IEC 62196-3 och utvecklades för den nordamerikanska marknaden. Laddningskontakternas uppbyggnad för växelström och likström är kompatibel med en vanlig CCS-anslutning för fordon.

Typ 2 uppfyller även IEC 62196-3, men inte SAE J1772. Den utvecklades ursprungligen i Europa och har antagits i flera regioner, se ovan. Laddningskontakter av typ 2 för växelström och likström är även de kompatibla med en vanlig CCS-anslutning.

Laddningsstandarden GB/T 20234 används endast i Kina. I det här fallet har kontakterna för växelström och likström olika gränssnitt och kräver att separata anslutningar används i fordonet.

Figur 2: Exempel på elanslutningarna CCS typ 1 (vänster), CCS typ 2 (mitten) och GB/T (höger) för laddning av elfordon. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Laddningslägen

Förutom de fysiska skillnaderna mellan CCS-kontakterna av typ 1 och typ 2 används olika laddningslägen i Nordamerika och Europa. Den inbyggda laddaren används vid lägre effektlägen medan högre effektlägen är beroende av externa laddare. Dessutom kan högre effektnivåer innebära större termiska utmaningar och gynnas av temperaturövervakning med hög noggrannhet.

Den nordamerikanska standarden SAE J1772 har tre lägen eller nivåer:

• Nivå 1 är först och främst avsedd för bostäder och använder 120 VAC för att leverera upp till cirka 1,9 kW.
• Högre växelström, enfas, 208/240 V används för nivå 2. Detta läge kallas "snabb växelströmsladdning" och kan leverera cirka 19 kW till den inbyggda fordonsladdaren.
• Nivå 3 är likströmsladdning och använder sig av en extern likströmsladdare. Grundspecifikationen är för 600 V_DC vid upp till 400 A med en maximal effekt på 240 kW. Avancerade konstruktioner kan leverera 1 kV_DC och 500 A med en effekt på totalt 500 kW.

Fyra laddningslägen definieras i IEC 61851-1. Läge 1, 2 , och 3 använder den inbyggda laddaren i elfordonet.

• Läge 1 och 2 är avsedda för växelströmsladdning med låg effekt. Kablar för laddningsläge 1 ansluts direkt till eluttaget och den tillgängliga strömmen är begränsad. Läge 2 ansluts också direkt till eluttaget, men lägger till en styrning samt skyddskonstruktion i kabeln för att på ett säkert sätt kunna leverera upp till 15 kW trefas växelström.
• Läge 3 är snabb växelströmsladdning och använder en laddningsstation för att leverera upp till 120 kW växelström. Laddare på nivå 3 kan, som tillval, inkludera ett protokoll för HLC (high-level communications) mellan den externa växelströmskällan och den inbyggda laddaren för styrning av laddningen.
• Läge 4 är snabb likströmsladdning och kan leverera flera hundra kilowatt direkt till batteriet. HLC krävs i läge 4 för att ge den återkoppling som krävs för styrning av laddaren.

Värmeskydd

Värmeskydd finns i laddningskablar för både växel- och likström. För växelströmsladdning på upp till 80 A är det vanligt med en kedja av termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC). Den består av en kedja av enheter, med en enhet på varje kontakt. Övervakningen av resistansvärdet garanterar en säker avstängning om temperaturgränsen överskrids.

Pt1000-givare med högre noggrannhet används på kontakterna i laddare med hög effekt för att garantera ett snabbt gensvar och göra det möjligt för systemet att agera konsekvent vid höga effektnivåer.

Alternativ för växelströmsanslutningar och kabeldragning

För konstruktörer av laddningssystem med växelström erbjuder Phoenix Contact ett komplett sortiment av universella anslutningar som kan ta emot växel- eller likström samt dedikerade växelströmsanslutningar som uppfyller kraven för typ 1 i Nordamerika och typ 2 i Europa, och är lämpliga för fordon som inte behöver likströmsladdning. Enheterna innehåller en två meter lång strömkabel och kablar på en meter för det låsande ställdonet, temperaturgivare och kommunikation. De innehåller låsmekanismer, temperaturgivare och dammskydd. Exempel på kablage för användning i typ 1-tillämpningar med IEC 62196-2 och SAE J1772 är:

• Laddningsanslutning 1271960 kan hantera upp till 12 kW enfas växelström. Anslutningen är dimensionerad för över 10 000 in-/urkopplingscykler.
• För tillämpningar med högre effekt kan 1271836 användas som är dimensionerad för upp till 20 kW enfas växelström. Ett låsande ställdon och ett skyddslock medföljer.

Phoenix Contact erbjuder även en mängd olika laddningskablar för växelström, inklusive:

• 1277166 för användning med fordonsladdare av typ 1 enligt SAE J1772. Den har en laddningskontakt för fordon i ena änden och är öppen i den andra änden för fast anslutning till laddare. Den innehåller en PTC-kedja för termisk avkänning och kan hantera upp till 20 kW enfas växelström. Den inkluderar en kabel på 7,6 m (figur 3).
• 1627692, är en portabel laddningskabel för växelström med en laddningskontakt för typ 2-uttag i ena änden och en växelströmskontakt för befintlig infrastruktur i den andra, för användning med typ 2-laddare enligt IEC 62196-2. Kablaget kan leverera upp till 26,6 kW trefas växelström, innehåller kontakter för HLC-anslutningar och är 5 m lång.

Figur 3: Portabel laddningskabel som är dimensionerad för 20 kW. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Laddningskablar för likströmsladdning

Phoenix Contact erbjuder sitt sortiment CCS C, laddningskablar för likström som används för laddningssystem med medelhög effekt och används i privata bostäder, lägenhetshus, på företag och i parkeringsanläggningar. Kablarna finns som typ 1 och typ 2 och laddningskontakterna levereras med temperaturgivare i ena änden och en öppen kabelanslutning i den andra. Exempel på typ 1-konstruktioner är:

• Den 5 m långa 1105880 som är dimensionerad för 40 kW
• Den 7 m långa 1236563 som är dimensionerad för 80 kW (figur 4)

Figur 4: Laddningskontakten för likström är dimensionerad för 80 kW och har en kabel på 7 m. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Universell laddningsanslutning

Den universella laddningsanslutningen 1210900 fungerar med både lik- och växelströmskontakter CCS typ 1, IEC 62196-2 och IEC 62196-3 och är dimensionerad för upp till 200 A och 1 kV_DC eller 80 A och 250 V enfas växelström. Likströmskontakterna har två värmegivare, PT1000, och växelströmskontakterna har en PTC-kedja för värmeavkänning.

Likströmskablage för 500 kW

Konstruktörer av HPC-system för likströmsladdning i läge 4 kan använda sig av kablaget 1085658, som innehåller en vätskekyld fordonskontakt och kabel som kan leverera upp till 500 A vid 1 kV_DC. Det uppfyller kraven för CSS typ 1, SAE J1772 och IEC 62196-3-1. Systemet innehåller givare för temperaturövervakning, kabelbrott samt detektering av kylmedelsläckage (figur 5). Temperaturövervakningen sker via två NTC:er för likströmskontakterna och två NTC:er för likströmstrådarna i kabeln.

Figur 5: Kablaget för likströmsladdning med hög effekt är ett komplicerat system. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Phoenix Contact erbjuder även en separat kylenhet till dessa laddningskablar för likström. Den innehåller en fläkt med variabelt varvtal och en pump som ger optimerad kylning för laddningssystem med likström och hög effekt (figur 6). Pumpen och fläkten arbetar från 0 V_DC till 10 V_DC, fläkten förbrukar som mest 1,97 A och pumpen behöver upp till 1,8 A. Kyllösningen är en blandning av 50 % vatten och 50 % glykol. Kablarna och ledningarna är 1,5 meter långa. I kombination med kablage 1085658 har systemet en kylkapacitet på 600 W för kablar på 3 m , 800 W för kablar på 4 m, 900 W för kablar på 5 m och 1 050 W för kablar på 6 m.

Figur 6: Vätskekylsystem för laddningskablar med likström och hög effekt. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Sammanfattning

Det kommer att krävas ett stort utbud av olika typer av laddare och effektnivåer för att tillhandahålla en gedigen infrastruktur för laddning vid ett omfattande införande av elfordon. Konstruktörer måste utveckla allt från växelströmsladdare med låg effekt på 1,9 kW som använder den elfordonets interna batteriladdningskrets, till HPC-likströmsladdare på 500 kW med vätskekyld kabeldragning som förbikopplar den interna laddningskretsen och laddar batterierna direkt. Mellan dessa ytterligheter kommer det att krävas ett brett spektrum av laddningsnivåer och laddningslägen för att stöda ständigt tillgänglig laddning av elfordon i privata bostäder och hyreshus, hotell, butiker och restauranger, kommersiella och industriella anläggningar, parkeringsgarage, bensinstationer, rastplatser och på andra platser.