Använd CCS-anslutningar för att förenkla införandet av säkra snabbladdningssystem i elfordon

Användningen av elfordon ökar inom en rad olika användningsområden, från jordbruk och kommuner till konsumenter, till stor del tack vare den pågående minskningen av "räckviddsångesten". Även om avancerad batteriteknik möjliggör högre batterikapacitet per volymenhet - och därmed längre körsträckor - så blir nyttan av sådana framsteg begränsad om det tar för lång tid att ladda batteriet. Detta har lett till att fordonsföretag och deras underleverantörer snabbt måste införa metoder för snabbladdning.

En av de kritiska komponenterna vid laddning är kontakterna. De måste nu kunna hantera upp till 500 kW med upp till 1000 V likström, samtidigt som de även ska kunna hantera växelströmskällor. De måste även uppfylla kraven i standarderna IEC 62196 och SAE J1772 för säker och intelligent snabbladdning. För att uppfylla alla systemkrav för fordon och andra system kan konstruktörer av system för batterielektriska fordon, använda sig av kontakter som uppfyller specifikationerna för CCS (Combined Charging System).

Artikeln går igenom grundläggande nivåer och lägen för laddning av elfordon, och fortsätter sedan med kraven för CCS-kontakter, inklusive en jämförelse mellan CCS-kontakterna typ 1, typ 2 och kinesiska GB/T-kontakter. Den avslutas med en genomgång av de utökade funktioner som vissa leverantörer erbjuder, t.ex. större driftstemperaturområde och högre IP-klassificeringar, med hjälp av exempel på CCS-kontakter från Phoenix Contact, TE Connectivity och Adam Tech.

Kombinerat laddningssystem för elfordon

Fordonsuttaget för CSS är konstruerat för att hantera både växel- och likströmsanslutningar. Snabbladdning med växelström är fördelaktigt när bilen står parkerad under längre perioder i ett garage eller på en parkeringsplats, och snabb laddning med likström används när bilen står parkerad under kortare perioder i affärer, på rastplatser eller i särskilda laddningsstationer (figur 1).

Figur 1: Ett fordonsuttag för CCS stödjer snabbladdning med växel- och likström. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Nivåer och lägen för laddning av elfordon

Klassificeringarna för laddning av elfordon innefattar laddningsnivåer, laddningslägen, kopplingsfall, och när det handlar om CCS, typ av laddningskontakt. I USA identifierar SAE J1772 tre laddningsnivåer:

• Nivå 1 använder 120 V_AC för hushållsbruk och är begränsad till cirka 1,9 kW. Nivå 1 är långsam.
• Laddning på nivå 2 använder 208/240 V_AC med 1-fas. Den kan leverera upp till cirka 19 kW med en källa på 240 V_AC. Nivå 2 är "snabb växelströmsladdning" och laddar tre till sju gånger snabbare än nivå 1. Nivå 1 och 2 strömförsörjer den inbyggda laddaren i elfordonet.
• Nivå 3 är snabbladdning med likström och använder en extern likströmsladdare för att ge 600 V_DC vid 400 A för en total effekt på 240 kW. Avancerade snabbladdare för likström kan leverera 500 kW (1 000 V_DC vid 500 A).

I Europa definierar IEC 61851-1 fyra laddningslägen för elfordon:

• Vid laddning i läge 1 används en enkel kabel som ansluts direkt till ett växelströmsuttag. Den har låg effekt och används sällan.
• Läge 2 ansluts också direkt till ett växelströmsuttag, men har en inbyggd skyddsfunktion som kallas IC-CPD (styrnings- och skyddsenhet i kabeln). Läge 2 är säkrare än läge 1, men har enbart stöd för laddning med upp till cirka 15 kW, 3-fas.

Läge 3 och 4 är snabbladdning:

• Läge 3 använder en särskild laddningsstation (även kallad EVSE, eller strömförsörjningsutrustning för elfordon) för att leverera upp till 120 kW växelström. Lägena 1, 2 och 3 använder elfordonets inbyggda laddare för att styra batteriladdningen.
• Läge 4 avser snabbladdning med likström. Fordonsladdaren förbikopplas och EVSE förser batteriet med ström direkt från en likströmskontakt. Flera hundra kW kan levereras i läge 4. Även om energiåterkoppling med hjälp av ett kommunikationsprotokoll på hög nivå (HLC) och laddningsstyrning är möjligt i läge 3, så krävs det i läge 4.

Kontakttyper, anslutningslägen och anslutningsfall

CCS är standardiserat i SAE J1772 med kontakter av typ 1 för Nordamerika och i IEC 62196 med kontakter av typ 2 för Europa. HCL-gränssnittet mellan EV och EVSE är baserat på ISO/IEC 15118 och DIN SPEC 70121. Det finns tre möjliga anslutningar mellan elfordonen och elkraften: anslutningsfall A, B och C.

I fall A är kabeln permanent ansluten till elfordonet och ansluts till strömkällan vid behov. Fall A används inte med CCS. Fall B och C används med CCS och med motsvarande kinesisk standard som kallas GB/T (figur 2). Om strömkabeln är löstagbar i båda ändar handlar det om fall B. Om kabeln är permanent ansluten till EVSE handlar det om fall C. Laddningsläge 3 kan använda antingen fall B eller fall C. Laddningsläge 4 använder endast fall C.

Figur 2: Jämförelse av kontakttyper, anslutningslägen och anslutningsfall för CCS typ 1 (Nordamerika), typ 2 (Europa) och GB/T (Kina). (Bildkälla: Phoenix Contact)

Temperaturövervakning och aktiv kylning

Det är viktigt att övervaka kontaktens temperatur i snabbladdningssystem. Enligt IEC 62196 får kontakternas temperaturökning inte överstiga 50 °C. HCL-gränssnittet mellan EV och EVSE används för att kommunicera temperaturinformation. Om temperaturen ökar för mycket kommer EVSE att sakta ner eller avsluta laddningen. När det gäller CCS-kontakter för växelströmsladdning övervakas temperaturen med PTC-termistorer (positiv temperaturkoefficient), i enlighet med DIN 60738. Om kontakten blir för varm avslutas laddningen (figur 3). För snabbladdning med likström krävs två Pt1000-givare enligt DIN 60751, en för respektive kontakt. En Pt1000 har en resistans som ökar linjärt med ökande temperatur.

Figur 3: En PTC-temperaturgivare avslutar växelströmsladdningen för att förhindra att temperaturen överskrider säkerhetsnivåerna (till vänster). Vid snabbladdning med likström kan temperaturen övervakas kontinuerligt med en Pt1000-sensor (till höger). (Bildkälla: Phoenix Contact)

Temperaturövervakning i kombination med aktiv kylning, behövs i system som levererar laddningsströmmar på över 250 A (figur 4). Med aktiv kylning kan CCS-kontakterna leverera upp till 500 kW (500 A vid 1 000 V_DC)). Om omgivningstemperaturen stiger oväntat eller om en överbelastning inträffar, kan systemet med hjälp av temperaturövervakningen öka kylningsgraden eller minska laddningshastigheten för att hålla kontakternas temperaturökning under specifikationsgränsen +50 °C.

Figur 4: En aktiv kylning i kombination med temperaturavkänning kan stödja maximal laddning med 500 A och bibehålla kontaktens temperaturökning under +50 °C. (Bildkälla: Phoenix Contact (ändrad av författaren))

Inbyggda låsmekanismer

Låsmekanismerna är inbyggda i kontaktsystemen för CCS. Låsmekanismen i kontakter av typ 1 är en manuell klickmekanism. I kontakter av typ 2 sker låsningen med hjälp av en elektromagnetiskt aktiverad metallbult (figur 5). Låset styrs och dess tillstånd meddelas till EVSE via en separat anslutning.

Figur 5: Fordonsuttag för CCS som är utrustade med en elektromekaniskt styrd låsbult (bredvid de röda pilarna, överst till vänster) som är utformad för att motstå höga urdragningskrafter. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Uttag och kontakter för typ 1 och 2

Laddningsuttagen CHARX för CCS från Phoenix Contact har likströmskablar med tvärsnitt på upp till 95 kvadratmillimeter som klarar laddning med upp till 500 kW. Modell 1194398 kan leverera 125 kW laddning vid normal drift och upp till 250 kW i boost-läge (figur 6). Detta uttag för CCS av typ 1 är avsedd för användning i laddningsläge 2, 3 och 4. Den innehåller en seriekopplad PTC-temperaturgivare på växelströmsstiften och Pt1000-givare på likströmsstiften.

Figur 6: CCS-uttaget av modell 1194398 för typ 1 för laddning av elfordon med växel- eller likström kan leverera 125 kW vid normal drift och upp till 250 kW i boost-läge. (Bildkälla: Phoenix Contact)

För högre effektbehov har uttaget 1162148 för fordonsladdning från Phoenix Contact en laddningskapacitet på 500 kW i burst-läge och 250 kW vid normal drift. Digital signalöverföring med hjälp av pulsbreddsmodulering (PWM) implementeras med kraftledningskommunikation enligt ISO/IEC 15118 och DIN SPEC 70121. Det har ett temperaturområde för omgivningstemperatur på -40 °C till +60 °C.

Tillämpningar som behöver en CCS-kontakt av typ 1 för växelströmsladdning på nivå 2 kan använda kontakten 2267220-3 från TE Connectivity AMP (figur 7). Kontakten är dimensionerad för 240 V_AC, 32 A, och har tre ström- och två signalstift. Den har ett utökat arbetstemperaturområde från -55 °C till +105 °C och är specificerad för 10 000 kopplingscykler.

Figur 7: CCS-uttag av typ 1 för elfordon som visar det inbyggda manuella låssystemet (vänster sida av kontakten). (Bildkälla: TE Connectivity)

Kompletta kablar för laddning av elfordon från Adam Tech inkluderar kontakter för typ 1 och 2 med kabellängder på 3 eller 5 m, och de finns med IP-klassificering IP54 eller IP55 för inträngningsskydd. CA #EV03AT-004-5M är ett exempel på kontakt av typ 2 med 5 m kabel och IP55-klassning (figur 8). Den har fem strömstift och två signalstift och är märkt för 480 V_AC vid 16 A med ett drifttemperaturområde på -30 °C till +50 °C.

Figur 8: CCS-kontakterna CA #EV03AT-004-5M av typ 2 är märkta för 480 V_AC vid 16 A. (Bildkälla: Adam Tech)

Överväganden kring CCS-specifikationen

De övergripande mekaniska och elektriska egenskaperna hos uttag och kontakter för CCS-laddning av fordon är standardiserade, men det finns vissa saker som konstruktörer måste vara medvetna om när de specificerar dessa enheter:

IP-klassning: Klassificeringarna anges på flera olika sätt: när den är inkopplad, när den är urkopplad utan skydd och när den är urkopplad med skydd. Vissa oskyddade kontakter är klassificerade enligt IP20, vilket innebär att de är beröringssäkra och tål damm eller föremål som är över 12 mm stora. De har dock inget skydd mot vätskor och kan skadas om de kommer i kontakt med vattenstrålar. IP54, IP55 och IP65 är vanligt för CCS-kontakter när de är övertäckta eller när de är inkopplade. IP65 har en högre grad av vattentäthet jämfört med enheter med IP54, men samma grad av vattentäthet jämfört med enheter med IP55. Enheter med IP54 och IP55 är mindre dammtäta än enheter med IP65.

Drifttemperaturområde: Det finns ingen standard för denna specifikation. Vanliga områden är -30 °C till +50 °C och -40 °C till +60 °C, men det finns även utökade områden som -55 °C till +105 °C (se 2267220-3 från TE Connectivity ovan).

Komponenter för temperaturmätning: Detta är standardiserat för växelströmskontakter med PTC-enheter och för likströmskontakter med Pt1000-givare. Formuleringarna i datablad kan bli förvirrande här. Växelströmsenheter nämner ibland användning av "PTC" och ibland "seriekopplade PTC". Den korrekta beteckningen är "seriekopplade PTC" eftersom det finns en PTC på respektive kontakt. Om enbart "PTC" anges i databladet bör konstruktören bekräfta att det är "seriekopplade PTC" som används. När det gäller Pt1000-givare anges en Pt100-givare som är mindre känslig och inte uppfyller CCS-standarderna i vissa datablad. Det är ett vanligt fel att kalla en Pt1000-givare för en Pt100-enhet eftersom "100" används i mycket större utsträckning än "1000". Konstruktörer bör bekräfta att det verkligen är Pt1000 och att det finns en på respektive kontakt.

Sammanfattning

Snabbladdning med växel- och likström i batterielektriska fordon stödjer den ökande batterikapaciteten och kravet på utökade körsträckor i elfordon. Snabbladdning med växelström används för elfordon som körs relativt korta sträckor. Eller så kan snabbladdning med likström med högre effekt, som på några minuter kan ladda batteriet till 80 % av full laddning, tillgodose behoven vid långdistanskörning. CCS erbjuder konstruktörer ett säkert, intelligent och effektivt sätt att kombinera snabbladdning med växel- och likström i elfordon och andra tillämpningar.

Rekommenderad läsning

1. Hur man snabbt och effektivt implementerar flexibla laddningssystem för elfordon